一种带驱动级短路保护的发动机电控点火系统的制作方法

1.本发明涉及一种发动机电控点火系统领域，具体涉及一种带驱动级短路保护的发动机电控点火系统。


背景技术：

2.汽车发动机技术不断发展，到现在火花点燃式发动机因其高的性价比，成为主流的乘用车发动机。如图2所示，传统电控火花点火系统由电子控制器(ecu)、点火驱动级、点线圈和火花塞组成。ecu根据发动机的运行状态，控制点火驱动级对点线圈充电，在适合的时刻断开充电，点火线圈次级产生高压击穿火花塞，点燃发动机气缸内的油气混合气，混合气燃烧做功推动活塞运动，从而发动机输出动能。
3.常用的点火驱动级为点火igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极性晶体管)。点火igbt性价比高，是点火驱动级的首选。然而点火igbt不带短路保护。在汽车中，对电池短路、对地短路是一种常见的故障，国际标准iso 16750中定义了短路保护的要求。
4.如图2所示，在实际发动机应用中，从ecu输出脚a到点线圈输入脚b的导线通常有2-3米，取决于ecu的安装位置。导线a-b发生对电池短路时，将会产生非常大的电流，若igbt无保护，短路电流将会烧坏igbt。
5.所以，需要对点火igbt电路提供保护设计，从而保护点火系统，使发动机正常运行。
6.点火系统工作过程。在需要对发动机气缸中的油气混合气点火前一定义的时间点开始，微控制器(mcu)控制驱动级igbt导通，从而对点火线圈初级充电储能，在需要点火的时刻，mcu控制断开igbt，点火线圈电感特性，电流的突变产生尖峰电压，在点火线圈次极感应出上万伏高压，击穿火花塞电极，形成放电通道，存储在点火线圈中的能量通过火花塞释放，在火花塞电极处形成电火花，点燃油气混合气。
7.正常点火充电在几毫秒时间，充电电流从0按近指数与线性之间的曲线增大到几安培，通常在10安培内。
8.而发生对电流短路时，流过igbt的电流从0按接近阶跃曲线增大到几十安培甚至上百安掊。其破坏作用非常明显。其电流特征之一是电流增大速度非常快，增长时间非常短。与正常点火充电过程有明显的区别。
9.对于这种短路故障，有通过硬件比较器电路来检测充电电流变化时间来判断是否短路，这种方法可以在一定范围内实现短路认识和保护。其不足的是，因为是硬件电路，其比较电流阀值固定，电流达到比较电流阀值的时间也是固定的，而实际应用中，不同的点线圈，不同的电压，不同的温度，其充电电流增加的速度和时间都可能不同。以上情况限制了硬件比较器电路方法的应用范围。
10.为了解决上述问题，我们做出了一系列改进。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于，提供一种带驱动级短路保护的发动机电控点火系统，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。
12.一种带驱动级短路保护的发动机电控点火系统，包括：电子控制器、点火线圈和火花塞，所述电子控制器与电池和点火线圈连接，所述点火线圈与电池和火花塞连接；
13.其中，所述电子控制器包括：点火igbt驱动级、微控制器和电流检测电路，所述微控制器与点火igbt驱动级和电流检测电路连接，所述电流检测电路通过点火igbt驱动级与点火线圈连接。
14.本发明的有益效果：
15.本发明与传统技术相比，利用硬件的快速检测特性和系统参数设定的灵活性，使得点火保护可靠，适应性强。此外，还可通过系统进行数据下载，自适应点火系统不同的工作环境。
附图说明：
16.图1为本发明的系统结构示意图。
17.图2为传统的系统结构示意图。
18.图3为故障诊断的流程图
19.图4为正常充电电流特性曲线示意图。
20.图5为一种对电源短路电流特性曲线示意图。
21.图6为另一种对电源短路电流特性曲线示意图。
22.图7为开路/对地短路电流特性曲线示意图。
23.图8为点火充电时间不重叠检测窗口示意图。
24.图9为点火充电时间重叠检测窗口示意图。
25.附图标记：
26.电子控制器100、微控制器110、电流检测电路120和点火igbt驱动级130。
27.点火线圈200和火花塞300。
28.电池1。
具体实施方式
29.以下结合具体实施例，对本发明作进步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
30.实施例1
31.图1为本发明的系统结构示意图。图2为传统的系统结构示意图。图3为故障诊断的流程图图4为正常充电电流特性曲线示意图。图5为一种对电源短路电流特性曲线示意图。图6为另一种对电源短路电流特性曲线示意图。图7为开路/对地短路电流特性曲线示意图。图8为点火充电时间不重叠检测窗口示意图。图9为点火充电时间重叠检测窗口示意图。
32.如图1所示，一种带驱动级短路保护的发动机电控点火系统，包括：电子控制器100、点火线圈200和火花塞300，所述电子控制器100与电池1和点火线圈200连接，所述点火线圈200与电池1和火花塞300连接。
33.其中，所述电子控制器100包括：点火igbt驱动级110、微控制器120和电流检测电路130，所述微控制器120与点火igbt驱动级110和电流检测电路130连接，所述电流检测电路130通过点火igbt驱动级110与点火线圈200连接。
34.本发明的原理：微控制器120在t0时刻发出高电平控制信号，控制点火igbt驱动级110导通，通过电池1对点火线圈200初级充电储能。如图4所示，正常充电电流按近指数与线性之间的曲线增大到几安培，通常不大于10安培。充电电流斜率k11、k12比较小。如图5和6所示，发生短路时，充电电流几乎垂直增大到非常大的电流值，电流斜率k2或k3远大于正常情况下的充电电流斜率k11、k12。
35.如图5所示，短路1，是指电子控制器100的点火输出a-b段处于对电池短路状态，微控制器120控制点火igbt驱动级110导通，电流i快速增大，电流斜率k2非常大，到达最大电流后，经过几次振荡后保持大电流，直到微控制器120控制点火igbt驱动级110关断，电流下降到0。
36.如图6所示，短路2，是指微控制器120控制点火igbt驱动级110导通后，电子控制器100点火输出a-b段短路到电池，电流立即快速增大，电流斜率k3非常大，到达最大电流后，经过几次振荡后保持大电流，直到微控制器120控制点火igbt驱动级110关断，电流下降到0。随后的控制过程中，若仍然短路到电池，则为短路1的情形。
37.若点火igbt驱动级110处于关断状态，微控制器120的点火输出a-b段短路到电池，因为电流为0，此时没有影响。在随后的点火igbt驱动级110导通，若仍处于短路到电池状态，则为短路1的情形。
38.对于微控制器120的点火输出短路到电池的特征是短路电流斜率远大于正常情形下的充电电流斜率，有明显的区分。
39.本发明应用点火充电电流斜率特征来识别短路到电池故障，识别到对电池短路故障后，立刻关断点火igbt驱动级110，电流下降到0，从而保护点火igbt驱动级110及点火充电回路。因为在电池短路故障下，损害点火系统的是从短路点经过点火igbt驱动级110到地的回路，保护了这段回路，也就保护点火系统。
40.电子控制器100在微控制器120控制点火igbt驱动级110导通期间实时测量流过点火igbt驱动级110的电流i，并计算电流斜率k，若k大于一定的对电池短路阀值kthscb，则识别为点火输出对电池短路，立刻关断点火igbt驱动级110，以保护点火系统。
41.不同的点火线圈，不同的温度，不同的电池电压，不同的短路点，对应的短路电流可能会有差别。同样，正常充电时，对于不同的点线圈，不同的温度，不同的电池电压，正常充电电流也会有差别。即使有这样的差别，对于同一个点火充电回路，在对电池短路也正常充电情形下，电流斜率有可区分的差别。通过计算电流斜率k，对电池短路斜率阀值kthscb通过系统设定，不需要变更电子控制器100，而系统参数的设定在发动机标定中是常规方法，不需要额外的设计。
42.特别地，对于应用的点线圈，可在实验室测量得出不同温度下、不同电池电压下的对电池短路斜率阀值序列，作为初始值设定到系统数据中。考虑到点线圈个体的差异，对电池短路阀值kthscb在线自学习。因为电子控制器100在发动机控制器已经测量了发动机水温、电池电压，同时，如果发动机点火正常，电子控制器100也是能判断的。在相邻时间，温度变化小，可以在一定范围内测量并计算正常点火充电电流斜率，在此基础上加上一个增量
作为对电池短路的斜率阀值kthscb，在发动机可能的运行温度和电池电压范围内，通过自学习获得一系列的温度－电压－对电池短路电流斜率阀值，更新系统中的数据，作为短路判断的参数。因为每一台发动机、电子控制器100和点火线圈200的配置是确定和固定的，所以，通过在线自学习的方法，不但解决了点火线圈200个体的差异，还解决了温度、电池电压对阀值的影响，从而可以正确识别出对电池短路故障。
43.如图7所示，电子控制器100点火输出开路、对地短路故障的识别。若电子控制器100点火输出开路或对地短路，不能对点火线圈200充电，也就不能点燃发动机气缸中的油气混合气。在这种故障下，电流特征与对电池短路正好相反，电子控制器100点火输出开路或对地短路，流过点火igbt驱动级110的电流为0，相应的电流斜率kop也为0，明显小于正常充电的电流斜率k11和k12。可以设定一比较小的值作为电子控制器100点火输出开路或对地短路电流斜率阀值kthop。若测量计算到的电流斜率k小于kthop，则判断为电子控制器100点火输出开路或对地短路故障。
44.识别到电子控制器100点火输出对电池短路，或开路/对地短路故障后，电子控制器100可以按一定的策略如断油、断火来保护点火系统。
45.如图3所示，本发明的流程为：在电子控制器100中有一电流检测电路130，电流检测电路130连接到微控制器120，快速采集流过点火充电回路的电流。
46.离线测量对电池短路阀值系列kthscb，开路/对地短路阀值系列kthop，设定到电子控制器100系统中，作为初始阀值。
47.在每一个点火充电时间窗口内，微控制器120实时快速采集流过点火充电回路的电流，计算电流斜率k，并与对电池短路阀值kthscb比较，若k》kthscb，则判断为点火输出对电池短路，立刻关断点火igbt驱动级110，即控制信号切换为低电平。若检测到连续对电池短路充电周期达到定义的次数，则确认对电池短路故障，电子控制器100按一定的策略断油、断火，并存储、记录故障和相关的运行数据。
48.在点火充电时间结束时比较充电电流斜率k与开路/对地短路斜率阀值kthop，若k《kthop，则判断为点火输出开路或对地短路。若检测到连续开路/对地短路达到定义的次数，则确认电子控制器100点火输出开路/对地短路故障，电子控制器100按一定的策略断油、断火，并存储、记录故障和相关的运行数据。对电池短路和开路/对地短路不会同时出现，所以，如果有对电池短路，立刻关断了点火igbt驱动级110，在本次充电周期就不用作开路/对地短路判断了。
49.因为斜率阀值为与温度和电池电压相关的一系列值，比较时按就近原则选取实际运行时的温度、电池电压对应的斜率阀值kthscb、kthop。
50.对电池短路阀值系列kthscb的在线自学习。在每一个点火充电周期，结合发动机点火燃烧状况，也可判断出点火充电正常与否，因为如果点火充电不正常，发动机燃烧将会出现异常。在正常点火充电周期，取充电电流斜率最大值再加一定余量，作为当前温度、当前电池电压下的对电池短路电流斜率阀值，更新电子控制器100系统中的阀值kthscb数据。
51.对于常见的发动机，如四缸或三缸发动机，从成本角度考虑，通常几个点火充电回路电流检测共用一套检测电路。
52.如图8所示，各缸点火充电时间不存在重叠时，各缸的点火充电期为对电池短路检测窗口，点火结束时刻为开路/对地短路判断时间点。
53.如图9所示，在点火时序上相邻缸可能存在充电时间重叠，若无对电池短路，电流斜率仍然不会大于对电池短路阀值，在连续的点火对电池短路检测窗口，不会出现误判，若有对电池短路发生，则在连续的对电池短路检测窗口内必定会出现充电电流斜率远大于阀值，可正常识别出来。而开路/对地短路，则不能识别，考虑到开路/对地短路不会造成点火系统的损坏，此种情形不能对开路/对地短路判断，影响不大。
54.以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。