一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，特别涉及一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法。
背景技术
现代汽车发动机点火系统主要包括：电池、电子控制器(ECU)、驱动级开关、点火线圈以及火花塞。通过ECU采集安装在发动机和车辆上不同部位的传感器信号，根据发动机的运行工况，选择适合的点火能量在最佳的时刻进行发动机点火。点火工作原理为：通过ECU中的微控制单元(MCU)输出控制信号，驱动驱动级开关，使得电池对点火线圈充电，充电完毕，关闭点火驱动级开关从而实现点火。点火方式包括两种：外驱点火和内驱点火，前者驱动级开关集成在点火线圈中，后者驱动级开关集成在ECU中。随着点火能量需求的不断提高，基于温度和能量分配的考虑，内驱点火方式的应用越来越广泛。
随着发动机油耗和排放要求的不断提高，控制效果更好的一个线圈控制一个气缸点火基本取代了一个线圈控制两个气缸点火。
如图1所示，为当前常见的一种内驱点火系统。在图1所示的内驱点火系统中，点火线圈3初级一端连接车辆电池2正极，另一端连接驱动级开关12，点火线圈3次级输出端接火花塞4中心电极，火花塞4接地电极通过安装于发动机缸盖接地。ECU点火驱动控制由MCU11、预驱动电路15和驱动级开关12构成。ECU根据发动机和车辆传感器信号获得发动机运转状态和控制状态的参数，MCU11基于这些参数计算并输出对应的点火信号，MCU11输出的高电平信号，经过预驱电路驱动15驱动级开关12，开关打开期间，使得点火线圈3初级通电，电池2对点火线圈3充电，能量储存在点火线圈3中，在恰当的时刻，MCU输出低电平，关断驱动级开关12，点火线圈3初级立即关断，充电电流的突然关断在初级线圈3产生几百伏高压，通过磁耦合到次级产生几万伏高压，次级的几万伏高压击穿火花塞气隙中的空气与燃油的混合气，形成放电通道，储存在点火线圈的能量通过此放电通道持续放电，在火花塞气隙处形成放电火花，点燃混合气，从而使空气与燃油的混合气燃烧，实现发动机的点火功能。
内驱点火系统的另一种常见结构如图2所示，与图1类似，主要差别在于点火线圈3次级下端连接到电池2正极，通过电池2连接到地，形成次级的放电回路。
ECU中的MCU根据发动机工况计算出需要的点火控制参数，其中控制驱动级开关的开通以对点火线圈初级供电的时间称为点火充电时间。点火充电时间的设置要使得点火线圈初级在充电结束时电流达到额定电流值，以储存期望的能量，来满足点燃气缸内空气燃油混合气的需要。这种点火系统的点火充电时间只能根据发动机零部件特性预定义一组充电时间参数，如表1所示。
表1
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法，以解决现有点火线圈充电时间不够精准的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种控制系统，用于控制点火线圈充电，其特征在于，所述控制系统包括：依次相连形成一控制回路的微控制单元、驱动级开关、检测电阻以及比较单元；
所述比较单元用于比较所述检测电阻两端的电压与一参考电压的大小，并根据比较结果输出表征点火线圈充电电流水平的信号给所述微控制单元；
所述微控制单元用于发送初始点火控制信号控制所述驱动级开关的开合使点火线圈充电从而产生充电电流，以及用于处理所述比较单元输出的不同的信号以得到各所述信号持续时间，且，根据各所述信号持续时间对点火线圈充电时间进行调整得到标准点火控制信号后，所述微控制单元发送所述标准点火控制信号控制点火线圈的充电时间。
可选地，在所述的控制系统中，所述比较单元包括比较器和电阻分压器；所述电阻分压器用于设置所述参考电压，所述比较器用于比较所述检测电阻两端的电压与所述参压电压的大小。
可选地，在所述的控制系统中，所述参考电压对应点火线圈初级额定电流。
可选地，在所述的控制系统中，所述表征点火线圈充电电流水平的信号包括：第一电平信号和第二电平信号；当所述检测电阻两端的电压小于或等于所述参考电压时，所述比较单元输出第一电平信号；当所述检测电阻两端的电压大于所述参考电压时，所述比较单元输出第二电平信号。
可选地，在所述的控制系统中，所述控制系统还包括差分运算放大器，所述差分运算放大器输入端与所述检测电阻相连，所述差分运算放大器输出端与所述比较单元相连，用于放大所述检测电阻两端的电压并将放大的电压输出给所述比较单元。
可选地，在所述的控制系统中，所述控制系统还包括一预驱电路，所述预驱电路输入端与所述微控制单元相连，所述预驱电路的输出端与所述驱动级开关相连，用于放大所述微控制单元的控制信号。
可选地，在所述的控制系统中，所述控制回路的个数为n个，n个所述控制回路包括n个所述驱动级开关，n个所述控制回路共用一所述微控制单元，n为自然数；所述检测电阻和所述比较单元的个数相等，一所述检测电阻和一所述比较单元组成一检测电路。
可选地，在所述的控制系统中，n大于或等于2，n个所述驱动级开关呈并行连接；
所述检测电路个数均为1，n个所述驱动级开关均与所述检测电路相连；或，
所述检测电路的个数为n且与所述驱动级开关的个数相等，各所述驱动级开关和各所述检测电路一一对应；或，
所述检测电路的个数为m，m为大于或等于2且小于n的自然数，n个并行连接的所述驱动级开关分成m组，各分组中所述驱动级开关和各所述检测电路一一对应。
可选地，在所述的控制系统中，其特征在于，同一分组中的各所述驱动级开关所连接的点火线圈在点火控制时序上互不相邻。
可选地，在所述的控制系统中，所述驱动级开关为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。
一种点火系统，其特征在于，所述点火系统包括：电池、点火线圈、火花塞以及一如权利要求1～10中任一项所述的控制系统；
所述电池用于给所述点火线圈提供充电电流用以击穿所述火花塞从而对发动机实现点火；
所述点火线圈以及所述火花塞的个数均与所述控制系统的驱动级开关的个数相同，所述控制系统控制所述点火线圈的充电时间。
可选地，在所述的点火系统中，所述控制系统中的微控制单元、驱动级开关、检测电阻以及比较单元依次相连形成的控制回路通过所述驱动级开关或者所述检测电阻与所述点火线圈初级相连。
可选地，在所述的点火系统中，所述点火线圈初级位于所述控制系统中的所述检测电阻以及所述驱动级开关之间，所述检测电阻与所述控制系统中的所述比较单元的相连端还与所述电池相连。
一种运用如权利要求1～10中任一项所述的控制系统的点火充电控制方法，其特征在于，所述点火充电控制方法包括：
根据点火控制参数发送初始点火控制信号，同时触发所述控制系统中的比较单元；
对所述比较单元输出的电平信号进行处理，得到第二电平信号持续时间Th；
根据第二电平持续时间Th对点火线圈点火充电时间Td进行调整，直到0<Th<Ta，Ta为允许值；
将对Td进行调整得到的标准充电时间Tdr更新到点火控制参数中，根据更新后的点火控制参数发送标准点火控制信号来控制点火线圈下一次的充电时间。
可选地，在所述的点火充电控制方法中，对Td进行调整包括：
若Th＝0，按一定的时间长度增大Td，点火充电时间改为Td+Ts1，直至0<Th<Ta；
若0<Th≤Ta，不需要调整Td；
若Th>Ta，按一定的时间长度减小Td，点火充电时间改为Td-Ts2,直至0<Th<Ta。
可选地，在所述的点火充电控制方法中，所述点火控制参数根据发动机工况计算得出。
如上所述，传统点火系统的点火充电时间只能根据发动机零部件特性预定义一组充电时间参数，这种预先设定充电时间参数的方式，覆盖了以发动机转速和电池电压为参数的工况。然而，由于电池电压检测相对于其变化的滞后，这种滞后时间通常远大于几毫秒的点火充电时间，导致实际工况需要的充电时间与从存储的表中查表得到的充电时间时有大的差异，其后果是要么实际充电时间过短，充电电流过小点火能量不足，要么实际充电时间过长，充电电流过大损坏驱动级开关或点火线圈。此外，由于点火系统中零部件的公差，即使是相同的充电时间，对不同的公差的零件相应的充电电流也可能或小或大，带来前面提到的类似问题。
而在本发明提供一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法中，所述点火系统包括所述控制系统、电池、点火线圈以及火花塞，所述控制系统包括：微控制单元、驱动级开关、检测电阻以及比较单元，所述比较单元通过比较所述检测电阻两端的电压和参考电压的大小输出表征充电电流水平的信号给所述微控制单元，所述微控制单元对所述信号进行处理来调整点火线圈的充电时间使得点火线圈充电时间更为精准，从而避免实际充电时间过长或过短。
附图说明
图1是现有的一种内驱点火系统的电路结构示意图；
图2是现有的另一种内驱点火系统的电路结构示意图；
图3是本发明实施例一的点火系统的电路结构示意图；
图4是本发明实施例提供的点火充电控制方法的流程示意图；
图5是本发明实施例二的点火系统的电路结构示意图；
图6是本发明实施例三的点火系统的电路结构示意图；
图7是本发明实施例四的点火系统的电路结构示意图；
图8是本发明实施例五的点火系统的电路结构示意图；
图9是本发明实施例五的点火系统针对某一工况发出的点火控制信号和比较器输出的电平信号的特征示意图；
图10是本发明实施例五的点火系统针对另一工况发出的点火控制信号和比较器输出的电平信号的特征示意图；
图11是本发明实施例六的点火系统的电路结构示意图；
图12是本发明实施例六的点火系统针对某一工况发出的点火控制信号和各比较器输出的电平信号的特征示意图；
其中，各附图的附图标记说明如下：
1-控制系统，2-电池，3-点火线圈，4-火花塞，11-微控制单元，12-驱动级开关，13-检测电阻，14-比较单元，15-预驱电路，16-差分运算放大器，141-比较器，142-电阻分压器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种控制系统、一种点火系统以及一种点火充电控制方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
需要强调的是，为了简单化处理，本发明实施例各图示中的点火线圈次级下端均采用图1中所示方式接地，而事实上，各实施例中所提出的控制系统、点火系统以及点火充电控制方法同样适用于图2所示点火线圈次级下端连接电池通过电池接地的情况。因此，不论点火线圈次级下端通过何种方式接地，均在本发明保护范围之内。
【实施例一】
请参考图3，本发明实施例提供一种控制系统1，用于控制点火线圈充电，所述控制系统1包括：依次相连形成一控制回路的微控制单元11、驱动级开关12、检测电阻13以及比较单元14。可选地，所述控制回路的个数为n个，n个所述控制回路包括n个所述驱动级开关12，n个所述控制回路共用一所述微控制单元11，n为自然数，例如n可为1、2、4、6或8等，本发明实施例针对n等于1的情况来进行阐述；所述检测电阻13和所述比较单元14的个数相等且均为1，一所述检测电阻13和一所述比较单元14组成一检测电路。
所述比较单元14用于比较所述检测电阻13两端的电压与一参考电压Vref的大小，并根据比较结果输出表征点火线圈充电电流水平的信号给所述微控制单元11。具体地，所述比较单元14包括比较器141和电阻分压器142；所述电阻分压器142根据不同点火线圈的不同额定电流通过将两个电阻进行串联来设置所述参考电压Vref，具有充分的灵活性；所述比较器141用于比较所述检测电阻13两端的电压与所述参考电压Vref的大小。其中，所述额定电流为保证点火线圈得以实现点火的电流。
所述微控制单元11用于发送初始点火控制信号控制所述驱动级开关12的开合使点火线圈充电从而产生充电电流，以及用于处理所述比较单元输出的不同的信号以得到各所述信号持续时间，且，根据各所述信号持续时间对点火线圈充电时间进行调整得到标准点火控制信号后，所述微控制单元11发送所述标准点火控制信号控制点火线圈的充电时间。具体地，所述表征点火线圈充电电流水平的信号包括：第一电平信号和第二电平信号；当所述检测电阻13两端的电压小于或等于所述参考电压Vref时，所述比较单元14输出第一电平信号；当所述检测电阻13两端的电压大于所述参考电压Vref时，所述比较单元14输出第二电平信号。可选地，所述驱动级开关12为功率晶体管、绝缘栅功率晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)或金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。实际工程应用中，功率晶体管的使用效果最好，但出于成本控制以及使用效果的综合考虑，IGBT的应用更为广泛，因此本发明实施例以及其它各实施例中均以IGBT来做出图示。
另外，所述控制系统1还包括一预驱电路15，所述预驱电路15输入端与所述微控制单元11相连，所述预驱电路15的输出端与所述驱动级开关12相连，用于放大所述微控制单元11的控制信号。
本发明实施例优选所述控制系统1还包括差分运算放大器16，所述差分运算放大器15输入端与所述检测电阻13相连，所述差分运算放大器15输出端与所述比较单元14相连，用于放大所述检测电阻13两端的电压并将放大的电压输出给所述比较单元14。所述差分运算放大器15的放大功能使得所述检测电阻13可以选择比较小的阻值，以降低所述检测电阻13对点火电路的充电功能的影响。
请再次参考图3，本发明实施例还提供一种点火系统，所述点火系统包括：电池2、点火线圈3、火花塞4以及一如以上所述的控制系统1。所述电池2用于给所述点火线圈3提供充电电流用以击穿所述火花塞4从而对发动机实现点火；所述点火线圈3以及所述火花塞4的个数均与所述控制系统1的驱动级开关12的个数相同，所述控制系统1控制所述点火线圈3的充电时间。
在本发明实施例提供的点火系统中，所述控制系统1通过所述驱动级开关12与所述点火线圈3初级相连。具体地，所述驱动级开关12IGBT的栅极与所述预驱电路15相连，发射极与所述检测电阻13一端相连，集电极与所述点火线圈13初级一端相连，所述检测电阻13的另一端接地，所述点火线圈13的另一端与所述电池2相连。
对于本发明实施例提供的点火系统而言，点火线圈控制信号、额定电流与达到额定电流的时间存在一定的关系。如图4所示，控制信号1、控制信号2和控制信号3分别对应点火线圈初级的充电电流低于额定电流、约等于额定电流和远大于额定电流，相应的，比较器141会有三种信号输出情形：输出1，输出2和输出3，输出1始终保持第一电平；输出2先保持第一电平，保持T1时间后，在点火线圈初级达到额定电流值时刻，输出的信号由第一电平变为第二电平，随着控制信号2的结束，比较器141的输出信号由第二电平变为第一电平，从而形成一个短时脉冲，脉冲宽度为Th2；输出3在第一电平保持T1时间后变为第二电平，随着控制信号3的结束，再变为第一电平，其中第二电平持续时间Th3较长。若比较器输出信号始终保持第一电平，则无法使得发动机实现点火，要想实现点火，比较器的输出信号必须包括第二电平信号，而第二电平信号的持续时长Th应小于允许值Ta。
有鉴于此，本发明实施例还提供一种点火充电控制方法，根据输出的第二电平信号的持续时长Th来对点火充电时间Td做出调整，如图5所示，所述点火充电控制方法包括：
步骤S01:根据点火控制参数发送初始点火控制信号，同时触发所述控制系统1中的比较单元14，其中，所述点火控制参数根据发动机工况计算得出。
步骤S02:对所述比较单元14输出的电平信号进行处理，得到第二电平信号持续时间Th。
步骤S03:根据第二电平持续时间Th对点火线圈点火充电时间Td进行调整，直到0<Th<Ta，Ta为允许值，具体如下：
若Th＝0，按一定的时间长度增大Td，点火充电时间改为Td+Ts1，直至0<Th<Ta；
若0<Th≤Ta，不需要调整Td；
若Th>Ta，按一定的时间长度减小Td，点火充电时间改为Td-Ts2,直至0<Th<Ta。
步骤S04:将对Td进行调整得到的标准充电时间Tdr更新到点火控制参数中，根据更新后的点火控制参数发送标准点火控制信号来控制点火线圈下一次的充电时间。
传统点火系统按表1定义的充电时间控制点火线圈的充电，目的也是使得充电结束时刻点火线圈中储存期望的能量，但由于工况的变化与检测的延迟和点火线圈零部件的散差等因素，实际储存的能量与期望的能量时常有偏差。
而本发明实施例提供的控制系统直接检测充电电流，转换为电压后通过比较器输出表征充电电流水平的信号，故本发明实施例的点火系统可以实时检测实际充电电流大小以得到实际充电时间信息，并通过本发明实施例的点火充电控制方法对实际充电时间进行调整从而得到标准充电时间Tdr，如此便可保证比较器的输出信号始终包括第二电平信号，且保证第二电平信号的持续时长始终小于或等于允许值Ta，如此便使得发动机得以实现点火且不至于充电电流太大而损坏驱动级开关或点火线圈。
【实施例二】
与实施例一不同的是，在本发明实施例中，所述控制回路通过所述检测电阻13与点火线圈3初级相连，如图5所示，所述驱动级开关12IGBT的栅极与所述预驱电路15相连，集电极与所述检测电阻13一端相连，发射极接地。
另外，与实施例一相比，本发明实施例的控制系统1必须包括差分运算放大器16对检测电阻13两端的电压作差而后进行放大再输入到比较单元14，而且本发明实施例需在所述差分运算放大器16的输入端再加额外的保护电路(保护电路图5未示出)，以在点火控制信号结束时在IGBT的集电极产生的高电压情形下保持所述控制回路不被损坏。
【实施例三】
与实施例二不同的是，在本发明实施例中，点火线圈3初级位于所述控制系统1中的所述检测电阻13以及所述驱动级开关IGBT12之间，所述检测电阻13与所述控制系统1中的所述比较单元14的相连端还与所述电池2相连，具体连接关系请参考图6。由于本发明实施中IGBT的集电极直接与点火线圈初级相连，故不需要额外增加保护电路，但需要从所述控制系统外部额外引入两根导线来与所述检测电阻13两端相连以检测所述检测电阻13两端的电压。
【实施例四】
与以上实施例不同的是，在本发明实施例中，所述控制回路的个数为n(n大于或等于2)，n个所述控制回路共用一所述微控制单元11和一所述预驱电路15，所述驱动级开关12和所述检测电路的个数均为n，n个所述驱动级开关12呈并行连接，各所述驱动级开关12和各所述检测电路一一对应，具体连接关系请参考图6。n个所述控制回路用于各自独立控制n个点火线圈，即本领域人员所述的分缸控制。对各缸即各点火线圈按点火顺序分别进行点火充电控制的方法与以上实施例相同。
需要说明的是，图7中所示为n等于4的情况，具体的，点火线圈分别为：3-1、3-2、3-3和3-4，分别对应缸1、缸2、缸3和缸4，火花塞分别为：4-1、4-2、4-3和4-4，驱动级开关分别为:12-1、12-2、12-3和12-4，检测电阻分别为13-1、13-2、13-3和13-4，比较单元分别为14-1、14-2、14-3和14-4。当n为大于或等于2的其它数时，其连接关系与n等于4的情况类似。另外，与实施一相同的是，若想选用电阻较小的检测电阻13以降低控制回路对电平信号检测的影响，可通过选用差分运算放大器16对检测电阻13两端的电压作差而后进行放大再输入到比较单元14，也就是说，各所述检测电路均包括一所述差分运算放大器16。为了图示简单化，图7中未画出所述差分运算放大器16，且所述电阻分压器142采用Vref来标示。
【实施例五】
与实施例四不同的是，本实施例中所述检测电路的个数为1，所述控制回路共用一所述检测电路，具体连接关系请参考图8。同样的，图8中所示为n等于4的情况，4个IGBT的4个发射极连接于一点，再连接所述检测电阻13，当n为大于或等于2的其它数时，其连接关系与n等于4的情况类似。
点火充电控制方法与以上实施例相同，但对于多缸控制，线路较实施例四而言更为简洁，对于点火控制信号时间上无重叠的应用，本实施例与实施例四有相同的控制效果。以4缸为例，对于4个点火线圈的点火控制信号特征如图9所示，分别命名为：点火1、点火2、点火3以及点火4，各个点火控制信号之间互不干扰。而对于一些特别的环境如特殊点火线圈或特殊发动机工况下的应用，如图10所示，在同一检测窗口内，相邻的点火控制信号可能会发生重叠，点火控制信号由实线的无重叠变为虚线所示的重叠，在重叠期间，两路控制回路的充电电流一起流过所述检测电阻13，导致所述比较器141的输出会存在很大的偏差。例如对于单个控制回路来说，输出应为第一电平信号，而由于检测到的所述检测电阻13两端的电压比正常电压偏大而输出第二电平信号，从而无法对点火线圈的实际充电电流来进行调整，也就是说，本实施例的提供的点火系统不适用于相邻两缸之间的点火控制信号可能会发生重叠的情况。
【实施例六】
为解决实施例五的问题，在本发明实施例中，选用个数为m的所述检测电路，m为大于或等于2且小于n的自然数，n个并行连接的所述驱动级开关12分成m组，各分组中所述驱动级开关12和各所述检测电路一一对应，同一分组中的各所述驱动级开关12所连接的点火线圈在点火控制时序上互不相邻。同样的，以驱动级开关的个数为4来进行举例说明，本实施例选用所述检测电路的个数为2，相当于在实施例五的基础上增加了一组检测电路，如图11所示，检测电阻13-1分别通过驱动级开关12-1和驱动级开关12-3与点火线圈3-1和点火线圈3-2相连，检测电阻13-2分别通过驱动级开关12-2和驱动级开关12-4与点火线圈3-2和点火线圈3-4相连。两组检测电路分别检测点火控制时序上相隔的点火线圈的充电电流，例如图12所示的各缸的点火控制时序为1-3-4-2，由此，在点火控制时序上缸1和缸4不相邻而相隔一缸，缸3和缸2不相邻而相隔一缸。在所述四缸发动机的实际运行中，虽然相邻两缸的点火控制信号发生重叠，但由于对所述两组检测电路分别设置检测窗口，故在检测时间上不重叠，相对应的两比较器141(141-1和141-2)均输出正确的电平信号。
需要补充的是，虽然实施四至实施六的各图示中各所述控制回路与各点火线圈3均采用图3所示的连接方式，但对于图5以及图6中所示控制回路和点火线圈的连接方式同样适用于实施例四至实施例六，只需保证各控制回路和各点火线圈的连接方式保持一致。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
