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Dokumentenidentifikation DE602004005578T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001607628
Titel Verfahren und System zur Regelung von Aktuatoren aus Formgedächtnislegierungen
Anmelder C.R.F. Società Consortile per Azioni, Orbassano, Torino, IT
Erfinder Zanella, Alessandro, 10100 Torino, IT;
Butera, Francesco, 10100 Torino, IT
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 602004005578
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.06.2004
EP-Aktenzeichen 044254274
EP-Offenlegungsdatum 21.12.2005
EP date of grant 28.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse F03G 7/06(2006.01)A, F, I, 20070227, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Formgedächtnisaktoren des Typs, die wenigstens ein Formgedächtniselement enthalten, das seine Form bei Änderung seiner Temperatur über einen Übergangswert hinaus ändern kann, sowie Mittel zum Speisen eines elektrischen Stroms durch das Formgedächtniselement, um eine Änderung seiner Temperatur zu bewirken.

Formgedächtniselemente sind seit langem bekannt und werden auf verschiedenen Gebieten der Technik verwendet. Sie nutzen die Eigenschaft einiger Metalllegierungen, die eine Zustandsänderung erfahren können, wenn sich die Temperatur über einen Übergangswert hinaus ändert. Der Anmelder ist der Inhaber mehrerer Patente und Patentanmeldungen, die Anwendungen von Formgedächtnisaktoren in vielen Bereichen, wie beispielsweise dem Automobilbereich, zum Steuern von Türschlössern von Kraftfahrzeugen, von Verteilungseinrichtungen in Klimaanlagensystemen für Kraftfahrzeuge, von Einstelleinrichtungen für Rückspiegel und so weiter, betreffen. Der Anmelder hat insbesondere Formgedächtnis-Drahtaktoren vorgeschlagen (entweder Aktoren aus elastischem Draht oder Aktoren aus festem Draht), das heißt, unabhängige Einrichtungen, die in mehreren Bereichen zum Steuern von beweglichen Elementen eingesetzt werden können (siehe beispielsweise WO 03/003137 A1).

Verfahren und Systeme des in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10 angegebenen Typs sind aus US 4 930 494 und US 6 323 459 bekannt.

Der Vorteil von Formgedächtnisaktoren besteht darin, dass sie über eine relativ einfache und preiswerte Struktur verfügen, klein sind und einen geringen Energieverbrauch aufweisen. Durch den Anmelder durchgeführte Studien und Tests hinsichtlich einer breiten Anwendung von Formgedächtnisaktoren, beispielsweise zum Steuern einer Reihe von Betätigungselementen in einem Kraftfahrzeug, haben die Notwendigkeit und den Vorteil der Entwicklung von Steuersystemen und -verfahren aufgezeigt, die eine weitere Verbesserung der Effizienz und der Vorteile der Aktoren ermöglichen.

Um diese Aufgabe zu lösen, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System entsprechend den Patentansprüchen 1 und 10.

Es ist offensichtlich, dass im Rahmen des Grundprinzips mehrere vorteilhafte Strategien ausgeführt werden können. Nehmen wir beispielsweise den Fall an, wobei das Öffnen eines Kraftfahrzeug-Türschlosses sowohl manuell durch Wirken auf einen Griff, als auch elektrisch durch Aktivieren eines Formgedächtniselementes (siehe beispielsweise WO 03/003137 A1) gesteuert werden kann. In einer Ausführungsform, die bereits durch den Anmelder implementiert wurde, fließt ein elektrischer Strom für eine gegebene Zeit von ungefähr einigen Millisekunden durch das Formgedächtniselement des Aktors. Das Detektieren des Öffnens des Türschlosses bewirkt die automatische Unterbrechung des Stromimpulses. Durch dieses Verfahren wird weder die Rationalisierung noch die Optimierung des Systems gewährleistet, weder hinsichtlich des Energieverbrauchs noch hinsichtlich des Schutzes des Aktors vor möglichen Schäden. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist im Gegensatz dazu vorgesehen, beispielsweise die Dauer des Stromimpulses, mit dem das Formgedächtniselement versorgt wird, als eine Funktion der detektierten Umgebungstemperatur einzustellen. Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur höher ist, ist der Stromimpuls, der erforderlich ist, um das Formgedächtniselement auf seine Übergangstemperatur zu bringen, niedriger und/oder kürzer. Wenn darüber hinaus beispielsweise die durch das System detektierte Temperatur des Formgedächtniselementes höher ist, ist der erforderliche Stromimpuls wieder kürzer, wobei, falls erforderlich, ebenfalls eine kurze Verzögerung (von ungefähr einigen Millisekunden) bei der Aktivierung des Stromimpulses vorgesehen ist, wenn die detektierte Temperatur des Aktorelementes derart ist, dass das Element möglicherweise auf Grund von Überhitzung beschädigt werden könnte. Wenn ferner entsprechend einer weiteren möglichen Strategie beispielsweise der Motor eines Kraftfahrzeuges bei einer sehr niedrigen Temperatur gestartet wird, kann das Detektieren einer entsprechend niedrigen Temperatur des Aktorelementes automatisch eine Vorwärmeinrichtung für das Formgedächtniselement aktivieren, um sicherzustellen, dass, wenn der Aktor aktiviert wird, er bereits eine nicht zu geringe Temperatur hat.

Es ist offensichtlich, dass dies lediglich mögliche Beispiele der verschiedenen Strategien sind, die in Übereinstimmung mit der Erfindung im Rahmen des vorangehend offenbarten Grundprinzips zu verwenden sind. Darüber hinaus kann, wenn die Erfindung in einem System angewendet werden soll, das eine Vielzahl von Formgedächtnisaktoren umfasst, beispielsweise in demselben Kraftfahrzeug, die elektrische Versorgungsspannung für die verschiedenen Aktoren in Abhängigkeit von deren Betriebsbedingungen geändert werden.

Dank der Steuerung des Impulstyps, mit dem die Formgedächtnisaktoren zu versorgen sind, durch die Evaluierung der Umgebungsbedingungen, kann folglich eine Reihe von Ergebnissen erzielt werden:

Optimierung der Lebensdauer der Aktoren,

Minimierung des Energieverbrauchs mit derselben Funktion,

Optimierung und Konstanthaltung der Wahrnehmung der Funktionsmerkmale durch den Benutzer.

Die Evaluierung der Umgebungsbedingungen kann unmittelbar vor der Stellbewegung oder periodisch durchgeführt werden, wobei im Fall der Stellbewegung die berechneten und in dem Speicher gespeicherten anwendungsfertigen Parameter verwendet werden (der Zeitraum sollte in Abhängigkeit von den Anforderungen in Bezug auf spezifische Stellbewegungen, der Berechnungskapazität des Systems sowie den Fahrzeugsteuerungsforderungen insgesamt definiert werden).

Im Folgenden wird die Erfindung in Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, die als nicht einschränkendes Beispiel bereitgestellt werden und wobei:

die 1, 2 und 3 drei Diagramme für drei verschiedene Strategien zum Verwenden des Systems in Übereinstimmung mit der Erfindung sind, und

die 4, 5, 6, 7 und 8 Diagramme sind, die ebenfalls die Steuerkriterien darstellen, die mittels des Systems und des Verfahrens in Übereinstimmung mit der Erfindung implementiert werden können.

1 ist ein Diagramm, das die Anwendung eines Systems in Übereinstimmung mit der Erfindung für das Steuern einer Vielzahl von Formgedächtnisaktoren 1 darstellt, die an Bord eines Kraftfahrzeugs 2 installiert sind. Die Aktoren 1 können Aktoren zum Wirken auf die Türschlösser von Kraftfahrzeugen, Aktoren zum Steuern von beweglichen Elementen für die Luftverteilung in einem Klimaanlagensystem eines Kraftfahrzeugs, Aktoren zum Steuern von mobilen Elementen, wie beispielsweise von Außenrückspiegeln des Kraftfahrzeugs und so weiter, umfassen. Die Aktoren 1 werden durch die Versorgungsbatterie des bordeigenen elektrischen Stromkreises mit elektrischen Stromimpulsen versorgt, mit dem Eingriff einer zentralen Steuereinheit 3, die als Eingang eine Vielzahl von Signalen 4 von der Sensoreinrichtung empfängt, welche eine Vielzahl von Umgebungsparametern, wie beispielsweise die Außentemperatur, die Temperatur der Formgedächtniselemente der Aktoren 1 und die von der Batterie verfügbare elektrische Versorgungsspannung detektiert. Auf Basis der Signale 4 stellt die zentrale Steuereinheit 3 die Intensität und die Dauer von Stromimpulsen, mit denen die Aktoren 1 versorgt werden, unter Verwendung mehrerer möglicher Strategien ein.

Das System in Übereinstimmung mit der Erfindung kann ferner mit einer zentralen oder dezentralen Struktur entsprechend mehreren möglichen im Folgenden offenbarten Systemarchitekturen implementiert werden. 2 ist ein Diagramm einer ersten möglichen Architektur des Systems in Übereinstimmung mit der Erfindung. Die Datenübertragung findet auf einer Datenleitung statt, die für alle im Folgenden beschriebenen Fälle eine CAN-, LIN- oder Bluetooth-Leitung oder eine andere drahtlose oder ähnliche Leitung sein kann. In Bezug auf 2 bezeichnet die Nummer 5 eine elektronische Zentraleinheit, die als zentraler Knoten fungiert, und ein oder mehrere Signale 4 von einem Sensor 6 empfängt und Versorgungsimpulse 7 zu einer Vielzahl von Formgedächtnisaktoren 1 sendet. Letztere sind mit weiteren Sensoreinrichtungen assoziiert (die beispielsweise die Temperatur des Materials, aus dem die Formgedächtniselemente hergestellt sind, durch eine Evaluierung der intrinsischen Merkmale, wie beispielsweise des spezifischen Widerstandes, vor einer Stellbewegung detektieren), die deshalb Signale 8 als Ausgang von den mit den Formgedächtniselementen assoziierten Sensoren zu der Zentraleinheit 5 senden. Nummer 9 bezeichnet eine Datenleitung und Nummer 9 bezeichnet eine Versorgungsleitung.

Demzufolge ist in dem System gemäß 2 lediglich eine Zentraleinheit 5 vorhanden, welche die Umgebungsparameter sowie periphere Rückmelde- oder Sicherheitssignale erfasst und/oder berechnet, und dementsprechend den Leistungsimpuls direkt zu allen Aktoren 1 sendet.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Systems. In dieser Figur werden dieselben Nummern für dieselben Elemente wie in 2 verwendet. Der Hauptunterschied bezüglich der Architektur von 1 besteht darin, dass hier, zusätzlich zu der Zentraleinheit 5, ebenfalls elektronische periphere Einrichtungen 11 vorhanden sind. Auch in diesem Fall erfolgt die Steuerung zentral mit der Datenübertragung und dem Datenempfang über die Datenleitung. Der Ausgangsimpuls wird durch die peripheren Einrichtungen 11 erzeugt, die eine Reihe von Stellbewegungen mit einer Reihe von Sensoren und damit assoziierten Aktoren gruppieren.

Die Stellbewegungslogik und -koordination in dem Kraftfahrzeug (beispielsweise zum gleichzeitigen Verriegeln der Türschlösser) werden durch den Zentralknoten implementiert.

Die Architektur von 4 ist grundlegend dieselbe wie die von 3, sie verfügt jedoch über die lokalen Knoten 11 (Türknoten), die lediglich die lokale Steuerungslogik mehrerer Aktoren koordinieren, wobei der Leistungsimpuls durch das elektronische System des Aktors (Aktorknoten), das mit der Batterie verbunden ist, zu der Datenleitung und den lokalen Sensoren, falls vorhanden, erzeugt wird.

Die Strategien, die für die Aktorsteuerung implementiert werden können, können entsprechend verschiedenen Typen, sowohl in Bezug auf den Stellbewegungsmodus als auch in Bezug auf den Versorgungsimpuls, klassifiziert werden. Mehrere Typen von Stellbewegungen können als eine Funktion von Zeit und Rückmeldung implementiert werden.

  • -zeitlich festgelegter Impuls, unabhängig von einem Positionsrückmeldesignal: der Versorgungsimpuls des Aktors wird für eine gegebene Dauer beibehalten und am Ende dieser Dauer unterbrochen, ohne die durch den Aktor erreichte Position zu prüfen. Dies ist der bevorzugte Fall für das Steuern von Aktoren, die als mechanische Haken oder als bistabile Schalter dienen. 5 zeigt das entsprechende Diagramm der Stellbewegung. Linie A bezieht sich auf die durch den Aktor in der Vorgabezeit gesteuerte Verschiebung des Elementes, und Linie B bezieht sich auf den durch die elektronische Steuereinheit zeitlich festgelegten Versorgungsimpuls. Der Punkt C auf der Linie A entspricht der Position der erreichten Stellbewegung. Nach dem Erreichen des Punktes C wird der Versorgungsimpuls für ein Zeitintervall D verlängert, wodurch folglich eine beschränkte Überhitzung des Formgedächtniselementes hervorgerufen wird.
  • – ein zweiter Stellbewegungsmodus umfasst noch einen zeitlich festgelegten Impuls, unabhängig von jeglichen Positionsrückmeldesignalen, wie in 5, es ist jedoch ein Sicherheitsschalter vorhanden. Diese Stellbewegung kann bei Aktoren angewandt werden, die als mechanische Haken oder mechanische bistabile Schalter dienen. 6 zeigt das dazugehörige Diagramm, wobei sich die Linie A auf die Aktorverschiebung bezieht, sich Punkt C auf dieser Linie auf die Position der erreichten Stellbewegung bezieht und sich die Linie B auf den durch die zentrale Steuereinheit zeitlich festgelegten Versorgungsimpuls bezieht.

Die Linie E bezieht sich auf den Status eines Steuerschalters, der mechanisch aktiviert wird, sobald der Aktor eine maximale Bewegung erreicht hat, um die Versorgung zu unterbrechen, und die Linie F bezieht sich auf die tatsächliche Versorgung des Formgedächtniselementes entsprechend dem Impuls der Linie B, die jedoch bei Eingriff des Sicherheitsschalters unterbrochen wird.

Ein weiteres Versorgungskriterium bezieht sich auf einen zeitlich unbestimmten Versorgungsimpuls, ohne zeitliche Festlegung jedoch mit einem Positionsrückmeldesignal. Diese Strategie ist im Fall von proportionalen Aktoren, die als elektrische bistabile Schalter fungieren, zu verwenden. Unter Bezugnahme auf diese Strategie zeigt 7 ein Diagramm, in dem die Linie, die sich auf die Aktorverschiebung bezieht, eine Linie E, die sich auf den Status eines Steuerschalters bezieht, und eine Linie F, die sich auf den elektrischen Versorgungsimpuls für den Draht bezieht, der beim Erreichen einer Symmetrie entsprechend dem Punkt C in dem Diagramm A gesteuert wird, dargestellt wird.

Der Versorgungsimpuls kann ebenfalls unterschiedlichen Typs sein. Um genau zu sein, kann es die folgenden Typen von Impulsen geben:

  • – konstante Spannung entsprechend der höchsten Batteriespannung;
  • – Spannung entsprechend einem Bruchteil der höchsten Batteriespannung (im Fall einer 42 V-Batterie oder der Verwendung mit Spannungen unter 12 V), die mit der PWM (Pulsweitenmodulation) mit konstantem Gleichstrom als Steuerung für das verwendete Leistungsgerät (MOS oder andere) erhalten wird;
  • – Einsatz von elektronischen HW-Filtern, um Spannungsspitzen bei der PWM zu verhindern (Serieninduktivität oder Parallelkapazität);
  • – Verwenden der PWM-Frequenz aus dem akustischen Band, um akustische Emissionen in Komfortaktoren zu vermeiden;
  • – variable Spannung der PWM-Gleichstrommodulation bei der Stellbewegung zur Steuerungsoptimierung, beispielsweise für eine unmittelbare Hochleistungs-Stellbewegung, um den Erwärmschritt zu beschleunigen, mit einer anschließenden Leistungsreduzierung, um in der Nähe der Steuerpunkte (im Falle der proportionalen Stellbewegung oder der zeitabhängigen Steuerung) abzubremsen;
  • – Stellbewegungs-Vorimpulse – entsprechend den zuvor eingestellten Punkten, um die Aktoren ohne mechanische Verschiebung zu erwärmen (beispielsweise zum Vorwärmen der Türaktoren von der Fernbedienung oder für das „Passive Entry" – schlüsselloses Fahrberechtigungssystem).

Bezüglich der Evaluierung von äußeren Umgebungsparametern zur optimalen Steuerung der Formgedächtniselemente können mehrere Parameter evaluiert werden:

  • – die Außentemperatur mit Sensoren an Bord des Kraftfahrzeuges und durch Lesen von Information von der Datenleitung,
  • – die Aktortemperatur durch Evaluieren der physikalischen Materialeigenschaften (Aktorimpedanz – ohmsche und nichtohmsche Komponenten),
  • – die geschätzte Aktortemperatur in Abhängigkeit von vorherigen Stellbewegungen – mehrere Stellbewegungen und tatsächliche Ruhezeiten,
  • – die Batteriespannung von äußeren Zentraleinheiten auf der Datenleitung oder von dem dedizierten elektronischen System.

Im Folgenden werden einige Beispiele von Versorgungsstrategien für einen Formgedächtnisaktor oder mehrere Formgedächtnisaktoren beschrieben, der beziehungsweise die zu dem System entsprechend der Erfindung gehört beziehungsweise gehören, und an Bord eines Kraftfahrzeugs installiert ist beziehungsweise sind.

Vorwärmen bei niedrigen Temperaturen

Vorwärmimpulse können durch eine PWM mit einem geeignet festgelegten Tastverhältnis bereitgestellt werden, um eine unzureichende Leistung für die Stellbewegung des angesteuerten Elementes bereitzustellen (beispielsweise für das Öffnen eines Türschlosses, das durch den Aktor gesteuert wird), jedoch derartig, um den Aktor für eine tatsächliche Stellbewegung in Vorgabezeiten auf geeignete Temperaturen zu bringen. Im Fall der Stellbewegung von „Passive Entry"-Türschlössern beispielsweise entriegelt das System die Schlösser, wenn der Benutzer sich dem Fahrzeug mit seiner/ihrer eigenen Fernbedienung nähert, wodurch die Schlösser ohne die Verwendung des Schlüssel geöffnet werden können. In diesem Fall kann der Aktor des elektrischen Türöffnungssystems vorgewärmt werden. Bei der Einstellung des Tastverhältnisses werden die Umgebungstemperatur und die Batteriespannung sowie die Leistungsmerkmale des bestimmten Aktors berücksichtigt. Alternativ dazu kann ein Positionsrückmeldesignal, das sich auf eine von der Ruheposition verschiedene Nicht-Stellbewegungsposition bezieht, verwendet werden, das das Unterbrechen des Vorwärmimpulses vor dem Erreichen der Stellbewegungsbedingung ermöglicht.

In dem spezifischen Fall des gleichzeitigen Öffnens von Türschlössern von außen entsprechend dem „Passive Entry"-Modus, wobei das System automatisch die Nähe der Fernbedienung des Benutzers detektiert, kann der Aktor mit zwei Positionsreferenzen bereitgestellt werden, wobei eine die tatsächlich Stellbewegung signalisiert und die andere einer Position entspricht, die einen gegebenen Prozentsatz in Bezug auf die endgültige Stellbewegungsposition repräsentiert. In aktuellen Systemen identifiziert die elektronische Zentraleinheit an Bord des Kraftfahrzeugs, wenn die durch den Benutzer getragene zu identifizierende Vorrichtung (ein Transponder) in die Nähe des Fahrzeugs gelangt, zuerst das Vorhandensein des Transponders und beginnt anschließend mit der Identifizierung des spezifischen Transponders, um zu prüfen, ob dies der autorisierte Benutzer ist. Sobald die Identifizierung durchgeführt ist, werden die Schlösser entriegelt. Mit Hilfe des Vorwärmsystems kann das Kraftfahrzeug mit dem Vorwärmen des Aktors beginnen, sobald es das Vorhandensein eines Transponders in seinem Funktionsbereich detektiert, so dass die Zeit zum Identifizieren und Dekodieren des spezifischen Transponders ebenfalls für das Vorwärmen des Aktors genutzt wird, und anschließend, falls erforderlich, die Stellbewegung sehr schnell ausführen. Im Gegensatz zu den aktuellen Systemen ermöglicht dieses Verfahren eine viel schnellere Öffnung, da das Vorwärmen der herkömmlichen Aktoren nicht erforderlich ist und das Beschleunigen der Stellbewegung nicht unterstützt, die jedoch mit Formgedächtnisaktoren durchgeführt wird. Es ist offensichtlich, dass bei dieser spezifischen Anwendung Formgedächtnisaktoren zum Steuern der Entriegelung von Türschlössern verwendet werden. Die Erfindung umfasst jedoch des Weiteren sämtliche Anwendungen, wobei die Verwendung der Formgedächtnisaktoren nicht für das Verriegeln oder Entriegeln von Schlössern oder nicht ausschließlich dafür vorgesehen ist, sondern für das Steuern des Öffnens des Schlosses bei entriegeltem Schloss (beispielsweise geeignet für die Hecktür oder die Motorhaube), anstatt das Schloss manuell durch das Wirken auf einen Betätigungshebel oder unter Verwendung einer Taste zu öffnen.

Modulation der Impulse mit festgelegter Dauer bei Änderung der Temperatur und der Batteriespannung

Der Aktor benötigt in Abhängigkeit von der Außentemperatur, der Aktortemperatur und der Batteriespannung (die durch den Joule-Effekt geänderte elektrische Leistung ist proportional zum Quadrat der Spannung (V2/R)) einen Erwärmschritt von variabler Dauer. In jedem Fall wird aus Gründen der Zuverlässigkeit beim Steuern der elektrischen Signale der Schalter, der den Versorgungsimpuls unterbricht, vorzugsweise mit Entprellungssystemen und Tiefpassfiltern gesteuert, um das Rauschen zu reduzieren; wodurch bewirkt wird, dass von dem tatsächlichen Erreichen der endgültigen Position bis zum Ende des elektrischen Impulses ein Zeitintervall von ungefähr 50 ms vergehen kann. Bei langen Stellbewegungen (>200–250 ms) oder bei einer niedrigen Außentemperatur wird der Aktor durch die zusätzliche Impulsdauer von 50 ms nicht beschädigt, obwohl dadurch eine Überhitzung bewirkt wird. Bei kurzen Stellbewegungen und bei einer hohen Temperatur (beispielsweise 12 V zum Steuern der Entriegelung eines Schlosses mit einer Bewegung von 4 mm und bei einer Umgebungstemperatur auf den Aktor von 60 °C) können die zusätzlichen 50 ms Impuls zusätzlichen 30 % Impuls entsprechen. In diesem Fall wird die Überhitzung konstant.

Aus diesen Gründen bewirkt die Verwendung eines konstanten Zeitimpulses ohne Positionsrückmeldung oder Rückmeldung über die erreichte Stellbewegung eine Impulsdauer, die weder bei niedrigen noch bei hohen Temperaturen geeignet sein kann. Die Verwendung einer Rückmeldung über die erreichte Stellbewegung ermöglicht, die Versorgung zu dem Aktor auszuschalten, sobald die Stellbewegungsfunktion beendet wurde.

Wenn die Stellbewegung durch einen Impuls ohne Positionsrückmeldung durchgeführt wird, ist dieser Impuls ein eindeutiger Dauerimpuls. Trotzdem muss es auch im Fall mit Positionsrückmeldung eine Höchstdauer geben, innerhalb welcher der Impuls aus Sicherheitsgründen unterbrochen werden sollte. In all diesen Fällen ist die Dauer des Stellbewegungsimpulses (maximaler Sicherheitszeitimpuls) als eine Funktion von Umgebungstemperatur, der tatsächlichen oder der vermeintlichen Aktortemperatur sowie der Batterieversorgungsspannung (wenn die Aktorversorgungsspannung nicht nach oben unabhängig von der Veränderlichkeit der Batteriespannung eingestellt wird) zu definieren. Die Modulation der Versorgungsimpulsdauer ermöglicht, dass sowohl der Aktor vor Schäden auf Grund von Überhitzung geschützt wird als auch die Bedingungen aufrecht erhalten werden, die für eine schnelle Abkühlung des Aktors bei der Formrückkehr mit einer anschließenden Funktionsaktualisierung in kurzen Zeiten erforderlich sind, das heißt, dass die Stellbewegung für die wiederholte Verwendung in kurzen Zeiten optimiert wird.

Schutz des Aktors im Fall von wiederholten Impulsen: Variabel eingestellte Ruhezeiten

Im Fall von wiederholten Impulsen kann sich der Aktor überhitzen, wenn die Ruhezeit zwischen den vorherigen Stellbewegungen nicht ausreichend für die Abkühlung ist.

Ein Verfahren zum Schutz des Aktors in Übereinstimmung mit der Erfindung im Fall von wiederholten Stellbewegungen besteht in dem Einfügen von eingestellten Ruhezeiten zwischen einer Stellbewegung und der darauf folgenden Stellbewegung. Zum weiteren Schutz kann die besagte Ruhezeit eine variable Dauer als eine Funktion der Temperatur des Formgedächtnismaterials in dem Aktor haben, die vor der Stellbewegung gemessen oder geschätzt wurde (in Abhängigkeit von vorherigen Stellbewegungen). Ein elektronisches Steuerverfahren kann eine Mindest-Abkühlungs-Ruhezeit zwischen einer Stellbewegung und der darauf folgenden Stellbewegung einstellen. Diese Ruhezeiten können für die ersten Stellbewegungen auf kaum wahrnehmbare Werte eingestellt werden, um die Funktionswahrnehmung während der normalen Verwendung des Aktors nicht zu gefährden, sie können jedoch eine erhöhte Dauer nach jedem Impuls haben, um ein besseres Abkühlen des Aktors zu ermöglichen.

Darüber hinaus kann jede Stellbewegung durch einen Ruhezeitwert und eine Steuerzeit gekennzeichnet sein: wobei ersterer die Mindestzeit zwischen einer Stellbewegung und der darauf folgenden Stellbewegung ist, und als die Zeit betrachtet wird, in der die zweite Stellbewegung nicht aktiviert wird (Unterdrückungs-Ruhezeit); und wobei zweitere die Mindest-Abkühlungszeit ist, über der die vorherige Stellbewegung die neuen Stellbewegungen nicht beeinflusst (Prüf-Zeit oder Ruhezeit). Sobald das Öffnen durchgeführt wird, werden ein Unterdrückungs-Ruhezeitimpuls sowie ein Prüf-Ruhezeitimpuls erzeugt. Während der Unterdrückungs-Ruhezeit werden weitere Stellbewegungsanforderungen ignoriert oder, falls erforderlich, bis zum Ende der Unterdrückungs-Ruhezeit aufgeschoben. Wenn eine Stellbewegungsanforderung während der Prüf-Ruhezeit jedoch nach der Unterdrückungs-Ruhezeit erfolgt, findet die Stellbewegung statt und die Werte der beiden Ruhezeiten erhöhen sich entsprechend den berechneten oder tabellierten Werten. Wenn keine Anforderung während der Prüf-Ruhezeit erfolgt, ändert sich die Dauer der beiden Ruhezeiten nicht, vorausgesetzt, dass sie bereits der zulässigen Mindest-Ruhezeit entsprechen, oder sie verringern sich entsprechend den berechneten und tabellierten Werten. Diese Steuerstrategie wird in der angehängten 8 dargestellt, wobei die Diagramme A, B, C die zeitliche Entwicklung der Stellbewegungen (A), der Unterdrückungs-Ruhezeiten (B) sowie der Prüf-Ruhezeiten (C) darstellen. Wie zu sehen ist, gibt es nach einer ersten Stellbewegung A, einer Reihe von wiederholten Stellbewegungen A1, A2, A3 ein Zeitintervall D, das der Unterdrückungs-Ruhezeit entspricht. Falls während des Zeitintervalls D eine neue Stellbewegungsanforderung erfolgen sollte, würde diese ignoriert werden. Aus diesem Grund entspricht das Zeitintervall D einer obligatorischen Abkühlungs-Ruhezeit. Nach dem Zeitintervall D gibt es ein weiteres Zeitintervall E, das der Prüf-Ruhezeit entspricht. Wenn während des Zeitintervalls E keine weitere Stellbewegungsanforderung erfolgt, verringern sich die Werte beider Ruhezeiten (Unterdrückungs-Ruhezeit und Prüf-Ruhezeit) auf einen niedrigeren Wert in einer Reihe von tabellierten Werten.

Durch diese Verringerung kann die Ruhezeit E jedoch nicht unter ein Mindestzeitintervall reduziert werden. So ist in Bezug auf 8 zu sehen, dass nach einer zweiten Stellbewegung A2, die nach dem Ablauf der Ruhezeiten D und E angefordert wurde, eine dritte Stellbewegungsanforderung A3 vorliegt, wenn die Prüf-Ruhezeit (Diagramm C) nach der Stellbewegung A2 noch nicht beendet ist. Dadurch wird die anschließende Verlängerung der Dauer sowohl der Unterdrückungs- als auch der Prüf-Ruhezeiten entsprechend einem Algorithmus oder einer vordefinierten Wertetabelle bewirkt.

Das System kann des Weiteren einen dritten Dauerwert umfassen, der länger ist als die anderen, und über dem die Dauer der Ruhezeiten dennoch an den Mindestwert angepasst wird, der in Folge des Nichtvorhandenseins von Stellbewegungen während der Gültigkeitsdauer des Wertes und ohne die Verwendung des in den Prüf-Ruhezeiten definierten Mechanismus zugelassen wurde, entsprechend dem die Zeiten sequenziell verringert werden.

Die statistische Berechnung der Stellbewegungen, die in dem kurzen Verlauf der Stellbewegung stattgefunden hat, kann darüber hinaus eine geeignete Modulation des Versorgungsimpulses bewirken (Verringerung der Impulsdauer und/oder Verringerung der Versorgungsspannung, um die thermischen Trägheiten zu reduzieren). Es besteht dennoch die Notwendigkeit einer Impulsmodulation, und zwar immer dann, wenn der Aktor warm ist. Dies ist der Fall, wenn die Außenumgebungstemperatur hoch ist oder wiederholt Stellbewegungen durchgeführt werden. Wenn die Umgebungstemperatur bekannt ist, kann die Aktortemperatur geschätzt werden, obwohl die Punkttemperatur allein nicht ausreichend ist.

Wenn das Kraftfahrzeug in der Sonne geparkt ist, steigt die Innentemperatur auf Grund der Sonnenstrahlen auf viel höhere Werte als die Außentemperatur an. In diesem Fall kann auch unter Berücksichtigung der Sonnenstrahlen die erreichte Temperatur geschätzt werden. Zu diesem Zweck können Sensoren des Typs, die derzeit für automatische Klimaanlagen genutzt werden, verwendet werden, um den Beitrag der Strahlungen sowie den Wärmeaustausch zwischen dem Kraftfahrzeug und der Umgebung rechtzeitig einzubeziehen.

Bezüglich der vorherigen Stellbewegungen des geprüften Aktors sollte ein Wärmeaustauschverhalten beachtet werden, das die Dauer der Impulse und der Abkühlungs-Ruhezeiten, die an den Aktor abgegebene elektrische Leistung sowie den Wärmeaustausch mit der Umgebung des Aktors berücksichtigt. Diese Informationen zusammen mit der bekannten Ausgangstemperatur ermöglichen das Schätzen der durch den Aktor erreichten Temperatur. In Abhängigkeit von dieser Temperatur kann das System immer längere Höchst-Abkühlungs-Ruhezeiten und immer kürzere Höchst-Aufwärmzeiten einstellen.

Die Temperatur des Aktors kann erhalten werden durch:

  • – direktes Detektieren der Temperatur mit einem geeigneten lokalen Sensor,
  • – direktes Detektieren der Temperatur durch Erfassen der Impedanzwerte der aktiven Position des Aktors vor der Stellbewegung,
  • – Überwachen der Aktorimpedanz während der Stellbewegung mit Hochimpedanz-Systemen oder dergleichen, die parallel zu dem Aktor angeordnet sind, oder durch den Wechsel von Erfassungen und Versorgungen unter Verwendung der durch PWM-Impulse gechopperten („zerhackten") Versorgung,
  • – Schätzen der Stellbewegungsdauer der zuletzt durchgeführten Stellbewegung zusammen mit der Ruhezeit. Diese Lösung wird bei der Stellbewegung mit Positionsrückmeldung angewandt. Wenn eine erste Stellbewegung stattfindet, wird die tatsächliche Stellbewegungsdauer detektiert. Diese Dauer ist zusammen mit der eingestellten Spannung
  • proportional zu der Ausgangstemperatur des Aktors und ermöglicht folglich eine Schätzung der lokalen Temperatur.

Wenn außerdem die anschließende Ruhezeit sowie das Wärmeaustauschverhalten mit der Umgebung berücksichtigt werden, kann die Ausgangstemperatur des Aktors geschätzt werden. Mit dieser Strategie ist jedoch keine Temperaturschätzung für die erste Stellbewegung nach langen Ruhezeiten mit einer Änderung der Umgebungsbedingungen möglich. Darüber hinaus erfordern die beiden letzten vorangehend aufgeführten Strategien die Verwendung eines Speichers, um das Hystereseverhalten des Materials zu berücksichtigen.

Die Informationen über das Erwärmen des lokalen Aktors können verwendet werden für:

  • – die Modulation der Dauer eines konstanten Versorgungsimpulses, beispielsweise zum Verringern der Impulsdauer, wenn die Temperatur hoch ist oder zum Verlängern, wenn die Temperatur niedrig ist;
  • – die Modulation der Dauer eines maximalen Versorgungsimpulses in Fällen einer Rückmeldung.

Optimierung der Stellbewegung durch Stromregelung

Wenn die Batteriespannung ausreichend ist, um die Modulation der Versorgungsspannung des Aktors (Stromregelung des Aktors), das heißt, für dünne Drähte, im Fall von langsamen Stellbewegungen oder einer hohen Spannung (12V oder 42V) zu ermöglichen, kann die Versorgungsspannung des Aktors moduliert werden, um ein optimiertes Erwärmen zu ermöglichen, wobei soviel wie möglich unnötiger Wärmeverlust entsprechend mehreren möglichen Strategien reduziert wird:

  • – mehr Strom bei niedrigen Temperaturen, um dadurch die Stellbewegung zu beschleunigen;
  • – weniger Strom bei höheren Temperaturen;
  • – variabler Strom zur schnellen Proportionalsteuerung (höherer Strom unmittelbar bei Stellbewegung, abgebremst bei Annäherung an die angeforderte Position, wobei eine kontinuierliche Positionssteuerung erforderlich ist);
  • – variabler Strom, um die Geschwindigkeit bei langsamen Stellbewegungen (Zeit > 1 Sekunde) konstant zu halten, wenn der Aktor auf Grund eines stärkeren Wärmeaustauschs mit der Umgebung umgehend mehr Energie und dann immer weniger Energie auf Grund der Umgebungserwärmung benötigt;
  • – niedriger Gleichstrom (unter dem Stellbewegungs-Schwellenwert) zum Vorwärmen;
  • – variabler Strom auf zwei Niveaus für gechopperte Stellbewegungen durch Halten der Position (mehr Strom zum Verschieben, weniger Strom zum Halten der Position).

Es ist offensichtlich, dass, obwohl die Grundidee der Erfindung dieselbe bleibt, sich die Konstruktionseinzelheiten und Ausführungsformen stark von dem unterscheiden können, was lediglich auf exemplarische Weise beschrieben und dargestellt wurde, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Steuern eines Formgedächtnisaktors (1) oder mehrerer Formgedächtnisaktoren, jeder wenigstens ein Formgedächtniselement enthaltend, das seine Form bei Änderung seiner Temperatur über einen Übergangswert hinaus ändern kann, wobei Mittel zum Speisen eines elektrischen Stroms durch das Formgedächtniselement von jedem Formgedächtnisaktor eingerichtet sind,

wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Detektieren von Umgebungsbedingungen von jedem Formgedächtnisaktor durch Überwachen oder Evaluieren eines Parameters oder mehrerer Parameter, der bzw. die gewählt wird bzw. werden aus: Umgebungstemperatur, Temperatur des Formgedächtniselements, elektrischer Versorgungsspannung, und

Steuern der Intensität und/oder der Dauer des elektrischen Stroms, mit dem jedes Formgedächtniselement versorgt wird, als eine Funktion von detektierten Umgebungsbedingungen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Formgedächtniselements

detektiert wird auf Basis der Impedanz des Formgedächtniselements, vor der Aktivierung davon,

oder

detektiert wird durch Überwachen der Aktorimpedanz, während der Stellbewegung,

oder

geschätzt wird auf Basis des Wärmeaustauschverhaltens, einschließlich der Dauer von Stellbewegungsimpulsen und von Abkühlungs-Ruhezeiten und

der an den Aktor abgegebenen elektrischen Leistung

und der Ausgangstemperatur des Aktors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf Basis der detektierten Umgebungsbedingungen eine Funktion oder mehrere der folgenden Funktionen aktiviert wird bzw. werden: Änderung der Dauer eines Versorgungsimpulses für das Formgedächtniselement, Vorwärmen des Formgedächtniselements, Änderung der Versorgungsspannung, Einstellen von Abkühlungs-Ruhezeiten, in denen die Aktivierung des Formgedächtniselements unterdrückt ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Vorwärmimpulse für das Formgedächtniselement bereitgestellt werden, mit einer unzureichender Leistung zum Bewirken der Aktivierung desselben, jedoch derartig, um das Formgedächtniselement auf Temperaturen zu bringen, die für eine anschließende Aktivierung in einer relativ kurzen Zeit geeignet sind. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreichen der Stellkonfiguration durch das Formgedächtniselement detektiert wird und die Versorgung unterbrochen wird, sobald diese Konfiguration detektiert ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höchstdauer eingestellt wird, nach der der Versorgungsimpuls zu dem Formgedächtniselement unterbrochen wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höchstdauer als eine Funktion von Umgebungsparametern, einschließlich sowohl der Umgebungstemperatur und tatsächlicher oder vermeintlicher Aktortemperatur als auch, falls erforderlich, der Batterieversorgungsspannung, eingerichtet ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Stellbewegung eine Abkühlungs-Ruhezeit (D) eingestellt wird, während der die Versorgung des Formgedächtniselements unterdrückt ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Unterdrückungs-Ruhezeit (D) eine weitere Prüf-Ruhezeit (E) eingestellt wird, in der die Versorgung für das Formgedächtniselement möglich ist, wobei die Prüf-Ruhezeit (E) dann bis auf einen zulässigen Mindestwert reduziert wird, wenn keine Anforderung zur Aktivierung des Formgedächtniselements während dieser Zeit stattfindet, und sich wieder erhöht, wenn Anforderungen erfolgen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsstrom für das Formgedächtniselement entsprechend einer der folgenden Strategien moduliert wird:

– mehr Strom bei niedrigen Temperaturen, um dadurch die Stellbewegung zu beschleunigen, und weniger Strom bei höheren Temperaturen,

– höherer Strom unmittelbar bei Stellbewegung, abgebremst bei Annäherung an die angeforderte Position, für eine kontinuierliche Positionssteuerung,

– variabler Strom, um die Geschwindigkeit bei langsamen Stellbewegungen (Zeit > 1 Sekunde) konstant zu halten, sofortiges Bereitstellen von höherem Strom, wenn ein stärkerer Wärmeaustausch mit der Umgebung erforderlich ist, und dann von immer weniger Strom auf Grund der Umgebungserwärmung,

– niedriger Strom, unter dem Stellbewegungs-Schwellenwert, zum Vorwärmen,

– mehr Strom zum Verschieben, weniger Strom zum Halten der Position.
System zum Steuern eines Formgedächtnisaktors (1) oder mehrerer Formgedächtnisaktoren, jeder wenigstens ein Formgedächtniselement enthaltend, das seine Form bei Änderung seiner Temperatur über einen Übergangswert hinaus ändern kann, wobei Mittel zum Speisen eines elektrischen Stroms durch das Formgedächtniselement von jedem Formgedächtnisaktor eingerichtet sind,

wobei das System umfasst:

Einrichtungen zum Detektieren von Umgebungsbedingungen von jedem Formgedächtnisaktor durch Überwachen eines Parameters oder mehrerer Parameter, der bzw. die die gewählt wird bzw. werden aus: Umgebungstemperatur, Temperatur des Formgedächtniselements, elektrische Versorgungsspannung, vorherige Stellbewegungen oder Stellbewegungsanforderungen, und

Einrichtungen zum Steuern der Intensität und/oder der Dauer des elektrischen Stroms, mit dem jedes Formgedächtniselement versorgt wird, als eine Funktion von detektierten Umgebungsbedingungen,

dadurch gekennzeichnet, dass das System des Weiteren umfasst: Einrichtungen zum Detektieren oder Evaluieren der Temperatur des Formgedächtniselements entweder auf Basis der Impedanz des Formgedächtniselements, vor der Aktivierung davon, oder auf Basis des Überwachens der Aktorimpedanz, während Stellbewegung davon, oder auf der Basis des

Wärmeaustauschverhaltens, einschließlich der Dauer von Stellbewegungsimpulsen und von Abkühlungs-Ruhezeiten, und

der an den Aktor abgegebenen elektrischen Leistung

und der Ausgangstemperatur des Aktors.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es elektronische Steuereinrichtungen umfasst, die zum Empfangen von Signalen (4), die sich auf die Umgebungsbedingungen beziehen, und zum Steuern der Formgedächtniselemente von einem Formgedächtnisaktor oder mehreren Formgedächtnisaktoren, der bzw. die zu dem System gehört bzw. gehören, programmiert sind. Kraftfahrzeug, eine Vielzahl von beweglichen Betätigungselementen, wie zum Beispiel Türschlösser, Versorgungselemente in einer Klimaanlageneinheit und einstellbare bewegliche Elemente, wie zum Beispiel Rückspiegel, umfassend, wobei das Kraftfahrzeug des Weiteren eine Vielzahl von Formgedächtnisaktoren zum Wirken auf die beweglichen Betätigungselemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug mit einem System nach Anspruch 10 ausgerüstet ist. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Formgedächtnisaktoren die Entriegelung eines Türschlosses des Kraftfahrzeugs aktivieren kann, indem das Kraftfahrzeug mit Einrichtungen zum Identifizieren eines Elements, das zum Öffnen der Tür autorisiert ist und das durch einen Benutzer getragen wird, um die Türentriegelung zu aktivieren, ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem, mit dem das Kraftfahrzeug ausgerüstet ist, das Formgedächtniselement des Formgedächtnisaktors mit einem elektrischen Strom mit einer unzureichenden Leistung, um seine Aktivierung zu bewirken, versorgt, um das Formgedächtniselement vorzuwärmen, sobald die Nähe des Elements, das zum Öffnen autorisiert ist, detektiert ist, um ein schnelles Eingriff des Formgedächtnisaktors zu ermöglichen, wenn dieser anschließend angesteuert wird. Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem die zuvor erwähnte Vorwärmfunktion nur dann aktiviert, wenn eine Umgebungstemperatur unter einem gegebenen Schwellenwert detektiert ist.






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