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Die Erfindung geht aus von einer Überspannungsschutzvorrichtung für ein Fahrzeugsteuergerät nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Steuergeräte in Kraftfahrzeugen bekannt, welche gegen Überspannungsimpulse bzw. Spannungsspitzen geschützt sind, welche in einem Load-Dump-Zustand entstehen können. Ein solcher Load-Dump-Zustand kann beispielsweise auftreten, wenn ein Generator bzw. eine Lichtmaschine des Fahrzeugs unter einer bestimmten Last arbeitet, um die Verbraucher zu versorgen und die Batterie zu laden, und dann die Last beispielsweise durch Ausschalten der Verbraucher oder durch Trennen der Ladeleitung plötzlich stark reduziert wird. Da es eine bestimmte Zeitspanne von ca. 500ms dauert, bis sich das Magnetfeld abgebaut hat, induziert der Generator bzw. Lichtmaschine eine für diesen Moment zu hohe Strommenge, so dass der Überspannungsimpuls bzw. die Spannungsspitze entsteht. In bekannten Steuergeräten werden diese Überspannungsimpulse bzw. Spannungsspitzen durch so genannte TVS-Dioden (Transient Voltage Supressor) abgebaut. Diese TVS-Dioden klammern auf eine definierte Spannung und sind kurzzeitig in der Lage eine hohe Verlustleistung (400W, 600W, 1500W, 3000W) aufzunehmen. Dies bedingt eine große thermische Kapazität (Masse-Volumen-Bauform) der TVS-Dioden und damit einhergehend hohe Kosten und Flächenbedarf auf der Leiterplatte.
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Aus der
DE 10 2009 047 480 A1 sind ein Steuergerät und ein Verfahren zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln für ein Fahrzeug bekannt. Hierbei ist ein Versorgungsbaustein vorgesehen, welcher eine Eingangsspannung für die Ansteuerung der Personenschutzmittel wandelt. Zwischen einer Bordnetzspannung und der Eingangsspannung des Versorgungsbausteins ist ein Spannungsregler geschaltet, welcher die Eingangsspannung auf einen vorgegebenen ersten Wert begrenzt. Zudem ist eine Schutzschaltung vorgesehen, welche die Spitzen der Bordnetzspannung auf Masse schaltet, wenn die Bordnetzspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Schutzschaltung kann eine TVS-Diode oder einen Varistor aufweisen. Des Weiteren ist zwischen der Bordnetzspannung und dem Steuergerät ein Energiespeicher eingeschleift, welcher im Notfall die Eingangsspannung für das Steuergerät bereitstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung für ein Fahrzeugsteuergerät mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Kostenreduktion für Schutzmaßnahmen und eine Reduktion der Leiterplattengröße sowie der Verlustleistung dadurch erzielt werden können, dass bereits im Fahrzeug vorhandene elektrische Speicherelemente, insbesondere große Elektrolytkondensatoren, eingesetzt werden können, um einen Teil der Energie oder die vollständige Energie eines Load-Dump-Impulses aufzunehmen.
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Durch die Nutzung von bereits vorhandenen Speicherelementen zur Aufnahme der Energie des Load-Dump-Impulses kann die Verlustleistung im Gerät reduziert werden. Die Energie kann für das Steuergerät genutzt werden und wird nicht oder nur teilweise in Wärme umgesetzt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Überspannungsschutzvorrichtung für ein Steuergerät in einem Fahrzeug mit einer elektronischen Regelschaltung zur Verfügung, welche zwischen einer Bordnetzspannung und dem Steuergerät eingeschleift ist und eine Versorgungsspannung des Steuergeräts auf einen vorgegebenen Wert regelt. Hierbei ist der elektronischen Regelschaltung eine Schutzschaltung vorgeschaltet, welche Spitzen der Bordnetzspannung auf Masse schaltet, wenn die Bordnetzspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Zudem ist zwischen der Bordnetzspannung und dem Steuergerät ein Energiespeicher eingeschleift, welcher im Notfall die Versorgungsspannung für das Steuergerät bereitstellt. Erfindungsgemäß ist zwischen der Bordnetzspannung und dem Energiespeicher eine elektronische Ladeschaltung eingeschleift, wobei eine Auswerte- und Steuerschaltung die Bordnetzspannung an einem ersten Messpunkt erfasst und auswertet, wobei die Auswerte- und Steuerschaltung die elektronische Ladeschaltung aktiviert, wenn die Auswertung der Bordnetzspannung am ersten Messpunkt einen Load-Dump-Zustand anzeigt, und wobei die elektronische Ladeschaltung Energie des Load-Dump-Zustands in den Energiespeicher lädt bevor die Bordnetzspannung den vorgegebenen Schwellwert erreicht.
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Im Normalbetrieb des Steuergerätes kann der Energiespeicher auf eine bestimmte Spannung von beispielsweise ca. 35V aufgeladen werden. Im Falle eines Airbagsteuergeräts dient der Energiespeicher dazu, bei Batterieabriss im Crash-Fall, das Steuergerät für einige 100ms weiter zu versorgen und auch, um die erforderlichen Zündmittel für die Personenschutzmittel zu aktivieren.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Überspannungsschutzvorrichtung für ein Steuergerät in einem Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Auswerte- und Steuerschaltung die elektronische Ladeschaltung deaktivieren kann, wenn die Auswertung der Bordnetzspannung am ersten Messpunkt ergibt, dass ein unerlaubter Betriebsfall im Bordnetz vorliegt. Die Auswerte- und Steuerschaltung kann den unerlaubten Betriebsfall im Bordnetz erkennen, wenn der Load-Dump-Zustand länger als eine vorgegebene Zeitspanne andauert, welche beispielsweise im Bereich von 450 bis 550ms liegen kann. Diese Zeitspanne entspricht der typischen Impulsdauer von auftretenden Load-Dump-Impulsen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung kann die Auswerte- und Steuerschaltung eine Spannung des Energiespeichers an einem zweiten Messpunkt erfassen und auswerten. Zudem kann die Auswerte- und Steuerschaltung die elektronische Ladeschaltung deaktivieren und den Energiespeicher von der Bordnetzspannung trennen, wenn die Spannung des Energiespeichers am zweiten Messpunkt einen vorgegebenen Maximalwert erreicht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung kann die Auswerte- und Steuerschaltung die elektronische Regelschaltung als Entladeschaltung betreiben, welche die während des Load-Dump-Zustands im Energiespeicher gespeicherte Energie an das Steuergerät abgeben und die überhöhte Spannung des Energiespeichers abbauen kann. Während dieser Zeit wird aus dem Bordnetz keine Energie bezogen. Des Weiteren kann die Auswerte- und Steuerschaltung den Betrieb der elektronischen Regelschaltung als Entladeschaltung deaktivieren und auf Normalbetrieb umschalten, wenn die Spannung des Energiespeichers am zweiten Messpunkt einen vorgegebenen Normalwert erreicht. Sobald die Spannung am zweiten Messpunkt wieder Normalniveau erreicht hat, kann erneut Energie aus einem Load-Dump-Impuls aufgenommen werden. Typischerweise ist dies je nach internem Verbrauch des Steuergeräts nach wenigen Sekunden der Fall.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung kann die Schutzschaltung eine TVS-Diode oder einen Varistor aufweisen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung kann der Energiespeicher als Elektrolytkondensator ausgeführt werden und eine Kapazität im Millifaradbereich aufweisen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung für ein Steuergerät in einem Fahrzeug.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung 10 für ein Steuergerät 3 in einem Fahrzeug eine elektronische Regelschaltung E2, welche zwischen einer Bordnetzspannung UBat und dem Steuergerät 3 eingeschleift ist und eine Versorgungsspannung UV des Steuergeräts 3 auf einen vorgegebenen Wert regelt. Der elektronischen Regelschaltung E2 ist eine Schutzschaltung TVS vorgeschaltet, welche Spitzen der Bordnetzspannung UBat auf Masse GND schaltet, wenn die Bordnetzspannung UBat einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Zudem ist zwischen der Bordnetzspannung UBat und dem Steuergerät 3 ein Energiespeicher S eingeschleift, welcher im Notfall die Versorgungsspannung UV für das Steuergerät 3 bereitstellt. Erfindungsgemäß ist zwischen der Bordnetzspannung UBat und dem Energiespeicher S eine elektronische Ladeschaltung E1 eingeschleift, wobei eine Auswerte- und Steuerschaltung 12 die Bordnetzspannung UBat an einem ersten Messpunkt U1 erfasst und auswertet. Die Auswerte- und Steuerschaltung 12 aktiviert die elektronische Ladeschaltung E1, wenn die Auswertung der Bordnetzspannung UBat am ersten Messpunkt U1 einen Load-Dump-Zustand anzeigt. Die elektronische Ladeschaltung E1 lädt Energie des Load-Dump-Zustands in den Energiespeicher S bevor die Bordnetzspannung UBat den vorgegebenen Schwellwert erreicht.
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Die Schutzschaltung TVS weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Transient-Voltage-Supressor-Diode (TVS-Diode) oder einen Varistor auf, um die Spitzen der Bordnetzspannung UBat auf Masse GND zu legen, wenn die Bordnetzspannung UBat den vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 3 als Airbagsteuergerät ausgeführt und der Energiespeicher S dient dazu, bei Batterieabriss im Crash-Fall das Steuergerät 3 für einige 100ms weiter zu versorgen. Zudem stellt der Energiespeicher S auch die Energie zur Verfügung, um die erforderlichen Zündmittel für die Personenschutzmittel zu aktivieren. Im Normalbetrieb des Steuergeräts 3 ist der Energiespeicher S auf eine vorgegebene Spannung von beispielsweise ca. 35V aufgeladen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Energiespeicher S einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Energiereservekondensator für das Airbagsteuergeräts 3 und weist eine Speicherkapazität im Millifaradbereich auf. Die Auswerte- und Steuereinheit 12 überwacht die Bordnetzspannung UBat am ersten Messpunkt U1 und erkennt eine Überspannung durch einen Load-Dump-Zustand zuverlässig und in ausreichender Geschwindigkeit. Im Falle eines Load-Dump-Zustands steigt die Spannung am ersten Messpunkt weit über den normal zulässigen Bereich an. Die an einem ersten Messpunkt U1 gemessene Spannung wird in die Auswerte- und Steuereinheit 12 eingelesen, welche vorzugsweise als Mikrocontroller ausgeführt ist und einen Algorithmus abarbeitet, welcher den Load-Dump-Zustand sicher und schnell erkennt. Die Auswerte- und Steuereinheit 12 aktiviert die elektronische Ladeschaltung E1 derart, dass die Energie des Load-Dump-Zustands bzw. ein Teil dieser Energie geregelt in den Energiespeicher S fließt. Dies wird so lange durchgeführt, bis die Spannung im Energiespeicher 3 einen maximal erlaubten Wert erreicht und/oder die Auswerte- und Steuereinheit 12 erkennt, dass ein unerlaubter Betriebsfall im Bordnetz 1 vorliegt.
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Die Auswerte- und Steuerschaltung 12 deaktiviert die elektronische Ladeschaltung E1, wenn die Auswertung der Bordnetzspannung UBat am ersten Messpunkt U1 ergibt, dass ein unerlaubter Betriebsfall im Bordnetz 1 vorliegt. Die Auswerte- und Steuerschaltung 12 erkennt den unerlaubten Betriebsfall im Bordnetz 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel, wenn der Load-Dump-Zustand länger als eine vorgegebene Zeitspanne andauert. Die vorgegebene Zeitspanne liegt vorzugsweise im Bereich von 450 bis 550ms.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, erfasst die Auswerte- und Steuerschaltung 12 die Spannung des Energiespeichers S an einem zweiten Messpunkt U2 und wertet diese aus. Das bedeutet, dass die Auswerte- und Steuereinheit 12 eine Spannungsüberwachung bzw. Spannungsregelung des Energiespeichers S durchführt und neben dem normalen Ladezustand des Energiespeichers S, welcher für den Betrieb des Steuergerätes 3 erforderlich ist, einen erlaubten Überspannungszustand im Falle des Load-Dump-Zustands kontrolliert. Die Auswerte- und Steuerschaltung 12 deaktiviert die elektronische Ladeschaltung E1 und trennt den Energiespeicher S von der Bordnetzspannung UBat, wenn die Spannung des Energiespeichers S am zweiten Messpunkt U2 einen vorgegebenen Maximalwert erreicht.
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Anschließend betreibt die Auswerte- und Steuerschaltung 12 die elektronische Regelschaltung als Entladeschaltung E2, welche die während des Load-Dump-Zustands im Energiespeicher S gespeicherte Energie an das Steuergerät 3 abgibt und die überhöhte Spannung des Energiespeichers S abbaut. Das bedeutet, dass die erhöhte Spannung am zweiten Messpunkt U2 geregelt über die elektronische Entladeschaltung E2 in für das Steuergerät 3 verwertbare Spannungen gewandelt und somit wieder auf Normalniveau abgebaut wird. Während dieser Zeit bezieht das Steuergerät 3 keine Energie aus dem Bordnetz 1. Sobald die Spannung am zweiten Messpunkt U2 wieder Normalniveau erreicht hat, deaktiviert die Auswerte- und Steuerschaltung 12 den Betrieb der elektronischen Regelschaltung als Entladeschaltung E2 und schaltet wieder auf Normalbetrieb um, in welchem das Steuergerät 3 seine Energie wieder aus dem Bordnetz 1 bezieht. Typischerweise erreicht die Spannung am zweiten Messpunkt U2 in Abhängigkeit von der internen Last Pint des Steuergeräts 3 nach wenigen Sekunden wieder den normalen Spannungswert, so dass der Energiespeicher 3 erneut Energie aus einem Load-Dump-Impuls aufnehmen kann.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist die Überspannungsschutzvorrichtung 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Verpolschutzdiode D1 und eine Inversdiode D2 auf.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Überspannungsschutzvorrichtung für ein Steuergerät in einem Fahrzeug zur Verfügung, welche in vorteilhafter Weise durch bereits im Fahrzeug vorhandene Speicherelemente zur Aufnahme der Energie des Load-Dump-Impulses nutzt, um die Verlustleistung im Gerät zu reduzieren. Die gespeicherte Energie kann in vorteilhafter Weise für das Steuergerät genutzt werden und wird nicht oder nur teilweise in Wärme umgesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009047480 A1 [0003]
