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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine auf einem Kondensator basierende, gesicherte Energieversorgung für ein sicherheitsrelevantes System.
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Stand der Technik
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Ein sicherheitsrelevantes elektrisches System, beispielsweise ein Drehraten- oder Beschleunigungssensor zur Steuerung eines aktiven Sicherheitssystems an Bord eines Kraftfahrzeugs, soll auch dann betriebsbereit sein, wenn eine drahtgebundene elektrische Energieversorgung gestört oder unterbrochen ist. Eine derartige Unterbrechung kann insbesondere während eines Ereignisses eintreten, während dessen das elektrische System seine primäre Aufgabe zu erfüllen hat. Beispielsweise kann ein Beschleunigungssensor im Fall eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs eine auf das Kraftfahrzeug wirkende Beschleunigung abtasten, um ein Rückhaltesystem für einen Insassen differenziert aktivieren zu können.
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Um ein Aussetzen des elektrischen Systems unter solchen Bedingungen zu vermeiden ist es üblich, im Bereich des Systems einen elektrischen Kondensator vorzusehen, der dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zwischenzuspeichern. Solange die externe Spannungsversorgung intakt ist, wird der Kondensator nachgeladen und das System wird aus dem Energievorrat des Kondensators betrieben. Ist die externe Spannungsversorgung kurzzeitig gestört, beispielsweise durch die Wirkung einer Beschleunigung auf eine Steckerverbindung des Systems mit dem Kraftfahrzeug, so kann die Steuereinrichtung Energie aus dem Kondensator entnehmen und so betriebsbereit bleiben.
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Um eine vorbestimmte Betriebsdauer des Systems sicher stellen zu können, kann der Kondensator nicht beliebig miniaturisiert werden. Er ist daher üblicherweise als separates, diskretes Bauelement außerhalb einer integrierten Schaltung realisiert. Eine elektrische Kontaktierung des Kondensators, insbesondere eine Lötverbindung, kann durch thermische oder mechanische Belastung schadhaft werden oder gar abreißen. Außerdem kann der Kondensator altern oder erwärmt werden und dadurch einen Teil seiner Kapazität verlieren. Ein solchermaßen nur eingeschränkt verwendbarer Kondensator kann während eines initialen Aufladevorgangs detektiert werden. Im laufenden Betrieb ist eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Kondensators jedoch so nicht möglich. Das System kann daher unbemerkt an einem schadhaften Kondensator betrieben werden, wodurch die Versorgungsspannung des Systems bereits während eines unkritischen Ereignisses, etwa einer Unterspannung im Bordnetz oder bei Einstreuung eines Störsignals, variieren kann. Sollte der Kondensator plötzlich temporär oder auf Dauer von seinen Kontakten abreißen, können ebenfalls Offset-Sprünge im Signal des Systems auftreten. Das System kann beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler umfassen, der empfindlich auf eine geänderte Versorgungsspannung reagieren kann. Ist das System beispielsweise zur Steuerung eines Airbags vorgesehen, so kann aufgrund eines solchen Ereignisses eine irrtümliche Auslösung des Airbags erfolgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Energieversorgung auf der Basis eines Kondensators bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels einer Einrichtung und eines Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung umfasst eine Gleichspannungsquelle zur Aufladung des mit der Einrichtung verbindbaren Kondensators auf eine vorbestimmte Spannung, eine Wechselspannungsquelle zur Versorgung des Kondensators mit einer vorbestimmten Wechselspannung, eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Restwelligkeit der von der Wechselspannungsquelle bereitgestellten Spannung sowie eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Die Wechselspannung, die der Gleichspannung am Kondensator überlagert ist, wird durch den Kondensator stark gedämpft, solange dieser funktionsfähig ist. Ist die Speicherfähigkeit des Kondensators beeinträchtigt, beispielsweise durch eine wenigstens zeitweise unterbrochene Verbindung des Kondensators mit der Einrichtung, so entfällt die Glättungswirkung des Kondensators und an den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle liegt eine Spannung an, deren Restwelligkeit oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegt. So kann die Speicherfähigkeit des Kondensators auch im laufenden Betrieb kontinuierlich überwacht und ein Fehlersignal generiert werden, bevor eine Fehlfunktion eines mit dem Kondensator verbindbaren Systems, beispielsweise eines Steuergeräts, eintritt. Eine unzureichende Versorgung des Systems, das beispielsweise einen Sensor umfassen kann, mit Energie kann dadurch erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Auch eine Spannungsschwankung an dem System, die zu einer Fehlfunktion des Systems führen kann, kann so erfasst werden. Das Fehlersignal kann zum Deaktivieren des Systems verwendet werden, um eine irrtümliche Auslösung eines mit dem System verbundenen Sicherheitssystems zu vermeiden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wechselspannungsquelle eine Strombegrenzung auf. Dadurch kann die Restwelligkeit der Wechselspannung sowohl bei angeschlossenem als auch bei nicht oder fehlerhaft angeschlossenem Kondensator verbessert steuerbar sein. Insbesondere kann eine Bestimmung der Speicherfähigkeit des Kondensators anhand der Restwelligkeit der Wechselspannung mit verbesserter Qualität durchführbar sein.
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Die Versorgungseinrichtung kann einen Hochpass umfassen, der zwischen der Bestimmungseinrichtung und der Ausgabeeinrichtung angeordnet ist. Der Hochpass kann sicherstellen, dass ein sporadisches Übersteigen der Restwelligkeit über den Schwellenwert nicht sofort zur Ausgabe des Fehlersignals führt. Stattdessen kann das Fehlersignal erst dann ausgegeben werden, wenn die Restwelligkeit ausreichend häufig bzw. lange oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Vorteilhafterweise können dadurch vorübergehende externe Einflüsse auf den Kondensator, beispielsweise durch elektrische oder elektromagnetische Störsignale, unterdrückt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Hochpass einen periodisch dekrementierten digitalen Zähler, wobei der Schwellenwert durch einen vorbestimmten Zählerstand gebildet ist. Übersteigt die Restwelligkeit den Schwellenwert, so wird der Zähler inkrementiert; parallel dazu wird der Zähler in periodischen Abständen dekrementiert. Geschieht das Inkrementieren ausreichend häufig, so erreicht der Zähler den vorbestimmten Zählerstand und eine Fehlfunktion des Kondensators kann bestimmt werden. Eine derartige Auswertung kann vorteilhaft mittels digitaler Elektronik implementiert werden. Eine digitale Verarbeitungseinrichtung im Rahmen der Versorgungseinrichtung kann kostengünstig und funktionssicher herstellbar und leicht integrierbar sein. Die Defekterkennung ist dabei vorzugsweise schneller als eine Durchlaufzeit eines Systemsignals, etwa eines Sensorsignals, durch die Auswerteschaltung des Sicherheitssystems.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Versorgungseinrichtung ferner einen Taktgenerator zur Synchronisierung der Wechselspannungsquelle mit einem mit der Versorgungsspannung verbindbaren Verbraucher. Der Verbraucher kann beispielsweise ein System zum Steuern einer sicherheitsrelevanten Funktion sein. Durch die Möglichkeit der Synchronisierung können gleichermaßen zeitwie spannungskritische Vorgänge innerhalb des Verbrauchers mit verbesserter Präzision steuerbar sein. Ein solcher Vorgang kann beispielsweise eine Analog-Digital-Wandlung mittels eines getakteten Sigma-Delta-Wandlers umfassen.
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Die Versorgungseinrichtung kann ferner einen Analog-Digital-Wandler oder beispielsweise einen Komparator zur Bestimmung der Spannung am Kondensator und eine Verarbeitungseinrichtung zur Ausgabe eines weiteren Fehlersignals umfassen, falls die mittels des Wandlers bestimmte Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Vorteilhafterweise kann die beschriebene dynamische Kontrolle des Kondensators durch eine Bestimmung der absoluten Spannung am Kondensator unterstützt bzw. verifiziert sein. Dadurch kann beispielsweise ein schleichender Kapazitätsverlust des Kondensators, etwa durch Alterung oder einen Temperatureffekt, erfasst werden. Außerdem kann das Aufladeverhalten des Kondensators während einer initialen Aufladephase des Kondensators verwendet werden, um einen Rückschluss auf die Funktionsfähigkeit des Kondensators zu erlauben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Analog-Digital-Wandler des Sicherheitssystems einen Sigma-Delta-Wandler zur Auswertung des System-Signals, der mit einem Takt betrieben wird, der synchron zur Wechselspannung ist. Dadurch können Beeinträchtigungen des Systemsignals (z.B. eines Sensorsignals) vermieden werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung umfasst Schritte des Aufladens des Kondensators auf eine vorbestimmte Gleichspannung, des Versorgens des Kondensators mit einer vorbestimmten Wechselspannung, des Bestimmens einer Restwelligkeit der Wechselspannung und des Ausgebens eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Teile des Verfahrens können alternativ analog oder digital durchgeführt werden, so dass unterschiedliche Kombinationen analoger und digitaler elektronischer Bauelemente zur Implementierung des Verfahrens zur Verfügung stehen.
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In einer anderen Ausführungsform wird das Fehlersignal nur dann ausgegeben, wenn die durchschnittliche Restwelligkeit innerhalb eines zurückliegenden Zeitraums einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Auf diese Weise kann auch berücksichtigt werden, um wie viel die Restwelligkeit den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, und nicht nur ob bzw. wie häufig sie das tut.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein System mit einem Kondensator zur Energieversorgung;
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2 Spannungsverläufe am System von 1 im fehlerfreien Betrieb;
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3 Spannungsverläufe am System von 1 bei Auftreten einer Störung, und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung des Kondensators aus 1 darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein System 100 zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung. Das System umfasst einen Kondensator 105 und eine Anzahl weiterer Bauteile, die in einer integrierten Schaltung 110 zusammengefasst sein können. Das System 100 ist dazu eingerichtet, einen elektrischen Verbraucher 115 mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei der Verbraucher 115 Teil der integrierten Schaltung 110 sein kann. Der Verbraucher 115 kann insbesondere Teil eines sicherheitsrelevanten Systems umfassen, das beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs ein aktives Sicherheitssystem wie einen Airbag, einen Gurtstraffer, ein elektronisches Stabilitätsprogramm oder eine Traktionskontrolle steuert. Insbesondere kann der Verbraucher 115 ein mikromechanisches Bauelement zur Bestimmung einer Beschleunigung oder einer Drehrate des Kraftfahrzeugs um eine oder mehrere Achsen umfassen.
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Eine externe Versorgungsspannung 120 wird an einen Gleichspannungsregler 125 geleitet, dessen Ausgang mit dem Kondensator 105 verbunden ist, um den Kondensator 105 auf eine vorbestimmte Gleichspannung aufzuladen. Bevorzugterweise wird die geregelte Gleichspannung auch zum Betrieb weiterer Komponenten des Systems 100, insbesondere innerhalb der integrierten Schaltung 110, verwendet. Weiter bevorzugterweise hat der Gleichspannungsregler 125 eine Sperrcharakteristik, so dass der Kondensator 105 nicht in Richtung der Versorgungsspannung 120 entladen werden kann, wenn die Versorgungsspannung 120 die am Kondensator 105 anliegende Spannung unterschreitet.
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Das System 100 umfasst ferner einen Impulsgenerator 130, dessen Ausgang mit dem des Gleichspannungsreglers 125 verbunden ist. Ein Eingang des Impulsgenerators 130 ist mit einem Taktgenerator 135 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann auch ein kombinierter, frei laufender Wechselspannungsgenerator anstelle der Kombination aus Impulsgenerator 130 und Taktgenerator 135 verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform übersteigt ein Spitzenwert der durch den Impulsgenerator 130 bereitgestellten Impulse die durch den Gleichspannungsregler 125 bereitgestellte Gleichspannung. Die durch den Impulsgenerator 130 generierten Impulse sind bevorzugterweise strombegrenzt. Die Impulse sind der durch den Gleichspannungsregler 125 bereitgestellten Gleichspannung am Kondensator 105 überlagert und werden durch den Kondensator 105 geglättet, solange dieser funktionsfähig und mit dem Impulsgenerator 130 verbunden ist.
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Ein Komparator 140 vergleicht die an den Ausgängen des Gleichspannungsreglers 125 bzw. des Impulsgenerators 130 anliegende Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert und gibt an seinem Ausgang ein Signal ab, falls die abgetastete Spannung den Schwellenwert übersteigt. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Restwelligkeit der abgetasteten Spannung oberhalb eines Schwellenwert liegt, der beispielsweise durch eine Vergleichsspannung bestimmt sein kann.
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Der Ausgang des Komparators 140 ist mit einem Zähler 145 verbunden, der zusammen mit dem Taktgenerator 135 und einem optionalen Teiler 150 einen Hochpass bildet. Der Hochpass lässt nur Eingangssignale passieren, die oberhalb einer vorbestimmten Grenzfrequenz liegen. Liefert der Komparator 140 mit ausreichender Häufigkeit, also mit ausreichend hoher Frequenz, ein Signal, das darauf hinweist, dass die am Gleichspannungsregler 125 und dem Impulsgenerator 130 anliegende Spannung den vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, so stellt der Hochpass an seinem Ausgang ein entsprechendes Fehlersignal bereit. Das Fehlersignal kann an einer Ausgabeeinrichtung 170 nach außen bereitgestellt sein.
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Es sind unterschiedliche Varianten zum Aufbau des Hochpasses möglich. Die hier gezeigte Version basiert darauf, dass der Zähler 145 inkrementiert wird, wenn bestimmt wurde, dass die Restwelligkeit über dem vorbestimmten Schwellenwert liegt, und periodisch auf der Basis des durch den Taktgenerator 135 bereitgestellten Taktsignals dekrementiert wird. Vorzugsweise ist ein Dekrementieren unterhalb des Zählerstands 0 nicht vorgesehen. Erreicht der Zählerstand des Zählers 145 einen vorbestimmten positiven Wert, so gibt er an seinem Ausgang das Fehlersignal aus. In einer anderen Ausführungsform kann der Zähler 145 auch umgekehrt bei Vorliegen der erhöhten Restwelligkeit dekrementiert und periodisch inkrementiert werden, wobei das Fehlersignal ausgegeben wird, wenn ein anderer vorbestimmter Zählerstand erreicht ist, beispielsweise Null.
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In einer weiteren, exemplarisch in 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Analog-Digital-Wandler 160 vorgesehen, um die Ausgangsspannung des Impulsgenerators 130 und des Gleichspannungsreglers 125 absolut zu erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Sigma-Delta-Wandler, der mit einem Takt betrieben wird, der vom Taktgenerator 135 bereitgestellt ist. Die Wandlung des Analog-Digital-Wandlers 160 ist dadurch synchronisiert mit der durch den Impulsgenerator 130 bereitgestellten Wechselspannung.
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Ein weiterer Komparator 165 ist dazu eingerichtet, die mittels des Wandlers 160 bestimmte Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und ein Fehlersignal auszugeben, falls die abgetastete Spannung jenseits des Schwellenwerts liegt. Der Komparator 165 kann digital implementiert sein und insbesondere einen zeitlich veränderlichen Schwellenwert, beispielsweise während einer initialen Aufladephase des Kondensators 105, unterstützen. Der Ausgang des Komparators 165 kann mit dem des Zählers 145 verbunden oder separat von diesem abgreifbar sein.
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2 zeigt ein Diagramm 200 mit Spannungsverläufen am System 100 von 1 in fehlerfreiem Betrieb. Dabei ist vorausgesetzt, dass der Kondensator 105 mit dem Gleichspannungsregler 125 und dem Impulsgenerator 130 verbunden und seine elektrische Speicherfähigkeit für eine Versorgung des Systems 100 ausreichend ist. In einer horizontalen Richtung ist eine Zeit und in einer vertikalen Richtung eine Spannung angetragen.
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Eine Kondensatorspannung 205 liegt am Eingang des Komparators 140 an. Der Schwellenwert 210, mit dem der Komparator 140 die Kondensatorspannung 205 vergleicht, ist als unterbrochene Linie dargestellt. Qualitativ ist auch ein Taktsignal 215 dargestellt, das vom Taktgenerator 135 bereitgestellt ist.
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Zu jeder steigenden oder fallenden Flanke des Taktgenerators 215 bricht die Kondensatorspannung 205 kurz ein, da durch die Kondensatorspannung 205 betriebene digitale Bauelemente, wie insbesondere der Verbraucher 115, beim taktsynchronen Umschalten interner Zustände einen erhöhten Strombedarf aufweisen. Die Kondensatorspannung 205 regeneriert sich jedoch schnell wieder und schießt nur kurzfristig über einen relativ konstanten Wert, den sie zwischen den Flanken des Taktsignals 215 einnimmt. Dabei überschreitet die Kondensatorspannung 205 den Schwellenwert 210 nicht.
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3 zeigt ein Diagramm 300, welches dem 2 entspricht, wobei jedoch eine gestörte elektrische Verbindung des Kondensators 105 an einem seiner Anschlüsse angenommen ist. Ein Schwellenwert 310 und ein Taktsignal 315 entsprechen dem Schwellenwert 210 und dem Taktsignal 215 in 2. Die Ausgangsspannung 305 ist diejenige Spannung, die durch den Gleichspannungsregler 125 und den Impulsgenerator 130 am Eingang des Komparators 140 bereitgestellt ist.
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Ähnlich wie bei der Kondensatorspannung 205 in 2 bricht die Ausgangsspannung 305 zu jeder steigenden oder fallenden Taktflanke des Taktsignals 315 ein, wobei die Einbrüche deutlich stärker als bei angeschlossenem Kondensator 105 sind. Die Taktflanken sind durch den Impulsgenerator 130 getriggert, der im hier dargestellten Beispiel einen Impuls überlagert. Die Ausgangsspannung regeneriert sich danach wieder relativ rasch, wobei das Überschießen der Ausgangsspannung über den zwischen den Taktflanken liegenden Wert so stark ist, dass die Ausgangsspannung zeitweilig den Schwellenwert 305 übersteigt. In der beispielhaften Darstellung von 3 erfolgt dies zu den fallenden Flanken des Taktsignals 315.
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Anhand des Übersteigens der Ausgangsspannung 305 über den Schwellenwert 310 kann detektiert werden, dass die Speicherfähigkeit des Kondensators 105 gestört ist. Insbesondere kann ein Verbindungsabriss einer elektrischen Verbindung des Kondensators 105 auf diese Weise erfasst werden. Wie oben beschrieben wurde, kann ein Signal, das auf die überschießende Ausgangsspannung 305 hinweist, hochpassgefiltert werden oder in einen gleitenden Durchschnitt einfließen, der mit einem weiteren Schwellenwert verglichen wird, um ein Fehlersignal bereitzustellen, das auf einem verlängerten Beobachtungszeitraum basiert.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Überwachung des Kondensators 105 aus 1. Das Verfahren 400 kann insbesondere zum Ablauf auf einer Mikroprozessor-Steuerung eingerichtet sein.
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In einem ersten Schritt 405 wird der Kondensator 105 mittels des Gleichspannungsreglers 125 auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen. Gleichzeitig oder anschließend wird in einem Schritt 410 der Kondensator 105 mit einer vorbestimmten Wechselspannung versorgt. Die Wechselspannung kann insbesondere durch einen Wechselspannungsgenerator oder durch den Impulsgenerator 130 auf der Basis des durch den Taktgenerator 135 bereitgestellten Taktsignals erzeugt werden.
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In einem Schritt 415 wird überprüft, ob die Ausgangsspannung 305 bzw. die Kondensatorspannung 205 den vorbestimmten Schwellenwert 210, 310 übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so kann das Verfahren 400 zum Anfang zurückkehren und erneut durchlaufen.
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Andernfalls kann in einem Schritt 420 ein gleitender Durchschnitt eines Signals bestimmt werden, das das Übersteigen der Ausgangsspannung 305 über den Schwellenwert 310 verkörpert. Diese Bestimmung kann integrativ sein, wobei sowohl eine Häufigkeit, als auch eine Zeitdauer und eine Höhe des Übersteigens der Ausgangsspannung 305 über den Schwellenwert 310 in die Bestimmung einfließen kann.
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In einem nachfolgenden Schritt 425 wird dann überprüft, ob die integrierten bzw. aufsummierten Übersteigungen einen weiteren Schwellenwert übersteigen. Ist dies nicht der Fall, so kann das Verfahren 400 wieder zum Anfang zurückkehren. Andernfalls wird in einem Schritt 430 ein Fehlersignal ausgegeben.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Schritten 420 und 425 kann in einem Schritt 435 der Zähler 145 inkrementiert werden. Nicht in 4 dargestellt ist, dass der Zähler 145 periodisch dekrementiert wird, vgl. 1.
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In einem Schritt 440 wird dann bestimmt, ob der Stand des Zählers 145 einen vorbestimmten Zählerstand übersteigt. Ist dies der Fall, so wird im Schritt 430 das Fehlersignal ausgegeben, andernfalls kann das Verfahren 400 zum Anfang zurückkehren.
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Optional kann zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Schritt 445 durchgeführt werden, in dem die Ausgangsspannung 305 des Kondensators 105 mit einem weiteren Schwellenwert verglichen wird. Liegt die Ausgangsspannung 305 auf der falschen Seite des Schwellenwerts, so kann das Fehlersignal im Schritt 430 ausgegeben werden. Dabei kann der zum Vergleich herangezogene Schwellenwert über die Zeit variabel sein und insbesondere ein initiales Aufladeverhalten des Kondensators 105 während des ersten Durchlaufens des Schritts 405 berücksichtigen. Der Schritt 445 kann auch unabhängig von den Schritten 405 bis 440 und beliebig oft bzw. beliebig häufig durchgeführt werden.
