DE102004018261A1 - Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen - Google Patents

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Abstract

In einem Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen mit einem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator sind der Boost-Wandler und der Rückwärtswandler gemeinsam in einer Haupteinheit vorgesehen, die wenigstens aufweist: Einen ersten und einen zweiten Leistungstransistor (M1, M2), die mit ihren Steuerelektroden mit einer den Boost-Wandler und en Rückwärtswandler steuerenden/Regelnden Steuereinheit (1) verbunden sind, und mit ihren gesteuerten Elektrodenstrecken in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung verbunden sind und wirkmäßig in Reihe zwischen einer Drosselspule (L) und einer Elektrode des Speicherkondensators (C_BPS) liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Kapazität und des effektiven Serienwiderstands eines Reservestromversorgungs-Speicherkondensators in einem Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen.
  • Bei Airbag-Anwendungen in Fahrzeugen wird gewöhnlicherweise ein Reservestromversorgungs-Speicherkondensator eingesetzt, der genug Energie speichert, um die Airbags zu zünden, wenn infolge eines Unfalles die Fahrzeugbatterie von der Airbag-Elektronik getrennt wird.
  • Hierbei besteht das Problem, dass während der Aktivierungsphase der Airbag-Elektronik der Reservestromversorgungs-Speicherkondensator sehr schnell aufgeladen wird, was aufgrund der geringen Serienwiderstände Strom-/Spannungsspitzen verursacht. Dies wiederum erhöht die Gefahr, dass die Airbags unbeabsichtigt gezündet werden.
  • In 1 ist ein Teil einer herkömmlichen Airbag-Elektronik gezeigt. In dieser Anordnung fließt ein Einschaltstrom über eine Diode D1, eine Drosselspule LBOOST und eine Diode 2 in den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator CER. In dieser Anordnung tritt während der Aktivierungsphase der Airbag-Elektronik eine Stromspitze (und damit eine nicht zu vernachlässigende Gefahr des ungewollten Zündens der Airbags) auf. Um eine Beschädigung der Drosselspule LBOOST während des Ein schaltvorgangs zu vermeiden, ist es bekannt, eine Diode D3 wie in 1 gezeigt zu schalten (gestrichelte Linie in 1), um einen direkten Strompfad von der Fahrzeugbatterie zum Reservestromversorgungs-Speicherkondensator herzustellen.
  • Weiterhin ist es bekannt, wie in 2 gezeigt ist, zwischen die Diode D1 und die Drosselspule LBOOST einen Leistungsschalter in Serie zu schalten. Während der Aktivierungsphase der Airbag-Elektronik fungiert der Leistungsschalter als Strombegrenzer. Nachteilig an der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung ist, dass der Leistungsschalter teuer ist.
    •
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Stromversorgungssystem mit einem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen anzugeben, das kostengünstig herzustellen ist und die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Stromversorgungssystem gemäß Patentanspruch 1 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Kapazität/des effektiven Serienwiderstands eines Reservestromversorgungs-Speicherkondensators gemäß Patentanspruch 6 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in entsprechenden Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen weist
    • – einen Boost-Wandler, der einen Reservestromversorgungs-Speicherkondensator aus einer über eine Drosselspule angeschlossenen Fahrzeugbatterie lädt,
    • – einen die in dem geladenen Speicherkondensator gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Batterie verbindung zu wenigstens einem Teil der Verbraucher leitenden Rückwärtswandler (Buck-Konverter), und
    • – eine Steuereinheit die den Betrieb des Boost-Wandlers und des Rückwärtswandlers steuert/regelt, auf.
  • Der Boost-Wandler und der Rückwärtswandler sind gemeinsam in einer Haupteinheit vorgesehen. Die Haupteinheit weist wenigstens einen ersten und einen zweiten Leistungstransistor auf, die mit ihren Steuerelektroden mit der Steuereinheit und mit ihren gesteuerten Elektrodenstrecken in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung verbunden sind und wirkmäßig in Reihe zwischen der Drosselspule und einer Elektrode des Speicherkondensators liegen.
  • Vorteilhafterweise erzeugt die Haupteinheit eine erste geregelte Ausgangsspannung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist zu der Reihenschaltung der gesteuerten Elektrodenstrecken der beiden Leistungstransistoren eine Schutzschaltung parallel geschaltet, die einen Strompfad zwischen der Drosselspule und dem Speicherkondensator bildet, wenn die Steuereinheit gleichzeitig die beiden Leistungstransistoren ausschaltet.
  • Die beiden Leistungstransistoren können beispielsweise MOS-Leistungstransistoren bzw. DMOS-Leistungstransistoren sein. Die Leistungstransistoren sind dabei vorzugsweise mit ihren Sourceelektroden zusammengekoppelt.
  • Vorteilhafterweise ist im Stromversorgungssystem eine Temperatur-Steuer-/Regeleinheit vorgesehen, die eine Temperatur an bzw. nahe den Leistungstransistoren ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur die Stärke des durch die Leistungstransistoren fließenden Stroms so regelt, dass die Temperatur einen bestimmten Wert bzw. einen bestimmten Temperaturverlauf annimmt.
  • Die Erfindung stellt ferner ein Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen bereit, mit:
    • – einem einen Reststromversorgungs-Speicherkondensator aus einer über eine Drosselspule angeschlossenen Fahrzeugbatterie durch einen Strombegrenzer ladenden Boost-Wandler,
    • – einem die in dem geladenen Speicherkondensator gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Batterieverbindung zu wenigstens einem Teil der Verbraucher leitenden Rückwärtswandler (Buck-Konverter), sowie
    • – einer den Betrieb des Boost-Wandler und des Rückwärtswandlers steuernden/regelnden Steuereinheit.
  • Das Stromversorgungssystem weist ferner eine Temperatur-Steuer-/Regeleinheit auf, die eine Temperatur, die an bzw. nahe des Strombegrenzers auftritt, ermittelt, und in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur die Stärke des durch den Strombegrenzer fließenden Stroms derart regelt, dass die Temperatur einen bestimmten Wert bzw. einen bestimmten Temperaturverlauf annimmt.
  • Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Messung der Kapazität/des effektiven Serienwiderstands eines Reservestromversorgungs-Speicherkondensators in einem Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen bereit. Das System weist einen Boost-Wandler, der den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator aus einer über eine Drosselspule angeschlossenen Fahrzeugbatterie lädt, einen Rückwärtswandler (Buck-Konverter), der die in dem geladenen Speicherkondensator gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Batterieverbindung zu wenigstens einem Teil der Verbraucher leitet, und eine den Betrieb des Boost-Wandlers und des Rückwärtswandlers steuernde/regelnde Steuereinheit auf. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
    • – Aktivieren eines die Messung steuernden/durchführenden Mikrocontrollers,
    • – Laden des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators,
    • – Ausführen mehrerer Strom-/Spannungsmessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wobei wenigstens einige Strom-/Spannungsmessungen vor der Aufladephase bzw. in der frühen Aufladephase des Reservestromversorungs-Speicherkondensators durchgeführt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtungen lassen sich insbesondere auf Stromversorgungseinrichtungen für Airbag-Applikationen anwenden, jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern erstreckt sich vielmehr auch auf Stromversorgungseinrichtungen für andere Applikationen.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Stromversorgungssystem gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 ein zweites Stromversorgungssystem gemäß dem Stand der Technik.
  • 3a eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems.
  • 3b eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems.
  • 4 einen Stromverlauf, der im Zusammenhang mit dem in 3a gezeigten Stromversorgungssystem auftreten kann.
  • 5 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen thermischen Schutzschaltung.
  • 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems.
  • 7 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen thermischen Schutzschaltung.
  • 8 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems.
  • 9 mehrere Spannungsverläufe, die während des erfindungsgemäßen Messverfahrens in dem in 8 gezeigten Stromversorgungssytem auftreten.
  • 10 mehrere Spannungsverläufe, die während des erfindungsgemäßen Messverfahrens in dem in 8 gezeigten Stromversorgungssystem auftreten.
  • 11 ein Stromversorgungssystem gemäß dem Stand der Technik
  • 12 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems.
  • In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
  • Wie bereits erwähnt, werden in Stromversorgungssystemen für Airbags Boost-Umwandler mit einem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator verwendet, wobei der Speicherkondensator genug Energie speichert, um alle Airbags zu zünden, wenn die Fahrzeugbatterie vom Stromversorgungssystem getrennt wird. Der Speicherkondensator wird auch als Backup Power Supply Capacitor (BPS) bezeichnet. Problematisch ist, dass die Zündvorrichtungen für Extrembedingungen ausgelegt werden müssen, z. B. für den Fall, dass an der Fahrzeugbatterie 40 Volt anliegen aufgrund eines "load dumps". Unter stationären Bedingungen müssen der Boost-Umwandler und der Rückwärtswandler einen Gesamtstrom verarbeiten können, der für alle möglichen Verbraucher notwendig ist. In herkömmlichen Stromversorgungssystemen gibt es weiterhin keine Kontrolle über die Stärke des Eingangs-Stromstoßes.
  • In 11 ist ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen Stromversorgungssystems gezeigt. Dieses Stromversorgungssystem "PECOS" beruht auf folgendem Konzept: Der Boost-Umwandler stellt nur den Strom zur Verfügung, der dazu notwendig ist, den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator aufzuladen und einen Mikrocontroller (IC) mit Strom zu versorgen. In diesem Stromversorgungssystem erfolgt jedoch keine Kontrolle bezüglich des Eingangsstromstoßes, der auftritt, wenn eine Stromversorgungsquelle an das Stromversorgungssystem angeschlossen wird, und große Ladungsmengen in den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator (C_BPS) fließen. Weiterhin stellt dieses Stromversorgungssystem eine 11 Volt-Strom-/Spannungsquelle (durch Hin- und Herschalten zwischen einem Boost- oder einem Rückwärtswandler) bereit, was eine relativ teure Steuerlösung bedeutet. Weiterhin ist ein Rückwärtswandler vorgesehen, der einen Mikroprozessor mit 5 bzw. 3,3 Volt Spannung versorgt. Im Falle einer Stromunterbrechung wird der BPS-Leistungsschalter ohne Reguliermechanismen angeschaltet.
  • In 3a ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem gezeigt. In dieser Ausführungsform ist ein erster und ein zweiter Leistungstransistor M1, M2 vorgesehen, die mit ihren Steuerelektroden mit einer Steuereinheit 1 und mit ihren gesteuerten Elektrodenstrecken in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung verbunden sind und wirkmäßig in Reihe zwischen einer Drosselspule L und einer Elektrode des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators (C_BPS) liegen.
  • Ein erfindungsgemäßer Aspekt besteht darin, dass der Boost-Umwandler herkömmlicher Stromversorgungssysteme durch einen synchronen Boost-Umwandler ersetzt wird, der zwei Rücken-an-Rücken geschaltete DMOS-Leistungstransistoren aufweist, um Ströme abzublocken, wenn die Transistoren in den Sperrzustand geschaltet werden. Diese Transistoren können sehr kompakt ausgeführt werden, da deren Zweck sich darauf beschränkt, den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator (C_BPS) aufzuladen. Vorteilhaft an diesem Stromversorgungssystem ist, dass der synchrone Boost-Umwandler durch eine eigene Steuerschleife (im Falle einer Stromunterbrechung) gesteuert werden kann und als Rückwärtswandler fungieren kann und Energie von dem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator zu den anderen Umwandlern führen kann, so dass alle Hauptfunktionen/Einheiten weiterhin funktionieren/mit Strom versorgt sind. Die Steuerung besteht aus zwei Steuerschleifen, die parallel geschaltet sind, wobei der dominante Rückwärtswandler nur dann aktiviert wird, wenn die Vin-Spannung geringer ist als beispielsweise 7 Volt, was bedeutet, dass die Stromversorgung zur Fahrzeugbatterie unterbrochen ist. Es ist möglich, (zusätzlich) ein digitales Signal einzusetzen, dass vom Mikrocontroller ausgesandt wird, und den Controller informiert, dass eine Trennung von der Stromversorgung vorliegt, was auch bei Fahrzeugbatterien mit sehr geringen Spannungen die Funktionalität sicherstellen würde.
  • Ein weiterer Vorteil dieses Stromversorgungssystems ist, dass mittels der DMOS-Leistungstransistoren der Eingangs-Stromstoß begrenzt werden kann. Ein Problem im Zusammenhang mit dem Rücken-an-Rücken-DMOS ist, dass es keinen "Not-Strompfad" für den Induktionsstrom gibt (d. h., wenn Strom in Richtung des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators fließt und plötzlich die Rücken-an-Rücken-Leistungsschalter in den Sperrzustand schalten). Daher ist in dem in 3a gezeigten Stromversorgungssystem eine Schutzschaltung 2 vorgesehen, die aus einem Widerstand, einer Zenerdiode und einer Diode besteht. Die Schutzschaltung 2 ist parallel zu der Reihenschaltung der gesteuerten Elektrodenstrecken der beiden Leistungstransistoren M1, M2 geschaltet und bildet einen Strompfad zwischen der Drosselspule L und einer Elektrode des Speicherkondensators C_BPS für den Fall, wenn die Steuereinheit 1 gleichzeitig die beiden Leistungstransistoren M1, M2 ausschaltet. Dieser Strompfad kann auch dazu genutzt werden, während der Aufladephase des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators C_BPS Stromspitzen zu begrenzen, weiterhin kann der Strompfad dazu benutzt werden, gleichzeitig den Speicherkondensator C_BPS leicht aufzuladen. Die Komponenten des Strompfades (d. h. der Schutzschaltung 2) müssen nicht besonders groß ausgelegt werden, da sie lediglich in seltenen Fällen kleine Ströme aushalten müssen.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass es möglich ist, den Rücken-an-Rücken-Schalter auszuschalten, wenn die Fahrzeugbatterie 40 Volt erreicht ("load dump"). Wenn der Ausgang auf 33 Volt gesetzt ist, ermöglicht die Zenerdiode, dass die am Speicherkondensator anliegende Spannung maximal 35 Volt, aber nicht 40 Volt erreicht, womit die Wahrscheinlichkeit des unbeabsichtigten Auslösens der Airbags herabgesetzt werden kann.
  • Im Gegensatz zum oben erwähnten "PECOS"-Stromversorgungssystem, das zwei getrennte Umwandler bzw. Steuereinheiten aufweist, weist die in 3a gezeigte Ausführungsform lediglich eine einzige Steuereinheit auf, die die beiden Leistungstransistoren M1, M2 vorzugsweise gleichzeitig schaltet (wie in der nicht invertierenden Buck-Boost-Konfiguration). Dies vermeidet Probleme, die auf Übersprecheffekten von Eingangs- und Ausgangsspannung beruhen.
  • Aufgrund des Ausgangssignals von 12 Volt ist es möglich, einen 5-Volt-Linearregulator einzusetzen (für den Mikrocontroller), was billig ist, solange der Stromverbrauch nicht zu hoch ist. In einem derartigen Fall ist es vorteilhaft, einen zusätzlichen Rückwärtswandler zu verwenden, um Dissipationseffekte zu verringern.
  • Erfindungsgemäß wird demnach der Boost-Umwandler durch einen synchronen Boost-Umwandler ersetzt, der auch als Rückwärtswandler eingesetzt werden kann. Dieser tritt nur dann in Aktion, wenn die Fahrzeugbatterie von der Stromversorgung getrennt wird. Dadurch wird es ermöglicht, Ströme in beide Richtungen fließen zu lassen, die geeignet reguliert werden können, je nachdem, ob die Fahrzeugbatterie vom Stromversorgungssystem getrennt ist oder nicht. Das Vorsehen einer Rücken-an-Rücken-Schaltungsanordnung erlaubt die Begrenzung des Eingangsstroms und ermöglicht weiterhin die Begrenzung der Spannung am Reservestromversorgungs-Speicherkondensator im Falle eines "load dumps".
  • Wie deutlich geworden ist, wird im Wesentlichen die Freilaufdiode des Boost-Umwandlers als synchroner Boost-Rektifizierer mit einem Rücken-an-Rücken-DMOS-Leistungstransistor realisiert, um Ströme von/zu dem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator C_BPS zu blockieren. Der Eingangsstrom wird durch den Transistor M1 reguliert und durch eine spezielle Regulierschleife begrenzt. Eine Load-Dump-Spannung kann blockiert werden, indem der Transistor M1 ausgeschaltet wird, damit Überspannungsbedingungen bei dem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator verhindert werden. Der Rücken-an-Rücken-Schalter M1, M2 ist relativ klein, da dessen Hauptzweck ist, den BPS-Kondensator aufzuladen, und damit keine Steady-State-Stromeigenschaften aufweisen muss. Der Transistor M1 erlaubt es, den Eingangsstrom zu begrenzen, während der Transistor M2 für die Boost-Umwandler-Rektifizierfunktion zuständig ist.
  • Während der Phase, in der der Eingangsstrom fließt, d. h., wenn die Spannung am Speicherkondensator C_BPS Null ist und die Fahrzeugbatterie mit dem Stromversorgungssystem verbunden ist, agiert der Rücken-an-Rücken-DMOS als linearer Regulator, solange bis die am Speicherkondensator C_BPS anliegende Spannung der an der Fahrzeugbatterie anliegenden Spannung entspricht. Der Rücken-an-Rücken-DMOS agiert daher als Stromquelle, wobei der Maximalstrom, der in den BPS-Speicherkondensator fließt, begrenzt wird. Wenn die am Speicherkondensator C_BPS anliegende Spannung die an der Fahrzeugbatterie anliegende Spannung erreicht, kann die Boost-Umwandlung beginnen. Im Boost-Modus agiert der Rücken-an-Rücken-DMOS als Schalter, wobei der Transistor M1 permanent eingeschaltet ist, und der Transistor M2 die übliche Funktion der Diode ersetzt. Problematisch am Einsatz eines Rücken-an-Rücken-DMOS ist, dass es keinen Strompfad für den Induktionsstrom gibt (d. h., wenn Strom in Richtung des BPS-Kondensators fließt und plötzlich der Rücken-an-Rücken-Schalter ausschaltet). Die Konsequenz hiervon ist, dass eine sehr hohe Rückschlagspan nung austritt, die das maximale Verhältnis von Drain- zu Sourcespannung des Transistors MBOOST verletzen könnte. Mit bekannten Drain-Source-Clamping-Schaltungen (beispielsweise Zenergate-Clamping) kann die Beschädigung von Silizium verhindert werden.
  • Der Rücken-an-Rücken-DMOS (d. h. die Serienschaltung von M1 und M2) kann durch eine Kombination aus einem p-Kanaltransistor MP und dem bereits beschriebenen Transistor M2 ersetzt werden. Der Vorteil hierbei wäre, dass der p-Kanaltransistor MP keine Ladungspumpenspannung für dessen Gateversorgung benötigen würde.
  • Weiterhin ist es möglich, den Transistor M2 des Rücken-an-Rücken-DMOS (der die Funktion eines synchronen Rektifizierers beinhaltet) als günstige, einfache Diode zu realisieren, jedoch mit dem Nachteil eines höheren Energieverbrauchs.
  • Während der Aufladephase des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators kann das Problem auftreten, dass das Strombegrenzungselement, beispielsweise die Rücken-an-Rücken angeordneten Leistungstransistoren, überhitzt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn an der Fahrzeugbatterie hohe Spannungen um die 40 Volt anliegen. Da die beiden Leistungstransistoren sehr klein dimensioniert sind, ist insbesondere in diesem Fall eine thermische Schutzschaltung für das Strombegrenzungselement im Stromversorgungssystem vorteilhaft.
  • In 4 ist ein Stromverlauf gezeigt, der dazu geeignet ist, das Strombegrenzungselement auf einer konstanten Temperatur zu halten. Im ersten Abschnitt des Stromverlaufs wird der Strom konstant gehalten, was zur Folge hat, dass sich das Strombegrenzungselement mit der Zeit erwärmt. Überschreitet die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert, dann wird, wie in 4 gezeigt, der Strom schrittweise abgesenkt, was zur Folge hat, dass sich die Temperatur auf einen bestimmten Wert stabilisiert.
  • In 3b und 5 ist ein Beispiel einer Schaltung gezeigt, die den Rücken-an-Rücken-DMOS (M1) während der Ladephase des Speicherkondensators steuern/regeln könnte. Die in dem DMOS-Transistor erzeugte Wärme kann als eine Energiequelle in einer entsprechenden thermischen Schaltung aufgefasst werden, und zwischen dem DMOS-Transistor und dem Sensor-Transistor tritt ein thermischer Widerstand auf, der eine bestimmte thermische Kapazität besitzt. Dies repräsentiert eine gemessene Temperatur auf dem Sensor-Transistor, und von diesem Punkt gibt es einen sehr viel größeren thermischen Widerstand zu der Erdung (PCB). Die erzeugte Wärme kann damit beispielsweise durch eine wie in 5 gezeigte Kontrollschleife begrenzt werden, womit die Temperatur des DMOS-Transistors konstant gehalten werden kann. Dies ermöglicht es, die Ladezeit des BPS-Kondensators zu minimieren.
  • Ein zweites Beispiel einer thermisch geschützten Strombegrenzungsvorrichtung ist in 6 gezeigt. In diesem Stromversorgungssystem agiert der Transistor M2 als Strombegrenzungsvorrichtung. Der Vorteil dieses Stromversorgungssystems ist, dass die Steuer- bzw. Ansteuerschaltung einfacher als die in 5 ist, was darauf beruht, dass zu dem Zeitpunkt, in dem die VBOOST-Spannung den Wert der VIGN-Spannung erreicht, der Transistor M2 voll eingeschaltet werden kann, und während des Normalbetriebs nicht geschaltet werden muss, wie das in der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung der Fall ist.
  • In 7 ist ein Beispiel einer Steuer- bzw. Ansteuerschaltung für das in 6 gezeigte Stromversorgungssystem gezeigt.
  • Herkömmliche Methoden, um die Kapazität eines Reservestromversorgungs-Speicherkondensators und dessen effektiven Serienwiderstand zu messen, erreichen Messgenauigkeiten, die selten besser als 20 % sind.
  • In der in 1 gezeigten herkömmlichen Stromversorgungssystem-Konfiguration kann die Kapazität dadurch gemessen werden, indem die Zündungsmodule eingeschaltet und im Strombegrenzungsmodus (zum Testen benutzt) betrieben werden, und die Spannungsänderung des Reserverstromversorgungs-Speicherkondensators über eine bestimmte Zeit hinweg beobachtet wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Messgenauigkeit nicht besonders hoch ist, und außerdem das Risiko besteht, die Airbags unbeabsichtigt zu zünden. Weiterhin ist es bekannt, eine Wechselspannung an den Reservestromversorgungs-Spannungskondensator anzulegen und die Phasenverschiebung zwischen dieser Spannung und dem Strom zu messen, um die Kapazitätsmessung durchzuführen. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen komplexen Schaltungsaufbau und kann die Gefahr des unbeabsichtigten Zündens der Airbags ebenfalls nicht beseitigen.
  • Das erfindungsgemäße Messverfahren benutzt den in 8 gezeigten Schaltungsaufbau und führt die Kapazitätsmessungen zu einem Zeitpunkt durch, in dem die Speicherkondensator-Spannung nahe Null ist, womit das Risiko des unbeabsichtigten Zündens der Airbags verhindert wird. Das Messverfahren führt eine Messung des in dem Reservestromversorgungs-Spannungskondensator fließenden Stroms aus, womit die Messgenauigkeit signifikant verbessert werden kann (die Messgenauigkeit des effektiven seriellen Widerstandes beträgt ungefähr 14,5 %, die Kapazitätsmess-Genauigkeit beträgt ungefähr 12,3 %, dabei wird angenommen, dass der ESR (Effective Series Resistance) = 500 mΩ, 8 Bit ADC.
  • Die höhere Messgenauigkeit ermöglicht es, einen billigeren Reservestromversorgungs-Speicherkondensator einzusetzen.
  • Um das erfindungsgemäße Messverfahren durchzuführen, bietet sich insbesondere die in 8 gezeigte Schaltungsanordnung an. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es, einen Mikrocontroller des Stromversorgungssystem (in 8 nicht gezeigt) zu aktivieren, um durch den Mikrocontroller gesteuerte Messungen vorzunehmen, bevor der Reservestromversorgungs-Speicherkondensator aufgeladen wird. Auf diese Weise kann einer unbeabsichtigten Zündung der Airbags vorgebeugt werden.
  • Wesentlich an der in 8 gezeigten Schaltungsanordnung ist, dass sowohl die Zündungsspannung (VIGN) als auch die durch den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator (C_BPS) gelieferte Spannung als Energiequellen dienen können, um den Satellitenumwandler und den Mikrocontroller mit Spannung zu versorgen (über die Dioden D4 und D5). Weiterhin ist es möglich, die Speicherkondensator-Spannung bei Null zu halten, während der Satellitenumwandler und der Mikrocontroller voll funktionsfähig sind. Damit können Messungen in einem "Sicherheitsmodus" durchgeführt werden.
  • Die in 8 gezeigte Schaltungsanordnung erlaubt weiterhin eine Begrenzung des Eingangsstroms. Weiterhin ist ein "Standby-Modus" möglich, wenn das Stromversorgungssystem dauerhaft mit der Fahrzeugbatterie verbunden ist, und der Benutzer sämtliche Gerätschaften abschalten will, um ein Entladen der Fahrzeugbatterie zu vermeiden. Der PMOS-Schalter ermöglicht es, die Speicherkondensator-Spannung jederzeit auf Null zu rückzufahren, womit große Leckströme bei hohen Temperaturen des Speicherkondensators vermieden werden können.
  • In herkömmlichen Stromversorgungssystemen (siehe 3a) ist es möglich, den Mikrocontroller unabhängig von dem Wert der Speicherkondensator-(C_BPS)-Spannung einzuschalten. Jedoch ist hier von Nachteil, dass ein sehr viel schlechteres ENC-Rating als in der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung auftritt, und es kann nicht verhindert werden, dass die Speicherkondensator-Spannung die Zündungsspannung erreicht. Andererseits sollte gewährleistet sein, dass der Mikrocontroller arbeiten kann, egal ob er von der Zündungsspannung oder der Speicherkondensator-Spannung mit Strom versorgt wird.
  • Die in 8 gezeigte Schaltungsanordnung nutzt die Vorteile der in 1 und 3b gezeigten Schaltungsanordnungen aus. Während der Aktivierungsphase ist der ENC nicht besonders gut, da ein hohes ΔI/ΔT auf der Zündungsleitung erzeugt wird aufgrund der Tatsache, dass die Zündungsleitung den Strom "sieht", der von dem Rückwärts-Umwandler kommt. Sobald jedoch der Boost-Umwandler aktiviert ist, verbessert sich das ENC signifikant, da der gesamte Strom zuerst durch den Boost-Umwandler fließt, der an seinem Eingang einen großen Filter-Induktor aufweist. Da die ENC-Tests normalerweise für statische Bedingungen ausgelegt sind, fällt das Rating signifikant besser aus.
  • Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Messverfahren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert werden.
  • In 9 sind mehrere Signalverläufe über die Zeit dargestellt. Zunächst werden die Signale VSAT und VCC auf einen hohen Wert gesetzt, um den Satelliten-Umwandler und den Mikrocontroller zu aktivieren. Sobald der Mikrocontroller ak tiviert ist, sendet dieser ein Signal BOEN an das Stromversorgungssytem, was bewirkt, dass Strom in den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator durch die Strombegrenzungsschaltung fließt. Zu diesem Zeitpunkt werden die gewünschten Messungen durchgeführt. Wenn die Spannung VBOOST die Spannung VIGN erreicht, beginnt der Boost-Umwandler zu schalten und zu boosten.
  • In 10 ist im Detail gezeigt, was während der Messung passiert. Eine erste Messung (A/D#1) wird durch den Mikrocontroller ausgeführt, bevor das Signal BOEN auf einen hohen Wert gesetzt wird, womit der Offset des analogen Ausgangs OA1 gemessen wird. Dann wird das Signal BOEN auf einen hohen Wert gesetzt, und unmittelbar danach wird das Aout-Pin nochmals gemessen (A/D#2). Diese Werte werden gespeichert. Nach ungefähr 10 Millisekunden führt der ADC eine dritte Messung aus (A/D#3). Nach 20 Millisekunden wird das Aout-Pin direkt mit dem IMEAS-Pin verbunden, um die Strommessung durchzuführen, und eine vierte Messung wird getätigt (A/D#4).
  • Durch die folgenden Gleichungen wird anschließend der effektive Serienwiderstand und die Kapazität ermittelt: I = (A/D#4)/R17 ESR = (A/D#2 – A/D#1)/I·Gain CBPS = (I·Δt·Gain)/(A/D#3 – A/D#2)
  • "Δt" bezeichnet hierbei die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten der Messwerte A/D#2 und A/D#3. "Gain" bezeichnet einen Verstärkungsfaktor eines Verstärkers nahe des Aout-Pins. R17 bezeichnet einen Referenz-Widerstand.
  • Diese Berechnungen werden in dem Mikrocontroller durchgeführt.
  • Das erfindungsgemäße Messverfahren nutzt die Eingangsstrom-Begrenzungs-Stromquelle und misst den Spannungssprung, der durch die Stromquelle hervorgerufen wird, was den ESR-Wert liefert. Weiterhin wird ausgenutzt, dass es möglich ist, Messungen durchzuführen, wenn die Speicherkondensator-(BPS)-Spannung nahe Null ist, da der Mikrocontroller bereits aktiviert ist. Damit werden geringe Risiken eingegangen und akkurate Messungen ausgeführt.
  • Im Folgenden sollen Details des erfindungsgemäßen Messverfahrens näher erläutert werden.
  • Variablenbezeichnung
    • IMismatch := % Abweichung zwischen PMOS M2 und parallelem PMOS mit einem Verhältnis von 100:1
    • R17 := 2.5 × 103 R17Acc := 3% externer Widerstandswert und Genauigkeit
    • OpAmpOffsett := 300 × 10–3 – 20 × 10–3 V Minimum des OpAmp-Ausgangs-Offsets
    • RNMOS := 20 ON-Widerstand des Power-Down-NMOS
    • ILeakage := 10·10–6 A maximaler Leckstrom in einem Pin
    • Noise := 2·10–2 V Rauschen auf der Leitung zwischen IC und ADC
    • ADC := 8 bit ADC-Auflösung
    • VCC := 5 VCCAcc := 2% Spannungsversorgung für ADC und Genauigkeit
    • Figure 00190001
      ADC-Spannungsauflösung
    • ICurSource := 0,1 ICurAcc := 30% Stromquelle und Genauigkeit
    • OpAmpGain := 15 Verstärkung des OpAmp
    • Re sDiVacc := 0,4% Verstärkungsfehler aufgrund der Abweichung des Widerstands
    • CER := 4,7 × 10–3 Reservestromversorgungs-Speicherkondensator
    • ΔT := 9 × 10–3 Zeit zwischen den ADC-Messungen 2 und 3
    • ESR := 0,1; 0,15 ... 1 effektiver Serienwiderstand des ER-Speicherkondensators
  • Erste Messung: OPamp-Offset
  • In diesem Schritt sind die Vboost- und IMEAS-Pins auf 0 V. Aufgrund von Leckströmen und einer limitierten Auflösung des ADC kann ein Fehler auftreten. Jedoch ist in dieser Zeitperiode Vboost geerdet mittels eines NMOS (ungefähr 20 Ohm).
  • Figure 00200001
  • Dieser Wert repräsentiert den Maximalfehler, der hinsichtlich der Offset-Messung auftreten kann
    Figure 00200002
  • Dies ist die entsprechende Genauigkeit der Offset-Messung, wobei die Ergebnisse zeigen, wie effektiv diese wirklich ist, um diese Messung bei einem äußerst ungünstigen Offset zu messen. In dieser Berechnung ist auch die Genauigkeit des VCC berücksichtigt, die in diesem Fall in Betracht gezogen wird, da angenommen wird, dass sich VCC während der unterschiedlichen Messungen nicht ändert.
  • Genauigkeit der zweiten Messung: ESR-Spannungsmessung und erste Speicherkondensator-Messung
  • Dieser Schritt besteht im Messen des Spannungssprungs aufgrund von ESR in dem Reservestromversorgungs-Speicherkondensator
    Figure 00210001
  • Genauigkeit der dritten Messung: Zweite Speicherkondensator-Spannungsmessung
  • In diesem Schritt wird die Spannungsänderung gemessen, die aus dem Aufladen des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators durch die Stromquelle resultiert
    Figure 00210002
  • Dieser Wert repräsentiert die Genauigkeit der dritten Messung
  • Genauigkeit der vierten Messung zur Strommessung
  • In diesem Schritt wird der Spannungsabfall über den Referenzwiderstand gemessen, um den Strom der Stromquelle akkurat zu messen
    Figure 00220001
  • Genauigkeit der Strommessung
  • Die Formel für den Strombegrenzungswert ist (ILimit):
    Figure 00220002
  • Damit beträgt die Genauigkeit dieser Messung: IMeasACC := VAout4Acc + IMismatch + VCCAcc + R17Acc IMeasAcc = 10,007
  • Dieser Wert repräsentiert die Genauigkeit der Strommessung. Um den tatsächlichen Wert des Stroms festzulegen, wird VAout4 dividiert durch den Wert des externen Widerstands.
  • Genauigkeit der ESR-Messung
  • Die Formel für den ESR-Wert lautet:
    Figure 00220003
  • Damit beträgt die Genauigkeit der ESR-Messung:
    Figure 00230001
  • Genauigkeit der ER-Kapazitätsmessung
  • Die Formel für den Kapazitätswert lautet:
    Figure 00230002
  • Damit beträgt die Genauigkeit der ER-Kapazitätsmessung:
    Figure 00230003
    • M1
    erster Leistungstransistor
    M2
    zweiter Leistungstransistor
    1
    Steuereinheit
    L
    Drosselspule
    C-BPS
    Reservestromversorgungs-Speicherkondensator
    2
    Schutzschaltung

Claims (6)

  1. Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen mit einem einen Reservestromversorgungs-Speicherkondensator (C_BPS) aus einer über eine Drosselspule (L) angeschlossenen Fahrzeugbatterie ladenden Boost-Wandler, einem die in dem geladenen Speicherkondensator (C_BPS) gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Batterieverbindung zu wenigstens einem Teil der Verbraucher leitenden Rückwärtswandler (Buck-Converter), sowie einer den Betrieb des Boost-Wandlers und des Rückwärtswandlers steuernden/regelnden Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Boost-Wandler und der Rückwärtswandler gemeinsam in einer Haupteinheit vorgesehen sind, die wenigstens aufweist: einen ersten und einen zweiten Leistungstransistor (M1, M2), die mit ihren Steuerelektroden mit der Steuereinheit und mit ihren gesteuerten Elektrodenstrecken in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung verbunden sind und wirkmäßig in Reihe zwischen der Drosselspule (L) und einer Elektrode des Speicherkondensators (C_BPS) liegen.
  2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reihenschaltung der gesteuerten Elektrodenstrecken der beiden Leistungstransistoren eine Schutzschaltung parallel geschaltet ist, die einen Strompfad zwischen der Drosselspule (L) und dem Speicherkondensator (C_BPS) bildet, wenn die Steuereinheit gleichzeitig die beiden Leistungstransistoren ausschaltet.
  3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leistungstransistoren MOS-Leistungstransistoren beziehungsweise DMOS- Leistungstransistoren und mit ihren Sourceelektroden zusammengekoppelt sind.
  4. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Temperatur-Steuer-/Regeleinheit, die eine Temperatur an beziehungsweise nahe den Leistungstransistoren ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur die Stärke des durch die Leistungstransistoren fließenden Stroms so regelt, dass die Temperatur einen bestimmten Wert beziehungsweise einen bestimmten Temperaturverlauf annimmt.
  5. Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen mit einem einen Reservestromversorgungs-Speicherkondensator (C_BPS) aus einer über eine Drosselspule (L) angeschlossenen Fahrzeugbatterie durch einen Strombegrenzer ladenden Boost-Wandler und einem die in dem geladenen Speicherkondensator (C_BPS) gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Batterieverbindung zu wenigstens einem Teil der Verbraucher leitenden Rückwärtswandler (Buck-Converter) sowie einer den Betrieb des Boost-Wandlers und des Rückwärtswandlers steuernden/regelnden Steuereinheit, gekennzeichnet durch eine Temperatur-Steuer-/Regeleinheit, die eine Temperatur an beziehungsweise nahe des Strombegrenzers ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur die Stärke des durch den Strombegrenzer fließenden Stroms so regelt, dass die Temperatur einen bestimmten Wert beziehungsweise einen bestimmten Temperaturverlauf annimmt.
  6. Verfahren zur Messung der Kapazität/des effektiven Serienwiderstands eines Reservestromversorgungs-Speicherkonden sators (C_BPS) in einem Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher in Fahrzeugen, wobei das System: – einen Boost-Wandler, der den Reservestromversorgungs-Speicherkondensator aus einer über eine Drosselspule (L) angeschlossenen Fahrzeugbatterie lädt, – einen Rückwärtswandler (Buck-Converter), der die in dem geladenen Speicherkondensator (C_BPS) gespeicherte Energie im Falle einer Unterbrechung der Batterieverbindung zu wenigstens einem Teil der Verbraucher leitet, und – eine den Betrieb des Boost-Wandlers und des Rückwärtswandlers steuernden/regelnden Steuereinheit aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aktivieren eines die Messung steuernden/durchführenden Mikrocontrollers, – Laden des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators (C_BPS), – Ausführen mehrerer Strom-/Spannungsmessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wobei wenigstens einige Strom-/Spannungsmessungen vor beziehungsweise in der frühen Aufladephase des Reservestromversorgungs-Speicherkondensators (C_BPS) durchgeführt werden.
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