Verfahren zum Betreiben eines Heizelements in einem Kraftfahrzeug durch Pulsweitenmodulation

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizelements in einem Kraftfahrzeug durch Pulsweitenmodulation, wobei zum Erzielen einer gewünschten Heizleistung Fluktuationen der Versorgungsspannung durch eine Anpassung des Tastgrads ausgeglichen werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass während eines Spannungspulses ein Summenwert ermittelt wird, der mit der durch den Spannungspuls in das Heizelement einspeisten Energie ansteigt, indem die an dem Heizelement anliegenden Spannung und/oder der durch das Heizelement fließende Strom in vorgegebenen Zeitabständen gemessen werden und die gemessenen Werte oder aus ihnen ermittelte Werte aufsummiert werden, und der Spannungspuls spätestens dann beendet wird, wenn der Summenwert einen Sollwert erreicht hat. Die Erfindung betrifft ferner ein Glühkerzensteuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Heizelements in einem Kraftfahrzeug durch Pulsweitenmodulation, wobei zum Erzielen einer gewünschten Heizleistung Fluktuationen der Versorgungsspannung durch eine Anpassung des Tastgrads ausgeglichen werden.

[0002] Ein derartiges Verfahren ist in der DE 10 2006 010 081 A1 beschrieben. Bei dem bekannten Verfahren wird die während einer Periode mit einem Spannungspuls in eine Glühkerze einzuspeisende Energie in Abhängigkeit von einer gewünschten Solltemperatur der Glühkerze festgelegt und unter Berücksichtigung der aktuellen Versorgungsspannung für die aktuelle Periode eine entsprechende Pulsdauer vorgegeben. Durch Messen von Strom und Spannung wird dann die tatsächlich während des Spannungspulses eingebrachte Heizenergie ermittelt und ein Energiefehlbetrag oder ein Energieüberschuss in einer der folgenden Perioden ausgeglichen.

[0003] Mit dem bekannten Verfahren kann die Temperatur einer Glühkerze auf eine Betriebstemperatur geregelt werden, die ein optimales Zündverhalten ermöglicht. Indem durch Pulsweitenmodulation im zeitlichen Mittel die zum Aufrechterhalten einer gewünschten Betriebstemperatur erforderliche Energie in eine Glühkerze eingespeist wird, kann einem Absinken der Temperatur, das zu einem schlechteren Zündverhalten führen würde, ebenso wie einem Überhitzen, das zu einem vorzeitigen Ausfall der Glühkerze führen würde, entgegengewirkt werden.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Steuerung von Glühkerzen weiter verbessert werden kann, um ein optimales Zündverhalten eines Dieselmotors mit einer möglichst großen Lebensdauer der Zündkerzen zu kombinieren.

[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0006] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird verhindert, dass ein Anstieg der Versorgungsspannung während eines Spannungspulses zu einer Überhitzung des Heizelements führt. Erfindungsgemäß wird nämlich die während eines Spannungspulses eingespeiste Energie näherungsweise ermittelt und überwacht, so dass bei einem Anstieg der Versorgungsspannung ein Spannungspuls verkürzt werden kann. Die Auswirkungen von Fluktuationen der Bordnetzspannung auf die Temperatur des Heizelements können auf diese Weise vorteilhaft reduziert werden. Vorteilhaft kann deshalb durch ein erfindungsgemäßes Verfahren die Lebensdauer einer Glühkerze erhöht werden, ohne dass das Zündverhalten eines Dieselmotors beeinträchtigt wird.

[0007] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird während eines Spannungspulses ein Summenwert ermittelt, der mit der durch den Spannungspuls in das Heizelement einspeisten Energie ansteigt. Durch den Summenwert kann näherungsweise auf die durch den Spannungspuls in das Heizelement eingespeiste Energie geschlossen werden. Zur Ermittlung des Summenwertes werden die an dem Heizelement anliegende Spannung und/oder der durch das Heizelement fließende Strom fortlaufend gemessen und die gemessenen Werte oder aus ihnen ermittelten Werte aufsummiert. Der Spannungspuls wird spätestens dann beendet, wenn der Summenwert einen Sollwert erreicht hat, der von einem Steuergerät in Abhängigkeit von der Größe der gewünschten Heizleistung vorgegeben werden kann.

[0008] Die während eines Spannungspulses eingespeiste Energie ist durch das Integral des Produkts aus der an dem Heizelement anliegenden Spannung und des durch das Heizelement fließenden Stroms über der Pulsdauer definiert. Für die während eines Pulses eingebrachte Energie E gilt also E = ∫U·I dt, wobei U die an dem Heizelement anliegende Spannung und I den durch das Heizelement fließenden Strom angeben. Als Integrationsgrenzen dieses Integrals sind der Beginn des Spannungspulses und das Ende des Spannungspulses zu wählen.

[0009] Dieses Integral und damit die eingespeiste Energie können durch einen Summenwert angenährt werden, bei dem für eine Serie von Zeitpunkten jeweils das Produkt aus Strom und Spannung berechnet und aufsummiert wird. Indem man den elektrischen Widerstand eines Heizelements während eines Spannungspulses als nährungsweise konstant annimmt, kann die während eines Spannungspulses in das Heizelement einspeiste Energie auch anhand einer Serie von Messwerten der an dem Heizelement anliegenden Spannung oder einer Serie von Messwerten des durch das Heizelement fließenden Stroms nährungsweise bestimmt werden, indem das Quadrat der Messwerte einer solchen Serie aufsummiert wird. Eine etwas gröbere, jedoch für praktische Zwecke häufig ausreichende Nährung für die während eines Spannungspulses in das Heizelement eingespeiste Energie besteht darin, eine Serie von Messwerten der an dem Heizelement anliegenden Spannung zu ermitteln und die einzelnen Spannungswerte aufzuaddieren oder eine Serie des durch das Heizelement fließenden Stroms zu ermitteln und die einzelnen Stromwerte aufzuaddieren.

[0010] Bevorzugt wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Spannungspuls erst dann beendet, wenn der Summenwert den Sollwert erreicht hat. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass ein Spannungspuls genau dann beendet wird, wenn die in das Heizelement eingespeiste Energie nährungsweise einem Sollwert entspricht. Da ein Überhitzen einer Glühkerze im allgemeinen wesentlich schädlicher als eine etwas zu geringe Betriebstemperatur ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft auch eingesetzt werden, indem ein Steuergerät für die einzelnen Pulse sowohl einen Sollwert für den Summenwert als auch eine maximale Pulsdauer vorgibt und ein Puls beendet wird, sobald entweder der Summenwert den Sollwert erreicht hat oder die maximale Pulsdauer erreicht ist. Bei dieser Vorgehensweise wird in Kauf genommen, dass durch einen Spannungspuls eventuell weniger als die gewünschte Energiemenge in das Heizelement eingespeist wird. Ein eventueller Fehlbetrag kann bei dem nächsten Spannungspuls ausgeglichen werden, so dass eine eventuelle Abkühlung des Heizelements in der Regel nur von kurzer Dauer ist.

[0011] Bevorzugt werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren während eines Pulses mindestens zwei Mal, vorzugsweise mindestens vier Mal, pro Millisekunde Messungen vorgenommen, also die an dem Heizelement anliegende Spannung und/oder der durch das Heizelement fließende Strom gemessen. Während eines Spannungspulses wird bevorzugt mindestens zehn Mal, besonders bevorzugt mindestens 20 Mal, insbesondere mindestens 50 Mal, gemessen. Dies bedeutet, dass der Summenwert durch Aufsummieren von bevorzugt mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 20, insbesondere mindestens 50, Summanden berechnet wird.

[0012] Bevorzugt wird durch fortlaufende Messung der an dem Heizelement anliegende. Spannung eine Serie von Spannungswerten und durch fortlaufende Messung des durch das Heizelement fließenden Stroms eine Serie von Stromwerten erzeugt. Die Spannungswerte können dabei für dieselben Zeitpunkte wie für die Stromwerte erzeugt werden, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Zur Berechnung des Summenwerts kann nämlich das Produkt aus einem Spannungswert mit dem ihm zeitlich am nächsten liegenden Stromwert gebildet werden.

[0013] Die Erfindung betrifft ferner ein Glühkerzensteuergerät, das dafür eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

[0014] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung eines Steuergeräts und einer über einen Schalter an das Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossenen Glühkerze;

Figur 2

ein Beispiel des Verlaufs der Bordnetzspannung;

Figur 3

ein Beispiel von Messwerten der Stromstärke für den in Figur 1 gezeigten Spannungsverlauf; und

Figur 4

die Entwicklung eines Summenwertes, der aus den in Figur 3 dargestellten Stromwerten berechnet ist.

[0015] Figur 1 zeigt schematisch den Heizwiderstand R einer Glühkerze, der über einen Schalter 5 an das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Der Schalter 5 wird von einem Glühkerzensteuergerät 1 betätigt, das beispielsweise als Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgebildet sein kann. Der Schalter 5 ist ein Halbleiterleistungsschalter, bevorzugt ein Feldeffekttransistor, beispielsweise ein MOSFET. Der Schalter 5 ist über eine Steuerleitung 2 an das Glühkerzensteuergerät 1 angeschlossen. Das Glühkerzensteuergerät 1 misst den durch das Heizelement R fließenden Strom. Ein entsprechendes Stromsignal wird dem Glühkerzensteuergerät 1 über die Signalleitung 3 zur Verfügung gestellt. Das Glühkerzensteuergerät 1 misst auch die an dem Heizelement R anliegende Spannung. Ein entsprechendes Spannungssignal wird dem Glühkerzensteuergerät 1 über die Signalleitung 4 zur Verfügung gestellt. Sowohl das Heizelement R der Glühkerze als auch das Glühkerzensteuergerät 1 sind über entsprechende Leitungen an Masse angeschlossen.

[0016] Die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs und damit die Versorgungsspannung des Heizelements unterliegen typischer Weise erheblichen Schwankungen. In Figur 2 ist schematisch ein Beispiel für den Verlauf der Bordnetzspannung U in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Wenn der Schalter 5 zum Zeitpunkt t₁ geschlossen wird, beginnt durch das Heizelement R ein Strom zu fließen. Das Glühkerzensteuergerät 1 misst fortlaufend die Stärke des durch das Heizelement R fließenden Stroms I, erzeugt also eine Serie von Messwerten I(t₁), I(t₂) bis I(t_n) des Stroms I.

[0017] In Figur 3 ist schematisch ein Beispiel einer solchen Serie von Stromwerten I(t₁), I(t₂) bis I(t_n) für den in Figur 2 dargestellten Verlauf der Bordnetzspannung dargestellt. Bevorzugt sind die Stromwerte, wie in Figur 3 dargestellt, äquidistant, also in konstanten Zeitabständen Δt gemessen. Die Messwerte können vor der weiteren Auswertung gefiltert oder statisch aufbereitet werden.

[0018] Das Glühkerzensteuergerät 1 misst während eines Spannungspulses auch die an dem Heizelement R anliegende Spannung, erzeugt also eine Serie von Spannungswerten U(t₁), U(t₂) bis U(t_n). Der Verlauf der gemessenen Spannungswerte stimmt prinzipiell mit dem in Figur 3 dargestellten Verlauf der Stromwerte überein, da Strom und Spannung durch das Ohmsche Gesetz verknüpft sind.

[0019] Das Glühkerzensteuergerät 1 ermittelt aus den fortlaufend gemessenen Spannungs- und Stromwerten einen Summenwert, der nährungsweise die durch den Spannungspuls in das Heizelement R eingespeiste Energie angibt. Aus einer Serie von zu Zeitpunkten t₁ bis t_n gemessenen Stromwerten I(t₁), I(t₂) bis I(t_n) und einer entsprechenden Serie von Spannungswerten U(t₁), U(t₂) bis U(t_n) kann ein Summenwert S beispielsweise als


berechnet werden, wobei n eine natürliche Zahl ist, welche die Anzahl der in der Serie enthaltenen Messewerte des Stroms und der Spannung angibt, und Δt der zeitliche Abstand zwischen aufeinander folgenden Zeitpunkten. Da Δt eine dem Steuergerät bekannte Konstante ist, kann diese bei der Berechnung des Summenwerts ignoriert und stattdessen bei der Festlegung des Sollwerts berücksichtigt werden.

[0020] Alternativ kann ein Summenwert, der näherungsweise die bis zum Zeitpunkt t_n eingespeiste Energie angibt, beispielsweise proportional zu


berechnet werden.

[0021] Figur 4 zeigt zu den Figuren 2 und 3 den Verlauf des durch Summationen des Produkts aus Strom- und Spannungswerten U(t_i)·I(t_i) gebildeten Summenwerts S. Sobald der Summenwert S einen Sollwert S_Soll erreicht, wird der Strompuls beendet.

[0022] Der Sollwert S_Soll wird von dem Glühkerzensteuergerät 1 in Abhängigkeit von der Größe der gewünschten Heizleistung vorgegeben. Das Glühkerzensteuergerät 1 hat einen Speicher, in dem ein Programm gespeichert ist, das im Betrieb das beschriebene Verfahren durchführt.

[0023] Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die an dem Heizelement R im zeitlichen Mittel während des Spannungspulses anliegende Versorgungsspannung höher als die Versorgungsspannung zu einem Zeitpunkt t₀ vor Beginn des Spannungspulses. Würde man deshalb auf der Grundlage der zum Zeitpunkt t₀ zur Verfügung stehenden Bordnetzspannung eine Pulsdauer berechnen, mit der eine dem Sollwert entsprechende Energiemenge in das Heizelement eingespeist wird, würde sich eine zu lange Pulsdauer ergeben. In den Figuren 2 bis 3 ist die auf der Grundlage der zum Zeitpunkt t₀ zur Verfügung stehenden Bordnetzspannung berechnete Pulsdauer durch den Zeitpunkt t_e angedeutet. Der Zeitpunkt t_e liegt deutlich nach dem Zeitpunkt t_n, zu dem der Summenwert bereits den vorgegebenen Sollwert erreicht hat und deshalb der Spannungspuls beendet wird. Der Spannungspuls ist deshalb um die Zeitspanne t_d kürzer als auf der Grundlage der zum Zeitpunkt t₀ vor Beginn des Spannungspulses zur Verfügung stehenden Bordnetzspannung an sich zu erwarten wäre.

[0024] Mit dem beschriebenen Verfahren kann somit vor Beginn eines Spannungspulses dessen voraussichtliche Pulsdauer berechnet werden. Nach jedem Messvorgang der Spannung und des Stroms wird der Summenwert aktualisiert. Auf der Grundlage des Summenwertes kann eine noch verbleibende Differenz zu dem Sollwert ermittelt und damit die eine voraussichtliche Pulsdauer korrigiert werden.

[0025] Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden Stromwerte sowie Spannungswerte jeweils im Abstand von 125 Mikrosekunden gemessen. Die Periodendauer der Pulsweitenmodulation, also die Dauer des Zeitintervalls, in welchem der Schalter S zwei Mal betätigt wird, beträgt beispielsweise 15 Millisekunden bis 30 Millisekunden.

Bezugszeichen

[0026] 

1

Glühkerzensteuergerät

2

Steuerleitung

3

Signalleitung

4

Signalleitung

5

Schalter

I

Strom

U

Spannung

S

Summenwert

R

Heizelement

U

Bordnetzspannung

t

Zeit

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Heizelements in einem Kraftfahrzeug durch Pulsweitenmodulation, wobei zum Erzielen einer gewünschten Heizleistung Fluktuationen der Versorgungsspannung durch eine Anpassung des Tastgrads ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass
während eines Spannungspulses ein Summenwert er mittelt wird, der mit der durch den Spannungspuls in das Heizelement einspeisten Energie ansteigt, indem die an dem Heizelement anliegenden Spannung und/oder der durch das Heizelement fließende Strom in vorgegebenen Zeitabständen gemessen werden und die gemessenen Werte oder aus ihnen ermittelte Werte aufsummiert werden, und
der Spannungspuls spätestens dann beendet wird, wenn der Summenwert einen Sollwert erreicht hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenwert durch Messung der an dem Heizelement anliegenden Spannung und Aufsummieren der gemessenen Spannungswerte ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenwert durch Messung der an dem Heizelement anliegenden Spannung und Aufsummieren der Quadrate der gemessenen Spannungswerte ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenwert durch Messung des durch das Heizelement fließenden Stroms und Aufsummieren der gemessenen Stromwerte ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenwert durch Messung des durch das Heizelement fließenden Stroms und Aufsummieren der Quadrate der gemessenen Stromwerte ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die an dem Heizelement anliegenden Spannung als der durch das Heizelement fließende Strom in vorgegebenen Zeitabständen gemessen werden, der Summenwert näherungsweise als Integral des Produkts aus Strom und Spannung über der Zeit berechnet wird, indem jeweils das Produkt aus einem gemessen Spannungswert und einem gemessenen Stromwert gebildet und der Summenwert durch Aufsummieren der Produkte gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine Glühkerze ist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 10 mal, vorzugsweise mindestens 20 mal, insbesondere mindestens 50 mal, während eines Pulses die an dem Heizelement anliegende Spannung und/oder der durch das Heizelement fließende Strom gemessen werden.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 mal, vorzugsweise mindestens 4 mal, pro Millisekunde die an dem Heizelement anliegende Spannung und/oder der durch das Heizelement fließende Strom gemessen werden.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Puls eine maximale Pulsdauer vorgegeben wird und ein Puls beendet wird sobald entweder der Summenwert den Sollwert erreicht hat oder die maximale Pulsdauer erreicht ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungspuls erst dann beendet wird, wenn der Summenwert den Sollwert erreicht hat.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert von einem Steuergerät in Abhängigkeit von der Größe der gewünschten Heizleistung ermittelt wird.

13. Glühkerzensteuergerät mit
einem Steuerausgang zum Betätigen eines Schalters, und
wenigstens einem Signaleingang zum Messen einer an einer Glühkerze (R) anliegenden Spannung (U) oder eines durch das Heizelement (R) fließenden Stroms (I), dadurch gekennzeichnet, dass
das Glühkerzensteuergerät (1) im Betrieb ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.

Zeichnung