WO2013170987A1 - Überwachung eines kondensators zur elektrischen energieversorgung - Google Patents

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WO2013170987A1
WO2013170987A1 PCT/EP2013/056295 EP2013056295W WO2013170987A1 WO 2013170987 A1 WO2013170987 A1 WO 2013170987A1 EP 2013056295 W EP2013056295 W EP 2013056295W WO 2013170987 A1 WO2013170987 A1 WO 2013170987A1
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capacitor
voltage
predetermined
error signal
output
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PCT/EP2013/056295
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Inventor
Michael Schmitt
Wolfgang Carle
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/64—Testing of capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for monitoring a
  • Capacitor for electrical power supply In particular, the invention relates to a capacitor-based, secure power supply for a safety-related system.
  • the invention relates to a capacitor-based, secure power supply for a safety-related system.
  • a safety-relevant electrical system for example a yaw rate or acceleration sensor for controlling an active safety system on board a motor vehicle, should also be ready for operation when a wire-bound electrical energy supply is disturbed or interrupted. Such an interruption may occur in particular during an event during which the electrical system has to fulfill its primary task.
  • an acceleration sensor can scan an acceleration acting on the motor vehicle in order to enable a differentiated restraint system for an occupant.
  • the capacitor In order to avoid exposure of the electrical system under such conditions, it is customary to provide in the region of the system an electrical capacitor which is adapted to store electrical energy. As long as the external power supply is intact, the capacitor is recharged and the system is powered from the energy supply of the capacitor. If the external power supply briefly disturbed, for example, by the effect of acceleration on a plug connection of the system with the motor vehicle, the controller can remove energy from the condenser and remain operational. In order to ensure a predetermined operating time of the system, the capacitor can not be miniaturized arbitrarily. It is therefore usually realized as a separate, discrete component outside an integrated circuit. An electrical contact of the capacitor, in particular a solder joint, can be damaged by thermal or mechanical stress or even tear.
  • the condenser may age or become warmed and thereby lose some of its capacity.
  • Such a limited use capacitor can be detected during an initial charging process. During operation, however, a check of the functionality of the capacitor is not possible.
  • the system can therefore be operated unnoticed on a faulty capacitor, whereby the supply voltage of the system can already during a non-critical event, such as an undervoltage in the electrical system or interference of a noise signal vary. Should the capacitor suddenly break away temporarily or permanently from its contacts, offset jumps in the system signal may also occur.
  • the system may include an analog-to-digital converter that is sensitive to a changed supply voltage. If the system is provided, for example, for controlling an airbag, an erroneous deployment of the airbag can occur due to such an event.
  • the invention has for its object to provide a device and a method for monitoring an electrical power supply on the basis of a capacitor.
  • the invention achieves these objects by means of a device and a method having the features of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
  • the AC voltage, which is superimposed on the DC voltage across the capacitor is strongly attenuated by the capacitor, as long as it is functional. If the storage capacity of the capacitor is impaired, for example by an at least temporarily interrupted connection of the capacitor to the device, the smoothing effect of the capacitor is eliminated and a voltage is present at the terminals of the AC voltage source whose residual ripple is above the predetermined threshold value.
  • the storage capacity of the capacitor continuously monitored during operation and an error signal can be generated before a malfunction of connectable to the capacitor system, such as a control unit, occurs.
  • An insufficient supply of the system which may include, for example, a sensor, with energy can be detected and appropriate action taken.
  • a voltage fluctuation on the system which can lead to a malfunction of the system, can be detected.
  • the error signal may be used to disable the system to prevent erroneous triggering of a security system connected to the system.
  • the AC voltage source has a current limit.
  • the residual ripple of the alternating voltage can be controllably improved both when connected and when not connected or incorrectly connected capacitor.
  • a determination of the storage capacity of the capacitor based on the ripple of the AC voltage with improved quality can be carried out.
  • the supply device may comprise a high-pass filter, which is arranged between the determination device and the output device.
  • the high pass can ensure that sporadically exceeding the ripple above the threshold does not immediately result in the output of the error signal. Instead, the error signal can not be output until the residual ripple is sufficiently frequent or long above the predetermined threshold value.
  • this can be temporary external influences be suppressed on the capacitor, for example by electrical or electromagnetic interference signals.
  • the high pass comprises a periodically decremented digital counter, the threshold being formed by a predetermined count. If the residual ripple exceeds the threshold, the counter is incremented; in parallel, the counter is decremented at periodic intervals. If the incrementing occurs sufficiently frequently, the counter reaches the predetermined counter reading and a malfunction of the capacitor can be determined.
  • Such an evaluation can advantageously be implemented by means of digital electronics.
  • a digital processing device in the context of the supply device can be produced inexpensively and functionally reliable and easy to integrate.
  • the defect detection is preferably faster than a cycle time of a system signal, such as a sensor signal, by the evaluation circuit of the security system.
  • the supply device further comprises a clock generator for synchronizing the AC voltage source with a consumer connectable to the supply voltage.
  • the consumer may be, for example, a system for controlling a safety-related function. Due to the possibility of synchronization, both time- and voltage-critical processes within the consumer can be controlled with improved precision.
  • Such an operation may include, for example, analog-to-digital conversion by means of a clocked sigma-delta converter.
  • the supply device may further comprise an analog-to-digital converter or, for example, a comparator for determining the voltage at the capacitor and a processing device for outputting a further error signal if the voltage determined by means of the converter falls below a predetermined threshold value.
  • an analog-to-digital converter or, for example, a comparator for determining the voltage at the capacitor
  • a processing device for outputting a further error signal if the voltage determined by means of the converter falls below a predetermined threshold value.
  • the described dynamic control of the capacitor can be assisted or verified by a determination of the absolute voltage across the capacitor. As a result, for example, a creeping capacity loss of the capacitor, such as by aging or a temperature effect, are detected.
  • the charging behavior of the capacitor during an initial charging phase of the capacitor can densators are used to allow a conclusion on the operability of the capacitor.
  • the analog-to-digital converter of the security system comprises a sigma-delta converter for evaluating the system signal, which is operated with a clock that is synchronous with the AC voltage.
  • impairments of the system signal e.g., a sensor signal
  • An inventive method for monitoring a capacitor for electrical power supply comprises steps of charging the capacitor to a predetermined DC voltage, supplying the capacitor with a predetermined AC voltage, determining a residual ripple of the AC voltage and outputting an error signal if the residual ripple exceeds a predetermined threshold.
  • portions of the method may be analog or digital, such that different combinations of analog and digital electronic components are available to implement the method.
  • the error signal is output only when the average residual ripple exceeds a predetermined threshold within a past period of time. In this way one can also take into account how much the residual ripple exceeds the predetermined threshold, and not only if and how often it does.
  • a computer program product comprises program code means for carrying out the method described, when the computer program product runs on a processing device or is stored on a computer-readable data carrier.
  • Figure 1 shows a system with a capacitor for power supply
  • Figure 2 shows voltage waveforms on the system of Figure 1 in error-free operation
  • Figure 3 shows voltage waveforms on the system of Figure 1 when a fault occurs
  • FIG. 4 shows a flow diagram of a method for monitoring the capacitor of FIG.
  • FIG. 1 shows a system 100 for monitoring a capacitor for supplying electrical energy.
  • the system includes a capacitor 105 and a number of other components that may be combined in an integrated circuit 110.
  • the system 100 is configured to provide electrical power to an electrical load 115, wherein the load 1 15 may be part of the integrated circuit 110.
  • the consumer 15 may in particular comprise part of a safety-relevant system which controls, for example on board a motor vehicle, an active safety system such as an airbag, a belt tensioner, an electronic stability program or a traction control.
  • the consumer 1 15 may comprise a micromechanical device for determining an acceleration or rate of rotation of the motor vehicle about one or more axes.
  • An external supply voltage 120 is supplied to a DC regulator 125 whose output is connected to the capacitor 105 to charge the capacitor 105 to a predetermined DC voltage.
  • the regulated DC voltage is also used for operating further components of the system 100, in particular within the integrated circuit 110.
  • the DC voltage regulator 125 has a blocking characteristic, so that the capacitor 105 can not be discharged in the direction of the supply voltage 120 when the supply voltage 120 drops below the voltage applied to the capacitor 105.
  • the system 100 further includes a pulse generator 130 whose output is connected to that of the DC regulator 125. An input of the pulse generator 130 is connected to a clock generator 135. In other embodiments, a combined, free-running AC generator may be used in place of the combination of pulse generator 130 and clock generator 135.
  • a peak of the pulses provided by the pulse generator 130 exceeds the DC voltage provided by the DC regulator 125.
  • the pulses generated by the pulse generator 130 are preferably limited. The pulses are superimposed on the DC voltage provided by the DC regulator 125 on the capacitor 105 and are smoothed by the capacitor 105 as long as it is operable and connected to the pulse generator 130.
  • a comparator 140 compares the voltage applied to the outputs of DC regulator 125 and pulse generator 130, respectively, with a predetermined threshold and outputs a signal at its output if the sampled voltage exceeds the threshold. This is always the case when the residual ripple of the sampled voltage is above a threshold, which may be determined for example by a comparison voltage.
  • the output of the comparator 140 is connected to a counter 145, which together with the clock generator 135 and an optional divider 150 a
  • High pass forms.
  • the high pass only passes input signals that are above a predetermined cutoff frequency. If the comparator 140 supplies a signal which indicates that the voltage applied to the DC voltage regulator 125 and the pulse generator 130 exceeds the predetermined threshold value with sufficient frequency, that is to say with a sufficiently high frequency, the high-pass filter provides a corresponding error signal at its output , The error signal may be provided to an output device 170 to the outside.
  • the version shown here is based on incrementing the counter 145, if it has been determined that the ripple is above the predetermined threshold and is periodically decremented based on the clock signal provided by the clock generator 135. Preferably, a decrementing below the count 0 is not provided. If the count of the counter 145 reaches a predetermined positive value, it outputs the error signal at its output. In another embodiment, the counter 145 may also be decremented and periodically incremented in the presence of the increased ripple and the error signal output when another predetermined count is reached, for example zero.
  • an analog-to-digital converter 160 is provided in order to detect the output voltage of the pulse generator 130 and of the DC voltage regulator 125 absolutely.
  • it is a sigma-delta converter operating at a clock provided by the clock generator 135. The conversion of the analog to digital converter 160 is thereby synchronized with the AC voltage provided by the pulse generator 130.
  • Another comparator 165 is arranged to compare the voltage determined by the converter 160 with a predetermined threshold and output an error signal if the sampled voltage is beyond the threshold.
  • the comparator 165 may be implemented digitally and in particular support a time-varying threshold, for example during an initial charging phase of the capacitor 105.
  • the output of the comparator 165 can be connected to that of the counter 145 or can be tapped separately therefrom.
  • FIG. 2 shows a diagram 200 with voltage curves on the system 100 of FIG. 1 in error-free operation. It is assumed that the capacitor 105 is connected to the DC regulator 125 and the pulse generator 130 and its electrical storage capability is sufficient for a supply of the system 100. A voltage is applied in a horizontal direction and a voltage in a vertical direction.
  • a capacitor voltage 205 is applied to the input of the comparator 140.
  • the threshold value 210 at which the comparator 140, the capacitor voltage 205th compares, is shown as a broken line.
  • a clock signal 215 provided by the clock generator 135 is also shown.
  • the capacitor voltage 205 breaks down briefly, since digital components operated by the capacitor voltage 205, such as, in particular, the load 15, have an increased power requirement in the case of isochronous switching over of internal states.
  • the capacitor voltage 205 regenerates quickly, however, and shoots only for a short time over a relatively constant value, which it occupies between the edges of the clock signal 215. In this case, the capacitor voltage 205 does not exceed the threshold value 210.
  • FIG. 3 shows a diagram 300, which corresponds to FIG. 2, but assuming a faulty electrical connection of the capacitor 105 at one of its connections.
  • a threshold 310 and a clock signal 315 correspond to the threshold 210 and the clock signal 215 in FIG. 2.
  • the output voltage 305 is the voltage provided by the DC regulator 125 and the pulse generator 130 at the input of the comparator 140.
  • the output voltage 305 breaks down at each rising or falling clock edge of the clock signal 315, the dips being significantly greater than when the capacitor 105 is connected.
  • the clock edges are triggered by the pulse generator 130, which superimposes a pulse in the example shown here.
  • the output voltage then regenerates relatively quickly, with the overshoot of the output voltage above the value between the clock edges being so strong that the output voltage temporarily exceeds the threshold value 305. In the exemplary representation of FIG. 3, this takes place at the falling edges of the clock signal 315.
  • FIG. 4 shows a flow diagram of a method 400 for monitoring the capacitor 105 from FIG. 1.
  • the method 400 can be set up in particular for execution on a microprocessor control.
  • the capacitor 105 is charged by the DC regulator 125 to a predetermined voltage. Simultaneously or subsequently, in a step 410, the capacitor 105 is supplied with a predetermined AC voltage.
  • the AC voltage may be generated by an AC generator or by the pulse generator 130 based on the clock signal provided by the clock generator 135.
  • a step 415 it is checked whether the output voltage 305 or the capacitor voltage 205 exceeds the predetermined threshold value 210, 310. If not, then method 400 may return to the beginning and go through again.
  • a moving average of a signal representative of the overshoot of the output voltage 305 above the threshold 310 may be determined.
  • This determination may be integrative, wherein both a frequency, and a duration, and a magnitude of the output voltage 305 exceeding the threshold 310 may be included in the determination.
  • a subsequent step 425 it is then checked whether the integrated or accumulated overshoots exceed a further threshold value. If this is not the case, then the method 400 can return to the beginning. Otherwise, an error signal is output in a step 430.
  • the counter 145 can be incremented. Not shown in FIG. 4, the counter 145 is periodically decremented, cf. FIG. 1
  • step 440 it is then determined whether the state of the counter 145 exceeds a predetermined count. If so, the error signal is output in step 430, otherwise the method 400 may return to the beginning.
  • a step 445 may be performed in which the output voltage 305 of the capacitor 105 is compared to another threshold. If the output voltage 305 is on the wrong side of the threshold, the error signal may be output in step 430.
  • the threshold value used for the comparison can be variable over time and in particular take into account an initial charging behavior of the capacitor 105 during the first passage of step 405.
  • Step 445 may also be performed independently of steps 405 through 440 and as often as desired.

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Abstract

Eine Einrichtung (110) zur Überwachung eines Kondensators (105) zur elektrischen Energieversorgung umfasst eine Gleichspannungsquelle (125) zur Aufladung eines mit der Einrichtung (110) verbindbaren Kondensators (105) auf eine vorbestimmte Spannung, eine Wechselspannungsquelle (130, 135) zur Versorgung des Kondensators (105) mit einer vorbestimmten Wechselspannung, eine Bestimmungseinrichtung (140) zur Bestimmung einer Restwelligkeit der Wechselspannung und eine Ausgabeeinrichtung (170) zur Ausgabe eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

Description

Beschreibung
Titel
ÜBERWACHUNG EINES KONDENSATORS ZUR ELEKTRISCHEN ENERGIEVERSORGUNG
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines
Kondensators zur elektrischen Energieversorgung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine auf einem Kondensator basierende, gesicherte Energieversorgung für ein sicherheitsrelevantes System. Stand der Technik
Ein sicherheitsrelevantes elektrisches System, beispielsweise ein Drehratenoder Beschleunigungssensor zur Steuerung eines aktiven Sicherheitssystems an Bord eines Kraftfahrzeugs, soll auch dann betriebsbereit sein, wenn eine draht- gebundene elektrische Energieversorgung gestört oder unterbrochen ist. Eine derartige Unterbrechung kann insbesondere während eines Ereignisses eintreten, während dessen das elektrische System seine primäre Aufgabe zu erfüllen hat. Beispielsweise kann ein Beschleunigungssensor im Fall eines Aufpralls des Kraftfahrzeugs eine auf das Kraftfahrzeug wirkende Beschleunigung abtasten, um ein Rückhaltesystem für einen Insassen differenziert aktivieren zu können.
Um ein Aussetzen des elektrischen Systems unter solchen Bedingungen zu vermeiden ist es üblich, im Bereich des Systems einen elektrischen Kondensator vorzusehen, der dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zwischenzuspeichern. Solange die externe Spannungsversorgung intakt ist, wird der Kondensator nachgeladen und das System wird aus dem Energievorrat des Kondensators betrieben. Ist die externe Spannungsversorgung kurzzeitig gestört, beispielsweise durch die Wirkung einer Beschleunigung auf eine Steckerverbindung des Systems mit dem Kraftfahrzeug, so kann die Steuereinrichtung Energie aus dem Kondensator entnehmen und so betriebsbereit bleiben. Um eine vorbestimmte Betriebsdauer des Systems sicher stellen zu können, kann der Kondensator nicht beliebig miniaturisiert werden. Er ist daher üblicherweise als separates, diskretes Bauelement außerhalb einer integrierten Schaltung realisiert. Eine elektrische Kontaktierung des Kondensators, insbesondere eine Lötverbindung, kann durch thermische oder mechanische Belastung schadhaft werden oder gar abreißen. Außerdem kann der Kondensator altern oder erwärmt werden und dadurch einen Teil seiner Kapazität verlieren. Ein solchermaßen nur eingeschränkt verwendbarer Kondensator kann während eines initialen Aufladevorgangs detektiert werden. Im laufenden Betrieb ist eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Kondensators jedoch so nicht möglich. Das System kann daher unbemerkt an einem schadhaften Kondensator betrieben werden, wodurch die Versorgungsspannung des Systems bereits während eines unkritischen Ereignisses, etwa einer Unterspannung im Bordnetz oder bei Einstreuung eines Störsignals, variieren kann. Sollte der Kondensator plötzlich temporär oder auf Dauer von seinen Kontakten abreißen, können ebenfalls Offset-Sprünge im Signal des Systems auftreten. Das System kann beispielsweise einen Analog- Digital-Wandler umfassen, der empfindlich auf eine geänderte Versorgungsspannung reagieren kann. Ist das System beispielsweise zur Steuerung eines Airbags vorgesehen, so kann aufgrund eines solchen Ereignisses eine irrtümliche Auslösung des Airbags erfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Energieversorgung auf der Basis eines Kondensators bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels einer Einrichtung und eines Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung umfasst eine Gleichspannungsquelle zur Aufladung des mit der Einrichtung verbindbaren Kondensators auf eine vorbestimmte Spannung, eine Wechselspannungsquelle zur Versorgung des Kondensators mit einer vorbestimmten Wechselspannung, eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Restwelligkeit der von der Wechselspannungsquelle bereitge- stellten Spannung sowie eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Die Wechselspannung, die der Gleichspannung am Kondensator überlagert ist, wird durch den Kondensator stark gedämpft, solange dieser funktionsfähig ist. Ist die Speicherfähigkeit des Kondensators beeinträchtigt, beispielsweise durch eine wenigstens zeitweise unterbrochene Verbindung des Kondensators mit der Einrichtung, so entfällt die Glättungswirkung des Kondensators und an den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle liegt eine Spannung an, deren Restwelligkeit oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegt. So kann die Speicherfähigkeit des Kondensators auch im laufenden Betrieb kontinuierlich überwacht und ein Fehlersignal generiert werden, bevor eine Fehlfunktion eines mit dem Kondensator verbindbaren Systems, beispielsweise eines Steuergeräts, eintritt. Eine unzureichende Versorgung des Systems, das beispielsweise einen Sensor umfassen kann, mit Energie kann dadurch erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Auch eine Spannungsschwankung an dem System, die zu einer Fehlfunktion des Systems führen kann, kann so erfasst werden. Das Fehlersignal kann zum Deaktivieren des Systems verwendet werden, um eine irrtümliche Auslösung eines mit dem System verbundenen Sicherheitssystems zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wechselspannungsquelle eine Strombegrenzung auf. Dadurch kann die Restwelligkeit der Wechselspannung sowohl bei angeschlossenem als auch bei nicht oder fehlerhaft angeschlossenem Kondensator verbessert steuerbar sein. Insbesondere kann eine Bestimmung der Speicherfähigkeit des Kondensators anhand der Restwelligkeit der Wechselspannung mit verbesserter Qualität durchführbar sein.
Die Versorgungseinrichtung kann einen Hochpass umfassen, der zwischen der Bestimmungseinrichtung und der Ausgabeeinrichtung angeordnet ist. Der Hochpass kann sicherstellen, dass ein sporadisches Übersteigen der Restwelligkeit über den Schwellenwert nicht sofort zur Ausgabe des Fehlersignals führt. Stattdessen kann das Fehlersignal erst dann ausgegeben werden, wenn die Restwelligkeit ausreichend häufig bzw. lange oberhalb des vorbestimmten Schwellen- werts liegt. Vorteilhafterweise können dadurch vorübergehende externe Einflüsse auf den Kondensator, beispielsweise durch elektrische oder elektromagnetische Störsignale, unterdrückt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Hochpass einen periodisch dekrementierten digitalen Zähler, wobei der Schwellenwert durch einen vorbestimmten Zählerstand gebildet ist. Übersteigt die Restwelligkeit den Schwellenwert, so wird der Zähler inkrementiert; parallel dazu wird der Zähler in periodischen Abständen dekrementiert. Geschieht das Inkrementieren ausreichend häufig, so erreicht der Zähler den vorbestimmten Zählerstand und eine Fehlfunktion des Kondensators kann bestimmt werden. Eine derartige Auswertung kann vorteilhaft mittels digitaler Elektronik implementiert werden. Eine digitale Verarbeitungseinrichtung im Rahmen der Versorgungseinrichtung kann kostengünstig und funktionssicher herstellbar und leicht integrierbar sein. Die Defekterkennung ist dabei vorzugsweise schneller als eine Durchlaufzeit eines Systemsignals, et- wa eines Sensorsignals, durch die Auswerteschaltung des Sicherheitssystems.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Versorgungseinrichtung ferner einen Taktgenerator zur Synchronisierung der Wechselspannungsquelle mit einem mit der Versorgungsspannung verbindbaren Verbraucher. Der Verbraucher kann beispielsweise ein System zum Steuern einer sicherheitsrelevanten Funktion sein. Durch die Möglichkeit der Synchronisierung können gleichermaßen zeit- wie spannungskritische Vorgänge innerhalb des Verbrauchers mit verbesserter Präzision steuerbar sein. Ein solcher Vorgang kann beispielsweise eine Analog- Digital-Wandlung mittels eines getakteten Sigma-Delta-Wandlers umfassen.
Die Versorgungseinrichtung kann ferner einen Analog-Digital-Wandler oder beispielsweise einen Komparator zur Bestimmung der Spannung am Kondensator und eine Verarbeitungseinrichtung zur Ausgabe eines weiteren Fehlersignals umfassen, falls die mittels des Wandlers bestimmte Spannung einen vorbe- stimmten Schwellenwert unterschreitet. Vorteilhafterweise kann die beschriebene dynamische Kontrolle des Kondensators durch eine Bestimmung der absoluten Spannung am Kondensator unterstützt bzw. verifiziert sein. Dadurch kann beispielsweise ein schleichender Kapazitätsverlust des Kondensators, etwa durch Alterung oder einen Temperatureffekt, erfasst werden. Außerdem kann das Auf- ladeverhalten des Kondensators während einer initialen Aufladephase des Kon- densators verwendet werden, um einen Rückschluss auf die Funktionsfähigkeit des Kondensators zu erlauben.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Analog-Digital-Wandler des Sicherheitssystems einen Sigma-Delta-Wandler zur Auswertung des System- Signals, der mit einem Takt betrieben wird, der synchron zur Wechselspannung ist. Dadurch können Beeinträchtigungen des Systemsignals (z.B. eines Sensorsignals) vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung umfasst Schritte des Aufladens des Kondensators auf eine vorbestimmte Gleichspannung, des Versorgens des Kondensators mit einer vorbestimmten Wechselspannung, des Bestimmens einer Restwelligkeit der Wechselspannung und des Ausgebens eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Teile des Verfahrens können alternativ analog oder digital durchgeführt werden, so dass unterschiedliche Kombinationen analoger und digitaler elektronischer Bauelemente zur Implementierung des Verfahrens zur Verfügung stehen.
In einer anderen Ausführungsform wird das Fehlersignal nur dann ausgegeben, wenn die durchschnittliche Restwelligkeit innerhalb eines zurückliegenden Zeitraums einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Auf diese Weise kann auch berücksichtigt werden, um wie viel die Restwelligkeit den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, und nicht nur ob bzw. wie häufig sie das tut.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen: Figur 1 ein System mit einem Kondensator zur Energieversorgung;
Figur 2 Spannungsverläufe am System von Figur 1 im fehlerfreien Betrieb;
Figur 3 Spannungsverläufe am System von Figur 1 bei Auftreten einer Störung, und
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung des Kondensators aus Figur 1 darstellt.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt ein System 100 zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung. Das System umfasst einen Kondensator 105 und eine Anzahl weiterer Bauteile, die in einer integrierten Schaltung 1 10 zusammenge- fasst sein können. Das System 100 ist dazu eingerichtet, einen elektrischen Verbraucher 115 mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei der Verbraucher 1 15 Teil der integrierten Schaltung 110 sein kann. Der Verbraucher 1 15 kann insbesondere Teil eines sicherheitsrelevanten Systems umfassen, das beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs ein aktives Sicherheitssystem wie einen Airbag, einen Gurtstraffer, ein elektronisches Stabilitätsprogramm oder eine Traktionskontrolle steuert. Insbesondere kann der Verbraucher 1 15 ein mikromechanisches Bauelement zur Bestimmung einer Beschleunigung oder einer Drehrate des Kraftfahrzeugs um eine oder mehrere Achsen umfassen.
Eine externe Versorgungsspannung 120 wird an einen Gleichspannungsregler 125 geleitet, dessen Ausgang mit dem Kondensator 105 verbunden ist, um den Kondensator 105 auf eine vorbestimmte Gleichspannung aufzuladen. Bevorzugterweise wird die geregelte Gleichspannung auch zum Betrieb weiterer Komponenten des Systems 100, insbesondere innerhalb der integrierten Schaltung 110, verwendet. Weiter bevorzugterweise hat der Gleichspannungsregler 125 eine Sperrcharakteristik, so dass der Kondensator 105 nicht in Richtung der Versorgungsspannung 120 entladen werden kann, wenn die Versorgungsspannung 120 die am Kondensator 105 anliegende Spannung unterschreitet. Das System 100 umfasst ferner einen Impulsgenerator 130, dessen Ausgang mit dem des Gleichspannungsreglers 125 verbunden ist. Ein Eingang des Impulsgenerators 130 ist mit einem Taktgenerator 135 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann auch ein kombinierter, frei laufender Wechselspannungsgenerator anstelle der Kombination aus Impulsgenerator 130 und Taktgenerator 135 verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform übersteigt ein Spitzenwert der durch den Impulsgenerator 130 bereitgestellten Impulse die durch den Gleichspannungsregler 125 bereitgestellte Gleichspannung. Die durch den Impulsgenerator 130 generierten Impulse sind bevorzugterweise ström begrenzt. Die Impulse sind der durch den Gleichspannungsregler 125 bereitgestellten Gleichspannung am Kondensator 105 überlagert und werden durch den Kondensator 105 geglättet, solange dieser funktionsfähig und mit dem Impulsgenerator 130 verbunden ist.
Ein Komparator 140 vergleicht die an den Ausgängen des Gleichspannungsreglers 125 bzw. des Impulsgenerators 130 anliegende Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert und gibt an seinem Ausgang ein Signal ab, falls die abgetastete Spannung den Schwellenwert übersteigt. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Restwelligkeit der abgetasteten Spannung oberhalb eines Schwellenwert liegt, der beispielsweise durch eine Vergleichsspannung bestimmt sein kann.
Der Ausgang des Komparators 140 ist mit einem Zähler 145 verbunden, der zu- sammen mit dem Taktgenerator 135 und einem optionalen Teiler 150 einen
Hochpass bildet. Der Hochpass lässt nur Eingangssignale passieren, die oberhalb einer vorbestimmten Grenzfrequenz liegen. Liefert der Komparator 140 mit ausreichender Häufigkeit, also mit ausreichend hoher Frequenz, ein Signal, das darauf hinweist, dass die am Gleichspannungsregler 125 und dem Impulsgenera- tor 130 anliegende Spannung den vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, so stellt der Hochpass an seinem Ausgang ein entsprechendes Fehlersignal bereit. Das Fehlersignal kann an einer Ausgabeeinrichtung 170 nach außen bereitgestellt sein.
Es sind unterschiedliche Varianten zum Aufbau des Hochpasses möglich. Die hier gezeigte Version basiert darauf, dass der Zähler 145 inkrementiert wird, wenn bestimmt wurde, dass die Restwelligkeit über dem vorbestimmten Schwellenwert liegt, und periodisch auf der Basis des durch den Taktgenerator 135 bereitgestellten Taktsignals dekrementiert wird. Vorzugsweise ist ein Dekrementie- ren unterhalb des Zählerstands 0 nicht vorgesehen. Erreicht der Zählerstand des Zählers 145 einen vorbestimmten positiven Wert, so gibt er an seinem Ausgang das Fehlersignal aus. In einer anderen Ausführungsform kann der Zähler 145 auch umgekehrt bei Vorliegen der erhöhten Restwelligkeit dekrementiert und periodisch inkrementiert werden, wobei das Fehlersignal ausgegeben wird, wenn ein anderer vorbestimmter Zählerstand erreicht ist, beispielsweise Null.
In einer weiteren, exemplarisch in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Analog-Digital-Wandler 160 vorgesehen, um die Ausgangsspannung des Impulsgenerators 130 und des Gleichspannungsreglers 125 absolut zu erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Sigma-Delta- Wandler, der mit einem Takt betrieben wird, der vom Taktgenerator 135 bereitgestellt ist. Die Wandlung des Analog-Digital-Wandlers 160 ist dadurch synchronisiert mit der durch den Impulsgenerator 130 bereitgestellten Wechselspannung.
Ein weiterer Komparator 165 ist dazu eingerichtet, die mittels des Wandlers 160 bestimmte Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und ein Fehlersignal auszugeben, falls die abgetastete Spannung jenseits des Schwellenwerts liegt. Der Komparator 165 kann digital implementiert sein und insbesondere einen zeitlich veränderlichen Schwellenwert, beispielsweise während einer initialen Aufladephase des Kondensators 105, unterstützen. Der Ausgang des Komparators 165 kann mit dem des Zählers 145 verbunden oder separat von diesem abgreifbar sein.
Figur 2 zeigt ein Diagramm 200 mit Spannungsverläufen am System 100 von Figur 1 in fehlerfreiem Betrieb. Dabei ist vorausgesetzt, dass der Kondensator 105 mit dem Gleichspannungsregler 125 und dem Impulsgenerator 130 verbunden und seine elektrische Speicherfähigkeit für eine Versorgung des Systems 100 ausreichend ist. In einer horizontalen Richtung ist eine Zeit und in einer vertikalen Richtung eine Spannung angetragen.
Eine Kondensatorspannung 205 liegt am Eingang des Komparators 140 an. Der Schwellenwert 210, mit dem der Komparator 140 die Kondensatorspannung 205 vergleicht, ist als unterbrochene Linie dargestellt. Qualitativ ist auch ein Taktsignal 215 dargestellt, das vom Taktgenerator 135 bereitgestellt ist.
Zu jeder steigenden oder fallenden Flanke des Taktgenerators 215 bricht die Kondensatorspannung 205 kurz ein, da durch die Kondensatorspannung 205 betriebene digitale Bauelemente, wie insbesondere der Verbraucher 1 15, beim taktsynchronen Umschalten interner Zustände einen erhöhten Strom bedarf aufweisen. Die Kondensatorspannung 205 regeneriert sich jedoch schnell wieder und schießt nur kurzfristig über einen relativ konstanten Wert, den sie zwischen den Flanken des Taktsignals 215 einnimmt. Dabei überschreitet die Kondensatorspannung 205 den Schwellenwert 210 nicht.
Figur 3 zeigt ein Diagramm 300, welches dem Figur 2 entspricht, wobei jedoch eine gestörte elektrische Verbindung des Kondensators 105 an einem seiner Anschlüsse angenommen ist. Ein Schwellenwert 310 und ein Taktsignal 315 entsprechen dem Schwellenwert 210 und dem Taktsignal 215 in Figur 2. Die Ausgangsspannung 305 ist diejenige Spannung, die durch den Gleichspannungsregler 125 und den Impulsgenerator 130 am Eingang des Komparators 140 bereitgestellt ist.
Ähnlich wie bei der Kondensatorspannung 205 in Figur 2 bricht die Ausgangsspannung 305 zu jeder steigenden oder fallenden Taktflanke des Taktsignals 315 ein, wobei die Einbrüche deutlich stärker als bei angeschlossenem Kondensator 105 sind. Die Taktflanken sind durch den Impulsgenerator 130 getriggert, der im hier dargestellten Beispiel einen Impuls überlagert. Die Ausgangsspannung regeneriert sich danach wieder relativ rasch, wobei das Überschießen der Ausgangsspannung über den zwischen den Taktflanken liegenden Wert so stark ist, dass die Ausgangsspannung zeitweilig den Schwellenwert 305 übersteigt. In der beispielhaften Darstellung von Figur 3 erfolgt dies zu den fallenden Flanken des Taktsignals 315.
Anhand des Übersteigens der Ausgangsspannung 305 über den Schwellenwert 310 kann detektiert werden, dass die Speicherfähigkeit des Kondensators 105 gestört ist. Insbesondere kann ein Verbindungsabriss einer elektrischen Verbin- dung des Kondensators 105 auf diese Weise erfasst werden. Wie oben beschrieben wurde, kann ein Signal, das auf die überschießende Ausgangsspan- nung 305 hinweist, hochpassgefiltert werden oder in einen gleitenden Durchschnitt einfließen, der mit einem weiteren Schwellenwert verglichen wird, um ein Fehlersignal bereitzustellen, das auf einem verlängerten Beobachtungszeitraum basiert.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Überwachung des Kondensators 105 aus Figur 1. Das Verfahren 400 kann insbesondere zum Ablauf auf einer Mikroprozessor-Steuerung eingerichtet sein.
In einem ersten Schritt 405 wird der Kondensator 105 mittels des Gleichspannungsreglers 125 auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen. Gleichzeitig oder anschließend wird in einem Schritt 410 der Kondensator 105 mit einer vorbestimmten Wechselspannung versorgt. Die Wechselspannung kann insbesondere durch einen Wechselspannungsgenerator oder durch den Impulsgenerator 130 auf der Basis des durch den Taktgenerator 135 bereitgestellten Taktsignals erzeugt werden.
In einem Schritt 415 wird überprüft, ob die Ausgangsspannung 305 bzw. die Kondensatorspannung 205 den vorbestimmten Schwellenwert 210, 310 übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so kann das Verfahren 400 zum Anfang zurückkehren und erneut durchlaufen.
Andernfalls kann in einem Schritt 420 ein gleitender Durchschnitt eines Signals bestimmt werden, das das Übersteigen der Ausgangsspannung 305 über den Schwellenwert 310 verkörpert. Diese Bestimmung kann integrativ sein, wobei sowohl eine Häufigkeit, als auch eine Zeitdauer und eine Höhe des Übersteigens der Ausgangsspannung 305 über den Schwellenwert 310 in die Bestimmung einfließen kann.
In einem nachfolgenden Schritt 425 wird dann überprüft, ob die integrierten bzw. aufsummierten Übersteigungen einen weiteren Schwellenwert übersteigen. Ist dies nicht der Fall, so kann das Verfahren 400 wieder zum Anfang zurückkehren. Andernfalls wird in einem Schritt 430 ein Fehlersignal ausgegeben. Alternativ oder zusätzlich zu den Schritten 420 und 425 kann in einem Schritt 435 der Zähler 145 inkrementiert werden. Nicht in Figur 4 dargestellt ist, dass der Zähler 145 periodisch dekrementiert wird, vgl. Figur 1.
In einem Schritt 440 wird dann bestimmt, ob der Stand des Zählers 145 einen vorbestimmten Zählerstand übersteigt. Ist dies der Fall, so wird im Schritt 430 das Fehlersignal ausgegeben, andernfalls kann das Verfahren 400 zum Anfang zurückkehren.
Optional kann zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Schritt 445 durchgeführt werden, in dem die Ausgangsspannung 305 des Kondensators 105 mit einem weiteren Schwellenwert verglichen wird. Liegt die Ausgangsspannung 305 auf der falschen Seite des Schwellenwerts, so kann das Fehlersignal im Schritt 430 ausgegeben werden. Dabei kann der zum Vergleich herangezogene Schwellenwert über die Zeit variabel sein und insbesondere ein initiales Aufladeverhalten des Kondensators 105 während des ersten Durchlaufens des Schritts 405 berücksichtigen. Der Schritt 445 kann auch unabhängig von den Schritten 405 bis 440 und beliebig oft bzw. beliebig häufig durchgeführt werden.

Claims

Einrichtung (1 10) zur Überwachung eines Kondensators zur elektrischen Energieversorgung, umfassend:
- eine Gleichspannungsquelle (125) zur Aufladung des mit der Einrichtung verbindbaren Kondensators (105) auf eine vorbestimmte Spannung; gekennzeichnet durch
- eine Wechselspannungsquelle (130, 135) zur Versorgung des Kondensators (105) mit einer vorbestimmten Wechselspannung;
- eine Bestimmungseinrichtung (140) zur Bestimmung einer Restwelligkeit der Wechselspannung, und
- eine Ausgabeeinrichtung (170) zur Ausgabe eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Versorgungseinrichtung (1 10) nach Anspruch 1 , wobei die Wechselspannungsquelle (130, 135) eine Strombegrenzung aufweist.
Versorgungseinrichtung (1 10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Hochpass (135, 145, 150), der zwischen der Bestimmungseinrichtung (140) und der Ausgabeeinrichtung (170) angeordnet ist.
Versorgungseinrichtung (1 10) nach Anspruch 3, wobei der Hochpass einen periodisch dekrementierten digitalen Zähler (145) umfasst und der Schwellenwert durch einen vorbestimmten Zählerstand gebildet ist.
Versorgungseinrichtung (1 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Taktgenerator (135) zur Synchronisierung der Wechselspannungsquelle (130, 135) mit einem mit der Versorgungseinrichtung (1 10) verbindbaren Verbraucher (1 15). 6. Versorgungseinrichtung (1 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Analog-Digital-Wandler (160) zur Bestimmung der Spannung am Kondensator (105) und eine Verarbeitungseinrichtung (165) zur Ausgabe eines weiteren Fehlersignals, falls die bestimmte Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Versorgungseinrichtung (1 10) nach Ansprüchen 5 und 6, wobei der Analog- Digital-Wandler (160) einen Sigma-Delta-Wandler umfasst, der mit einem Takt betrieben wird, der synchron zur Wechselspannung ist.
Verfahren (400) zur Überwachung eines Kondensators (105) zur elektrischen Energieversorgung, folgende Schritte umfassend:
- Aufladen (405) des Kondensators (105) auf eine vorbestimmte Gleichspannung;
- Versorgen (410) des Kondensators (105) mit einer vorbestimmten Wechselspannung;
- Bestimmen (415) einer Restwelligkeit der Wechselspannung, und
- Ausgeben (430) eines Fehlersignals, falls die Restwelligkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem Anspruch 8, wobei das Fehlersignal nur ausgegeben wird, wenn die durchschnittliche Restwelligkeit innerhalb eines zurückliegenden Zeitraums (420, 435) einen vorbestimmten Schwellenwert (425, 440) übersteigt.
0. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens (400) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung (110) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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