DE102010031253A1

DE102010031253A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überspannungserkennung

Info

Publication number: DE102010031253A1
Application number: DE201010031253
Authority: DE
Inventors: Thomas Schindhelm; Stefan Franek
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überspannungserkennung an den Anschlüssen von steuerbaren Leistungsschaltern eines Kfz-Steuergeräts und zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, bei dem die Versorgungsspannung gemessen wird, bei dem der Leistungsschalter abhängig von der gemessenen Versorgungsspannung derart angesteuert wird, dass der elektrischen Antrieb bis zu einem Erreichen einer ersten Überspannungsschwelle die volle Funktion aufweist, dass der elektrische Antrieb ab einer zweiten Überspannungsschwelle sofort abgeschaltet wird und dass der elektrische Antrieb im Bereich zwischen der ersten Überspannungsschwelle und der zweiten Überspannungsschwelle eine eingeschränkte Funktion aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überspannungserkennung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überspannungserkennung an den Anschlüssen von steuerbaren Leistungsschaltern eines Kfz-Steuergeräts und zum Betreiben eines elektrischen Antriebs.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Steuergeräte sind eingebettete Systeme, die im Kraftfahrzeugbereich in vielen elektronischen Bereichen eingesetzt werden, um elektrische Maschinen, Anlagen und sonstige technische Prozesse zu steuern. Derartige Kfz-Steuergeräte steuern typischerweise Leistungsschalter derart an, um entsprechende Lasten, wie etwa einen Fensterhebermotor, Glühlampen und dergleichen, zu betreiben. Die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik wird nachfolgend mit Bezug auf einen Überspannungsschutz der Leistungsschalter zum Ansteuern von Fensterhebermotoren beschrieben, jedoch ohne die Erfindung dahingehend zu beschränken.
Leistungsschalter sind typischerweise für einen vorgegebenen Leistungsbereich ausgelegt. Bei Überschreiten einer Strom- und/oder Spannungsschwelle, die je nach Leistungsschalter verschieden sein kann, kann dieser Leistungsschalter in seiner Funktion beeinträchtigt werden und im Extremfall auch funktionsunfähig werden. Besonders kritisch ist dies, wenn beim Schalten am Lastpfad des Leistungsschalters die hohen Ströme fließen und/oder Spannungen anliegen. Bei zu hohen Spannungen werden die Leistungsschalter daher durch das Kfz-Steuergerät ausgeschaltet, um neben der Zerstörung des Leistungsschalters auch eine Schädigung der entsprechend von dem Leistungsschalter gesteuerten elektrischen Anlage zu verhindern.
Aus diesem Grunde weist ein Steuergerät typischerweise einen analogen oder digitalen Spannungsmesser auf, um die Höhe der Versorgungsspannung zu erfassen. Der Vorteil einer digitalen Spannungsmessung liegt in deren mechanischen Unempfindlichkeit, Betriebsmöglichkeit in allen räumlichen Lagen und in den geringen Herstellungskosten. Allerdings ist die Spannungsmessung in Kfz-Steuergeräten, abhängig von dem für die Messung verwendeten Schaltungsaufwand, jeweils nur mit einer bestimmten Genauigkeit, typischerweise im Bereich von ±5%, möglich. Damit ergibt sich für die Spannungsmessung ein Toleranzbereich, innerhalb dessen mit einer Erkennung einer Überspannung gerechnet werden kann. Eine Schwelle für die Erkennung einer Überspannung muss also so hoch gewählt werden, dass selbst bei Spannungsmessern mit niedrigerer oder hoher Toleranz eine sichere Erkennung einer Überspannungsschwelle möglich ist und dennoch die Funktion der Schaltung aufrecht erhalten bleibt.
Bei Fensterhebermotoren existiert die besondere Problematik des so genannten mechanischen Blocks, bei dem der Fensterhebermotor die Fensterscheibe bis an einen oberen Anschlag bewegt hat. Hier fließt am Fensterhebermotor kurzzeitig der höchste Strom, der so genannte Blockstrom. Diese kurzzeitig auftretenden hohen Ströme können, sofern sie eine bestimmte Schwelle überschreiten, den Leistungsschalter zerstören. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Moment des Auftretens eines Blocks mit dem Moment des Auftretens einer Spannungsspitze zusammentrifft. Zum Schutz des Leistungsschalters existiert daher insbesondere bei Fensterhebermotoren eine maximale obere Schaltschwelle, welche ein definiertes Ausschalten des Leistungsschalters zum Ansteuern des Fensterhebermotors gewährleisten soll.
1 zeigt ein Spannungszeitdiagramm, welches die Abschaltschwellen bei einem Leistungsschalter eines Fensterhebermotors exemplarisch illustriert. Es sei angenommen, dass die Überspannungsschwelle bei 16 V liegt. Der Leistungsschalter zum Schalten des Fensterhebermotors ist derart ausgelegt, dass die Schaltfunktion des Leistungsschalters in diesem Fall bis zu einer vorgegebenen Versorgungsspannung von zum Beispiel 18 V zugesichert wird. Damit kann zum Beispiel die Abschaltschwelle, bei der der Leistungsschalter zu dessen Schutz abgeschaltet wird, auf zum Beispiel 17 V gelegt werden. Allerdings wird diese Abschaltschwelle von dem Spannungsmesser 17 V eben nur mit einer Toleranz von ±5% gemessen. Im Falle eines Spannungsmessers mit niedriger Toleranzlage schaltet der Leistungsschalter bei einer 5%-igen Toleranz zum Beispiel schon bei 16,2 V ab und im Fall eines Spannungsmessers mit hoher Toleranzlage schaltet der Leistungsschalter zum Beispiel schon bei 17,8 V ab. Damit ist aber die volle Funktion, dass heißt die Schaltfähigkeit des Leistungsschalters bei 16 V stets sichergestellt und der Leistungsschalter wird zudem vor einer 18 V übersteigenden schädlichen Spannung geschützt.
Problematisch ist allerdings, dass es im Kraftfahrzeugbereich stets zu kurzfristigen Spannungsspitzen oder kurzzeitigen Spannungsüberhöhungen im Kfz-Bordnetz kommen kann. Solche Spannungsspitzen können zum Beispiel entstehen, wenn die Lichtmaschine im Leerlauf sehr hoch erregt wird, um auch bei niedrigen Leerlaufdrehzahlen eine ausreichende elektrische Energie liefern zu können. Bei einem Beschleunigen des Kraftfahrzeuges kann aufgrund der Trägheit der Spannungsregelung kurzzeitig mehr Energie in das Kfz-Bordnetz einspeist werden, als tatsächlich verbraucht wird. Dies äußert sich in einem kurzzeitigen Spannungsanstieg. Abstrakt definiert ist dieser kurzzeitige Spannungsanstiege ein Spannungspuls bis 17 V, der nicht mehr als 1000 ms dauert, oder ein Spannungspuls bis 18 V, der nicht länger als 400 ms dauert. Ein entsprechender Prüfpuls zum Testen von Steuergeräten, der einen derartigen Spannungsanstieg nachbilden soll, ist in 2 dargestellt. Angeschlossenen Steuergeräte, die ihre Versorgungsspannung über das Kfz-Bordnetz beziehen, erkennen diese kurzfristigen Spannungsanstiege als Überspannung und schalten deren Lasten, zum Beispiel den Fensterheber, Beleuchtungen, etc., ab. Dies ist unerwünscht und für den Kraftfahrzeugnutzer insbesondere mit Komforteinbußen verbunden.
Damit moderne Steuergeräte diese Toleranzen der Spannungsmessung einerseits und den vorkommenden Spannungsspitzen im Kfz-Bordnetz andererseits gerecht werden können, könnte beispielsweise die Abschaltschwelle erhöht werden. Dies ist insofern problematisch, da infolge der toleranzbehafteten Messung Spannungsmesser mit hoher Toleranzlage im kritischen Spannungsbereich über 18 V, bei einem im Block stehenden Fensterheber, den Fensterhebermotor schalten könnte und damit möglicherweise den Leistungsschalter zerstören würde.
Um nun dennoch auf der sicheren Seite zu sein, werden daher Leistungsschalter verwendet, die für eine höhere Nennspannung ausgelegt sind. Leistungsschalter sind in unterschiedlichen Spannungsklassen erhältlich, die umso kostenintensiver sind, je höher die Spannungsklasse gewählt wird. Im vorliegenden Fall müsste ein Leistungsschalter einer nächsthöheren Spannungsklasse gewählt werden. Es wäre auch möglich, eine genauere Spannungsmessung mit einer geringeren Toleranz vorzusehen. Hierfür ist allerdings schaltgeräteseitg ein deutlich höherer Schaltungsaufwand, insbesondere hochwertige und damit kostenintensive Elemente für das Abgreifen der Messspannung und eine aufwändigere Analog-Digital-Wandlung, erforderlich. Insgesamt ergibt sich dadurch hardwareseitig ein deutlich höherer Schaltungsaufwand und damit höhere Bauteilekosten, um dem oben genannten Problem gerecht zu werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst einfache und nichtsdestotrotz sehr verlässliche Möglichkeit der Erkennung von Überspannungen bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

– Ein Verfahren zur Überspannungserkennung an den Anschlüssen von steuerbaren Leistungsschaltern eines Kfz-Steuergeräts und zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, bei dem eine Versorgungsspannung gemessen wird, bei dem der Leistungsschalter abhängig von der gemessenen Versorgungsspannung derart angesteuert wird, dass der elektrischen Antrieb bis zu einem Erreichen einer ersten Überspannungsschwelle die volle Funktion aufweist, dass der elektrische Antrieb ab einer zweiten Überspannungsschwelle sofort abgeschaltet wird und dass der elektrische Antrieb im Bereich zwischen der ersten Überspannungsschwelle und der zweiten Überspannungsschwelle eine eingeschränkte Funktion aufweist.
– Eine Vorrichtung zur Überspannungserkennung an den Anschlüssen von steuerbaren Leistungsschaltern eines Kfz-Steuergeräts und zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer Spannungsmesseinrichtung, die eine Versorgungsspannung misst und die ein von der gemessenen Versorgungsspannung abhängiges Spannungsmesssignal bereitstellt, mit einem Leistungsschalter zum Betreiben eines elektromotorischen Antriebs, mit einer Steuereinrichtung, die mit der Spannungsmesseinrichtung gekoppelt ist und die abhängig von dem Spannungsmesssignal den Leistungsschalter derart ansteuert, dass der elektromotorischen Antrieb bis zu einem Erreichen einer ersten Überspannungsschwelle die volle Funktion aufweist, ab einer zweiten Überspannungsschwelle abgeschaltet ist und im Bereich zwischen der ersten Überspannungsschwelle und der zweiten Überspannungsschwelle eine eingeschränkte Funktion aufweist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, die mit der Spannungsmessung auf der Steuergerätseite einhergehende Toleranz sowie eine sich durch kurzfristige Spannungsspitzen im Kraftfahrzeug-Bordnetz ergebende Spannungsüberhöhung nicht mit einer einzigen Überspannungsschwelle zu begegnen, da diese Toleranzen unterschiedlicher Natur sind. Während die sich aus der Spannungsmessung ergebende Toleranz permanent und dauerhaft ist, da sich diese aus den durch die Spannungsmessung ergebenden Hardwarekomponenten der Spannungsmessvorrichtung ergibt, sind die sich aus Spannungsüberhöhungen in Kfz-Bordnetz ergebenden Schwankungen mehr oder weniger kurzfristig und temporär.
Die, der vorliegenden Erfindung, zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und zwei voneinander unabhängige Überspannungsschwellen für eine Überspannungserkennung einzuführen. Hierzu wird eine Überspannung nicht nur quantifiziert, das heißt es wird nicht nur die Höhe der Überspannung detektiert, sondern die Überspannung wird auch qualifiziert, je nachdem ob es sich um eine temporäre, kurzfristige Überspannung handelt, die sich beispielsweise aus einer Schwankung im Kraftfahrzeug-Bordnetz ergibt, oder ob diese Überspannung sich aus einer systemimmanenten Toleranz in der Spannungsmessung ergibt. Auf diese Weise wird ein spannungsabhängiger Eingriff in die Bedienlogik des Steuergeräts und damit in die Funktionsweise der Überspannungserkennung im Kfz-Steuergerät bereitgestellt.
Mittels dieser zwei Überspannungsschwellen lassen sich nun statt der zweier Bereiche nun drei Bereiche für den Betrieb des Leistungsschalters bzw. des durch den Leistungsschalter angetriebenen elektromotorischen Antriebs definieren. Neben der vollen Funktionalität des Leistungsschalters (dritter Betriebsbereich), die bis zum Erreichen der ersten Überspannungsschwellen gewährleistet ist, und dem Abschalten des Leistungsschalters (erster Betriebsbereich) nach dem Überschreiten der zweiten Überspannungsschwelle, existiert nun noch eine zwischen den beiden Überspannungsschwelle geltender zweiter Betriebsbereich. In diesem zweiten Betriebsbereich ist der Leistungsschalter zwar noch funktionsfähig, weist aber nicht mehr die vollständige Funktionalität auf.
Im Falle eines Steuergerätes zur Ansteuerung eines Fensterhebers lässt sich auf diese Weise einerseits eine möglichst hohe Verfügbarkeit der Funktionalität dieses Fensterhebers bereitstellen und andererseits ein größtmöglicher Schutz der zur Ansteuerung des Fensterhebers erforderlichen Leistungsschalter. Insbesondere werden diese Leistungsschalter vor Zerstörung geschützt, da diese Leistungsschalter nun auch für kurzfristige Spannungsspitzen ausgelegt sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der elektrische Antrieb ein Fensterhebermotor. Das Verfahren wird hier insbesondere zum Schließen des Fensterhebers verwendet, da es vor allem in diesem Anwendungsbereich, vor allem vor einer Endposition des Fensterhebers, zu Spannungs- oder Stromspitzen kommen kann, die den Leistungsschalter beeinträchtigen können. Der Fall eines Öffnen des Fensters soll hier nicht ausgeschlossen werden, da auch hier eine Endposition erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sieht die eingeschränkte Funktion vor, dass der elektrische Antrieb, also der Fensterhebermotor, erst nach einer vorgegebenen Zeit abgeschaltet wird, sofern sich der Fensterheber bereits im mechanischen Block befindet und ein Blockstrom fließt. Damit wird sichergestellt, dass der Leistungsschalter nicht geschaltet wird, wenn der vergleichsweise sehr große Blockstrom fließt, sondern erst, wenn der Blockstrom unter eine kritische Stromschwelle abgefallen ist. Insbesondere wird damit die Blockerkennung verlängert. Da der Blockstrom erfahrungsgemäß nur temporär ist und typischerweise für eine Zeitdauer von weniger als 1 Sekunde anliegt, reicht es aus, wenn die Blockerkennung z. B. auf maximal 1 sec verlängert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sieht die eingeschränkte Funktion vor, dass bereits aktivierte Bewegungen des Fensterhebers fortgesetzt werden, bis eine Endposition erreicht ist oder bis der Kraftfahrzeugnutzer zum Beispiel durch Betätigen des Fensterhebertasters die Bewegung des Fensterhebers abbricht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sieht die eingeschränkte Funktion vor, dass ein Bewegen des Fensterhebers in den mechanischen Block verhindert wird. Eine Blockabschaltung wird damit vollständig verhindert. Insbesondere kann die eingeschränkte Funktion zudem vorsehen, dass der elektrische Antrieb insbesondere vor Erreichen einer Endposition mit einer verringerten Geschwindigkeit bewegt wird. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der elektrische Antrieb erst nach einer vorgegebenen Zeit nach Überschreiten der ersten Überspannungsschwelle abgeschaltet wird. Dies wird im Allgemeinen auch als „Sanfteinlauf” oder als „Softstopp” des Fensterhebers vor dem Erreichen seiner oberen Endposition bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Leistungsschalter als Relais, Halbleiterrelais, Triac, Leistungs-MOSFET, Thyristor oder IGBT ausgebildet ist. Denkbar wären hier natürlich auch andere Leistungsschalter, wie etwa ein JFET, ein Leistungs-Bipolartransistor und dergleichen. Denkbar wären auch Treiberschaltungen, wie etwa eine Vollbrückenschaltung, eine Halbbrückenschaltung und dergleichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung als ein Kfz-Steuergerät ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist als eine programmgesteuerte Einrichtung, insbesondere als Mikrocontroller oder Mikroprozessor, ausgebildet. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist die Funktion der Spannungsmessung, zumindest zum Teil, in der Steuereinrichtung implementiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Spannungsmesseinrichtung ein Messelement, welches die Versorgungsspannung analog erfasst, und einen Analog-Digital-Wandler, der das aufgenommene analoge Messsignal in digitaler Form bereitstellt, auf. Die Spannungsmesseinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Messung der Versorgungsspannung mit einer vorgegebenen Toleranz, insbesondere mit einer Toleranz im Bereich zwischen –5% und +5%, vorzunehmen. Der Leistungsschalter weist typischerweise eine vorgegebene Spannungsfestigkeit auf. Diese Spannungsfestigkeit ist nun derart gewählt, dass die erste Überspannungsschwelle für alle Toleranzen bei der Messung der Versorgungsspannung durch die Spannungsmesseinrichtung unterhalb der vorgegebenen Spannungsfestigkeit des Leistungsschalters liegt.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine Spannungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung von Toleranz-bedingten Spannungsschwellen;
2 eine Spannungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung von Prüfpulsen zur Nachbildung temporärer Spannungsspitzen im Kfz-Bordnetz;
3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 ein Diagramm zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen zweistufigen Überspannungserkennung;
5 ein Diagramm zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen zweistufigen Überspannungserkennung.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist -jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
3 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 3 ist mit Bezugszeichen 10 ein Ausschnitt eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes dargestellt. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 10 weist ein Steuergerät 11, eine Energieversorgung 12 und einen elektromotorischen Antrieb 13 auf.
Die Energieversorgung 12, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als wiederaufladbare Batterie ausgebildet ist, weist einen ersten Versorgungsanschluss 14 und einen zweiten Versorgungsanschluss 15 auf. An dem ersten Versorgungsanschluss 14 liegt ein erstes Versorgungspotential VDD, beispielsweise ein positives Versorgungspotential VDD, an, während am zweiten Versorgungsanschluss 15 ein zweites Versorgungspotential GND anliegt, beispielsweise das Potential der Bezugsmasse GND. Zwischen den Versorgungsanschlüssen 14, 15 ist somit eine Versorgungsspannung oder Nennspannung V0 abgreifbar, welche für das Kraftfahrzeug-Bordnetz 10 vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Steuergerät 11 ist über Verbindungsleitungen mit den beiden Versorgungsanschlüssen 14, 15 verbunden, sodass das Steuergerät 11 mit der Nennspannung V0 versorgt wird. Das Steuergerät 11 weist eine Spannungsmesseinrichtung 16, eine Steuereinrichtung 17 sowie eine Leistungsendstufe 18 auf.
Die Spannungsmesseinrichtung 16 ist zur Messung der Nennspannung V0 zwischen den Versorgungsanschlüssen 14, 15 angeordnet. Die Messung erfolgt hier beispielsweise auf der Basis eines einfachen Spannungsteilers, an dem die Spannung abgegriffen wird und über einen in der Spannungsmesseinrichtung vorgesehenen Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird. Die zu messende analoge Versorgungsspannung V0 wird hochohmig abgegriffen und typischerweise mittels eines Analog-Digital-Umsetzers in ein digitalisiertes Spannungssignal X1 umgesetzt. Der Vorteil dieser digitalen Spannungsmessung liegt in deren mechanischen Unempfindlichkeit, Betriebsmöglichkeit in allen räumlichen Lagen, wesentlich höheren Eingangswiderständen, insbesondere bei geringeren Spannungsmessbereichen, und in den geringen Herstellungskosten. Die Spannungsmesseinrichtung 16 erzeugt ein Messsignal X1, welches eine digitalisierte Information über die abgegriffene Messspannung und damit ein von der Nennspannung V0 abhängige Information enthält. Dieses Messsignal X1 wird in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet.
Eine Auswerteeinrichtung, die zum Beispiel Bestandteil der Steuereinrichtung 17 oder der Spannungsmesseinrichtung 16 sein kann, ist dazu ausgelegt, das Messsignal X1 auszuwerten und daraus die Nennspannung V0 zu ermitteln.
Versorgungsseitig ist die Leistungsendstufe 18 zwischen den Versorgungsanschlüssen 14, 15 angeordnet, so dass die Leistungsendstufe 18, abhängig von der Ansteuerung über die Steuereinrichtung 17, mit der Versorgungsspannung V0 versorgbar ist. Die Leistungsendstufe 18 ist steuerseitig mit der Steuereinrichtung 17 verbunden, sodass die Leistungsendstufe 18 über ein Steuersignal S1, welches von der Steuereinrichtung 17 bereitgestellt wird, entsprechend auf- und zugesteuert wird. Die Leistungsendstufe 18 kann beispielsweise eine Leistungstreiberschaltung, wie etwa eine Halbbrückenschaltung, eine Vollbrückenschaltung oder dergleichen beinhalten. Darüber hinaus kann die Leistungsendstufe 18 auch einen einfachen oder mehrere Leistungsschalter, wie etwa ein Relais, Leistungs-MOSFET, Triac, JFET, IGBT, Thyristor oder dergleichen, aufweisen. Im vorliegenden Fall sei als Leistungsendstufe ein oder mehrere als Leistungsschalter ausgebildete Triacs 18a vorgesehen.
Lastseitig ist die Leistungsendstufe 18 mit dem elektromotorischen Antrieb 13 verbunden, um den elektromotorischen Antrieb 13 anzutreiben. Dieser elektromotorische Antrieb kann beispielsweise als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein. Denkbar wäre auch, dass der elektromotorische Antrieb 13 als Gleichstrommotor oder als Wechselstrommotor ausgebildet ist. Im vorliegenden Fall sei angenommen, dass der elektromotorische Antrieb als Fensterhebermotor zum Antreiben eines Fensterhebers ausgebildet ist.
Ferner ist eine Schutzschaltung 19 vorgesehen. Die Schutzschaltung 19 ist zwischen der Leistungsendstufe 18 und dem ersten Versorgungsanschluss 14 angeordnet. Diese Schutzschaltung 19 wird über ein Steuersignal S2, welches von der Steuereinrichtung 17 (oder alternativ auch von der Spannungsmesseinrichtung 16) bereitgestellt wird, entsprechend angesteuert. Sollte die gemessene Nennspannung V0 zu groß werden, dann lässt sich über diese Schutzschaltung 19 die Leistungsendstufe 18 und hier insbesondere deren Leistungsschalter 18a vor einer Überlast und damit vor einer Zerstörung schützen. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf die in den 4 und 5 angegebenen Ausführungsbeispiele noch detailliert erläutert.
Die Funktionalität der Schutzschaltung 19 kann auch durch eine geeignete Ansteuerung der Leistungsendstufe 18 bzw. deren Leistungsschalter 18a implementiert werden.
4 zeigt zunächst ein Diagramm zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen zweistufigen Überspannungserkennung. Das Beispiel in 4 geht von einer Überspannungsschwelle von a = 16 V und einer Belastungsfähigkeit der Leistungsschalter der Leistungsendstufe von b = 19 V aus. Ferner wird davon ausgegangen, dass die Versorgungsspannung V0 des Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit einer Toleranz von ±5% gemessen werden kann. Dieser Toleranzspannungsbereich ist in 4 mit „c” bezeichnet. Diese Toleranzschwelle ist somit um etwa 1,1 V über der Spannungsgrenze, bis zu der eine volle Funktionalität gefordert wird und 0,1 V unter der Belastungsfähigkeit b = 19 V für die Leistungsschalter. Aufgrund dieser beiden Toleranzschwellen ergeben sich die folgenden zwei Schaltschwellen:

1. untere Schaltschwelle: V1 > 16 V + 5% = 16,8 V
2. obere Schaltschwelle: V2 = 18 V + 5% = 18,9 V

Aufgrund dieser beiden Schaltschwellen V1, V2 ergeben sich insgesamt drei Betriebsmodi für den entsprechenden Leistungsschalter bzw. die Leistungsendstufe.
Erster Betriebsmodus (B1):
Der Leistungsschalter wird im ersten Betriebsmodus betrieben, sofern die gemessene Nennspannung geringer als die untere Schaltschwelle V1, das heißt wenn gilt V0 < V1. In diesem Falle ist die Nennspannung V0 unkritisch für den Betrieb des Leistungsschalters, da eine sogenannte normale Versorgungsspannung anliegt, bei der der Leistungsschalter in einem für dessen Betriebsweise unkritischen Normalbetrieb arbeiten kann. Hier ist die volle Funktionalität der Leistungsschalter bis Erreichen der Schaltschwelle V1 sichergestellt.
Zweiter Betriebsmodus (B2):
Die Leistungsschalter werden im zweiten Betriebsmodus betrieben, sofern die gemessene Nennspannung V0 größer als die untere Schaltschwelle V1 und geringer als die obere Schaltschwelle V2 ist. In diesem Fall liegt bereits eine ”hohe Versorgungsspannung” an. In diesem Betriebsmodus ist die gemessene Nennspannung V0 bereits oberhalb eines zugelassenen Spannungsbereichs, der unter bestimmten Voraussetzungen die Funktionalität der Leistungsschalter beeinträchtigen könnte. In diesem Betriebsmodus werden die Leistungsschalter und damit die von dem Leistungsschalter angetriebenen elektrischen Antriebe nicht mehr mit voller Funktionalität betrieben.
In diesem Betriebsmodus kann vorgesehen sein, dass die Leistungsschalter so angesteuert werden, dass eine eingeschränkte Funktion des elektromotorischen Antriebs sichergestellt ist. Diese eingeschränkte Funktionalität kann wie folgt aussehen:

– Im Falle eines Fensterhebers wäre auch denkbar, dass ein bereits aktiviertes Hochfahren oder Herunterfahren eines Fensterhebers fortgesetzt wird. In diesem Falle würde selbst bei einer erkannten Überspannung keine Abschaltung erfolgen.
– Darüber hinaus wäre auch denkbar, dass eine Blockabschaltung verhindert wird, indem eine typischerweise ohnehin vorhandene Funktion eines so genannten „Softstopps” oder ”Sanfteinlaufs” vorgesehen ist. Dabei würde in diesem Falle kurz vor Erreichen der Endposition die Geschwindigkeit der Fensterheberbewegung herabgesetzt werden, bis das Fenster an einen Anschlag stößt.
– Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Leistungsschalter nicht sofort abgeschaltet, sondern erst nach einer vorgegebenen Zeit von typischerweise mehr als einer Sekunde. Es könnte hier auch vorgesehen sein, dass abhängig von der Höhe der gemessenen Versorgungsspannung die Leistungsschalter auch bereits stufenweise verzögert abgeschaltet werden.
– Für den Fall, dass ein Fensterheber beispielsweise bereits im mechanischen Block steht, das heißt gegen einen oberen Anschlag gefahren ist, und somit ein so genannter Blockstrom fließt, kann vorgesehen sein, dass dieser Fensterheber von dem Leistungsschalter nicht ausgeschaltet wird. Hier kann die so genannte Blockerkennung verlängert werden, beispielsweise auf maximal eine Sekunde, um sicherzustellen, dass die Leistungsschalter nicht bei vollem Blockstrom geschaltet wird, was unter Umständen zu deren Zerstören führen wurde. In diesem Falle würden diese Leistungsschalter erst bei einem Abklingen des Pulses des Blockstromes geschaltet werden, was eine Beschädigung oder Zerstörung dieses Leistungsschalters verhindert. Nach einer gewissen Zeit, zum Beispiel nach etwa 1 sec, ist der Blockstrom so weit abgeklungen, dass eine Schädigung des Leistungsschalters ausgeschlossen werden kann. Mit dieser Funktionalität wird sichergestellt, dass die Funktionalität des elektromotorischen Antriebs bis zu einer Nennspannung von V2 = 18,9 V für eine maximale Zeitdauer von typischerweise 1 Sekunde sichergestellt ist, jedoch andererseits verhindert wird, dass sehr hohe Blockströme, die unter Umständen zur Zerstörung des Leistungsschalters führen könnten, von diesem Leistungsschalter geschaltet werden müssen.
– Eine weitere Funktionalität sieht vor, dass Ansteuerbefehle verworfen werden, sofern der Fensterheber in der Endlage befindlich ist, das heißt, wenn der Fensterheber komplett offen oder komplett geschlossen ist und eine hohe Überspannung erkannt wurde.

Dritter Betriebsmodus (B3):
Im dritten Betriebsmodus ist die gemessene Nennspannung größer als die obere Schaltschwelle (V0 > V2), sodass eine tatsächliche Überspannung vorhanden ist. Diese Überspannung ist derart hoch, dass sie auch im Falle einer lediglich temporären Überspannung zu einer Schädigung der Leistungsschalter führen würde. In diesem Falle werden die Leistungsschalter sofort abgeschaltet.
5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen zweistufigen Überspannungserkennung. Während das erfindungsgemäßen Verfahren in der 4 anhand eines Normalteils, das heißt eine Spannungsmesseinrichtung ohne Toleranz (Messtoleranz T0 = 0%), erläutert wurde, zeigt das Ausführungsbeispiel in 5 einen kritischen Bereich für den Fall einer Spannungsmessung mit einer Messtoleranz T1 = 5% und für den Fall einer Spannungsmessung mit einer Messtoleranz T2 = –5%. Der Fall für ein Bauelement mit einer hohen Toleranzlage T2 = –5% bezeichnet einen so genannten Worst Case.
Auch in diesem Fall sind zwei Schaltschwellen V11, V22 definiert, wobei diese Schaltschwellen für unterschiedliche Toleranzen bei der Spannungsmessung sich verschieben können. Unterhalb der ersten Schaltschwelle V11, also im schraffierten Bereich, lassen sich die Leistungsschalter im Normalbetrieb betreiben, sodass eine Normalfunktion der Leistungsschalter gewährleistet ist. Hier ist eine voll Funktionalität sämtlicher Leistungsschalter bis 16,2 V für alle Toleranzbereiche bei der Spannungsmessung sichergestellt. Den schlimmsten Fall oder Worst Case bildet bei diesem Betrieb eine Spannungsmessung mit hoher Toleranzlage T2 und Blockabschaltung bei 18 V. In diesem Falle ist allerdings nach wie vor keine Gefährdung des Leistungsschalters vorhanden. Zwar bildet eine Spannungsmessung mit hoher Toleranzlage T1 ebenfalls eine extreme Konstellation, jedoch ist dies unkritisch, da man eine höhere Spannung gemessen hat, als letztlich anliegt. Dies ist stets tolerierbar, da man sich hier ”auf der sicheren Seite” bei der Spannungsmessung und der Betreiben der Leistungsschalter befindet.
Im zweiten Betriebsmodus zwischen der ersten und zweiten Schaltschwelle V11, V22, das heißt im Falle einer hohen Versorgungsspannung, ist die Schaltfunktion für den Leistungsschalter für eine vorgegebene Zeitdauer von 18 V bis 19,9 V sichergestellt. Den Worst Case bildet hier wiederum eine Spannungsmessung mit hoher Toleranzlage T2, der beispielsweise bei Vorhandensein eines temporär überhöhten Blockstrom entstehen könnte. Sofern man nun in diesem Betriebsmodus den Leistungsschalter nicht sofort, also bei einem hohen Blockstrom, abschaltet, sondern zeitlich verzögert, wenn der Blockstrom abgeklungen ist, beispielsweise etwa 400 msec bis maximal 1000 msec später, dann gefährdet dies die Funktionalität des Leistungsschalters noch nicht.
Im dritten Betriebsmodus, also oberhalb von 19,9 V (karierter Bereich, ist der Leistungsschalter stets und sofort auszuschalten, da hier von einer unmittelbaren Gefährdung der Leistungsschalter auszugehen ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere sei die vorliegende Erfindung nicht auf die Anwendung bei einem Fensterhebermotor und dessen Ansteuerschaltung beschränkt, sondern lässt sich auf beliebige Anwendungen erweitern, wenngleich die Anwendung bei einem Fensterheber insbesondere aufgrund der dortigen Problematik eines mechanischen Blocks und des entsprechenden Blockstroms besonders gravierend ist.
Darüber hinaus sind die vorliegenden Zahlenangaben lediglich der Anschaulichkeit halber aufgeführt, sollen allerdings die vorliegende Erfindung nicht dahingehend einschränken.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug-Bordnetz
11: Kraftfahrzeug-Steuergerät
12: Energieversorgung, wiederaufladbare Batterie
13: elektromotorischer Antrieb, Elektromotor
14, 15: Versorgungsanschlüsse
16: Spannungsmesseinrichtung
17: Steuereinrichtung
18: Leistungsendstufe
18a: Leistungsschalter
19: Überspannungseinrichtung
GND: zweites Versorgungspotential, Potenzial der Bezugsmasse
S1: Steuersignal
S2: Steuersignal
T0: Spannungsmessung mit 0% Toleranz
T1: Spannungsmessung mit –5% Toleranz
T2: Spannungsmessung mit +5% Toleranz
V0: Nennspannung, Versorgungsspannung
V1: untere Schaltschwelle
V2: obere Schaltschwelle
VDD: erstes Versorgungspotential, positives Versorgungspotential
X1: Messsignal, digitalisiertes Spannungsmesssignal
a: 16 V Überspannungsschwelle
b
c: Toleranzbereich
B1–B3: Betriebsmodi

Claims

Verfahren zur Überspannungserkennung an den Anschlüssen von steuerbaren Leistungsschaltern (18) eines Kfz-Steuergeräts und zum Betreiben eines elektrischen Antriebs (13), bei dem eine Versorgungsspannung gemessen wird, bei dem der Leistungsschalter (18) abhängig von der gemessenen Versorgungsspannung derart angesteuert wird, – dass der elektrischen Antrieb (13) bis zu einem Erreichen einer ersten Überspannungsschwelle (V1) die volle Funktion aufweist, – dass der elektrische Antrieb (13) ab einer zweiten Überspannungsschwelle (V2) sofort abgeschaltet wird und – dass der elektrische Antrieb (13) im Bereich zwischen der ersten Überspannungsschwelle (V1) und der zweiten Überspannungsschwelle (V2) eine eingeschränkte Funktion aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (13) ein Fensterhebermotor ist und dass das Verfahren insbesondere zum Schließen des Fensterhebers vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (13) ein Fensterhebermotor ist und dass die eingeschränkte Funktion vorsieht, dass der elektrische Antrieb erst nach einer vorgegebenen Zeit abgeschaltet wird, sofern sich der Fensterheber bereits im mechanischen Block steht und ein Blockstrom fließt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (13) ein Fensterhebermotor ist und dass die eingeschränkte Funktion vorsieht, dass bereits aktivierte Bewegungen des Fensterhebers fortgesetzt werden, bis eine Endposition erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (13) ein Fensterhebermotor ist und dass die eingeschränkte Funktion vorsieht, dass ein Bewegen des Fensterhebers in den mechanischen Block verhindert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschränkte Funktion vorsieht, dass der elektrische Antrieb (13) insbesondere vor Erreichen einer Endposition mit einer verringerten Geschwindigkeit bewegt wird und/oder dass der elektrische Antrieb (13) erst nach einer vorgegebenen Zeit nach Überschreiten der ersten Überspannungsschwelle abgeschaltet wird.
Vorrichtung zur Überspannungserkennung an den Anschlüssen von steuerbaren Leistungsschaltern (18) eines Kfz-Steuergeräts und zum Betreiben eines elektrischen Antriebs (13), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Spannungsmesseinrichtung (16), die eine Versorgungsspannung (V0) misst und die ein von der gemessenen Versorgungsspannung (V0) abhängiges Spannungsmesssignal (X1) bereitstellt, mit einem Leistungsschalter (18) zum Betreiben eines elektromotorischen Antriebs (13), mit einer Steuereinrichtung (17), die mit der Spannungsmesseinrichtung (16) gekoppelt ist und die abhängig von dem Spannungsmesssignal (X1) den Leistungsschalter (18) derart ansteuert, dass der elektromotorischen Antrieb (13) bis zu einem Erreichen einer ersten Überspannungsschwelle (V1) die volle Funktion aufweist, ab einer zweiten Überspannungsschwelle (V2) abgeschaltet ist und im Bereich zwischen der ersten Überspannungsschwelle (V1) und der zweiten Überspannungsschwelle (V2) eine eingeschränkte Funktion aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb (13) zum Antreiben eines Fensterhebers vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (18) als Relais, Halbleiterrelais, Triac (18a), Leistungs-MOSFET, Thyristor oder IGBT ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als ein Kfz-Steuergerät ausgebildet ist und dass die Steuereinrichtung (17) als eine programmgesteuerte Einrichtung, insbesondere als Mikrocontroller oder Mikroprozessor, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmesseinrichtung (16) ein Messelement, welches die Versorgungsspannung analog erfasst, und einen Analog-Digital-Wandler, der das aufgenommene analoge Messsignal in digitaler Form bereitstellt, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmesseinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, eine Messung der Versorgungsspannung mit einer vorgegebenen Toleranz, insbesondere mit einer Toleranz im Bereich zwischen –5% und +5%, vorzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (18) eine vorgegebene Spannungsfestigkeit aufweist, die derart gewählt ist, dass die erste Überspannungsschwelle (V1) für alle Toleranzen bei der Messung der Versorgungsspannung durch die Spannungsmesseinrichtung unterhalb der vorgegebenen Leistungsfestigkeit des Leistungsschalters liegt.