DE10125812A1

DE10125812A1 - Betätigungsvorrichtung für Sicherheitsvorrichtungen, insbesondere an Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10125812A1
Application number: DE2001125812
Authority: DE
Inventors: Bernhard Johannes Kirsch
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2001-05-26
Filing date: 2001-05-26
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-05-27
Also published as: DE10125812B4

Abstract

Ein Aktor für insbesondere bei Kraftfahrzeugen im Falle eines Unfalles zu betätigende Sicherheitsvorrichtung zum Schutz der Insassen soll als autarker Magnetaktor ausgebildet sein. Dazu wird eine Magnetspule vorgeschlagen, die an einem verlustarmen Hybrid-Kondensator vom Zustand der Kraftfahrzeugbatterie und deren Zuleitungen unabhängig wirksam ist, wobei dem Hybrid-Kondensator eine Langzeitbatterie parallel geschaltet ist und wobei diese Parallelanordnung mit der Magnetspule sowie einem steuerbaren, impulsweise arbeitenden Einschalter in Reihe liegen und die Langzeitbatterie die Leckströme der Schaltung auszugleichen vermag.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, auch als Aktor bezeichnet, für insbesondere bei Kraftfahrzeugen im Falle eines Unfalles zu betätigenden Sicher heitsvorrichtung zum Schutze der Insassen.

Es ist bekannt, dass in Personenkraftwagen Sicherheitsvorrichtungen integriert werden, die bei Unfällen die Benutzer desselben schützen sollen. Insbesondere werden Fahrer-, Beifahrer- und Seitenairbags benutzt; hierzu kommen sekundäre Schutzsysteme wie Überrollschutzbügel, Absperrventile für Kraftstoffleitungen, Gurtstraffer, Batterietrenner sowie weitere Schutzvorrichtungen, beispielsweise zum Lösen oder Schließen mechanisch starrer Verbindungen. Diese Sicherheits vorrichtungen sind während des üblichen Einsatzes des Fahrzeuges inaktiv und sind im Falle eines Unfalles zu ihrer Aktivierung einmalig mit relativ hoher Energie auszulösen.

Zur Aktivierung von Sicherheitsvorrichtung werden überwiegend pyrotechnische Aktoren verwendet, die durch einen elektrischen Zündimpuls ausgelöst werden. Die Energie für einen solchen Zündimpuls kann einem von der Fahrzeugbatterie aufgeladenen Elektrolytkondensator entnommen werden. Dieser Kondensator kann die zur Auslösung benötigte Energie auch dann liefern, wenn durch den Un fall die Verbindung zur Hauptenergiequelle, beispielsweise der Kraftfahrzeugbatte rie, unterbrochen worden ist. Durch diese Lösung wird bereits eine Autarkie der Sicherheitsvorrichtung erreicht. Hierbei machen sich jedoch Alterungs- und Korro sionsvorgänge nachteilig bemerkbar, welche die Kapazität der Kondensatoren und damit ihre Speicherfähigkeit unkontrolliert mindern oder gar aufheben.

Magnetaktoren haben gegenüber pyrotechnischen den Vorteil wiederholter Be nutzbarkeit, so daß sie mehrfach auslösbar sind und damit ihre Arbeitsfähigkeit durch Messungen beurteilt werden kann. Allerdings bereitet die Autarkie große Schwierigkeiten, da Magnetaktoren einen höheren Strom- und Leistungsbedarf aufweisen als Pyroaktoren.

Es sind bereits Kombinationen von Kondensatoren mit deren Ladezustand erhal tenden Langzeitbatterien bekannt, welche die fließenden Leckströme kompensie ren und die konstante Ladung der Kondensatoren sichern. Schwierigkeiten erge ben sich jedoch im praktischen Einsatz, da auch die weiteren Schaltelemente ei nes Magnetaktors Leckströme aufweisen können, die nicht ohne weiteres ergänzt werden. Die größten Schwierigkeiten aber ergeben sich durch die unterschiedli chen Betriebstemperaturen: So kann ein in einer Winternacht geparkter Wagen durchaus Temperaturen von unter minus 20°C erreichen, während unter der Mo torhaube im Betriebsfalle im Sommer 90°C Wärme herrschen können. Diese Temperaturen wirken nicht nur auf die Leckströme ein, auch die Kapazität und damit die zur Entladung anstehenden Ströme ändern sich ebenso wie bspw. der Innenwiderstand der Magnetspule und damit die zum Auslösen des Magnetaktors im Betriebsfalle benötigte Spannung.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, einen Magnetaktor zu schaffen, der über lange Zeit, beispielsweise 10 bis 12 Jahre, die zur kurzzeitigen Betäti gung nötige Energie zu speichern vermag und damit autark ist. Darüber hinaus soll dieser autarke Magnetaktor Messungen und Prüfungen seiner Arbeitsfähigkeit zugänglich sein. Er soll weiterhin in der Lage sein, die zur Aktivierung der Sicher heitsvorrichtungen nötige Energie über eine definierte Zeit kontrolliert abzugeben, also modulierbar zu sein, um die für die Sicherheitsvorrichtung optimalen Auslöse signale bewirken zu können. Diese Auslösesignale sind auf die jeweilige Betrieb stemperatur des Magnetaktors abzustimmen, indem, bspw. zur Berücksichtigung unterschiedlicher Kapazitäten und Innenwiderstände der Magnetspule die Steue rung in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur erfolgt.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem der mit der Langzeitbatterie parallel geschaltete Kondensator über einen steuerbaren, impulsweise arbeitenden Einschalter an die Magnetspule angeschlossen ist. Hierdurch ergeben sich die folgenden Möglich keiten: Die Batterie ergänzt während der Betriebszeit ständig Leckströme, bspw. des Kondensators und des steuerbaren Einschalters. Die Magnetspule ist hierbei so dimensioniert, dass die niedrige Spannung von Batterie und Kondensator zur Erzeugung des im Betriebsfalle nötigen Stromes ausreicht. Hierbei wird der Ab schnüreffekt des als Feldeffekttransistor ausgebildeten Einschalters (Pinch-off) benutzt, den maximalen Entnahmestrom aus dem Kondensator zu begrenzen. Um eine schädliche, völlige Entladung des Kondensators zu vermeiden, jedoch den zum Betriebe benötigten Strom zu sichern, wird der Einschalter zweckmäßig tem peraturabhängig impulsweise geschlossen, wobei entsprechende Länge der Schaltimpulse und/oder eine mehrfache Betätigung den benötigten Strom sichern.

Zweckmäßige, vorteilhafte und auch erfinderische Weiterbildungen sind im einzel nen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Beschrieben ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles. Es zeigen hierbei:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild des Aktors, und

Fig. 2 bis 4 Diagramme zur Erläuterung des Ausführungsbeispieles.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Teile eines Magnetaktors im Schaltbild dargestellt. Die Magnetspule 1 ist hier mit ihrem Ersatzschaltbild gezeigt, das heißt, der ei gentlichen Induktivität, einem vorgeschalteten Widerstand, der im wesentlichen dem ohmschen Widerstand der Spule entspricht, sowie einem ihr parallel ge schalteten Verlustwiderstand. Diese Magnetspule 1 liegt in Reihe mit einem Ener giespeicher, einem Hybrid-Kondensator 2. Dieser Stromkreis ist gegen Masse über einen FET 3 geschlossen, der als impulsweise steuerbarer Einschalter ein gesetzt ist. Eine Lithium-Langzeitbatterie 4 ist dem Hybrid-Kondensator 2 parallel geschaltet.

Der den FET 3 im Betriebsfall durchsetzende maximal mögliche Strom wird durch dessen Gate-Spannung bestimmt, die durch die Zenerdiode 5 gegeben ist. Falls das Gate mit der Masse kurzgeschlossen ist, fließt durch den FET 3 nur ein mini maler Strom, der sogenannte Leckstrom.

An die Masse der Schaltung ist die Masseklemme 6 angeschlossen, während die Eingangsklemme 7 zur Aufnahme von Steuersignalen vorgesehen ist und zum Gate des FET's 3 führt. Die an der Magnetspule 1 anliegende Spannung wird ei ner Diagnose-Ausgangsklemme 8 zugeführt.

Damit ergibt sich folgende Wirkungsweise: Die Lithium-Langzeitbatterie 4 gleicht einerseits den Leckstrom des Hybrid-Kondensators 2 aus und speist andererseits einen Leckstrom in die Magnetspule 1 über den FET 3 ein, der durch die Vor spannung dieses FET's auf minimalem Wert d. h. gesperrt gehalten wird. Der Hy brid-Kondensator 2 weist eine hohe Kapazität auf und ist, da die Lithium- Langzeitbatterie 4 alle Leckströme ausgleicht ca. 12 Jahre voll geladen.

Im Falle eines Unfalles wird dieser durch einen oder mehrere Sensoren ermittelt, die bspw. auf hohe Beschleunigungen bzw. hohe Verzögerungen ansprechen können. Im einfachsten Falle ist dem oder den Sensoren eine Impuls-Kipp-Stufe nachgeordnet, die bei der Auslösung umschaltet und nach vorgegebenem Zeit impulsweise wieder zurückspringt. Deren Spannung ist an die Masseklemmen 6 und Eingangsklemme 7 gelegt und macht im Falle der Auslösung die Drain- Source-Strecke des FET's 3 leitend. Damit liegt nun sowohl die Spannung der Langzeitbatterie 4 als auch des für Stromstöße durch seine hohe Kapazität einen niedrigen Widerstand aufweisende Hybrid-Kondensators 2 praktisch direkt an der Magnetspule 1 und bewirkt einen starken Strom, dessen Anstieg durch die Selbstinduktion der Magnetspule 1 sowie deren ohmschen Widerstand bestimmt ist. Entsprechend der Strombeaufschlagung wird die Magnetspule 1 erregt und deren Anker betätigt. Stromspitzen werden durch den Pinch-Off Effekt des FET's vermieden, so dass der Hybrid-Kondensator 2 nicht zu rapide entladen wird. Nach Ende des Steuersignales nimmt der FET 3 seinen hohen Ruhewiderstand ein, und der die Magnetspule 1 durchsetzende Strom fällt stark ab. Diese Stromänderung induziert andererseits einen Spannungsstoß, der jedoch durch eine Kurzschluß wicklung bzw. einen kurzgeschlossenen Rohrkörper der Magnetspule bedämpft werden kann.

Nach dem Ende des Steuersignales nimmt der FET 3 seinen hohen Widerstand ein, und der die Magnetspule 1 durchsetzende Strom fällt stark ab. Durch diese Stromänderung wird ein Spannungsstoß induziert, der durch die Diagnose- Ausgangsklemme 8 abgenommen und zu Kontrollmessungen verwendet werden kann.

Die Fig. 2 benutzt als Abszisse die Zeit, die Ordinate stellt den die Magnetspule 1 durchsetzenden Strom dar, und die gestrichelten Linien entsprechen mit ihrer Or dinate dem den FET 3 steuernden Spannungsimpuls. Damit ergibt sich ein tra pezförmiger Steuerimpuls 9 und eine zunächst ansteigende und nach Abfallen der Leitfähigkeit des FET's 3 abfallende Stromkurve 10. Diese Kurve allerdings ist für eine den Spannungs- und Stromverhältnissen schlecht angepaßte Magnetspule 1 dargestellt und zeigt niedrige Werte. Bei richtiger Auslegung der Magnetspule 1 der Fig. 1 ergibt sich die Stromkurve 11 mit steilem Anstieg auf einen hohen Stromwert.

Korrekturmöglichkeiten werden anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. So können im Interesse der Temperaturkompensation die Längen der Steuerimpulse geän dert werden: so ist der Steuerimpuls 12 der Fig. 3 zeitlich länger gestaltet als der Steuerimpuls 13 der Fig. 4; ähnliche Wirkungen können auch durch Ersatz eines Steuerimpulses durch zwei oder drei aneinander gereihte mit entsprechender Länge erfolgen, bei denen durch kurzzeitiges zwischenzeitliches Ausschalten des Stromes und erneuten Anstieg unerwünscht hohe Ströme vermieden werden.

Auch andere Korrekturen können vorgenommen werden: So ist die Magnetspule 1 gemäß Fig. 4, bspw. mittels eines Kupfer- oder Aluminiumrohres, so ausgebildet, dass beim Ausschalten der Induktionsspule Wirbelströme die Induktion dämpfen und damit der steile Abfall nach dem Ausschaltpunkt nach Fig. 3 mit geringerem und konstanterem Gefälle (abfallende Rampe 14) erfolgt. Weiterhin ist auch im Bereiche des Stromanstieges eine Glättung entlang des Rampenabschnittes 15 dargestellt, die sich durch den Pinch-Off-Effekt des FET's 3 ergibt und damit der maximale Entnahmestrom aus dem Hybrid-Kondensator 2 begrenzt wird. Insbe sondere lässt sich hierdurch eine restlose Entladung des Hybrid-Kondensators 2 vermeiden, die zu einem Kapazitätsverlust desselben führen würde.

Durch die Wahl des Hybrid-Kondensators 2 ist die Betriebsspannung des Aktors und damit auch die Leerlaufspannung der Langzeitbatterie 4 auf Werte unter 4 V begrenzt, so dass etwa 3 bis 3,5 Volt benötigt werden, um im Auslösefalle einen Strom bis zu 8 A zu erhalten. Zur Steuerung können auch elektronische Einrich tungen verwendet werden, welche bspw. unterschiedliche Impulsbreiten und/oder -anzahlen für unterschiedliche Temperaturen liefern und auch kompliziertere Schaltungen und gegenseitige Abhängigkeiten ermöglichen. Mit diesen Vorrich tungen läßt sich auch jeweils eine Anpassung an die zu betätigende Sicherheits vorrichtung schaffen, so bspw. an einen Airbagtyp, aber auch einen Fahrzeugtyp oder dergleichen.

Der erfindungsgemäße Aktor ist autark und arbeitet demnach auch dann noch, wenn bspw. durch einen Unfall die Fahrzeugbatterie zerstört ist oder das Bordnetz des Fahrzeuges zerrissen, aufgetrennt oder sonstwie beschädigt ist. Es hat sich aber bewährt, zur sicheren Funktion des autarken Magnetaktors dessen Teile so auszubilden und zu lagern, dass er hohen mechanischen Belastungen standzu halten vermag.

Es hat sich beispielsweise bewährt, Elektronikplatine, Energiespeicher und Ma gnetaktor zu einer baulichen Einheit in einem Gehäuse zu integrieren. Zum Schutz gegen hohe Schockbelastungen, wie sie bei einem Unfall auftreten können, wer den die einzelnen Komponenten durch eine Vergussmasse miteinander elastisch verbunden. Dadurch werden auch die elektrischen Verbindungen gesichert. Die schweren Massen des Energiespeichers müssen jedoch federnd gelagert sein. Dazu werden Metallfedern eingesetzt, die gleichzeitig auch die Kontaktierung übernehmen.

Liste der Bezugszeichen

1

Magnetspule

2

Hybrid-Kondensator

3

FET

4

Langzeitbatterie

5

Zenerdiode

6

Masseklemme

7

Eingangsklemme

8

Ausgangsklemme

9

Steuerimpuls

10

Stromkurve

11

Stromkurve

12

Steuerimpuls

13

Steuerimpuls

14

abfallende Rampe

15

Rampenabschnitt

Claims

1. Betätigungsvorrichtung (Aktor) für insbesondere bei Kraftfahrzeugen im Falle eines Unfalles zu betätigende Sicherheitsvorrichtung zum Schutze der Insassen, die durch Betrieb einer Magnetspule (1) an einem verlustarmen Hybrid-Kondensator (2) vom Zustande der Kraftfahrzeugbatterie und deren Zuleitungen unabhängig (autark) wirksam ist, wobei dem Hybrid- Kondensator (2) eine Langzeitbatterie (4) parallel geschaltet ist, und diese Parallelanordnung mit der Magnetspule (1) sowie einem steuerbaren, im pulsweise arbeitenden Einschalter in Reihe liegen, und die Langzeitbatterie (4) die Leckströme der Schaltung auszugleichen vermag.

2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der impulsweise betätigbare Einschalter ein FET (3) ist, und dass die Leckströme durch die Selbstentladung des Hybrid-Kondensators (2) und den Strom durch den gesperrten FET (3) gebildet werden.

3. Aktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der FET (3) im geöffneten Zustand den die Magnetspule (1) durchset zenden Strom begrenzt.

4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der FET (3) durch eine Zenerdiode (5) vorgespannt ist.

5. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dass als Unfallfolge und im Gefahrenfall die Drain-Source-Strecke des FET's (3) für einen kurzen Zeitimpuls leitend wird.

6. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem FET (3) vorgeordnete Steuervorrichtung jeweils Steuerim pulse (9) bewirkt.

7. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslängen und/oder Anzahlen von der Temperatur des Aktors abhängen.

8. Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er auf die Temperatur ansprechende Bauteile aufweist.

9. Aktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetspule (1) Kurzschlußwicklungen und/oder kurzgeschlosse ne Rohrkörper zugeordnet sind.

10. Aktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kondensator (2) ein Hybrid-Kondensator Anwendung findet.

11. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass seine Teile in einer hohe mechanische Belastungen standhaltenden Einheit, beispielsweise unter Inanspruchnahme von Vergießungen, unter gebracht sind.

12. Aktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Prüfungen unter Ermittlung von Strom- und Spannungswerten über vorgesehene Masse- und Ausgangsklemmen (6, 8) durchführbar sind.

13. Aktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Überprüfung willkürlich auslösbar ist.