DE10255432A1 - Mobile Stromversorgungseinheit - Google Patents

Abstract

Mobile Stromversorgungseinheit mit einem Autarkiekondensator für die Energiespeicherung, einem ersten von einer Batterie gespeisten ersten Spannungswandler zur Aufladung des Autarkiekondensators und einem mit dem Autarkiekondensator verbundenen zweiten Spannungswandler zur Stromversorgung eines Lastelementes sowie Verwendung dieser mobilen Stromversorgungseinheit für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte für Sicherheitseinrichtungen, wie bspw. Airbags, Gurtstraffer oder Überrollbügel. DOLLAR A Zur Prüfung des Zustandes des Autarkiekondensators ist es bekannt, denselben vom Aufwärts- und Abwärtswandler zu trennen und über einen Meßwiderstand mit dem Bezugspotential der Batterie zu verbinden. Zur Sicherstellung der Funktion der Stromversorgungseinheit während der Prüfung des Autarkiekondensators ist anstelle des Autarkiekondensators ein weiterer Kondensator vorgesehen, der nunmehr die Energiespeicherung übernimmt, der jedoch in der Regel eine geringere Kapazität aufweist und damit auch eine geringere Autarkiezeit. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zur Prüfung des Zustandes des Autarkiekondensators ein erster Schalter vorgesehen, der den zweiten Spannungswandler mit der Batterie verbindet, ein zweiter Schalter, der den zweiten Spannungswandler vom Autarkiekondensator trennt, sowie ein dritter Schalter, der den Autarkiekondensator über einen Meßwiderstand mit dem Bezugspotential der Batterie verbindet. Damit kann der zusätzliche Kondensator entfallen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine mobile Stromversorgungseinheit mit einem Autarkiekondensator für die Energiespeicherung, einem von einer Batterie gespeisten ersten Spannungswandler zur Aufladung des Autarkiekondensators und einem mit dem Autarkiekondensator verbundenen zweiten Spannungswandler zur Stromversorgung eines Lastelementes. Ferner betrifft diese Erfindung die Verwendung der mobilen Stromversorgungseinheit für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte für Sicherheitseinrichtungen, wie bspw. Airbags, Gurtstraffer oder Überrollbügel.
• An solche Steuergeräte für Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge sind hohe Anforderung hinsichtlich ihrer Funktionssicherheit, insbesondere im Falle eines zur Auslösung der Sicherheitseinrichtungen führenden Unfalles. Hierzu ist es insbesondere erforderliche, daß die Stromversorgung solcher Steuergeräte in allen auftretenden Situationen, wie z. Bsp. zu starker Abfall der Batteriespannung oder sogar Ausfall der Batterie (im Falle eines Unfalles) sichergestellt ist.
• Aus der DE 195 42 085 A1 ist eine Stromversorgungseinheit bekannt, die diese Anforderung erfüllt. Bei dieser bekannten Stromversorgungseinheit ist die Batterie mit einem Aufwärtswandler verbunden, der einen Autarkiekondensator auf einen über der Batteriespannung liegenden Spannungswert auflädt. Ein zweiter mit dem Aufwärtswandler verbundener Spannungswandler, der als Abwärtswandler ausgeführt ist, ist gleichzeitig mit dem Autarkiekondensator verbunden, so daß im Falle des Ausfalles der Bordnetzspannung, z. Bsp. bei einem den Funktionsausfall der Fahrzeugbatterie nach sich ziehenden Unfall, die Spannungsunterbrechung mittels des Autarkiekondensators überbrückt werden kann. Der Vorteil der Ver wendung solcher Wandler liegt darin, daß mit dem für die Aufladung des Autarkiekondensators vorgesehenen höheren Spannungsniveaus ein kleinerer Kapazitätswert des Autarkiekondensators ausreicht bzw. eine größere Energiemenge speicherbar ist.
• Eine solche Stromversorgungseinheit mit zwei Spannungswandler zeigt als Stand der Technik die 2. Dort ist ein über einen Zündschalter S_z von einer Batterie 5 mit der Batteriespannung U_Bat versorgter Aufwärtswandler 1 mit einem Abwärtswandler 2, der seine Ausgangsspannung U_A einer Endstufe 3 zur Auslösung einer Sicherheitseinrichtung 4 zuführt, verbunden, wobei ein Autarkiekondensator C_A über einen Umschalter S in der gezeichneten Stellung an die Verbindungsleitung der beiden Wandler angeschlossen ist. Neben diesem Autarkiekondensator C_A ist ein weiterer. Kondensator C_Zu direkt an diese Verbindungsleitung angeschlossen, der die Aufgabe des eigentlichen Autarkiekondensators C_A übernimmt, wenn dieser einer Funktionsüberprüfung unterzogen wird. Zur Durchführung dieser Funktionsprüfung wird der Umschalter S in seine andere Schalterstellung geschaltet, in der dieser Autarkiekondensator C_A über einen Meßwiderstand R mit dem Bezugspotential der Fahrzeugbatterie 5 verbunden wird. Die Steuerung des Umschalters S übernimmt ein Mikroprozessor μC, der zur Detektion der Batteriespannung U_Bat mit der Batterie 5 verbunden ist.
• Im Normalbetrieb wird bei geschlossenem Zündschalter S_z der mit dem Ausgang des Aufwärtswandlers 1 verbundene Autarkiekondensator C_A auf die gegenüber der Batteriespannung U_Bat höheren Spannung U_C aufgeladen. Ferner wird auch der Abwärtswandler 2 mit dieser Spannung U_C versorgt, der diese Spannung wieder auf einen für die Endstufe 3 geeigneten niedrigeren Wert U_A transformiert.
• Im Falle der Detektion eines die Auslösung der Sicherheitseinrichtung 4 erforderlich machenden Unfalles wird die Sicherheitseinrichtung 4, bspw. ein Airbag über einen von dem Mikroprozessor μC der Endstufe 3 übermittelten Zündbefehl ausgelöst. Wird im Zeitpunkt der Detektierung des Unfalles von dem Mikroprozessor μC ein Ausfall der Batterie 5 festgestellt, wird über die in der 2 eingezeichnete Stellung des Umschalters S der Abwärtswandler 2 von dem Autarkiekondensators C_A als Energiespei cher versorgt, um die nötige Zündenergie zur Auslösung der Sicherheitseinrichtung als auch die Betriebsspannung für Schaltungsteile, wie den Abwärtswandler 2 und die Endstufe 3 bereitzustellen.
• Die Anforderung an die Funktionssicherheit solcher, beispielhaft in 2 dargestellter Steuergeräte umfaßt auch die Funktionsprüfung des Autarkiekondensators C_A während des Normalbetriebes. Hierzu wird von dem Mikroprozessor μC die Umschaltung des Umschalters S veranlaßt, womit der Autarkiekondensator C_A mit dem Meßwiderstand R verbunden wird und hierüber kurzzeitig eine von dem Mikroprozessor μC gesteuerte Entladung stattfinden kann, um über das Entladeverhalten den Ladezustand (Kapazität) bzw. Funktionszustand des Autarkiekondensators C_A zu bestimmen. Hierzu ist es erforderlich, daß der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand R von dem Mikroprozessor μC detektiert wird.
• Um während dieser Überprüfung des Autarkiekondensators C_A die Funktionssicherheit des Steuergerätes sicherzustellen, ist ein ebenfalls an die Verbindungsleitung der beiden Wandler 1 und 2 angeschlossener, zusätzlicher Kondensator C_Zu vorgesehen, der die Energiespeicherung anstelle des Autarkiekondensators C_A übernimmt. Neben dem nachteiligen Erfordernis dieses zusätzlichen, den Aufwand und damit auch die Kosten für ein solches Steuergerät erhöhenden Kondensators ist weiterhin nachteilig, daß der Umschalter S als Halbleiterbauelement so ausgelegt sein muß, daß er die bei der Ladung des Autarkiekondensators C_A auftretenden Spitzenstromwerte übertragen kann, und daher hinsichtlich der Strombelastbarkeit groß ausgelegt sein muß.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stromversorgungseinheit der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei einfachem Schaltungsaufbau dennoch eine Prüfung des Autarkiekondensators durchgeführt werden kann, ohne Einbußen hinsichtlich der Funktionssicherheit hinzunehmen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Hiernach wird zur Prüfung des Zustandes des Autarkiekondensators ein ersten Schalter, der den zweiten Spannungswandler mit der Batterie verbindet, ferner ein zweiter Schalter, der den zweiten Spannungswandler vom Autarkiekondensator trennt, und schließlich ein dritter Schalter, der den Autarkiekondensator über einen Meßwiderstand mit dem Bezugspotential der Batterie verbindet, eingesetzt.
• Damit entfällt kostensparend der im Stand der Technik zusätzlich verwendete diskrete Kondensator. Der anstelle des Umschalters erfindungsgemäß verwendete erste bzw. zweite Schalter kann jeweils deutlich kleiner hinsichtlich der Strombelastbarkeit als Halbleiterbauelemente, z. Bsp. als Transistoren ausgeführt werden, so daß im Vergleich zum Stand der Technik ein Vorteil hinsichtlich Bauteileaufwand und damit auch hinsichtlich der Kosten für die Stromversorgungseinheit verbleibt.
• Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit hat ferner gegenüber dem Stand der Technik gemäß 2 die Eigenschaft, daß ein autarkieloser Betrieb möglich ist, ohne daß der erste Wandler und der Autarkiekondensator in Betrieb genommen werden müssen. Bei einem Einsatz dieser erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit in Steuergeräten für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen kann dies mit Vorteil für für fahrzeuginterne Kommunikationszwecke verwendet werden; so wird bspw. beim Öffnen der Fahrzeugtür der CAN-Bus aktiviert, wodurch alle Bus-Teilnehmer, insbesondere auch das Steuergerät für die Sicherheitseinrichtungen aufgeweckt werden, mit der Folge, daß nur zwischen den Bus-Teilnehmern kommuniziert wird, ohne daß eine Autarkie- und Zündbereitschaft erforderlich ist.
• Auch muß in vorteilhafter Weise für die Prüfung, insbesondere die Kapazitätsprüfung der Autarkiekondensator nicht vom ersten Wandler getrennt werden.
• Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß als erster Wandler ein Aufwärtswandler und als zweiter Wandler ein Abwärtswandler eingesetzt wird.
• Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit ist besonders vorteilhaft in Steuergeräten für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen einsetzbar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß 1 erläutert und dargestellt werden.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit SV, wie sie beispielsweise in einem Steuergerät für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen verwendbar ist. In dieser 1 sind der Einfachheit halber nicht alle für die Funktion eines solchen Steuergerätes erforderlichen Funktionseinheiten dargestellt, sondern nur solche, soweit diese zum Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit SV erforderlich sind.
• Der Stromversorgungseinheit SV wird einem Eingang E über einen schließbaren Zündschalter S_z die von einer Fahrzeugbatterie 5 erzeugten Batteriespannung U_Bat zugeführt, während an einem Ausgang A eine Ausgangsspannung U_A für eine Endstufe 3 bereitgestellt wird. Erhält diese Endstufe 3 von einem Mikroprozessor μC einen Auslösebefehl, führt dies zur Auslösung einer Sicherheitseinrichtung 4, wie bspw. einem Airbag.
• Der Eingang E der Stromversorgungseinheit SV ist sowohl mit einem Eingang E₁ eines Aufwärtswandlers 1 als auch über einen offenen Schalter S₁ (Schließer) mit einem zweiten Eingang E₂₂ eines Abwärtswandlers 2 verbunden, dessen erster Eingang E₂₁ über einen im Normalbetrieb geschlossenen Schalter S₂ (Öffner) an einen Ausgang A₁ des Aufwärtswandlers 1 angeschlossen ist. Der Ausgang A₂ des Abwärtswandlers 2 bildet auch den Ausgang A der Stromversorgungseinheit SV.
• Des weiteren ist ein Autarkiekondensator C_A im Sinne eines Systemautarkiekondensators für die den Abwärtswandler 2 und die nachfolgenden Schaltungsteile vorgesehen, der über den Ausgang A₁ des Aufwärtswandlers 1 geladen wird. Parallel hierzu ist an diesen Ausgang A₁ über einen im Normalbetrieb offenen Schalter S₃ (Schließer) ein Meßwiderstand R geschaltet.
• Der Mikroprozessor μC, in erster Linie verantwortlich für die Systemsteuerung hinsichtlich der Funktion Auslösung der Sicherheitseinrichtungen 4, steuert auch die Stromversorgungseinheit SV. Hierzu gehört neben der Steuerung der Wandler 1 und 2 über Leitungen a und b auch die Steuerung der Schalter S₁, S₂ und S₃ über Leitungen c, d und e. Die zur Steuerung dieser Wandler und dieser Schalter erforderlichen Informationen werden dem Mikroprozessor μC über Leitungen f und g zugeführt, wobei über die erste die Batteriespannung U_Bat und über die zweite der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand R bei geschlossenem Schalter S₃ erfaßt wird. Schließlich werden auch die Ausgangsspannungen des Aufwärtswandlers 1 über eine Leitung i und diejenige des Abwärtswandlers 2 über eine Leitung h ebenfalls detektiert.
• Im Normalbetrieb der Stromversorgungseinheit SV ist zunächst der Zündschalter S_z geschlossen und der Schalter S₂ in den geschlossenen Zustand (wie in der Zeichnung dargestellt) gesteuert, so daß die beiden Wandler 1 und 2 verbunden sind und damit am Ausgang des Abwärtswandlers 2 die gewünschte Betriebsspannung U_A als auch die Zündenergie für die Endstufe 3 bereitsteht. Im Crashfall kann daher gegebenenfalls der Mikroprozessor μC über eine Leitung k einen Zündbefehl an die Endstufe 3 zur Auslösung der Sicherheitseinrichtung 4 ausgeben.
• Sollte im Fall der eine Auslösung der Sicherheitseinrichtung 4 erforderlich machenden Unfalles die Batteriespannung U_Bat unter einen vorgegebenen Schwellwert fallen, übernimmt der Autarkiekondensator C_A die Spannungsversorgung des Abwärtswandlers 2 und stellt auch die Zündenergie zur Verfügung. Der Aufwärtswandler 1 wird in diesem Fall durch den Mikroprozessor μC über die Leitung a abgeschaltet.
• Die Überprüfung des Autarkiekondensators C_A während des Normalbetriebes wird nur dann durchgeführt, wenn dessen Kondensatorspannung einen Mindestwert aufweist und die Batteriespannung U_Bat ausreichend hoch ist, also bspw. über der Ausgangsspannung U_A des Abwärtswandlers 2 liegt. Dann wird der Schalter S_Z über entsprechende Steuerbefehle des Mikroprozessors μC geöffnet, während gleichzeitig der Schalter S₁ geschlossen wird, womit über eine sogenannte Bypassleitung der Abwärtswandler 2 über seinen zweiten Eingang E₂₂ direkt mit der Batteriespannung U_Bat versorgt wird. Anschließend wird der Aufwärtswandler 1 abgeschaltet und der Schalter S₃ für eine vorgegebene Zeitdauer ge schlossen, während der der sich aus der Entladung des Autarkiekondensators Ca ergebende Verlauf des Spannungsabfalles an dem Meßwiderstand R erfaßt und ausgewertet wird, so daß eine Aussage über den Kapazitätswert des Autarkiekondensators Ca möglich wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise der EP 0 648 645 zu entnehmen. Nach der vorgegebenen Zeitdauer werden die Schalter S₁, S₂ und S₃ wieder in den Ausgangszustand gesteuert. Während der Prüfdauer wird die Funktion der Stromversorgungseinheit SV dennoch sichergestellt, da der Abwärtswandler in dieser Zeit direkt aus der Batterie 5 gespeist wird. Damit muß der Autarkiekondensator C_A für die Kapazitätsmessung nicht vom Aufwärtswandler 1 getrennt werden und infolgedessen kann er Störungen auf der Versorgungsleitung weiterhin auffangen. Der für die Zuschaltung des Meßwiderstandes R erforderliche Schalter S₃ braucht nur für den Prüfstrom dimensioniert werden, so daß er hinsichtlich der Stromtragfähigkeit klein gehalten werden kann.
• Bricht jedoch während der Kondensatorprüfung die Batteriespannung ein, nimmt also einen für den Betrieb des Abwärtswandlers 2 zu geringen Wert an, wird die Prüfung sofort abgebrochen, so daß die Spannungsversorgung des Abwärtswandlers 2 sofort wieder aus dem Autarkiekondensator C_A erfolgen kann.
• Der wesentlichste Vorteil gegenüber dem Stand der Technik nach 2 liegt darin, daß nun die Kapazitätsmessung des Autarkiekondensators C_A keinen weiteren Kondensator als diskretes Bauteil erforderlich macht. Demgegenüber ist der Aufwand für die zusätzlichen Schalter S₁ und S₂ fast vernachlässigbar, da diese hinsichtlich ihrer Strombelastung als Halbleiterbauelemente klein ausgelegt und im Rahmen des Designs eines zugehörigen ASICs berücksichtigt werden können. Vorteilhaft ist schließlich auch die Eigenschaft, daß ein autarkieloser Betrieb möglich ist, ohne den Aufwärtswandler 1 und den Autarkiekondensator C_A in Betrieb nehmen zu müssen.

Claims (3)

1) Mobile Stromversorgungseinheit (SV) mit a) einem Autarkiekondensator (C_A) für die Energiespeicherung, b) einem von einer Batterie (5) gespeisten, ersten Spannungswandler (1) zur Aufladung des Autarkiekondensators (C_A), und c) einem mit dem Autarkiekondensator (C_A) verbundenen zweiten Spannungswandler (2) zur Stromversorgung einer Last (3), dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung des Zustandes des Autarkiekondensators (C_A) d) ein ersten Schalter (S₁) vorgesehen ist, der den zweiten Spannungswandler (2) mit der Batterie (5) verbindet, e) ein zweiter Schalter (S₂) vorgesehen ist, der den zweiten Spannungswandler (2) vom Autarkiekondensator (C_A) trennt, und f) ein dritter Schalter (S₃) vorgesehen ist, der den Autarkiekondensator (C_A) über einen Meßwiderstand (R) mit dem Bezugspotential der Batterie (5) verbindet.

Mobile Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, der erste Spannungswandler (1) ein Aufwärtswandler und der zweite Spannungswandler (2) ein Abwärtswandler ist.

Verwendung der mobilen Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für elektronische Baugruppen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Steuergeräte für Sicherheitseinrichtungen, wie bspw. Airbags, Gurtstraffer oder Überrollbügel.