DE102011089228A1

DE102011089228A1 - Vorrichtung zum Ansteuern elektrisch betätigbarer Ventile in verschiedenen Betriebsarten

Info

Publication number: DE102011089228A1
Application number: DE102011089228A
Authority: DE
Inventors: Jose-Luis Parga-Cacheiro; Dirk Bodenschatz; Katharina Grimme
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20
Also published as: CN103999172B; WO2013092169A1; JP5841677B2; CN103999172A; EP2795636A1; US9502198B2; US20150022933A1; JP2015504142A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern eines elektrisch betätigbaren Ventils, das eine Ventilspule (1a, 1b) aufweist, umfassend: einen im Stromkreis der Ventilspule (1a, 1b) angeordneten Hauptschalter (5a, 5b) zum Einstellen des durch die Ventilspule (1a, 1b) fließenden Stroms, und einen parallel zur Ventilspule (1a, 1b) geschalteten Freilaufpfad (6a, 6b) mit einer Freilaufdiode (3a, 3b). Gemäß der Erfindung ist ein Freilaufschalter (2a, 2b) vorgesehen, mittels dessen der Freilaufpfad (6a, 6b) unterbrochen oder geschlossen werden kann. Dadurch wird es möglich, das Ventil wahlweise in einem PWM- oder in einem Schaltbetrieb zu betreiben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern elektrisch betätigbarer Ventile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Bremsanlage mit mehreren elektrisch betätigbaren Ventilen.
Elektrisch betätigbare Ventile, auf die hier Bezug genommen wird, umfassen eine Ventilspule zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, mittels dessen das Ventil geöffnet oder geschlossen wird. Derartige Ventile sind beispielsweise in modernen Kfz-Bremsanlagen als Einlass-, Auslass- oder Umschaltventile verbaut. Diese Ventile werden benötigt, um z. B. eine Fahrdynamikregelung oder andere Funktionen, wie z.B. ABS (Antriebs-Blockier-System) oder HHC (Hill-Hold-Control) ausführen zu können. Dabei ist es erforderlich, den an den Radbremsen herrschenden Bremsdruck automatisch auf- oder abzubauen. Die Auslassventile haben dabei die Aufgabe, den hydraulischen Druck aus den einzelnen Radbremsen in eine Speicherkammer abzuleiten. Die Einlassventile haben die Aufgabe, den vom Hauptbremszylinder ausgeübten Bremsdruck zu den einzelnen Radbremsen zu leiten.
Die im Bremskreis enthaltenen Ventile werden üblicherweise mittels einer zugehörigen Steuerelektronik angesteuert. Diese ist üblicherweise entweder für einen Schaltbetrieb oder für einen PWM-Betrieb ausgelegt. Die Ventile können also entweder nur im Schaltbetrieb oder nur im PWM-Betrieb angesteuert werden.
Im Schaltbetrieb wird das Ventil für eine vorgegebene Zeitdauer in der Regel mit maximaler Intensität angesteuert und danach wieder vollständig geschlossen. Während der Ansteuerung des Ventils wird die Ventilspule z. B. über einen masseseitigen Hauptschalter (Low-Side-Schalter) gegen Masse geschaltet. Um nach dem Ausschalten des Stroms ein möglichst schnelles Abklingen des Stroms zu gewährleisten, wird kein Freilauf verwendet. Dadurch erzeugt die Ventilspule allerdings eine relativ hohe induzierte Spannung, die die Funktion der Elektronik beeinträchtigen kann. Um die induzierte Spannung zu begrenzen, ist in der Regel eine sogenannte Clamping-Diode vorgesehen, die mit einem Steueranschluss des Low-Side-Schalters verbunden ist und diesen so ansteuert, dass sich der in der Ventilspule fließende Strom schnell abbauen kann.
Der vorstehend beschriebene Schaltbetrieb hat vor allem den Vorteil, dass die Zeitdauer, in der das Ventil geöffnet ist, sehr genau eingestellt werden kann und die Abschaltdauer relativ kurz ist. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Druck-Stellgenauigkeit. Ein Nachteil des Schaltbetriebes liegt jedoch darin, dass das Ventil in dieser Betriebsart relativ starke und insbesondere für den Fahrer wahrnehmbare Geräusche erzeugt.
Im PWM-Betrieb wird der durch die Ventilspule fließende Strom mittels eines PWM-Signals (PWM: Puls-Weiten-Modulation) eingestellt. Dabei wird der im Strompfad der Ventilspule befindliche Hauptschalter mit einem bestimmten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet. In der Ein-Phase steigt der Strom in der Ventilspule an, in der Aus-Phase wird der Strom über einen Freilauf abgebaut. Aus dem Stand der Technik bekannte Ventile, die im PWM-Betrieb angesteuert werden, umfassen hierzu einen Freilaufpfad mit einer Freilaufdiode, der parallel zur Ventilspule geschaltet ist. Die PWM-Ansteuerung hat den Vorteil, dass das Ventil sanfter angesteuert werden kann als im Schaltbetrieb. Diese Betriebsart verursacht daher deutlich weniger Geräusche. Allerdings ist die Ansteuerung nicht so exakt wie im Schaltbetrieb und weist deutlich höhere Toleranzen bzgl. der Einschalt- bzw. Ausschaltzeitdauer auf. Daher ist auch die Druck-Stellgenauigkeit nicht so gut wie im Schaltbetrieb.
Offenbarung der Erfindung
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerelektronik für ein elektrisch betätigbares Ventil zu schaffen, mit der das Ventil wahlweise im Schaltbetrieb oder im PWM-Betrieb ansteuerbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird eine Steuerelektronik zum Ansteuern eines elektrisch betätigbaren Ventils vorgeschlagen, die einen im Stromkreis der Ventilspule angeordneten Hauptschalter zum Einstellen des durch die Ventilspule fließenden Stroms und einen parallel zur Ventilspule geschalteten Freilaufpfad mit einer Freilaufdiode aufweist. Die erfindungsgemäße Steuerelektronik umfasst darüber hinaus einen Freilaufschalter, mittels dessen der Freilaufpfad unterbrochen oder geschlossen werden kann. Wenn der Freilaufschalter geöffnet ist, kann das Ventil im Schaltbetrieb betrieben werden; der Freilaufpfad ist in diesem Fall unterbrochen. Ist der Freilaufschalter dagegen geschlossen, kann das Ventil im PWM-Betrieb betrieben werden; der Freilaufpfad ist in diesem Fall geschlossen. Die erfindungsgemäße Steuerelektronik ermöglicht es somit, ein Ventil wahlweise im Schaltbetrieb oder im PWM-Betrieb zu betreiben. Der Freilaufschalter ist vorzugsweise im Freilaufpfad der Ventilspule angeordnet.
Der Schaltbetrieb kann beispielsweise in Situationen gewählt werden, in denen es auf eine besonders genaue Druck-Stellgenauigkeit des an den Radbremsen wirkenden Bremsdrucks ankommt, wie z.B. bei einer Fahrdynamikregelung. In anderen Situationen, in denen die Druck-Stellgenauigkeit weniger wichtig ist und eine möglichst geringe Geräuschentwicklung im Vordergrund steht, kann dagegen der PWM-Betrieb gewählt werden. Solche Fahrsituationen können z.B. Zustände sein, in denen ein Hybridfahrzeug generatorisch gebremst wird und der im hydraulischen Bremssystem herrschende Bremsdruck mit möglichst geringer Geräuschentwicklung abgebaut werden soll.
Der Hauptschalter- und/oder Freilaufschalter ist/sind vorzugsweise als Transistorschalter, wie z.B. als MOS-Transistoren, realisiert.
Die erfindungsgemäße Steuerelektronik umfasst vorzugsweise eine Spannungsbegrenzungseinrichtung, die die von der Ventilspule im Schaltbetrieb induzierte Spannung begrenzt. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung ist vorzugsweise mit einem masseseitigen Anschluss der Ventilspule verbunden.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtung kann beispielsweise eine Zenerdiode oder ein anderes geeignetes Bauelement umfassen.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung zwischen einem masseseitigen Anschluss der Ventilspule und einem Steueranschluss des Hauptschalters angeordnet. Der Hauptschalter kann beispielsweise ein masseseitig angeordneter Transistor sein (Low-Side-Schalter).
Der Hauptschalter und/oder der Freilaufschalter sind vorzugsweise mit einer Steuereinheit, wie z.B. einem Steuergerät, verbunden und werden von diesem entsprechend der Betriebsart „Schaltbetrieb“ oder „PWM-Betrieb“ angesteuert. Im PWM-Betrieb wird der Hauptschalter vorzugsweise mit einem bestimmten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet, wobei der Freilaufschalter eingeschaltet ist, so dass sich der durch die Ventilspule fließende Strom im Aus-Zustand des Hauptschalters über den Freilaufpfad abbauen kann. Im Schaltbetrieb ist der Freilaufschalter dagegen ausgeschaltet und somit der Freilaufpfad unterbrochen. Der Hauptschalter kann im Schaltbetrieb z. B. voll eingeschaltet und nach einer vorgegebenen Zeitdauer wieder ausgeschaltet werden. Die von der Ventilspule induzierte Spannung baut sich dann vorzugsweise über eine Spannungsbegrenzungseinrichtung, wie z. B. einen Transistor, der über eine Zenerdiode angesteuert wird, wieder ab.
Wenn die Ansteuerelektronik für mehrere Ventile ausgelegt ist, kann für mehrere Ventilspulen ein einziger, gemeinsamer Freilaufschalter vorgesehen werden. Wahlweise kann natürlich auch für jede Ventilspule ein eigener Freilaufschalter vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für elektrisch betätigbare Ventile kann in einer Kfz-Bremsanlage eingesetzt werden, um beispielsweise die Auslassventile bei der Ausführung verschiedener Bremsfunktionen entweder im Schaltbetrieb oder im PWM-Betrieb anzusteuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern mehrerer elektrisch betätigbarer Ventile.
1 zeigt eine Ansteuerschaltung für zwei elektrisch betätigbare Ventile, die jeweils eine Ventilspule 1a, 1b aufweisen. Mittels der Ansteuerschaltung können die Ventile wahlweise im Schaltbetrieb oder im PWM-Betrieb angesteuert werden.
Im Hauptstrompfad 8a bzw. 8b der Ventile ist jeweils ein Hauptschalter 5a bzw. 5b angeschlossen, mit dem der durch die Ventilspulen 1a bzw. 1b fließende Strom eingestellt wird. Die Hauptschalter 5a, 5b sind hier masseseitig bezüglich der Ventilspulen 1a, 1b angeordnet und werden daher auch als Low-Side-Schalter bezeichnet. Sie sind in diesem Ausführungsbeispiel als MOS-Transistoren realisiert. Der Drain-Anschluss (D) ist jeweils mit dem masseseitigen Anschluss der Ventilspule 1a bzw. 1b und der Source-Anschluss (S) mit Masse (GND) verbunden. Die Steuereingänge (G) der Hauptschalter 5a, 5b sind jeweils mit einem Steuergerät 7 verbunden und werden von diesem in Abhängigkeit von der Betriebsart „Schaltbetrieb“ oder „PWM-Betrieb“ angesteuert.
Im PWM-Betrieb werden die Hauptschalter 5a, 5b mit einem bestimmten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet. Sind die Hauptschalter 5a, 5b eingeschaltet, so steigt der Strom durch die Ventilspulen 1a, 1b an. Durch eine parallel zur Ventilspule 1a bzw. 1b geschaltete Freilaufdiode 3a bzw. 3b fließt dabei kein Strom, da an der Freilaufdiode 3a bzw. 3b eine Spannung in Sperrrichtung anliegt. Wenn die Hauptschalter 5a, 5b ausgeschaltet werden, induzieren die Ventilspulen 1a, 1b am Knoten Qx eine Spannung, die so lange ansteigt, bis die Diodenspannung überschritten ist. Dann fließt ein Freilaufstrom über den Freilaufpfad 3a bzw. 3b, wodurch sich der Strom abbaut.
Im Freilaufpfad 3a bzw. 3b ist ein Freilaufschalter 2 vorgesehen, der im PWM-Betrieb geschlossen ist, so dass der Strom fließen kann. Der Freilaufschalter 2 ist hier als MOS-Transistor realisiert, dessen Steueranschluss (G) mit dem Steuergerät 7 verbunden ist.
Im Schaltbetrieb ist der Freilaufschalter 2 dagegen ausgeschaltet und somit der Freilaufpfad 3a bzw. 3b unterbrochen. Um ein Ventil zu betätigen, wird der zugehörige Hauptschalter 5a bzw. 5b angesteuert und nach einer vorgegebenen Zeitdauer wieder ausgeschaltet. Die Ventilspule 1a bzw. 1b versucht im Aus-Zustand, den durch die Ventilspule hindurch fließenden Strom weiter zu treiben und erzeugt dabei am Knoten Qx eine Induktionsspannung. Um übermäßig große Spannungsspitzen zu vermeiden, ist hier ein Spannungsbegrenzungselement 4a bzw. 4b vorgesehen, das ab einer vorgegebenen Spannungsschwelle in Sperrrichtung leitend wird. Diese Spannungsschwelle ist dabei wesentlich größer als die im Freilaufbetrieb an Qx anliegende Spannung. Sobald das Spannungsbegrenzungselement 4a, 4b, wie z.B. eine Zenerdiode, zu leiten beginnt, schließt der Hauptschalter 5a bzw. 5b, wodurch der durch die Ventilspule 1a bzw. 1b fließende Strom über den Hauptschalter 5a bzw. 5b gegen Masse (GND) fließen kann. Die Hauptschalter 5a bzw. 5b bleiben so lange eingeschaltet, bis der durch die Ventilspule 1a, 1b fließende Strom so weit abgeklungen ist, dass die Induktionsspannung am Knoten Qx nicht mehr ausreicht, um die Zenerdiode 4a, 4b zu überbrücken. Die Hauptschalter 5a bzw. 5b schalten dann wieder aus.
In 1 sind alle Freilaufpfade 3a, 3b zusammengeschaltet und werden über einen gemeinsamen Freilaufschalter 2 aktiviert bzw. deaktiviert. Diese Ausführungsform kann jedoch nur dann verwendet werden, wenn alle Schaltventile gleichzeitig entweder im Schaltbetrieb oder im PWM-Betrieb angesteuert werden sollen. Alternativ dazu könnten auch mehrere Freilaufschalter verwendet werden. In diesem Fall könnte jedes Ventil unabhängig von den anderen Ventilen angesteuert werden. So könnten z.B. nur die Schaltventile eines ersten Bremskreises oder einer ersten Bremse im PWM-Betrieb angesteuert werden, wogegen die Schaltventile eines zweiten Bremskreises oder einer zweiten Bremse im Schaltbetrieb angesteuert werden.

Claims

Vorrichtung zum Ansteuern eines elektrisch betätigbaren Ventils, das eine Ventilspule (1a, 1b) aufweist, umfassend: einen im Stromkreis der Ventilspule (1a, 1b) angeordneten Hauptschalter (5a, 5b) zum Einstellen des durch die Ventilspule (1a, 1b) fließenden Stroms, und einen parallel zur Ventilspule (1a, 1b) geschalteten Freilaufpfad (6a, 6b) mit einer Freilaufdiode (3a, 3b), gekennzeichnet durch einen Freilaufschalter (2) mittels dessen der Freilaufpfad (6a, 6b) unterbrochen oder geschlossen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufschalter (2a, 2b) im Freilaufpfad (6a, 6b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem masseseitigen Anschluss der Ventilspule (1a, 1b) verbundene Spannungsbegrenzungseinrichtung (4a, 4b) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtung (4a, 4b) eine Zenerdiode umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsbegrenzungselement (4a, 4b) zwischen einem masseseitigem Anschluss der Ventilspule (1a, 1b) und einem Steueranschluss (G) des Hauptschalters (5a, 5b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (7), die den Hauptschalter (5a, 5b) und den Freilaufschalter (2a, 2b) wahlweise in einem PWM-Betrieb, in dem der Hauptschalter (5a, 5b) mit einem bestimmten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird, wobei der Freilaufschalter (2a, 2b) eingeschaltet ist, oder in einem Schaltbetrieb ansteuert, in dem der Freilaufschalter (2a, 2b) ausgeschaltet ist und den Freilaufpfad (6a, 6b) unterbricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschalter (5a, 5b) und/oder der Freilaufschalter (2a, 2b) Transistorschalter sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Auslegung für mehrere Ventile für die Spulen (1a, 1b) mehrerer Ventile ein einziger Freilaufschalter (2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschalter (5a, 5b) masseseitig bzgl. der Ventilspule (1a, 1b) angeordnet ist.
Bremsanlage mit mehreren elektrisch betätigbaren Ventilen, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines Ventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche.