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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung für ein Fahrzeugzugangssystem.
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Zu Zugangssystemen existieren schon einige Ansätze ausfolgenden Veröffentlichungen und Patentanmeldungen: In
DE 10 2013 220 596 A1 wird ein quasi-resonanter Schwingkreistreiber beschrieben. In
DE 10 2014 222 603.1 wird eine Feldabstrahlung kompensiert, wobei eine Gleichtaktabstrahlung durch eine Schaltungsanordnung unterdrückt wird. In
DE 10 2014 220 406.2 wird ein optimiertes Design eines quasi-resonanten Schwingkreistreibers beschrieben.
DE 10 2015 205 038.6 beschreibt einen Schwingkreistreiber.
EP 2 816 737 A1 offenbart eine NFC Transpondervorrichtung,
DE 10 2013 227 204 A1 ein Kfz-Zugangssystem mit einem NFC System.
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Aus
EP2816737A1 (
1 und
2 zusammen mit den Absätzen [0006] bis [0016]) ist eine Vorrichtung zur Übermittlung von Informationen zu einer Treibervorrichtung bekannt,
- – mit einer mit einer Transpondervorrichtung koppelbaren oder gekoppelten Treibervorrichtung mit einem Treibervorrichtungs-Schwingkreis mit einer Treibervorrichtungs-Antenne und einer Treibervorrichtungs-Kapazität, und
- – mit einer Messvorrichtung zum Demodulieren von Informationen seitens der Vorrichtung durch Messen einer durch Schalten eines Transpondervorrichtungs-seitigen Transpondervorrichtungs-Schalt-Widerstands veränderlichen, und eine Dämpfung einer selbstresonanten Schwingung des Treibervorrichtungs-Schwingkreises repräsentierenden elektrischen Größe im Treibervorrichtungs-Schwingkreis.
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Aus
DE 10 2013 227 204 A1 sind Vorrichtungen zur Übermittlung von Informationen zwischen Kraftfahrzeugen und Transpondern mit Hilfe von Nahfeldkommunikationstechniken bekannt (vgl.
1 und Absätze 0025, 0041, 0098).
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Bei zumindest intern bekannten z. B. herkömmlichen Schwingkreistreibern könnte die Verstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gegenüber der Trägerfrequenz zur Folge haben, dass die Lastmodulation eines Wegfahrsperren-Transponders sich nur teilweise und in den sogenannten Nullstellen gar nicht in der Amplitude des Trägersignals des Schwingkreises wiederfinden lässt, sondern sich teilweise und in den sogenannten Nullstellen sogar vollständig in eine Phasenmodulation des Schwingkreisstromes im Vergleich zur Schwingkreisspannung verwandelt. Ein Transponder-Demodulator sollte deshalb eine Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation demodulieren können. Z. B. werden dazu zumindest intern bekannte Synchrondemodulatoren mit Nachführung der Phase zur Einstellung des optimalen Abtastzeitpunktes oder IQ-Demodulatoren (komplexe Zweikanal-Demodulatoren wie in der Hochfrequenztechnik) verwendet. Bei sehr kleinen Kopplungsfaktoren würde die Amplitude des Trägersignals erhöht werden, damit der Transponder über das Feld mit Energie versorgt werden kann. Ein Spannungsteiler mit hohem Teilungsfaktor kann verwendet werden, um die Schwingspannung dem Demodulator zuführen zu können.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeugzugangssystem für ein Kraftfahrzeug zu optimieren. Die Aufgabe wird jeweils durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Ausgestaltungen der Erfindung können den Empfang einer lastmodulierten Antwort eines Wegfahrsperren-Transponders bei Betrieb mit einem quasi-resonanten Schwingkreistreiber ermöglichen.
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Im Vergleich zu einem herkömmlichen Schwingkreistreiber mit Demodulator zum Empfang der lastmodulierten Transponderantwort können sich folgende Vorteile ergeben:
- • Bei Verstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gegenüber der Trägerfrequenz muss keine Phasenmodulation stattfinden und es müssen keine Nullstellen auftreten.
- • Der Empfang der lastmodulierten Transponderantwort kann auch bei großen Abweichungen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises von der Trägerfrequenz möglich sein.
- • Der durch die Lastmodulation des Transponders verursachte Modulationsindex, der in der Dämpfung der Spannungs- und Stromamplitude in der Antenne messbar ist, kann bei gleichem Kopplungsfaktor k0 höher sein als bei einem herkömmlichen Schwingkreistreiber mit Demodulator. Deshalb könnte mit Ausgestaltungen der Erfindung eine größere Reichweite erzielt werden (wenn die Reichweite nicht durch externe Störsignale begrenzt ist).
- • Die Demodulation kann insbesondere durch Messung und Integration des Ladestroms (Variante a) oder durch Messung der Kondensatorspannung Vc1 bei konstanter Ladungsmenge (Variante b) durchgeführt werden. Der Aufwand dafür kann kleiner als für einen herkömmlichen Synchrondemodulator sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile einiger vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Dabei zeigt zur Veranschaulichung von einigen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung, jeweils vereinfachend schematisch:
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1 eine Kraftfahrzeug-seitig einbaubare Treibervorrichtung,
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2 eine Kraftfahrzeug-seitig einbaubare Treibervorrichtung in Funk-Kommunikation durch Koppelung mit einem Benutzer-seitig verwendbaren mobilen Transponder,
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3 den Verlauf einer Spannung Vc1 und eines Stromes IQ1 in einer Kraftfahrzeug-seitig einbaubaren Treibervorrichtung wie z. B. in 2 oder 5,
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4 den Verlauf einer Spannung Vc1 und eines Stromes IQ1 in einer Kraftfahrzeug-seitig einbaubaren Treibervorrichtung wie z. B. in 2 oder 5,
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5 eine Kraftfahrzeug-seitig einbaubare Treibervorrichtung mit einer gesteuerten Stromquelle, in Kommunikation mit einem Benutzer-seitig verwendbaren mobilen Transponder,
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6 einen per Funk mit einem fahrzeugzeitigen Treiber gekoppelten mobilen Transponder.
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6 zeigt zu einigen Ausgestaltungen der Erfindung einen per Funk (k0) zur Übertragung von Informationen mit einem fahrzeugzeitigen Treiber Treib gekoppelten mobilen Transponder Transp. Die Reichweite eines LF-Transponders kann z. B. bei 5 bis 15 cm liegen.
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Einige Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen einen Empfang einer lastmodulierten Antwort eines (mobilen Wegfahrsperren-)Transponders Transp bei z. B. sehr kleinem Kopplungsfaktor k0, auch während der Abstrahlung eines großen Trägersignals.
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2 und 5 zeigen als Ausgestaltungen der Erfindung jeweils einen quasi-resonanten (Kraftfahrzeug-seitigen) Schwingkreistreiber Treib sowie eine Kopplung (z. B. als Funk-Übertragung in z. B. eine oder zwei Richtungen) k0 zu einem (mobilen Wegfahrsperren-)Transponder mit Lastmodulation (durch S1, Rt1).
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In 2 und 5 stellen L0 und R0 jeweils eine Ersatzschaltung für eine von einem (hier quasi-resonanten) Treibervorrichtungs-Schwingkreises (L0, C0, R0) einer im folgenden vereinfachend Treiber bezeichneten Schaltung Treib betriebene (insbesondere niederfrequente und/oder LF-)Antenne Kfz-Ant für ein bzw. in einem Kraftfahrzeug Kfz dar.
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Diese Spule und/oder Induktivität L0 einer (Kraftfahrzeug-seitig einbaubaren LF-)Antenne Kfz-Ant ist mit einer Transponder(Transp)-seitigen Spule und/oder Induktivität einer Transponder(Transp)-seitigen Transponder-Antenne Transp-Ant (dargestellt durch die Ersatzschaltung aus Ls und Rs) über den Kopplungsfaktor k0 magnetisch gekoppelt.
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Eine Transponder(Transp)-seitige Spule und/oder Induktivität einer Transponder(Transp)-seitigen Transponder-Antenne Transp-Ant kann z. B. eine Empfangsspule sein, über die z. B. als an die Kfz-seitige Spule L0 gekoppelte Spule lastabhängig Parameter (z. B. Iq1 oder Vc1) von deren Schwingkreis C0, L0, R0 moduliert werden. Der Schalter S1 kann also als Modulationsschalter für die Modulation (über das Schalten von Rt1 von vom Transponder Transp zum Treiber Treib zu sendenden Informationen Inf über die Koppelung k0) angesehen werden.
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Die Transponder(Transp)-seitige Transponder-Antenne Transp-Ant mit einer Induktivität Ls bildet mit (hier nur) einem Kondensator Cs und hier einem die Verluste im Transponder beschreibenden Widerstand Rt0 einen gedämpften Parallelschwingkreis.
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Wenn der Transponder Transp auf eine Anfrage (des Treibers Treib im Kfz) antwortet, dann moduliert er z. B. seinen Verlustwiderstand (entweder Rt0 ohne Rt1 oder Rt0 parallel zu Rt1) je nach abzusendendem Bitmuster (einer vom Transponder Transp an einen Kraftfahrzeug-seitigen Treiber Treib zu sendenden Information Inf) mit einer schaltbaren (S1) zusätzlichen Last, repräsentiert durch den Widerstand Rt1 (also z. B. nur Rt0 im Schwingkreis bei einem Bit „0” bzw. bei einem Bit „1” Rt0 parallel zu Rt1 im Schwingkreis; oder umgekehrt; ggf. auch mit bitstuffing etc.). Über die magnetische Kopplung wirkt sich diese Lastmodulation (entweder Rt0 oder Rt0 parallel Rt1 im Transponder-Schwingkreis) des Transponders Transp über die Koppelung k0 (von L0 und Ls insbesondere bei eher niedrigen Distanzen) auf die Treiber-Antenne Kfz-Ant und/oder den Treiber-seitigen Treibervorrichtungs-Schwingkreis (L0, C0, Verlust R0) aus.
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Aufgrund des quasi-resonanten Schwingkreisbetriebs gibt es nach Ausgestaltungen der Erfindung z. B. nur eine sehr geringe Verstimmung der Resonanzfrequenz, sodass Schwingkreisstrom und -spannung nahezu phasengleich verlaufen.
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Insbesondere derart kann sich die Lastmodulation des Transponders Transp (also Anschalten/Abschalten des Lastwiderstands Rt1 an eine Transponder-Antenne Transp-Ant per von einer Steuerung Steu gesteuertem Schalter S1) direkt auf die Amplitude (einer elektrischen Größe Vc1 und/oder Iant) eines Trägersignals des Treiber-seitigen Schwingkreises L0, R0, C0 auswirken: Je kleiner der Lastwiderstand (also Rt0 parallel zu Rt1, verglichen mit nur Rt0 (ohne Rt1)) des Transponders Transp ist, desto mehr kann die Amplitude (einer elektrischen Größe Vc1 und/oder Iant) des Trägersignals des Treiber-seitigen Schwingkreises L0, R0, C0 gedämpft werden.
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3 zeigt beispielhaft zu einer Schaltung wie z. B. 2, wie die an der Kapazität C0 des (Treiber-seitigen und Kfz-seitigen) Schwingkreises L0, R0, C0 anliegende Spannung Vc1 sich abhängig von der Schalterposition des Schalters S1 (im mobilen Transponder Transp) und damit über die (z. B. Funk-)Kopplung k0 von LS mit L0 ändern kann: Wenn links in 3 der Schalter S1 in der in 2 dargestellten Stellung „off” ist (also der Widerstand Rt1 nicht parallel zur Transponder-Antenne Transp-Ant geschaltet ist), ist die an der Kapazität C0 des (Treiber-seitigen und Kfz-seitigen) Schwingkreises L0, R0, C0 anliegende Spannung Vc1 größer, als wenn rechts in 3 der Schalter S1 in der nicht in 2 dargestellten Stellung „on” ist (also der Widerstand Rt1 parallel zur Transponder-Antenne Transp-Ant geschaltet ist). Ferner zeigt 3 beispielhaft zu einer Schaltung wie in z. B. 2, wie sich ein in den (Treiber-seitigen und Kfz-seitigen) Treiberschaltungs-Schwingkreis L0, R0, C0 (z. B. automatisch aufgrund einer Kompensationsschaltung) einfließender Strom Iq1 verändern kann, mit jeweils in einer Phase einer Erhöhung (von hier null) auf eine zeitlich integrierte Ladung Delta Q1 (= DQ1), und zwar z. B. in Abhängigkeit von der Spannung Vc1, also z. B. bei rechts in 3 stärkerem Abfall von VC1 als links in 3 (Spannungsdifferenz gekennzeichnet durch ΔVC1), was mit höherem Ladestrom Iq1 und/oder höherem Integral des Ladestroms Iq1 und damit rechts höherer Lademenge Delta Q1 kompensiert wird.
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Bei erhöhtem Kopplungsfaktor k0 kann die Dämpfung durch den Transponder Transp außerdem eine Verringerung der Schwingfrequenz des quasi-resonanten Treiber-seitigen Schwingkreises L0, C0, R0 bewirken. Dieser Effekt kann durch die automatische Adaption eines geeigneten üblichen Schwingkreistreibers an die aktuellen Werte der LF-Antenne berücksichtigt werden und muss für die dargestellten Ausgestaltungen keine Rolle spielen, da der Empfang der lastmodulierten Transponder-Antwort bei erhöhtem Kopplungsfaktor kein besonderes technisches Problem darstellen muss.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Dämpfung der Amplitude des Trägersignals des Schwingkreises direkt in Form der (jeweiligen Veränderung DVc1 der) Spannung Vc1 über dem Schwingkreiskondensator C0 mit einer schematisch angedeuteten (Spannungs-)Messvorrichtung Mess gemessen.
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Dabei kann berücksichtigt werden, dass der quasi-resonante Schwingkreistreiber durch eine Ladeschaltung aus Rq1 und Sq1 aus der Versorgungsspannung Vdcp die Schwingkreisverluste durch Nachladen mit dem Strom Iq1 ausgleicht, um die quasi-resonante Schwingung aufrecht zu erhalten.
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Zum Empfang der Informationen Inf und zur Demodulation der Lastmodulation (S1, Rt1) des Transponders Transp gibt es nun insbesondere folgende Möglichkeiten:
- a) Nach einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein vollständiges Nachladen und ein Ausgleich der Verluste des Schwingkreises L0, C0, R0:
Beim vollständigen Nachladen soll die Ladungsmenge (Ladestrom Iq1 integriert über die Ladezeit) für jede quasi-resonante Schwingungsperiode gemessen werden. Wenn also die Lastmodulation (durch Zuschalten oder Abschalten von Rt1 gemäß dem aktuellen Bit „0” oder „1” der zu sendenden Informationen Inf) des Transponders Transp für eine etwas erhöhte Dämpfung der quasi-resonanten Schwingungsamplitude (z. B. von Vc1 zu Zeitpunkten t1 verglichen mit t2) sorgt, dann soll die Ladungsmenge beim Nachladen erhöht werden, sodass die Schwingungsamplitude wieder ihren Anfangswert erreicht. Das ist z. B. in 3 dargestellt. Die (z. B. in einem Ladezyklus von t3 bis t4 bzw. t5 bis t6 und/oder z. B. als zeitliches Integral des Ladestroms Iq1) gemessene Ladungsmenge DQ1 (bzw. der Unterschied der gemessenen Ladungsmenge DQ1 in einem Ladezyklus t3 bis t4 verglichen mit der gemessenen Ladungsmenge DQ1 in einem Ladezyklus t5 bis t6) im Treiber Treib zeigt also die Lastmodulation des Transponders Transp an- und damit die Schalterposition des Schalters S1 und damit ob die den Schalter S1 ansteuernde Information Inf gerade null oder eins ist.
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Z. B. könnte bei eingeschaltetem (on) Schalter S1 (also bei an die Antenne Transp-Ant geschaltetem Widerstand Rt1) durch Koppelung k0 die Dämpfung (von L0, C0, R0) und damit die zwischen t5 und t6 nachzuladende Ladungsmenge DQ1 kleiner sein als zwischen t5 und t6 bei ausgeschaltetem (off) Schalter S1 (also bei nicht an die Antenne Transp-Ant geschaltetem Widerstand Rt1)– was in der Treibervorrichtung Treib eine Detektion der Schalterpositionen „on”/”off” (an/aus) des Schalters S1 und damit eine Demodulation der Informationen Inf erlauben kann.
- b) Nach einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Einfrieren der Ladungsmenge der Nachladefunktion zu Beginn der erwarteten Transponderantwort:
Die Ladungsmenge, die dem quasi-resonanten Schwingkreis L0, C0, R0 z. B. zum Nachladen in jeder (dargestellten) Schwingungsperiode (von z. B. VC1) zugeführt wird, wird konstant gehalten: Wenn dann der Transponder Transp die Last Rt1 zusätzlich einschaltet (mit S1), werden aufgrund der zusätzlichen Dämpfung die Schwingkreisverluste (im Schwingkreis L0, C0, R0) nicht mehr vollständig ausgeglichen, und Vc1 verringert sich von Periode zu Periode (z. B. von t1 nach t2). Der (um z. B. Delta Vc1 = DVc1 von t1 nach t2 sinkende) messbare (Mess) Endwert der Spannung Vc1 (an C0) nach jeder Schwingungsperiode zeigt also die Lastmodulation des Transponders Transp (also Schalterstellung von S1, und damit die Information Inf, die den Schalter S ansteuert) an, wie beispielhaft 4 zeigt. Falls der Endwert von Vc1 bei großem Kopplungsfaktor k0 zu weit sinkt, könnte aber die konstant gehaltene Ladungsmenge zur Kompensation des Effekts erhöht werden.
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Die in 2 dargestellte Ausgestaltung der Erfindung zeigt eine Anordnung mit sowohl (gemäß Variante a) einer gemessenen (Mess) Ladungsmenge (DeltaQ1 = zeitlich integrierter Strom IQ1) wie auch (nach Variante b)) eine Messung (Mess) des (von t1 nach t2) sinkenden Werts der Spannung Vc1 (an C0), was als doppelte Erfassung zum Abgleich oder Reduzieren von Übertragungsfehlern vorgesehen sein kann.
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Nach Ausgestaltungen der Erfindung kann eine Messung auch von
- – nur (gemäß Variante a) einer gemessenen (Mess) Ladungsmenge (DeltaQ1 und/oder zeitlich integriertem Strom IQ1) oder
- – nur (nach Variante b) einer Messung (Mess) des (um nach je einer Periode sinkenden Endwert des) Werts der Spannung Vc1 (an C0) bzw. DVc1 vorgesehen sein.
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Wie 5 beispielhaft zeigt, kann eine Ladeschaltung aus Rq1 und Sq1 auch durch eine gesteuerte Stromquelle I-Quell-gest (auch bezeichnet als Controlled Current Source) ersetzt werden. Ein Referenzstrom Iref legt die Höhe des Ladestroms fest und das Steuersignal Sq1 das Zeitintervall Δtq1, in dem der Ladestrom fließt. Iref und Δtq1 werden dabei z. B. so gewählt, dass ohne die Lastmodulation (S1, Lt1) des Transponders Transp die Schwingkreisverluste in jeder Schwingungsperiode ausgeglichen werden.
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Von der Transpondervorrichtung Transp zur Kraftfahrzeug-seitigen Treibervorrichtung (Treib) zu übertragende Informationen Inf können z. B. Freigabedaten sein, die das Kraftfahrzeug zum Öffnen einer Türe und/oder Lösen einer Wegfahrsperre veranlassen; z. B. Informationen Inf, die von einer Steuerung Steu aus von der Kraftfahrzeug-seitigen Treibervorrichtung Treib über die Kopplung (k0) übertragenen Anfragedaten in einem Challenge-Response-Verfahren berechnet wurden und/oder die in der Transpondervorrichtung Transp gespeichert sind.
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Ergänzend, auch als background, zeigt
1 (ähnlich der in
1 der Anmeldung
DE102015205038.6 ) eine (fahrzeugseitige) Schaltung Treib mit einem Parallelschwingkreis (hier einem quasi-resonanten Schwingkreistreiber) L0, C0, R0 sowie
2 die Kopplung k0 zu einem Wegfahrsperren-Transponder TRANSP (z. B. einer Art Kraftfahrzeugschlüssel), der z. B. auf eine Anfrage hin antworten soll. Die Bezugszeichen L0 + R0 stellen zusammen eine Ersatzschaltung (für eine Induktivität L0 und einen ohmschen Widerstand R0) für eine vom hier quasiresonanten Schwingkreistreiber betriebene LF-Antenne dar. Diese LF-Antenne Kfz-Ant ist mit einer Transponderspule eines (mobilen/z. B. als Autoschlüssel verwendbaren) Transponders TRANS magnetisch (mit dem Kopplungsfaktor k0) koppelbar oder wie dargestellt (zur Übertragung von Informationen) gekoppelt. Die Transponderspule Transp-Ant des Transponders TRANS bildet mit dem Kondensator Cs des Transponders TRANS einen gedämpften Parallelschwingkreis.
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Über die magnetische Kopplung k0 belastet der Transponder TRANS das von der LF-Antenne Kfz-Ant abgestrahlte magnetische Feld und erzeugt in der LF-Antenne eine Gegenspannung, die der felderzeugenden Spannung in der LF-Antenne entgegenwirkt. Die durch Steuersignale Sa1, Sa2 von einer Steuerung steuerbaren Schalter für Sa1, Sa2 sind dabei geschlossen, sodass L0 mit C0 einen Parallelschwingkreis bildet. Die Last, die der Transponder TRANS für diesen Parallelschwingkreis darstellt, zeigt sich also als Veränderung der Spannung Vc1, die am Kondensator C0 abgegriffen wird.
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Da dieser Anschluss von C0 einen Schaltungsknoten mit dem Source-Anschluss des steuerbaren Schalters an Sq1, dem Drain-Anschluss des steuerbaren Schalters M-Sa1 sowie der Strommessschaltung ZeroCrossDet (zur Messung eines Nulldurchgangs einer Antenne) oder Spannungsmessschaltung für Vc1 bildet, ist er z. B. an einer integrierten Schaltung bereits an einem IC-Pin verfügbar. Der Gleichspannungspegel Vdcm für die Unterdrückung einer Gleichtaktabstrahlung kann hier (z. B. über einen ohmschen Widerstand Rcm) am Anschluss Ant2 einer Antenne anliegen. Der Spannungspegel Vdcm kann z. B. Vc1/2 beim dargestellten Halbbrückenbetrieb oder z. B. Masse etc. in einem nicht dargestellten Vollbrückenbetrieb sein. Mit dem Nulldurchgangsdetektor ZeroCrossDet (auch bezeichenbar als Zero Crossing Detector) können Nulldurchgänge des Signals an Rsh (der in Serie zu C0 des Antennenschwingkreises geschaltet ist) und damit des Stroms im Schwingkreis L0, C0, R0 bestimmt werden. Die Bestimmung des Nulldurchgangs kann z. B. zur Bestimmung des Zeitpunkts bzw. der Phasen, zwischen denen der Unterschied DVc1 bestimmt wird, verwendet werden.
