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Dokumentenidentifikation DE10303779A1 22.07.2004
Titel Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Schmolla, Wilfried, Dr., 63128 Dietzenbach, DE
DE-Anmeldedatum 31.01.2003
DE-Aktenzeichen 10303779
Offenlegungstag 22.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.07.2004
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
IPC-Nebenklasse H02J 15/00   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, mit der eine deutlich verringerte Verlustleistung und damit eine deutlich verringerte Erwärmung erzielt werden kann, so dass keine zusätzliche Kühlung erforderlich ist. In der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist eine DC/DC-Wandlervorrichtung (1) mit mindestens einem Schaltwandler (2) verbunden, der über einen Stoppschalter (3), der die Piezospannung sicher auf den Wert Null bringen kann, mit einer Piezokapazität (P) verbunden ist. Mit jedem Eingangsanschluss eines diese Vorrichtung enthaltenen Schaltwandlers (2) ist jeweils eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter (S1, S2), einer Diode (D1, D2) und einem Kondensator (C1, C2) verbunden. Der Ausgang der beiden Parallelschaltungen ist über eine Drossel (L) mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers (2) verbunden, während ein zweiter Ausgangsanschluss direkt mit einem zweiten Eingangsanschluss des Schaltwandlers (2) verbunden ist. Durch die Parallelschaltung der Kondensatoren (C1, C2) zu den Leistungsschaltern (S1, S2) und den Dioden (D1, D2) können Abschaltverluste der Leistungsschalter (S1, S2) unterdrückt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere von Piezoaktuatoren in Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen.

Aus "Piezo-Aktorik löst Magnetventiltechnik ab", Elektronik Automotive, April 2002 ist es bekannt, Piezo-Aktoren in Common-Rail-Diesel-Kraftstoffeinspritzsystemen anstelle von Magnetventilen zu verwenden, da durch das schnellere Schalten von Piezo-Injektoren eine bessere zeitliche und räumliche Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes möglich ist. Die Kraftstoffmenge kann auf mehrere Einzeleinspritzungen verteilte werden, d.h. mehrere Voreinspritzungen sehr kleiner Kraftstoffmenge folgen der Haupteinspritzung sowie bei Bedarf wiederum mehrere Nacheinspritzungen.

Beispielsweise ist aus der DE 199 27 087 A1 eine Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente bekannt, wobei diese piezoelektrischen Elemente unter anderem als Aktuatoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelektrische Elemente sein können, wie sie beispielsweise bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen verwendet werden. Eine aus dieser Druckschrift bekannte Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements ist in 6 gezeigt. Wie aus 6 ersichtlich, liegt ein erster Anschluss des piezoelektrischen Elements P dauerhaft auf Masse, d.h. ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden, wohingegen ein zweiter Anschluss des piezoelektrische Elements P über eine Drossel L und eine Parallelschaltung aus einem Ladeschalter S11 und einer Diode D1 mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle und über die Drossel L und eine Parallelschaltung aus einem Entladeschalter S22 und einer Diode D2 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Die Drossel L, der Ladeschalter S11, die Diode D1, der Entladeschalter S22 und die Diode D2 bilden einen Lade- bzw. Schaltwandler 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit der Spannungsquelle B, einem DC/DC-Wandler 10 und einem Speicherkondensator CSP.

Die Spannungsquelle wird durch ein kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel ein Speicherkondensator CSP ist, gebildet. Der Speicherkondensator CSP wird durch einen Batterie B, beispielsweise eine Kfz-Batterie und einen dieser nachgeschalteten Gleichspannungsbzw. DC/DC-Wandler 10 geladen. Der DC/DC-Wandler 10 setzt die Batteriespannung (beispielsweise 12V) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleichspannung um und lädt den Speicherkondensator CSP auf diese Spannung auf.

Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements P erfolgt durch Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element, nämlich dem Speicherkondensator CSP über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element, beispielsweise die Drossel L, zum piezoelektrischen Element P oder umgekehrt.

Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements P erfolgt getaktet, d.h. der Ladeschalter S11 und der Entladeschalter S22 werden während des Lade- bzw. Entladevorgangs wiederholt geschlossen und geöffnet.

Es ist weiterhin aus dieser Druckschrift bekannt, bei mehreren zu ladenden und entladenden piezoelektrischen Elementen jedes Piezoelement über einen ersten Widerstand mit Masse zu verbinden und parallel zu dieser Anordnung eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand und eine Parallelschaltung aus einem Stopschalter und einer Diode vorzusehen.

Der zweite Widerstand, der Stopschalter und die Diode dienen dazu, die piezoelektrischen Elemente vollständig zu entladen, falls diese durch das "normale" Entladen nicht vollständig entladen wurden. Der Stopschalter wird vorzugsweise nach dem "normalen" Entladen, d.h. dem getakteten Entladen über den Entladeschalter S22 geschlossen. Er schließt damit das Piezoelektrische Element über die Widerstände kurz und sorgt so für das Entfernen von eventuell in dem piezoelektrischen Element verbliebener Restladung.

Der erste Widerstand dient zur Messung der beim Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente fließenden Ströme.

Die Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein geregeltes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente P; insbesondere kann durch ein von der Größe der Ströme abhängendes Schließen und Öffnen des Ladeschalter S11 und des Entladeschalters S22 erreicht werden, dass der Ladestrom und der Entladestrom auf vorbestimmte Mittelwerte eingestellt werden und/oder vorbestimmte Maximalwerte und/oder Minimalwerte nicht übersteigen bzw. unterschreiten.

Die mit dem Stopschalter parallel geschaltete Diode verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen, da diese hierdurch unter Umständen zerstört werden können.

Problematisch bei derartigen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist jedoch eine sehr hohe Verlustleistung. Die in den Vorrichtungen erzeugte Wärme ist ggf. durch eine einfache Luftkühlung nicht mehr abführbar, so dass eine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich wird, die den Bauraum vergrößert und die Kosten erhöht.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente zu schaffen, die eine verringerte Verlustleistung aufweist, so dass eine zusätzliche Wasserkühlung nicht mehr erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere von Piezoaktuatoren in Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente kann mit geringem Bauteileaufwand unter Verwendung von zwei Leistungsschaltern, von denen nur einer stromführend ist und geringe Durchlassverluste aufweist, die Verlustleistung deutlich verringert werden. Abschaltverluste werden durch die Ausbildung von Kondensatoren über die zwei Leistungsschalter und Nullspannungsschalten fast vollständig vermieden. Eine zusätzliche Wasserkühlung ist dadurch nicht mehr erforderlich.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Es zeigen:

1 eines prinzipiellen Aufbaus einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente,

2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Piezospannung sowie des Mittelwerts des Lade- und Entladestroms des piezoelektrische Elements,

3 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente,

4 einen prinzipiellen Strom- und Spannungsverlauf in einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente gemäß 3 bei Unterdrückung der Abschaltverluste in S1 durch C1 und C2,

5 Strom- und Spannungsverläufe in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente beim Aufladevorgang und

6 eine herkömmliche Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente.

Bei neuen Dieselmotoren mit Common-Rail-Einspritzung oder Otto-Motoren mit strahlgeführter Direkteinspritzung werden Injektoren mit Piezoaktuatoren eingesetzt, um die hohen Dynamikanforderungen bei Mehrfacheinspritzungen zu erfüllen. Piezoaktuatoren verhalten sich elektrisch wie nichtlineare verlustbehaftete Kapazitäten. Bei Betrieb des Aktuators wird der nichtlineare Kondensator auf- und entladen, d.h. es muss Ladung bzw. Energie aufgebracht und heruntergenommen werden. Die Ladekurve ist dabei hysteresebehaftet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, die für den vorstehend erwähnten Zweck verwendbar ist und eine wesentlich verringerte Verlustleistung aufweist, wodurch keine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich ist. Jedoch besteht keine Einschränkung auf einen derartigen Einsatz piezoelektrischer Elemente; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.

In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 und einen Lade- bzw. Schaltwandler 2. Einem Eingang der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 wird eine Energie ED zugeführt und es liegt daran eine Betriebsspannung UB an. Diese Energie ED wird von der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit einem Wirkungsgrad &eegr;D einem Speicherkondensator CSP zugeführt, über den eine Spannung USP abfällt. EV D bezeichnet die Verlustenergie der DC/DC-Wandlervorrichtung 1. Der Schaltwandler 2 entnimmt dem Speicherkondensator CSP in der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 Energie EHS für eine Streckung des piezoelektrischen Elements und führt sie dem Speicher CSP abzüglich der Verluste im piezoelektrischen Element und dem Schaltwandler 2 bei der Stauchung des piezoelektrischen Elements als Energie ER S wieder zu. EVHS und EVRS stellen die Energieverluste bei der Hin- bzw. Rückübertragung der Energie von der/zu der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 dar, während EVS den Energieverlust im Schaltwandler 2 bezeichnet. Der Energietransport in beiden Richtungen ist nämlich mit Verlusten verbunden. Vom Schaltwandler 2 wird bei einer Streckung des piezoelektrischen Elements der Piezokapazität CP, über die eine Piezospannung UP abfällt, eine Energie EHP zugeführt, bzw. bei einer Stauchung des piezoelektrischen Elements eine Energie ERP von der Piezokapazität empfangen wird. In der Piezokapazität ist eine Energie EC P gespeichert und bei einem Lade- oder Entladevorgang fließt ein Strom IP.

Beispielsweise ist der Wirkungsgrad des Schaltwandlers 2 bei der Aufladung des piezoelektrischen Elements &eegr;H S = EH P/EHS, wobei EHP die vom Schaltwandler 2 ausgegebene Energie und EHS die aus dem Speicher CSP in der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 entnommene Energie ist. Bei dem Piezoinjektor wird beispielsweise von einem Injektor mit Servounterstützung mit folgenden Eigenschaften ausgegangen:

  • – Maximale Piezospannung UP = 200V
  • – Piezokapazität bei 200V CP = 6&mgr;F
  • – Lade- bzw. Entladezeit t = 200&mgr;s

In 2 ist der Verlauf der Piezospannung UP sowie der Mittelwert des Lade- und Entladestroms IP schematisch dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass der Strom durch Piezokapazität IP beim Ladevorgang ein positiver Rechteckpuls ist, während er beim Entladevorgang ein negativer Rechteckpuls und in den Zeiträumen dazwischen gleich Null ist.

Die Vorgaben durch die Piezoeigenschaften führen im bevorzugten Ausführungsbeispiel zu folgenden Konsequenzen:

  • – Der mittlere Ladestrom für das piezoelektrische Element muss IP = 6A sein.
  • – Für den eingangsseitigen mittleren Lade- bzw. Schaltwandlerstrom von 6A wird eine eingangsseitige Speicherspannung von USP > 200V benötigt.
  • – Es ist ein Gleichspannungs/Gleichspannungs(DC/DC)-Wandler zur Wandlung der Betriebsspannung UB = 14V auf USP > 200V erforderlich.
  • – Wegen der kurzzeitigen hohen Leistungsaufnahme von 200·6VA ist ein Speicher erforderlich, damit der DC/DC-Wandler für eine wesentlich geringere Spitzenleistung ausgelegt werden kann.

Der Speicherkondensator CSP hat beispielsweise eine Kapazität von ca. 50&mgr;F.

Eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente erzeugt beim Betrieb Verlustwärme. Der Aufwand für die Ableitung der Verlustwärme und damit die Verlustwärmemenge sollte daher so gering wie möglich sein. Bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist das Wärmeaufkommen jedoch hoch.

Der Hauptanteil der Verlustleistung der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente entsteht herkömmlich im Lade- bzw. Schaltwandler in den Bauteilen mit ohmschem Widerstand, die einen hohen Ladestrom führen. Es sind dies Halbleiterschalter und eine Drossel im Schaltwandler. Die Verluste in den Halbleiterschaltern setzen sich aus Abschaltverlusten und Durchlassverlusten zusammen. Die Abschaltverluste könnten durch schneller schaltende Transistoren reduziert werden. Kürzere Schaltzeiten würden jedoch höherwertige Transistoren erfordern, den Aufwand für die Treiberschaltung erhöhen, einen induktivitätsarmen Treiberaufbau erfordern und daher die Kosten erhöhen.

Diese vorstehend angeführten Nachteile von in herkömmlichen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere durch den dort verwendeten Lade- bzw. Schaltwandler sollen nun durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente beseitigt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist in 3 gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente weist eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1, einen erfindungsgemäßen Schaltwandler 2, der für den Auf- und Entladevorgang des Piezokondensators P nur zwei Leistungsschalter S1, S2 und jeweils eine parallel zu jedem Leistungsschalter angeordnete Dioden D1, D2 benötigt sowie einen Stopschalter 3 auf, der die Piezospannung UP sicher auf den Wert Null bringen kann.

In der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 ist eine DC/DC-gewandelte Betriebsspannung UB mit einem Speicherkondensator CS P parallel geschaltet, so dass die über den Speicherkondensator CSP abfallende Spannung an den Ausgangsanschlüssen anliegt.

Der Schaltwandler 2 weist zwei als Leistungstransistoren ausgebildete erste und zweite Leistungsschalter S1, S2 auf. Zu jedem dieser Leistungsschalter S1, S2 ist jeweils eine erste bzw. zweite Diode D1 bzw. D2 und ein erster bzw. zweiter Kondensator C1 bzw. C2 parallel geschaltet. Die Parallelschaltung aus dem ersten Leistungsschalter S1, der ersten Diode D1 und dem ersten Kondensator C1 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung 1 verbunden, während die Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter S2, der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 mit dem zweiten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung 1, der auf Masseniveau liegt, verbunden ist. Die über die Parallelschaltung aus dem ersten Leistungsschalter S1, der ersten Diode D1 und den ersten Kondensator C1 abfallende Spannung wird mit U3 bezeichnet, während die über die Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter S2, der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 abfallende Spannung mit U2 bezeichnet wird. Die beiden Parallelschaltungen sind an ihrem Ausgang miteinander und mit einem Anschluss einer Drossel L verbunden. Ein durch die Drossel L fließender Strom wird mit IL bezeichnet. Die Drossel L ist an ihrem anderen Anschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden. Der Eingang der Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter S2, der zweiten Diode D2 und dem zweiten Kondensator C2 ist mit Masse verbunden.

Der Stopschalter 3 ist wiederum mit dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden und dient zum vollständigen Entladen des piezoelektrischen Elements, wenn dieses durch das „normale" Entladen nicht vollständig entladen wurde. Zwischen seinen beiden Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ist eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter S3 und einer Diode angeordnet. Hierbei verhindert die Diode das Auftreten negativer Spannungen am piezoelektrischen Element.

Die Ausganganschlüsse des Stopschalters 3 sind schließlich mit einer Piezokapazität P verbunden, die einerseits über einen ersten Messwiderstand Rmess1 mit Masse verbunden ist und zu der weiterhin eine Reihenschaltung aus zwei weiteren Messwiderständen Rmess, Rmess2 parallel geschaltet ist. Die Messwiderstände Rmess, Rmess1, Rmess2 dienen dabei zum Messen der beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements fließenden Ströme und der am piezoelektrischen Element liegenden Spannung.

Im Folgenden wird die Funktion des Schaltwandlers in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente genauer erläutert.

Beim Aufladevorgang der Piezokapazität P sind im Schaltwandler 2 ein erster Leistungsschalter S1 oder eine zweite Diode D2 und beim Entladevorgang der Piezokapazität ein zweiter Leistungsschalter S2 oder eine Diode D1 stromführend.

Um Abschaltverluste der Leistungshalbleiter zu vermeiden, sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente im Schaltwandler 2 die Kondensatoren C1 bzw. C2 parallel zu den Leistungsschaltern S1 bzw. S2 sowie den Dioden D1 bzw. D2 ausgebildet.

In 4 ist für den Fall des Aufladens der Piezokapazität P der prinzipielle Strom- und Spannungsverlauf bei Unterdrückung der Abschaltverluste im ersten Leistungsschalter S1 durch die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 gezeigt. Dabei ist U3 ein Spannungsabfall über den ersten Leistungsschalter S1 und U2 ein Spannungsabfall über den zweiten Leistungsschalter S2. Wenn der erste Leistungsschalter S1, der ebenso wie der zweite Leistungsschalter S2 vorzugsweise ein MOSFET ist, abschaltet, ändert sich die Spannung U3 wegen der ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 nur langsam. Der Abschaltvorgang von S1 ist in der 4 dargestellt. Der Strom IS1 durch den ersten Leistungsschalter S1 wird auf Null abgebaut, solange die Spannung U3 noch klein ist. Damit sind die Verluste während der Schaltzeiten des ersten Leistungsschalters S1 praktisch zu vernachlässigen.

Bevor der erste Leistungsschalter S1 wieder eingeschaltet werden kann, muss die Spannung U3 wieder auf den Wert Null bzw. U2 auf U1 gebracht werden, wie in 5 veranschaulicht. Anderenfalls würde der Umladestrom für die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 über den Leistungsschalter S1 fließen und Schaltverluste verursachen. Die Umladung geschieht mit einem negativen Strom IL durch die Drossel L. Dies ist in 5 veranschaulicht.

Der zweite Leistungsschalter S2 bleibt solange geschlossen, bis ein genügend hoher Strom bzw. ausreichend Energie in der Drossel L gespeichert ist. Nach dem Öffnen des zweiten Leistungsschalters S2 werden die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 mit dem negativen Strom umgeladen.

Analoge Vorgänge gelten für das Abschalten des zweiten Leistungsschalters S2 beim Entladen der Piezokapazität.

Die Energie für den Umladevorgang muss der Piezokapazität P zuvor entnommen werden. Ein negativer Strom ist mit einer leichten Abnahme der Piezospannung UP verbunden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel schwankt der Strom zwischen 18A und – 6A. Mit diesem Strom wird die Piezokapazität von 6&mgr;F in 200 &mgr;s von 0V auf 200V aufgeladen. Die Frequenz beträgt etwa 50 kHz.

Somit können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente mit wenigen Bauteilen und geringem geschalteten Strom sowie jeweils nur einem stromführenden Leistungsschalter zu einem bestimmten Zeitpunkt Schalterverluste erheblich reduziert werden. Durch die Verwendung von MOSFETs für die Leistungsschalter anstelle von IGBTs können die Durchlassverluste weiter verringert werden. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Schaltwandler eine erheblich reduzierte Verlustleistung erzielt werden. Dadurch ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente möglich, auf eine zusätzliche Kühlung zu verzichten.

Selbstverständlich ist es auch möglich, nur eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 parallel mit einer Anzahl von Schaltwandlern 2 und diesen nachgeschalteten Stopschaltern 3 und Piezokapazitäten P zu verbinden, um beispielsweise eine Ansteuerung von Piezoaktuatoren in verschiedenen Zylindern zu realisieren.

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, mit der eine deutlich verringerte Verlustleistung und damit eine deutliche verringerte Erwärmung erzielt werden kann, so dass keine aufwendige Kühlung erforderlich ist. In der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist eine DC/DC-Wandlervorrichtung 1 mit mindestens einem Schaltwandler 2 verbunden, der über einen Stopschalter 3, der die Piezospannung sicher auf den Wert Null bringen kann, mit einer Piezokapazität P verbunden ist. Mit jedem Eingangsanschluss eines diese Vorrichtung enthaltenen Schaltwandlers 2 ist jeweils eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter S1, S2, einer Diode D1, D2 und einem Kondensator C1, C2 verbunden. Der Ausgang der beiden Parallelschaltungen ist über eine Drossel L mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden, während ein zweiter Ausgangsanschluss direkt mit einem zweiten Eingangsanschluss des Schaltwandlers 2 verbunden ist. Durch die Parallelschaltung der Kondensatoren C1, C2 zu den Leistungsschaltern S1, S2 und den Dioden D1, D2 können Abschaltverluste der Leistungsschalter S1, S2 unterdrückt werden.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, mit

    einer DC/DC-Wandlervorrichtung (1), einem Schaltwandler (2) für den Auf- und Entladevorgang zumindest eines piezoelektrischen Elements (P) mit einem erstem und einem zweiter Leistungsschalter (S1, S2), zu dem jeweils eine Diode (D1, D2) parallel geschaltet ist, und

    einem Stopschalter (3), der mit dem zumindest einen piezoelektrischen Element (P) verbunden ist und die Piezospannung (UP) sicher auf den Wert Null bringen kann, dadurch gekennzeichnet, im Schaltwandler (2)

    zu jedem der ersten und zweiten Leistungsschalter (S1, S2) jeweils zusätzlich zur ersten bzw. zweiten Diode (D1, D2) ein erster bzw. zweiter Kondensator (C1, C2) parallel geschaltet ist,

    die Parallelschaltung aus dem ersten Leistungsschalter (S1), der ersten Diode (D1) und dem ersten Kondensator (C1) mit einem ersten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung (1) verbunden ist, während die Parallelschaltung aus dem zweiten Leistungsschalter (S2), der zweiten Diode (D2) und dem zweiten Kondensator (C2) mit einem zweiten Ausgangsanschluss der DC/DC-Wandlervorrichtung (1), der auf Masseniveau liegt, verbunden ist, die beiden Parallelschaltungen an ihrem Ausgang miteinander und mit einem Anschluss einer Drossel (L) verbunden sind und

    die Drossel (L) an ihrem anderen Anschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers (2) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Leistungsschalter (S1, S2) im Schaltwandler (2) Leistungstransistoren sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der DC/DC-Wandlervorrichtung (1) eine DC/DC-gewandelte Betriebsspannung (UB) mit einem Speicherkondensator (CSP) parallel geschaltet ist, so dass die über den Speicherkondensator (CSP) abfallende Spannung an den Ausgangsanschlüssen anliegt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopschalter (3) mit dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss des Schaltwandlers (2) verbunden ist und zum vollständigen Entladen des piezoelektrischen Elements dient, wenn dieses durch das „normale" Entladen nicht vollständig entladen wurde.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Stopschalters (3) eine Parallelschaltung aus einem Leistungsschalter (S3) und einer Diode angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Leistungsschalter (S1, S2) MOSFETs sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlervorrichtung (1) mit mehreren Schaltwandlern (2) verbunden ist, die jeweils mit einem Stopschalter (3) und einem piezoelektrischen Element (P) verbunden sind.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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