Vorrichtung zum Betreiben einer Heizeinrichtung eines Gassensors, Verfahren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Heizeinrichtung eines Gassensors, insbesondere Lambdasensor eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer einen Betriebsstrom bereitstellenden Leistungsendstufe, die mit der Heizeinrichtung wirkverbunden/wirkverbindbar ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Betreiben einer Heizeinrichtung eines Gassensors, insbesondere wie sie obenstehend beschrieben wurde, mit wenigstens einer einen Betriebsstrom bereitstellenden Leistungsendstufe, die mit der Heizeinrichtung wirkverbunden wird.

Stand der Technik

Vorrichtung und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Gassensoren, insbesondere sogenannte Lambdasonden, werden üblicherweise in dem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs genutzt, um den Sauerstoffgehalt des Abgases zu messen. Dabei muss zur optimalen Messung des Sauerstoffgehaltes die Lambdasonde auf eine bestimmte

Temperatur aufgeheizt werden. Hierzu wird dem Gassensor beziehungsweise der Lambdasonde eine Heizeinrichtung zugeordnet, die über wenigstens eine Leistungsendstufe angesteuert wird. Üblicherweise stellt die Leistungsendstufe einen Bestandteil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs dar.

Es sind unterschiedliche Typen von Lambdasonden bekannt. Insbesondere Breitbandlambdasonden (LSU), denen eine leistungsstarke Heizeinrichtung zugeordnet ist beziehungsweise werden muss, und kostengünstige, einfacher ausgestaltete Sprungsonden (LFS) mit einer leistungsschwächeren Heizeinrichtung sind dem Fachmann bekannt. Je nachdem, welcher Typ der Lambdasonde verbaut ist, muss die Leistung der Leistungsendstufe gewählt werden. Bekannte Leistungsendstufen unterscheiden sich in ihrem Verhalten bei maximalem Stromfluss beziehungsweise maximal geforderter Leistung. Eine abschaltende Endstufe schaltet ab, wenn ihr Betriebsstrom einen vorgebbaren Stromwert erreicht. Eine begrenzende Leistungsendstufe begrenzt ihren

Betriebsstrom auf einen vorgebbaren Maximalwert. Eine Lambdasonde hat üblicherweise bezüglich ihres Heizwiderstands eine Kennlinie mit positivem Temperaturgang, sodass sie bei niedrigen Temperaturen einen niedrigen Widerstand aufweist, und bei hohen Temperaturen einen hohen.

Der Betrieb der Heizeinrichtung mit vorzugsweise exakt der nominalen Leistung ist insbesondere in der sogenannten Schutzheizphase vom Start eines das Abgas erzeugenden Verbrennungsmotors bis zum Verdampfen der Flüssigkeit stromaufwärts der Lambdasonde (Taupunkt) wichtig. In der Schutzheizphase darf die Lambdasonde beispielsweise nicht über 300°C hinaus erhitzt werden, da das Auftreffen von Wassertröpfchen auf der heißen Keramik der Lambdasonde sonst zu Thermoschock-Schädigungen führen könnte. Die Heizeinrichtung muss die Lambdasonde aber heiß genug werden lassen, damit das in der Keramik der Lambdasonde beziehungsweise des Gassensors vorhandene Wasser verdampfen kann. Sonst könnte ein explosionsartiges Verdampfen bei vollem Einschalten der Heizeinrichtung nach Erreichen des Taupunktes ebenfalls zu einer Schädigung führen. Die durch die mindestens eine Leistungsendstufe bereitgestellte Heizleistung der Heizeinrichtung ist also in der Schutzheizphase nur gering, darf aber auch nicht, beispielsweise durch eine

Endstufenabschaltung, zu klein ausfallen. Die geringe Heizleistung wird durch ein kleines Tastverhältnis bei der Ansteuerung der Leistungsendstufe realisiert. Während der kurzen Schutzheizphase fließt jedoch ein hoher Strom, sodass es denkbar ist, dass der maximale Strom erreicht wird und die Endstufe abschaltet, bevor die Heizeinrichtung die gewünschte Betriebstemperatur des Gassensors eingestellt hat.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus. Sie ermöglicht den sicheren Betrieb der Heizeinrichtung Gassensors, insbesondere einer Breitbandlambdasonde, auf einfache und kostengünstige Art und Weise. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei parallel zueinander geschaltete Leistungsendstufen vorgesehen sind, wobei sich eine erste der Leistungsendstufen abschaltet, wenn ihr

Betriebsstrom einen vorgebbaren Betriebsstrom erreicht, und eine zweite der Leistungsendstufen ihren Betriebsstrom auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt. Erfindungsgemäß sind also mindestens zwei Leistungsendstufen zum Betreiben der einen Heizeinrichtung vorgesehen, die parallel zueinander geschaltet sind und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Vorzugsweise sind beide Leistungsendstufen derart ausgebildet, dass sie die gleiche maximale Endleistung erbringen. Beide Leistungsendstufen liefern einen Betriebsstrom, der der Heizeinrichtung zugeführt wird. Erreicht der Betriebsstrom der abschaltenden Leistungsendstufe den vorgebbaren Stromwert, so schaltet diese

Leistungsendstufe ab. Vorzugsweise wird dann die Leistung der weiteren, den Maximalstrom begrenzenden Leistungsendstufe derart erhöht, dass die durch die abgeschaltete Leistungsendstufe fehlende Leistung kompensiert wird.

Gegebenenfalls wird hierzu der Maximalwert der weiteren Leistungsendstufe entsprechend erhöht, sodass die gewünschte Gesamtleistung für die

Heizeinrichtung zur Verfügung steht. Bevorzugt ist die abschaltende

Leistungsendstufe im Anschluss nicht dauerhaft abgeschaltet, sondern schaltet vorzugsweise bei jedem neuen Puls oder Takt wieder ein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung zum Betreiben der Leistungsendstufen auf. Die

Steuereinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie den

Betriebszustand der jeweiligen Leistungsendstufe, zumindest aber den

Betriebszustand der abschaltenden Leistungsendstufe detektiert, und in

Abhängigkeit des erfassten Betriebszustands die weitere Leistungsendstufe betreibt. Die Steuereinrichtung ist hierzu mit entsprechenden Detektionsmitteln verbindbar oder weist diese auf. Die Steuereinrichtung umfasst ferner insbesondere einen Mikroprozessor zum Verarbeiten der erfassten Informationen und zum Ansteuern der Leistungsendstufen.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die zweite Leistungsendstufe derart ansteuert, dass sie bei abgeschalteter erster

Leistungsendstufe eine höhere Betriebsleistung erbringt. Wie oben bereits erwähnt, wird vorzugsweise die Betriebsleistung der zweiten Leistungsendstufe erhöht, wenn die erste Leistungsendstufe wegfällt beziehungsweise sich abschaltet. Insbesondere wenn die Betriebsleistung der zweiten

Leistungsendstufe so weit erhöht wird, dass sie die weggefallene

Betriebsleistung der ersten Leistungsendstufe kompensiert, wird gewährleistet, dass der Heizeinrichtung die benötigte Gesamtbetriebsleistung zur Verfügung steht und der Gassensor die gewünschte Betriebstemperatur erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der oben beschriebenen Vorrichtung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 4 aus. Dabei ist vorgesehen, dass die Betriebsströme der ersten und der zweiten

Leistungsendstufe erfasst werden, die erste Leistungsendstufe bei Erreichen des vorgebbaren Stromwerts abschaltet und der Betriebsstrom der zweiten

Leistungsendstufe auf einen vorgebbaren Grenzwert begrenzt wird. Hierdurch ergeben sich die oben zur Vorrichtung bereits beschriebenen Vorteile.

Bevorzugt wird die zweite Leistungsendstufe bei abgeschalteter erster

Leistungsendstufe derart angesteuert, dass sie eine höhere Betriebsleistung erbringt. Besonders bevorzugt wird die zweite Leistungsendstufe derart angesteuert, dass sie die weggefallene Betriebsleistung der ersten

Leistungsendstufe kompensiert, sodass eine gewünschte

Gesamtbetriebsleistung weiterhin für die Heizeinrichtung zur Verfügung steht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung der Leistungsendstufen, also der ersten Leistungsendstufe und der zweiten Leistungsendstufe, durch ein zyklisches An- und Abschalten

insbesondere von Halbleiterschaltern in einem vorgebbaren Tastverhältnis eingestellt werden. Das Betreiben von Leistungsendstufen mittels

Halbleiterschaltern, insbesondere mittels einer sogenannten Brückenschaltung oder Parallelschaltung, ist dem Fachmann im Allgemeinen bekannt, und soll daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Schaltet die erste

Leistungsendstufe ab, weil ihr Betriebsstrom den vorgebbaren Stromwert erreicht hat, so muss, um die gewünschte Gesamtleistung zu erhalten, bei der verbleibenden, zweiten Leistungsendstufe das Tastverhältnis angepasst werden. Um die gleiche Gesamtleistung zu erhalten, muss insbesondere bei halbem Strom die verbleibende Leistungsendstufe mit dem vierfachen Tastverhältnis angesteuert werden.

Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Abschalten der ersten

Leistungsendstufe das Tastverhältnis der zweiten Leistungsendstufe um einen Faktor erhöht wird, der dem Quadrat des Verhältnisses aus der Summe des Stroms, der bei aktivierten Leistungsendstufen in einer Einschaltphase fließt, und dem Strom, der dem Abschaltwert entspricht, zu dem Strom, der bei aktivierten Leistungsendstufen in der Einstellphase fließt, entspricht.

Besonders bevorzugt wird in der Einschaltphase das Tastverhältnis der verbleibenden Leistungsendstufe um den Faktor 4 erhöht, um wie oben beschrieben, die gleiche Gesamtbetriebsleistung für die Heizeinrichtung zu erhalten.

Insgesamt wird durch die Erfindung ein Betrieb des Gassensors

beziehungsweise der dem Gassensor zugeordneten Heizeinrichtung ermöglicht, der auf einfache und kostengünstige Art und Weise einen sicheren Betrieb der Heizeinrichtung in der Schutzheizphase ermöglicht. Darüber hinaus wird durch die vorteilhafte Vorrichtung und deren Betrieb erreicht, dass mehr

strombegrenzende Endstufen, die einen höheren Kostenfaktor als die abschaltenden Leistungsendstufen darstellen, in dem Steuergerät für andere Anwendungen genutzt werden können. Die Erfindung trägt dazu bei, dass eine kostengünstige Leistungsendstufe (vom abschaltenden Typ) auch bei einer Anwendung mit einem Gassensor (wie oben beschrieben) insbesondere mit einer Breitbandlambdasonde, benutzt werden kann. Die Kosten für das

Steuergerät beziehungsweise die Vorrichtung können dadurch gesenkt werden.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige

Figur eine Vorrichtung zum Betreiben einer Heizeinrichtung in einer

vereinfachten Blockdarstellung. Die Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung 1 , vorliegend mit einer gestrichelten Linie umrandet, zum Betreiben einer Heizeinrichtung 2 eines Gassensors 3, der insbesondere im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs vorsehbar beziehungsweise vorgesehen ist. Der Gassensor ist als Lambdasonde 4, insbesondere als Breitbandlambdasonde ausgebildet. Die Lambdasonde 4 weist einen hier nicht näher dargestellten Keramikkörper auf, der zur

Temperaturregelung der Lambdasonde 4 genutzt wird und mechanischen Schäden vorbeugt. Üblicherweise liegt der Keramikkörper in dem Abgasstrom, dessen Sauerstoffgehalt mittels der Lambdasonde 4 erfasst werden soll. Um eine effiziente Messung zu ermöglichen, ist der Lambdasonde 4, insbesondere dem Keramikkörper, die Heizeinrichtung 2 zugeordnet, die die Lambdasonde, insbesondere den Keramikkörper der Lambdasonde, auf eine bestimmte, vorgebbare Temperatur regelt.

Zum Betreiben der Heizeinrichtung umfasst die Vorrichtung 1 zwei

Leistungsendstufen 5, 6 die parallel zueinander geschaltet und mit einer

Energiequelle über eine gemeinsame Leitung 7 verbunden sind. Natürlich ist es auch denkbar, dass die Leistungsendstufen 5, 6 über separate Leitungen mit der Energiequelle verbunden beziehungsweise verbindbar sind. Die Energiequelle kann dabei ein Bestandteil der Vorrichtung 1 bilden, ist jedoch bevorzugt separat, beispielsweise als Energiespeicher eines die Vorrichtung 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs, vorgesehen. Die Leistungsendstufen 5, 6 sind weiterhin über eine gemeinsame Leitung mit der Heizeinrichtung 2 verbunden. Ebenso ist es denkbar, dass die Heizeinrichtung 2 jeweils über eine gesonderte Leitung mit einer der Leistungsendstufen 5, 6 verbunden ist. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 8, die mit den Leistungsendstufen 5, 6 und optional auch mit dem Gassensor 3 und/oder dessen Heizeinrichtung 2 verbunden ist. Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise als Steuergerät ausgebildet, insbesondere als Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine des oben genannten Kraftfahrzeugs.

Die erste Leistungsendstufe 5 ist derart ausgebildet, dass sie sich abschaltet, wenn ihr Betriebsstrom einen vorgebbaren Stromwert erreicht. Sie stellt somit eine abschaltende Leistungsendstufe dar.

Die zweite Leistungsendstufe 6 ist derart ausgebildet, dass sie ihren

Betriebsstrom auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt, sodass ihr

Betriebsstrom diesen Wert nicht überschreiten kann. Die Steuereinrichtung 8 steuert die Leistungsendstufen 5, 6 an, indem sie jeweils ein Tastverhältnis vorgibt, das die Schaltfrequenz von Halbleiterschaltern der jeweiligen Leistungsendstufe bestimmt, um die von der jeweiligen

Leistungsendstufe 5, 6 bereitgestellte Betriebsleistung einzustellen. Darüber hinaus erfasst die Steuereinrichtung 8 den Zustand der jeweiligen

Leistungsendstufe, sodass sie erkennt, ob die Leistungsendstufe 5 im Betrieb ist oder sich abgeschaltet hat, und gegebenenfalls auch, ob der Betriebsstrom der Leistungsendstufe 6 den vorgegebenen Maximalwert erreicht hat.

Erfasst die Steuereinrichtung 8, dass die erste Leistungsendstufe sich abgeschaltet hat, weil ihr Betriebsstrom den vorgebbaren Stromwert erreicht hat, so steuert sie die zweite Leistungsendstufe derart an, dass die zweite

Leistungsendstufe eine höhere Betriebsleistung bringt. Insbesondere wird die zweite Leistungsendstufe dabei derart angesteuert, dass sie den durch den Wegfall beziehungsweise die Abschaltung der ersten Leistungsendstufe fehlende Betriebsleistung kompensiert. Insbesondere wird die Betriebsleistung der zweiten Leistungsendstufe derart eingestellt, dass ihre Erhöhung der Leistung entspricht, die die abgeschaltete Leistungsendstufe liefern würde, wenn sie mit dem Strom an der Schwelle zur Abschaltung betrieben werden würde, also der maximal erreichbaren Leistung der ersten Leistungsendstufe.

Hierzu wird das Tastverhältnis der zweiten Leistungsendstufe mit einem Faktor erhöht, der dem Quadrat des Verhältnisses entspricht, das gebildet wird aus einerseits der Summe aus dem Strom, der bei nicht abgeschalteter

Leistungsendstufe 5 in der Einschaltphase beziehungsweise Schutzheizphase fließt, und dem Strom an der Abschaltschwelle der abgeschalteten

Leistungsendstufe 5, und, andererseits, nur dem Strom, der bei der nicht abgeschalteten Leistungsendstufe 5 in der Einschaltphase fließt.

Wenn die Lambdasonde 4 noch sehr kalt ist, ist der Innenwiderstand der Heizeinrichtung 2 niedrig. Beim Einschalten der Heizeinrichtung 2 fließt in dieser Phase kurzzeitig ein erhöhter Strom. In dieser Phase ist die Leistungsendstufe kurzzeitig abgeschaltet. Um dennoch ein schnelles Aufheizen zu ermöglichen, wird während dieser Phase das Tastverhältnis wie oben beschrieben, insbesondere um den Faktor 4 erhöht. Ist die Lambdasonde 3 ausreichend heiß, beziehungsweise die Betriebstemperatur erreicht, steigt der Innenwiderstand der Heizeinrichtung 3 an, wodurch ihr Betriebsstrom sinkt, und die sich abschaltende erste Endstufe wieder einschaltet, worauf das erhöhte Tastverhältnis der zweiten Leistungsendstufe wieder auf den normalen Wert reduziert wird, sodass beide Leistungsendstufen 5, 6 wieder normal arbeiten.

Um die gleiche Gesamtbetriebsleistung zu erhalten, wird bei halbem Strom die verbleibende Leistungsendstufe 6 mit vierfachem Tastverhältnis angesteuert. Um das korrigierte Tastverhältnis zu bestimmen, wird das Tastverhältnis in eine Zeit (Zeit_alt) umgerechnet. Bei der Berechnung muss die Abschaltzeit der abschaltenden ersten Leistungsendstufe 5 mitberücksichtigt werden. Daraus ergibt sich:

Zeit_neu = (Zeit_alt - Abschaltzeit der Leistungsendstufe 5) ^■ Faktor 4 +

Abschaltzeit der Leistungsendstufe 5

Danach wird die neu berechnete Zeit (Zeit_neu) wieder in ein Tastverhältnis umgerechnet.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf eine Vorrichtung mit den zwei

Leistungsendstufen 5, 6 beschränkt. Vielmehr ist es auch denkbar, drei oder mehr Leistungsendstufen parallel zueinander zu schalten, die die Heizeinrichtung 2 betreiben. Wichtig ist, dass zumindest eine abschaltende und mindestens eine begrenzende Leistungsendstufe vorgesehen sind. So ist es beispielsweise auch denkbar, mehrere abschaltende Leistungsendstufen vorzusehen, deren

Betriebsleistung bei ihrer Abschaltung durch ein oder mehrere begrenzende Leistungsendstufen entsprechend kompensiert wird. Entsprechend wird dann auch der Faktor in Abhängigkeit mehrerer abschaltender Leistungsendstufen berechnet.