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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur
Erkennung eines Kurzschluss und/oder einer Unterbrechung einer elektrischen
Leitung in einem Fahrzeug nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
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Aus
der
DE 43 082 80 A1 ist
bereits ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen
Verbindung zwischen einem Potentiometer und einer Auswerteelektronik
mit Hilfe einer rechteckförmigen Wechselspannung bekannt.
Es ist bekannt, dass die Intaktheit bzw. Funktionsfähigkeit
eines elektrischen Leiters dadurch geprüft werden kann,
dass er mit einer Konstantspannung beaufschlagt wird, welche zurückgemessen
wird (Konstantspannungsverfahren). Entspricht die zurückgemessene
Spannung nicht mehr dem Wert der Konstantspannung, so liegt ein Fehlerfall
vor, beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Leitungsunterbrechung.
Gibt es nun jedoch Störungen, die dieses Spannungspotenzial
beeinflussen, z. B. EMV-Einstrahlung, so ist die Falschpositiverkennung
eines Fehlers möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
haben dem gegenüber den Vorteil, dass die Intaktheit bzw.
Funktionsfähigkeit einer elektrischen Leitung auch dann
geprüft werden kann, wenn Störungen vorliegen.
So besitzen Leitungen abhängig von beispielsweise ihrer Länge
und Lage eine Antennenwirkung, die die Einkopplung von Störungen
möglich macht, beispielsweise durch EMV-Strahlung oder
durch parallel liegende Leitungen und Übersprechen. Erfindungsgemäß soll
nun ein Signalmuster in die Leitung eingebracht werden, welches
sich von potenziellen Störungen derart unterscheidet, dass
das Signalmuster trotz Störung noch erkennbar ist. Solange
dies der Fall ist, bedeutet das, dass die Leitung an und für
sich intakt ist, das heißt, keinen Kurzschluss, z. B. nach Masse
oder zur Batteriespannung hin, aufweist oder gar ein Leitungsabriss
bzw. eine Leitungsdurchtrennung erfolgt ist.
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Das
Signalmuster kann an verschiedenen Stellen, bzw. auch durch verschiedene
Komponenten in das System eingebracht werden. Genauso kann die Erkennung
des Signalmusters an verschiedenen Stellen, bzw. Komponenten im
System stattfinden.
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Durch
die in den abhängigen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen
Anspruch angegebenen Verfahrens bzw. Vorrichtung möglich.
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Vorteilhaft
ist die Verwendung eines zweistufigen PWM-Signals, das – nicht
zwingend, aber idealerweise – symmetrisch um eine Mittenspannung Ausschläge
ins Positive bzw. Negative aufweist, weil dadurch eine symmetrisch
Auswertung durchgeführt werden kann und schaltungstechnisch
eine einfachere Umsetzung möglich ist.
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Vorteilhaft
ist die Überlagerung mehrerer Signalmuster bzw. die Verwendung
eines Codes, beispielsweise einer klassischen PWM-Codierung von Bits,
die dann den entsprechenden Code darstellen. Die Wahl eines geeigneten
Codes dient dazu, die Wahrscheinlichkeit auf nahezu null zu minimieren, dass
eine potenzielle Störung trotz Leitungsdefekts zufällig
das Codemuster nachbildet.
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Vorteilhaft
ist die Aufmodulierung des erfindungsgemäßen Signalmusters
auf das bereits bekannte Konstantspannungsverfahren – diese
wurde bereits in der Würdigung des Standes der Technik
erwähnt – da zusammen mit diesem eine Redundanz bzw.
Plausibilisierung ermöglicht wird. Außerdem kann
hierdurch zwischen Kurzschlüssen und Leitungsabriss unterschieden
werden. Je nach schaltungstechnischer Realisierung würde
ohne diese Konstantspannung das Fehlerbild für einen Kurzschluss
bzw. manche Arten von Kurzschlüssen ohne Leitungsabriss
identisch aussehen.
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Vorteilhaft
ist die erfindungsgemäße Anwendung des Verfahrens,
insbesondere dann, wenn die Prüfung mittels des Konstantspannungsverfahrens bereits
durchgeführt wurde, diese einen Fehler meldet und das erfindungsgemäße
Verfahren zur Plausibilisierung Anwendung findet. Da das erfindungsgemäße
Verfahren möglicherweise eines höheren Aufwands,
insbesondere bei Realisierung mittels eines Mikrocontrollers eines
erhöhten Rechenbedarfs bedarf, ist die generelle Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens über
den gesamten Testzeitraum möglicherweise unerwünscht.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Leitung nicht zum Zwecke der Datenübertragung
dient, da das erfindungsgemäße Signalmuster die
Datenübertragung stören könnte. Für
den Fall, dass doch eine Datenübertragung gewünscht
ist, empfiehlt es sich, Maßnahmen zu ergreifen, dass das
Signalmuster die Datenübertragung nicht beeinflusst, beispielsweise
die Wahl eines unterschiedlichen Frequenzbereiches für das
Prüfungssignalmuster und die Daten. Auch sind unterschiedliche
Modulationsverfahren zwischen den Daten und dem erfindungsgemäßen
Signalmuster, bzw. andere Verfahren denkbar. Die Eignung des Verfahrens
für Leitungen, die der Energieübertragung dienen,
hängt von den Anforderungen an diese Übertragung
ab und der Wahl der elektrischen Parameter des Signalmusters. Denkbar
ist die erfindungsgemäße Prüfung durch
ein hochfrequentes Signalmuster, welches am Ende der Übertragungsstrecke durch
einen Tiefpass herausgefiltert wird, sofern das hochfrequente Signalmuster überhaupt
eine Störung des Systems bewirken würde. Ggf.
müssten für das Verfahren dann auch höhere
Leistungen verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen
des unabhängigen Anspruchs hat Vorteile entsprechend den
Vorteilen des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Vorteilhafterweise
wird das Signalmuster durch Verstimmen bzw. Schalten eines Elements
eines Spannungsteilers erzeugt. Der Schaltungsaufbau des Konstantspannungsverfahrens
kann so im wesentlichen beibehalten werden und erlaubt eine einfache
Kombination beider Verfahren. Jedoch ist das erfindungsgemäße
Verfahren auch für sich alleine oder mit anderen Verfahren
kombiniert anwendbar. Auch muß die Einspeisung, bzw. Modulation nicht
zwingend mittels eines Spannungsteilers erfolgen.
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Vorteilhafterweise
kann durch die Realisierung mithilfe einer Brückenschaltung
und der damit gegebenen Symmetrie, bzw. Teilsymmetrie ein redundantes
Auswerteverfahren hergestellt werden, das der Plausibilisierung
dient, um Falschpositiverkennungen zu vermeiden. Dabei stellt die
zu überprüfende bzw. überwachende Leitung
den Brückenzweig der Brückenschaltung dar. Weiterhin
ist vorteilhaft, dass so zwischen Kurzschlüssen und Leitungsabriss unterschieden
werden kann. Beispielsweise kann über die im Ausführungsbeispiel
verwendeten Fensterkomparatoren herausgefunden werden, ob erstens
ein Kurzschluss nach Masse vorliegt, das ist der Fall, wenn beide
Komparatoren ihre untere Schwelle unterschreiten, oder zweitens
einen Kurzschluss nach einer Up-Spannung, beispielsweise der Batteriespannung
vorliegt, das ist der Fall, wenn beide Komparatoren ihre obere Schwelle überschreiten oder
drittens der Fall der Leitungsunterbrechung eingetreten ist, das
ist der Fall, wenn einer der Fensterkomparatoren seine untere Schwelle
unter- und der andere seine obere Schwelle überschreitet.
Die Brückenschaltung darf hierbei nicht abgestimmt sein,
da sonst über den Brückenzweig kein Stromfluss
stattfinden würde und ein Leitungsabriss somit nicht erkannt
werden würde, da sich das Spannungspotenzial nicht ändern
würde. Der geringe Stromfluss – von in einem bestimmten
Ausführungsbeispiel von beispielsweise 2 bis 5 mA – bietet
gleichzeitig einen Korrosionsschutz an den Übergangskontakten.
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Vorteilhafterweise
ist eine Einspeisung der Konstantspannung und die Rückmessung
auch am selben Leitungsende möglich, ggf. kann so eine
zusätzliche Messleitung zum anderen Ende für einen Abgriff
eingespart werden, wenn am anderen Ende lediglich der andere Spannungsteiler
der Brückenschaltung verbaut wird. Für das erfindungsgemäße Signalmuster
gilt dies nur eingeschränkt, da der Code im Falle gleichseitiger
Einspeisung und Messung erkennbar bliebe, das Signalmuster hätte
nur eine andere Amplitude, aufgrund der abgerissenen Verbindung
zur anderen Brückenhälfte (zum Spannungsteiler).
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Vorteilhafterweise
wird die Brückenschaltung kreuzsymmetrisch angeordnet,
wodurch sich die Mittenspannung zwischen Up-Spannung und Masse ausprägt
und weiterhin die Elemente zur Auswertung, wie beispielsweise die
Komparatorschaltung und die Werte eines möglichen Widerstandsnetzwerks
symmetrisch ausgelegt werden können und sich dadurch ggf.
Synergien im Schaltungsaufbau ergeben.
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Die
erfindungsgemäße Modulierung wird demnach durchgeführt,
indem die Widerstände einer Halbbrücke symmetrisch
beeinflusst werden.
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Der
Umgang mit Spannungen in den Vorteilen und Ausführungsbeispielen
ist nicht einschränkend, genauso kann das Verfahren auch
mit anderen elektrischen Parametern praktiziert werden, beispielsweise
mit Strom. Hierbei würde das Signalmuster mittels eines
Stromes eingeprägt und dieser zurückgemessen und
ausgewertet anstatt einer Spannung. Elektrotechnisch wird sich aber
die Spannung in der Regel als der geeignete Parameter herausstellen.
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Begriffserläuterungen
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Eine
(elektrische) Leitung ist ein physikalisches Medium zur Übertragung
elektrischer Ströme und Spannungen. Elektrische Leitungen
bestehen aus elektrischen Leitern, in der Regel Kupfer oder Aluminium,
sowie isolierenden Umhüllungen oder Aufhängungen.
Umhüllte Leitungen werden auch als Kabel bezeichnet. Im
Gegensatz zu Leiterbahnen auf Leiterplatten, Stromschienen und Hohlleitern
sind elektrische Leitungen oft zumindest geringfügig beweglich
und überwinden signifikante Entfernungen. Der Begriff elektrische
Leitung ist jedoch nicht scharf abzugrenzen. Als Leitung im Sinne
der Erfindung gelten auch elektrisch leitende Leitungsabschirmungen.
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Ein
Signal enthält im allgemeinen eine Bedeutung und kann zur Übertragung
einer Nachricht genutzt werden. Im Sinne der Erfindung ist ein sogenanntes
elektrisches Signal gemeint, als welches man die zeitabhängige
Variation einer elektrischen Größe (Strom oder
Spannung) auf einer Leitung bezeichnet. Das elektrische Signal dient
in der Regel zur Übertragung von Informationen in analoger
oder digitaler Form (z. B. Sensorspannungen, Motoransteuerung, Leitungscodes
zur digitalen Datenübertragung etc.). Wird ein Signal zur
Auswertung von Information genutzt, nennt man es Nutzsignal. Behindert
es die Übertragung nützlicher Information, so heißt
es Störsignal: In diesem Fall enthält es selbst keine
verwertbare Information. Ein Signal als allgemeinerer Begriff kann
auch beide Komponenten beinhalten.
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Im
speziellen kann ein sogenanntes digitales Signal vorkommen, das
die Menge {0,1} bzw. die Wahrheitswerte {wahr, falsch} oder die
Zustände {an, aus} abbildet. Über Tupel, d. h.
Bitfolgen, von elementaren digitalen Signalen kann jede Form von
digitalen Daten kodiert werden. Der Begriff Muster bezeichnet allgemein
gleichbleibende Merkmale, die einer sich wiederholenden Sache zugrundeliegen,
die zur gleichförmigen Wiederholung (Reproduktion) bestimmt
sind. Die Darstellung der digitalen Werte geschieht über
Signalmuster.
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Mit
dem Begriff Code wird eine digitale Zeichenfolge bezeichnet, die
dem erfindungsgemäßen Zweck dient. Bei der Wahl
der Zeichenfolge empfiehlt es sich, diese so zu wählen,
dass eine mögliche Störung nur möglichst
unwahrscheinlich diese Zeichenfolge nachbilden kann und somit eine
Falsch-Positiv Erkennung auslöst. Abhängig von
der Signalcodierung sind beispielsweise für eine einfache
PWM-Codierung dauerhafte 0 oder 1-Folgen ungeeignet. Möglicherweise
ist gleichmäßiges Alternieren zwischen 0 und 1
wenig zweckmäßig, da eine gleichphasig oszillierender
Störeinfluss zum selben Ergebnis führen könnte.
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Das
Ergebnis eines Tests ist falsch positiv, wenn fälschlicherweise
angezeigt wird, das gesuchte Ergebnis sei gefunden. Jede Art von
Algorithmus, der etwas nachweisen soll, hat eine Tendenz solche
Fehlalarme zu produzieren.
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Die
Modulation beschreibt in der Nachrichtentechnik einen Vorgang, bei
dem ein zu übertragendes Nutzsignal (der Informationsträger)
in ein sogenanntes Trägersignal verändert (moduliert)
und damit in ein, für die Übertragung über
ein bestimmtes Medium, geeignetes Frequenzband umgesetzt wird. Auch
eine Konstantspannung ist als Träger möglich. Anhand
der übertragbaren Eingangssignale unterscheidet man zwischen
analogen und digitalen Modulationsverfahren.
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Eng
verwandt mit der digitalen Modulation ist die Leitungscodierung,
die eine Anpassung eines digitalen Nutzsignals an einen Übertragungskanal,
hier eine Leitung, zur Aufgabe hat, dabei aber keine Umsetzung vom
Basisband in ein höheres Trägerfrequenzband vornimmt.
Der Leitungscode bzw. -kode legt bei der digitalen Kommunikation
fest, wie ein Signal auf der physikalischen Ebene übertragen
wird. Dabei werden bestimmte Pegelfolgen, etwa Lichtintensitäten
auf Glasfasern oder Spannungen oder Ströme auf elektrischen
Leitungen, binären Bitsequenzen im Datenstrom zugeordnet.
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Ein
Modul ist eine Komponente einer Software und/oder Hardware, bestehend
aus einer Folge von Verarbeitungsschritten und Datenstrukturen.
Inhalt eines Moduls ist häufig eine wiederkehrende Berechnung
oder Bearbeitung von Daten, die mehrfach durchgeführt werden
muss. Sie dient der Ausführung einer bestimmten abgeschlossenen
Funktion, kann selber aber in der Realisierung isoliert auftreten
oder auch integriert, beispielsweise als Hardwarebestandteil in
einem Steuergerät oder als Softwaremodul in einem Prozessor.
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Der
Begriff Einheit wird vorliegend synonym mit dem Begriff Modul, bzw.
Komponente verwendet.
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Eine
Brückenschaltung oder H-Schaltung (auch H-Brücke)
bezeichnet eine elektrische Schaltung, bei der in der Grundform
fünf Zweipole in Form des Großbuchstabens H zusammengeschaltet
sind. Die Querverbindung heißt Brückenzweig. Eine
Brückenschaltung aus Widerständen kann man als
Parallelschaltung zweier Spannungsteiler interpretieren, zwischen
deren Ausgangsklemmen der Brückenzweig liegt. Der Vorteil
der Brückenschaltung gegenüber einem einzelnen
Spannungsteiler besteht darin, dass man die Spannung und den Strom
im Brückenzweig je nach Einstellung der Widerstände nicht
nur in der Höhe sondern auch in der Polarität verändern
kann. Hierbei wird bei Brückenschaltungen zwischen Viertel-(ein
Widerstand variabel), Halb-(zwei Widerstände variabel)
und Vollbrücken (vier Widerstände variabel) unterschieden.
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Der
Leitungszustand unterteilt sich in gut (= funktionsfähig)
und schlecht (nicht funktionsfähig). Letzterer kann verursacht
sein durch Kurzschlüsse, insbesondere nach Masse oder einer
Up-Spannung (z. B. der Versorgungsspannung) sowie Openload-Zuständen,
beispielsweise verursacht durch das Durchtrennen, Abriss, Demontage,
Beschädigung oder Korrosion der Leitung oder Kontaktverbindungen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 den
erfindungsgemäßen Verfahrensablauf,
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2 ein
mögliches Testsignal mit Komparatorgrenzen,
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3 die Übertragung
eines Signalmusters,
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4 eine
schematische Grundvorrichtung,
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5 die
erfindungsgemäße Vorrichtung mittels einer Brückenschaltung,
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6 ein
Hardwarekonzept, in dem das erfindungsgemäße Verfahren
bzw. Vorrichtung integriert ist mit dem bekannten Konstantspannungsverfahren
und einer geeigneten Diagnosefunktionalität.
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In
der 1 ist der Verfahrensablauf gezeigt in der Ausprägung,
dass das erfindungsgemäße Verfahren erst dann
angewandt wird, wenn das bekannte Konstantspannungsverfahren einen
Fehler meldet. Meldet dieses eine Abweichung von der Sollspannung 11,
wird ein Signalmuster aufgeschaltet bzw. aufmoduliert oder anstelle
der Konstantspannung verwendet 12. Das Signalmuster wird
zurück gemessen 13 und geprüft, ob der übertragene
Code bzw. das Signalmuster noch erkennbar ist 14. Meldet auch
dieses Verfahren einen Fehler 16, so können entsprechende
Maßnahmen durchgeführt werden, die das Auslösen
eines Personenschutzsystems oder das adaptive Anpassen von Auslöseparametern für
ein solches 15 bewirken. Ist der Code hingegen noch erkennbar 17,
so ist von der Auslösung einer Schutzvorrichtung für
den Leitungsabriss abzusehen, alternativ können stattdessen
andere Maßnahmen eingeleitet werden, einfacher Weise beispielsweise
eine fortlaufende Überwachung mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren, wie es im Zweig 17 dargestellt ist.
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In 2 ist
ein Testsignal dargestellt, in diesem Fall ein zweistufiges PWM-Signal.
Hier ist ein Konstantspannungsniveau von 6 Volt angenommen, um das
das PWM-Signal um 1 Volt auf maximal 7 bzw. minimal 5 Volt schwankt 22.
Wie dieses Signal möglicherweise generiert werden kann,
ist in 5 dargestellt. Der wenigstens eine Komparator
prüft nun, ob das Signal innerhalb der Grenzen 23 in
diesem Beispiel 4 bzw. 8 Volt bleibt. Die Grenzen des Komparators
können beispielsweise durch ein Widerstandsnetzwerk mit
den Werten C, D und E 24, analog zur 5,
erzeugt werden. Im Falle eines Kurzschluss der zu testenden Leitung
nach Masse, würde die untere Grenze bei 4 Volt unterschritten,
im Falle eines Kurzschluss nach beispielsweise Batteriespannung
wird die obere Schwelle von 8 Volt überschritten und der
Komparator gibt eine entsprechende Meldung. Da mögliche
Störungen diese Signale überlagern können,
müssen die Komparatorschwellen so gewählt werden,
dass die Signalpegel des Testsignals plus die Störsignal
nicht zu einer Auslösung führen. Dies ist im Einzelfall
bei der Entwicklung des jeweiligen Systems abzuschätzen.
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In 3 ist
ein Beispiel für eine Signalmusterübertragung
dargestellt. So wird auf der einen Seite der zu testenden Leitung
ein Signalmuster 31 eingespeist, welches durch Störungen
oder Verschleifungen verzerrt wird und beispielsweise zu einem Signal 32 mutiert.
Beispielhaft ist hier grafisch dargestellt, ein verschleiftes Signal,
bei dem der Code noch erkennbar ist und somit gezeigt werden kann,
dass die entsprechende Leitung noch intakt ist.
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In 4 ist
die erfindungsgemäße Basisvorrichtung gezeigt.
In die zu prüfende Leitung 41 wird ein Signalmuster 42 eingespeist
und auf der anderen Seite abgegriffen 43. Es existiert
eine Auswertevorrichtung 44, die prüft, ob der
Code noch erkennbar ist. Praktischerweise kann die Auswertevorrichtung mit
Hilfe eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers realisiert werden,
der gleichzeitig die Einspeisung bzw. Generation des Testsignals
initiiert und andererseits das zurück gemessene Signal
auswertet, da er ja direkt den Vergleich mit dem gesendeten durchführen
kann.
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In 5 ist
eine Vorrichtung gezeigt, die die Erfindung mittels einer Brückenschaltung
realisiert. Die zu prüfende Leitung 51 stellt
dabei den Brückenzweig dar. Die Widerstände 52 prägen
auf die zu prüfende Leitung 51 ein bestimmtes Spannungsniveau
ein. In der gezeigten Anordnung einer symmetrischen Brückenschaltung
beträgt die eingeprägte Spannung den Mittelwert
zwischen der Up-Spannung 55, beispielsweise der Batteriespannung,
und der Bezugsspannung, in der Regel der Masse 56. Zur Überprüfung
existieren wenigstens ein Fensterkomparator 54, dessen
Fenstergrenzen bzw. Spannungswerte beispielsweise über
ein Widerstandsnetzwerk 53 eingestellt wird. Die Komparatorgrenzen
müssen nicht zwingend über konstante Widerstände
fest vorgegeben werden, sondern können auch anderweitig, beispielsweise
dynamisch über Kennfelder festgelegt werden.
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In
anderen denkbaren Ausführungsformen können die
hardwaretechnisch eigenständigen Fensterkomparatoren auch
durch Schaltungen aus Standardkomparatoren ersetzt werden, oder
alternativ auch unter Zuhilfenahme wengistens eines Mikroprozessors
realisiert werden. Die Einstellung des Widerstandsnetzwerks 53 können
dann ggf. auch über Software, bzw. Konfiguration erfolgen.
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Wie
aus 2 auch ersichtlich, sollten die Widerstandswerte
so gewählt werden, dass im Fehlerfalle, das heißt
Kurzschluss bzw. Leitungsabriss, diese Grenzen über- bzw.
unterschritten werden. Beispielsweise würden sich für
die Widerstände folgende Werte eignen: A = 1 kΩ,
B = 3 kΩ, C, D, E = 1 kΩ. Das führt bei
einer angenommenen Up-Spannung, einer Batterieversorgungsspannung
von beispielsweise 12 Volt, dazu, dass die Komparatorgrenzen im unteren
Fall bei 4 Volt, im oberen Fall bei 8 Volt zum Liegen kommen. Bei
einem Kurzschluss würden diese Grenzen ohnehin über-
bzw. unterschritten werden, bei einem Leitungsabriss jedoch wirkt
nur noch eine Seite der Brücke wie ein Spannungsteiler
und führt bei einem Verhältnis von 1:3 bzw. auf
der anderen Seite der Brücke wäre das 3:1, zu
einem Spannungsniveau von 9 Volt bzw. auf der anderen Seite 3 Volt,
auf der zu prüfenden Leitung 51 und würde
somit die Komparatorschwellen durchbrechen. Bei dieser intelligenten
Anordnung ist es sogar unerheblich, an welcher Stelle der Leitung 51 der
Komparator das Signal misst. Dies gilt jedoch nur für das
Konstantspannungsverfahren.
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Erwartetes
Fehlerbild im obigen Beispiel für Abriss bei Verwendung
eines Komparators auf jeder Seite der zu überwachenden
Leitung:
Komparator 54a: Unterschreiten der unteren
Grenzschwelle (4V)
Komparator 54b: Überschreiten
der oberen Grenzschwelle (8V)
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren der Aufmodulierung
eines Signalmusters empfiehlt es sich, zur Modulation einen, zwei
oder ggf. auch vier Elemente der Brückenschaltung zu verstimmen,
also sozusagen durch eine Voll-, Halb- bzw. Viertelbrücke zu
realisieren. Im genannten Beispiel werden die Widerstände
in einer Halbbrücke asymmetrisch, wechselweise verstimmt,
d. h. entweder den Widerstand A1 oder den Widerstand A2, um das
mehrstufige Signal 21 zu generieren, wie in 2 dargestellt.
Alternativ könnten auch die Widerstände B1 und
B2 wechselweise verstimmt werden. Bei der Auslegung ist darauf zu
achten, dass diese Verstimmung nicht dazu führt, die Komparatorgrenzen
zu über- bzw. unterschreiten. Entsprechend müsste
das Widerstandsnetzwerk 53 ausgelegt werden (siehe Beschreibung 2).
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Bei
einem Kurzschluss jeglicher Art verhält sich das System
genauso wie bei einer reinen Konstantspannungsprüfung.
Im Falle des Leitungsabrisses würde an einem Komparator 54 im
genannten Beispiel nur eine Halbwelle des Signals, wie in 2 dargestellt,
ankommen, welche um einen Betrag, abhängig von den Werten
der Widerstände 52 und 53 verschoben
ist. Welche Halbwelle das ist, hängt davon ab, auf welcher
Seite der Leitung, an welchem Ende des Brückenzweigs also,
der Komparatorabgriff stattfindet. Das heißt, auch bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Leitungsabriss
detektiert werden, unabhängig von der Stelle des Komparatorabgriffs,
solange die Verstimmung auf beiden Seiten der Brücke erfolgt.
Im Falle einer Viertelbrücke beispielsweise, würde
man in jedem Fall am anderen Ende als dem der Einspeisung/Verstimmung
der zu prüfenden Leitung einen Komparatorabgriff benötigen.
Die Verwendung mehrerer Komparatoren kann darüber hinaus
auch zur Plausibilisierung der Ergebnisse und der Funktionsfähigkeit
der Komparatoren selber dienen.
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Der
erfindungsgemäße Gedanke ist theoretisch auch
durch andere Bauelemente als Widerstände realisierbar.
Für den erfindungsgemäßen Gedanken ebenfalls
unerheblich ist die Art der Verstimmung eines oder mehrerer Elemente
der Brückenschaltung. Ob nun Teilwiderstände geschaltet,
einem Potentiometer ähnlich kontinuierlich verstellbar,
oder mit zusätzlichen Lasten gearbeitet wird, ist unerheblich.
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In
der 6 ist eine Vorrichtung gezeigt, die exemplarisch
dazu dienen kann, in einem Kraftfahrzeug das Durchtrennen einer
stromführenden Leitung, in diesem Fall einer Batterieversorgungsleitung,
zu erkennen. Ein Durchtrennen dieser Leitung, beispielsweise wenn
diese am Unterboden verbaut ist und das Fahrzeug auf einem Gegenstand
aufsetzt, soll dadurch erkannt werden, dass ein um die Versorgungsleitung
angebrachter Leitungsschirm 601 durch das erfindungsgemäße
Verfahren geprüft wird. In einem denkbaren Anwendungsfall
möchte man vermeiden, dass die Batterieleitung aufgescheuert
wird und durch entstehenden Funkenflug, beispielsweise eine gleichzeitig
beschädigte Benzinleitung, bzw. das austretende Benzin
entzündet wird. Als Maßnahme in diesem Fall kann
beispielsweise das Absprengen einer Batterieklemme und somit unmittelbare
Spannungsfreiheit im System durchgeführt werden. Der Leitungsschirm 601,
dient in diesem speziellen Anwendungsfall nicht der Daten- oder Energieübertragung,
sondern ist für das erfindungsgemäße
Verfahren vorgesehen. Die Schaltung aus 5 ist hier
in 6 integriert. Die Widerstände der Brücke
sind durch 602, das Widerstandsnetzwerk für die
Komparatorschwellen durch 603, die Komparatoren durch 604,
die Messzuleitung zu den Komparatoren durch 621, die obere
Komparatorgrenze durch das Potenzial auf Leitung 622, die
untere durch das Potenzial auf 623 dargestellt.
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Die
Verschaltung des Anwendungsbeispiels in 6 geht aus
der Zeichnung hervor, im Folgenden wird nun auf die Signalwirkzusammenhänge
eingegangen. Die Ergebnisse der Komparatoren 604 werden
in einem UND-Gatter 605 zusammengeführt, um die
Komparatorergebnisse auf Plausibilität zu prüfen.
Alternativ wäre an dieser Stelle auch eine Auswerteschaltung
denkbar, die die Art des Fehlers, das heißt ein Kurzschluss
oder einen Abriss einer Leitung oder auch welche Art eines Kurzschluss
ermittelt. Der Fehlerzustand wird im Flip-Flop-Register 606 festgehalten
und über ein ODER-Gatter 607 wird sichergestellt,
dass entweder direkt das Signal der Komparatoren oder das gespeicherte
Signal des Flip-Flops als Fehlermeldung bereitgestellt wird. Das Flip-Flop 606 dient
dazu, im Fehlerfall den Fehlerzustand über einen längeren
Zeitraum aktiviert zu lassen, da manche Personenschutzsysteme 611 eine gewisse
Zeit lang benötigen, um auszulösen. Alternativ
bzw. zusätzlich ist hier auch eine Schaltung denkbar, die
auswertet, wie lange das Fehlersignal von den Komparatoren anliegt. Über
das später erläuterte UND-Gatter 608 wird
das Signal an eine Highside-Endstufe geleitet, und die Aktivierung
dieses führt im Normalfall zur Auslösung des Personenschutzsystems 611,
beispielsweise einem Zündelement zum Absprengen der Batterieklemme.
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Im
Ausführungsbeispiel ist noch eine Vorrichtung dargestellt,
die das Personenschutzsystem auch über einen anderen Pfad
auslösen kann. Ausgehend von einem Safety-Controller 614 könnte über Firing-Loop-ICs 612 und 613 eine
Ansteuerung stattfinden. Dies kann beispielsweise in einem Airbag-Steuergerät
sinnvoll sein, um im Rahmen der Auslösung eines Airbags
auch die Batterieklemmen abzusprengen. Um die Energieversorgung
für eine gewisse Zeit auch bei abgesprengter Batterieklemme aufrecht
zu erhalten, ist noch eine Energiereserve 615 vorgesehen.
Diese kann technisch beispielsweise durch einen Kondensator realisiert
werden. Zusätzlich hat der Safety-Controller 614 noch
die Möglichkeit, über einen Ansteuerpfad die Lowside-Endstufe 610 über
den Schalter 616 freizugeben oder zu verriegeln. Eine Verriegelung
ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn Fahrsituationen auftreten,
in denen eine Batterieabsprengung nicht erfolgen soll.
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In
dem Ausführungsbeispiel sind die Endstufen 609, 610 mit
diskreten Bauelementen ausgeführt. Eine alternative Ansteuerung
unter Zuhilfenahme der FLICs 612, 613 statt der
Endtufen 609, 610 ist auch denkbar, eine Trennung
ist jedoch vorteilhaft, da so 2 Hardwarepfade zur Auslösung
realisiert sind. Andernfalls müsste das Sicherheitskonzept
geändert werden.
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Die
Einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens 630 (Durchführungseinheit) kann idealer
Weise durch einen Mikrocontroller realisiert werden. Dieser kann
beispielsweise über digitale Ausgänge die Schalter 631 ansteuern
und dadurch das modulierte Signal bzw. Signalmuster erzeugen, derart,
dass ein Code übertragen werden kann, der sich von einer
potenziellen Störung möglichst stark unterscheidet.
Zur Generierung des in 2 dargestellten Signalmusters
wird der eine Schalter zur Erzeugung der oberen Halbwelle des PWM-Signals
und der andere Schalter zur unteren Halbwelle des PWM-Signals angesteuert.
Ob die Abfolge von Halbwellen bzw. PWM-Signalen oder auch anderen
Signalmustern korrekt erfolgt ist, kann über die Kanäle 632,
die beispielsweise an ADC-Eingängen eines Mikrocontrollers 630 angeschlossen
sind, überprüft werden.
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Bei
Ansteuerung der Schalter 631 muss sich folglich über
die Spannungsteilerverhältnisse von 602 das korrekte
Signalmuster ausbilden. Ist der Brückenzweig, also die
zu testende Leitung 601 nun durchtrennt, so ist, wie schon
in 5 beschrieben, an jedem der beiden ADC-Kanäle
nur jeweils eine der Halbwellen sichtbar. Die Durchführungseinheit 630 muss
nicht als abgeschlossene Einheit für sich stehen, sondern
kann Teil einer größeren Vorrichtung sein, beispielsweise
einem Mikrocontroller, der gleichzeitig noch andere Aufgaben übernimmt,
beispielsweise auch der Hauptcontroller eines Airbag-Steuergeräts.
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Es
ist zusätzlich optional noch ein weiteres Signal 633,
angeschlossen an einen ADC-Kanal, denkbar, der der Durchführungseinheit 630 darüber Aussage
geben kann, ob die Komparatoren 604 einen Fehler des Konstantspannungsverfahrens
erkannt haben. Dies kann dazu dienen, dass die Durchführungseinheit
erst dann mit der Anwendung bzw. der Berechnung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beginnt, wenn ein möglicher Fehler erkannt wird,
vorteilhafterweise dann, wenn die Einheit 630 sich Ressourcen
teilen muss, beispielsweise wenn die Funktionalität in
einem Gesamtmikrocontroller integriert ist.
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Für
das in 6 dargestellte Gesamtsystem soll noch das Verfahren
bzw. die Vorrichtung für die Diagnose dargestellt werden:
Die Diagnosefunktionalität kann mehrere Elemente beinhalten,
bei denen es allesamt aber darauf ankommt, das Personenschutzsystem 611 nicht
wirklich anzusteuern, da während der Durchführung
der Diagnose kein Ernstfall vorliegt. Das ist z. B. in der Initialisierungsphase des
Steuergeräts, beim Spannungsgrundtest, beim Zündtest
oder beispielsweise auch bei der Testsequenz für die Batterieleitungsdiagnose
der Fall.
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Es
existiert eine Diagnoseeinheit 640, die nicht von der Durchführungseinheit 630 getrennt
sein muss, sondern beispielsweise auch in einem gemeinsamen Mikrocontroller
mittels Software realisiert sein kann. Ausgehend von der Diagnoseeinheit 640, die
einen Überblick über die Diagnoseaktivitäten
hat bzw. diese selber durchführt, wird beispielsweise folgender
Test durchgeführt: Es können Schalter 641 aktiviert
werden, die das Widerstandsnetzwerk 602 für die
Komparatorgrenzen derart überbrücken bzw. verstimmen,
dass die Auslösegrenzen so gesetzt sind, dass auch ohne
Vorliegen eines Fehlers an der Leitung 601 die Komparatoren
ausgelöst werden. Auf diese Weise kann der Fehlerpfad von 604 bis 608 auf Funktionsfähigkeit
getestet werden. Um nun ein tatsächliches Ansteuern der
Highside-Endstufe 609 zu vermeiden, wird das UND-Gatter 608 durch
die Diagnoseeinheit 640 gesperrt. Sollten sich in einem
möglichen Fehlerfall die Signale 632 und 633 gegenseitig plausibilisieren,
so gibt auch 640 über 642 sowohl das
UND-Gatter 608 als auch die Lowside-Endstufe 610 frei,
so dass das Personenschutzsystem 611 aktiviert werden kann.
Ein direkter Ansteuerpfad des Flip-Flops 606 ermöglicht
auch den Test des selbigen. Um sicherzugehen, dass das UND-Gatter 608 nicht
fehlerhaft ist und ggf. auch ohne Anliegen einer Freigabe 642 die
Highside-Endstufe ansteuert und somit tatsächlich zu einer
Auslösung des Personenschutzsystems 611 gereicht,
wird die Lowside-Endstufe 610 über das ODER-Gatter 643,
das also dann aktiv ist, wenn eine der Diagnoseschalter 641 aktiviert
sind, und somit den Schalter 644 verriegelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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