ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart

Lüfteranordnung mit erhöhter Verfügbarkeit und Verfahren zu ihrem Betrieb

Die Erfindung betrifft eine Lüfteranordnung mit erhöhter Verfügbarkeit, wie sie vorzugsweise zur unterstützenden Kühlung von Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen kann, sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb .

Stand der Technik

Es ist allgemein üblich, für Kühlgebläse an Verbrennungskraftmaschinen Elektroantriebe einzusetzen. Diese Elektroan- triebe werden in der Regel über Motorsteuermodule (FCM oder Fan-Control-Modul) betrieben. Eine veränderliche pulsweiten- modulierte Spannung (PWM) mit einem variablen Tastverhältnis (Tv) wird benutzt, um die effektiv an einem als Gleichstrommotor ausgebildeten Elektroantrieb anliegende Spannung zu verändern, so dass die Drehzahl des elektrischen Antriebes auf diese Weise beeinflusst werden kann.

Es ist bekannt, die Motorsteuermodule auf der Basis von Leistungshalbleitern aufzubauen. Diese Leistungshalbleiter und weitere zu ihrem Betrieb erforderliche Bauelemente weisen eine Verlustleistung auf, die von dem Takt einer anliegenden Spannung bzw. dem Tastverhältnis sowie der Höhe der anliegenden Spannung abhängt. Aus diesem Grunde ist es üblich, die Temperatur der Platine, auf der sich die genannten Bauelemente befinden, zu überwachen und Maßnahmen zu treffen, um eine kritische Erwärmung der Platine und der darauf befindlichen Bauelemente zu vermeiden. Dazu werden üblicherweise Temperaturfühler eingesetzt. Es ist bekannt, als Temperaturfühler Bauelemente einzusetzen, die einen negativen Temperaturkoef-

fizienten aufweisen, sogenannte NTC-Elemente (negative tempe- rature coefficient) .

Zu den Maßnahmen, die der Vermeidung von kritischen Tempera- turen im Bereich der Platine eines Motorsteuermoduls dienen, gehört bekanntermaßen die überwachung der Platinentemperatur und ein Abschalten des Antriebes des Lüftergebläses, wenn eine kritische Temperatur überschritten wird. Dadurch entsteht zwischen dem Temperaturfühler und den Leistungsbauelementen auf der Platine eine thermische Kopplung, die dazu führt, dass bei Erreichen kritischer Temperaturen beispielsweise der Antrieb eines Gebläses für eine weitere unterstützende Kühlung des Kühlkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine nicht mehr zur Verfügung steht.

Es ist im Zusammmenhang mit Gebläsesystemen weiterhin bekannt, die in Motorsteuermodulen verwendeten Leistungshalbleiter bzw. die zu ihrem Betrieb erforderlichen weiteren e- lektronischen Bauelemente so anzusteuern, dass Arbeitspunkte vermieden werden, die erwiesenermaßen mit einer maximalen Verlustleistung am betreffenden Bauelement verbunden sind. Beispielsweise weisen verschiedene als Schalter benutzte Halbleiterbauelemente auf Transistorbasis eine starke Abhängigkeit der Verlustleistung von einem anliegenden Tastver- hältnis der Steuerspannung auf, was dazu führt, dass bei typischen Schaltfrequenzen die zum Betrieb von Lüftermotoren erforderlich sind, die Verlustleistung an derartigen Halbleiterbauelementen maximal wird, wenn das Tastverhältnis bei etwa 99% des maximal anforderbaren Tastverhältnisses, also knapp unterhalb des Dauerbetriebes, liegt. Parallel zu den Leistungshalbleiterbauelementen geschaltete Kondensatoren zeigen häufig eine grundsätzlich andere Abhängigkeit der Verlustleistung vom Tastverhältnis, mit dem das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement angesteuert wird. Diese Kondensato- ren zeigen häufig eine maximale Verlustleistung bei einem

Tastverhältnis von etwa 80% des maximal anforderbaren Tastverhältnisses. Das Verhalten dieser Bauelemente wird in der

Ansteuerung der Leistungsschalter in Kombination mit einer überwachung der Platinentemperatur berücksichtigt. Bei Erreichen der Platinentemperatur, die als kritisch klassifiziert wird, erfolgt die Festsetzung eines Tastverhältnisses auf ei- nen konstanten Wert, der sichert, dass die kritischen Tastverhältnisse mit erhöhter Verlustleistung an den jeweiligen Bauelementen vermieden werden, bis die Platinentemperatur möglicherweise wieder unkritische Werte erreicht hat. Erst wenn diese Maßnahme nicht von Erfolg gekrönt ist, erfolgt wie in herkömmlichen Motorsteuermodulen die völlige Abschaltung des Gebläses, bis die Platine wieder Temperaturbereiche erreicht hat, in denen die Leistungselektronik betriebsbereit ist. Die Festsetzung eines konstanten Tastverhältnisses führt dazu, dass die Verfügbarkeit des Gebläses zunächst nicht völ- lig verloren geht, bewirkt jedoch, dass in einem bestimmten Temperaturfenster keine geregelte Anforderung einer Gebläseleistung mehr erfolgen kann. Bei weiterem Ansteigen der Temperatur kommt es ebenfalls zum völligen Erliegen der Verfügbarkeit des Gebläses (EP 1383232A2) .

Offenbarung der Erfindung

Technische Aufgabe

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verfügbarkeit von Gebläsekühlungen bei kritischen Temperaturbedingungen gegenüber dem Stand der Technik weiter zu erhöhen.

Technische Lösung

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Lüfteranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie einem Verfahren zum Betrieb einer derartigen Lüfteranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 4. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 4 und 5 bis 10 betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die üblicherweise von einem Gebläse oder Lüfter abforderbare Leistung durch eine Lüfteranordnung mit zwei PWM-gesteuerten Motoren und zwei Lüftern erbringen zu lassen, die wahlweise einzeln oder pa- rallel betrieben werden können und nach einem Regime angesteuert werden, welches verhindert, dass einer der Motoren so betrieben wird, dass an einem der verwendeten Bauelemente, die zur Steuerung der Motoren erforderlich sind, ein Tastverhältnis anliegt, das zu einer Verlustleistung führt, die in der Nähe der maximal möglichen Verlustleistung an diesem Bauelement liegt. Die zugehörige Platine ist so ausgelegt, dass geringere Verlustleistungen bei normalen Betriebsbedingungen nicht zu einer kritischen Erwärmung der Elektronik führen. In die Festlegung des Ansteuerregimes können Temperaturmesswerte sowie Prognosen des zu erwartenden Temperaturverlaufes aufgrund der Kenntnis des thermischen Verhaltens der Steuerung der Motoren, insbesondere im Bereich der Platine mit Leistungshalbleiterbauelementen, einfließen, so dass die Lüftersteuerung einen Zustand anwählt, in dem die Verlustleistung der Elektronik insgesamt sinkt, bzw. die überlastung einzelner Elemente bei Weiterbestehen der Verfügbarkeit der Lüfteranordnung sowie einer Regelbarkeit der abgegebenen Leistung der Lüfteranordnung vermieden wird. Eine erfindungsgemäße Lüfteranordnung umfasst in einer Mindestkonfiguration ein Steuermodul zur Ansteuerung von zwei Leistungsschaltern, zwei Leistungsschalter, zwei elektrische Motoren, denen über die Leistungsschalter ihre Betriebsspannung zugeführt wird, und mindestens einen Temperaturfühler auf einer Platine, auf der sich die Leistungsschalter befinden, wobei das Steuermodul über Mittel verfügt, ein Signal des Temperaturfühlers auszuwerten und unter Berücksichtigung dieses Signals sowie einer angeforderten Lüfterleistung die Tastverhältnisse von getakteten Steuerspannungen an den Leistungsschaltern so einzu-

stellen, dass sich an keinem Leistungsbauelement eine einen vorgegebenen Wert übersteigende Verlustleistung einstellt. Unter Leistungsbauelementen sind dabei alle zumindest zeitweise unmittelbar in den Betriebsspannungskreis der elektri- sehen Motoren einbezogenen Bauelemente zu verstehen, die neben transistorbasierten Schaltelementen auch Kondensatoren und/oder Freilaufdrosseln umfassen können.

Vorteilhafte Wirkungen

Auch bei kritischen Platinentemperaturen, die sich gegebenenfalls durch ungünstige äußere Bedingungen einstellen können, besteht eine vollständige Verfügbarkeit der erfindungsgemäßen Lüfteranordnung, sowie die Möglichkeit, diese auch geregelt anzusprechen.

Ausführungsform der Erfindung

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläu- tert. In der einzigen Figur ist ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Lüfteranordnung in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Diese umfasst ein Steuermodul 1, welches verschiedene Eingangssignale auswerten und daraus Ausgangssignale in Form von zwei Steuerspannungen mit separat ein- stellbarem Tastverhältnis TVi, TV ₂ erzeugen kann. Auf einer Platine 2 befinden sich zwei Leistungsschalter 3, 4, die im Wesentlichen aus Leistungshalbleiterbauelementen auf Transistorbasis bestehen. Die vom Steuermodul 1 ausgegebenen Steuerspannungen liegen an diesen Leistungsschaltern an und schal- ten entsprechend ihrem jeweiligen Tastverhältnis TVi, TV ₂ ü- ber diese Leistungsschalter 3, 4 zwei Strompfade frei, über die zwei elektrischen Motoren 5, 6 eine Betriebsspannung zugeführt wird. Die Leistungsschalter 5, 6 umfassen außerdem mindestens einen Leistungskondensator 7 in Form eines Elekt- rolytkondensators in Parallelschaltung, der während der

Schaltvorgänge zur Stabilisierung der Bordspannung beiträgt.

Der erste Motor 5 weist gegenüber dem zweiten Motor 6 eine um etwa 20% höhere Nennleistung auf.

Eingangssignale, die vom Steuermodul 1 ausgewertet werden können, werden diesem über entsprechende Anschlussmittel zugeleitet. Ein erstes Eingangssignal PWM liefert Informationen über eine von der Motorsteuerung des Kraftfahrzeuges angeforderte Lüfterleistung und liegt als pulsweitenmoduliertes Signal an einem Eingang des Steuermoduls an. Ein zweites Ein- gangssignal T _NTC liefert als Ausgangssignal eines auf der Platine 2 angeordneten Temperaturfühlers 8 in Form eine NTC- Elementes Informationen über die Platinentemperatur. Weitere Eingangssignale liegen an weiteren Eingängen des Steuermoduls 1 an und liefern im vorliegenden Ausführungsbeispiel Informa- tionen über die jeweilige Bordspannung des Kraftfahrzeuges, die gleichzeitig der geschalteten Betriebsspannung U _B der Motoren 5, 6 entspricht, die Umgebungstemperatur T ₁ , im Motorraum oder außerhalb des Kraftfahrzeuges sowie über die in der Schaltung anfallende Verlustleistung P _v . All diese Informati- onen können ohne Anspruch auf Vollständigkeit in die Berechnung der Tastverhältnisse der Ausgangssignale einfließen und helfen, Betriebszustände zu vermeiden, die eine Verfügbarkeit der Lüfteranordnung beeinträchtigen könnten. In die Strompfade zur Verbindung der Motoren 5, 6 mit dem Leistungskondensa- tor 7 sind Freilaufkreisdioden 9, 10 integriert.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst nur auf die Verarbeitung der Eingangssignale PWM und T _NTC eingegangen. Bei Anforderung einer geringen Lüfterleis- tung durch die Motorsteuerung des Kraftfahrzeuges und einer unkritischen Platinentemperatur wird das eingehende PWM- Signal in eine getaktete Steuerspannung mit einem Tastverhältnis TVi umgesetzt, was dazu führt, dass der erste Motor 5 mit einer Drehzahl arbeitet, die es ihm ermöglicht, allein die geforderte Lüfterleistung zu erbringen. Der zweite Motor 6 bleibt in diesem Betriebszustand ausgeschaltet, was mit TV ₂ =0 gleichzusetzen ist. Wird eine höhere Lüfterleistung an-

gefordert, wird durch das Steuermodul 1 das Tastverhältnis TVi erhöht und die vom ersten Motor 5 abgegebene Leistung steigt durch die Erhöhung seiner Drehzahl. Bei einem Tastverhältnis TVi = 80% wäre ein Betriebszustand erreicht, in dem am Leistungskondensator 7 dessen maximale Verlustleistung auftritt. Durch Auswertung des Temperatursignals T _NTC des Temperaturfühlers 8 wird vom Steuermodul 1 überprüft, ob dieser Betriebszustand beibehalten werden kann oder ob es zu einer kritischen Erwärmung der Platine 2 bis auf eine Grenztempera- tur Ti kommt. Zeigt die Platinentemperatur unkritische Werte, kann vom Steuermodul 1 das Tastverhältnis TVi weiter erhöht werden, um die Leistungsabgabe des ersten Motors 5 durch eine Drehzahlerhöhung weiter zu steigern. Zeigt sich am Eingangssignal T _NTC , dass die Platinentemperatur die Grenztemperatur Ti erreicht hat, so wird die Leistung des ersten Motors 5 durch Verringerung von TVi zurückgenommen und der zweite Motor 6 zusätzlich angesteuert, wodurch beide Motoren 5, 6 mit relativ geringer Leistung arbeiten und TVi und TV ₂ so eingestellt sind, dass alle Leistungsbauelemente 3, 4, 7 an Ar- beitspunkten betrieben werden, an denen eine Verlustleistung auftritt, die deutlich unter der an diesen Leistungsbauelementen 3, 4, 7 möglichen maximalen Verlustleistung liegt. Das Steuermodul 1 steuert die beiden Tastverhältnisse TVi und TV ₂ so, dass die von den Motoren 5, 6 abgegebene Leistung in Sum- me der angeforderten Lüfterleistung entspricht.

Steigt die angeforderte Lüfterleistung weiter, kann irgendwann der Zustand erreicht werden, dass sich bei einer gleichmäßigen Ansteuerung der Motoren 5, 6 und einer angeforderten Lüfterleistung von 80% jeweils ein Tastverhältnis TVi, TV ₂ zur Ansteuerung der Leistungsschalter 3, 4 von ebenfalls 80% ergeben würde. Wie bereits ausgeführt, weist bei einem derartigen Tastverhältnis der Kondensator 7 seine maximale Verlustleistung auf. Somit kann es im Bereich des Kondensators 7 und der gesamten Platine 2 zu einer Erhöhung der Temperatur kommen, die über den Temperaturfühler 8 an das Steuermodul 1 übermittelt wird. Bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur

T ₂ erfolgt erfindungsgemäß eine Anhebung des Tastverhältnisses TVi zur Ansteuerung des Leistungsschalters 3 auf ein modifiziertes konstantes Tastverhältnis TVi', während gleichzeitig das Tastverhältnis TV ₂ zur Ansteuerung des Leistungs- Schalters 4 in einer Weise abgesenkt wird, dass die Gesamtleistung der Lüfteranordnung nach wie vor der abgeforderten Lüfterleistung entspricht. Im Steuermodul 1 eingehende Leistungsanforderungen fließen in diesem Zustand in die Regelung des zweiten Motors 6 über das Tastverhältnis TV ₂ ein, während der erste Motor 5 mit dem Tastverhältnis TVi', in der Regel 100%, also dem maximal möglichen Tastverhältnis, welches einen Dauerbetrieb des Motors 5 mit maximaler Drehzahl bewirkt, betrieben wird. In einer besonders einfachen Alternative werden nach überschreiten der zweiten Grenztemperatur T ₂ beide Motoren 5, 6 ungeregelt betrieben, beispielsweise indem ein Motor 5 auf ein maximales Tastverhältnis TVi V _a x gelegt wird, während der zweite Motor 6 mit einem deutlich verringertem konstanten Tastverhältnis TV ₂ ' und damit einer deutlich verringerten Verlustleistung an den Leistungsbauelementen 4 und 7 betrieben wird, wenn so die Gewährleistung einer ausreichend großen Lüfterleistung des Gesamtsystems gegeben ist. Im vorliegenden Beispiel gilt Ti = T ₂ . Gegebenenfalls kann auch die Verlustleistung, die auf der Platine 2 abfällt, über eine Diagnoseleitung an das Steuermodul 1 rückgemeldet werden und als Eingangssignal P _v in die Berechnung des Steuerregimes einbezogen werden. Eine Daueransteuerung, also ein Tastverhältnis von 100%, eines Motors 5 oder 6 oder beider Motoren 5, 6 vermindert die Verlustleistung in der jeweiligen geschalteten Leistungsendstufe, da für Leistungshalbleiter kri- tische Tastverhältnisse von 99% und für den Kondensator 7 kritische Tastverhältnisse um 80% gleichermaßen vermieden werden, und erhöht durch die maximale Lüfterleistung zugleich die Wärmeableitung durch Konvektion, wodurch ein schnelles Unterschreiten von Ti und/oder T ₂ und eine Rückkehr zum ur- sprünglichen Betriebsmodus ermöglicht wird.

Solange nur ein Motor 5, 6 mit einem festen oder maximalen Tastverhältnis TVi', TV ₂ ' betrieben wird, kann der andere Motor 6, 5 nach wie vor mit einem variablen Tastverhältnis TV ₂ , TVi angesteuert werden, wodurch eine Regelung der abgegebenen Lüfterleistung der Lüfteranordnung entsprechend der angeforderten Lüfterleistung möglich bleibt. Erst wenn die angeforderte Lüfterleistung noch weiter steigt und sich trotz des maximalen Tastverhältnisses TVi V _a x oder TV ₂ ' _max eine kritische Grenztemperatur T ₂ auf der Platine einstellt, kann auf die Regelbarkeit der Lüfterleistung verzichtet werden und beide Motoren 5, 6 mit einem konstanten Tastverhältnis TVi V _a x und TV ₂ ' _max angesteuert werden, was dem Anlegen eines ungetakteten Gleichstromes entspricht und beide Motoren 5, 6 mit maximaler Drehzahl laufen lässt, wodurch gleichzeitig die maximal zur Verfügung stehende Lüfterleistung der Lüfteranordnung abgegeben wird. Kommt es in diesem Betriebszustand noch immer nicht zum Unterschreiten der Grenztemperatur T ₂ auf der Platine, so erfolgt ein Dauerbetrieb der Lüfteranordnung in einem ungeregelten Betriebsmodus unter weiterer überwachung der Platinen- temperatur über das Signal T _NTC . Steigt die Platinentemperatur weiter, was durch extrem ungünstige Umgebungsbedingungen der Fall sein kann, so erfolgt bei Erreichen einer weiteren Grenztemperatur T ₃ eine Abschaltung beider Motoren 5, 6, indem die Tastverhältnisse TVi, TV ₂ auf Null gesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der abzugebenden Lüfterleistung auf zwei separat betreibbare Motoren 5, 6 ergibt sich die Möglichkeit, bei normalen Betriebsbedingungen die angeforderte Lüfterleistung im wesentlichen von einem Motor 5 erbringen zu lassen. Wird dieser Motor 5 ähnlich dimensio- niert wie in vergleichbaren Lüftersystemen mit nur einem Motor, dann ergibt sich ein mit dem Verbrauch herkömmlicher Lüftersysteme vergleichbarer Energieverbrauch. Die erfindungsgemäße Lüfteranordnung verfügt jedoch durch den zweiten Motor 6 über erhebliche Leistungsreserven, weshalb ein kriti- scher Betriebszustand, der bei Erreichen der Grenztemperatur T ₄ zum Abschalten der Lüfteranordnung führt, wesentlich seltener erreicht wird, als das bei herkömmlichen Lüfteranord-

nungen der Fall war. Damit ist eine deutliche Erhöhung der Verfügbarkeit der Lüfteranordnung erreicht, ohne den Energiebedarf der Lüfteranordnung wesentlich zu vergrößern. Gleichzeitig ist bei parallelem Betrieb beider Motoren 5, 6 eine geregelte Abgabe einer angeforderten Lüfterleistung bis zu wesentlich höheren Leistungen und bei Temperaturbedingungen möglich, die in herkömmlichen Systemen lediglich einen ungeregelten Dauerbetrieb gestatten. Durch die asymmetrische Auslegung der Motoren 5, 6 kann erreicht werden, dass sich der größere Motor 5 in einem weiten Bereich unterschiedlicher Betriebsbedingungen ansteuern lässt, wie ein herkömmlicher Motor in Lüftersystemen mit einem Motor. Beispielsweise kann unterhalb einer relativ niedrigen Grenztemperatur T ₄ und/oder unterhalb einer festgelegten Lüfterleistung automatisch nur ein Motor 5 betrieben werden. Des weiteren ergibt sich beim

Betrieb des größeren Motors 5 mit Dauerstrom durch den insgesamt kleineren Leistungsanteil des Motors 6 ein besonders weiter Leistungsbereich, in dem eine geregelte Abgabe der angeforderten Lüfterleistung durch die erfindungsgemäße Lüfter- anordnung möglich ist.

Alternativ zum beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Lüfteranordnung auch durch Parallelbetrieb beider Motoren 5, 6 bei geringen angeforderten Lüfterleistungen und/oder Plati- nentemperaturen besonders schonend betrieben werden, indem ein Steuerregime gewählt wird, das beispielsweise die Platinentemperatur minimiert. In beiden Varianten können Informationen über die Umgebungstemperatur T ₁ , , die zur Verfügung stehenden Betriebsspannung U _B , die Verlustleistung P _v und an- dere zur Verfügung stehende Parameter in die Festlegung der jeweiligen Tastverhältnisse TVi, TV2 einbezogen werden, da diese Informationen in der Regel eine Prognose des thermischen Verhaltens der Platine 2 ermöglichen, wodurch beispielsweise kurzzeitige überschreitungen von Grenztemperatu- ren als nicht qualifizierte überschreitungen erkannt und ignoriert werden können.