WO2020178334A1 - Steuergerät zum betätigen einer last und verfahren zum betreiben eines solchen steuergeräts - Google Patents

Steuergerät zum betätigen einer last und verfahren zum betreiben eines solchen steuergeräts Download PDF

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WO2020178334A1
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supply connection
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Bogdan DAN
Aurelian Kotlar
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Vitesco Technologies GmbH
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    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver

Definitions

  • Control device for actuating a load and method for operating such a control device
  • control devices for actuating loads based on predetermined or determined events are installed.
  • This can be, for example, an airbag control device which, on the basis of received and processed acceleration signals, generates control signals for a squib for triggering an airbag.
  • it can also be an engine control unit which, based on, for example, crankshaft angle, exhaust gas and other factors, is used to control a desired driving behavior
  • the information required for the combustion process generates signals for injection valves and ignition systems.
  • control devices In a vehicle, however, many other loads such as window lifters or windshield wipers as well as ohmic loads such as lamps or heating elements are switched on and off.
  • the corresponding control devices have electronic switching elements that are controlled via control units, often in the form of microprocessors or state machines.
  • control devices usually have two supply lines for connection to an energy source, for example the vehicle battery, but also communication lines, such as a CAN or LIN bus, for communication with other control devices.
  • communication lines such as a CAN or LIN bus
  • cables must be provided for connection to the corresponding loads.
  • control unit must have appropriate connections for connection to the
  • a control device for actuating a load is formed with a first supply connection and a second supply connection, the connection either of the first supply connection of the control device with a high supply voltage potential or the second
  • Supply voltage potential takes place across the load, with a controllable switching element that is connected between the first supply connection and the second supply connection, with a control unit that has a
  • control signal output which is connected to the control input of the controllable switching element, and which has a control signal connection, with a control signal transceiver, which has a first connection with the first supply connection and with a second connection with the
  • Control signal connection of the control unit is connected, and the one
  • first voltage supply unit which is connected to the control signal transceiver for its voltage supply, and which has a first supply connection and a second supply connection which is connected to the second supply connection of the control device, with a second voltage supply unit which is connected to a
  • Energy storage element is formed with the control unit to their
  • Voltage supply is connected, and which has a first supply connection, a second supply connection which is connected to the second supply connection of the control device, and a control input which is connected to the control output of the control signal transceiver, with a coil which is connected between the first supply connection and the controllable Switching element is connected and with a diode which has its anode with the connection point of the coil and the controllable switching element and with its cathode with the supply connection of the first voltage supply unit and the
  • Supply connection of the second voltage supply unit is connected.
  • the control unit is not continuously connected to the supply voltage, but via the switching element, which is controlled with pulse width modulation, and the load.
  • the energy for supplying the control device is made available in the active phases of the load by the energy storage element in the second voltage supply unit, which is charged in the switching pauses, which must have a minimum duration.
  • the control device communicates with other control devices that are supplied by the same voltage supply source via the supply lines by means of the
  • a further diode is provided whose cathode is connected to the first supply connection of the control device and with its anode to the connection point of the coil and the controllable switching element.
  • This additional diode is used to reduce voltage peaks that occur when the
  • Switching element on the coil arise to clamp in order to protect the switching element from overvoltage.
  • control device has a bandpass filter that is inserted between the first supply connection of the control device.
  • Control device and the first connection of the control signal transceiver is arranged.
  • the second voltage supply unit has a further output which is connected to a first control input of the control unit for transmitting information about the state of charge of the energy storage element. It is thus possible to determine the pulse width ratio when controlling the load not only according to the load conditions but also according to the state of charge of the
  • a current measuring device is arranged between the controllable switching element and the second supply connection, and is connected to a second control input of the control unit.
  • control unit has a control output that is connected to the control input of the second
  • Voltage supply unit is connected via an OR gate, via which the control output of the control signal transceiver is also connected to the control input of the second voltage supply unit.
  • control unit takes over the maintenance of the operation of the second voltage supply unit.
  • the task is also provided by a method of operating a
  • control device according to the invention is solved in which, depending on signals received by means of the control signal transceiver, the controllable switching element is controlled pulse-width-modulated via the control unit, the energy storage element being charged in the pauses between two pulses.
  • control device in series with the load with a supply voltage source, for example a
  • Energy storage element also flows through the load in the pulse pauses.
  • signals for the control signal transceiver can be received at times when the controllable
  • FIG. 1 shows a circuit example for a control device according to the invention
  • Figure 1 shows an inventive control device 1, which is a first
  • the two connections are internal to the control unit via a coil L, a controllable switching element SSE and a current measuring device SME
  • the first supply connection is intended to be connected directly to a positive potential of an energy source, for example a
  • Supply connection V_SW is intended to be connected to the lower potential of the energy source via a load (not shown in FIG. 1, Rioa d in FIG. 3).
  • the second supply connection V_SW represents a virtual ground VGND for the control device 1 or the electronic circuits formed therein.
  • the control device 1 has a control signal transceiver TRC, which has a first connection A1, a second connection A2 and a control output SA1. It is also connected to the virtual ground VGND and is supplied with a supply voltage from a first voltage supply unit SVE1.
  • the first connection A1 of the control signal transceiver TRC is connected to the first supply connection VBD of the control device 1 via a bandpass filter BPF.
  • the control device 1 also has a control unit MC, which can in particular be designed as a microcomputer, which has a control signal connection SSA which is connected to the second connection A2 of the control signal transceiver TRC in order to be able to exchange data with it.
  • the control unit MC also has a control signal output AMC which is connected to the
  • Control connection of the controllable switching element SSE is connected.
  • the controllable switching element SSE can be designed, for example, as a MOSFET or IGBT.
  • the control unit MC also has a first
  • the first voltage supply device SVE1 has a first
  • the first voltage supply unit SVE1 also has a second
  • Supply connection VA2 which is connected to the virtual ground VGND. It is also supplied with a supply voltage VDD which is supplied by a second voltage supply unit SVE2.
  • the supply voltage VDD is also applied to the control unit MC, which is also connected to the virtual ground VGND.
  • the second voltage supply unit SVE2 has a first
  • the further output A3 is connected to the first control input SE1 of the control unit MC, while the control input SE_SVE2 is connected to the output of an OR gate G, whose two inputs are connected to the control output SA1 of the signal transceiver TRC or to the second
  • Control output SA2 of the control unit NT are connected.
  • the supply connection VA4 of the second voltage supply device SVE 2 is connected to the virtual ground VGND, while the first
  • Supply connection VA3 is also connected to the cathode of the diode D1.
  • a further diode D2 is connected in parallel to the coil L, the cathode of which is connected to the first supply connection VBD of the control device 1. This further diode D2 serves as a freewheel for the coil L when the switching element SSE opens and the current flow through the coil L would be interrupted.
  • the control device 1 of Figure 1 is operated as follows. First of all, the controllable switching element SSE is open, so that no large current passes through an am second supply connection V_SW of the control device 1 connected load (Rioad, see Fig. 3) can flow. Only a current flows via the coil L, the diode D1 to the first voltage supply unit SV1 and from there via the second supply connection V_SW via the load to the lower potential of an energy supply source. This is shown with a dashed line in Figure 1
  • the first voltage supply unit SVE1 supplies the
  • Signal transceiver TRC receives and wakes it up from a sleep mode. This is indicated with a dotted line.
  • a wake-up signal is output at the control output SA1 of the control signal transceiver TRC and the second is output via the OR gate G to the second control input SE_SVE2
  • the control unit MC now takes over the control of the second
  • Control signal transceivers TRC TRC.
  • control device 1 receives a message about a pulse width for the pulse width modulated operation of the load.
  • Pulse width ratio can be between 0% (inactive load) and one
  • This received pulse width ratio is used for the cyclical activation of the controllable switching element SSE in order to supply the load with a corresponding predetermined average voltage.
  • the switching frequency is preferably fixed.
  • control unit MC is the controllable switching element SSE during the specified over the
  • Control signal transceiver TRC received duration with this pulse width ratio to operate the load.
  • the load current flows from the first
  • Circuit components of the control device 1 are supplied from this capacitor C.
  • the current measuring device SME is used to detect overcurrent situations so that in the event of danger, the control unit MC can switch off the controllable switching element SSE in order to protect the control device 1.
  • the control unit MC switches off the controllable switching element SSE.
  • the capacitor C is charged in the second voltage supply unit SVE2 via the coil L and the diode D1. This charging requirement limits the maximum prescribable pulse width ratio.
  • the control signal transceiver TRC exchanges information with others connected to the supply lines
  • the duration of communication time slots KZS is much shorter than the time span which is required to charge the capacitor C in the second voltage supply unit 2.
  • the current I_Ri 0ad which flows into the control device 1 at the first supply input VBD, is shown over time.
  • the load current I_Ri 0ad assumes a high value
  • the load is operated; in the breaks in between, a lower load current I_Ri 0ad can be seen, which slowly decreases as the charge on the capacitor C increases.
  • communication time slots KZS are indicated, in which communication between the control device 1 by means of the control signal transceiver TRC with other control devices connected to the
  • Supply line of a battery B are connected, usually takes place. However, it can also take place during the operation of the load if the
  • Control device 1 shown schematically in a supply network.
  • a control device 1 according to FIG. 1 is connected with its first supply connection VBD directly to the high potential of a battery B, while the second supply connection V_SW is connected to the lower potential, or ground potential GND, of battery B via a load Rioa d . It's a second one
  • Control device 2 is shown that is also supplied by battery B and, indicated by a dotted line, communicates with control device 1 via the supply lines.
  • FIG. 4 shows a second variant of a possible connection of a control device 1 'according to the invention, in which the second supply connection of the control device T is connected to the low potential GND of the battery B while the first supply connection V_SW is connected to the high potential of the battery via a load Rioa d B is connected.
  • a control device according to FIG. 1 can be used, in which the first supply connection is denoted by V_SW and the second supply connection is denoted by GND.
  • the second voltage supply unit SVE2 can, for example, as
  • Linear regulator be designed in which the capacitor C is arranged at its output or can for example also be formed with an up converter followed by a down converter, between which the capacitor C is arranged.
  • the value of the capacitor C can be greatly reduced, since the higher voltage that the boost converter generates enables a higher energy content with a lower capacity.
  • control device 1 can be operated with any number of switch-on phases of the load until a movement message is received via the
  • Control signal transceiver TRC is received, or if no further
  • control device 1 will go into sleep mode until a new wake-up signal is received from the control signal transceiver TRC via the supply lines.
  • the coil L should have a low ohmic resistance in order to
  • Another diode D2 connected in parallel is used to limit voltage peaks that arise at the coil when the controllable switching element SSE is opened, in order to protect the controllable switching element SSE from overvoltages.
  • the control signal transceiver TRC can permanently exchange messages with other control devices without having to pay attention to the switch-off times of the controllable switching element SSE if the coil L can be large enough.
  • the coil L must represent a high impedance for the control signal transceiver TRC, even when the controllable switching element SSE is switched on. This is only possible if no adverse effects on the ohmic resistance of the coil L are to be accepted while the controllable switching element SSE is switched on.
  • the load resistance Rioa d must have a sufficiently low impedance im
  • Control signal transceivers TRC must be chosen in such a way that they can reliably communicate with others in all operating conditions
  • control signal transceiver The characteristics of the control signal transceiver must be selected in such a way that they enable reliable system function and impair system components and nearby components in connection with EMC standards.

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Betätigen einer Last mit einem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und einem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW), wobei die Verbindung entweder des ersten Versorgungsanschlusses (VBD) des Steuergeräts mit einem hohen Versorgungsspannungspotential oder des zweiten Versorgungsanschlusses (V_SW) des Steuergeräts mit einem niederen Versorgungsspannungspotential (VGND) über die Last erfolgt, mit einem steuerbaren Schaltelement (SSE), das zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und dem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW) verschaltet ist,mit einer Steuereinheit (MC), die einen Steuersignalausgang (AMC) aufweist, der mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements (SW) verbunden ist, und die einen Steuersignalanschluss (SSA) aufweist, mit einem Steuersignaltransceiver (TRC), der mit einem ersten Anschluss (A1) mit dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und mit einem zweiten Anschluss (A2) mit dem Steuersignalanschluss (SSA) der Steuereinheit (MC) verbunden ist, und der einen Steuerausgang (SA1) aufweist,mit einer ersten Spannungsversorgungseinheit (SVE1), die mit dem Steuersignaltransceiver (TRC) zu dessen Spannungsversorgung verbunden ist, und die einen ersten Versorgungsanschluss (VA1) und einen zweiten Versorgungsanschluss (VA2), der mit dem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW) des Steuergeräts verbunden ist, aufweist,mit einer zweiten Spannungsversorgungseinheit (SVE2), die mit einem Energiespeicherelement (C) gebildet ist, die mit der Steuereinheit (MC) zu deren Spannungsversorgung verbunden ist, und die einen ersten Versorgungsanschluss (VA3), einen zweiten Versorgungsanschluss (VA4), der mit dem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW) des Steuergeräts verbunden ist, und einen Steuereingang (SE_SVE2) aufweist, der mit dem Steuerausgang (SA1) des Steuersignaltransceivers (TRC) verbunden ist,mit einer Spule (L), die zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und dem steuerbaren Schaltelement (SSE) verschaltet ist und mit einer Diode (D1), die mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt der Spule (L) und des steuerbaren Schaltelements (SSE) und mit ihrer Kathode mit dem Versorgungsanschluss (VA1) der ersten Spannungsversorgungseinheit (SVE1) und dem Versorgungsanschluss (VA3) der zweiten Spannungsversorgungseinheit (SVE2) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Steuergerät zum Betätigen einer Last und Verfahren zum Betreiben eines solchen Steuergeräts
In einem modernen Kraftfahrzeug wird eine große Anzahl von Steuergeräten zum Betätigen von Lasten aufgrund vorgegebener oder ermittelter Ereignisse verbaut. Dies kann beispielsweise ein Airbagsteuergerät sein, das aufgrund empfangener und verarbeiteter Beschleunigungssignale Ansteuersignale für eine Zündpille zum Auslösen eines Airbags erzeugt. Es kann aber auch ein Motorsteuergerät sein, das aufgrund von beispielsweise Kurbelwellenwinkel-, Abgas- und sonstigen für die Steuerung eines einem gewünschten Fahrverhalten entsprechenden
Verbrennungsvorgangs nötigen Informationen Signale für Einspritzventile und Zündanlagen erzeugt.
In einem Fahrzeug werden jedoch viele andere Lasten wie Fensterheber oder Scheibenwischer aber auch ohmsche Verbraucher wie Lampen oder Heizelemente ein- und ausgeschaltet. Hierfür weisen die entsprechenden Steuergeräte elektronische Schaltelemente auf, die über Steuereinheiten, häufig in Form von Mikroprozessoren oder Zustandsautomaten angesteuert werden.
Die Steuergeräte weisen für diese Aufgaben zumeist zwei Versorgungsleitungen zur Verbindung mit einer Energiequelle, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, aber auch Kommunikationsleitungen, wie beispielsweise ein CAN- oder LIN-Bus, zur Kommunikation mit anderen Steuergeräten auf. Außerdem müssen Leitungen zur Verbindung mit den entsprechenden Lasten vorgesehen werden. Darüber hinaus muss das Steuergerät entsprechende Anschlüsse zur Verbindung mit den
Leitungen aufweisen.
Solche Steuergeräte sind in der DE 10 2007 002 953 A1 und der US 5,672,917 dargestellt und beschrieben.
Die genannten Anschlüsse verteuern das Steuergerät und die Leitungen verursachen ein hohes Gewicht im Kabelbaum, benötigen viel Platz und erhöhen die Kosten. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine weniger aufwändige und damit kostengünstigere Lösung anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät zum Betätigen einer Last gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Steuergeräts nach Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Steuergerät zum Betätigen einer Last gebildet mit einem ersten Versorgungsanschluss und einem zweiten Versorgungsanschluss, wobei die Verbindung entweder des ersten Versorgungsanschlusses des Steuergeräts mit einem hohen Versorgungsspannungspotential oder des zweiten
Versorgungsanschlusses des Steuergeräts mit einem niederen
Versorgungsspannungspotential über die Last erfolgt, mit einem steuerbaren Schaltelement, das zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss verschaltet ist, mit einer Steuereinheit, die einen
Steuersignalausgang aufweist, der mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements verbunden ist, und die einen Steuersignalanschluss aufweist, mit einem Steuersignaltransceiver, der mit einem ersten Anschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss und mit einem zweiten Anschluss mit dem
Steuersignalanschluss der Steuereinheit verbunden ist, und der einen
Steuerausgang aufweist, mit einer ersten Spannungsversorgungseinheit, die mit dem Steuersignaltransceiver zu dessen Spannungsversorgung verbunden ist, und die einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versorgungsanschluss, der mit dem zweiten Versorgungsanschluss des Steuergeräts verbunden ist, aufweist, mit einer zweiten Spannungsversorgungseinheit, die mit einem
Energiespeicherelement gebildet ist, die mit der Steuereinheit zu deren
Spannungsversorgung verbunden ist, und die einen ersten Versorgungsanschluss, einen zweiten Versorgungsanschluss, der mit dem zweiten Versorgungsanschluss des Steuergeräts verbunden ist, und einen Steuereingang aufweist, der mit dem Steuerausgang des Steuersignaltransceivers verbunden ist, mit einer Spule, die zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem steuerbaren Schaltelement verschaltet ist und mit einer Diode, die mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt der Spule und des steuerbaren Schaltelements und mit ihrer Kathode mit dem Versorgungsanschluss der ersten Spannungsversorgungseinheit und dem
Versorgungsanschluss der zweiten Spannungsversorgungseinheit verbunden ist. Durch die Verbindung entweder des ersten Versorgungsanschlusses des erfindungsgemäßen Steuergeräts mit einem hohen
Versorgungsspannungspotential oder des zweiten Versorgungsanschlusses des Steuergeräts mit einem niederen Versorgungsspannungspotential über die Last wird ein eigener Masseanschluss des Steuergeräts eingespart. Das Steuergerät wird dabei nicht kontinuierlich mit der Versorgungsspannung verbunden, sondern über das pulsweitenmoduliert angesteuerte Schaltelement und die Last. Die Energie zur Versorgung des Steuergeräts wird in den aktiven Phasen der Last durch das Energiespeicherelement in der zweiten Spannungsversorgungseinheit zur Verfügung gestellt, das in den Schaltpausen, die eine Mindestdauer haben müssen, aufgeladen wird. Außerdem findet eine Kommunikation des Steuergeräts mit weiteren Steuergeräten, die von der gleichen Spannungsversorgungsquelle versorgt werden, über die Versorgungsleitungen mittels des
Steuersignaltransceivers statt. Es werden also auch spezielle
Kommunikationsleitungen eingespart.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Steuergeräts ist eine weitere Diode vorgesehen, die mit ihrer Kathode mit dem ersten Versorgungsanschluss des Steuergeräts und mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt der Spule und des steuerbaren Schaltelements verbunden ist.
Diese weitere Diode dient dazu, Spannungsspitzen, die beim Öffnen des
Schaltelements an der Spule entstehen, zu klemmen, um das Schaltelement vor Überspannung zu schützen.
Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Steuergeräts weist ein Bandpassfilter auf, das zwischen dem ersten Versorgungsanschluss des
Steuergeräts und dem ersten Anschluss des Steuersignaltransceivers angeordnet ist.
Hierdurch werden Störsignale bei der Informationsübertragung ausgefiltert.
In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Steuergeräts weist die zweite Spannungsversorgungseinheit einen weiteren Ausgang auf, der mit einem ersten Steuereingang der Steuereinheit zur Übermittlung einer Information über den Ladezustand des Energiespeicherelements verbunden ist. Es ist damit möglich, das Pulsweitenverhältnis bei der Ansteuerung der Last nicht nur nach den Lastbedingungen sondern auch nach dem Ladezustand des
Energiespeicherelements zu gestalten, da bei geringer Ladung des
Energiespeicherelements längere Pulspausen erforderlich sind, um eine
Versorgung des Steuergeräts während der aktiven Phasen der Last
aufrechterhalten zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Steuergeräts ist zwischen dem steuerbaren Schaltelement und dem zweiten Versorgungsanschluss eine Strommesseinrichtung angeordnet, die mit einem zweiten Steuereingang der Steuereinheit verbunden ist.
Hierdurch können Überströme erkannt und geeignete Maßnahmen, beispielsweise Abschalten der Last, eingeleitet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Steuergeräts weist die Steuereinheit einen Steuerausgang auf, der mit dem Steuereingang der zweiten
Spannungsversorgungseinheit über ein ODER-Gatter verbunden ist, über das auch der Steuerausgang des Steuersignaltransceivers mit dem Steuereingang der zweiten Spannungsversorgungseinheit verbunden ist.
Damit übernimmt nach dem Aufwecken des Steuergeräts die Steuereinheit die Aufrechterhaltung des Betriebs der zweiten Spannungsversorgungseinheit.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines
erfindungsgemäßen Steuergeräts gelöst, bei dem abhängig von Signalen, die mittels des Steuersignaltransceivers empfangen wurden, über die Steuereinheit das steuerbare Schaltelement pulsweitenmoduliert angesteuert wird, wobei in den Pausen zwischen zwei Pulsen das Energiespeicherelement aufgeladen wird.
Hierdurch ist es in erfindungsgemäßer weise möglich, das Steuergerät in Serie mit der Last mit einer Versorgungspannungsquelle, beispielsweise einer
Fahrzeugbatterie, zu verbinden, wobei der Ladestrom für das
Energiespeicherelement in den Pulspausen ebenfalls über die Last fließt.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Signale für den Steuersignaltransceiver zu Zeiten empfangbar, in denen das steuerbare
Schaltelement nicht schließend angesteuert wird. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Steuergerät,
Fig. 2 einen Stromverlauf für den Eingangsstrom eines erfindungsgemäßen
Steuergeräts,
Fig. 3 eine erste Möglichkeit des Betriebs eines erfindungsgemäßen Steuergeräts und
Fig.4 eine zweite Möglichkeit des Betriebs eines erfindungsgemäßen
Steuergeräts.
Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 , das einen ersten
Versorgungsanschluss VBD sowie einen zweiten Versorgungsanschluss V_SW aufweist. Die beiden Anschlüsse sind Steuergeräte-intern über eine Spule L, ein steuerbares Schaltelement SSE sowie eine Strommesseinrichtung SME
miteinander verbunden. Der erste Versorgungsanschluss ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergeräts dazu bestimmt, direkt mit einem positiven Potential einer Energiequelle, beispielsweise einer
Fahrzeugbatterie, verbunden zu werden, während der zweite
Versorgungsanschluss V_SW über eine (in Fig. 1 nicht dargestellte, Rioad in Fig. 3) Last mit dem niederen Potential der Energiequelle verbunden werden soll. Dabei stellt der zweite Versorgungsanschluss V_SW eine virtuelle Masse VGND für das Steuergerät 1 bzw. die darin ausgebildeten elektronischen Schaltungen dar.
Das Steuergerät 1 weist einen Steuersignaltransceiver TRC auf, der einen ersten Anschluss A1 , einen zweiten Anschluss A2 sowie einen Steuerausgang SA1 aufweist. Er ist außerdem mit der virtuellen Masse VGND verbunden und wird mit einer Versorgungsspannung von einer ersten Spannungsversorgungseinheit SVE1 versorgt. Der erste Anschluss A1 des Steuersignaltransceivers TRC ist über einen Bandpassfilter BPF mit dem ersten Versorgungsanschluss VBD des Steuergeräts 1 verbunden.
Das Steuergerät 1 weist des Weiteren eine Steuereinheit MC, die insbesondere als Mikrocomputer ausgebildet sein kann, auf, die einen Steuersignalanschluss SSA aufweist, der mit dem zweiten Anschluss A2 des Steuersignaltransceivers TRC verbunden ist, um mit diesem Daten austauschen zu können. Die Steuereinheit MC weist des Weiteren einen Steuersignalausgang AMC auf, der mit dem
Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements SSE verbunden ist. Das steuerbare Schaltelement SSE kann beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet sein. Die Steuereinheit MC weist außerdem einen ersten
Steuereingang SE1 und einen zweiten Steuereingang SE2 auf, wobei der zweite Steuereingang SE2 mit der Strommesseinrichtung SME verbunden ist.
Die erste Spannungsversorgungseinrichtung SVE1 weist einen ersten
Versorgungsanschluss VA1 auf, der über eine Diode D1 mit dem Verbindungspunkt der Spule L und dem steuerbaren Schaltelement SSE verbunden ist. Die erste Spannungsversorgungseinheit SVE1 weist außerdem einen zweiten
Versorgungsanschluss VA2 auf, der mit der virtuellen Masse VGND verbunden ist. Sie wird überdies mit einer Versorgungsspannung VDD versorgt, die von einer zweiten Spannungsversorgungseinheit SVE2 geliefert wird. Diese
Versorgungsspannung VDD liegt auch an der Steuereinheit MC an, die außerdem ebenfalls mit der virtuellen Masse VGND verbunden ist.
Die zweite Spannungsversorgungseinheit SVE2 weist einen ersten
Versorgungsanschluss VA3 sowie einen zweiten Versorgungsanschluss VA4 auf. Sie weist außerdem einen Steuereingang SE_SVE2 sowie einen weiteren Ausgang A3 auf. Der weitere Ausgang A3 ist mit dem ersten Steuereingang SE1 der Steuereinheit MC verbunden, während der Steuereingang SE_SVE2 mit dem Ausgang eines ODER-Gatters G verbunden ist, dessen beide Eingänge mit dem Steuerausgang SA1 des Signaltransceivers TRC bzw. mit dem zweiten
Steuerausgang SA2 der Steuereinheit NT verbunden sind. Der zweite
Versorgungsanschluss VA4 der zweiten Spannungsversorgungseinrichtung SVE 2 ist mit der virtuellen Masse VGND verbunden, während der erste
Versorgungsanschluss VA3 ebenfalls mit der Kathode der Diode D1 verbunden ist.
Der Spule L ist eine weitere Diode D2 parallelgeschaltet, wobei deren Kathode mit dem ersten Versorgungsanschluss VBD des Steuergeräts 1 verbunden ist. Diese weitere Diode D2 dient als Freilauf für die Spule L, wenn das Schaltelement SSE öffnet und den Stromfluss durch die Spule L unterbrechen würde.
Das Steuergerät 1 der Figur 1 wird dabei wie folgt betrieben. Zunächst ist das steuerbare Schaltelement SSE geöffnet, so dass kein großer Strom über eine am zweiten Versorgungsanschluss V_SW des Steuergeräts 1 angeschlossene Last (Rioad, siehe Fig. 3) fließen kann. Es fließt lediglich ein Strom über die Spule L, die Diode D1 zur ersten Spannungsversorgungseinheit SV1 und von dort über den zweiten Versorgungsanschluss V_SW über die Last zum niederen Potential einer Energieversorgungsquelle. Dies ist mit einer strichlierten Linie in Figur 1
angedeutet. Die erste Spannungsversorgungseinheit SVE1 versorgt den
Signaltransceiver TRC und ermöglicht auch einen Betrieb des ODER-Gatters G.
Wenn über den ersten Versorgungsanschluss VBD des Steuergeräts 1 , also über die Versorgungsleitung, eine Information übertragen wird, wird diese vom
Signaltransceiver TRC empfangen und weckt diesen aus einem Schlafmodus auf. Dies ist mit einer punktierten Linie angedeutet. Am Steuerausgang SA1 des Steuersignaltransceivers TRC wird ein Wecksignal ausgegeben und über das ODER-Gatter G an den zweiten Steuereingang SE_SVE2 der zweiten
Spannungsversorgungseinheit SVE2 angelegt. Hierdurch wird das gesamte Steuergerät 1 aktiviert und nimmt seine Arbeit auf.
Die Steuereinheit MC übernimmt nun die Kontrolle der zweiten
Spannungsversorgungseinheit SVE2 über ihren Steuerausgang SA2 und das ODER-Gatter G, so dass die zweite Spannungsversorgungseinheit SVE 2 aktiv bleibt unabhängig vom Signalzustand am Signalausgang SA1 des
Steuersignaltransceivers TRC.
Als nächstes wird angenommen, dass das Steuergerät 1 eine Nachricht über eine Pulsweite für den pulsweitenmodulierten Betrieb der Last empfängt. Das
Pulsweitenverhältnis kann dabei zwischen 0 % (inaktive Last) und einem
vorgegebenen Maximalverhältnis sein, das nie 100 % sein darf, jedoch im Bereich von 90 bis 95 % liegen kann. Dieses empfangene Pulsweitenverhältnis wird zum zyklischen Ansteuern des steuerbaren Schaltelements SSE verwendet, um die Last mit einer dem entsprechenden vorgegebenen mittleren Spannung zu versorgen. Die Schaltfrequenz ist dabei vorzugsweise fest.
Falls das Pulsweitenverhältnis größer 0 % ist, wird die Steuereinheit MC das steuerbare Schaltelement SSE während der vorgegebenen, über den
Steuersignaltransceiver TRC empfangenen Dauer mit diesem Pulsweitenverhältnis ansteuern, um die Last zu betreiben. Der Laststrom fließt dabei vom ersten
Versorgungsanschluss VBD des Steuergeräts 1 über die Spule L, das steuerbare Schaltelement SSE, die Strommesseinrichtung SME über den zweiten Versorgungsanschluss V_SW und die Last. Dies ist mit einer strichpunktierten Linie angedeutet.
Während dieser Zeit, während das steuerbare Schaltelement SSE eingeschaltet ist, ist der Spannungsabfall zwischen der Anode der Diode D1 und der virtuellen Masse VGND gering, so dass die zweite Spannungsversorgungseinheit SVE2 nicht ausreichend versorgt wird und damit der darin ausgebildete Speicherkondensator C nur unwesentlich geladen wird. Stattdessen werden die weiteren
Schaltungsbestandteile des Steuergeräts 1 aus diesem Kondensator C versorgt.
Die Strommesseinrichtung SME dient dazu, Überstromsituationen zu detektieren, so dass im Gefahrenfall die Steuereinheit MC das steuerbare Schaltelement SSE ausschalten kann, um das Steuergerät 1 zu schützen.
Nachdem die über das Pulsweitenverhältnis vorgegebene Dauer des Betreibens der Last während einer Periode abgelaufen ist, schaltet die Steuereinheit MC das steuerbare Schaltelement SSE aus. Während dieser Ausschaltzeit wird der Kondensator C in der zweiten Spannungsversorgungseinheit SVE2 über die Spule L und die Diode D1 geladen. Dieses Ladeerfordernis begrenzt das maximal vorgebbare Pulsweitenverhältnis. Während dieser Zeit, während das steuerbare Schaltelement SSE ausgeschaltet ist, tauscht der Steuersignaltransceiver TRC Information mit anderen an den Versorgungsleitungen angeschlossenen
Steuergeräten aus. Allgemein ist die Dauer von Kommunikationszeitschlitzen KZS viel geringer als die Zeitspanne, die erforderlich ist, um den Kondensator C in der zweiten Spannungsversorgungseinheit 2 aufzuladen.
In der Figur 2 ist der Strom l_Ri0ad, der am ersten Versorgungseingang VBD in das Steuergerät 1 hineinfließt, über der Zeit dargestellt. In den Zeiten, in denen der Laststrom l_Ri0ad einen hohen Wert annimmt, wird die Last betrieben, in den Pausen dazwischen ist ein geringerer Laststrom l_Ri0ad zu erkennen, der langsam abnimmt in dem Maße, wie die Ladung des Kondensators C zunimmt. Außerhalb der zeitdauern, in denen die Last betrieben wird, sind Kommunikationszeitschlitze KZS angedeutet, in denen eine Kommunikation des Steuergeräts 1 mittels des Steuersignaltransceivers TRC mit anderen Steuergeräten, die an die
Versorgungsleitung einer Batterie B angeschlossen sind, üblicherweise erfolgt. Sie kann jedoch auch während des Betreibens der Last erfolgen, wenn die
Dimensionierung der Spule L dies erlaubt. In der Figur 3 ist eine erste mögliche Anordnung eines erfindungsgemäßen
Steuergeräts 1 in einem Versorgungsnetzwerk schematisch dargestellt. Hier ist ein Steuergerät 1 gemäß der Figur 1 mit seinem ersten Versorgungsanschluss VBD direkt mit den hohen Potential einer Batterie B verbunden, während der zweite Versorgungsanschluss V_SW über eine Last Rioad mit dem niederen Potential, bzw. dem Massepotential GND, der Batterie B verbunden ist. Es ist ein zweites
Steuergerät 2 dargestellt, dass ebenfalls von der Batterie B versorgt wird und angedeutet durch eine punktierte Linie über die Versorgungsleitungen mit dem Steuergerät 1 kommuniziert.
Die Figur 4 zeigt eine zweite Variante eines möglichen Anschlusses eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 1‘, bei dem der zweite Versorgungsanschluss des Steuergeräts T mit dem niederen Potential GND der Batterie B verbunden ist während der erste Versorgungsanschluss V_SW über eine Last Rioad mit dem hohen Potential der Batterie B verbunden ist. Hierzu kann ein Steuergerät gemäß Figur 1 verwendet werden, bei dem der erste Versorgungsanschluss mit V_SW und der zweite Versorgungsanschluss mit GND bezeichnet ist.
Die zweite Spannungsversorgungseinheit SVE2 kann beispielsweise als
Linearregler ausgebildet sein, bei dem der Kondensator C an dessen Ausgang angeordnet ist oder kann beispielsweise auch mit einem Aufwärtswandler gefolgt von einem Abwärtswandler gebildet sein, zwischen denen der Kondensator C angeordnet ist. Im weiteren Fall kann der Wert des Kondensators C stark verringert werden, da die höhere Spannung, die der Aufwärtswandler erzeugt, einen höheren Energieinhalt mit geringerer Kapazität ermöglicht.
Auf diese Weise kann das Steuergerät 1 mit beliebig vielen Einschaltphasen der Last betrieben werden bis eine Bewegungsnachricht über den
Steuersignaltransceiver TRC empfangen wird, oder wenn keine weitere
Kommunikation erfolgt nach einer vorgegebenen Zeitdauer. Hierdurch wird das Steuergerät 1 in den Schlafmodus übergehen, bis ein neues Wecksignal vom Steuersignaltransceiver TRC über die Versorgungsleitungen empfangen wird.
Die Spule L dient dazu, kapazitive Effekte des steuerbaren Schaltelements SSE im ausgeschalteten Zustand oberhalb bestimmter Frequenzen, in denen das
Kommunikationsfrequenzband des Steuersignaltransceivers liegt, zu beseitigen. Die Spule L sollte einen geringen ohmschen Widerstand aufweisen, um
Leistungsverluste während der Einschaltzeiten zu verringern. Die der Spule L parallelgeschaltete weitere Diode D2 dient dazu, Spannungspitzen, die an der Spule beim Öffnen des steuerbaren Schaltelements SSE entstehen, zu begrenzen, um das steuerbare Schaltelement SSE vor Überspannungen zu schützen.
Der Steuersignaltransceiver TRC kann permanent Nachrichten mit anderen Steuergeräten austauschen, ohne auf Ausschaltzeitdauern des steuerbaren Schaltelements SSE achten zu müssen, wenn die Spule L groß genug sein kann. In diesem Fall muss die Spule L eine hohe Impedanz für den Steuersignaltransceiver TRC darstellen, auch wenn das steuerbare Schaltelement SSE eingeschaltet ist. Dies ist nur möglich, wenn keine nachteiligen Auswirkungen auf den ohmschen Widerstand der Spule L während des eingeschalteten steuerbaren Schaltelements SSE in Kauf zu nehmen sind.
Der Lastwiderstand Rioad muss eine ausreichend geringe Impedanz im
Kommunikationsfrequenzband des Steuersignaltransceivers TRC aufweisen, so dass die Kommunikationssignale nicht gedämpft werden. Dies ist üblicherweise durch eine rein ohmsche Last erfüllt.
Die Charakteristik der Versorgungsleitungen im System und diese des
Steuersignaltransceivers TRC müssen derart gewählt sein, dass sie eine verlässliche Kommunikation in allen Betriebsbedingungen mit anderen
Steuergeräten ermöglicht.
Die Charakteristik des Steuersignaltransceivers muss derart gewählt sein, dass sie eine zuverlässige Systemfunktion ermöglichen und Systemkomponenten und nahegelegene Komponenten in Verbindung mit EMC-Normen beeinträchtigen.

Claims

Patentansprüche
1. Steuergerät zum Betätigen einer Last
mit einem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und einem zweiten
Versorgungsanschluss (V_SW),
wobei die Verbindung entweder des ersten Versorgungsanschlusses (VBD) des Steuergeräts mit einem hohen Versorgungsspannungspotential oder des zweiten Versorgungsanschlusses (V_SW) des Steuergeräts mit einem niederen
Versorgungsspannungspotential (VGND) über die Last erfolgt,
mit einem steuerbaren Schaltelement (SSE), das zwischen dem ersten
Versorgungsanschluss (VBD) und dem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW) verschaltet ist,
mit einer Steuereinheit (MC), die einen Steuersignalausgang (AMC) aufweist, der mit dem Steuereingang des steuerbaren Schaltelements (SW) verbunden ist, und die einen Steuersignalanschluss (SSA) aufweist,
mit einem Steuersignaltransceiver (TRC), der mit einem ersten Anschluss (A1 ) mit dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und mit einem zweiten Anschluss (A2) mit dem Steuersignalanschluss (SSA) der Steuereinheit (MC) verbunden ist, und der einen Steuerausgang (SA1 ) aufweist,
mit einer ersten Spannungsversorgungseinheit (SVE1 ), die mit dem
Steuersignaltransceiver (TRC) zu dessen Spannungsversorgung verbunden ist, und die einen ersten Versorgungsanschluss (VA1 ) und einen zweiten
Versorgungsanschluss (VA2), der mit dem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW) des Steuergeräts verbunden ist, aufweist,
mit einer zweiten Spannungsversorgungseinheit (SVE2), die mit einem
Energiespeicherelement (C) gebildet ist, die mit der Steuereinheit (MC) zu deren Spannungsversorgung verbunden ist, und die einen ersten Versorgungsanschluss (VA3), einen zweiten Versorgungsanschluss (VA4), der mit dem zweiten
Versorgungsanschluss (V_SW) des Steuergeräts verbunden ist, und einen
Steuereingang (SE_SVE2) aufweist, der mit dem Steuerausgang (SA1 ) des Steuersignaltransceivers (TRC) verbunden ist,
mit einer Spule (L), die zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) und dem steuerbaren Schaltelement (SSE) verschaltet ist
und mit einer Diode (D1 ), die mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt der Spule (L) und des steuerbaren Schaltelements (SSE) und mit ihrer Kathode mit dem Versorgungsanschluss (VA1 ) der ersten Spannungsversorgungseinheit (SVE1 ) und dem Versorgungsanschluss (VA3) der zweiten Spannungsversorgungseinheit (SVE2) verbunden ist.
2. Steuergerät nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine weitere Diode (D2), die mit ihrer Kathode mit dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) des Steuergeräts und mit ihrer Anode mit dem Verbindungspunkt der Spule (L) und des steuerbaren Schaltelements (SSE) verbunden ist.
3. Steuergerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Bandpassfilter (BPF), das zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (VBD) des Steuergeräts und dem ersten Anschluss (A1 ) des Steuersignaltransceivers (TRC) angeordnet ist.
4. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Spannungsversorgungseinheit (SVE2) einen weiteren Ausgang (A3) aufweist, der mit einem ersten Steuereingang (SE1 ) der Steuereinheit (MC) zur Übermittlung einer Information über den Ladezustand des Energiespeicherelements (C) verbunden ist.
5. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem steuerbaren Schaltelement (SSE) und dem zweiten Versorgungsanschluss (V_SW) eine Strommesseinrichtung (SME) angeordnet ist, die mit einem zweiten
Steuereingang (SE2) der Steuereinheit (MC) verbunden ist.
6. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Steuereinheit (MC) einen Steuerausgang (SA2) aufweist, der mit dem
Steuereingang (SV_SE2) der zweiten Spannungsversorgungseinheit (SVE2) über ein ODER-Gatter (G) verbunden ist, über das auch der Steuerausgang (SA2) des Steuersignaltransceivers (TRC) mit dem Steuereingang (SV_SE2) der zweiten Spannungsversorgungseinheit (SVE2) verbunden ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Steuergeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem abhängig von Signalen, die mittels des Steuersignaltransceivers (TRC) empfangen wurden, über die Steuereinheit (MC) das steuerbare Schaltelement (SSE) pulsweitenmoduliert angesteuert wird, wobei in den Pausen zwischen zwei Pulsen das Energiespeicherelement (C) aufgeladen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem Signale für den Steuersignaltransceiver (TRC) zu Zeiten empfangbar sind, in denen das steuerbare Schaltelement (SSE) nicht schließend angesteuert wird.
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