Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen eines elektromagnetischen Ventils auf Fehlfunktion

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines elektromagnetischen Ventils auf eine Fehlfunktion, wobei das Ventil ein verschiebbares Ventilelement aufweist, das durch ein Federelement in eine erste Endstellung gedrängt wird, sowie einen elektromagnetischen Aktuator, der angesteuert wird, um das Ventilelement entgegen der Kraft des Federelements in eine zweite Endstellung zu verschieben.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Prüfen eines derartigen Ventils auf Fehlfunktionen.

Stand der Technik

Elektromagnetische Ventile sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden zu unterschiedlichen Anwendungszwecken eingesetzt. Einer dieser Zwecke ist beispielsweise das Temperaturmanagement eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, bei welchem der Energiespeicher zum Betreiben einer Antriebsmaschine ausgebildet ist und insoweit als

Hochspannungs-Energiespeicher bezeichnet wird. Um einen dauerhaft sicheren Betrieb zu gewährleisten, muss dieser gekühlt werden. Hierzu ist es

beispielsweise bekannt, den Energiespeicher in einen Kühlkreislauf einer Klimaanlage zu integrieren. Dazu ist ein Expansionsventil als

elektromagnetisches Ventil vorgesehen, durch das Kältemittel der Klimaanlage dem Energiespeicher bei Bedarf zugeführt wird, wobei das Kältemittel die Wärme des Energiespeichers aufnimmt und zurück zu einem Verdichter der Klimaanlage führt. Durch das Bestromen des elektromagnetischen Aktuators des Ventils wird dabei das Ventilelement von einer ersten Endstellung, in welcher das Ventil geschlossen ist, in eine zweite Stellung zum Öffnen des Ventils entgegen der Kraft des Federelements verlagert.

Im Kraftfahrzeug ist wie üblicherweise die Ansteuerelektronik für ein derartiges Ventil in ein Steuergerät integriert, beispielsweise in der Leistungselektronik für die Elektromaschine. Um einen fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten, ist es außerdem bekannt, das Ventil im laufenden Betrieb darauf zu überwachen, ob eine Fehlfunktion vorliegt. Dabei wird bisher jedoch nur die elektrische

Verbindung zwischen der Ansteuerelektronik und dem Aktuator diagnostiziert. Ob das Ventil tatsächlich noch betätigt werden kann, wird dabei nicht geprüft.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine weitergehende Prüfung dahingehen stattfindet, ob das

Expansionsventil tatsächlich mechanisch der Ansteuerung folgt und insoweit fehlerfrei funktioniert. Dabei wird die Prüfung mit einfachen Mitteln kostengünstig und effizient durchgeführt. Insbesondere kann das Verfahren auch in ein bestehendes Steuergerät integriert werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Stromverlauf des Aktuators bei der Ansteuerung erfasst und mit einem erwarteten Stromverlauf verglichen wird, um eine mechanische Fehlfunktion des Ventils zu erkennen. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich der Stromverlauf bei einem mechanisch nicht korrekt funktionierenden Ventil von dem eines korrekt funktionierenden Ventils unterscheidet. Vorteilhafterweise wird die Prüfung in die Ansteuerelektronik integriert. Diese besteht üblicherweise aus einem Mikrokontroller und einer Leistungsendstufe, die Highside- und Lowside- Schalter aufweist. Die Bestromung des Aktuators wird über diese Endstufe gesteuert. Mittels des Mikrokontrollers wird die Signalbearbeitung und Prüfung durchgeführt. Der Stromverlauf wird bevorzugt durch einen ohnehin vorhandenen Stromsensor erfasst oder durch einen extern zugefügten Stromsensor, der der Leistungsendstufe zugeordnet wird. Vorteilhafterweise wird dabei ein aktueller Stromwert mittels des Stromsensors erfasst und in einem Speicher hinterlegt, sodass ein vollständiger Stromverlauf bei einer Betätigung des Ventils erfasst wird. Weist das Ventil keine mechanische Fehlfunktion auf, so wird das Ventilelement durch die Magnetkraft von dem Aktuator in die zweite Einstellung gedrängt. Desto weiter sich das Ventilelement in Richtung der zweiten

Endstellung bewegt, desto höher ist eine durch die Bewegung des

Ventilelements induzierte Gegenspannung, die den Stromanstieg reduziert. Dadurch nimmt der Stromzunahme bis zu dem Erreichen des zweiten

Endanschlags ab, und nimmt nach Erreichen des zweiten Anschlags mit einer deutlichen Steigung zu. Dieser Knick im Stromverlauf ist typisch für das mechanisch einwandfrei funktionierende Ventil. Lässt sich das Ventil jedoch nicht aus der ersten Endstellung lösen, beispielsweise weil es verklemmt ist, oder ist das Ventil erst gar nicht in die erste Endstellung zurückgelangt, weil es in der zweiten Endstellung verklemmt ist, so nimmt der Stromverlauf des Aktuators gleichförmig zu, ohne den genannten Knick aufzuweisen. Dadurch ist der Stromverlauf des mechanisch fehlerfreien Ventils von dem des fehlerbehafteten Ventils einfach zu unterscheiden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erfasste Stromverlauf auf den genannten Knick untersucht wird, wobei dann, wenn der Knick erkannt wird, eine fehlerfreie Funktionsfähigkeit des Ventils festgestellt wird. Damit kann das Ventil weiterbetrieben werden.

Entsprechend wird dann, wenn in dem erfassten Stromverlauf kein Knick feststellbar ist, eine mechanische Fehlfunktion des Ventils festgestellt.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die zweite Ableitung des

Stromverlaufs auf einen ersten Null-Durchgang und einen zweiten Null- Durchgang untersucht wird, wobei der zweite Null-Durchgang als unerwarteter Null-Durchgang festgestellt wird. Unter dem Stromverlauf wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stets ein Stromverlauf bei einer Betätigung des Ventils verstanden, sodass ein Überwachungsfenster vorliegt, das mit dem Beginn der Betätigung beziehungsweise Ansteuerung geöffnet und mit abschließender Ansteuerung geschlossen wird. Wenn innerhalb dieses Fensters ein erster Null-Durchgang mit Beginn der Ansteuerung erfasst wird, ist dies der Null-Durchgang, der darauf hinweist, dass die Bestromung beginnt. Ist ein zweiter Null-Durchgang feststellbar, bedeutet dies, dass ein Knick im

Stromverlauf vorliegt, der auf den fehlerfreien Betrieb hinweist. Ist der zweite Null-Durchgang nicht feststellbar, so ist entsprechend zu erkennen, dass eine mechanische Fehlfunktion vorliegen muss weil das Ventilelement nicht bewegt wurde.

Wird eine mechanische Fehlfunktion des Ventils festgestellt, so wird bevorzugt eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet. Bei der Sicherheitsmaßnahme kann es sich beispielsweise um das Anzeigen einer Warnmeldung für beispielsweise einen Fahrer des Kraftfahrzeugs handeln, sodass dieser darauf aufmerksam gemacht wird, dass ein Ventil nicht ordnungsgemäß funktioniert und eine

Werkstatt angefahren werden sollte.

Vorteilhafterweise wird der erfasste Stromverlauf durch einen Tiefpass gefiltert. Dadurch werden Störungen in dem Stromsignal unterdrückt, der Knick im Verlauf jedoch nicht beeinflusst, sodass ein sicheres Erkennen des Knicks gewährleistet wird.

Bevorzugt wird das Verfahren zumindest zwei Mal durchgeführt, bevor die Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird. Dadurch wird die Robustheit der

Fehlererkennung erhöht und eine Fehlauslösung einer Sicherheitsmaßnahme vermieden. So kann beispielsweise auch der zweite Null-Durchgang ausfallen, weil die durch die Pulsweitenmodulation eingestellte Spannung nicht ausreichend war. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass bei der zweiten Durchführung des Verfahrens die Betriebsspannung des Aktuators erhöht oder auf einen maximalen Wert eingestellt wird, um sicherzustellen, dass die Ventilnadel bewegt werden könnte, wenn keine mechanische Fehlfunktion vorliegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergestellt ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Auch hierdurch ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

Figur 1 ein Kühlsystem für einen Hochspannung- Energiespeicher,

Figur 2 ein Expansionsventil des Kühlsystems in einer

vereinfachten Schnittdarstellung,

Figur 3 einen Schaltplan zur Ansteuerung des Expansionsventils,

Figur 4 ein Ersatzschalbild der Ansteuerung,

Figuren 5A bis 5D Diagramme zur Erläuterung eines vorteilhaften

Verfahrens zum Betreiben des Kühlsystems und

Figur 6 ein vorteilhaftes Verfahren zum Prüfen der

Funktionsfähigkeit des Ventils.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Kühlsystem 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug, das einen Hochspannungsenergiespeicher 2 aufweist. Das Kühlsystem 1 weist einen Kühlkreis auf, der zumindest einen Verdichter 3, einen Kondensator 4 und einen Trockner 5 aufweist. In den

Kühlkreis ist außerdem ein Ventil 6, das als Expansionsventil ausgebildet ist, eingebunden, das bei Bedarf das vom Trockner 5 kommende Kühlmittel dem Energiespeicher 2 zuführt, sodass das Kühlmittel den Energiespeicher 2 durch und/oder umströmt und anschließend dem Verdichter 3 zugeführt wird. Das Kühlmittel nimmt dabei die Wärme des Energiespeichers 2 auf und kühlt diesen damit.

Das Expansionsventil ist als elektromagnetisches Ventil 6 ausgebildet, wie es beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist. Das Ventil 6 weist ein Ventilgehäuse 7 auf, in welchem ein Ventilelement 8 verschiebbar gelagert ist. Dabei ist das

Ventilelement 8, vorliegend eine Ventilnadel, zwischen zwei Endstellungen verschiebbar gelagert. In der ersten Endstellung ist das Ventilelement 8 mit einer Ventilspitze 9 gegen einen Ventilsitz 10 im Gehäuse 7 durch ein Federelement 11 gepresst. In der zweiten Endstellung ist das Ventilelement 8 entgegen der Kraft des Federelements 11 maximal weit verschoben, sodass die dem Ventilsitz 10 zugeordnete Ventilöffnung 12 freigegeben ist, sodass das Kühlmittel, das durch einen Einlass 13 in das Gehäuse gelangt, durch die Ventilöffnung 12 austreten und dem Energiespeicher 2 zugeführt werden kann. Die zweite Endstellung wird dabei durch einen formschlüssigen Anschlag zwischen

Ventilelement 8 und beispielswiese dem Gehäuse 7 definiert, oder durch die maximale Verformbarkeit des Federelements 11. Dieses ist vorliegend als Schraubenfeder ausgebildet und kann entsprechend nur so weit verformt werden, bis die Schraubenfeder-Abschnitte axial aneinander anstoßen. In beiden Fällen gelangt das Ventilelement 8 gegen einen Anschlag, ab welchem es nicht mehr weiter bewegbar ist.

Um das Ventilelement 8 entgegen der Kraft des Federelements 11 zu bewegen, sodass die Ventilöffnung 12 freigegeben wird, ist dem Ventilelement 8 ein elektromagnetischer Aktuator 14 zugeordnet, der eine bestrombare Spule 15 aufweist, die vorliegend koaxial zu dem Ventilelement 8 angeordnet ist. Wird die Spule 15 bestromt, entsteht ein Magnetfeld, durch welches das Ventilelement 8 entgegen der Kraft des Federelements 11 bewegt wird.

Figur 3 zeigt dazu in einer vereinfachten Darstellung ein Schaltplan zum

Ansteuern des Ventils 6. Dazu ist ein Steuergerät 16 vorgesehen, das einen Mikrokontroller 17 aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Leistungsendstufe 18, die dem Aktuator 15 zugeordnet ist, anzusteuern. Weiterhin ist ein Stromsensor

19 vorhanden, welcher den durch die Endstufe 18 fließenden Strom erfasst und dem Mikrokontroller 17 mitteilt. Dazu weist dieser einen Analog-Digital-Wandler

20 auf.

Der Mikrokontroller 17 steuert die Leistungsendstufe beziehungsweise die Schalterleistungsendstufe durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) an. Durch Erhöhen oder Reduzieren des Tastverhältnisses (duty-cycle) wird die

Leistungsendstufe für eine längere beziehungsweise kürzere Zeit angesteuert und der effektive Stromfluss bestimmt. Die dabei von dem Stromsensor 19 erfassten Sensorwerte werden für die weitere Bearbeitung im Mikrokontroller 17 oder in einem zugeordneten Speicher zwischengespeichert beziehungsweise gebuffert. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass nur die Sensorwerte in einem vorbestimmten Zeitabschnitt gespeichert werden, welche für das im Folgenden beschriebene Verfahren von Bedeutung sind. Insbesondere werden dabei die Sensorwerte gespeichert, die während eines Ansteuervorgangs zum Öffnen des Ventils 6 erfasst werden. Das bedeutet, dass die Speicherung mit dem Beginn der Ansteuerung beginnt und mit dem Erreichen der zweiten Endstellung beendet wird.

Das Magnetventil 6 verhält sich im stationären Zustand elektrisch wie eine Spule, der grundsätzlich als serielle geschalteter Widerstand R und Induktivität L verstanden werden kann, wie in Figur 4 gezeigt.

Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild der zuvor erläuterten Ansteuerung. Beim Einschalten fließt ein Strom durch die Spule 15. Aufgrund der Induktivität L wird die Stromsteigerung gedrosselt. Für den Stromverlauf gilt:

Dabei ist Ub die effektive Versorgungsspannung, R die Impedanz des

Schaltkreises, die sich aus der Leitungsimpedanz Ri_ und dem Widerstand der

Spule Rv ergibt (R = Rv + Ri_), und τ =— die Zeitkonstante des Schaltkreises.

^R v

Um den effektiven Strom durch die Spule 15 zu steuern und zu begrenzen kann die Endstufe 18 über das Pulsweitensignal mit einer Frequenz fr oder einem Tastverhältnis r gesteuert werden, wie in Figur 5B beispielhaft gezeigt.

Figur 5 zeigt in mehreren Diagrammen ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben des Ventils. Dazu zeigt Figur 5A Stromverläufe über die Zeit t, Figur 5B ein Pulsweitenmodulations-Signal (PWM-Signal), Figur 5C eine erste Ableitung des Stromverlaufs und Figur 5D eine zweite Ableitung des Stromverlaufs. Zu dem Zeitpunkt ti beginnt die Bestromung der Spule 15. Das PWM-Signal ist durchgehend unverändert. Zum Zeitpunkt ti sitzt das Ventilelement 8 mit der Ventilspitze 9 fest auf dem Ventilsitz 10 und verschließt dadurch die

Ventilöffnung 12. Ab dem Zeitpunkt ti wird die Leistungsendstufe 18 durch das PWM-Signal angesteuert. Aufgrund der Induktivität steigt der Strom IA in einem

PTl Verhalten. Der Stromverlauf von IA umfasst auch den PWM-Signalanteil. Um Störungen zu unterdrücken, wird das Signal bevorzugt durch einen Tiefpassfilter gefiltert. Damit entspricht der Stromverlauf IA,F bis zu dem Zeitpunkt t2 der Formel (1). Zum Zeitpunkt t2 ist die Magnetkraft gleich der Summe von Reibkraft und Federkraft. Mit zunehmender Magnetkraft nach dem Zeitpunkt t2 wird die

Magnetkraft für das Ventilelement 8 größer als die Reibung und die Federkraft und treibt damit das Ventilelement 8 entgegen der Federkraft von dem Ventilsitz 10 weg. Eine durch die Bewegung induzierte Gegenspannung reduziert dabei den Stromanstieg. Zum Zeitpunkt t3 erreicht das Ventilelement 8 die zweite Endstellung und seine Bewegung wird gestoppt. Nach dem Erreichen einer zweiten Endstellung verbleibt das Ventilelement 8 in seiner Position, der Strom IA,F steigt jedoch weiter gemäß Formel (1) an, jedoch mit einer anderen

Zeitkonstante τ o = , wobei I_v2 die Induktivität des geöffneten Ventils ist. Ab

R

dem Zeitpunkt t ist der Strom eingeschwungen.

Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen normalen Verhalten des Ventils 6, weist ein mechanisch blockiertes Ventil 6 während der Ansteuerung eine konstante Induktivität auf. Daher folgt der Stromverlauf ΙΑ,Β eines blockierten Ventils 6 ab dem Zeitpunkt ti bis zum Abschalten immer der Formel (1).

Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Verläufen IA,F und ΙΑ,Β ist daher der zum Zeitpunkt t3 auftretende Knick K im Stromverlauf des normalarbeitenden Ventils 6. Dieser Knick wird vorliegend als Merkmal zum Bestimmen eines fehlerfrei funktionierenden Ventils 6 genutzt. Wird dieser Knick K während der Ansteuerphase nicht erkannt, so kann dies bedeuten, dass das Ventil 6 mechanisch blockiert ist oder der Ansteuerstrom nicht ausreichend ist, um das Ventil 6 zu öffnen.

Um dies zu prüfen wird der Stromverlauf, wie zuvor bereits erwähnt, zwischen ti und t mittels des Stromsensors 19 überwacht und ein Stromverlauf in einem Speicher beziehungsweise Buffer für die weitere Verarbeitung zwischengespeichert. Für den Fall, dass nicht ausreichend Ressourcen zur Verfügung stehen, um den Stromverlauf vollständig aufzunehmen, können Stromwerte innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters aufgenommen werden, wobei das Zeitfenster aus einer theoretischen Berechnung unter

Berücksichtigung der Bedingungen, wie beispielsweise die

Versorgungsspannung, PWM- Frequenz und Tastverhältnis sowie Temperatur, ermittelt wird. Die Aufnehmerfrequenz sollte mindestens so groß sein, dass das Knick- Merkmal eindeutig erfassbar ist.

Der aufgenommene Stromverlauf wird durch den Tiefpass gefiltert, um

Störungen aus dem PWM-Signal möglichst zu unterdrücken, das Knick-Merkmal jedoch nicht zu beeinflussen. Der erfasste und gefilterte Stromverlauf wird zwei Mal abgeleitet, wie in Figuren 5C (erste Ableitung) und 5D (zweite Ableitung) gezeigt.

Die zweite Ableitung wird nun darauf untersucht, ob während eines

Ansteuervorgangs zwei Null-Durchgänge erfasst werden können. Der erste Null- Durchgang findet zum Zeitpunkt ti statt, wenn das Ventil erstmalig angesteuert wird. Der zweite Null-Durchgang findet zum Zeitpunkt t2 statt, wenn das

Ventilelement 8 im Normalfall seine zweite Endstellung erreicht. Kann der zweite Null-Durchgang nicht erfasst werden, liegt kein Knick im Stromverlauf vor, was der Hinweis darauf ist, dass das Ventilelement 8 blockiert ist und nicht geöffnet (oder nicht geschlossen) werden kann.

Um ein robustes Systemverhalten zu gewährleisten, wird bevorzugt das

Verfahren wiederholt, wobei dann insbesondere, um eine nicht ausreichende Bestromung zu vermeiden, bei der Wiederholung der Ansteuerstrom oder die effektive Spannung erhöht, insbesondere bis zum Maximum (sukzessiv) erhöht wird.

Figur 6 zeigt zusammengefasst noch einmal das vorteilhafte Verfahren zum Prüfen der Funktionsfähigkeit des Ventils 6. Im Schritt Sl wird das Kühlsystem und damit auch das Ventil 6 in Betrieb genommen. Im Schritt S2 beginnt der Mikrokontroller damit, die Leistungsendstufe 18 anzusteuern, um das Ventil 6 zu betätigen. Dabei überwacht im Schritt S3 der Mikrokontroller mittels des

Stromsensors 19 den effektiven Betriebsstrom der Leistungsendstufe 18. Dabei werden die erfassten Stromwerte zwischengespeichert, um einen Stromverlauf abzubilden. Im darauffolgenden Schritt S4 wird nach abgeschlossener

Ansteuerung des Ventils 6 der gespeicherte Stromverlauf auf einen Knick untersucht. Dazu wird in der zweiten Ableitung nach einem zweiten Null- Durchgang gesucht. Wird ein solcher gefunden (j) so wird darauf erkannt, dass das Ventil ordnungsgemäß funktioniert. Im Anschluss wird dann im Schritt S5 die weitere Funktion beziehungsweise der Weiterbetrieb des Kühlsystems freigeben. Kann der zweite Null-Durchgang nicht erkannt werden (n), so wird darauf erkannt, dass das Ventilelement 8 wahrscheinlich blockiert ist.

Ist dies der Fall, wird im Folgenden Schritt S6 eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet, wie beispielsweise das Anzeigen einer Warnmeldung an den Fahrer, um diesen darauf aufmerksam zu machen, dass das Kühlsystem und

insbesondere das Ventil 6 eine mechanische Fehlfunktion aufweist. Optional wird bei Erkennen einer Fehlfunktion im Schritt S6 das Verfahren wiederholt, wobei dann jedoch ein höherer Ansteuerstrom durch die Pulsweitenmodulation eingestellt wird, um zu vermeiden, dass die Fehlfunktion nur deswegen erkannt wurde, weil der Betriebsstrom nicht ausreichend war, um das Ventilelement entgegen der Kraft des Federelements zu bewegen. Führt jedoch auch der zweite Durchgang zu dem Ergebnis, dass eine Fehlfunktion vorliegt, so wird das Verfahren im Schritt S6 beendet und die Sicherheitsmaßnahme eingeleitet.