DE10118299A1

DE10118299A1 - Verfahren zur Funktionsprüfung eines Kondensators, zur Bestimmung dessen ohmschen Anteils des Innenwiderstands sowie geeignete Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10118299A1
Application number: DE2001118299
Authority: DE
Inventors: Guenter Fendt
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: DE10118299B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Kondensators, der von einer Versorgungsspannungsquelle über einen pulsweitenmoduliert ansteuerbaren Aufwärtswandler in einer Ladephase aufgeladen wird. Zudem wird ein Verfahren zur Bestimmung des ohmschen Anteils des Innenwiderstands eines Kondensators sowie geeignete Schaltungsanordnungen für beide Verfahren vorgestellt. DOLLAR A Grundgedanke ist es, dass zu Beginn der Ladephase bei einem von einem Aufwärtswandler betriebenen Kondensator aufgrund des sprunghaften Stromanstiegs ein messbarer Spannungssprung auftritt, der repräsentativ für den ohmschen Anteil des Innenwiderstands des Kondensators und damit für die Funktionsfähigkeit des Kondensators ist. Für eine Bewertung der Funktionsfähigkeit genügt es, diese Spannungsdifferenz vor und nach Beginn einer Ladephase zu messen und mit einem Sollwert zu vergleichen. Soll hingegen der konkrete Wert des ohmschen Anteils Ri des Innenwiderstandes des Kondensators C quantitativ bestimmt werden, so wird zusätzlich der Stromfluss durch den Kondensator zu Beginn der Ladsephase bzw. eine dazu proportionale Größe erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Kondensators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem wird ein Verfahren zur Bestimmung des ohmschen Anteils des Innenwiderstands eines Kondensators sowie geeignete Schaltungsanordnungen für beide Verfahren vorgestellt.

Kondensatoren dienen in elektrischen Baugruppen als Autarkiekondensatoren zur Aufrechterhaltung der Betriebsfunktionen für eine begrenzte Zeit bei Ausfall der Versorgungsspannungsquelle sowie bei bestimmten Anwendungen, insbesondere bei Insassenschutzsystemen von Kraftfahrzeugen mit pyrotechnischen Zündern, zur Bereitstellung einer Zündenergie.

Diese Kondensatoren werden dabei häufig über pulsweitenmoduliert ansteuerbare Schaltwandler aufgeladen, insbesondere Aufwärtswandler mit einer Spule und Freilaufdiode. Die Aufladung erfolgt dabei in einer Ladephase, die von einer Ladepause unterbrochen wird. Die Ladepause entspricht bei Aufwärtswandlern dabei der Betriebsphase, in welcher die Spule auf Masse kurzgeschlossen ist und so der Strom durch die Spule entsprechend ansteigt. Nahezu jeder Aufwärtswandler weist seinerseits ausgangsseitig einen solchen Kondensator auf.

Kondensatoren weisen dabei wie alle Bauelemente während des Betriebs neben Totalausfällen auch fertigungsbedingte Toleranzen oder alterungsbedingte Ver änderungen der ursprünglichen Parameter auf.

Da für viele Anwendungen die Funktionssicherheit und Genauigkeit von ent scheidender Bedeutung sind, hat sich durchgesetzt, die Bauelemente und so auch die Kondensatoren einer Funktionsüberprüfung zu unterziehen.

Die EP 0 338 413 B1 und EP 0 460 165 B1 beschreiben ein Airbag-Rück haltesystem mit einem Speicherkondensator zur Bereitstellung der Zündenergie, bei dem zum Funktionstest eine Teilentladung des Speicherkondensators durchgeführt wird. Eine solche Teilentladung zur Funktionsprüfung ist auch der WO 91/00637 zu entnehmen. Teilweise soll die Teilentladung sogar über dem Lastelement selbst, dort einer Zündpille eines Insassenschutzsystems erfolgen, was trotz entsprechender Strombegrenzungsmittel sicherheitskritisch erscheint.

Die DE 43 21 589 A1 schlägt zudem einen Vergleich des Spannungspegels des auf geladenen Kondensators mit einem Sollwert vor (vgl. Anspruch 2). Eine Spannungs überwachung am Kondensator ist auch der EP 0 400 002 B1 zu entnehmen.

Alle vorliegenden Verfahren weisen den Nachteil auf, dass insbesondere der ohmsche Anteil des (komplexen) Innenwiderstands aufgrund des relativ geringen Stromflusses bei der Funktionsprüfung kaum Berücksichtigung findet. Die reine Spannungsüberwachung kann diesen Anteil gar nicht erfassen, eine starke Teil entladung scheidet schon aus Gründen der Energieeinsparung aus. Gerade der ohmsche Anteil ist jedoch für eine Reihe von Anwendungen besonders wichtig und zudem stark alterungsabhängig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Funktionsprüfung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zudem wird durch Anspruch 2 ein Verfahren zur Bestimmung des ohmschen Anteils des Innenwiderstands eines Kondensators sowie durch Anspruch 4 eine geeignete Schaltungsanordnung für beide Verfahren vorgestellt.

Grundgedanke beider Verfahren ist es, dass zu Beginn der Ladephase bei einem von einem Aufwärtswandler betriebenen Kondensator aufgrund des sprunghaften Stromanstiegs ein durchaus mit einfachen Mitteln bereits messbarer Spannungs sprung auftritt, der repräsentativ für den ohmschen Anteil des Innenwiderstands des Kondensators und damit für die Funktionsfähigkeit des Kondensators ist. Für eine Bewertung der Funktionsfähigkeit genügt es, diese Spannungsdifferenz vor und nach dem Beginn einer Ladephase zu messen und mit einem Sollwert zu vergleichen.

Soll der ohmsche Anteil des Innenwiderstands quantitativ bestimmt werden, ist zusätzlich der Strom zu Beginn der Ladephase erforderlich. Der besondere Vorteil beider Verfahren besteht darin, dass diese Verfahren von den anderen bereits bekannten und erfassbaren Parametern, insbesondere dem Ladezustand des Kondensators weitgehend unabhängig ist.

Die Schaltungsanordnung zur Erfassung der Spannungen vor und nach dem Beginn einer Ladephase am Kondensator nutzt dabei zwei Abtast-Halteglieder, die vom Taktsignal des Aufwärtswandlers aus gesteuert werden, um auf einfache Weise die beiden Spannungswerte in einem möglichst kurzen zeitlichen Abstand zu erfassen, andererseits für demgegenüber deutlich langsamere A/D-Wandler auslesbar und einem Mikroprozessor zur Auswertung bereitstellbar zu machen. Die Verfahren lassen sich dank dieser einfachen Schaltungsanordnung also einfach und kosten günstig in die Funktionsüberwachung einer bestehenden Anwendungseinheit, ins besondere eines Insassenschutzsystems integrieren.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 zeitlicher Ablauf der zwei Spannungsmessungen bei einem von einem Aufwärtswandler aufgeladenen Kondensator

Fig. 2 Schaltungsanordnung mit einem Kondensator einem Aufwärts wandler und zwei Abtast-Halte-Gliedern

Die Fig. 1 skizziert den zeitlichen Ablauf der zwei Spannungsmessungen bei einem von einem Aufwärtswandler 1 (vgl. Fig. 2) aufgeladenen Kondensator anhand des Stroms I durch die Spule 12 (vgl. Fig. 2) des Aufwärtswandlers 1 und Spannung U am Kondensator in Abhängigkeit vom Taktsignal 15 des Aufwärtswandlers 1.

Während zunächst die Spule 12 zunächst von t0 bis t1 über den Schalter 11 auf Masse kurzgeschlossen ist und der Strom I durch die Spule so auf I0 ansteigt, ist währenddessen der Kondensator C ohne externe Energieversorgung und weist entsprechend des Energiebedarfs eines nachgeschalteten Lastelements 6 einen Spannungsabfall von der Sollspannung U0 auf.

Zum Zeitpunkt t1 wird der Schalter 11 geöffnet und es beginnt die Ladephase für den Kondensator C. Ein idealer Kondensator ganz ohne ohmschen Anteil des Innenwiderstands würde zu diesem Zeitpunkt t1 keine Spannungsänderung aufweisen. Da jedoch jeder reale Kondensator einen ohmschen Anteil des Innen widerstands aufweist, üblicherweise einige Milliohm, kommt es bei dem relativ hohen Freilaufstrom zu Beginn der Ladephase zu einem Spannungssprung ΔU1.

Für eine möglichst genaue Messung muß die Spannung innerhalb eines vor gegebenen Zeitfensters t1 ± ΔT vor sowie nach dem Beginn der Ladephase des Kondensators, vorzugsweise unmittelbar vor und nach dem Beginn der Ladephase erfasst werden. Bei schnell getakteten Aufwärtswandlern sind Zeitfenster im Bereich von ca. 5 µs unter darunter erforderlich.

Zum Zeitpunkt t2 endet die Ladephase des Kondensators und beginnt eine neue Bestromungsphase der Spule 12, indem der Schalter 11 geschlossen wird.

Die Spannungsänderung ΔU2 entspricht dabei der tatsächlich nachgeladenen Energiemenge, die vorzugsweise auf den Energiebedarf des Lastelements 6 ab gestimmt ist.

Die Spannungsdifferenz ΔU1 zu Beginn der Ladephase des Kondensators ist dabei insbesondere repräsentativ für den ohmschen Anteil Ri am Innenwiderstand des Kondensators C, der seinerseits ganz entscheidenden Einfluss auf die Funktions fähigkeit des Kondensators C, insbesondere auf dessen Fähigkeit zur schnellen Bereitstellung der gesamten in ihm gespeicherten Energie hat. Für das Verfahren zur Funktionsprüfung ist es daher ausreichend, den gewonnenen Wert der Spannungs differenz mit einem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen. Die Größe dieses Soll wertes ist dabei abhängig von der baulichen Ausgestaltung des Kondensators, ins besondere dessen Kapazität und ausgelegte Sollspannung. Gerade bei einem Aufwärtswandler mit Stromüberwachung, in Fig. 2 mittels des Messwiderstands 17 und dem Komparator 18, und fest vorgegebenen Strom beim Umschalten des Schalters 11 kann dieser Sollwert auch sehr genau vorgegeben werden, ansonsten reicht in den meisten Fällen auch eine grobe Abschätzung für eine ausreichend genaue Funktionsüberprüfung.

Überschreitet der ohmsche Anteil Ri des Innenwiderstandes den vorgegebenen Sollwert, so ist von einem Defekt, beispielsweise durch Alterung, des Kondensators auszugehen. Ein die Funktionsüberprüfung ausführender Mikroprozessor 3 wird ein entsprechendes Fehlersignal an Steuerungseinrichtungen senden, beispielsweise eine Warnlampe des Insassenschutzsystems aktivieren.

Soll hingegen der konkrete Wert des ohmschen Anteils Ri des Innenwiderstandes des Kondensators C bestimmt werden, so ist zusätzlich der Stromfluss I(t1) durch den Kondensator zu Beginn der Ladephase bzw. eine dazu proportionale Größe zu erfassen. Der ohmsche Anteil Ri des Innenwiderstandes ergibt sich dann als Quotient aus der Spannungsdifferenz ΔU und dem gemessenen Strom I(t1).

Die Fig. 2 zeigt nun eine Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Durch führung des Verfahrens gemäß Anspruch 2, wobei diese Schaltungsanordnung ohne weiteres auch entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 verwendet werden kann. Die Schaltung besteht aus einem Kondensator C, dessen ohmscher Anteil am Innenwiderstand in der Fig. 2 skizzenhaft als Widerstandselement Ri zusätzlich her vorgehoben wurde. Dieser Kondensator C wird von einer Eingangsspannungsquelle U_IN über einen Aufwärtswandler 1 in der Ladephase aufgeladen stellt die Energie einem Lastelement zur Verfügung. Der Aufwärtswandler 1 weist dabei den üblichen Schaltungsaufbau auf und besteht aus einer eingangsseitigen Diode 14, eine Spule zur Erzeugung des Ladestroms 12 und einem Schalter 11, der die Spule 12 kurz zeitig auf Masse kurzschließt und so einen relativ hohen Strom in der Spule 12 ein prägt, der in der Freilaufphase nachfolgend von der Spule über die Diode 13 zum Kondensator C gelangt. Der Schalter 11 wird dabei pulsweitenmoduliert und ent sprechend der gewünschten Spannung U am Kondensator von einem Taktsignal 15 gesteuert. Zusätzlich in diesem Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Steuerung 16 vorgesehen, die einerseits mittels eines Messwiderstandes 17 den Kurzschluss strom während der Ladephase der Spule 12 über den geschlossenen Schalter 11, in einem Komparator 18 mit einem Schwellwert vergleicht und bei einer Über schreitung des Maximalstromschwellwertes eine Abschaltung bzw. Herabregelung des Ladestroms durch entsprechende Steuerung des Schalters 11 bewirkt. Zusätz lich ist eine Spannungserfassung 19 zur Erfassung der Spannung am Kondensator vorgesehen.

In Abhängigkeit vom Taktsignal 15, genauer gesagt mit der in t1 den Beginn der Ladephase des Kondensators C einleitenden abfallenden Flanke des Taktsignals 15 werden 2 Abtasthalteglieder S sowie S von einer Steuerung 2 ausgesteuert.

Die Abtasthalteglieder S und S weisen grundsätzlich den gleichen Aufbau auf. So sind eingangsseitige Schalter zur Abtastung 20 und 29, Eingangswider stände 21 und 25, Haltekondensatoren 22 und 26 sowie Impedanzwandlern 23 und 27 vorgesehen, deren Ausgangssignale von einem Differenzverstärker 4 zum Aus gangssignal ΔU verknüpft werden. Dieses Ausgangssignal ΔU wird in diesem Aus führungsbeispiel einem Mikroprozessor 3 zugeführt, indem das Differenzspannungs signal ΔU mit einem Sollwert verglichen und in Abhängigkeit von diesem Soll wertvergleich auf die Funktionstüchtigkeit des Kondensators C geschlossen wird. Zusätzlich ist ein drittes Abtasthalteglied S vorgesehen, welches den Strom über den Messwiderstand 17 des Aufwärtswandlers 1 und unmittelbar vor Beginn der Ladephase des Kondensators erfasst, wobei dieser Strom unmittelbar vor Beginn der Ladephase aufgrund der Speicherwirkung der Induktivität 12 dem Strom zu Beginn der Ladephase des Kondensators C entspricht. Auch dieses Abtasthalteglied S weist den analogen Aufbau bestehend aus einem Abtast schalter 30 einem Eingangswiderstand 31, einer Speicherkapazität 32 und einem Impedanzwandler 33 auf und wird wiederum von der Steuerung 2 aus angesteuert.

Die Steuerung 2 für die Abtasthalteglieder S, S und S steuert diese in Abhängigkeit vom Taktsignal 15 des Aufwärtswandlers 1 derart, dass das erste Abtasthalteglied S bereits in der Ladephase des Kondensators C mit diesem verbunden ist, also den aktuellen Wert der Spannung U am Kondensator unmittelbar vor Beginn der Ladephase des Kondensators C enthält. Spätestens mit der fallenden Flanke des Taktsignals 15 wird der Schalter 20 des ersten Abtast- und Halteglieds S geöffnet und das Abtast- und Halteglied S vom Kondensator C getrennt, um darin den Wert der Spannung U am Kondensator C unmittelbar vor Beginn der Ladephase des Kondensators C zu erhalten. Mit Beginn der Ladephase des Konden sators C wird dann das zweite Abtast- und Halteglied S kurzzeitig geschlossen, so dass sich dort der Wert der Spannung U am Kondensator C unmittelbar zu Beginn der Ladephase des Kondensators C einstellen kann. Dann wird das zweite Abtast- und Halteglied S vom Kondensator C getrennt, so dass der Mikro prozessor 3 beide Spannungswerte vor und nach Beginn der Ladephase getrennt voneinander oder dessen Differenzsignal entsprechend zeitlich verzögert nach einer A/D-Wandlung erfassen kann. Zusätzlich wird der Steuerung 2 zur Bestimmung des ohmschen Anteils des Innenwiderstands des Kondensators C das dritte Abtast halteglied S angesteuert, welches den Strom durch den Messwiderstand 17 un mittelbar vor Beginn der Ladephase des Kondensators C erfasst. Dieser Strom ist aufgrund der Induktivität der Spule 12 dabei genauso groß wie der Strom durch den Kondensator C zu Beginn der Ladephase. Sofern der Messwiderstand 17 dabei Toleranzen, beispielweise in der Temperaturabhängigkeit aufweist, so kann der ab getastete Wert des Stromes noch um einen entsprechenden Betrag korrigiert werden. Der gegebenenfalls so korrigierte Wert des Stromes wird nun zur Be stimmung des ohmschen Anteils R_i des Innenwiderstands des Kondensators C herangezogen, indem die ermittelte Differenz der Spannungen unmittelbar vor und nach dem Beginn der Ladephase des Kondensators C durch diesen Strom geteilt wird. Diese Division wird dabei in Fig. 2 ebenfalls im Mikroprozessor 3 unter vorheriger A/D-Wandlung des Stromwertes durchgeführt.

Der besondere Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt daran, dass in üblicher Weise bereits zur allgemeinen Funktionsüberprüfung vorgesehenen Mikroprozessor 3 auch für diese Funktion verwendet werden kann und die für die Abtastung der Spannungswerte vor und nach Beginn der Ladephase erforderliche Abtastge schwindigkeit dank der Verwendung getrennt gesteuerter Abtasthalteglieder S 1, 2 und 3 deutlich entschärft werden kann. Generell sind jedoch alternative Schaltungsanordnungen denkbar und auch eine Übertragung auf andere Schalt wandler, insbesondere Abwärtswandler denkbar.

Claims

1. Verfahren zur Funktionsprüfung eines Kondensators (C), der von einer Versorgungsspannungsquelle (Uin) über einen pulsweitenmoduliert (15) ansteuerbaren (11) Aufwärtswandler (1) in einer Ladephase (t1 - t2) aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) am Kondensator (C) vor dem Beginn der Ladephase (t1 - ΔT) und nach dem Beginn der Ladephase (t1 + ΔT) erfasst, die Differenz der Spannungen (ΔU1) gebildet und mit einem Sollwert verglichen wird.

2. Verfahren zur Bestimmung des ohmschen Anteils (Ri) des Innenwiderstands eines Kondensators (C), der von einer Versorgungsspannungsquelle (Uin) über einen pulsweitenmoduliert ansteuerbaren Aufwärtswandler (1) in einer Ladephase (t1 - t2) aufgeladen wird, wobei

a) die Spannung (U) am Kondensator (C) vor dem Beginn einer Ladephase und nach dem Beginn einer Ladephase (t1 ± ΔT) sowie
b) der Strom (I(t1) durch den Kondensator (C) unmittelbar zu Beginn der Ladephase oder eine dazu proportionale Größe erfasst wird und
c) der Quotient (Ri = ΔU1/I(t1)) aus der Differenz der Spannungen und dem Strom bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U) innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters (ΔT) vor sowie nach dem Beginn der Ladephase (t1 ± ΔT), vorzugsweise unmittelbar vor und nach dem Beginn der Ladephase (t1) erfasst wird.

4. Schaltungsanordnung zur Erfassung der Spannungen vor und nach dem Beginn einer Ladephase an einem Kondensator zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus:

a) einem Kondensator (C), einer Versorgungsspannungsquelle (Uin) und einem zwischengeschalteten Aufwärtswandler (1),
b) wobei der Aufwärtswandler (1) von einem Taktsignal (15) pulsweitenmoduliert angesteuert (11) wird und in einer Ladephase (t1 - t2) jeweils den Kondensator (C) auflädt,
c) einer ersten und einer zweiten Abtast-Halte-Schaltung (S/S) und einer Abtaststeuereinheit (2), die ebenfalls vom Taktsignal (15) des Aufwärtswandlers (1) gesteuert werden,
d) wobei die ersten Abtast-Halte-Schaltung (S) bereits vor dem Beginn der Ladephase (t < t1) die Spannung (U) am Kondensator (C) erfasst und die mit dem Beginn (t1) der Ladephase vom Kondensator (C) getrennt wird und
e) die zweite Abtast-Halte-Schaltung (S) mit dem Beginn (t1) der Ladephase an den Kondensator (C) geschaltet wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, bestehend aus:

a) einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 sowie
b) einer dritten Abtast-Halte-Schaltung (S), die den Strom (I(t1)) durch die Spule (12) des Aufwärtswandlers (1) unmittelbar vor Beginn der Ladephase als Spannungsabfall über einem Messwiderstand (17) erfasst und
c) einem Mikroprozessor (3), der ein dem Quotient aus der Differenz der Spannungen und dem Strom entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.