DE102017107160A1

DE102017107160A1 - Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung

Info

Publication number: DE102017107160A1
Application number: DE102017107160.1A
Authority: DE
Inventors: Steffen Wandres; Mark WEIMANN; Oliver Merkel; Florian WERLING
Original assignee: Eberspaecher Controls Landau GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Controls Landau GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: DE102017107160B4; US20180284193A1; US10739404B2

Abstract

Ein Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung (10) zum Herstellen/Trennen einer Verbindung zweier Schaltungsbereiche (12, 14), insbesondere in einem Fahrzeug, wobei die Trennschalteranordnung (10) wenigstens ein MOSFET-Schaltelement (20) umfasst, wobei ein Source-Anschluss (22) des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements (20) in Verbindung mit einem ersten der Schaltungsbereiche (12, 14) ist und ein Drain-Anschluss (24) des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements (20) in Verbindung mit einem zweiten der Schaltungsbereiche (12, 14) ist, und wobei dem wenigstens einen MOSFET-Schaltelement (20) ein Gate-Treiber (26) zum Schalten des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements (20) in einen die beiden Schaltungsbereiche (12, 14) miteinander verbindenden Verbindungs-Schaltzustand zugeordnet ist, umfasst die Maßnahmen:
a) Anlegen wenigstens eines Überprüfungs-Spannungsimpulses an den Drain-Anschluss (24) wenigstens eines einer Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements (20),
b) Erfassen eines Spannungsabfalls zwischen dem Drain-Anschluss (24) und dem Source-Anschluss (22) des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20),
c) Vergleichen des bei der Maßnahme b) erfassten Spannungsabfalls mit einer Spannungsreferenz oder/und einer Zeitreferenz,
d) beruhend auf dem bei der Maßnahme c) durchgeführten Vergleich, Bestimmen eines Ist-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung zum Herstellen/Trennen einer Verbindung zweier Schaltungsbereiche, insbesondere in einem Fahrzeug.
In modernen Fahrzeugen sind im Allgemeinen zumindest zwei jeweils einen Schaltungsbereich in einem Fahrzeug darstellende Spannungsnetze bereitgestellt, um die verschiedenen Verbraucher elektrischer Energie während des Fahrzeugbetriebs zu speisen. Eines dieser Spannungsnetze kann ein Bord-Spannungsnetz sein, in welchem, gespeist aus einer ersten als Spannungsquelle genutzten Batterie, Verbraucher elektrischer Energie versorgt werden, welche während des Fahrzeugbetriebs permanent und unabhängig davon, ob eine Brennkraftmaschine in Betrieb ist oder nicht, mit elektrischer Energie zu versorgen sind. Ein anderes dieser Spannungsnetze kann ein Start-Spannungsnetz sein, welches primär dazu dient, auch in einem Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine nach vorübergehendem Abschalten der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei an einer Ampel stehendem Fahrzeug oder in einem Segel-Betrieb betriebenem Fahrzeug, die Brennkraftmaschine wieder anzulassen.
In Zuordnung zu derartigen Spannungsnetzen ist eine Trennschalteranordnung vorgesehen, welche in einem normalen, eine Überlastung insbesondere des Bord-Spannungsnetzes nicht herbeiführenden Betriebszustand die beiden Spannungsnetze bzw. deren Spannungsquellen miteinander verbindet, so dass beide Spannungsquellen genutzt und auch wieder geladen werden können. In einem Zustand, in welchem eines der Spannungsnetze stark belastet wird und damit auch ein starker Spannungsabfall im anderen Spannungsnetz entstehen könnte, können die beiden Spannungsnetze durch die Trennschalteranordnung voneinander getrennt. werden Dies kann in dem vorangehend beschriebenen Beispiel dann der Fall sein, wenn beim Anlassen der Brennkraftmaschine das Start-Spannungsnetz stark belastet wird, eine zu einem übermäßigen Spannungseinbruch des Bord-Spannungsnetzes führende Belastung jedoch ausgeschlossen werden muss.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem eine zuverlässige Überprüfung des Schaltzustandes einer zwei Schaltungsbereiche, wie z.B. Spannungsnetze, voneinander trennenden oder miteinander verbindenden Trennschalteranordnung durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung zum Herstellen/Trennen einer Verbindung zweier Schaltungsbereiche, insbesondere in einem Fahrzeug, wobei die Trennschalteranordnung wenigstens ein MOSFET-Schaltelement umfasst, wobei ein Source-Anschluss des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements in Verbindung mit einem ersten der Schaltungsbereiche ist und ein Drain-Anschluss des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements in Verbindung mit einem zweiten der Schaltungsbereiche ist, und wobei dem wenigstens einen MOSFET-Schaltelement ein Gate-Treiber zum Schalten des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements in einen die beiden Schaltungsbereiche miteinander verbindenden Verbindungs-Schaltzustand zugeordnet ist, wobei das Verfahren die Maßnahmen umfasst:

a) Anlegen wenigstens eines Überprüfungs-Spannungsimpulses an den Drain-Anschluss wenigstens eines einer Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements,
b) Erfassen eines Spannungsabfalls zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements,
c) Vergleichen des bei der Maßnahme b) erfassten Spannungsabfalls mit einer Spannungsreferenz oder/und einer Zeitreferenz,
d) beruhend auf dem bei der Maßnahme c) durchgeführten Vergleich, Bestimmen eines Ist-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, unabhängig davon, auf welchem Potenzial die mit den beiden Spannungsnetzen in Verbindung stehenden Anschlüsse des wenigstens einen einer Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements sind, durch das Aufbringen einer definierten Spannung am Drain-Anschluss eines derartigen MOSFET-Schaltelements abhängig vom Schaltzustand dieses MOSFET-Schaltelements eine Potenzialdifferenz zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss desselben zu generieren. Auf der Grundlage dieser erfassbaren Potenzialdifferenz kann zuverlässig bestimmt werden, in welchem Schaltzustand das überprüfte MOSFET-Schaltelement ist bzw. ob dessen vorliegender Schaltzustand einem für dieses MOSFET-Schaltelement vorgegebenen Soll-Schaltzustand entspricht. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass durch einen derartigen erfindungsgemäß bereitzustellenden Überprüfungs-Spannungsimpuls der Schaltzustand des überprüften MOSFET-Schaltelements grundsätzlich nicht beeinflusst bzw. verändert wird.
Um einerseits eine zuverlässige Erfassung des zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss bei Anlegen des wenigstens einen Überprüfungs-Spannungsimpulses zu erwartenden Spannungsabfalls sicherzustellen, andererseits aber eine Beeinträchtigung der über die Spannungsnetze zu speisenden Systembereiche durch das Aufbringen des wenigstens einen Überprüfungs-Spannungsimpulses auszuschließen, wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls eine Spannung, also eine Impulshöhe im Bereich von 1V bis 4V, vorzugsweise etwa 2V, aufweist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Überprüfung-Spannungsimpuls eine Potenzialdifferenz bezüglich des Source-Anschlusses des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements repräsentiert. Somit kann ausgeschlossen werden, dass dann, wenn bei Aufbringen des Überprüfungs-Spannungsimpulses auf den Drain-Anschluss der Drain-Anschluss und der Source-Anschluss eines überprüften MOSFET-Schaltelements auf dem gleichem Potenzial sind, unabhängig vom Schaltzustand, ein Spannungsabfall nicht detektierbar wäre.
Um zu gewährleisten, dass auch ein unter ungünstigen Zuständen herbeigeführter externer Kurzschluss zwischen den beiden über die Trennschalteranordnung miteinander zu verbindenden Spannungsnetzen bzw. der Spannungsquellen derselben nicht zu einer Beeinträchtigung der erfindungsgemäß vorzunehmenden Überprüfung des Schaltzustandes der Trennschalteranordnung führen kann, wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls eine Impulsdauer im Bereich von 5µs bis 15µs, vorzugsweise etwa 10µs, aufweist. Bezüglich einer derart kurzen Impulsdauer ist ein externer Kurzschluss aufgrund seiner vergleichsweise hohen Induktivität als hochohmig zu betrachten, so dass die durch Anlegen eines bzw. mehrerer Überprüfungs-Spannungsimpulse zu erzeugende Potenzialdifferenz zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss gleichwohl entsteht und somit erfassbar ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Impulsdauer im Wesentlichen dadurch bestimmt ist, dass auch bei in den Trenn-Schaltzustand geschaltetem MOSFET-Schaltelement die bei Aufbringen des Spannungsimpulses am Drain-Anschluss bereitgestellten Ladungsträger über den Drain-Anschluss und den damit in Verbindung stehenden zweiten Schaltungsbereich, welcher beispielsweise im Falle der Ausgestaltung als Spannungsnetz als niederohmig zu betrachten ist, im Wesentlichen vollständig abgeflossen sind.
Um ein korrektes Trennen der beiden Spannungsnetze erfassen bzw. bestätigen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Spannungsreferenz eine erste Spannungsschwelle umfasst, und dass dann, wenn bei der Maßnahme c) der Spannungsabfall über der ersten Spannungsschwelle ist, bei der Maßnahme d) bestimmt wird, dass der Ist-Schaltzustand ein Trenn-Schaltzustand ist.
Für die Erfassung bzw. Bestätigung einer korrekten Verbindung der beiden Spannungsnetze kann die Spannungsreferenz eine zweite Spannungsschwelle umfassen, wobei dann, wenn bei der Maßnahme c) der Spannungsabfall unter der zweiten Spannungsschwelle ist, bei der Maßnahme d) bestimmt wird, dass der Ist-Schaltzustand der Verbindungs-Schaltzustand ist.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass bei einer Maßnahme e) der bei der Maßnahme d) bestimmte Ist-Schaltzustand mit einem Soll-Schaltzustand des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements verglichen wird, und dass dann, wenn der Ist-Schaltzustand dem Soll-Schaltzustand entspricht, eine korrekte Funktion des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements erkannt wird, oder/und dann, wenn der Ist-Schaltzustand nicht dem Soll-Schaltzustand entspricht, das Vorliegen einer Fehlfunktion des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements erkannt wird. Auf diese Art und Weise kann nicht nur bestimmt werden, in welchem Schaltzustand ein derartiges Schaltelement ist, sondern es kann darüber hinaus ermittelt werden, ob ein eigentlich vorzusehender Schaltzustand auch tatsächlich vorliegt.
Da es für den nachfolgenden Betrieb eines mit zwei Spannungsnetzen aufgebauten Systems von besonderer Bedeutung ist, zu gewährleisten, dass nach Durchführung eines Schaltvorgangs der gewünschte Schaltzustand tatsächlich auch vorliegt, wird vorgeschlagen, dass der Ist-Schaltzustand des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements innerhalb eines vorbestimmten Überprüfungs-Zeitintervalls nach einer Änderung eines Soll-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements bestimmt wird. Dabei kann das Überprüfungs-Zeitintervall ein vergleichsweise kurzes Zeitintervall nach Durchführung des Schaltvorgangs sein, um zu gewährleisten, dass vor der Einleitung weiterer Maßnahmen sichergestellt ist, dass der dafür erforderliche Schaltzustand vorliegt. Ein derartiges Zeitintervall kann beispielsweise eine Dauer im Bereich von Millisekunden aufweisen. Beispielsweise kann das Überprüfungs-Zeitintervall ein Zeitintervall im Bereich von 10ms bis 100ms nach Durchführung eines Schaltvorgangs sein.
Um auch während eines länger andauernden unveränderten Betriebs der Trennschalteranordnung zu verifizieren, dass diese nach wie vor in dem für den Betrieb vorzusehenden Schaltzustand ist, kann der Ist-Schaltzustand des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements vorzugsweise periodisch wiederholt bestimmt werden.
Der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls kann in einfacher und zuverlässiger Weise dadurch generiert werden, dass die Trennschalteranordnung eine Überprüfungs-Spannungsimpuls-Erzeugungsanordnung mit einer Einkoppel-Kapazität umfasst, und dass der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls über die Einkoppel-Kapazität an den Drain-Anschluss des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements angelegt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise angewandt werden, wenn der erste Schaltungsbereich ein erstes Spannungsnetz, vorzugsweise mit einer ersten Spannungsquelle, umfasst, und dass der zweite Schaltungsbereich ein zweites Spannungsnetz, vorzugsweise mit einer zweiten Spannungsquelle, umfasst. Somit kann der Verbindungszustand der beiden Spannungsnetze insbesondere in einem Fahrzeugzuverlässig überprüft bzw. verifiziert werden, so dass eine möglicherweise zu einer sicherheitskritischen Überlastung eines der Spannungsnetze durch das andere Spannungsnetz zuverlässig verhindert werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung zum Herstellen/Trennen einer Verbindung zweier Schaltungsbereiche, insbesondere in einem Fahrzeug, wobei die Trennschalteranordnung wenigstens ein Schaltelement umfasst, wobei ein erster Anschluss des wenigstens einen Schaltelements in Verbindung mit einem ersten der Schaltungsbereiche ist und ein zweiter Anschluss des wenigstens einen Schaltelements in Verbindung mit einem zweiten der Schaltungsbereiche ist, und wobei bei dem wenigstens einen Schaltelement ein Schaltanschluss zum Schalten des wenigstens einen Schaltelements in einen die beiden Schaltungsbereiche miteinander verbindenden Verbindungs-Schaltzustand vorgesehen ist, wobei das Verfahren die Maßnahmen umfasst:

a) Anlegen wenigstens eines Überprüfungs-Spannungsimpulses an den ersten Anschluss oder den zweiten Anschluss wenigstens eines einer Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden Schaltelements,
b) Erfassen eines Spannungsabfalls zwischen dem zweiten Anschluss und dem ersten Anschluss des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen Schaltelements,
c) Vergleichen des bei der Maßnahme b) erfassten Spannungsabfalls mit einer Spannungsreferenz oder/und einer Zeitreferenz,
d) beruhend auf dem bei der Maßnahme c) durchgeführten Vergleich, Bestimmen eines Ist-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen Schaltelements.

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können somit grundsätzlich auch Anwendung finden bei Trennschalteranordnungen mit anders aufgebauten Schaltelementen, wie z.B. Relaisschaltern.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:

1 in prinzipartiger Darstellung ein mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu überprüfendes MOSFET-Schaltelement einer Trennschalteranordnung;
Fig. 2 für verschiedene Schaltzustände eines mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung überprüften MOSFET-Schaltelements den zwischen dessen Drain-Anschluss und Source-Anschluss bei Anlegen eines Überprüfungs-Spannungsimpulses entstehenden Spannungsabfall.

Die 1 veranschaulicht in vereinfachter und in prinzipartiger Weise den Aufbau einer allgemein mit 10 bezeichneten Trennschalteranordnung, die beispielsweise in einem Fahrzeug genutzt werden kann, um zwei Spannungsnetze 12, 14 bzw. deren Spannungsquellen 16, 18, z. B. Batterien, miteinander zu verbinden bzw. die Verbindung zwischen diesen Spannungsnetzen 12, 14 bzw. deren Spannungsquellen 16, 18 zu trennen.
Die Trennschalteranordnung 10 umfasst wenigstens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl von MOSFET-Schaltelementen 20. Ein Source-Anschluss 22 des MOSFET-Schaltelements 20 ist mit dem Spannungsnetz 12 bzw. dem +-Pol der Spannungsquelle 16 desselben verbunden. Ein Drain-Anschluss 24 des MOSFET-Schaltelements 20 ist mit dem Spannungsnetz 14 bzw. dem +-Pol der Spannungsquelle 18 desselben verbunden. Vermittels eines Gate-Treibers 26 bzw. einer durch diesen zwischen dem Source-Anschluss 22 und einem Gate-Anschluss 28 anzulegenden Spannung kann das MOSFET-Schaltelement 20 in einen leitenden und somit eine Verbindung zwischen dem Drain-Anschluss 24 und dem Source-Anschluss 22 herstellenden Zustand geschaltet werden, welcher im Folgenden allgemein als Verbindungs-Schaltzustand bezeichnet wird. Wird durch den Gate-Treiber 26 keine das MOSFET-Schaltelement 20 in seinen leitenden Zustand schaltende Schaltspannung angelegt, ist die Verbindung zwischen dem Drain-Anschluss 24 und dem Source-Anschluss 22 unterbrochen, so dass die beiden Spannungsnetze 12, 14 voneinander getrennt sind.
Um festzustellen, in welchem Schaltzustand das MOSFET-Schaltelement 20 ist, bzw. um zu verifizieren, ob dieses in einen für einen momentanen Betrieb vorgesehenen Soll-Schaltzustand ist, wird gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung vermittels einer Überprüfungs-Spannungsimpuls-Erzeugungsanordnung 30, insbesondere vermittels eines eine Einkoppel-Kapazität bereitstellenden Kondensators 32 derselben, ein durch einen Impulsgenerator erzeugter Überprüfungs-Spannungsimpuls an den Drain-Anschluss 24 des MOSFET-Schaltelements 20 angelegt. Vermittels eines derartigen Überprüfungs-Spannungsimpulses wird auf der Seite des Drain-Anschlusses 24 das Potential in einem der Höhe des Spannungsimpulses entsprechenden Ausmaß beispielsweise bezüglich des auf der Seite des Source-Anschlusses 22 vorhandenen Potentials angehoben. Dies hat zur Folge, dass unabhängig davon, auf welchem Potential der Source-Anschluss 22 und der Drain-Anschluss 24 jeweils ist, bei Erzeugung bzw. Anlegen eines Überprüfungs-Spannungsimpulses eine Potenzialdifferenz zwischen dem Drain-Anschluss 24 und dem Source-Anschluss 22 aufgebaut werden kann, wenn das MOSFET-Schaltelement 20 in einem nicht leitenden Zustand ist. Ist das MOSFET-Schaltelement 20 in einem leitenden Zustand, kann auch das Erzeugen bzw. Anlegen eines Überprüfungs-Spannungsimpulses auf der Seite des Drain-Anschlusses 24 nicht zum Entstehen einer Spannungsdifferenz zwischen dem Source-Anschluss 22 und dem Gate-Anschluss 24 führen.
Um den zwischen dem Source-Anschluss 22 und dem Gate-Anschluss 24 aufgebauten Spannungsabfall zu erfassen, ist dem MOSFET-Schaltelement 20 ein Differenzverstärker 34 zugeordnet, an dessen Ausgangsanschluss 36 ein diesen Spannungsabfall repräsentierendes Signal erzeugt wird und zur weiteren Auswertung zur Verfügung steht.
Mit Bezug auf die 2 wird nachfolgend der Betrieb der in 1 prinzipartig dargestellten Trennschalteranordnung 10 bei der Überprüfung des Schaltzustandes derselben erläutert. Dabei zeigt die 2, aufgetragen über der Zeit t, den durch den Differenzverstärker 34 erfassten Spannungsabfall zwischen dem Drain-Anschluss 24 und dem Source-Anschluss 22.
Dabei sei zunächst angenommen, dass zum Zeitpunkt to ein Überprüfungs-Spannungsimpuls generiert bzw. auf den Drain-Anschluss 24 aufgebracht wird. In einem Zustand, in welchem das MOSFET-Schaltelement 20 nicht leitend ist, also in einem die beiden Spannungsnetze 12, 14 voneinander trennenden Trenn-Zustand, baut sich entsprechend der Kurve K₁ eine Potenzialdifferenz auf, die eine erste Spannungsschwelle S₁ übersteigt. Die über den Kondensator 32 auf den Drain-Anschluss 24 aufgebrachten Ladungsträger fließen über das im Allgemeinen niederohmige zweite Spannungsnetz 14 ab, so dass das am Drain-Anschluss 24 vorhandene Potenzial nach einer vergleichsweise kurzen Zeitdauer im Bereich von etwa 10µs auf den vor Anlegen des Überprüfungs-Spannungsimpulses vorhandenen Ausgangswert zurückkehrt. Das Übersteigen der ersten Spannungsschwelle S₁ indiziert, dass das MOSFET-Schaltelement 20 sperrt, also nicht leitend ist. Dabei kann auch die Zeitdauer beispielsweise bis zum Unterschreiten der ersten Spannungsschwelle S₁ oder bis zur Zurückkehr in den Bereich des Ausgangswertes, beispielsweise bis zum Unterschreiten einer nachfolgend erläuterten zweiten Spannungsschwelle S₂, berücksichtigt werden, da beispielsweise ein zu schneller Abfluss der Ladungsträger darauf hindeutet, dass eine Entladung nicht bzw. nicht nur über das zweite Spannungsnetz 14 erfolgt, sondern auch über das MOSFET-Schaltelement 20, was bei in den Trenn-Schaltzustand geschaltetem MOSFET-Schaltelement 20 nicht der Fall sein sollte. Alternativ oder zusätzlich zu der Spannungsreferenz kann also für die Auswertung des Verlaufs der Drain-Source-Spannung eine Zeitreferenz vorgegeben werden, um somit einen noch detaillierteren Aufschluss über den vorliegenden Schaltzustand erlangen zu können.
Ist durch Anlegen einer Schaltspannung vermittels des Gate-Treibers 26 das MOSFET-Schaltelement 20 in seinen leitenden Zustand geschaltet, liegt also der Verbindungs-Schaltzustand vor, so wird sich auch bei Anlegen des Überprüfungs-Spannungsimpulses an den Drain-Anschluss 24 eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 22, 24 nicht entwickeln können. Dies bedeutet, dass entsprechend der Kurve K₂ in 2 der Differenzverstärker 34 keine Potenzialdifferenz bzw. keinen Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 24, 22 erfassen wird. In diesem Verbindungs-Schaltzustand wird die bei bzw. in vergleichsweise geringem Abstand über dem Ausgangswert liegende Spannungsschwelle S₂ nicht überschritten. Dieses Nicht-Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle S₂ indiziert somit, dass der Verbindungs-Schaltzustand vorliegt.
Die Kurve K₃ zeigt einen Zustand, bei welchem bei Aufbringen des Überprüfungs-Spannungsimpulses auf den Drain-Anschluss 24 zwar eine die zweite Spannungsschwelle S₂, nicht jedoch die erste Spannungsschwelle S₁ übersteigende Potenzialdifferenz zwischen den Anschlüssen 24 und 22 entsteht. Dies bedeutet, dass unabhängig davon, ob das MOSFET-Schaltelement 20 in seinen leitenden Zustand geschaltet ist oder in seinem nicht leitenden Zustand ist bzw. sein sollte, keiner dieser beiden Zustände korrekt vorliegt. Die Kurve K₃ deutet also auf einen fehlerhaften Betrieb des MOSFET-Schaltelements 20 hin, da dieses grundsätzlich nur zwei Zustände einnehmen soll, nämlich entweder den leitenden Zustand oder den nicht leitenden Zustand.
Auf der Grundlage der vermittels des Differenzverstärkers 34 erfassten Potenzialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 22, 24 kann somit darauf geschlossen werden, in welchem der beiden möglichen Schaltzustände das MOSFET-Schaltelement 20 bzw. die Trennschalteranordnung 10 ist oder ob ggf. ein Defekt vorliegt. Nach Vergleichen des durch den Differenzverstärker 34 erfassten Spannungsabfalls zwischen den Anschlüssen 22, 24 mit den als Spannungsreferenz dienenden Spannungsschwellen S₁, S₂ oder/und einer durch eine oder mehrere Zeitschwellen vorgegebene Zeitreferenz und somit Feststellen, in welchem Ist-Schaltzustand das MOSFET-Schaltelement 20 bzw. die Trennschalteranordnung 10 ist, kann unter weiterer Berücksichtigung der Information, in welchem Zustand das MOSFET-Schaltelement 20 bzw. die Trennschalteranordnung 10 sein sollte, also welcher Soll-Schaltzustand vorliegt, verifiziert werden, ob dies tatsächlich der Fall ist oder nicht.
Ist als Soll-Schaltzustand beispielsweise der Trenn-Schaltzustand vorgegeben und wird z.B. durch Vergleich mit den Spannungsschwellen S₁, S₂ erkannt, dass die Spannungsschwelle S₁ überschritten wird, das MOSFET-Schaltelement 20 also in seinem nicht leitenden Zustand ist, so kann erkannt werden, dass der Ist-Schaltzustand des MOSFET-Schaltelements 20 tatsächlich dem Soll-Schaltzustand entspricht. Das System kann dann beispielsweise in der gewünschten Art und Weise weiterbetrieben werden.
Wird in einem Zustand, in welchem als Soll-Schaltzustand der Trenn-Schaltzustand vorgegeben ist, erkannt, dass die erste Spannungsschwelle S₁ nicht überschritten wird, so kann unabhängig davon, ob die zweite Spannungsschwelle S₂ überschritten wird oder nicht, festgestellt werden, dass der Ist-Schaltzustand nicht dem Soll-Schaltzustand entspricht. Diese Information kann genutzt werden, um beispielsweise das System in einem Sicherheits-Betriebszustand zu betreiben, in welchem gewährleistet ist, dass auch eine durch ein defektes oder möglicherweise nicht korrekt geschaltetes MOSFET-Schaltelement herbeigeführte Verbindung der beiden Spannungsnetze 12, 14 nicht zu einer Betriebsbeeinträchtigung, insbesondere einer sicherheitsrelevanten Beeinträchtigung verschiedener Systembereiche führen kann.
Ist als Soll-Schaltzustand der Verbindungs-Schaltzustand vorgegeben und wird bei Anlegen eines Überprüfungs-Spannungsimpulses an den Drain-Anschluss 24 ein Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle S₂ nicht erfasst, so kann dies als Indiz dafür gewertet werden, dass das MOSFET-Schaltelement 20 bzw. die Trennschalteranordnung 10 tatsächlich im Verbindungs-Schaltzustand ist, so dass die beiden Spannungsnetze 12, 14 in dem für diesen Zustand vorgesehenen Umfang genutzt werden können. Übersteigt der durch den Differenzverstärker 34 erfasste Spannungsabfall die zweite Spannungsschwelle S₂, so ist dies ein Indiz dafür, dass in einem Zustand, in welchem das MOSFET-Schaltelement 20 an sich vollständig leitend sein sollte, ein ungewöhnlich großer Spannungsabfall auftritt, was indiziert, dass das MOSFET-Schaltelement 20 entweder defekt oder nicht korrekt geschaltet ist. Auch diese Information kann nachfolgend genutzt werden, um dafür zu sorgen, dass durch eine an sich nicht erwartete Trennung der beiden Spannungsnetze 12, 14 eine Beeinträchtigung des Betriebs, insbesondere eine sicherheitsrelevante Beeinträchtigung, nicht auftritt. Insbesondere kann immer dann, wenn der Ist-Schaltzustand nicht dem Soll-Schaltzustand entspricht, eine Warnung generiert werden, um einen Betreiber darauf hinzuweisen, dass die Trennschalteranordnung 10 bzw. zumindest ein MOSFET-Schaltelement 20 derselben nicht korrekt arbeitet.
Um bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die Erfassungsgenauigkeit zu erhöhen, können mehrere Überprüfungs-Spannungsimpulse aufeinanderfolgend an den Drain-Anschluss 24 angelegt werden. Indiziert die Mehrzahl oder ein Großteil der dabei erfassten Spannungsabfälle das Vorliegen eines bestimmten Ist-Schaltzustandes, so kann aus Plausibilitätsgründen tatsächlich angenommen werden, dass dieser Zustand auch vorliegt. Somit kann vermieden werden, dass dann, wenn aufgrund kurzzeitiger Störungen bzw. Spannungsfluktuationen bei einem oder mehreren der ausgewerteten Überprüfungs-Spannungsimpulse ein mit dem tatsächlich vorliegenden Schaltzustand nicht übereinstimmender Spannungsabfall erfasst wird, nicht fälschlicherweise das Vorliegen eines tatsächlich nicht eingestellten Schaltzustandes erkannt wird.
Da im Allgemeinen bei Leistungs-Trennschalteranordnungen eine derartige Trennschalteranordnung 10 mehrere zueinander parallel geschaltete MOSFET-Schaltelemente 20 aufweist, kann die vorangehend beschriebene Vorgehensweise zur Überprüfung derselben selbstverständlich bei jedem MOSFET-Schaltelement einer derartigen Trennschalteranordnung 10 durchgeführt werden.
Da für den Betrieb eines Systems, beispielsweise eines Fahrzeugs, mit zwei derartigen Spannungsnetzen 12, 14 die Information, dass ein bestimmter Soll-Schaltzustand auch tatsächlich erreicht wurde, dann von besonderer Bedeutung ist, wenn ein Schaltvorgang durchgeführt wird, ist es besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäße Überprüfungsprozedur dann durchzuführen, wenn durch entsprechende Ansteuerung von einem Schaltzustand in einen anderen Schaltzustand übergegangen wurde. Es kann dann verifiziert werden, dass der einzunehmende Soll-Schaltzustand tatsächlich erreicht wurde, um nachfolgend weitere Betriebsmaßnahmen einzuleiten. Beispielsweise kann vor dem Wiederanlassen einer Brennkraftmaschine unter Ausnutzung des Spannungsnetzes 12 bzw. der Spannungsquelle 16 desselben zunächst durch Schalten der Trennschalteranordnung 10 bzw. des MOSFET-Schaltelements 20 in den Trenn-Schaltzustand sichergestellt werden, dass die während des Anlassens einer Brennkraftmaschine auftretende starke Belastung des Spannungsnetzes 12 nicht auch zu einem entsprechend starken Spannungsabfall im Spannungsnetz 14 führen kann, welches Systembereiche eines Fahrzeugs speisen kann, die während des gesamten Betriebs mit elektrischer Energie zu versorgen sind. Soll also ausgehend von einem Zustand, in welchem zunächst die beiden Spannungsnetze 12, 14 durch die Trennschalteranordnung 10 miteinander verbunden sind, eine Brennkraftmaschine jedoch vorübergehend außer Betrieb gesetzt ist, diese wieder angelassen werden, kann zunächst die Trennschalteranordnung 10 in den Trenn-Schaltzustand gebracht werden und das Vorliegen dieses Trenn-Schaltzustandes in der vorangehend beschriebenen Art und Weis verifiziert werden. Wird erkannt, dass der Ist-Schaltzustand der Trenn-Schaltzustand ist, die beiden Spannungsnetze 12, 14 also voneinander getrennt sind, so kann nachfolgend das Spannungsnetz 12 zum Anlassen der Brennkraftmaschine genutzt werden. Wird erkannt, dass auch nach dem Schalten in den Trenn-Schaltzustand, also nach dem Vorgeben des Trenn-Schaltzustandes als Soll-Schaltzustand, dieser Zustand tatsächlich nicht vorliegt und ein dann durchgeführter Anlassvorgang eine sicherheitsrelevante Beeinträchtigung der Funktionalität des Spannungsnetzes 14 herbeiführen könnte, können Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um dies zu vermeiden. Beispielsweise kann in einem derartigen Zustand das Wiederanlassen der Brennkraftmaschine unterbunden werden.
Um auch dann, wenn die Trenn-Schaltanordnung 10 über längere Zeit hinweg in einem unveränderten Schaltzustand verbleibt, zu gewährleisten, dass nicht durch einen zwischenzeitlich aufgetretenen Defekt eines oder mehrerer MOSFET-Schaltelemente dieser Zustand tatsächlich nicht mehr vorliegt, kann auch während eines derartigen kontinuierlichen Betriebs beispielsweise periodisch die vorangehend beschriebene Überprüfung durchgeführt werden, um zu verifizieren, dass der vorliegende Ist-Schaltzustand tatsächlich dem vorgegebenen Soll-Schaltzustand entspricht.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Vorgehensweise nicht nur in Verbindung mit einer Trennschalteranordnung eingesetzt werden kann, welche beispielsweise Spannungsnetze als Schaltungsbereiche miteinander verbinden oder voneinander trennen soll. Auch eine beispielsweise eine Spannungsquelle mit einem oder mehreren Verbrauchern elektrischer Energie, wie zum Beispiel Antriebsmotoren in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, verbindende Trennschalteranordnung kann mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise hinsichtlich ihres Schaltzustands überprüft werden. Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit Trennschalteranordnungen eingesetzt werden, welche ein oder mehrere andere Schaltelemente, wie z.B. Schaltrelais, zum Herstellen bzw. Trennen der Verbindung zweier Schaltungsbereiche nutzt.

Claims

Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung (10) zum Herstellen/Trennen einer Verbindung zweier Schaltungsbereiche (12, 14), insbesondere in einem Fahrzeug, wobei die Trennschalteranordnung (12) wenigstens ein MOSFET-Schaltelement (20) umfasst, wobei ein Source-Anschluss (22) des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements (20) in Verbindung mit einem ersten der Schaltungsbereiche (12, 14) ist und ein Drain-Anschluss (24) des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements (20) in Verbindung mit einem zweiten der Schaltungsbereiche (12, 14) ist, und wobei dem wenigstens einen MOSFET-Schaltelement (20) ein Gate-Treiber (26) zum Schalten des wenigstens einen MOSFET-Schaltelements (20) in einen die beiden Schaltungsbereiche (12, 14) miteinander verbindenden Verbindungs-Schaltzustand zugeordnet ist, wobei das Verfahren die Maßnahmen umfasst: a) Anlegen wenigstens eines Überprüfungs-Spannungsimpulses an den Drain-Anschluss (24) wenigstens eines einer Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements (20), b) Erfassen eines Spannungsabfalls zwischen dem Drain-Anschluss (24) und dem Source-Anschluss (22) des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20), c) Vergleichen des bei der Maßnahme b) erfassten Spannungsabfalls mit einer Spannungsreferenz oder/und einer Zeitreferenz, d) beruhend auf dem bei der Maßnahme c) durchgeführten Vergleich, Bestimmen eines Ist-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20).
Verfahren noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls eine Spannung im Bereich von 1V bis 4V, vorzugsweise etwa 2V, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Überprüfung-Spannungsimpuls eine Potenzialdifferenz bezüglich des Source-Anschlusses (22) des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20) repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls eine Impulsdauer im Bereich von 5µs bis 15µs, vorzugsweise etwa 10µs, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsreferenz eine erste Spannungsschwelle (S₁) umfasst, und dass dann, wenn bei der Maßnahme c) der Spannungsabfall über der ersten Spannungsschwelle (S₁) ist, bei der Maßnahme d) bestimmt wird, dass der Ist-Schaltzustand ein Trenn-Schaltzustand ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsreferenz eine zweite Spannungsschwelle (S₂) umfasst, und dass dann, wenn bei der Maßnahme c) der Spannungsabfall unter der zweiten Spannungsschwelle (S₂) ist, bei der Maßnahme d) bestimmt wird, dass der Ist-Schaltzustand der Verbindungs-Schaltzustand ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Maßnahme e) der bei der Maßnahme d) bestimmte Ist-Schaltzustand mit einem Soll-Schaltzustand des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements verglichen wird, und dass dann, wenn der Ist-Schaltzustand dem Soll-Schaltzustand entspricht, eine korrekte Funktion des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20) erkannt wird, oder/und dann, wenn der Ist-Schaltzustand nicht dem Soll-Schaltzustand entspricht, das Vorliegen einer Fehlfunktion des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20) erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Schaltzustand des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements (20) innerhalb eines vorbestimmten Überprüfungs-Zeitintervalls nach einer Änderung eines Soll-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements (20) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Schaltzustand des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden MOSFET-Schaltelements (20) vorzugsweise periodisch wiederholt bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschalteranordnung (10) eine Überprüfungs-Spannungsimpuls-Erzeugungsanordnung (30) mit einer Einkoppel-Kapazität (32) umfasst, und dass der wenigstens eine Überprüfungs-Spannungsimpuls über die Einkoppel-Kapazität (32) an den Drain-Anschluss (24) des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen MOSFET-Schaltelements (20) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsbereich (12) ein erstes Spannungsnetz (12), vorzugsweise mit einer ersten Spannungsquelle (16), umfasst, und dass der zweite Schaltungsbereich (14) ein zweites Spannungsnetz (12), vorzugsweise mit einer zweiten Spannungsquelle (18), umfasst.
Verfahren zur Überprüfung des Schaltzustandes einer Trennschalteranordnung (10) zum Herstellen/Trennen einer Verbindung zweier Schaltungsbereiche (12, 14), insbesondere in einem Fahrzeug, wobei die Trennschalteranordnung (12) wenigstens ein Schaltelement (20) umfasst, wobei ein erster Anschluss (22) des wenigstens einen Schaltelements (20) in Verbindung mit einem ersten der Schaltungsbereiche (12, 14) ist und ein zweiter Anschluss (24) des wenigstens einen Schaltelements (20) in Verbindung mit einem zweiten der Schaltungsbereiche (12, 14) ist, und wobei bei dem wenigstens einen Schaltelement (20) ein Schaltanschluss zum Schalten des wenigstens einen Schaltelements (20) in einen die beiden Schaltungsbereiche (12, 14) miteinander verbindenden Verbindungs-Schaltzustand vorgesehen ist, wobei das Verfahren die Maßnahmen umfasst: a) Anlegen wenigstens eines Überprüfungs-Spannungsimpulses an den ersten Anschluss (22) oder den zweiten Anschluss (24) wenigstens eines einer Schaltzustandsüberprüfung zu unterziehenden Schaltelements (20), b) Erfassen eines Spannungsabfalls zwischen dem zweiten Anschluss (24) und dem ersten Anschluss (22) des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen Schaltelements (20), c) Vergleichen des bei der Maßnahme b) erfassten Spannungsabfalls mit einer Spannungsreferenz oder/und einer Zeitreferenz, d) beruhend auf dem bei der Maßnahme c) durchgeführten Vergleich, Bestimmen eines Ist-Schaltzustandes des wenigstens einen der Schaltzustandsüberprüfung unterzogenen Schaltelements (20).