DE19826704C1 - Vorrichtung zum Zünden eines Zündelements eines Kraftfahrzeug-Insassenschutzmittels - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Zünden eines Zündelements eines Kraftfahrzeug-Insassenschutzmittels enthält eine Spannungsquelle (1) sowie eine mit Polen (P1, P2) der Spannungsquelle (1) verbundene Serienschaltung mit einem ersten steuerbaren Schalter (21), einem zweiten steuerbaren Schalter (3), dem Zündelement (5) und einem dritten steuerbaren Schalter (4). Dabei ist der erste steuerbare Schalter (21) Bestandteil eines Schaltreglers (2) mit Schalthysterese zum Regeln der Quellenspannung (U¶qu¶) auf eine um einen Mittelwert (U¶0¶) pendelnde Spannung (U).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Zün­ delements eines Kraftfahrzeug-Insassenschutzmittels gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Vorrichtungen zum Zünden eines Zündelements eines Kraftfahr­ zeug-Insassenschutzmittels enthalten gewöhnlich eine Energie­ quelle, mit deren Polen eine Serienschaltung bestehend aus einem steuerbaren Schalter, dem Zündelement und einem weite­ ren steuerbaren Schalter verbunden ist. Die elektrisch steu­ erbaren Schalter werden zum Zünden des Zündelements von einem Mikroprozessor leitend geschaltet. Dabei wertet der Mikropro­ zessor Signale einer Aufprallsensorik aus und veranlaßt bei einem als ausreichend stark eingestuften Aufprall das Zünden des Zündelements auf vorbeschriebene Weise.

Gewöhnlich weisen die meist als elektrisch steuerbare Lei­ stungstransistorschalter ausgebildeten Schalter im Zündkreis strombegrenzendes Verhalten auf. Dabei wird infolge der Aus­ legung des Schalters nur ein maximaler Strom zum Durchfluß durch den Schalter zugelassen, wohingegen beispielsweise die in Stromspitzen enthaltene Energie im Transistorschalter in Wärme umgewandelt wird.

Eine Ursache für diese Strombegrenzung liegt darin, daß bei unvorhergesehenen Stromspitzen das Zündelement beschädigt werden kann. Ist beispielsweise das Zündelement als gewickel­ ter Widerstandsheizdraht ausgebildet, so kann dieser Draht infolge eines Spitzenstromes durchbrennen, bevor eine ausrei­ chende Menge an Energie über den Heizdraht auf das den Heizdraht umgebende Zündpulver zum Zünden desselbigen über­ tragen wird. Ist das Zündelement in einem Halbleiterbauele­ ment angeordnet, so kann eine Stromspitze einen Durchschlag des Halbleiterbauelements verursachen: Wiederum ist eine zum Zünden ausreichende Energieumwandlung nicht gewährleistet. Durch die Strombegrenzung wird also garantiert, daß die Ener­ giewandlung am Zündelement und damit die Energieübertragung auf das Zündpulver innerhalb einer erforderlichen Mindestdau­ er in gleichmäßiger Weise erfolgt.

Da zumeist ein Speicherkondensator als Energiequelle verwen­ det wird, muß dieser derart dimensioniert sein, daß er eine Mindestzeit nach dem Leitendschalten der Schalter einen Min­ deststrom liefern kann. Aufgrund einer derartigen Dimensio­ nierung des Zündkondensators mit seiner beim Zünden exponen­ tiell über der Zeit abfallenden Spannung wird zu Beginn eines Zündvorgangs in jedem Fall die Strombegrenzung aktiviert. An den steuerbaren Schaltern ist damit ein hoher Spannungsabfall festzustellen, der gleichbedeutend ist mit einem hohen Ener­ gieverlust an den Schaltern infolge der strombegrenzenden Wirkung.

Eine Maßnahme, die einen übermäßigen Spannungsabfall an den steuerbaren Schaltern verringern würde, liegt in der Verrin­ gerung der Kondensatorspannung. Da die in einem Kondensator gespeicherte Energie sich jedoch nach dem Term

bemißt, würde eine Verringerung der Kondensatorspannung U, welche ei­ ne Stromentladung aus dem Kondensator mit einer größeren Zeitkonstante als bei einer hohen Kondensatorspannung U zur Folge hätte, jedoch in nachteilhafter Weise zu einer Vergrö­ ßerung der Kapazität C des Zündkondensators führen. Eine gro­ ße Kapazität ist in einem Airbag-Steuergerät jedoch aus Raum- und Gewichtsgründen nicht erwünscht.

Die DE 196 08 393 A1 zeigt eine Schaltungsordnung eines In­ sassenschutzsystems, bei dem als Zündkreis in Serie zueinan­ der ein mechanischer Beschleunigungsschalter, ein erster elektrisch steuerbarer Schalter, ein Zündelement und ein zweiter elektrisch steuerbarer Schalter angeordnet sind. Bei einem ersten Schließen der mechanischen Kontakte des Be­ schleunigungsschalters wird dieser für eine vorbestimmte Zeit durch eine Leistungsstufe kurzgeschlossen. Damit wird ein Zünden des Zündelements auch dann ermöglicht, wenn der Be­ schleunigungsschalter prellen sollte.

Die DE 196 24 357 C1 zeigt eine Schaltungsanordnung für den Insassenschutz in einem Kraftfahrzeug, bei der zum Zünden wahlweise eine ungeregelte Stromentnahme oder eine mit gere­ geltem und begrenztem Ausgangsstrombetrieb geregelte Stromentnahme aus einem Energiespeicher vorgenommen wird.

Die Anmelderin hat in der WO 98/12082 eine Vorrichtung vorge­ schlagen, bei der die beiden steuerbaren Schalter Bestandteil eines stromregelnden Schaltreglers sind. Ein solcher Schaltregler hat die Wirkung, daß der Strom im Zündkreis um einen vorgebbaren Mittelwert pendelt. Dabei werden die beiden Schalter nur dann zum Schließen freigegeben, wenn der Mikro­ prozessor des Airbag-Steuergeräts einen ausreichend starken Aufprall erkannt hat. Im folgenden steigt der Strom im Zünd­ kreis infolge der Spannungsänderung am Kondensator an, wobei der im Zündkreis fließende Strom durch einen Stromsensor zwi­ schen dem Zündelement und einem der steuerbaren Schalter auf­ genommen wird. Der derart gemessene Strom wird in einer Hy­ steresesteuerung mit zwei vorgegebenen Referenzwerten vergli­ chen. Übersteigt der gemessene Strom einen vorgegebenen er­ sten Referenzwert, so werden die beiden Schalter wieder ge­ öffnet. Aufgrund der Spannungsänderung fällt der Strom im Zündkreis im folgenden wieder ab. Unterschreitet der gemesse­ ne Strom jedoch einen zweiten Referenzwert, so werden die steuerbaren Schalter wieder geschlossen. Der Schaltregler weist also eine Schalthysterese auf, so daß sich im Zündkreis ein um einen Mittelwert pendelnder Strom einstellt. Der Vor­ teil dieser Vorrichtung liegt darin, daß die steuerbaren Schalter ohne strombegrenzendes Verhalten ausgebildet werden können, da auf regeltechnische Weise der Strom im Zündkreis begrenzt wird. Damit kann auch eine Überdimensionierung des Zündkondensators vermieden werden, da nur noch die zum Zünden erforderliche Energie bereitgestellt werden muß, welche in­ folge des Schaltreglers gleichmäßig über eine Mindestzeitdau­ er verteilt dem Zündelement zugeführt wird.

In der WO 97/32757 hat die Anmelderin eine Vorrichtung zum Zünden eines Zündelements eines Kraftfahrzeug- Insassenschutzmittels offenbart, bei der neben den beiden be­ kannten steuerbaren Schaltern eines Zündkreises ein weiterer elektrisch steuerbarer Schalter in Serie dazu vorgesehen ist.

Die beiden bekannten steuerbaren Schalter sind gewöhnlich auf einem gemeinsamen Halbleiterträger angeordnet und werden durch vorbeschriebenen Mikroprozessor gesteuert. Da Mikropro­ zessoren bei gravierenden Störungen vorzugsweise ein Fehlver­ halten dergestalt aufweisen, daß ihre Ausgänge mit einem Ak­ tivsignal bzw. einer logischen Eins belegt werden, und ande­ rerseits ein Halbleiterbaustein bei einem gravierenden Fehler vorzugsweise alle in dem Halbleiterbaustein integrierten Bau­ elemente beeinträchtigt und gegebenenfalls die beiden Schal­ ter kurzschließt, ist der dritte steuerbare Schalter auf ei­ nem separaten Träger angeordnet und wird vorzugsweise durch eine hardwaremäßig separat von dem Mikroprozessor ausgebilde­ te Steuereinrichtung bedient.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der aus der WO 97/32757 bekannten Vorrichtung eine Vorrichtung zum Zünden eines Zündelements eines Kraftfahrzeug-Insassenschutzmittels zu schaffen, bei der hohe Energieverluste im Zündkreis ver­ mieden werden, die Kapazität des Zündkondensators gering be­ messen werden kann, die Anzahl der Bauelemente minimiert ist und gleichzeitig eine Fehlauslösung des Zündelements wirksam verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Dabei ist lediglich der erste steuer­ bare Schalter, welcher zwischen der Energiequelle und dem zweiten steuerbaren Schalter angeordnet ist, Bestandteil ei­ nes spannungsregelnden Schaltreglers. Der Schaltregler geht nur dann in den Regelbetrieb, wenn ein entsprechendes Signal von einer Aufprallerkennungsschaltung vorliegt. Der zweite und der dritte steuerbare Schalter, die jeweils direkt mit dem Zündelement verbunden sind, sind während eines Zündvor­ ganges durch eine Aufprallerkennungseinrichtung fortwährend durchgeschaltet.

Es bedarf keinerlei strombegrenzenden Maßnahmen für den er­ sten, zweiten und dritten steuerbaren Schalter. Infolge des Einsatzes des Schaltreglers (Step-Down-Reglers) kann der Energievorrat in der Energiequelle, insbesondere wenn diese in ihrem Energiespeichervermögen begrenzt ist, geeignet ge­ ring dimensioniert werden und braucht keine überschüssigen, beim Zünden in Wärmeenergie umzuwandelnden Energiereserven beinhalten. Die Kapazität des Zündkondensators kann ferner klein bemessen werden, da die dann hohe Zündkondensatorspan­ nung zwischen den Polen des Zündkondensators infolge des Schaltreglers beim Zündvorgang auf eine geringe, aber noch zum Zünden des Zündelements ausreichende Spannung zwischen dem zweiten steuerbaren Schalter und dem einen Pol des Zünd­ kondensators geregelt wird.

Zudem ist die Gefahr einer Fehlauslösung verringert. Be­ triebsgemäß werden im Rahmen von Diagnosefunktionen, bei­ spielsweise zu Beginn der Kraftfahrzeug-Inbetriebnahme, die steuerbaren Schalter des Zündkreises auf ihre Funktionstüch­ tigkeit, d. h. auf ihre Schließ- und Öffenbarkeit hin über­ prüft. Wird beispielsweise bei einem herkömmlichen Zündkreis mit zwei Schaltern der eine Schalter getestet und liegt zwi­ schen Zündelement und dem zweiten Schalter, der während des Test ersten Schalters durch seinen geöffneten Zustand ein Auslösen des Zündelements verhindern soll, eine Ableitung ge­ gen ein Energiepotential vor, so wird das Zündelement auf­ grund des Schaltertests ausgelöst. Eine solche Fehlauslösung wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verhindert. Selbst bei einer Ableitung gegen ein Energiepotential an einer be­ liebigen Stelle des Zündkreises kann bei dem Test eines der drei vorgesehenen Schalter das Zündelement in keinem Fall ausgelöst werden.

Die Vorrichtung ist also optimiert hinsichtlich des Schutzes vor einer Fehlerauslösung, hinsichtlich der bereitzustellen­ den Energiereserve und hinsichtlich der verwendeten Bauteile­ anzahl.

Bei dem Umsetzen des zweiten und des dritten steuerbaren Schalters auf einem Halbleitersubstrat kann ferner die aufzu­ wendende Fläche im Halbleiterbaustein minimiert werden, da Gebiete zur Wärmeumwandlung, wie sie bei einem Schalter mit Strombegrenzung erforderlich sind, wegfallen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Vorrichtung mehrere Zündelemente. Dabei ist jedes Zünde­ lement Bestandteil einer Serienschaltung mit jeweils einem weiteren zweiten steuerbaren Schalter und einem weiteren dritten steuerbaren Schalter. Jede Serienschaltung ist paral­ lel angeordnet zu der entsprechenden Serienschaltung des er­ sten Zündelements. Eine solche Vorrichtung enthält also je Zündelement zwei individuell ansteuerbare Schalter sowie ei­ nen für alle Zündelemente gemeinsamen steuerbaren Schalter, der erfindungsgemäß ein Schaltreglerbestandteil ist. Zum Zün­ den eines Zündelements sind demnach der gemeinsame erste steuerbare Schalter, sowie die dem Zündelement individuell zugeordneten zwei steuerbaren Schalter leitend zu schalten. Infolge des Schaltreglers wird bei Einleiten eines Zündvor­ gangs die Spannungszufuhr für die Zündkreise, eben die der Energiequelle entnommene Spannung zum Versorgen eines oder mehrerer Zündelemente, auf eine mit einer Schalthysterese um einen vorgegebenen Mittelwert pendelnde Spannung geregelt.

Erfindungsgemäß wird also die Kondensatorspannung einer Schaltregelung unterzogen. Die schaltgeregelte Spannung für die Zündkreise ist dabei derart bemessen, daß auch bei gleichzeitiger Zündung aller Zündelemente eine ausreichende Energiemenge für jedes Zündelement zu Verfügung gestellt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind alle zweiten Schal­ ter der Zündkreise sowie alle dritten Schalter der Zündkreise mit strombegrenzendem Verhalten ausgestattet. Diese Maßnahme trägt der Situation Rechnung, daß ein gezündetes Zündelement nach dem Zündenkurzgeschlossen sein kann, so daß ein Energie­ abfluß über das kurz geschlossene Zündelement festzustellen ist. Für weitere noch nicht gezündete Zündelemente könnte die verbleibende, durch den gemeinsamen Zündkondensator zur Ver­ fügung gestellte begrenzte Zündenergie aufgrund infolge die­ ses Energieabflusses nicht mehr ausreichen. Schalter mit strombegrenzendem Verhalten in den Zündkreisen verhindern ei­ nen solchen wirkungslosen Energieabfluß und gewährleisten da­ mit ein sicheres Zünden weiterer Zündelemente.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteran­ sprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand von Aus­ führungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung, und

Fig. 2 einen beispielhaften Spannungsverlauf während des Zündbetriebs.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Zünden eines Kfz- Insassenschutzmittels. Eine Spannungsquelle 1 in Form eines Speicherkondensators mit den Anschlüssen und Polen P1 und P2 stellt Energie zum Zünden eines Zündelements 5 bereit. Zwi­ schen den Polen P1 und P2 der Spannungsquelle 1 liegt die Kondensatorspannung - auch Quellenspannung genannt - an. Zwi­ schen den Polen P1 und P2 der Spannungsquelle 1 sind ein er­ ster elektrisch steuerbarer Schalter 21 in Form einer Lei­ stungsstufe, ein zweiter elektrisch steuerbarer Schalter 3, das Zündelement 5 sowie ein dritter elektrisch steuerbarer Schalter 4 - ebenfalls Leistungsstufen - angeordnet. Nur wenn alle Schalter 21, 3 und 4 gleichzeitig schließen, wird Ener­ gie von der Spannungsquelle 1 auf das Zündelement 5 übertra­ gen.

Dazu wertet eine Aufprallsteuerung 6 unter Zuhilfenahme einer geeigneten Aufprallsensorik ein Unfallgeschehen aus und lie­ fert ein erstes Freigabesignal f1 an eine Hysteresesteuerung 22, welche das Freigabesignal f1 zunächst an den ersten Schalter 21 weiterleitet und diesen damit leitend schaltet. Zum elektrischen Steuern der Schalter 3 und 4 ist ein weite­ res Freigabesignal f2 der Aufprallsteuerung 6 vorgesehen. Zur Ansteuerung der Schalter 21, 3 und 4 sind eine Vielzahl von Varianten denkbar: Beispielsweise kann der erste Schalter 21 auch durch eine in ihrer Hardware separat von der Aufprall­ steuerung 6 ausgebildete Steuerschaltung beschleunigungsab­ hängig betätigt werden. Der mit der Steuerschaltung verbunde­ ne Beschleunigungsaufnehmer ist dabei ebenfalls separat aus­ gebildet von einem Beschleunigungsaufnehmer oder sonstigen Aufprallsensor, der mit der Aufprallsteuerung 6 verbunden ist.

Der erste steuerbare Schalter 21 ist Bestandteil eines Schaltreglers 2, der neben dem Schalter 21 und der Hysterese­ steuerung 22 ferner ein Filter bestehend aus einer Spule L und einem Kondensator C, eine Freilaufdiode 25 einen Span­ nungsfühler 24 und einen Referenzwertgeber 23 aufweist. Der Schaltregler 2, auch Zweipunkt-Spannungsregler mit Schalthy­ sterese genannt, regelt gemäß Fig. 2 die Quellenspannung U_qu auf eine um den Mittelwert U₀ pendelnde Spannung U. Liegt das Freigabesignal f1 vor, so wird der erste Schalter 21 leitend geschaltet. Damit steigt die Spannung U zwischen den in Fig. 1 eingezeichneten Schaltungspunkten S1 und S2 im folgenden an. Der Spannungsfühler 24, beispielsweise ein einfacher Spannungsabgriff im Schaltungspunkt S2, liefert U_MEß als Meß­ größe. In der Hysteresesteuerung 22 wird zunächst die gemes­ sene Größe U_MEß mit einem ersten Referenzspannungswert U₁ ver­ glichen. Wird der erste Referenzwert U₁ durch die gemessene Größe U_MEß überschritten, so wird der Schalter 21 geöffnet. Daraufhin fällt die Spannung U wiederum ab, bis sie einen zweiten Referenzwert U₂ erreicht hat. Bei Unterschreiten des zweiten Referenzwertes U₂ durch die gemessene Größe U_MEß wird der Schalter 21 wiederum geschlossen. Dadurch stellt sich ein in Fig. 2 gezeigter Spannungsverlauf U ein, der mit einer durch die Referenzwerte U₁ und U₂ vorgegebenen Schalthysterese um einen festgelegten Mittelwert U₀ jeweils um den Betrag Delta U schwingt. Der Zeitpunkt t_A ist dabei der Startzeit­ punkt des Schaltregelvorgangs und wird durch das Freigabesi­ gnal F1 bestimmt. Die Referenzwerte U₁ und U₂ werden von ei­ nem Referenzwertgeber 23 geliefert. Vorzugsweise laufen Refe­ renzwertgeber-, Hysteresesteuerungs- und Aufprallsteuerungs­ prozesse auf einem gemeinsamen Mikroprozessor. Spule L und Kondensator C bilden ein Tiefpaßfilter L, C für die Spannung U. Die Freilaufdiode 25 verhindert, daß die magnetische Ener­ gie der Spule L auf den Kondensator C geladen wird und dient damit der Blindleistungsreduktion.

Strichiert eingezeichnet sind weitere zweite elektrisch steu­ erbare Schalter 31 und 32, weitere Zündelemente 51 und 52 sowie weitere dritte steuerbare Schalter 41 und 42. Diese weiteren Zündelemente mit den jeweiligen zugehörigen Schaltern sind als Serienschaltung jeweils parallel zu der entsprechenden Seri­ enschaltung des Zündkreises mit den Schaltern 3 und 4 und dem Zündelement 5 angeordnet. Freigabesignale f3 und f4 dienen der Ansteuerung der weiteren zweiten und dritten Schalter 31, 41, 32, 42.

Die Spule des Tiefpaßfilters L, C ist gemäß der Erfindung für die gesamte Mehrzündkreis-Vorrichtung also nur einmal vorge­ sehen. Dies ist insofern von Vorteil, als Spulen nur aufwen­ dig integrierbar sind, jedoch eine große Anzahl der Bauteile wie steuerbare Schalter und auch Zündelemente der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung gemeinsam in einem Halbleiterbaustein in­ tegriert werden können. Die Erfindung hat also insbesondere als weiteren Vorteil, daß sie ein Optimum an Integrierbarkeit bietet. Darüberhinaus können bestehende, in integrierter Form vorliegende Zündkreise mit je zwei einem Zündelement indivi­ duell zugeordneten Schaltern auf einfache Art und Weise auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiterbenutzt werden, da sie keiner Änderung zu unterziehen sind und lediglich um den Schaltregler ergänzt werden müssen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Zünden eines Zündelements eines Kraftfahr­ zeug-Insassenschutzmittels,

• 1. mit einer Spannungsquelle (1),
• 2. mit einer mit Polen (P1, P2) der Spannungsquelle (1) verbun­ denen Serienschaltung mit einem ersten steuerbaren Schalter (21), einem zweiten steuerbaren Schalter (3), dem Zündelement (5) und einem dritten steuerbaren Schalter (4), dadurch ge­ kennzeichnet,
• 3. daß der erste steuerbare Schalter (21) Bestandteil eines Schaltreglers (2) mit Schalthysterese zum Regeln der Quellen­ spannung (U_qu) auf eine um einen Mittelwert (U₀) pendelnde Spannung (U) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Abschnitt der Serienschaltung enthaltend den zweiten steuerbaren Schalter (3), das Zündelement (5) und den dritten steuerbaren Schalter (4) mindestens eine weitere Serienschaltung enthaltend jeweils einen weiteren zweiten steuerbaren Schalter (31), ein weiteres Zündelement (51) und einen weiteren dritten steuerbaren Schalter (41) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Schalter (3, 4) strombegrenzendes Verhalten aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein weiterer zweiter und minde­ stens ein weiterer dritter steuerbarer Schalter (31, 32, 41, 42) strombegrenzendes Verhalten aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein dem Schaltregler (2) zugeordne­ ter Spannungsfühler (24) zwischen dem ersten und dem zweiten steuerbaren Schalter (21, 3) angeordnet ist, daß eine Hystere­ sesteuerung (22) zum Vergleichen der vom Spannungsfühler (24) gelieferten Größe (U_meß) mit einem ersten und mit einem zwei­ ten Referenzwert (U₁, U₂) vorgesehen ist, und daß die Hystere­ sesteuerung (22) das Öffnen des steuerbaren Schalters (21) bei Überschreiten des ersten Referenzwertes (U₁) und das Schließen des ersten steuerbaren Schalters (21) bei Unter­ schreiten des zweiten Referenzwertes (U₂) veranlaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Filter (L, C) zur Glättung der um den Mittelwert (U₀) pendelnden entnommenen Spannung (U) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (L, C) eine Spule (L) enthält.