DE10222175A1

DE10222175A1 - Elektronische Spannungsüberwachungsschaltung

Info

Publication number: DE10222175A1
Application number: DE2002122175
Authority: DE
Inventors: Klaus Miekley; Johannes Schier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-18
Filing date: 2002-05-18
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Es wird eine elektronische Spannungsüberwachungsschaltung vorgeschlagen, mit einer Schaltungsanordnung zur Bereitstellung mindestens einer elektrischen Größe (AD1, AD2), die der Spannung (U¶Batt¶, V¶z¶) einer Spannungsversorgungsquelle entspricht, zum Vergleich mit mindestens einer Referenzgröße. Die Schaltungsanordnung ist so aufgebaut, dass zwei elektrische Größen (AD1, AD2) abnehmbar sind, wobei die eine Größe (AD2) einer ungepufferten Spannung (U¶Batt¶) und eine andere Größe (AD1) einer gepufferten Spannung (V¶z¶) der Spannungsversorgungsquelle entspricht. Zur Pufferung der Spannung (U¶Batt¶) der Spannungsversorgungsquelle ist eine Diode (D1) in Reihe und ein Pufferkondensator (C1) den Ausgängen der Spannungsversorgungsquelle parallel geschaltet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektronische Spannungsüberwachungsschaltung, insbesondere für Versorgungsnetze mit Batterien oder Akkumulatoren, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beispielsweise werden bei Kraftfahrzeugen viele elektronische Baugruppe am sog. Bordnetz des Kraftfahrzeuges betrieben, das über eine aufladbare Batterie bzw. einen Akkumulator mit der notwendigen Spannung versorgt wird. Aus der DE 197 51 429 A1 ist zum Beispiel bekannt, dass zur Spannungsüberwachung einer geregelten Spannung in einem solchen Bordnetz die Regelung der Spannung mit einer ersten Referenzspannung und eine Überwachung des Über- oder Unterschreitens der Versorgungsspannung mit einer zweiten Referenzspannung erfolgt.

Außerdem werden einige dieser Baugruppen in den erwähnten Bordnetzen auch häufig über ein spezifisches Bussystem wie z. B. einen sog. CAN-Bus (CAN = Controller Area Network) vernetzt und darüber nicht nur hinsichtlich der Datensignale sondern auch hinsichtlich der Betriebsspannung versorgt. Üblich ist es auch, wenn im Rahmen von Fehlerüberwachungen, z. B. in Sensoren oder anderen Komponenten in sicherheitskritischen Systemen, die Versorgungsspannung im Prinzip wie oben erwähnt überwacht wird, um bei Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten definierte Fehlerzustände zu erkennen und gegebenenfalls nach außen zu signalisieren oder in einen Fehlerspeicher eintragen zu können.

Zur Überbrückung kurzzeitiger Bordnetzeinbrüche kommen häufig, in an sich bekannter Weise, Pufferkondensatoren zum Einsatz, die über eine Entkoppeldiode am Bordnetz angeschlossen werden. Die Dioden haben zusätzlich die Funktion eines Verpolschutzes der nachgeschalteten elektronischen Baugruppe vor einer Verpolung der Batteriespannung, so dass mit der gepufferten Spannung die nachgeschalteten Spannungsregler versorgt werden können. Problematisch ist bei diesen Schaltungen, dass eine möglichst schnelle Erkennungen von Abweichungen in der Bordnetzspannung gewährleistet werden soll.

Vorteile der Erfindung

Eine elektronische Schaltung der eingangs beschriebenen Art ist mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die elektronische Spannungsüberwachungsschaltung so aufgebaut ist, dass zwei elektrische Größe abnehmbar sind, wobei die eine Größe einer ungepufferten Spannung und eine andere Größe einer gepufferten Spannung der Spannungsversorgungsquelle entspricht. In einem gebräuchlichen Anwendungsfall ist die Spannungsversorgungsquelle eine aufladbare Batterie im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges.

Zur Pufferung der Spannung der Spannungsversorgungsquelle ist auch hier zum Beispiel eine Reihenschaltung aus Diode und Pufferkondensator parallel zu den Ausgängen der Spannungsversorgungsquelle geschaltet. Erfindungsgemäß wird dann zum schnelleren Reagieren auf mögliche Versorgungsspannungseinbrüche zusätzlich zur gepufferten Spannung auch die Bordnetzspannung direkt an der Batterie beobachtet. Bei einer im Stand der Technik üblichen Überwachung erfolgt dies häufig nur durch eine Überwachung allein der gepufferten Spannung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Spannungsteilerschaltung mit einem Ausgangskondensator zur Erzeugung der Größe, die der ungepufferten Spannung entspricht, vorhanden. Der Ausgangskondenstor hinreichend kleiner Kapazität ist lediglich zur Kompensation parasitärer Effekte eingefügt. Eine andere Spannungsteilerschaltung ist mit einem Ausgangskondensator zur Erzeugung der Größe, die der gepufferten Spannung der Spannungsversorgungsquelle entspricht, versehen. Der Ausgangskondenstor hinreichend kleiner Kapazität ist auch hier lediglich zur Kompensation parasitärer Effekte eingefügt.

Bei einer an sich bekannten Ausführungsform von elektronischen Baugruppen mit sogenannten Mikrocontrollern sind bereits integrierte Analog-Digital-Wandler oder separate Analog-Digital-Wandler mit nachgeschaltetem Mikrocontroller vorhanden, so dass das Abtasten der Spannungen über einen Spannungsteiler und die anschließende Wandlung in einen digitalen Wert und ein Vergleich mit digitalen Referenzwerten auf einfache Weise durchführbar ist. In einer vereinfachten Form kann die Funktion des Vergleichens der beiden Größen mit einem jeweiligen Referenzwert auch durch zwei Komparatoren wahrgenommen werden, die jeweils ein digitales Hardwaresignal an einen Mikrocontroller oder eine andere Auswerteschaltung weitergeben. Für den Vergleich der gepufferten Batteriespannung mit einem Grenzwert können auch spezielle Spannungsregler mit einer sog. Early Warning Funktion eingesetzt werden, die einen Einbruch der gepufferten Batteriespannung mittels eines Hardwaresignals an den Mikrocontroller oder eine andere Auswerteschaltung weitergeben.

Um einen vorteilhaften Betrieb der elektronische Schaltung zur Überwachung einer Spannung durchzuführen, werden die beiden elektrischen Größen im Betrieb, beispielsweise mittels eines Softwareprogrammmoduls in einem Mikrocontroller oder einer anderen Auswerteschaltung, ständig überwacht und für den Fall, dass zum Beispiel die ungepufferte Spannung eine vorgegebenen Zeitspanne unterhalb der gepufferten Spannung der Spannungsversorgungsquelle liegt, erfolgt eine Signalisierung und/oder das Einleiten von Schutzmaßnahmen, bevor es zu Fehlfunktionen durch einen Spannungseinbruch kommt.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können Spannungseinbrüche im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges wesentlich früher erkannt werden, als dies bei einer alleinigen Beobachtung der gepufferten Spannung möglich ist. Dadurch bleibt der mit der Schaltung verbundenen Auswerteschaltung, z. B. ein Mikrocontroller oder eine vergleichbare Schaltung, mehr Zeit, um beispielsweise bei einer Unterspannung wichtige Daten zu sichern, bevor das System in den Resetzustand geht. In Kombination mit der bisher üblichen Überwachung der gepufferten Versorgungsspannung lassen sich mit Hilfe eines einfachen Softwareprogrammmoduls im Mikrocontroller oder einer vergleichbaren Hardware-Auswerteschaltung zum Beispiel Fehleingriffe durch sehr kurze Spannungseinbrüche im Bordnetz vermeiden. Außerdem ist nur ein geringer zusätzlicher Bauteilelaufwand zur Realisierung erforderlich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronischen Spannungsüberwachungsschaltung wird anhand eines Schaltungsbildes in der einzigen Figur der Zeichnung erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist ein Prinzipschaltbild einer elektronischen Spannungsüberwachungsschaltung für das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges gezeigt, bei der eine ungepufferte Versorgungsspannung U_Batt durch einen geeigneten Spannungsteiler aus Widerständen R3 und R4 auf einen für die folgende Auswerteschaltung geeignete Spannungsgröße AD2 geteilt wird. Ein Ausgangskondenstor C3 mit hinreichend kleiner Kapazität ist hier zur Kompensation parasitärer Effekte eingefügt.
Über eine Koppeldiode D1 ist ein Pufferkondensator C1 angeschaltet, der zur Überbrückung kurzzeitiger Bordnetzeinbrüche eine ausreichende Speicherkapazität aufweist. Die somit gepufferte Spannung V_z wird ebenfalls durch einen geeigneten Spannungsteiler aus Widerständen R1 und R2 auf eine für die folgende Auswerteschaltung geeignete Spannungsgröße AD1 geteilt. Ein Ausgangskondenstor C2 mit hinreichend kleiner Kapazität ist auch hier zur Kompensation parasitärer Effekte eingefügt.
Die Spannungsteiler sind hierbei hinreichend hochohmig auszulegen, um eine reibungslose Funktionsweise jeweils eines hier nicht dargestellten Analog-Digital-Wandlers oder einer Komparatorschaltung, die jeweils Bestandteil eines hier ebenfalls nicht dargestellten Mikrocontrollers oder einer anderen Auswerteschaltung sein kann, in allen spezifizierten Betriebszuständen zu gewährleisten. Eine Alternative beinhaltet eine optionale Einfügung einer zusätzlichen Diode D2 zur Entkopplung des Spannungsteilers R3 und R4 von der ungepufferten Versorgungsspannung.
In einem Softwareprogrammmodul des Mikrocontrollers bzw. in der Logikschaltung einer Auswerteschaltung werden die beiden momentanen Abbildungen bzw. Werte der gepufferten Spannung V_z und der ungepufferte Versorgungsspannung U_Batt anhand der Werte von AD1 und AD2 ständig miteinander verglichen. Kurze Spannungseinbrüche am Bordnetz und somit an der ungepufferte Versorgungsspannung U_Batt, die vom Kondensator C1 gepuffert werden, sollen hier jedoch zu keiner Unterspannungserkennung führen. Sobald die ungepufferte Versorgungsspannung U_Batt jedoch für eine längere Zeitspanne t_max unterhalb des Wertes von V_z oder unterhalb des Grenzwertes für die Versorgungsspannung U_Batt liegt und damit der Pufferkondensator C1 teilweise entladen wurde, ist mit einem möglichen Spannungseinbruch von V_z < V_z,min zu rechnen.
Je länger die durch die Größe des Kondensators C1 vorgegebene Pufferzeit ist, desto früher lässt sich hier ein mögliches Absinken der gepufferten Spannung V_z sicher erkennen. Diese Spannungsüberwachungsschaltung signalisiert damit schneller als bisherige Konzepte das mögliche Auftreten von Unterspannungen und es können schneller Schutzmaßnahmen eingeleitet werden.

Claims

1. Elektronische Spannungsüberwachungsschaltung, mit
einer Schaltungsanordnung zur Bereitstellung mindestens einer elektrischen Größe (AD1, AD2), die der Spannung (U_Batt, V_z) einer Spannungsversorgungsquelle entspricht, zum Vergleich mit mindestens einer Referenzgröße, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungsanordnung so aufgebaut dass zwei elektrische Größen (AD1, AD2) abnehmbar sind, wobei die eine Größe (AD2) einer ungepufferten Spannung (U_Batt) und eine andere Größe (AD1) einer gepufferten Spannung (V_z) der Spannungsversorgungsquelle entspricht.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Pufferung der Spannung (U_Batt) der Spannungsversorgungsquelle eine Reihenschaltung aus einer Diode (D1) und einem Pufferkondensator (C1) parallel zu den Ausgängen der Spannungsversorgungsquelle geschaltet ist.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsteilerschaltung (R3, R4) zur Erzeugung der Größe (AD2), die der ungepufferten Spannung (U-_Batt) entspricht, und eine andere Spannungsteilerschaltung (R1, R2) zur Erzeugung der Größe (AD2), die der gepufferten Spannung (V_z) der Spannungsversorgungsquelle entspricht, vorhanden ist.

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Spannungsteilerschaltungen (R3, R4) und (R1, R2) jeweils ein Ausgangskondensator (C3) und (C2) hinreichend kleiner Kapazität zur Kompensation parasitärere Effekte angefügt ist.

5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Diode (D2) als Verpolschutz zwischen die ungepufferte Spannung (U_Batt) und der Spannungsteilerschaltung (R3, R4) geschaltet ist.

6. Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Größen (AD1, AD2) mittels eines Analog- Digital-Wandlers als digitale Größe mit den jeweiligen Referenzwerten auswertbar sind.

7. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Größen (AD1, AD2) mittels zweier Komparatoren als digitale Größe mit den jeweiligen Referenzwerten auswertbar sind.

8. Elektronische Schaltung Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Analog-Digital-Wandler Bestandteil eins Mikrocontrollers sind, mit dem die Spannungsüberwachung der Spannungsversorgungsquelle durchführbar ist oder
die Analog-Digital-Wandler als separates Bauteil aufgebaut sind, dessen Daten von einem nachgeschalteten Mikrocontroller zur Spannungsüberwachung der Spannungsversorgungsquelle verwendet werden.

9. Verfahren zum Betrieb einer elektronische Schaltung zur Überwachung einer Spannung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Größen /AD1, AD2) im Betreib ständig überwacht werden und dass für den Fall, dass die Größe (AD2), die der ungepufferten Spannung (U_Batt) entspricht, eine vorgegebenen Zeitspanne (t_max) unterhalb der Größe (AD2), die der gepufferten Spannung (U_Batt) der Spannungsversorgungsquelle entspricht, oder unterhalb eines Grenzwertes (U_Batt,min) für die ungepufferte Versorgungsspannung (U_Batt) liegt, eine Signalisierung und/oder ein Abschalten der Spannungsversorgungsquelle erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Größen (AD1, AD2), die Messung der vorgegebenen Zeitspanne (t_max) und die Signalisierung, das Einleiten von Schutzmaßnahmen, das Abspeichern eines Fehlercodes und/oder Abschaltung mittels eines Softwareprogrammmoduls in einem Mikrocontroller durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass 9 der Vergleich der Größen (AD1, AD2), die Messung der vorgegebenen Zeitspanne (t_max) und die Signalisierung, das Einleiten von Schutzmaßnahmen, das Abspeichern eines Fehlercodes und/oder Abschaltung mittels einer Hardware-Auswerteschaltung durchgeführt wird.

12. Anwendung der elektronischen Schaltung oder des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungsquelle eine aufladbare Batterie im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges ist.