DE112013006191T5

DE112013006191T5 - Elektronisches Schloss einer mit einer verbesserten Hilfsenergiequelle ausgestatteten Kraftfahrzeugschließvorrichtung

Info

Publication number: DE112013006191T5
Application number: DE112013006191.0T
Authority: DE
Inventors: David Dente
Original assignee: Magna Closures Inc
Current assignee: Magna Closures Inc
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-09-10
Also published as: US10138656B2; US20150329009A1; CN108708636A; WO2014102283A3; WO2014102283A2; DE112013006192T5; CN105102745A; US20150330111A1; JP6527467B2; US20150330116A1; WO2014102282A1; WO2014102279A1; CN104956565A; JP6675874B2; US10378251B2; US10174527B2; CN108708636B; CN104968875B; JP2016503135A; CN104968875A

Abstract

Eine elektronische Schlossanordnung (1) für eine Schließvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeugs (3), mit einer Betätigergruppe (6'), die zum Steuern einer Betätigung der Schließvorrichtung (2) bedienbar ist, und einem Elektromotor (9), der zum Antreiben der Betätigergruppe (6') steuerbar ist und während einer Normalbetriebsbedingung von einer eine Hauptversorgungsspannung (Vbatt) bereitstellenden Hauptstromquelle (4) des Kraftfahrzeugs (3) versorgt wird, wobei die elektronische Schlossanordnung (1) eine Hilfsenergiequelle (20) und eine Steuereinheit (21) aufweist, die die Hilfsenergiequelle (20) steuert, um den Elektromotor (9) während einer Fehlerbetriebsbedingung zu versorgen. Die Hilfsenergiequelle (20) weist eine Superkondensatorgruppe (22) auf, die Energie während der Normalbetriebsbedingung speichert und während der Fehlerbetriebsbedingung eine Hilfsversorgungsspannung (Vsc) bereitstellt, um den Elektromotor (9) zu versorgen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Schloss (gemeinhin als e-Schloss bekannt) einer mit einer verbesserten Hilfsenergiequelle ausgestatteten Kraftfahrzeugschließvorrichtung.
Hintergrund
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorrang der Anmeldedaten der italienischen Patentanmeldung TO2012A001143 , der italienischen Patentanmeldung TO2012A001144 und der italienischen Patentanmeldung TO2012A001145 , die am 24. Dezember 2012 eingereicht wurden, und der US-Patentanmeldung 61/748,262, der US-Patentanmeldung 61/748,274 und der US-Patentanmeldung 61/748,286, die am 02. Januar 2013 eingereicht wurden, und nimmt Bezug auf jede dieser Anmeldungen und nimmt durch Bezugnahme den vollständigen Inhalt jeder dieser Anmeldungen hierin auf.
In der folgenden Beschreibung und den begleitenden Ansprüchen wird der Ausdruck „Schließvorrichtung” verwendet, um allgemein jedes Element zu bezeichnen, das zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist und einen Zugang zu einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs öffnet bzw. verschließt, und somit einen Gepäckraum, eine Rückklappe, eine Motorhaubenklappe oder andere geschlossene Räume, Fensterheber, Schiebedächer einschließt, zusätzlich zu den Seitentüren eines Kraftfahrzeugs, auf die die folgende Beschreibung rein beispielhaft explizit Bezug nehmen wird.
Es ist bekannt, dass in Kraftfahrzeugen elektrische Schlösser vorgesehen sind, bspw. zur Steuerung des Öffnens und Schließens der Seitentüren.
Ein elektrisches Türschloss weist in der Regel eine Drehfalle auf, die bezüglich eines an einem Türpfosten befestigten Schließbolzens selektiv rotierbar ist, um die Tür einzuklinken bzw. zu verriegeln und auszuklinken bzw. zu entriegeln. Das elektrische Türschloss weist eine Sperrklinke auf, die selektiv mit der Drehfalle eingreift, um die Drehfalle am Rotieren zu hindern. Das elektrische Schloss weist einen Elektromotor auf, der mit einer Hauptstromversorgung des Fahrzeugs (bspw. der 12-V-Batterie desselben Fahrzeugs) elektrisch verbunden ist, um die Sperrklinke mittels eines elektrisch betriebenen Betätigungsglieds bzw. Stellantriebs direkt oder indirekt anzutreiben.
Wie bekannt ist, betrifft ein verbreitetes Problem von elektrischen Schlössern das Steuern des Öffnens und Schließens der Türen selbst im Falle eines Versagens der Hauptstromversorgung des Fahrzeugs oder im Falle von Unterbrechungen oder einem Abbruch der elektrischen Verbindung zwischen der Hauptstromversorgung und dem Elektromotor in dem Schloss, wie es auch von Sicherheitsvorschriften vorgeschrieben ist; diese Art von Situation kann zum Beispiel im Fall eines Zusammenstoßes oder eines Unfalls auftreten, an dem das Fahrzeug beteiligt ist.
Eine mögliche Lösung dieses Problems sieht die Verwendung eines mechanischen Freigabemechanismus in dem Schloss vor, der als mechanische Sicherung des elektrisch betätigten Seitentürschlosses dient.
Jedoch zieht das Vorhandensein eines redundanten mechanischen Mechanismus eine größere Flächeninanspruchnahme und ein höheres Gewicht und zusätzliche Kosten nach sich und stellt eine weitere Einschränkung bei der Gestaltung der Tür dar.
Deshalb wurde die Verwendung einer Hilfsenergiequelle für das elektrische Schloss vorgeschlagen, um im Falle eines Versagens oder einer Unterbrechung der Fahrzeughauptstromversorgung den Elektromotor des Schlosses mit elektrischer Energie zu versorgen.
Diese Hilfsenergiequelle wird während eines Normalbetriebs durch die Hauptstromversorgung üblicherweise in einem geladenen Zustand gehalten, um ohne weiteres bereitzustehen, sobald sich die Notwendigkeit ergibt, zum Beispiel im Falle eines Zusammenstoßes oder Unfalls.
Die Gestaltung einer Hilfsenergiequelle und der betreffenden elektronischen Schaltkreise für die elektrische Schlossanordnung hat sich jedoch als eine schwierige Aufgabe erwiesen, zum Beispiel aufgrund von Größenanforderungen, genauso wie sich ein Erfüllen der gewünschten elektrischen Leistungsfähigkeit als schwierig erwiesen hat, zum Beispiel was Energiedichte oder Stromabgabe anbelangt, insbesondere unter Fahrzeugbetriebsbedingungen.
Diesbezüglich offenbart die EP 0 694 664 A1 eine Hilfsenergiequelle für ein Türschloss, die dazu ausgelegt ist, das Schloss während Notfallsituationen mit Strom zu versorgen, und die eine Hilfsbatterie vorsieht, die innerhalb der Tür angeordnet ist, in der das Schloss angeordnet ist.
Eine weitere bekannte Lösung, die in der DE 201 21 915 U1 diskutiert wird, offenbart die Verwendung einer Kondensatorgruppe als eine Hilfsstromquelle für ein Fahrzeugtürschloss. Die Kondensatorgruppe ist mit einer Schaltplatine gekoppelt und mit der Schließvorrichtung fremdverbunden. Die Kondensatorgruppe weist eine Unmenge von Kondensatoren des Hochspannungstyps auf (die bis zu 14 V aushalten), die in Reihe oder parallel verbunden sind und dadurch eine erheblichen Platzbedarf auf der Schaltplatine beansprucht; darüber hinaus benötigt solch eine Lösung im allgemeinen eine weitere Hilfsenergiequelle, da die Superkondensatorgruppe nur in der Lage ist, für eine begrenzte Zeit Strom zu liefern. Mit anderen Worten kann die Kondensatorgruppe nicht imstande sein, eine ausreichende und unabhängige Hilfsenergiequelle für das Fahrzeugschloss zu garantieren.
Daher wird auf dem Gebiet ein Bedarf für eine optimierte und zuverlässige Hilfsenergiequelle für ein elektrisches Schloss in einem Kraftfahrzeug gesehen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel gewisser Aspekte der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Schloss mit einer Hilfsstromquelle bereitzustellen, die dazu ausgelegt ist, den voranstehend genannten Bedarf zu erfüllen.
Dieses Ziel kann durch ein elektronisches Schloss, wie es in den angehängten Ansprüchen definiert ist, erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform bestimmter Aspekte der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Schließvorrichtung und einer betreffenden e-Schlossanordnung ist,
2 ein allgemeines Blockschaltbild eines elektronischen Steuerschaltkreises der e-Schlossanordnung der 1 ist,
3 ein Schaltplan des elektronischen Steuerschaltkreises der 2 ist,
4 und 5 Ablaufdiagramme von Vorgängen zeigen, die durch ein Diagnosemodul der Hilfsenergiequelle der 1 ausgeführt werden,
6 ein Schaubild eines elektrischen Signals in dem elektronischen Steuerschaltkreis der 2 ist,
7a bis 7c Schaubilder von Kapazitätsgrößen in dem elektronischen Steuerschaltkreis der 2 bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zeigen, und
8 einen Ablaufplan von weiteren Vorgängen zeigt, die durch das Diagnosemodul der Hilfsenergiequelle der 1 ausgeführt werden.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Das Bezugszeichen 1 in der 1 bezeichnet als ein Ganzes eine elektronische Schlossanordnung (im folgenden e-Schlossanordnung 1), die mit einer Seitentür 2 eines Kraftfahrzeugs 3 verbunden ist (es ist jedoch erneut zu unterstreichen, dass die e-Schlossanordnung 1 in gleicher Weise mit jeglicher Art von Schließvorrichtung des Kraftfahrzeugs 3 verbunden sein kann).
Die e-Schlossanordnung 1 ist mit einer Hauptenergiequelle 4 des Kraftfahrzeugs 3, zum Beispiel einer eine Batteriespannung V_batt von 12 V bereitstellenden Hauptbatterie, über ein elektrisches Verbindungselement 5, zum Beispiel ein Stromkabel, elektrisch verbunden (die Hauptstromquelle 4 kann gleichermaßen eine andere Quelle elektrischer Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs 3 umfassen, bspw. eine Lichtmaschine).
Die e-Schlossanordnung umfasst eine Betätigungsgruppe 6 mit einem Elektromotor, der zum Steuern einer Betätigung der Tür 2 (oder allgemein der Fahrzeugschließvorrichtung) betreibbar ist.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform weist die Betätigungsgruppe 6' eine Drehfalle 6 auf, die wahlweise zum Eingriff eines Schließbolzens 7 (der an dem Fahrzeugaufbau des Kraftfahrzeugs in einer nicht im Detail gezeigten Weise befestigt ist, zum Beispiel an der sogenannten „A-Säule” oder der „B-Säule”) rotierbar ist. Wenn die Drehfalle 6 in eine Einklinkstellung bezüglich des Schließbolzens 7 rotiert wird, ist die Seitentür 2 in einem geschlossenen Betriebszustand. Eine durch einen Elektromotor 9 zur Bewegung zwischen einer Eingriffsstellung und einer Nicht-Eingriffsstellung angetriebene Sperrklinke 8 greift wahlweise in die Drehfalle 6 ein, um sie am Rotieren zu hindern.
Die e-Schlossanordnung 1 weist des weiteren einen elektronischen Steuerschaltkreis 10 auf, der zum Beispiel einen Mikrokontroller oder eine andere bekannte Recheneinheit aufweist, die zweckmäßigerweise in einem gleichen Gehäuse oder Behälter 11 (schematisch gezeigt) mit der Betätigungsgruppe 6' der e-Schlossanordnung 1 eingebettet und angeordnet sein kann, und dadurch eine integrierte kompakte und einfach zusammenzubauende Einheit bereitstellt.
Der elektronische Steuerschaltkreis 10 ist mit dem Elektromotor 9 gekoppelt und stellt diesem Antriebssignale S_d bereit, wie im folgenden genauer gezeigt wird.
Der elektronische Steuerschaltkreis 10 ist über einen Daten-Bus 14 elektrisch mit einer Fahrzeughauptverwaltungseinheit 12 (auch als Haupt-ECU oder „Bordcomputer” bekannt) verbunden, die dazu konfiguriert ist, einen allgemeinen Betrieb des Kraftfahrzeugs 3 zu steuern, um Signale, Daten, Befehle und/oder Informationen auszutauschen.
Wie auch in 2 gezeigt, ist der elektronische Steuerschaltkreis 10 darüber hinaus (direkt und/oder indirekt über die Fahrzeughauptverwaltungseinheit 12) mit mehreren verschiedenen Sensoren 15 (schematisch gezeigt) des Kraftfahrzeugs 3 verbunden, wie zum Beispiel Griff-Abfragesensoren 15a (die die Betätigung von äußeren und/oder inneren Griffen 16 abfragen), Unfall- bzw. Aufprallsensoren 15b, Schließschaltersensoren 15 und dergleichen; zweckmäßigerweise empfängt der elektronische Steuerschaltkreis 10 auch Rückmeldeinformationen über die Schlossbetätigung von Positionssensoren 15d, wie zum Beispiel Hall-Sensoren, die zum Detektieren der Betriebsstellung von zum Beispiel der Drehfalle 6 und/oder der Sperrklinke 8 konfiguriert sind.
Der elektronische Steuerschaltkreis 10 ist auch mit der Hauptstromquelle 4 des Kraftfahrzeugs 3 verbunden, um die Batteriespannung V_batt zu empfangen; der elektronische Steuerschaltkreis 10 ist deshalb imstande, zu überprüfen, ob der Wert der Batteriespannung V_batt unter einen vorbestimmten Schwellwert abfällt bzw. abnimmt, um sofort zu bestimmen, ob eine Notfallbedingung (in der eine Hilfsenergiequelle benötigt sein könnte) eintritt.
Wie in dem schematischen Blockschaltbild der 2 gezeigt, weist der elektronische Steuerschaltkreis 10 eine eingebettete und integrierte Hilfsenergiequelle 20 auf, die dazu konfiguriert ist, die Betätigungsgruppe 6' und den Schloss-Elektromotor 9 und denselben elektronischen Steuerschaltkreis 10 im Falle eines Versagens oder einer Unterbrechung der Hauptstromversorgung von der Hauptenergiequelle 4 des Kraftfahrzeugs 3 mit elektrischer Energie zu versorgen.
Genauer weist der elektronische Steuerschaltkreis 10 eine Steuereinheit 21 auf, die zum Beispiel mit einem Mikrokontroller, einem Mikroprozessor oder einem analogen Berechnungsmodul 21a ausgestattet ist und die mit der Hilfsenergiequelle 20 und der Betätigungsgruppe 6' der e-Schlossanordnung 1 verbunden ist, um deren Betrieb zu steuern.
Die Steuereinheit 21 weist einen eingebauten Speicher 21b auf, zum Beispiel einen nichtflüchtigen Schreib-Lese-Speicher (Random Access Memory), der mit dem Berechnungsmodul 21a verbunden ist und geeignete Programme und Berechnungsanweisungen (zum Beispiel in Form einer Firmware) speichert. Es ist zu erkennen, dass die Steuereinheit 21 alternativ einen logischen Schaltkreis diskreter Komponenten umfassen kann, um die Funktionen des Berechnungsmoduls 21a und des Speichers 21b auszuführen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lösung weist die Hilfsenergiequelle 20 eine Gruppe von Niederspannungssuperkondensatoren 22 (nachfolgend Superkondensatorgruppe 22) als eine Energieversorgungseinheit (oder Energiereservoir) auf, um die e-Schlossanordnung 1 sogar im Falle von Stromversagen mit einem Hilfsstrom zu versorgen. Superkondensatoren können elektrolytische Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren oder eine Kombination davon umfassen.
Superkondensatoren stellen vorteilhafterweise eine hohe Energiedichte und eine hohe Ausgangsstromfähigkeit bereit und weisen keine Gedächtniseffekte auf. Darüber hinaus haben Superkondensatoren eine geringe Größe und sind einfach zu integrieren, sie haben einen erweiterten Temperaturbereich, eine lange Lebensdauer und können eine sehr hohe Anzahl von Ladezyklen aushalten. Superkondensatoren sind nicht giftig und ziehen keine Explosions- oder Feuerrisiken nach sich, wodurch sie sich für gefährliche Bedingungen eignen, wie beispielsweise für Fahrzeuganwendungen.
Wie in 3 gezeigt, kann die Superkondensatorgruppe 22 gemäß einer möglichen Ausführungsform zwei Superkondensatorzellen 23a, 23b aufweisen, die zwischen einem ersten Knoten 22a und einem zweiten Knoten 22b in Reihe geschaltet sind (zum Beispiel mit einer Referenzgrundspannung verbunden sind) und einen Zwischenknoten 22c definieren, wobei jede Zelle, wenn sie geladen ist, ein Spannungsniveau von zum Beispiel 2,5 V bis 2,7 V bereitstellt, um an dem ersten Knoten 22a gemeinsam eine Superkondensatorspannung V_sc in einer Größenordnung von bspw. 3 V bis 5 V bereitzustellen, die in Notfallsituationen als eine Hilfsstromversorgung verwendet werden kann, wenn die Energie aus der Hauptstromquelle 4 des Kraftfahrzeugs 3 nicht verfügbar ist. Die Superkondensatorzellen 23a, 23b sind deshalb vom Niederspannungstyp und weisen auch eine hohe Kapazität auf, zum Beispiel in der Größenordnung von 16 F bis 20 F, zum Beispiel 18 F.
Wie nachfolgend noch genauer besprochen wird, weist die Hilfsenergiequelle 20 des weiteren ein Lademodul 24, ein Ausgleichsmodul 25 und ein Verstärkungsmodul 26 auf.
Das Lademodul 24 ist mit der Superkondensatorgruppe 22 elektrisch verbunden und dazu konfiguriert, ausgehend von der Batteriespannung V_batt, wenn Strom von der Hauptstromquelle 4 verfügbar ist, die Superkondensatorgruppe 22 wieder aufzuladen, so dass die Superkondensatorgruppe 22 für Notfallsituationen einen vollen Energiespeicher anbieten kann und jegliche Verlustströme kompensiert werden.
Das Ausgleichsmodul 25 ist mit der Superkondensatorgruppe 22 elektrisch verbunden und dazu konfiguriert, sicherzustellen, dass beide Superkondensatorzellen 23a, 23b einen gewünschten Zellenspannungswert aufweisen, insbesondere einen gleichen Zellenspannungswert während des Betriebs (um eine ausgeglichene Betriebsbedingung zu erzielen). Das Ausgleichsmodul 25 verhindert auch, dass die Superkondensatorzellen 23a, 23b eine über einem maximal gewünschten Zellenspannungsniveau liegende Zellenspannung aufweisen, was die Superkondensatoren gegen ein Überladen schützt.
Das Verstärkungsmodul 26 empfängt an seinem Eingang die durch die Superkondensatorgruppe 22 erzeugte Superkondensatorspannung V_sc und ist dazu konfiguriert, ihren Wert auf Standardfahrzeugspannungen (zum Beispiel 9 V bis 16 V) zu verstärken, das heißt zu erhöhen, und genug Ausgangsstromleistungsfähigkeit zum Antreiben von Standardfahrzeugelektromotoren, wie beispielsweise des Elektromotors 9 der e-Schlossanordnung 1, bereitzustellen. Tatsächlich kann die Superkondensatorspannung V_sc zu gering sein, um eine effiziente Hilfsenergiequelle zum direkten Antreiben des Elektromotors 9 in Notfallsituationen bereitzustellen, wie bei verlorener oder ungenügender Stromversorgung von der Hauptstromquelle 4 des Kraftfahrzeugs 3.
Das Verstärkungsmodul 26 stellt deshalb an seinem Ausgang (der auch der Ausgang der Hilfsenergiequelle 20 ist) eine verstärkte Spannung V_boost als eine Funktion der Superkondensatorspannung V_sc bereit. Die verstärkte Spannung V_boost wird dann von einem Ausgabemodul des elektronischen Steuerschaltkreises 10 empfangen, das zum Beispiel ein integriertes H-Brücken-Modul 27 einschließt, dessen Ausgabe den Elektromotor 9 der e-Schlossanordnung 1 antreibt.
Die Hilfsenergiequelle 20 weist des weiteren ein Diagnosemodul 28 auf, das mit der Superkondensatorgruppe 22 wirkverbunden und dazu ausgelegt ist, den Lebenszustand der Superkondensatoren während des Ladevorgangs und basierend auf demselben Ladevorgang durch Messen ihrer Spannungswerte, Kapazitätswerte und internen Äquivalenzwiderstände (DCR – Gleichstromwiderstand) zu überwachen, wie wieder nachstehend beschrieben werden wird.
Ein Temperaturfühler 29 ist dazu konfiguriert, die Betriebstemperatur der Superkondensatorgruppe 22 zu überwachen, und ist mit dem Diagnosemodul 28 gekoppelt, um die gemessene Temperaturinformation bereitzustellen; zum Beispiel kann der Temperaturfühler 29 einen in der Nähe der Superkondensatorgruppe 22 angeordneten NTK(Negativer Temperatur-Koeffizient)-Widerstand aufweisen.
Das Diagnosemodul 28 ist mit der Steuereinheit 21 wirkverbunden, um dieser die Diagnoseinformation bereitzustellen, zum Beispiel einschließlich des Werts der Superkondensatorspannung V. In einer nicht dargestellten möglichen Ausführungsform kann das Diagnosemodul 28 als eine Diagnoseroutine in der Steuereinheit 21 implementiert sein, die durch den Mikroprozessor oder Mikrokontroller der Steuereinheit 21 ausgeführt wird.
Genauer, und wie in dem schematischen Schaltplan der 3 gezeigt, weist das Lademodul 24 der Hilfsenergiequelle 20 einen ersten Eingang 24a auf, der dazu ausgelegt ist, eine Antriebsspannung V_dr zu empfangen, deren Wert dem höheren Wert von der verstärkten Spannung V_boost und der Batteriespannung V_batt entspricht; insbesondere ist die Antriebsspannung V_dr gleich der Batteriespannung V_batt während des Normalbetriebs der e-Schlossanordnung 1 zum Laden der Superkondensatorgruppe 22 und ist gleich dem Wert der verstärkten Spannung V_boost von dem Verstärkungsmodul 26 während Notfall- oder Fehlersituationen.
Das Lademodul 24 weist auch einen zweiten Eingang 24b auf, der dazu ausgelegt ist, ein Ladeaktivierungssignal En_ch von der Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 zu empfangen, das ein digitales Signal ist, dessen Wert die von derselben Steuereinheit 21 bestimmte Anforderung anzeigt, das Laden der Superkondensatorgruppe 22 zu aktivieren oder zu stoppen.
Das Lademodul 24 weist einen Leistungsschalter 24c und einen Leistungswiderstand 24d auf.
Der Leistungsschalter 24c, zum Beispiel ein Festkörperschalter wie ein MOSFET-Schalter, ist zwischen den ersten Eingang 24a und den Leistungswiderstand 24d geschaltet und weist ein mit dem zweiten Eingang 24b gekoppeltes Steuerterminal auf, wodurch er das Ladeaktivierungssignal En_ch empfängt.
Der Leistungswiderstand 24d ist zwischen den Leistungsschalter 24c und den ersten Knoten 22a der Superkondensatorgruppe 22 geschaltet.
Bei Aktivierung durch das Ladeaktivierungssignal En_ch über den Leistungsschalter 24c erfolgt das Laden der Superkondensatorgruppe 22 mit der Batteriespannung V_batt durch den Leistungswiderstand 24d.
Insbesondere kann die Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 während des Ladens der Superkondensatorgruppe 22 ein PWM(pulsweitenmoduliertes)-Ladeaktivierungssignal En_ch erzeugen, wodurch in schneller Abfolge die Superkondensatorgruppe 22 mit der Batteriespannung V_batt verbunden bzw. getrennt wird.
Wie bereits angedeutet kann das Laden der Superkondensatorgruppe 22 ein fortlaufender Vorgang sein, solange die Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 einen Wert der Batteriespannung V_batt erkennt, der größer als eine voreingestellte Schwelle ist, die ein sich auf die Hauptstromquelle 4 auswirkendes mögliches Versagen anzeigt.
Das Ausgleichsmodul 25 weist in einer möglichen passiven Ausführungsform einen ersten und einen zweiten Ausgleichswiderstand 25a, 25b mit einem gleichen Widerstandswert auf. Der erste Ausgleichswiderstand 25a ist über die Zwischenschaltung eines ersten Ausgleichsschalters 25c zwischen den Zwischenknoten 22c und den ersten Knoten 22a der Superkondensatorgruppe 22 geschaltet, wodurch er wahlweise parallel mit der ersten Superkondensatorzelle 23a verbindbar ist, wobei der zweite Ausgleichswiderstand 25b über die Zwischenschaltung eines zweiten Ausgleichsschalters 25d zwischen den Zwischenknoten 22c und den zweiten Knoten 22b der Superkondensatorgruppe 22 geschaltet ist, wodurch er wahlweise parallel mit der zweiten Superkondensatorzelle 23b verbindbar ist.
Der erste und der zweite Ausgleichsschalter 25c, 25d sind Festkörperschalter, die zum Beispiel einen jeweiligen MOSFET-Transistor aufweisen, die beide durch ein Ausgleichsaktivierungssignal EN_eq gesteuert werden, das von der Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 an einem Steuerungseingang 25e des Ausgleichsmoduls 25 empfangen wird.
Insbesondere steuert des Ausgleichsaktivierungssignal EN_eq den ersten und den zweiten Ausgleichsschalter 25c, 25d, um den Ausgleichsvorgang zu aktivieren oder zu beenden, um in der Superkondensatorgruppe 22 gespeicherte Energie zu sparen, wenn dieselbe Superkondensatorgruppe 22 nicht als eine Hilfsenergiequelle benutzt wird.
Das Verstärkungsmodul 26 ist gemäß einer möglichen Ausführungsform durch einen PWM-Verstärkungswandler (oder DC/DC-Aufwärtswandler) implementiert und weist einen Aktivierungsschalter 26a auf, zum Beispiel einen MOSFET-Festkörperschalter, der zwischen den ersten Knoten 22a der Superkondensatorgruppe 22, und somit die Superkondensatorspannung V_sc empfangend, und einen ersten Zwischenknoten 26b geschaltet ist.
Ein Speicherkondensator 26b' ist mit dem ersten Zwischenknoten 26b verbunden und wird auf die Superkondensatorspannung V_sc geladen, wenn der Aktivierungsschalter 26a geschlossen ist, was an demselben Zwischenknoten 26b ein Selbsteinschaltsignal S_ON definiert, das einen Hochspannungswert aufweist.
Der Aktivierungsschalter 26a weist ein Steuerterminal auf, das ein von der Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 ausgehendes Verstärkungsdeaktivierungssignal boost_OFF empfängt; während des Normalbetriebs, wenn die Hauptstromquelle 4 verfügbar ist, deaktiviert das Verstärkungsdeaktivierungssignal boost_OFF den PWM-Verstärkungswandler und behält den AUS-Zustand bei, da die erkannte Batteriespannung V_batt nicht kritisch ist.
Das Steuerterminal des Aktivierungsschalter 26a empfängt auch ein Verstärkungsaktivierungssignal boost_ON, dessen Wert durch äußere Anwendermaßnahmen bestimmt ist (das heißt, es wird nicht durch die Steuereinheit 21 in dem elektronischen Steuerschaltkreis 10 erzeugt), und das Einschaltsignal S_ON.
Nachdem das Verstärkungsmodul 26 aktiviert wurde, wird es selbständig in einem AN-Zustand gehalten, insbesondere durch den hohen Wert des Einschaltsignals S_ON, bis es durch die Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 ausgeschaltet wird, wenn die Hilfsenergie nicht mehr benötigt wird oder Energie in der Superkondensatorgruppe 22 gespeichert werden soll.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform schaltet das Verstärkungsaktivierungssignal boost_ON in den AN-Zustand, wodurch der PWM-Verstärkungswandler aktiviert wird, sobald die Griff-Abfragesensoren 15a eine Auslösung der inneren oder äußeren Griffe 16 einer Seitentür 2 des Kraftfahrzeugs 3 durch den Benutzer erkennen; während einer Notfallsituation, wenn es einen Fehler in der Hauptstromquelle 4 gibt, ist die Hilfsenergiequelle 20 deshalb sofort verfügbar, um die e-Schlossanordnung 1 zu versorgen.
Insbesondere weist das Verstärkungsmodul 26 folgendes auf: ein zwischen den ersten Zwischenknoten 26b und einen zweiten Zwischenknoten geschaltetes Verstärkungsinduktionselement 26c, einen zwischen den zweiten Zwischenknoten 26d und das Bodenbezugspotential geschalteten und ein Steuerterminal aufweisenden Verstärkungsschalter 26e, zum Beispiel einen Festkörperschalter wie ein MOSFET-Schalter, und ein zwischen den zweiten Zwischenknoten 26d und einen Ausgangsknoten 26g (der auch ein Ausgangsterminal OUT für die gesamte Hilfsenergiequelle 20 darstellt) geschaltetes Verstärkungsdiodenelement 26f, an dem die verstärkte Spannung V_boost wahlweise bereitgestellt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lösung weist das Verstärkungsmodul 26 des weiteren eine interne Steuerung 26h auf, insbesondere eine PWM-Steuerung, die dazu konfiguriert ist, dem Steuerterminal des Verstärkungsschalters 26e ein PWM-Steuerungssignal bereitzustellen, um dessen Verstärkungsbetrieb zu steuern (in einer an sich bekannten Art und Weise, die hier nicht im Detail besprochen wird).
Die interne Steuerung 26h ist mit dem ersten Zwischenknoten verbunden, um die Superkondensatorspannung V_sc zu empfangen, und ist imstande, selbständig die Verstärkungsein- und -ausschaltung zu verwalten, und ermöglicht dadurch, die Hilfsenergiequelle 20, selbst ohne eine weitere Maßnahme der Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10, freizuschalten bzw. zu aktivieren.
Ein Rückmeldungs- bzw. Feedbackschalter 26i ist zwischen den Ausgangsknoten 26g und die interne Steuerung 26h geschaltet, um eine Rückmeldung des Wertes der verstärkten Spannung V_boost bereitzustellen.
Das Steuerterminal des Rückmeldungsschalters 26i ist auch mit dem ersten Zwischenknoten 26b verbunden, um das Einschaltsignal S_ON zu empfangen, wenn der Aktivierungsschalter 26a geschlossen wird.
Beim Schalten in den geschlossenen Zustand durch die Superkondensatorspannung V_sc wird ein Rückmeldepfad definiert, um durch die interne Steuerung 26h eine Spannungsregulierung in einer geschlossenen Schleife zu ermöglichen (ein nicht dargestellter und über einen Trennwiderstand implementierter Spannungsteiler kann vorhanden sein, um die Spannungsrückmeldung von der verstärkten Spannung V_boost bereitzustellen).
Der Rückmeldungsschalter 26i kehrt in den offenen Zustand zurück, sobald das Verstärkungsmodul ausgeschaltet wird, um den Stromverbrauch über dem Rückmeldepfad zu reduzieren, der tatsächlich unterbrochen wird.
Das Verstärkungsmodul 26 weist des weiteren eine Auswahldiode 26j auf, deren Kathodenanschluss bzw. -terminal mit dem Ausgangsknoten 26g verbunden ist und deren Anodenanschluss bzw. -terminal die Batteriespannung V_batt empfängt.
Dementsprechend wird an dem Ausgangs- bzw. Ausgabeterminal OUT der Hilfsenergiequelle 20 der höchste Wert von der Batteriespannung V_batt und der verstärkten Spannung V_boost als die Antriebsspannung V_dr bereitgestellt, die dann den Elektromotor 9 der e-Schlossanordnung 1 antreibt (und auch die Superkondensatorgruppe 22 lädt).
Der Betrieb des Diagnosemoduls 28 der Hilfsenergiequelle 20 wird nun ausführlicher besprochen.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann das Diagnosemodul 28 in der Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10 als eine von dem Mikroprozessor oder Mikrokontroller des Berechnungsmoduls 21a ausgeführte Diagnoseroutine implementiert sein; die Steuereinheit 21 kann aus diesem Grund den Wert der Superkondensatorspannung V_sc und/oder den Spannungswert an dem Zwischenknoten 22c zwischen den Superkondensatorzellen 23a, 23b überwachen.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann der Temperaturfühler 29 auch in der Steuereinheit 21 integriert sein.
Mögliche Fehlermodi, die von dem Diagnosemodul 10 überwacht werden und sich auf eine oder beide der Superkondensatorzellen 23a, 23b auswirken können, sind folgende:

– Stromkreisunterbrechungsfehler,
– Kurzschlussfehler,
– Zunahme des Verluststroms,
– Zunahme des äquivalenten Reihenwiderstands,
– Abnahme des Kapazitätswertes.

Diese Fehlermodi bzw. -zustände können in Echtzeit während des Betriebs der e-Schlossanordnung 1 unter Verwendung spezieller Logik und Algorithmen, die von der Diagnoseroutine vorgesehen sind, festgestellt werden.
Insbesondere erzeugt ein „Stromkreisunterbechungsfehler” für eine der beiden Superkondensatorzellen 23a, 23b einen korrespondierenden Fehler in der gesamten Reihe, der immer dann festgestellt werden kann, wenn an der Superkondensatorreihe im wesentlichen eine Nullspannung anliegt, selbst wenn sie geladen sind.
Ein „Kurzschlussfehler” einer Superkondensatorzelle 23a, 23b der Reihe erzeugt eine Verdopplung der Reihenkapazität und eine korrespondierende Verringerung des Wertes der Superkondensatorspannung V_sc; der Spannungswert bei vollständiger Ladung kann nicht erreicht werden und/oder kann nicht über die Zeit aufrechterhalten werden.
Eine Zunahme des „Verluststroms” kann festgestellt werden, wenn der geladene Zustand der Superkondensatorzellen 23a, 23b (dessen Wert als eine voreingestellte Schwelle eingestellt werden kann) sogar nach einer langen Ladezeit nicht erzielt wird oder wenn der Wert der Superkondensatorspannung V_sc über der Reihe einer unerwarteten Veränderung ausgesetzt ist (zum Beispiel einer Veränderung, die nicht mit dem auf die Superkondensatorgruppe 22 ausgeübten Ladevorgang vereinbar ist).
Die Zunahme des „äquivalenten Reihenwiderstands” einer der Superkondensatorzellen 23a, 23b stellt eine Zunahme des Widerstands der gesamten Reihe fest, während die Abnahme der „Kapazität” einer der Superkondensatorzellen 23a, 23b eine Zunahme der Kapazität der gesamten Reihe feststellt.
Der Stromkreisunterbrechungs- und der Kurzschlussfehler stellen ein komplettes Versagen der Hilfsenergiequelle 20 fest, da die Energiespeicherfunktion der Superkondensatorzellen 23a, 23b aufgehoben ist; mit anderen Worten kann die e-Schlossanordnung 1 nur ordnungsgemäß betrieben werden, wenn sie von der Hauptstromquelle 4 des Kraftfahrzeugs 3 versorgt wird.
Im Gegensatz dazu sind die anderen voranstehend aufgelisteten Fehler progressiv, insbesondere wenn die gemessenen Werte (zum Beispiel Kapazitäts- und/oder Widerstandswerte) eine erste Alarmschwelle erreichen, die geeigneterweise voreingestellt sein kann, ist das Diagnosemodul 28 in der Lage, einen Voralarm zu erzeugen, der den aufkommenden Fehler dem Anwender bzw. Fahrer oder dem Werkstattpersonal anzeigt, auch wenn die Superkondensatorzellen 23a, 23b noch in einem Arbeitszustand sind.
Wenn der Fehler dann einen Grenzwert erreicht (und die gemessenen Werte eine zweite voreingestellte Alarmschwelle erreichen), kann das Diagnosemodul 28 das komplette Versagen der Hilfsenergiequelle 20 signalisieren und dass die e-Schlossanordnung 1 nur betrieben werden kann, wenn sie mit der Hauptstromquelle 4 des Kraftfahrzeugs 3 verbunden ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lösung wird die Kapazität der Superkondensatorzellen 23a, 23b während ihres Lebenszyklus durch das Diagnosemodul 28 bestimmt, das die Zeit misst, die es zum Laden der Superkondensatoren von einer teilgeladenen Spannung zu einer vollständig geladenen Spannung benötigt, wenn das Laden über einen Reihenwiderstand (der Leistungswiderstand 24d des Lademoduls 24) direkt von der Stromversorgungsspannung (die Batteriespannung V_batt der Hauptstromquelle 4) implementiert wird.
Insbesondere stellt das Diagnosemodul 28, wie in 4 bei Schritt 40 gezeigt, die Zeit T₁ zum Erreichen einer teilgeladenen Spannung V₁, die einen Wert ungleich Null aufweist, ausgehend von einem vollständig entladenen Zustand fest, wobei die Zeit T₁ zum Erreichen einer teilgeladenen Spannung V₁ auf folgenden Ausdrücken basiert:
Das Diagnosemodul 28 stellt dann bei Schritt 41 die Zeit T₂ zum Erreichen einer voll geladenen Spannung V₂ basierend auf folgenden Ausdrücken fest:
In den voranstehenden Ausdrücken ist C die Superkondensatorkapazität (entweder der gesamten Serie, wenn die Superkondensatorspannung V_sc betrachtet wird, oder einer ersten der Superkondensatorzellen 23a, 23b, wenn die Spannung an dem Zwischenknoten 22c betrachtet wird) und R der Widerstand des Leistungswiderstands 24d.
Die Ladezeit ΔT, die zum Laden von der teilweise geladenen Spannung V₁ zu der voll geladenen Spannung V₂ benötigt wird, wird dann bei Schritt 42 bestimmt:
oder: ΔT = C·(R·(ln(V_batt – V₂) – ln(V_batt – V₁))) und der Wert der Kapazität C wird bei Schritt 43 bestimmt nach: C = ΔT/(R·(ln(V_batt – V₂) – ln(V_batt – V₁))) oder:
worin: K(V_batt) = (R·(ln(V_batt – V₂) – ln(V_batt – V₁)))
Insbesondere da R, V₁ und V₂ voreingestellte und bekannte Werte aufweisen, können komplexe logarithmische Berechnungen während der Laufzeit vermieden werden, wenn die Werte für K an den möglichen verschiedenen Batteriespannungen vorher berechnet und in einer Tabelle (die in dem eingebetteten Speicher 21b der Steuereinheit 21 enthalten sein kann) gespeichert werden.
Hinsichtlich der Genauigkeit der Kapazitätsabschätzung durch das Diagnosemodul 28, werden die folgenden Überlegungen mit Bezug auf einen beispielhaften Fall und beispielhafte Werte gemacht.
Der Widerstand R kann eine absolute Genauigkeit von 5% aufweisen; in diesem Fall ist der Widerstand des Leistungsschalters 24c, zum Beispiel gleich 100 mΩ (dieser sollte auf den Widerstand R aufaddiert werden), viel geringer als der 5%-Wert.
Die Zeit ΔT kann aufgrund einer internen Oszillatortoleranz über den gesamten Temperaturbereich eine absolute Genauigkeit von 2% aufweisen (der Oszillator wird in einer an sich bekannten, hier nicht im Detail besprochenen Art und Weise durch die Steuereinheit 21 überprüft und verifiziert). Wenn das Laden der Superkondensatorgruppe 22 durch den Leistungsschalter 24c PWM-gesteuert ist, wird die Ladezeit ΔT berichtigt, indem sie mit dem PWM-Betriebszyklus multipliziert wird.
Spannungswerte treten als Verhältnisse und nicht als absolute Werte auf, so dass die absolute Genauigkeit der Spannungsmessungen nicht die Genauigkeit der Kapazitätsabschätzung beeinflusst.
Die Batteriespannung V_batt muss mit dem Spannungsabfall über der Auswahldiode 26j verringert werden; diese Spannung ist in absoluten Werten gering und schwankt in einem Bereich von +/–100 mV für einen festgelegten Strom. Eine absolute Genauigkeit von 3% kann auch unter Berücksichtigung von Diskretisierungsfehlern (aufgrund der Analog-Digital-Wandlung an der Steuereinheit 21 des elektronischen Steuerschaltkreises 10) der Messung der Batteriespannung V_batt zugeordnet werden.
Die endgültige Genauigkeit des Kapazitätswertes ist deshalb ungefähr 10%, durch Aufsummieren von 5% für die Widerstandsmessung, 2% für die Zeitmessung und 3% für die Spannungsmessung und den Diskretisierungsfehler.
Obwohl der Wert der Batteriespannung V_batt als konstant angenommen wird, ist er während des Normalbetriebs während des Ladens der Superkondensatorgruppe 22 Schwankungen ausgesetzt.
Um diesen Aspekt zu berücksichtigen, ist das Diagnosemodul 28 dazu konfiguriert, die Schwankung der Batteriespannung V_batt zu messen und die Messung der Kapazität C anzuhalten oder abzubrechen, wenn eine Abweichung der Batteriespannung V_batt während einer vorgegebenen Zeitspanne über einem festgelegten Schwellenwert ist.
Für kleine Abweichungswerte der Batteriespannung V_batt wird die Berechnung unter Verwendung eines geringsten Wertes V_batt (von denen, die in der betrachteten Zeitspanne ermittelt wurden) dennoch gemacht, um eine untere Kapazitätsabschätzung zu erhalten.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Lösung wird der äquivalente Reihenwiderstand (ESR) der Superkondensatorgruppe 22 während des Betriebs durch das Diagnosemodul 28 basierend auf dem Ladeverfahren abgeschätzt, insbesondere um zu überprüfen, ob er kleiner als ein erforderlicher Maximalwert ist.
Bei Anlegen eines Ladestroms wird die Spannung über der Superkondensatorgruppe 22 durch das Produkt aus Ladestrom und äquivalentem Reihenwiderstand erhöht. Insbesondere wenn der Ladestrom genullt ist, wird der Wert der Superkondensatorspannung V_sc schlagartig mit dem Spannungsabfall an dem äquivalenten Reihenwiderstand abnehmen.
Unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers mit einer Auflösung von n Bit, zum Beispiel 10 Bit, und einer Messbereichsendspannung (FS), von zum Beispiel 5 V, ist die Auflösung dV für die Messung der Superkondensatorspannung V_sc:
Der voranstehend erwähnte AD-Wandler kann in der Steuereinheit 21, insbesondere in dem Berechnungsmodul 21a, implementiert sein.
Der Nominalwert des ESR kann gleich oder geringer als 100 mΩ sein, so dass der minimale Ladestrom I_ch, um eine Widerstandsauflösung dR von zum Beispiel 10 mΩ (1/10 des Durchschnittswertes) zu erreichen, ist: I_ch = dV / dR = 5 / 10 = 500 mA
Der Widerstand R des Leistungswiderstands 24d wird wie folgt durch das Diagnosemodul 28 in einem ersten Schritt 50 berechnet, wie in 5 gezeigt:
unter Berücksichtigung eines Minimalwertes für die ESR-Ermittlung für die Batteriespannung V_batt und eines Maximalwertes für die Superkondensatorspannung V_sc.
Wie voranstehend beschrieben, kann der Leistungsschalter 24c in dem Lademodul 24 geeigneterweise über ein PWM-Modulationsschema gesteuert werden, um die Verlustleistung an dem Leistungswiderstand 24d zu verringern.
Diesbezüglich zeigt 6 ein mögliches PWM-Muster der Superkondensatorspannung V_sc während des Ladens der Superkondensatorgruppe 22, die für jede Periode eine AN-Phase aufweist, die von einer AUS-Phase gefolgt wird, deren jeweilige Dauer durch den Betriebszyklus des Ladeaktivierungssignals En_ch bestimmt wird.
In dieser Situation kann die Widerstandsmessung vorteilhafterweise bei jeder Periode des Ladeaktivierungssignals En_ch in der AUS-Phase des Betriebszyklus durchgeführt werden (das heißt, wenn der Ladestrom aufgrund der Öffnung des Leistungsschalters 24c genullt ist). Ein geeigneter Durchschnittswert der verschiedenen Messungen kann implementiert werden, um einen gemittelten resultierenden Wert zu bekommen.
Basierend auf dem Voranstehenden kann der ESR über den folgenden Ausdruck durch das Diagnosemodul 28 bei Schritt 51, wie in 5 gezeigt, bestimmt werden:
worin ΔV_sc der Spannungsabfall über der Superkondensatorgruppe 22 aufgrund des Ladestroms I_ch ist.
Das Diagnosemodul 10 ist dann in der Lage, bei Schritt 52 zu überprüfen, ob der festgestellte ESR-Wert geringer als ein erforderlicher Wert ist.
Spannungen werden als Verhältnisse verwendet, so dass die korrespondierende Genauigkeit des AD-Wandlers nicht relevant für die gesamte Messgenauigkeit ist.
Die Messtoleranz bei R ist ungefähr 5% und spiegelt sich stattdessen in der ESR-Messung wieder.
Wenn die Spannungsgenauigkeit 0,5% ist, ist der gesamte Abschätzungsfehler voraussichtlich geringer als 10%
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Lösung ist das Diagnosemodul 28 auch dazu konfiguriert, die Temperaturbedingungen in Betracht zu ziehen, in denen die e-Schlossanordnung 1 und die Superkondensatorgruppe 22 betrieben werden. Diese Temperaturbedingungen werden durch den Temperaturfühler 29 überwacht.
In der Tat wird die Superkondensatorleistungsfähigkeit direkt durch Temperaturbedingungen und Betriebslebensdauer beeinflusst.
Wie in den 7a bis 7c gezeigt, korreliert die Kapazität eines Superkondensators direkt mit der Lebensdauer und zeigt eine Abnahme über die Zeit (gezeigt ist das Verhältnis zwischen einem Endwert Cf und einem Anfangswert C_i). Darüber hinaus wird der Grad der Abnahme durch die Betriebstemperatur und des Anfangsspannungswerts V_i über dem Superkondensator beeinflusst.
Fahrzeugsysteme müssen in der Lage sein, sehr hohe Temperaturen (zum Beispiel bis zu 70°C bis 100°C) auszuhalten, und gleichzeitig einen korrekten Betrieb sicherstellen oder wenigstens ein Versagen vermeiden.
Gemäß der vorliegenden Lösung muss die Superkondensatorgruppe 22 eine Hilfsenergie sicherstellen, um dem Nutzer zu gestatten, das Fahrzeug im Fall von Fehlfunktionen (zum Beispiel Batterie-, Sicherungs- oder Verkabelungsfehlfunktionen) zu verlassen; bei Temperaturen in einer Höhe von 70°C bis 100°C kann der Nutzer nicht in dem Kraftfahrzeug 3 eingesperrt bleiben.
Um eine angemessene Nutzung der Superkondensatorgruppe selbst bei hohen Temperaturen zu gestatten, ist das Diagnosemodul 28 deshalb dazu konfiguriert, eine geeignete Abnahmestrategie für die Werte der Superkondensatorspannung V_sc zu implementieren, während sich die Temperatur erhöht (dieser Wert wird durch eine geeignete Abänderung des Ladevorgangs durch das Lademodul 24 gesteuert).
Wie in 8 gezeigt, überwacht das Diagnosemodul 28 dementsprechend den Wert der ermittelten Temperatur, wie in Schritt 60 gezeigt.
Die durch das Diagnosemodul 28 implementierte Strategie sieht dann drei unterschiedliche Betriebsbedingungen in entsprechenden Temperaturbereichen vor:

– für Temperaturen, die zwischen –Temp₁ und +Temp₁ liegen, Schritt 61, wobei Temp₁ eine erste Temperaturschwelle ist, deren absoluter Werte ungefähr 38°C bis 42°C ist, zum Beispiel 40°C: die Superkondensatorgruppe 22 wird vollständig geladen gehalten (zum Beispiel auf einem Spannungsniveau von jeder Superkondensatorzelle 23a, 23b in einem Bereich von 2,5 V bis 2,7 V),
– für Temperaturen, die zwischen +Temp₁ und +Temp₂ liegen, Schritt 62, wobei Temp₂ eine zweite Temperaturschwelle ist, deren absoluter Wert ungefähr 85°C bis 90°C ist, zum Beispiel 85°C: eine Spannungsabnahme, zum Beispiel auf lineare Art zwischen einem ersten Wert (zum Beispiel 2,5 V) und einem zweiten Wert, der kleiner als der erste ist (zum Beispiel 2,1 V), wird an der Superkondensatorspannung V_sc vorgenommen, und
– für Temperaturen höher als +Temp₂, Schritt 63: die Superkondensatorgruppe 22 wird bis zu einer Superkondensatorspannung V_sc eines dritten Wertes, der kleiner als der zweite Wert ist (zum Beispiel 1 V für jede Superkondensatorzelle 23a, 23b), entladen.

Gemäß der voranstehenden Temperaturstrategie gestattet die Abnahme der Superkondensatorspannung V_sc bei höheren Temperaturen, den Effekt der Kapazitätsveränderungen über die Zeit zu reduzieren, wodurch die Verlässlichkeit der Superkondensatorgruppe 22 verbessert wird, wenn sie zum Beispiel in der Hilfsenergiequelle 20 verwendet wird. Darüber hinaus wird die Lebensdauer der Superkondensatorgruppe 22 verlängert.
Generell sind die Superkondensatoren verfügbar, wenn sie tatsächlich benötigt werden, und es kann eine verbesserte Lebensdauer erreicht werden; in dieser Hinsicht wurde über eine Simulation gezeigt, dass diese Steuerungsstrategie gestattet, mindestens 15 Jahre zuverlässiger Lebensdauer der Superkondensatorgruppe 22 zu erreichen.
Die Vorteile der beschriebenen Lösung werden aus der voranstehenden Beschreibung deutlich.
Insbesondere wird eine zuverlässige Hilfsenergiequelle 1 für Fahrzeuganwendungen bereitgestellt, zum Beispiel, um die e-Schlossanordnung 1 im Fall eines Versagens der Hauptstromquelle 4 des Kraftfahrzeugs 3 und/oder im Falle einer Trennung der e-Schlossanordnung 1 von derselben Hauptstromquelle 4 anzutreiben.
Die Hilfsenergiequelle 1 kann unabhängig von der internen Steuereinheit 21 gesteuert werden und kann auch ohne eine Maßnahme durch die Fahrzeughauptverwaltungseinheit 12 und der betreffenden Steuerungssoftware aktiviert oder deaktiviert werden.
Die Verwendung von Superkondensatoren, insbesondere eine reduzierte Anzahl davon, und des zugehörigen Spannungsverstärkungsschaltkreis kann ermöglichen, die Hilfsenergiequelle 20 in einer günstigen, leichten und kleinen Einheit bereitzustellen; die resultierende Größe und der Formfaktor der Hilfsenergiequelle 20 ist derart, um eine einfache Integration innerhalb desselben Gehäuses 11 der e-Schlossanordnung 1 zu ermöglichen.
Die Verwendung von Superkondensatoren kann ermöglichen, eine hohe Energiedichte, eine hohe Kapazität und eine hohe Ausgangsstromfähigkeit zu erreichen und Gedächtniseffekte zu vermeiden und einen Verbrauch und eine Wiederaufladezeit zu minimieren. Die Lebensdauer der Superkondensatorgruppe ist ebenfalls sehr hoch, wodurch die Verwendung als eine zuverlässige Hilfsenergiequelle, ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Hilfsenergiequellen, ermöglicht wird.
Die Verwendung von Niederspannungssuperkondensatoren, zum Beispiel der Art, die üblicherweise auf dem Markt verfügbar ist, kann ebenfalls ermöglichen, die Kosten des Systems zu reduzieren und seine Wartungsfreundlichkeit zu verbessern.
Darüber hinaus können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Beschreibung eine rechtzeitige Diagnose eines Fehlers der Superkondensatorzellen 23a, 23b in der Superkondensatorgruppe 22 ermöglichen, wie beispielsweise Stromkreisunterbrechungs- oder Kurzschlussbedingungen, eine Zunahme des eines Verluststroms, eine Zunahme des äquivalenten Reihenwiderstands und/oder eine Abnahme des Kapazitätswertes.
Die beschriebene Temperatursteuerungsstrategie kann ermöglichen, Superkondensatoren zuverlässig als die Hilfsenergiequelle 1 sogar bei sehr hohen Temperaturen zu verwenden, um Sicherheitsanforderungen, insbesondere diejenigen, die Fahrzeuganwendungen betreffen, zu erfüllen.
Offensichtlich können Änderungen zu dem hierin beschriebenen und dargestellten gemacht werden, ohne jedoch von dem durch die begleitenden Patentansprüche definierten Umfang abzuweichen.
Insbesondere könnte die elektrische Verbindung der Superkondensatorzellen 23a, 23b eine Parallelverbindung anstelle einer Reihenverbindung sein, um die als eine Hilfsversorgungsspannung für die Betätigungsgruppe 6' des Kraftfahrzeugs 3 benötigte Superkondensatorspannung V_sc bereitzustellen. Die Anzahl der Superkondensatorzellen könnte ebenfalls verschieden sein im Falle von unterschiedlichen Größen- oder Energieanforderungen.
Darüber hinaus wird nochmals unterstrichen, dass die e-Schlossanordnung 1 jede Art von unterschiedlichen Schließvorrichtungen innerhalb des Kraftfahrzeugs 3 betreiben kann.
Während der Notfallsituation, die ein Abschalten des Betriebs der (äußeren und/oder inneren) Griffe 16 des Kraftfahrzeugs 3 oder allgemein des Öffnens der Türen 2 bewirkt, kann dies auch durch die Steuereinheit 21 durch Steuern eines geeigneten physischen Abschaltemittels implementiert werden, das mit den Türen 2 und/oder den Griffen 16 und/oder der Betätigungsgruppe 6' gekoppelt ist (das Abschaltemittel ist dazu konfiguriert, mechanisch das Öffnen derselben Türen 2 zu verhindern).
Allgemein können die Hilfsenergiequelle 20 und die besprochenen Diagnose- und Steueralgorithmen zum Überprüfen des Zustands der Superkondensatorzellen 23a, 23b auch für andere Zwecke innerhalb des Kraftfahrzeugs 3 für unterschiedliche Fahrzeuganwendungen verwendet werden.

Claims

Elektronische Schlossanordnung (1) für eine Schließvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeugs (3), mit einer Betätigergruppe (6'), die zum Steuern einer Betätigung der Schließvorrichtung (2) bedienbar ist, und einem Elektromotor (9), der zum Antreiben der Betätigergruppe (6') steuerbar und dazu ausgelegt ist, während einer Normalbetriebsbedingung von einer eine Hauptversorgungsspannung (V_batt) bereitstellenden Hauptstromquelle (4) des Kraftfahrzeugs (3) versorgt zu werden, wobei die elektronische Schlossanordnung (1) eine Hilfsenergiequelle (20) und eine Steuereinheit (21) aufweist, die dazu konfiguriert ist, die Hilfsenergiequelle (20) zu steuern, um den Elektromotor (9) während einer von der Normalbetriebsbedingung abweichenden Fehlerbetriebsbedingung zu versorgen, wobei die Hilfsenergiequelle (20) eine Superkondensatorgruppe (22) aufweist, die dazu konfiguriert ist, Energie während der Normalbetriebsbedingung zu speichern und während der Fehlerbetriebsbedingung eine Hilfsversorgungsspannung (V_sc) bereitzustellen, um den Elektromotor (9) zu versorgen, wobei die Hilfsenergiequelle (20) und die Steuereinheit (21) innerhalb eines Gehäuses (11) der elektronischen Schlossanordnung (1) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Hilfsenergiequelle (20) des weiteren ein Spannungsverstärkungsmodul (26) aufweist, das mit der Superkondensatorgruppe (22) gekoppelt ist und zum Verstärken eines Niveaus der Hilfsversorgungsspannung (V_sc) bedienbar ist, um eine Verstärkungsspannung (V_boost) bereitzustellen, die dazu ausgelegt ist, den Elektromotor (9) zu versorgen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Superkondensatorgruppe (22) eine erste (23a) und eine zweite (23b) Superkondensatorzelle umfasst, die miteinander verbunden sind, um gemeinsam die Hilfsversorgungsspannung (V_sc) bereitzustellen.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der die erste (23a) und die zweite (23b) Superkondensatorzelle vom Niederspannungs-/Hochkapazitätstyp und jeweils dazu ausgelegt sind, eine Spannung in dem Bereich von 2,5 V bis 2,7 V bereitzustellen und eine Kapazität in dem Bereich von 16 F bis 20 F aufzuweisen.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Hilfsenergiequelle (20) ein Lademodul (24) aufweist, das von der Steuereinheit (21) steuerbar ist, um die Superkondensatorgruppe (4) während der Normalbetriebsbedingung aufzuladen, wann immer die Hauptversorgungsspannung (V_batt) größer als eine voreingestellte Schwelle ist, wobei das Lademodul (24) ein mit der Superkondensatorgruppe (22) verbundenes Ladewiderstandselement (24d) und ein zwischen einem die Hauptversorgungsspannung (V_batt) empfangenden Eingangsanschluss (24a) und dem Ladewiderstandselement (24d) geschaltetes Ladeumschaltelement (24a) und einen Steueranschluss aufweist, wobei die Steuereinheit (21) dazu konfiguriert ist, ein Ladesteuersignal (En_ch) an den Steueranschluss des Ladeumschaltelements (24a) bereitzustellen, um das Laden der Superkondensatorgruppe (22) zu steuern.
Anordnung nach Anspruch 5, bei der das Ladesteuersignal (En_ch) ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, das während der Normalbetriebsbedingung einen Betriebszyklus aufweist, der eine AN-Phase definiert, wenn die Superkondensatorgruppe (4) von der Hauptversorgungsspannung (V_batt) geladen wird, und eine AUS-Phase, in der das Laden der Superkondensatorgruppe (4) unterbrochen ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Superkondensatorgruppe (22) mindestens eine erste (23a) und eine zweite (23b) Superkondensatorzelle aufweist, die in Reihe geschaltet sind, um die Hilfsversorgungsspannung (V_sc) bereitzustellen, wobei die Hilfsenergiequelle (20) ein Ausgleichsmodul (25) aufweist, das mit der Superkondensatorgruppe (22) verbunden ist und zum Bestimmen eines gewünschten Spannungsniveaus an der ersten (23) und der zweiten (23b) Superkondensatorzelle bedienbar ist, wobei das Ausgleichsmodul (25) ein erstes Ausgleichswiderstandselement (25a) aufweist, das dazu ausgelegt ist, wahlweise mit der ersten Superkondensatorzelle (23) über ein durch ein von der Steuereinheit (21) bereitgestelltes Ausgleichssignal (En_eq) gesteuertes erstes Ausgleichswiderstandselement (25c) parallel verbunden zu sein, und ein zweites Ausgleichswiderstandselement (25b) aufweist, das dazu ausgelegt ist, wahlweise mit der zweiten Superkondensatorzelle (23) über ein durch das Ausgleichssignal (En_eq) gesteuertes zweites Ausgleichswiderstandselement (25c) parallel verbunden zu sein, wobei das Ausgleichssignal (En_eq) dazu ausgelegt ist, wahlweise einen Stromfluss in dem ersten (25a) und dem zweiten (25b) Ausgleichswiderstandselement zu unterbrechen, wenn die Superkondensatorgruppe (22) dem Elektromotor (9) die Hilfsversorgungsspannung (V_sc) nicht bereitstellt.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Verstärkungsmodul (26) einen Verstärkungsspannungswandler mit einer internen Steuerung (26h) und einem Verstärkungseinschaltschalterelement (26a) aufweist, das wahlweise aktiviert wird, um die interne Steuerung (26h) einzuschalten, um den Verstärkungsbetrieb durch ein externes Signal (boost_ON) auszuführen, das einen externen Betrieb an der Schließvorrichtung (2) anzeigt, wobei die interne Steuerung (26h) dazu konfiguriert ist, den Verstärkungsbetrieb beizubehalten, bis er durch die Steuereinheit (21) über ein Ausschaltsignal (boost_OFF) ausgeschaltet wird.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Hilfsenergiequelle (20) ein mit der Superkondensatorgruppe (22) verbundenes Diagnosemodul (28) aufweist, das dazu konfiguriert ist, einen Betriebszustand der Superkondensatorgruppe (22) durch Bestimmen mindestens eines Wertes der Hilfsversorgungsspannung (V_sc) zu überwachen, wobei das Diagnosemodul (28) dazu konfiguriert ist, einen oder mehrere der folgenden Fehlerzustände der Superkondensatorgruppe (22) zu erkennen: einen Stromkreisunterbrechungsfehler, einen Kurzschlussfehler, eine Zunahme eines Verluststroms, eine Zunahme eines äquivalenten Reihenwiderstands (ESR), eine Abnahme des Kapazitätswertes (C).
Anordnung nach Anspruch 9, bei der das Diagnosemodul (28) während des Betriebs der e-Schloss-Anordnung (1) durch die Steuereinheit (21) ausgeführt wird und dazu konfiguriert ist, den Kapazitätswert der Superkondensatorgruppe (22) durch Überwachen der Zeit (ΔT) zum Laden der Superkondensatorgruppe (22) von einer voreingestellten Teilentladungsspannung (V₁) zu einer voreingestellten Vollladespannung (V₂) der Hilfsversorgungsspannung (V_sc) abzuschätzen.
Anordnung nach Anspruch 10, bei der die Hilfsenergiequelle (20) ein Lademodul (24) aufweist, das durch die Steuereinheit (21) steuerbar ist, um die Superkondensatorgruppe (22) von der Hauptversorgungsspannug (V_batt) über ein Ladewiderstandselement (24d) mit dem Widerstand R zu laden, wobei das Diagnosemodul (28) dazu konfiguriert ist, den Kapazitätswert der Superkondensatorgruppe (22) über den folgenden Ausdruck abzuschätzen:
worin K gegeben ist durch K(V_batt) = (R·(ln(V_batt – V₂) – ln(V_batt – V₁))) und für bestimmte Werte der Hauptversorgungsspannung (V_batt) vorberechnet und in einer Tabelle in einem Speicher der Steuereinheit (21) gespeichert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der das Diagnosemodul (28) durch die Steuereinheit (21) während des Betriebs der e-Schloss-Anordnung (1) ausgeführt wird und dazu konfiguriert ist, den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) der Superkondensatorgruppe (22) abzuschätzen, um zu überprüfen, ob er kleiner als ein voreingestellter Maximalwert ist, wobei die Hilfsenergiequelle (20) ein Lademodul (24) aufweist, das durch die Steuereinheit (21) steuerbar ist, um die Superkondensatorgruppe (22) mit einem Ladestrom (I_CH) zu laden, und das Diagnosemodul (28) dazu konfiguriert ist, den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) durch Messen eines Spannungsabfalls an der Superkondensatorgruppe (22) abzuschätzen, wenn das Laden unterbrochen wird und der Ladestrom (I_CH) genullt ist.
Anordnung nach Anspruch 12, bei der das Lademodul (24) dazu steuerbar ist, die Superkondensatorgruppe (22) mit der Hauptversorgungsspannung (V_batt) über ein Ladewiderstandselement (24d) mit einem Widerstand R zu laden, wobei das Diagnosemodul (28) dazu konfiguriert ist, den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) der Superkondensatorgruppe (22) über folgenden Ausdruck abzuschätzen:
worin ΔV_sc der Spannungsabfall an der Superkondensatorgruppe (22) ist.
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, bei der das Lademodul (24) ein mit der Superkondensatorgruppe (22) verbundenes Ladewiderstandselement (24d) und ein zwischen einem die Hauptversorgungsspannung (V_batt) empfangenden Eingangsanschluss (24a) und dem Ladewiderstandselement (24d) geschaltetes Ladeumschaltelement (24a) umfasst und einen Steueranschluss aufweist, wobei die Steuereinheit (21) dazu konfiguriert ist, ein Ladesteuersignal (En_ch) an den Steueranschluss des Ladeumschaltelements (24a) bereitzustellen, um das Laden der Superkondensatorgruppe (22) zu steuern, wobei das Ladesteuersignal (En_ch) ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, das während der Normalbetriebsbedingung einen Betriebszyklus aufweist, der eine AN-Phase definiert, wenn die Superkondensatorgruppe (22) von der Hauptversorgungsspannung (V_batt) geladen wird, und eine AUS-Phase, in der das Laden der Superkondensatorgruppe (22) unterbrochen ist, und wobei das Diagnosemodul (28) dazu konfiguriert ist, den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) der Superkondensatorgruppe (22) während der AUS-Phase des Betriebszyklus des Ladesteuersignals (En_ch) abzuschätzen, wenn der Ladestrom (I_CH) durch das Öffnen des Ladeumschaltelements (24a) genullt ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Hilfsenergiequelle (20) ein Lademodul (24), das durch die Steuereinheit (21) zum Laden der Superkondensatorgruppe (22) steuerbar ist, und ein Diagnosemodul (28) aufweist, das mit der Superkondensatorgruppe (22) verbunden und dazu konfiguriert ist, die Betriebstemperatur der Superkondensatorgruppe (22) zu überwachen und mit dem Lademodul (24) zusammenzuwirken, um eine Ladestrategie als Funktion der gemessenen Betriebstemperatur zu implementieren.
Anordnung nach Anspruch 15, bei der die Ladestrategie drei unterschiedliche Ladebedingungen in entsprechenden Temperaturbereichen vorsieht, nach denen – für Temperaturen, die zwischen –Temp₁ und +Temp₁ liegen, die Superkondensatorgruppe (22) vollständig geladen gehalten wird, wobei Temp₁ ein erster voreingestellter Temperaturwert ist, – für Temperaturen, die zwischen +Temp₁ und +Temp₂ liegen, eine Spannungsabnahme zwischen einem ersten Spannungswert und einem zweiten Spannungswert, der kleiner als der erste Spannungswert ist, an der Hilfsversorgungsspannung (V_sc) vorgenommen wird, wobei Temp₂ ein zweiter voreingestellter Temperaturwert ist, der höher als der erste voreingestellte Temperaturwert ist, und – für Temperaturen höher als Temp₂ die Superkondensatorgruppe (22) bis zu einem dritten Spannungswert, der kleiner als der zweite Spannungswert ist, entladen wird.
Anordnung nach Anspruch 16, bei der der erste voreingestellte Temperaturwert (Temp₁) in dem Bereich 38°C bis 42°C liegt und der zweite voreingestellte Temperaturwert (Temp₂) in dem Bereich 85°C bis 90°C liegt.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Fehlerbetriebsbedingung einen der folgenden Fehler einschließt: einen Fehler der Hauptstromquelle (4) des Kraftfahrzeugs, die die Hauptversorgungsspannung (V_batt) bereitstellt, einen Fehler einer elektrischen Verbindung (5), die die elektronische Schlossanordnung (1) mit der Hauptstromquelle (4) des Kraftfahrzeugs verbindet.
Kraftfahrzeug (3) mit einer Schließvorrichtung (2) und einer mit der Schließvorrichtung (2) verbundenen elektronischen Schlossanordnung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche.