Beschreibung
Treiberschaltung zum Bereitstellen einer Lastspannung
Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Versorgen einer Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Versorgen einer Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Programm-Element.
Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares Speichermedium.
Moderne Kraftfahrzeuge bilden komplexe Systeme von Hardware und Software. Zur Regelung und Steuerung des mechatronischen Systems Automobil kommt eine hohe Zahl verschiedenster Steu¬ ergerate zum Einsatz. Die Gesamtheit aller Steuergerate bildet ein hochgradig vernetztes System auf Grundlage unter- schiedlicher Bussysteme bzw. Kommunikationseinrichtungen. Die mit einem solchen System gegebene Heterogenitat von Hard- und Software ist hochkomplex. Die Energieversorgung von Automobi¬ len ist besonders bei komfortabler Ausstattung eine kritische Komponente. So müssen beispielsweise in Fahrzeugen verschie- dene Lasten, beispielsweise Relais, andere Steuergerate oder Motoren, mit Energie beziehungsweise Spannung versorgt wer¬ den, um diese zu aktivieren und aktiv zu halten. Solche Relais benotigen eine gewisse Spannung, um aktiviert zu werden, und eine geringe Spannung, um aktiv zu bleiben. Um ein Relais mit Spannung zu versorgen, kann beispielsweise eine Treiberschaltung verwendet werden. Herkömmliche Halbleitertreiber- schaltungen können hohe Spannungen bereitstellen. Falls die Versorgungsspannung dieser Treiberschaltungen abfallt, wird
jedoch die Treiberschaltung abgeschaltet, da solche Treiberschaltungen gewöhnlich nur bei hohen Spannungen betrieben werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spannungsver¬ sorgung für eine Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelost durch die Gegenstande der unabhan- gigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhangigen Ansprüchen beschrieben .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Treiber- Schaltung zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Versorgen einer Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs, bereitgestellt, wobei die Treiberschaltung eine Versorgungsspannungs- quelle zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung, eine Zwischenspeichereinheit zum Zwischenspeichern elektrischer Ener- gie, wobei die Zwischenspeichereinheit mit einer Versorgungs- spannungsquelle zum Bereitstellen der elektrischen Energie gekoppelt ist, und eine Treibereinheit aufweist, der mittels der Zwischenspeichereinheit bedarfsweise die elektrische E- nergie zufuhrbar ist, womit der Last bei einem Abfall der Versorgungsspannung die Lastspannung bereitstellbar ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug geschaffen, das eine Treiberschaltung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Ver- sorgen einer Last eines Fahrzeugs bereitstellt.
Gemäß noch einem anderen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Versorgen einer Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs, bereitgestellt, wobei eine Versorgungsspannung durch eine
Versorgungsspannungsquelle bereitgestellt wird, elektrische Energie in einer Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert wird, wobei die Zwischenspeichereinheit mit einer Versor-
gungsspannungsquelle zum Bereitstellen der elektrischen Energie gekoppelt ist, und wobei die elektrische Energie an eine Treibereinheit zugeführt wird, womit der Last bei einem Abfall der Versorgungsspannung die Lastspannung bereitstellbar ist.
In einem computerlesbaren Speichermedium gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Versorgen einer Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs, gespeichert, welches Programm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, die oben beschriebenen Verfahrensschritte steuert, aufweist bzw. durchfuhrt .
Em Programm-Element (Computerprogramm-Element) gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen einer Lastspannung zum Versorgen einer Last, insbesondere eine Last eines Fahrzeugs, weist die oben beschriebe¬ nen Verfahrensschritte auf (bzw. steuert oder fuhrt diese durch), wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird.
Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sowohl mittels eines Computerprogramms, das heißt einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software-Komponenten und Hardware- Komponenten, realisiert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist eine Treiberschaltung für ein Fahrzeugsystem (zum Beispiel ein Automobil bzw. Kraftfahrzeug) geschaffen, welche eine Last mit einer Lastspannung versorgt. Die Treiberschaltung kann auch für diverse elektrische Gerate verwendet werden. Eine solche Treiberschaltung enthalt eine interne elekt- πsche Versorgungsspannungsquelle zum Bereitstellen elektri¬ scher Energie zum Versorgen von unterschiedlichen Lasten in dem Fahrzeug oder ist mit einer solchen externen Spannungsquelle koppelbar. Bei der Spannungsquelle kann es sich bei-
spielsweise um eine Batterie handeln. Unter elektrischer E- nergie ist in diesem Zusammenhang sowohl elektrische als auch elektro-chemische Energie zu verstehen. Eine Last kann hier beispielsweise ein Relais, ein anderes Steuergerat oder Moto- ren sein. Eine Zwischenspeichereinheit ist mit einer Versor- gungsspannungsquelle verbunden. Bei der Versorgungsspannungs- quelle kann es sich um die Versorgungsspannungsquelle der Treiberschaltung oder eine externe Versorgungsspannungsquelle, beispielsweise eine entkoppelte Batterie handeln. Wahrend eines ordnungsgemäßen oder normalen Betriebs der Versorgungs¬ spannungsquelle wird die Zwischenspeichereinheit geladen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kondensator oder eine Batterie handeln. Durch den Ladevorgang stellt die Zwischenspeichereinheit elektrische oder elektro-chemische Ener- gie bereit. Eine Treibereinheit kann mit der Zwischeneinheit verbunden sein. Dieser Treibereinheit kann bei einem Abfall der Versorgungsspannung oder Ausfall der Versorgungsspannungsquelle die elektrische Energie von der Zwischenspei¬ chereinheit bereitgestellt werden, um die Last mit einer Lastspannung versorgen zu können. Hierbei kann die Versorgungsspannung, die abgefallen ist, der Last als Lastspannung zugeführt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Last auch bei einem Abfall der Versorgungsspannung zumindest mit einer geringen Spannung versorgt werden kann. Bei- spielsweise kann zum Aktivhalten von Relais eine Spannung von 1,5 oder 2 V ausreichend sein.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausfuhrungsformen der Treiberschaltung beschrieben. Diese gelten auch für das Verfahren, für das Fahrzeug, für das Programm-Element und für das computerlesbare Speichermedium.
Bei einem Ausfall der Versorgungsspannungsquelle kann die Lastspannung kleiner als die Versorgungsspannung bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Versorgungsspannungsquelle sein. Wenn die Versorgungsspannung abfallt, kann die Lastspannung dem Abfall der Versorgungsspannung folgen. Durch die Verwendung einer Treibereinheit bei einem Ausfall der Versorgungs-
Spannungsquelle kann jedoch die Lastspannung großer als die momentan vorhandene Versorgungsspannung und kleiner als die Versorgungsspannung bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Versorgungsspannungsquelle sein, wodurch verhindert werden kann, dass an den Lasten, beispielsweise Relais, keinerlei Spannung mehr vorhanden ist. Die Treibereinheit kann dazu dienen, der Last die momentan vorhandene Versorgungsspannung zuzuführen .
Die Lastspannung kann großer oder gleich einem lastabhangigen vorbestimmten Schwellwert sein. Dieser Schwellwert kann anhand der für eine bestimmte Last benotigten Spannung bestimmt werden. Die Zwischenspeichereinheit und die Treibereinheit können dementsprechend dimensioniert sein.
Die Treibereinheit kann eine niederspannungsseitige Treibereinheit sein. Für niedrige Spannungen kann diese Treibereinheit verwendet werden. Übliche Treibereinheiten wurden bei niedrigen Spannungen abgeschaltet werden. Die Treibereinheit kann ein Masse schaltendes Element sein. Dieses kann als plusschaltendes Element verwendet werden.
Eine Freigabeeinheit kann vorgesehen sein, die zwischen der Zwischenspeichereinheit und der Treibereinheit gekoppelt sein kann. Diese Freigabeeinheit kann die Spannungsversorgung für die Treibereinheit freigeben, das heißt, sie kann eine Verbindung zwischen der Zwischenspeichereinheit und der Treiber¬ einheit schließen. Dadurch wird eine Steuerung der Treibereinheit ermöglicht.
Die Treiberschaltung kann des Weiteren eine hochspannungssei- tige Treibereinheit aufweisen, wobei der hochspannungsseiti- gen Treibereinheit die elektrische Energie zufuhrbar sein kann, und wobei die hochspannungsseitige Treibereinheit der Last die Lastspannung bereitstellen kann. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass bei hohen Spannungen die hochspannungsseitige Treibereinheit eine Lastspannung bereitstellt und bei niedrigen Spannungen, bei denen diese Treibereinheit abge-
schaltet wird oder aufgrund der niedrigen Spannung ausfallt, die niederspannungsseitige Treibereinheit die Lastspannung bereitstellt. Die hochspannungsseitige Treibereinheit kann ein plusschaltendes Element sein. Bereitstellen kann in die- sem Zusammenhang bedeuten, dass durch die Treibereinheiten Verbindungen zwischen der Last und der Versorgungsspannung geschlossen werden, beziehungsweise, dass die Treibereinhei- ten schalten, um entsprechende Verbindungen zu ermöglichen.
Des Weiteren kann ein Mikrokontroller vorgesehen sein, der mit der hochspannungsseitigen Treibereinheit und der Freigabeeinheit gekoppelt ist, um diese zu steuern. Auf diese Weise wird eine optimale und effiziente Steuerung der Treibereinheiten und der Bereitstellung der Lastspannung ermöglicht.
Bevorzugt weisen die Treibereinheiten Schalter auf. Dies kann eine einfache und kostengünstige Möglichkeit sein, die Treibereinheiten zu realisieren. Insbesondere können die Schalter Transistoren, beispielsweise MOSFETs, oder integrierte Trei- berbausteme sein.
Im Weiteren werden zusatzliche Ausgestaltungen des Fahrzeugs beschrieben. Diese gelten auch für die Treiberschaltung, für das Verfahren, für das Programm-Element und für das computer- lesbare Speichermedium.
Das Fahrzeug kann zum Beispiel ein Automobil (zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug o- der Lastkraftfahrzeug) sein. Es ist aber auch möglich, die erfmdungsgemaße Treiberschaltung in einem Zug, in einem
Luftfahrzeug (zum Beispiel einem Flugzeug, einem Hubschrauber oder einem Zeppelin) oder in einem Schiff zu implementieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausfuhrungsformen der Erfin- düng mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstande be¬ schrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausfuhrungsformen der Erfindung mit Vorπchtungsanspruchen und andere Ausfuhrungsformen der Erfindung mit Verfahrensanspruchen beschrie-
ben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine be- liebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfmdungsgegenstanden gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung der- zeit bevorzugter Ausfuhrungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Treiberschaltung für ein
Fahrzeug gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung .
Figur 2 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer Treiberschal¬ tung von Figur 1.
Figur 3 zeigt einen möglichen Spannungsverlauf einer Last ohne Verwendung einer erfmdungsgemaßen Treiberschaltung.
Figur 4 zeigt mögliche Spannungsverlaufe in einem System mit Verwendung einer erfmdungsgemaßen Treiberschaltung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen .
Es gibt verschiedene Ansätze, einen Spannungsabfall in einer Treiberschaltung zu kompensieren wie diskrete Losungen mit
Ladepumpenversorgung oder DC/DC Aufwartswandlern . Des Weiteren können diskrete Losungen wie Bipolartransistoren verwendet werden, die jedoch nicht mit einem Ausgangsstrom im Be-
reich von mehr als 500 mA betrieben werden können. Zusatzlich erfüllen solche Losungen nicht immer die Spezifikationen von Fahrzeugherstellern. Es ist daher wünschenswert, eine Treiberschaltung bereitzustellen, die eine zufriedenstellende Spannungsversorgung für eine Last bereitstellen kann.
Fig. 1 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Treiberschaltung 100, die eine Spannungsversorgung für eine Last eines Fahrzeugs bereitstellt. In diesem Ausfuhrungsbei- spiel weist die Treiberschaltung eine Versorgungsspannungs- quelle UB, beispielsweise eine Batterie, auf. Eine Zwischenspeichereinheit 101 ist mit der Versorgungsspannungsquelle UB gekoppelt. Wahrend des normalen Spannungsbetriebs wird die Zwischenspeichereinheit 101 aufgeladen. Des Weiteren wird im normalen Betrieb eine hochspannungsseitige Treibereinheit
102, die mit der Versorgungsspannungsquelle UB verbunden ist, betrieben. Die Treibereinheit 102 wird durch einen Mikrokon- troller 103 gesteuert, wobei der Mikrokontroller 103 und die Treibereinheit 102 verbunden sind. Der Mikrokontroller 103 steuert die Treibereinheit 102 so, dass eine Last 104 mit der Versorgungsspannung versorgt wird. Die Last 104 ist mit der Treibereinheit 102 verbunden. Die Treibereinheit 102 kann ei¬ nen Transistor, beispielsweise einen MOSFET aufweisen. Hierbei ist der Gate-Anschluss mit dem Mikrokontroller verbunden, der Dram-Anschluss mit der Versorgungsspannungsquelle UB und der Source-Anschluss mit der Last 104. Des Weiteren weist die Treiberschaltung 100 eine niederspannungsseitige Treiberein¬ heit 105 auf. Die Treibereinheit 105 ist zum einen über eine Freigabeeinheit 106 mit dem Zwischenspeicher 101 verbunden, zum anderen ist die Treibereinheit 105 mit der Versorgungsspannungsquelle UB und des Weiteren mit der Last 104 verbun¬ den. Die Treibereinheit 105 kann ebenfalls einen Transistor, beispielsweise einen MOSFET aufweisen, wobei der Drain- Anschluss mit der Versorgungsspannungsquelle UB, der Gate- Anschluss mit der Freigabeeinheit 106 und der Source- Anschluss mit der Last 104 verbunden ist. Die Freigabeeinheit 106 ist des Weiteren mit dem Mikrokontroller verbunden. Bei einem normalen Spannungsbetrieb wird die hochspannungsseitige
Treibereinheit 102 verwendet, um den Ausgang bzw. die Last 104 mit der Versorgungsspannung zu versorgen. Zur selben Zeit wird die Zwischenspeichereinheit 101 geladen. Bei einem Abfall oder Ausfall der Versorgungsspannung beziehungsweise der Versorgungsspannungsquelle UB wird die hochspannungsseitige Treibereinheit 102 aufgrund einer zu niedrigen Spannung abgeschaltet. Die Freigabeeinheit 106 wird durch den Mikrokon- troller 103 geschaltet, so dass die Freigabeeinheit 106 die Verbindung zwischen der Zwischenspeichereinheit 101 und der niederspannungsseitigen Treibereinheit 105 durchschaltet. Der Eingang der niederspannungsseitigen Treibereinheit 105 wird daraufhin von der Zwischenspeichereinheit 101 mit Energie versorgt, deren Spannungsniveau hoher ist als das der Versorgungsspannung. Die niederspannungsseitige Treibereinheit 105 wird aktiviert, da die Spannung zwischen Gate- und Source-
Anschluss hoch genug ist. Das virtuelle Erdungspotential dieses Systems ist der Ausgang an die Last. Wenn die Versorgungsspannung wieder zu einem normalen Niveau, beispielsweise 12 V, zurückkehrt, wird die hochspannungsseitige Treiberein- heit 102 wieder eingeschaltet. Das virtuelle Erdungsspan- nungsniveau ist dann nahe dem Versorgungsspannungsniveau und die niederspannungsseitige Treibereinheit 105 wird wieder ab¬ geschaltet. Durch dieses System wird erreicht, dass die Spannung an der Last zwar mit der Versorgungsspannung abfallt, jedoch nicht unter ein bestimmtes Niveau fallt, da bei einem Abfall der Versorgungsspannung die niederspannungsseitige Treibereinheit 105 eingeschaltet wird, um die Last mit einer Spannung zu versorgen. Diese Spannung kann beispielsweise bis auf 2 V abfallen. Die Last kann beispielsweise ein Relais sein, welches auch bei einer niedrigen Spannung aktiviert bleiben kann. Bei modernen Fahrzeugarchitekturen ist es gewünscht, dass die Halbleitertreiberausgange auch bei sehr niedrigen Versorgungsspannungen für kurze Zeit, beispielsweise wahrend des Startens, zur Verfugung stehen. Zur selben Zeit wachst die Treiberleistungsfahigkeit hin zu hohen Aus¬ gangsstromen, beispielsweise mehr als 500 inA. Konventionelle integrierte Halbleitertreiber sind nur in der Lage, den Ausgang mit einer höheren Spannung zu betreiben. Um Ausgange wie
beispielsweise die Zündung (Terminal 15) oder den Starter (Terminal 50) zu betreiben, ist es aber notig, die Halblei- tertreiberschaltungen durchgehend zu betreiben.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfin- dungsgemaßen Treiberschaltung 100 gezeigt. Aus dieser Treiberschaltung ist ersichtlich, dass die Zwischenspeichereinheit 101 beispielsweise einen Kondensator 111 aufweisen kann, der wahrend des normalen Betriebs aufgeladen wird. Die Zwi- schenspeichereinheit weist in diesem Fall des Weiteren ver¬ schiedene Widerstände und Dioden auf. Bei einem Abfall der Versorgungsspannung steuert der Mikrokontroller 103 einen Schalter 120, beispielsweise einen Transistor, in der Freigabeeinheit 106, wodurch ein weiterer Schalter 121, beispiels- weise ein MOSFET, in der Freigabeeinheit durchschaltet, so dass die niederspannungsseitige Treibereinheit 105 mit einer Spannung aus der Zwischenspeichereinheit 101 versorgt wird. Die Zwischenspeichereinheit 101 kann des Weiteren eine Batte¬ rie sein, die eine elektrochemische Energie bereitstellt. Die niederspannungsseitige Treibereinheit 105 stellt daraufhin eine Minimalspannung an der Last 104 bereit. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die hochspannungsseitige Treibereinheit 102 statt eines Transistors auch einen Schalter 125 aufweisen.
In Fig. 3 ist ein möglicher Spannungsverlauf der Versorgungsspannung gezeigt. Die Versorgungsspannung UB fallt hierbei auf den Wert U3 ab, und bleibt auf diesem Wert über einen längeren Zeitraum. Durch diesen Abfall wurde ohne Verwendung einer erfmdungsgemaßen Treiberschaltung eine herkömmliche Treiberschaltung abschalten und eine externe Last nicht mehr weiter versorgt werden.
Aus Fig. 4 ist ein Spannungsverlauf mit Verwendung einer er- fmdungsgemaßen Treiberschaltung gezeigt. Die Versorgungs- Spannung UB und die Ausgangsspannung Uout/ die der Last zuge¬ führt wird, betragen 12 V, ebenso wie die Spannung Uz in dem Zwischenspeicher. Zum Zeitpunkt tl fallt die Versorgungsspannung UB auf unter 4V ab, wobei die Ausgangsspannung Uout
folgt. Zum Zeitpunkt t2 steigt die Versorgungsspannung UB wieder auf 12V an, ebenso wie die ihr folgende Ausgangsspannung Uout. Die Spannung Uz in dem Zwischenspeicher fallt ebenfalls zum Zeitpunkt tl ab, da sie nicht mehr von der Versor- gungsspannung UB geladen wird, fallt jedoch bis zum Zeitpunkt t2 lediglich auf 8V ab. Dadurch ist eine Spannungsversorgung für die niederspannungsseitige Treibereinheit gewährleistet. Die niederspannungsseitige Treibereinheit wird durch die Freigabeeinheit 106 eingeschaltet, die bereits zu einem Zeit- punkt tθ von dem Mikrokontroller eingeschaltet wird. Der
Zeitpunkt tθ kann sowohl zeitlich vor dem Abfall der Versorgungsspannung UB zum Zeitpunkt tl liegen, kann aber auch zeitgleich zum Zeitpunkt tl sein. Wenn die Freigabeeinheit die niederspannungsseitige Treibereinheit bereits vor dem Ab- fall der Versorgungsspannung aktiviert, wird erreicht, dass die Spannung an dem Eingang zur Last rechtzeitig abgefangen wird. Dies kann bei manchen Lasten erforderlich sein, bei anderen Lasten kann es auch ausreichend sein, die niederspannungsseitige Treibereinheit erst zum Zeitpunkt tl zu aktivie- ren. Eine Aktivierung in der Zeit zwischen tl und t2 ist e- benfalls möglich.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausfuhrungsformen lediglich eine beschrankte Auswahl an mogli- chen Ausfuhrungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausfuhrungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fach¬ mann mit den hier expliziten Ausfuhrungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausfuhrungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.