DE10229026A1

DE10229026A1 - Elektrische Schaltungsanordnung zum schnellen Hochheizbetrieb einer Lambdasonde einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10229026A1
Application number: DE2002129026
Authority: DE
Inventors: Andreas-Martin Windmueller; Edwin Eberlein; Roland Siedl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Die beschriebene elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Heizverbrauchers (100) mit kritischem Einschaltverhalten mittels einer Leistungsendstufe (102), insbesondere zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, weist einen mit dem Heizverbraucher (100) verbundenen Mikrocontroller (104) zur Erfassung der am bestromten Heizverbraucher (100) abfallenden Spannung und zur Ansteuerung der Leistungsendstufe (102) auf, um die am Heizverbracher (100) abfallende Spannung möglichst zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Heizverbrauchers mit kritischem Einschaltverhalten mittels einer Leistungsendstufe, insbesondere zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung ein die genannte Schaltungsanordnung aufweisendes Motorsteuergerät gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch.

In der Kraftfahrzeugtechnik sind im Bereich von Abgasreinigungs- bzw. Katalysatorsystemen Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen eine Lambdasondenheizung mittels einer Leistungsendstufe, meist eines Feldeffekttransistors (FET), so bestromt wird, dass der durch die Lambdasondenheizung fließende Strom zu keinem Zeitpunkt begrenzt ist. Da das Einschaltverhalten der Lambdasondenheizung insoweit als kritisch anzusehen ist. als eine unmittelbare Beaufschlagung der Lambdasondenheizung mit der Kraftfahrzeug-Batteriespannung von 14 Volt die Lambdasondenheizung zerstören würde, wird der Hochheizvorgang bis zum Erreichen der Betriebstemperatur durch geeignete Wahl des zeitlichen Verlaufs eines Steuersignals zur Ansteuerung der Leistungsendstufe, bspw. der an dem FET anliegenden Gate-Spannung, erreicht.

Dieser bekannte Lösungsansatz ermöglicht aufgrund der fehlenden Strombegrenzung ein schnelles Hochheizen der Lambdasonde, erfordert allerdings zugleich eine kostspielige Leistungsendstufe, bspw. einen auf die relativ hohen elektrischen Ströme ausgelegten Hochleistungs-FET.

Zudem wird die Leistungsendstufe in einem Kraftfahrzeug meist in einem Motorsteuergerät untergebracht, wobei die Leiterquerschnitte bzw. Leiterbahndicken gemäß den hohen Strömen auszulegen sind und daher eine beträchtliche Gewichtserhöhung bedingen, welche der bei Kraftfahrzeugen in aller Regel gewünschten Gewichtsreduzierung zuwider läuft.

Auf dem genannten Gebiet sind des Weiteren gattungsgemäße Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die genannte Lambdasondenheizung über eine kostengünstigere, strombegrenzte Leistungsendstufe (FET) betrieben wird, wobei der Strom bspw. auf 3 Ampere begrenzt ist. Durch die Strombegrenzung wird der Hochheizvorgang verlängert, da die Verlustleistung, welche im Heizwiderstand der Lambdasondenheizung in Wärme umgesetzt wird, niedriger ist. Die Ansteuerung der Leistungsendstufe erfolgt ähnlich wie bei dem vorbeschriebenen Lösungsansatz.

Die Vorteile des zuletzt beschriebenen Lösungsansatzes gegenüber dem davor beschriebenen Lösungsansatz liegen darin, dass preisgünstigere, strombegrenzte Leistungsendstufen (FETs) eingesetzt werden können und die Leiterquerschnitte bzw. Leiterbahndicken geringer sein können. Allerdings bedingt die genannte Strombegrenzung ein langsameres Hochheizen als beim ersten Lösungsansatz.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektrischen Heizverbrauchers mit dem genannten kritischen Einschaltverhalten dahingehend weiterzuentwickeln, dass die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und insbesondere ein möglichst schnelles Hochheizen bei minimalem Kostenaufwand für die erforderlichen Schaltungskomponenten, insbesondere einer erforderlichen Leistungsendstufe, ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen Gegenstand von Unteransprüchen sind.

Die Erfindung sieht bei einer eingangs genannten Schaltungsanordnung insbesondere vor, die momentan am bestromten elektrischen Heizverbraucher abfallende Spannung zu erfassen und die Leistungsendstufe so anzusteuern, dass die am elektrischen Heizverbraucher abfallende Spannung möglichst kompensiert wird.

Bevorzugt wird die Einschaltzeit der Leistungsendstufe die genannte Kompensation bewirkend nachregelnd (bspw. verlängernd) angesteuert, wobei eine am Heizverbraucher maximal zulässige effektive Heizspannung zugrundegelegt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist in einer Ausführungsform einen Mikrocontroller mit einem Analog/Digital-Kanal(ADC) Eingang auf. Über den ADC wird die am Ausgang der Leistungsstufe anliegende Spannung mittels des dadurch gebildeten Spannungsteilers eingelesen. Der Mikrocontroller berechnet dabei die optimale Einschaltzeit für das Steuersignal der Leistungsendstufe, um die momentan zulässige effektive Versorgungsspannung des Heizverbrauchers einzustellen. Beispielsweise wird durch eine höhere Einschaltzeit der Leistungsendstufe die niedrigere, am elektrischen Heizverbraucher abfallende Spannung kompensiert.

Die Erfindung ermöglicht ein schnelles Hochheizen des Heizverbrauchers, trotz des Einsatzes einer kostengünstigen, stromgeregelten bzw. strombegrenzenden Leistungsendstufe, bspw. eines preisgünstigen Niedrigleistung-Feldeffekttransistors (FET). Die Erfindung verbindet demnach den Vorteil der möglichen Verwendung einer kostengünstigen strombegrenzten Leistungsendstufe, bspw. eines preisgünstigen Feldeffekttransistors, mit dem Vorteil des schnellen Leistungsversorgung des Heizverbrauchers.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einsetzbar, da ein schnelles, ungeregeltes Hochheizen diese zerstören würde, jedoch wiederum ein möglichst schnelles Hochheizen erwünscht ist, um ein die Lambdasonde aufweisendes geregeltes Abgasreinigungs- bzw. Katalysatorsystem möglichst frühzeitig nach einem Start der Brennkraftmaschine in Betrieb nehmen zu können.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist vorteilhaft in einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeuges einsetzbar, da die aufgrund der Verwendung einer strombegrenzten Leistungsendstufe und der daraus resultierenden geringeren Strombelastung ermöglichten geringeren Leitungsquerschnitte bzw. dünneren Leiterbahnen zu einem Gewichtsvorteil führen.

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles detaillierter erläutert, aus dem weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. Im Einzelnen zeigen

1 eine Schaltungsanordnung mit einer stromgeregelten Leistungsendstufe zum Betrieb einer Lambdasondenheizung gemäß dem Stand der Technik und

2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum schnellen Hochheizbetrieb einer Lambdasondenheizung.

Die 1 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Lambdasondenheizung eines (nicht gezeigten) geregelten Katsystems einer Brennkraftmaschine bspw. eines Kraftfahrzeuges. Die Schaltungsanordnung weist eine Leistungsendstufe zur elektrischen Versorgung der vorliegend durch einen Heizwiderstand 10 gebildeten Lambdasondenheizung auf. Die elektrische Spannungsversorgung des Heizwiderstandes 10 wird durch die Batteriespannung 12 von + 14 Volt einer üblichen Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt.

Die Leistungsendstufe ist durch einen stromgesteuerten Feldeffekttransistor (FET) 14 gebildet, dessen Gate-Elektrode 16 durch ein von einem hier nur schematisch dargestellten Mikrocontroller 18 bereitgestelltes, getaktetes Steuersignal 20 angesteuert wird.

Der FET 14 ist vorliegend als nicht strombegrenzend ausgeführt. Das Einstellen der maximal zulässigen effektiven Heizspannung, d.h. der am Heizwiderstand 10 abfallenden Spannung, erfolgt daher durch entsprechende Wahl der getakteten Einschaltzeit des FET 14. Daraus resultiert das hier gezeigte, vor dem Heizwiderstand 10 anliegende rechteckförmige Spannungssignal 22.

Für das Integral der Einschaltzeit des FET 14 gilt vorliegend der Zusammenhang
t_V_ein = (U_eff_TKU/U_Batt)^2

In der 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum schnellen Hochheizbetrieb einer vorliegend ebenfalls durch einen über eine Batteriespannung 101 Heizwiderstand 100 gebildeten Lambdasondenheizung dargestellt.

Die Schaltungsanordnung weist eine mit dem Heizwiderstand 100 verbundene, vorliegend ebenfalls durch einen FET 102 gebildete Leistungsendstufe auf. Ein ebenfalls vorhandener Mikrocontroller 104 weist einen Analog/Digital-Wandlerkanal (ADC-Kanal) Eingang 106 auf, über welchen die am Ausgang 108 (vorliegend damit gleichzeitig auch an der FET-Drain-Elektrode 110) der Leistungsendstufe und damit ebenfalls die momentan am Heizwiderstand 100 anliegende Spannung in den Mikrocontroller 104 eingelesen wird. Diese Spannung wird demnach über den durch den Heizwiderstand 100 und den FET 102 gebildeten Spannungsteiler abgegriffen. Durch diesen Spannungsabgriff und dem an der Gate-Elektrode 112 des FET 102 wiederum eingespeisten Spannungssignal 114 liegt demnach im Ergebnis ein Rückkopplungszweig 116 vor, der ein vom Spannungsabfall am Heizwiderstand 100 abhängiges, nachregelndes Ansteuern des FET 102 ermöglicht.

Der Mikrocontroller 104 berechnet gemäß der nachfolgend angegebenen Formel die jeweils optimale Einschaltzeit t_V_ein des FET 102, d.h. das erforderliche Steuersignal (PWM-Signal) 114 zur FET-Ansteuerung über dessen Gate-Elektrode 112. Mittels des PWM-Signals 114 wird die momentan zulässige effektive Heizspannung am Heizwiderstand 100 optimal eingestellt. Durch eine Erhöhung der Einschaltzeit des FET 102 lässt sich die niedrigere, am Heizwiderstand 100 abfallende Spannung demnach kompensieren.

Für das Integral der Einschaltzeit gilt bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Zusammenhang
t_V_ein = (U_eff_TKU/U_Heizverbraucher_aktuell)^2,
wobei U_eff_TKU die von der Leistungsendstufe (hier: FET 102) bereitgestellte effektive Spannung und U_Heizverbraucher_aktuell die momentan am Heizwiderstand 100 abfallende Spannung und wobei U_Heizverbraucher_aktuell die Differenz aus der Batteriespannung U_Batt 101 und der an den Mikrocontroller 104 übergebenen Spannung U_ADC_min_Wert darstellen.

Aufgrund der genannten Regelung und der Taktung des FET 102 mittels des Mikrocontrollers 104 ergibt sich das in der 2 ebenfalls gezeigte, am Heizwiderstand 100 anliegende rechteckförmige Spannungssignal 118. Diese weist eine Rampencharakteristik auf, durch die der durch den Heizwiderstand 100 fließende Strom begrenzt wird. Gegenüber dem Stand der Technik liegt hier somit nicht eine statische, sondern eine in der Größe variable Strombegrenzung vor. Nach einer Einschaltzeit von etwa 3–5 sec. liegt dann am Heizwiderstand 100 die volle Batteriespannung 101 an.

Claims

Elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Heizverbrauchers (100) mit kritischem Einschaltverhalten mittels einer Leistungsendstufe (102), insbesondere zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, gekennzeichnet durch einen mit dem Heizverbraucher (100) verbundenen Mikrocontroller (104) zur Erfassung der am bestromten Heizverbraucher (100) abfallenden elektrischen Spannung und zur Ansteuerung der Leistungsendstufe (102), so dass die am Heizverbraucher (100) abfallende elektrische Spannung möglichst kompensiert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (104) die Leistungsendstufe (102) nachregelnd so ansteuert, dass die am Heizverbraucher (100) maximal zulässige Heizspannung während des Heizbetriebs im Wesentlichen aufrechterhalten wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (104) einen Analog/Digital-Kanal(ADC) Eingang (106) aufweist, über den die am Ausgang (108) der Leistungsstufe (102) anliegende Spannung mittels des durch den Heizverbraucher (100) und die Leistungsendstufe (102) gebildeten Spannungsteilers eingelesen wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (102) unter Einflussnahme auf deren Einschaltzeit angesteuert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit t_V_ein der Leistungsendstufe (102) durch das Quadrat des Quotienten aus der von der Leistungsendstufe (102) bereitgestellten effektiven Spannung U_eff_TKU und der momentan am Heizverbraucher (100) abfallenden Spannung U_Heizverbraucher_aktuell gebildet wird, wobei der Wert U_Heizverbraucher_aktuell die Differenz aus der Versorgungsspannung U_Batt (101) und der an den Mikrocontroller (104) übergebenen Spannung U_ADC_min_Wert darstellt.
Motorsteuergerät aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.