KR20050120809A

KR20050120809A - 제한 시스템 내의 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터의모니터링 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20050120809A
Application number: KR1020057020451A
Authority: KR
Inventors: 하르트무트 슈마허; 게르노트 하일만
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-12-23
Also published as: JP2006524602A; KR101104535B1; DE502004004300D1; JP4488242B2; DE10319336A1; ES2287704T3; CN100408386C; WO2004096613A1; EP1622795A1; US8988084B2; US20070030016A1; CN1701008A; EP1622795B1

Abstract

본 발명은 에너지 저장 커패시터를 모니터링 하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 정전용량의 모니터링과 더불어 내부 저항의 모니터링도 허용된다. 이는 충전 과정을 순차화하고, 상기 충전 과정을 차단함으로써 달성된다.

Description

제한 시스템 내의 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터의 모니터링 장치 및 그 방법{DEVICE AND METHOD FOR MONITORING AT LEAST ONE ENERGY RESERVE CAPACITOR IN A RESTRAINT SYSTEM}

본 발명은 독립항들의 유형에 따르는 제한 시스템 내의 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 모니터링 하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

독일 특허 제197 15 571호로부터는 예컨대 제한 시스템용 에너지 저장 장치로서 이용되는 커패시터의 정전 용량을 모니터링하는 점이 공지되어 있다.

도1은 본 발명에 따른 장치를 나타내는 제1 회로도이다.

도2는 에너지 저장 커패시터의 충전 및 방전 과정을 나타내는 전압-시간의 다이어그램이다.

도3은 본 발명에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다.

도4는 본 발명에 따른 장치를 나타내는 블록회로도이다.

도5는 본 발명에 따른 장치를 나타내는 제2 회로도이다.

에너지 저장 커패시터를 모니터링 하기 위한 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치는 종래 기술과 반대로 에너지 저장 커패시터의 내부 저항도 모니터링 된다는 장점을 제공한다. 대개 에너지 저장 커패시터로서 이용되는 알루미늄 전해 커패시터의 시효화와 더불어, 정전 용량 및 내부 저항의 변화가 수반된다. 더욱 빈번하게 병렬로 그리고 고전류로써 점화가 이루어져야 하는 점화 회로들의 수가 증가함에 따라 에너지 저장 장치 전압 및 차량 배터리 전압에 대한 현재의 해결 방법은 그 효율을 상실하고 있는데, 왜냐하면 0.5 내지 1 옴의 내부 저항을 갖는 케이블 결선을 통해 상당한 순시 전압 저하 없이는 충분한 전류가 공급될 수 없기 때문이다. 이러한 이유에서 에너지 저장 커패시터들의 정전 용량과 더불어 그들의 내부 저항 또한 별도로 모니터링하는 점이 더욱 중요해지고 있다. 오로지 내부 저항을 별도로 모니터링 함으로써만 최악의 경우에도, 무엇보다 더욱 높은 회로 저항, 예컨대 6.5 옴을 갖는 점화 회로에서, 높은 점화 속도 및 높은 점화 전류를 이용하여 동시적인 병렬 점화가 이루어질 수 있도록 보장할 수 있다. 그 외에도 보장되는 점에서, 이와 관련하여 제어 장치에 전기 에너지를 공급하기 위해 에너지 어큐뮬레이터를 동시에 이용할 경우 점화 시 20암페어까지의 높은 전류 소모에 의해, 충돌 사고 시에 전체 시스템의 고장을 야기할 수도 있는 사항으로서, 전압 공급의 리셋 임계값 이하로 에너지 저장 장치 전압의 일시적 강하가 발생하지 않는다. 만일 결함이 감지된다면, 다시 말해 너무 높은 내부 저항이 감지된다면, 제어 장치를 상기 에너지 저장 장치와 함께 교환할 수 있도록 하기 위해 상기 결함 감지 사항에 관한 정보가 표시된다. 왜냐하면, 이러한 사항은 오로지 활성화될 경우에 제한 장치의 확실한 작동을 보장하기 위해서만 필요하기 때문이다.

현재, 제한 시스템용 전자 장치에서, 무엇보다 제어 장치에서, 제한 장치를 점화시키기 위해 하나 혹은 그 이상의 커패시터가 이용되는 에너지 저장 장치가 이용되고 있다. 그에 따라, 상기 제한 장치의 점화는 차량 내의 배터리 전압의 변동 및 그 상태와 무관하게 이루어진다. 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법은 하나의 에너지 저장 커패시터에서뿐만 아니라 혹은 복수의 에너지 저장 커패시터에서도 적용할 수 있다.

종속 청구항들에 제시된 조치 및 개선예들을 통해, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 모니터링 하기 위한, 독립 청구항들에 제시된 그 장치 및 방법의 바람직한 개선예들이 제공될 수 있다.

특히 바람직하게는, 본원의 장치는 적어도 하나의 충전 과정을 순차화하고 상기 과정을 차단함으로써 에너지 저장 커패시터의 내부 저항을 측정한다. 다시 말하면 그와 더불어, 상기 내부 저항에 의해 영향을 받는 정의된 전기 파라미터를 검출할 수 있다. 그런 다음 상기 전기 파라미터와 더불어 결과적으로 제어 장치 내의 마이크로 컨트롤러를 통해 상기 내부 저항을 측정할 수 있다. 만일 복수의 충전 및 방전 과정이 이용된다면, 측정은 더욱 확실해진다.

또한, 바람직하게는 내부 저항을 모니터링 하기 위해 변압기, 정류기 및 분압기가 제공되어 있다. 이와 관련하여 상기 변압기는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 충전하는 역할을 하며, 그리고 상기 에너지 저장 커패시터의 후방에 배치된 정류기 및 분압기는 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항을 측정하는데 이용되는 전기 파라미터를 측정하는 역할을 한다. 상기 정류기는 첨두값 정류기일 수 있으며, 그에 반해 분압기는 추가적으로 저역 통과 필터로서 구성되어 있다. 그에 따라 단기 전압 피크가 측정에 영향을 미칠 수 있는 점은 억제된다. 상기 변압기는 바람직하게는 상기 에너지 저장 커패시터의 충전 단계 후에 출력 전압을 정의된 조절 대역에서 유지할 수 있도록 자신의 출력전압용 조절장치를 포함한다.

에너지 저장 커패시터의 내부 저항을 측정하기 위한 방법은 하기의 순서에 따라 이루어질 수 있다:

제1 단계에서 커패시터는 변압기에 의해 배터리 전압 이상인 제1 전압값으로 충전된다. 이는 배터리 전압 이상에서 측정을 실행하기 위해 필요한데, 왜냐하면 상기 배터리 전압은 예비량으로서 곧바로 상기 에너지 저장 커패시터와 결합되어 경우에 따라 측정을 왜곡시킬 수도 있기 때문이다. 그러나 만일 상기 에너지 저장 커패시터가 상기 배터리 전압 이상으로 충전된다면, 상기 측정은 상기 배터리 전압의 거동과 무관하게 이루어지게 된다. 정의된 초기 조건을 형성하기 위해, 상기 변압기는 접속 차단하고, 전해 커패시터의 내부 저항을 통해 전압을 급속 강하시킨다. 그런 다음 상기 전압은 전기 회로 내의 또 다른 구성요소에 의해서도 강하되어야 한다. 이를 위해 한편에서는 상기 첨두값 정류기의 커패시터와 상기 첨두값 정류기의 후방에 배치된 분압기가 이용된다. 그러나 이러한 거동은 순간적으로 이루어지는 것이 아니라, 어느 정도의 시간 지연이 이루어지면서 실행되며, 그럼으로써 지정된 시간 동안 정적 값(static value)이 안정화되도록 대기하게 된다. 상기 시간은 본질적으로 전력 변환 컨버터(buck converter)의 코일 내 에너지의 소모, 첨두값 정류기의 시간 상수, 측정 저역 통과 필터, 뿐만 아니라 상기 첨두값 정류기의 출력부에 존재하는 부하 전류에 의해 결정된다. 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항으로 인해 접속 차단의 시점에 강하되는 전압의 값은 상기 시점에 즈음한 내부 저항의 값과 충전 전류로부터 제공되되, 상기 충전 전류는 상기 커패시터에 공급된 전류이다. 정적 값이 안정화될 때까지 이루어지는 상기와 같은 대기 시간 후에, 상기 에너지 저장 커패시터는 변압기에 의해 새로이 충전된다. 시간에 따른 변화를 고려하면, 상기 에너지 저장 커패시터의 충전 상태는 거의 변화가 없는 상태로 유지되지만, 그에 반해 전압은 상기 에너지 저장 커패시터로 인해 전력변환 컨버터의 클록 주기로 맥동한다. 상기 첨두값 정류기의 출력부에 존재하는 전압(ux)은 맥동하는 전압의 첨두값을 갖는다. 그런 후에 변압기는 정적 값이 형성 완료될 때까지 다시 접속 차단된다. 앞서 기술한 바와 같이, 상기 충전된 값;과 상기 첨두값 정류기의 강하된 정적 값; 사이의 차이로부터 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항이 산출될 수 있다.

상기 변압기가 접속 차단되는 동안의 시간은 코일 잔여 에너지, 첨두값 정류기의 시간 상수, 측정 저역 통과 필터, 뿐만 아니라 상기 첨두값 정류기의 출력부에 존재하는 부하 전류에 따라 선택된다. 제2 충전 시 충전 시간의 선택은 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항에서 클록 제어되는 충전 전류에 의해 야기되는 제2 전압과 실질적인 정전 용량에서의 전압을 가산함으로써 제공되는 첨두값으로 상승되는 방식으로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 콜드 스타트 조건에서 실행되는데, 왜냐하면 전해 커패시터를 고려할 때 차량은 최저온의 상태에 위치하기 때문이다.

상기 변압기는 클록 제어 방식으로 상기 에너지 저장 커패시터를 충전한다. 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항을 측정하기 위해, 변압기가 활성화될 때의 첨두값과 변압기가 비활성화 시에 강하된 값 사이에서 관찰되는 전압 차이로부터 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항을 측정할 수 있도록, 공지된 펄스 전류 진폭을 이용한 전력변환 컨버터의 작동이 필요하다. 상기 전력변환 컨버터 작동이 필요한 이유는 에너지 저장 장치에서의 전압과 그에 따른 전체 측정 과정의 전압이 차량의 배터리 전압 이상이기 때문이다. 본원에서 이용되는 클록 제어식 승압 컨버터는 변압기의 분권 암(shunt arm) 내 코일 전류의 첨두값을 측정한다.

하나의 변형예에서, 직렬 통과 트랜지스터가 변압기 내에 제공되어 있다. 상기 직렬 통과 트랜지스터는 상기 에너지 저장 커패시터에 대한 배터리 전압의 관통을 제어 가능케 한다. 이는 측정 중 출력 손실을 감소시키는데, 왜냐하면, 더욱 낮아진 전압에서 측정을 실행할 수 있기 때문이다.

또한, 측정 중에 상기 직렬 통과 트랜지스터를 차단함으로써 측정에 대한 배터리 전압의 영향을 제거할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 도면에 도시되어 있으며 이하의 상세한 설명에 따라 보다 자세하게 설명된다.

이하에서는 에너지 저장 커패시터의 내부 저항이 증가할 시에, 전자 장치의 교환을 달성할 수 있도록 하기 위해, 상기 내부 저항이 위험할 정도로 높을 경우 이 사항에 대한 정보가 표시되면서 제한 시스템이 어떻게 올바로 반응하는지 그 방법이 기술된다. 신호는 예컨대 계기판에서 디스플레이를 통해 운전자에게 시각적으로 표시될 수 있거나, 음향적 출력을 통해 정보가 제공될 수 있거나 혹은 추가적으로 서비스 센터나 혹은 여타 서비스 시설과 접촉할 수 있도록 하기 위해 송/수신 기지국을 통해, 예컨대 휴대폰을 통해 접촉 연결이 개시될 수 있다. 그런 다음 그에 따라 '이제 교환이 필요하다'라는 정보가 운전자에게 제공된다.

본 발명에 따른 장치를 실시하거나 실현하기 위해서는 하기의 전제 조건들이 충족되어야 한다:

클록 제어되는 승압 컨버터에는 고정 혹은 가변의 전력변환 컨버터 주파수가 제공되어야 한다. 에너지 저장 커패시터의 충전 전압은 최종적으로 최대의 에어백 시스템 공급 전압 이상이 되어야 한다. 그에 따라 측정은 여타의 변수에 의한 간섭이 이루어질 수 없는 영역에서 실시된다. 다음에서는 코일을 포함하는 변압기가 도시된다. 상기 변압기는, 최대 허용되는 코일 전류에 도달한 후에 직렬 암(series arm)으로 전환될 수 있도록 하기 위해, 분권 암 내 코일 전류의 검출 장치를 포함하고 있어야 한다. 에너지 저장 장치의 클록 제어되는 충전 작동에서 최대 코일 전류는 0.4와 1.2A 사이이어야 한다. 이러한 값 영역은, 보통의 에어백 시스템으로부터 최대 에어백 시스템까지에서 20mF까지의 대형 에너지 저장 장치 역시 10초 이하의 시간 내에 33±2볼트로 충전할 수 있도록 하기 위한 표준 영역이다. 만일 표준 영역에 따르는 경우라면, 상기 에너지 저장 커패시터의 내부 저항은 32 내지 96mΩ의 분해능으로써 분리될 수 있다. 물론, 내부 저항의 측정의 더욱 개선된 분해능을 갖는 더욱 큰 코일 전류도 가능하다.

변압기는 에어백 제어 장치의 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러에 의해 활성화 및 비활성화될 수 있어야 한다. 에너지 저장 장치 후방에는 다이오드와 예컨대 세라믹 커패시터로 구성된 첨두값 정류기가 배치되어 있어야 한다. 상기 다이오드 및 상기 세라믹 커패시터는 최적으로 설계된 에어백 시스템에서 새로운 부품이 아니라, 제한 시스템의 출력단을 상기 에너지 저장 장치와 연결하기 위한 모든 부분에서 이미 존재하는 부재이다. 다시 말해, 상기 첨두값 정류기는 어쨌든 내장되어 있다. 상기 에너지 저장 커패시터의 첨두값 정류기의 전압은 다이오드와 접지 사이에 별개로 위치하거나 혹은 집적 회로 내에, 예컨대 고출력 IC 내에 통합되어 저역 통과 필터로서 접속되어 있는 분압기를 통해 분압되어야 한다. 상기 저역 통과 필터는 두 부분 저항과 접지 사이의 별개의 세라믹에 의해 생성되거나, 혹은 상기 저역 통과 필터는 분압기 전압을 검출하기 위해, 예컨대 고출력 IC 내에 통합된 연산 증폭기의 대응하는 배선에 의해 생성된다. 또한, 상기 첨두값 정류기의 전압은 아날로그-디지털 컨버터에 의해 검출될 수 있어야 한다. 상기 아날로그-디지털 컨버터는 마이크로 컨트롤러의 구성요소이거나, 혹은 디지털 통신 결선을 통해 상기 마이크로 컨트롤러와 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 전력변환 컨버터-IC의 구성요소이거나, 혹은 상기 고출력 IC의 구성요소이면서 디지털 통신 결선을 통해 상기 마이크로 컨트롤러와 직렬 또는 병렬로 연결되어 있다.

도4의 블록회로도에는 개괄적으로 본 발명에 따른 장치가 도시되어 있다. 변압기(400)는 배터리 전압(U_Bat)을 후방에 배치된 에너지 저장 커패시터(ER)를 충전하는데 이용되는 더욱 높은 값으로 변환시킨다. 상기 에너지 저장 커패시터는 내부 저항(ESR)을 포함하며, 상기 변압기(400)의 충전 전류가 상기 내부 저항을 통과한다. 상기 에너지 저장 커패시터(ER)의 후방에는 정류기(401)가 배치되어 있다. 이 정류기는 후방에 배치된 점화 장치(403) 내의 원하지 않는 양의 전압 임펄스에 의한 혹은 점화 부재의 단자에 의한 의도되지 않은 점화를 억제하는데, 왜냐하면 상기 정류기(401) 없이도 상기 점화 부재는 고출력 트랜지스터의 역방향 다이오드를 통해 상기 에너지 저장 장치와 연결될 수도 있으며, 그로 인해 전위차가 있을 시에 전류를 안내하기 때문이다. 상기 정류기(401)와 상기 점화 장치(403) 사이에는 분압기(402)가 병렬로 접속되어 있다. 이 분압기는 또한 저역 통과 필터로서 설계되어 있다. 상기 분압기(402)는 다음에서 기술하는 바와 같이 상기 내부 저항(ESR)을 측정하는데 이용된다. 분압기(402)에서 측정된 전압은 마이크로 컨트롤러(μC)로 공급되는데, 더욱 정확하게는 상기 마이크로 컨트롤러의 아날로그-디지털 컨버터 내로 곧바로 공급된다. 상기 에너지 저장 커패시터(ER)의 내부 저항(ESR)에 있어 상기와 같이 측정된 그 값에 따라서 상기 마이크로 컨트롤러(μC)는 디스플레이(404)를 제어하되, 이 디스플레이는 상기 내부 저항(ESR)이 상기 에너지 저장 커패시터(ER)가 위치해 있는 에어백 제어 장치의 교환이 필요한 만큼 높은 값을 갖는지 여부를 표시한다. 상기 디스플레이(404)는 계기판 내의 램프이거나, 모니터상의 디스플레이거나, 음성으로 제공되는 진술 내용이거나 혹은 무선을 통해 서비스 제공자에 전송된 메시지일 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 장치를 나타내는 상세 회로도이다. 블록(100)에는 변압기가 도시되어 있다. 코일(117)은 상기 블록(100) 외부에 배치되어 있는데, 왜냐하면 블록(100) 내의 모든 구성요소들은 IC 내에 통합되어 있기 때문이다. 컵형 코일로서 설계되어 있는 상기 코일(117)은 IC 내에 통합될 수 없다. 상기 코일(117)은 일측에서는 상기 배터리 전압(U_Bat) 또는 극성 반전 보호된 배터리 전압(VZP)과 연결되어 있으며, 타측에서는 다이오드(109)의 양극과 그리고 예컨대 트랜지스터(118)의 드레인 단자와 연결되어 있다. 상기 트랜지스터(118)의 게이트는 스위치 제어 장치(116)에 의해 제어된다. 상기 트랜지스터(118)의 소스 단자에는 비교기(113)의 제1 입력부, 그리고 저항(112)이 연결된다. 또 다른 측면에서 상기 저항(112)은 상기 비교기(113)의 접지 및 제2 입력부와 연결되어 있다. 상기 다이오드(109)의 음극은 일측에서는 저항(110)과 연결되어 있으며, 타측에서는 IC(100) 외부에서 상기 전해 커패시터(ESR)의 내부 저항과 그리고 첨두값 정류기(101)의 다이오드(D)의 양극과 연결되어 있다. 상기 저항(110)은 자신의 또 다른 측에서 일측에서는 연산 증폭기(114)의 제1 입력부와, 그리고 저항(111)과 연결되어 있다. 이 저항(111)은 또 다른 측에서 접지와 연결되어 있다. 상기 연산 증폭기(114)의 제2 입력부는 기준 전압을 인가받으며, 그럼으로써 상기 분압기(110, 111)에 의해 인가된 전압과 상기 기준 전압의 비교가 상기 연산 증폭기(114)를 통해 개시된다. 상기 연산 증폭기(114)의 출력부는 비교기(115)의 제1 입력부로 이어진다. 상기 비교기(115)의 제2 입력부에는 톱니파 신호가 인가된다. 상기 비교기(115)의 출력부는 상기 스위치 제어 장치(116)의 제1 입력부에 연결된다. 상기 스위치 제어 장치(116)의 제2 입력부에는 비교기(113)의 출력부가 연결되어 있다. 또한, 상기 스위치 제어 장치(116)의 제3 입력부에는 마이크로 컨트롤러(μC)의 신호 라인이 연결되어 있거나, 또는 마이크로 컨트롤러와 전력변환 컨버터(IC) 사이의 직렬 혹은 병렬 통신을 바탕으로 전력변환 컨버터를 활성화 혹은 비활성화하는 논리 명령어를 상기 스위치 제어 장치에 전송하는 제어 라인이 연결되어 있다.

상기 내부 저항(ESR)은 자신의 또 다른 측에서 에너지 저장 커패시터의 정전 용량(ER)과 연결되어 있다. 상기 정전 용량(ER)은 또 다른 측에서 접지와 연결된다. 전해 커패시터의 내부 저항은 전기적 소자가 아니라 옴 손실에 대한 모델에 따른 설명이다. 상기 다이오드(D)의 음극은 일측에서는 정전 용량(C_peak _{_D})과 연결되며, 그리고 저항(R1); 트랜지스터(104)로부터 개시되는 병렬 회로; 그리고 다이오드(106)의 음극;과 연결되어 있다. 상기 트랜지스터(104) 및 상기 음극(106)은 점화 부재(108)를 제어하는 고출력-IC(103)에 포함된다. 다시 말해 상기 트랜지스터(104)와 상기 다이오드(106)는 자신들의 또 다른 측에서 점화 부재(108)와 연결되어 있다. 상기 트랜지스터(104)는 오로지 자신의 소스 및 자신의 드레인만이 회로 내에 통합되어 있다. 본 실시예에서 상기 트랜지스터(104)는 하이사이드 스위치(high-side switch)로서 작용한다. 상기 트랜지스터의 게이트의 배선은 본 실시예에서 개관의 이유에서 도시되어 있지 않다. 상기 점화 부재(108)는 또 다른 측에서 고출력-ASIC(103)의 로우사이드(Low-Side)와 연결되어 있는데, 더욱 정확하게 말하면, 트랜지스터(105)의 드레인과, 그리고 다이오드(107)의 음극과 연결되어 있다. 상기 다이오드(107)는 접지 쪽의 양극과, 그리고 상기 트랜지스터(105)의 드레인과 연결되어 있다. 상기 저항(R1)은 분압기(102)에 포함되어 있되, 상기 저항(R1)은 자신의 또 다른 측에서 저항(R2) 및 커패시터(109)와 연결되어 있다. 상기 커패시터(109)뿐만 아니라 상기 저항(R2)은 또 다른 측에서 접지와 연결된다.

상기 변압기(100)는, 정전 용량(ER)을 배터리 전압 이상의 값으로 충전할 수 있도록, 배터리 전압(VZP)을 더욱 높은 값으로 전환한다. 이때 상기 변압기(100)는 클록 제어되는 상태에서 기능한다. 다시 말해, 스위칭 트랜지스터(118)의 차단 단계에서 충전 전류 임펄스로서 에너지 저장 커패시터(ER)에 재차 소모될 수 있도록 하기 위해, 충전 상태에서 코일 내 에너지는 변압기의 스위칭 트랜지스터(118)에 의해 분권 암 내에서 Isp_max까지 코일 전류가 증가함에 따라 증대된다. 그에 따라 이른바 절연 변압기가 존재한다.

상기 변압기(100)의 클록 제어는 비교기(115)에 공급되는 발진기 신호(OSC)를 통해 이루어진다. 상기 발진기 신호는 펄스폭을 고려하여 분압기(110, 111)와 연산 증폭기(114)로 이루어진 피드백 루프에 의해 변조된다. 이와 관련하여 상기 연산 증폭기는 상기 분압기(110, 111)에 의해 인가된 전압을 기준값(REF)과 비교한다. 그에 따라 펄스폭 변조가 달성된다. 상기 비교기(113)를 통한 피드백은 상기 절연 변압기의 충전 단계에서 코일 전류를 최대값으로 제한하는 역할을 한다. 상기 다이오드(109)는 극성반전 보호부로서 이용된다. 그에 따라 충전 전류(I_sp)는 일측에서는 내부 저항(ESR) 및 커패시터(ER)를 관류하고, 그리고 타측에서는 다이오드(D)를 관류하며, 그로 인해 낮은 정전 용량(C_peak _{_D})을 저항(R1, R2)을 통해 인가될 수 있는 전압 첨두값으로 충전한다.

상기 저항(R1, R2)뿐만 아니라 상기 커패시터(109) 및 상기 정전 용량(C_{peak_D})의 할당은 상기 충전 전류가 대체로 상기 커패시터(ER)에 공급되는 방식으로 이루어진다. 하이사이드(104)는 차단되고 상기 다이오드(106)는 변압기(100)의 충전 전류를 차단할 수 있는 방식으로 전환이 이루어진다. 만일 상기 변압기(100)가 접속 차단되고 U_ER > VZP라고 하면, 코일 전류의 매우 짧은 감쇠 후에 더 이상 충전 전류는 상기 커패시터(eR)로 흐르지 않으며, 그리고 내부 저항(ESR)을 통한 전압 강하는 발생하지 않게 된다. 이러한 강하는 도2에서 후방에 접속된 첨두값 정류기의 구간(202)에서 발생하는 전압(201)으로 알 수 있다.

상기 첨두값 정류기의 전압(201 = ux)은 R1과 R2로 구성된 분압기(102)를 통해 분압되며, 그리고, 전압 측정을 위해 마이크로 컨트롤러(μC)의 아날로그/디지털 컨버터로 공급될 수 있는 방식으로, 109를 통해 여과된다.

만일 상기 마이크로 컨트롤러가 또 다른 측면에서 절연 변압기의 작동에 영향을 미칠 수 있으면서 배터리 전압(UB), (VZP) 및 에너지 저장 장치 전압의 값들에 대한 정확한 정보를 가지고 있다면, 상기 마이크로 컨트롤러는 첨두값 정류기에서 관찰되는 전압의 강하와 최대 코일 전류의 정보로부터 에너지 저장 커패시터의 내부 저항(ESR)을 산출할 수 있다.

도2는 측정 방법을 전압-시간 다이어그램으로 시각화한다. 종좌표 상에는 전압(200 = U_ER)(접지에 대향하는 내부 저항을 포함하는 에너지 저장 커패시터의 전압)과 전압(201 = ux)(접지에 대향하는 첨두값 정류기의 출력 전압)이 기재되어 있으며, 그리고 횡좌표에는 시간이 표시되어 있다. 제1 구간(203)에서 상기 변압기(400)는 마이크로 컨트롤러(μC)에 의해 접속되며, 그럼으로써 배터리 전압(U_B) 또는 (VZP) 이상으로 커패시터(ER)의 충전이 이루어지게 된다. 그런 다음 시간 구간(202)에서 상기 마이크로 컨트롤러(μC)에 의해 상기 변압기(400)는 접속 차단된다. 작은 전압 스윙으로 인해, 그리고 빠른 시간과정의 도시를 위해 눈금을 전압 및 시간 방향으로 확대하였다(Zoom). 이 구간에서부터는 충전 전류가 더 이상 저항(ESR)을 관류하지 않기 때문에, 상기 저항으로 인한 전압 강하는 발생하지 않는다. 그러나 이는 즉각적으로 발생하는 것이 아니라, (200 = U_ER)과 관련하여서는 코일 전류의 감쇠로 인해 어느 정도 지연이 이루어지면서, 그리고 (201=ux)와 관련하여서는 첨두값 저유기 내 추가의 저역 통과 여과가 이루어지면서 발생한다. 그러므로 정적 값이 안정화를 완료할 때까지 시간(Toff)만큼 대기가 이루어진다. 상기 값은 본 실시예에서 (201=ux)와 관련하여 u2로써 지시된다. 시간(Toff)으로서 본 실시예에서는 2*0.5ms의 시간이 평가된다.

그런 다음 변압기가 에너지 저장 장치 ESR-측정의 범주에서 활성화되는 단계(204)가 이어진다. 이 구간에서는 커패시터(ER)의 클록 제어되는 충전이 명시된다. 시간 구간(204)에서 시간은 본 실시예의 경우 0.5ms의 길이를 갖는다. 상기 시간으로 인해 값(u3)으로 첨두값 정류기가 충전되며, 그에 반해 UER은 다이오드 전압만큼 그리고 에너지 저장 장치 정전 용량의 전압 기초값의 극미한 상승값만큼 오로지 펄스 형태로만 상기 값(u3)을 초과한다. 도2에서는 구간(204) 내에 201 또는 200으로 도시되어 있다.

상기 시간 구간(204)에 이어서 시간 구간(205)이 이루어지는데, 이 시간 구간에서는 다시금 변압기가 접속 차단되고, 첨두값 정류기의 출력부에 존재하는 전압(u5)은 모든 시간 상수의 감쇠 후 2*0.5ms의 대기 시간이 경과 하면 접지에 대향하여 적응된다.

분압기(102)의 출력부에서 그에 상응하게 선형으로 분압된 전압은 대문자 U로 표시되며(u2→U2, u3→U3, u5→U5), 에너지 저장 장치의 내부 저항(ESR)을 계산할 수 있도록 마이크로 컨트롤러의 ADC로 전송된다.

상기 에너지 저장 장치의 전압은 우선적으로, 배터리로부터 독립될 수 있도록 하기 위해, U_Bat(VZP)에 의해 영향을 받지 않을 값, 예컨대 23볼트로 상승된다. 그런 후에 변압기(400)는 비활성화되고 대기 시간(Toff) 후에 첨두값 정류기(401)에서 전압이 측정된다. 이때 상기 대기 시간(Toff)의 선택과 관련하여, 변압기 코일 내 에너지가 소모되고 상기 첨두값 정류기의 정의되지 않은 피크 전압은 연결된 출력단의 지정된 입력 전류에 의해 및/또는 분압기의 옴 부하에 의해 정적 전압(UER-UD)으로 강하될 뿐 아니라 후방에 접속된 저역 통과 필터의 4τ가 경과되는 방식으로 상기 선택이 이루어지되, 상기 τ는 저역 통과 필터의 시간 상수이다. 대기 시간(Toff)은 예컨대 1ms로써 선택하였으며, 이 대기 시간은 마이크로 컨트롤러의 2개의 실시간 패턴에 상응한다.

상기 Toff의 평가는 으로 이루어지되:

변압기 코일 로부터,

이면, 이 추론되고, 그에 따라

이 추론된다.

첨두값 정류기:

저역 통과 필터(도1에서 102 및 109로 형성됨): .

라는 점에서 이 선택된다.

계산 파라미터: ER 및 분압기에서 고출력-IC에 공급하기 위한 IL = 1.2mA이며, 뿐만 아니라

이다.

그런 다음에는 시간(Toff) 내에 발생하는 에너지 저장 장치의 전압 손실에 대한 고려가 통상적인 정적 에너지 저장 장치 부하 전류를 통해 이루어진다.

정전 용량()의 에너지 저장 장치의 경우, 시간(Toff) 내에 발생하는 부하 전류(IL)에 대해 하기와 같은 전압 변화가 발생한다:

C_ER = 2.2mF이고, IL = 1.2mA이며, Tw = 1ms라고 하면,

du_ERoff = 1.2mA * 1ms/2.2mF = 0.55mV가 제공된다.

즉, 2.2 내지 20mF의 통상적인 에너지 저장 장치의 경우 (du_ERoff)는 무시해도 될 만큼 작음을 알 수 있다.

다음에서는 U2에 대한 식이 제시된다:

식1. ;

계산 파라미터:

예컨대

라고 할 때 이고, 이면서,

라고 한다면,

가 제공된다.

그런 다음, 변압기가 활성화되어 시간(Ton) 동안 작동된다. 본 실시예에서 상기 Ton은 500μs로 선택하였다. 이와 관련하여, 에너지 저장 장치 전압이 거의 변경되지 않고 유지되기는 하지만, 첨두값 정류기는 에너지 저장 장치 내부 저항에 의해 야기된 전압 강하에 의한 값으로 상승되는 방식으로 상기 Ton의 선택이 이루어진다.

다음에서는 U3에 대한 식이 제시된다:

식2:

하기의 단순화에 따라, 식4: 가 생성된다;

.

상기 단순화의 부정확성은 하기 방법에 의해 개선될 수 있다:

시간(Ton) 이내에 발생하는 에너지 저장 장치의 추가의 충전이 우선적으로 평가된다.

를 통해,

예컨대 이므로,

du_ERon = 90mV이다.

이는 내부 저항(ESR)의 측정을 개선시킨다. 결과적으로 상기 식4는 하기와 같이 수정되어야 한다:

식5: ; 이 식에서 U1은 미지의 값이다!

측정은 측정값(u5)의 추가에 의해 확대된다.

U3을 측정한 후에, 변압기는 비활성화된다. 새로이 첨두값 측정 장치가 다시 준정적 전압(UER-UD)을 표시할 때까지 대기 시간(Toff) 동안 대기가 이루어지며, 그런 다음 측정이 이루어지는데, 더욱 정확하게는 u5 또는 U5의 측정이 이루어진다. 그럼으로써 식5는 미지수 없이 하기와 같이 표현될 수 있다:

식6: .

내부 저항을 측정하기 위한 허용오차(tolerance)로서, 하기 사항이 결정된다:

aa) 본질적으로 오로지 분압기에 의해서만 제공되는 전압 측정의 허용오차. 아날로그-디지털 변압기의 기준 전압은 신속한 측정 순서로 인해, 충분히 여과가 이루어지는 점에 한해서, 고려되지 않는다.

bb) 아날로그-디지털 컨버터의 ±1 비트 허용오차는 측정 전압(Ux)과 관련하여 3.3V의 기준 전압을 갖는 10-비트-아날로그-디지털 컨버터인 경우 38.76mV의 값에 상응한다.

cc) 최대 코일 전류(ISP_max)의 허용오차. 이 최대 코일 전류는 스위칭 컨트롤러를 적합하게 설계함으로써 간단히 ±33%에서 유지할 수 있거나, 혹은 예컨대 기준 저항을 통한 보상에 의해 최고의 정밀도로, 예컨대 3%로 유지할 수 있다.

다이오드(D) 및 정전 용량(Cpeak_D)으로 구성된 첨두값 정류기는 전술한 방법에 따라 에너지 저장 장치의 내부 저항을 측정하기 위한 필수 구성요소이다. 그러나 상기 구성요소는 대개 에너지 저장 장치에 대향하여 U_Bat 이후의 단락 시에 점화 회로의 극성 반전 보호를 가능케 할 수 있도록 이미 에어백 제어 장치의 기본적인 부품이 되었다.

도3은 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시하고 있다. 처리 단계(300)에서 전술한 값, 예컨대 U_ER = 23볼트(인 경우, )의 값으로 충전이 이루어진다. 가 되게 선택한다.

마이크로 컨트롤러의 ADC에서 ux는 값(U1)을 달성한다. 처리 단계(301)에서 변압기는 접속 차단되며, 전류는 영(0)으로 떨어지며, 그럼으로써 전압은 U2로 강하된다. 그런 다음 처리 단계(302)에서 다시금 ER의 충전 작동이 이루어지되, 처리 단계(303)에서 재차 변압기를 접속 차단할 수 있도록 하기 위해, 첨두값 정류기(101, 401)에서 전압은 u3으로 충전되거나 또는 ADC 입력부에 존재하는 U3으로 충전되며, 그럼으로써 다시금 U5로의 강하가 이루어진다. 그런 다음 처리 단계(304)에서는 나머지 전기 파라미터를 고려하면서 전압 차이로부터 에너지 저장 커패시터의 내부 저항이 측정될 수 있다.

도5는 중앙 에너지 저장 장치의 조합된 ESR 및 정전 용량의 측정에 대한 추가의 실시예를 도시하고 있다.

도5는 도1이 우선적으로 추가의 직렬 통과 트랜지스터(119)만큼 확장된 도이다. 상기 직렬 통과 트랜지스터(119)는 배터리 전압(VZP)의 외부 전극과, 그리고 코일(117)의 또 다른 외부 전극과 연결되어 있다. 중간 전극은 스위치 제어 장치(120)와 연결되어 있다. 상기 스위치 제어 장치(120)는 마이크로 컨트롤러(μC)에 의해 제어된다. 그에 따라 상기 직렬 통과 트랜지스터(119)는 도1과 비교하여 VZP와 코일(117) 사이의 연결라인 내에 삽입되어 있다. 그 밖의 경우 모든 구성 요소 및 결선은 도1과 동일하다.

상기 트랜지스터(119)를 통해 상기 에너지 저장 장치에 대한 배터리 전압의 통과는 (μC)에 의해 제어될 수 있다.

만일 상기 트랜지스터(119)가 비활성화되어 있다면, 상기 에너지 저장 장치는 또한 UB(VZP)에 의해 예비 충전될 수 없다.

만일 상기 트랜지스터(119)가 활성화되어 있다면, 상기 ER은 UB(VZP)로 예비 충전된다.

그런 후에 상기 에너지 저장 장치는 추가의 전류원을 통해 UB에 의한 간섭 없이도 ER 전압이 낮을 경우 정전 용량 측정을 위해 약간 방전될 수 있다. Icap_test, 선택된 방전 시간 그리고 ER에서 관찰되는 전압 스윙으로부터 ER의 정전 용량이 계산된다.

본 실시예의 장점은 상기 ER이 μC에 의해 제어되면서 UB(VZP)로 예비 충전된다는 점에 있다. ER 전압이 낮은 경우 ER-정전 용량-검사는 정전 용량 측정을 위해 측정 전류원 내 출력 손실을 감소시킨다. ER 정전 용량 측정 및 ESR 측정은 직렬 통과 트랜지스터가 차단된 경우 공급 라인 상의 트랜지스터에 의한 간섭 없이도 실행되는데, 왜냐하면 측정이 이루어지는 동안 UB(VZP)의 통과는 저지되기 때문이다.

μC-제어 라인들(μC-ON/OFF, μC-ON/OFF_2, μC-ON/OFF_3)은 μC에 대한 직접적인 결선과 더불어 ASIC 상에 존재하는 논리회로에 의해서도 제어될 수 있되, 명령어를 수신하거나 상기 명령어의 실행을 중지할 수 있도록 하기 위해, 상기 논리 회로는 직렬 혹은 병렬 인터페이스를 통해 상기 μC와 통신한다.

Claims

제한 시스템 내의 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터(ER)를 모니터링 하기 위한 장치로서, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터(ER)의 정전 용량을 모니터링 할 수 있도록 구성되어 있는 모니터링 장치에 있어서,

상기 장치는 또한 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터(ER)의 옴의 내부 저항(ESR)을 모니터링 할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치가 적어도 하나의 충전 과정(204)을 순차화하고 상기 에너지 저장 커패시터(ER)의 충전 과정(205)을 차단함으로써 상기 내부 저항(ESR)을 측정하는 방식으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내부 저항(ESR)을 모니터링 하기 위해, 변압기(100, 400), 정류기(101, 401) 및 분압기(402, 102)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제3항에 있어서, 상기 변압기(100, 400)는 그 출력 전압용 조절 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제3항에 있어서, 상기 정류기(101, 401)는 첨두값 정류기인 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제3항에 있어서, 상기 분압기(102, 402)는 저역 통과 필터로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 변압기(100, 400) 내에, 상기 에너지 저장 커패시터(ER)에 대한 배터리 전압(VZP)의 통과를 제어하는 직렬 통과 트랜지스터(119)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터링 장치.
제한 시스템 내의 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터(ER)를 모니터링 하기 위한 방법으로서, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터의 정전 용량(ER)이 모니터링 되는 모니터링 방법에 있어서,

상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터(ER)의 내부 저항(ESR)도 모니터링 되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제8항에 있어서, 상기 내부 저항이 적어도 하나의 충전 과정의 순차화를 통해 그리고 상기 충전 과정의 차단을 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 내부 저항(ESR)은,

제1 단계에서 상기 에너지 저장 커패시터(ER)는 제1 전압값(23볼트)으로 충전되며;

제2 단계에서 제1 시간(Toff) 동안 충전이 중단되며;

제3 단계에서, 첨두값 측정 장치(101, 401)가 제2 전압값(u3)으로 충전될 때까지, 제2 시간(Ton) 동안 상기 에너지 저장 커패시터(ER)가 재차 제2 시간(Ton) 동안 충전되며;

제4 단계에서 제3 시간(Toff) 동안 충전이 중단되며, 그럼으로써 첨두값 정류기에 존재하는 전압은 제3 전압값(u5)으로 강하되며;

제5 단계에서 상기 제2 및 제3 전압값(u5, u3)의 전압 차이로부터 상기 내부 저항(ESR)이 측정됨으로써 모니터링되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제9항에 있어서, 상기 제1 전압값은 자동차 배터리 전압 이상으로 선택되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 충전은 클록 제어되는 방식으로 실행되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 시간은 상기 에너지 저장 커패시터(ER)의 후방에 접속된 저역 통과 필터(102, 402)의 시간 상수에 따라, 그리고 상기 에너지 저장 커패시터(ER)의 후방에 배치된 정류기(101, 401)의 전압 소모에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제13항에 있어서, 상기 제2 시간은 상기 정류기(101, 401)가 제2 전압값(u3)으로 상승되는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 시간(Toff)은 상기 제1 시간과 동일하게 선택되는 것을 특징으로 하는 모니터링 방법.