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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung, insbesondere Schaltungsanordnung eines Magnetventils, mit mindestens zwei parallel geschalteten Stromzweigen, die über eine erste Anschlussleitung und eine zweite Anschlussleitung mit einer Spannungsquelle, insbesondere Gleichspannungsquelle, elektrisch verbunden sind, wobei in einem Stromzweig ein kapazitives elektrisches Bauteil mit einem bekannten Spannungsverhalten und in dem anderen Stromzweig ein induktives elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektrische Spule, angeordnet ist, wobei mittels eines in dem anderen Stromzweig in Reihe geschalteten Schaltelements das induktive Bauelement angesteuert wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung, insbesondere für das vorstehende Verfahren, mit mindestens zwei parallel geschalteten Stromzweigen, die über eine erste Anschlussleitung und eine zweite Anschlussleitung mit einer Spannungsquelle, insbesondere Gleichspannungsquelle, elektrisch verbunden sind, wobei in einem Stromzweig ein kapazitives elektrisches Bauteil mit einem bekannten Spannungsverhalten und in dem anderen Stromzweig ein induktives elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektrische Spule, sowie ein Schaltelement zur Ansteuerung des induktiven Bauelements in Reihe geschaltet sind.
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Stand der Technik
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Verfahren und Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Magnetventile, beispielsweise, enthalten eine Schaltungsanordnung, die zwei parallel geschalteten Stromzweige aufweisen, die über eine erste Anschlussleitung und eine zweite Anschlussleitung mit einer Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden sind, wobei in dem einen Stromzweig ein kapazitives Bauteil, beispielsweise ein Kondensator, und in dem anderen Stromzweig eine elektrische (Magnet-) Spule zum Betätigen eines Ventils und ein Schaltelement zum Ansteuern der Spule seriell geschaltet angeordnet sind. Wobei das Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils bekannt ist. Wird das Schaltelement entsprechend betätigt, so wird die Spule mit Strom versorgt (bestromt), wobei ein Magnetisches Feld aufgebaut wird, welches beispielsweise auf einen Magnetanker einwirkt, der fest an einem Betätigungselement des Magnetventils angeordnet ist. Dadurch wird das Magnetventil geöffnet oder geschlossen. Derartige Magnetventile werden beispielsweise bei Sicherheitssystem von Kraftfahrzeugen, wie zum Beispiel Antiblockier-System (ABS) und/oder Elektronisches-Stabilitäts-System (ESP), verwendet. Hierbei muss die Funktion des Magnetventils beziehungsweise des Schaltungsanordnung des Magnetventils dauerhaft gewährleistet sein. Ist beispielsweise das Schaltelement defekt oder liegt ein Kurzschluss in der Spule vor, so dass ein ein Auslassventil des Bremssystems bildendes Magnetventil fehlbestromt beziehungsweise geöffnet ist, fließt Bremsflüssigkeit bei einem Bremsvorgang direkt in eine Speicherkammer und steht damit nicht zum Druckaufbau an den Radbremsen zur Verfügung.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2004 015 932 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung mit jeweils einem Stromzweig mit einem kapazitiven oder induktiven elektrischen Bauelement und einem ersten Schaltelement zur Ansteuerung des induktiven Bauelements. Außerdem sind Spannungserfassungsmittel vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Ermitteln einer Fehlbestromung des induktiven Bauteils zunächst eine der Anschlussleitungen mittels eines zweiten Schaltelements unterbrochen und anschließend die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlussleitung erfasst und mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils verglichen wird. Eine Fehlbestromung liegt vor, wenn durch die elektrische Spule Strom fließt, obwohl das die Spule ansteuernde erste Schaltelement nicht durchgeschaltet ist. Zweckmäßigerweise wird das Verfahren daher durchgeführt, wenn das erste Schaltelement geöffnet ist. Liegt keine Fehlbestromung vor, so sinkt die Spannung gepuffert durch das kapazitive Bauteil nur langsam ab. Die Zeitkonstante ist dabei abhängig von dem genauen Schaltungsaufbau. Ohne Last ist sie im Idealfall unendlich, durch einen oder mehrere entsprechend zusätzlich vorgesehene Widerstände, bei einer geeigneten Dimensionierung, immer noch relativ groß. Auch ist es denkbar die Schaltungsanordnung derart zu dimensionieren, dass auch ein Ansteigen der Spannung nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung möglich ist. Für den Fall, dass eine Fehlbestromung vorliegt, beziehungsweise dass ungewollt Strom durch die Spule fließt, ist die Spule nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung stromdurchflossen, da der Abbau des magnetischen Feldes beziehungsweise Flusses einen fortgesetzten Stromfluss erfordert. Dieser Strom wird über das kapazitive Bauteil gespeist, wodurch die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlussleitung schneller Absinkt, als bei nicht bestromter Spule. Somit lässt sich durch den Vergleich der Spannung mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils erkennen, ob eine Fehlbestromung der Spule vorliegt. Vorteilhafterweise wird bei einer erkannten Fehlbestromung ein Warnsignal visuell oder akustisch ausgegeben. Darüber hinaus bleibt das zweite Schaltelement vorteilhafterweise geöffnet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Spannung in einem vorgebbaren Zeitpunkt, zweckmäßigerweise kurz nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung erfasst. Durch einen einfachen Vergleich mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils zu einem entsprechenden Zeitpunkt kann auf einfache Art und Weise auf eine Fehlbestromung geschlossen werden. Vorteilhafterweise wird ein Toleranzbereich vorgegeben, wobei, wenn die erfasste Spannung außerhalb des Bereiches liegt eine Fehlbestromung bestimmt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Spannung in einem vorgebbaren Zeitintervall, zweckmäßigerweise kurz nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung erfasst. Wobei vorteilhafterweise mehrere Messungen der Spannung durchgeführt werden, die dann mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils verglichen werden.
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Besonders vorteilhaft wird aus den im Zeitintervall erfassten Werten eine Flankensteilheit ermittelt. Diese kann auf einfache Art und Weise mit der ebenfalls bekannten Flankensteilheit des kapazitiven Bauelements verglichen werden. Ist beispielsweise die ermittelte Flankensteilheit vergleichsweise zu groß wird eine Fehlbestromung der Spule bestimmt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Erfassen der Spannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers. Dadurch wird eine besonders einfache Möglichkeit geboten, die Spannung beziehungsweise den Verlauf der Spannung nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung zu erfassen. Soll beispielsweise die Flankensteilheit ausgewertet werden, werden die aufeinander folgenden Abtastwerte des Analog-Digital-Wandlers vorteilhafterweise voneinander subtrahiert. Die Differenz wird bei bekannter Abtastrate anschließend mit der maximal erlaubten (bekannten) Flankensteilheit verglichen. Wobei bei einem Überschreiten der maximal erlaubten Flankensteilheit, wie bereits gesagt, eine Fehlbestromung der Spule bestimmt wird.
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Vorteilhafterweise wird als erstes und/oder zweites Schaltelement ein mechanischer Schalter oder bevorzugt ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor / Metall-Oxid-Halbleiter - Feldeffekttransistor) verwendet. Zweckmäßigerweise wird die Spule über das erste Schaltelement nach Masse angesteuert.
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Die vorteilhafte Schaltungsanordnung sieht ein zweites Schaltelement vor, das in einer der Anschlussleitungen angeordnet ist, und Mittel zum Erfassen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlussleitung zur Ermittlung einer Fehlbestromung des induktiven Bauelements. Mittels des zweiten Schaltelements kann eine der Anschlussleitungen unterbrochen werden, sodass eine Fehlbestromung der Spule erkannt werden kann. Dazu sind die Mittel zum Erfassen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlussleitung vorgesehen. Dabei erfassen die Mittel die Spannung vorteilhafterweise in einem vorgebbaren Zeitpunkt oder in einem vorgebbaren Zeitintervall.
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Bevorzugt weisen die Mittel dazu zumindest einen Analog-Digital-Wandler auf, der die Spannung mit einer bekannten Abtastrate abtastet.
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Erfindungsgemäß weisen die Mittel eine Recheneinheit und eine Speichereinheit auf, wobei in der Speichereinheit das Spannungsverhalten des kapazitiven elektrischen Bauteils hinterlegt ist und die Recheneinheit die erfasste Spannung mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils vergleicht und dadurch auf eine Fehlbestromung der Spule schließen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste und/oder das zweite Schaltelement der Schaltungsanordnung als ein MOSFET ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise ist das erste Schaltelement als ein Lowside-Schalter oder als ein Highside-Schalter ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise ist die erste Anschlussleitung oder die zweite Anschlussleitung als Massepfad ausgebildet. Entsprechend der Anordnung des zweiten Schaltelements kann somit ein Versorgungspfad oder der Massepfad unterbrochen werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Magnetventil, insbesondere eines elektronischen Bremssystems, wie zum Beispiel ein Antiblockiersystem oder ein elektronisches Stabilitäts-System eines Kraftfahrzeugs, das eine vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung aufweist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektronisches Bremssystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Antiblockier- oder Stabilisations-System, mit mindestens einem Magnetventil, insbesondere einem Auslassmagnetventil, wobei das elektronische Bremssystem mindestens eine Schaltungsanordnung, wie sie oben beschrieben wurde, aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Schaltungsanordnung,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Schaltungsanordnung,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Schaltungsanordnung,
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Schaltungsanordnung und
- 5 einen beispielhaften Vergleich einer Fastenspannung mit dem bekannten Spannungsverhalten eines kapazitiven Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Schaltungsanordnung 1. Die Schaltungsanordnung 1 weist einen ersten Stromzweig 2 und einen zweiten Stromzweig 3 auf, die parallel zueinander geschaltet sind und über eine erste Anschlussleitung 4 und eine zweite Anschlussleitung 5 mit einer ersten Spannungsquelle 6, die als Gleichspannungsquelle 7 ausgebildet ist, elektrisch verbunden sind. Der zweite Stromzweig 3 weist ein als Kondensator 8 ausgebildetes kapazitives Bauteil 9 auf. Der erste Stromzweig 2 weist in Reihe geschaltet eine ein induktives elektrisches Bauelement 10 bildende elektrische Spule 11, die als Magnetspule 12 eines Magnetventils ausgebildet ist, und ein erstes Schaltelement 13, das als MOSFET-Schalter 14 ausgebildet ist, auf. Mittels des Schaltelements 13 wird im Betrieb der Schaltungsanordnung 1 die Spule 11 zum Öffnen oder Schließen des Magnetventils angesteuert. Die zweite Anschlussleitung 5 ist als Massepfad 15 ausgebildet und die erste Anschlussleitung 4 weist ein zweites Schaltelement 16 auf, das als MOSFET-Schalter 17 ausgebildet ist. Die Anschlussleitung 4 ist darüber hinaus mit einem Mittel 18 verbunden, welches die Spannung zwischen der als Versorgungsleitung dienenden Anschlussleitung 4 und dem Massepfad 15 erfasst. Vorteilhafterweise ist das Mittel 18 als ein Analog-Digital-Wandler 19 ausgebildet oder weist diesen auf.
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Im Betrieb der Schaltungsanordnung 1 kann es beispielsweise aufgrund eines Defekts beziehungsweise Kurzschlusses in dem Schaltelement 13 und/oder eines Kurzschlusses der Spule 11 dazu kommen, dass die Spule 11 von Strom durchflossen wird, obwohl das Schaltelement 13 nicht durchgeschaltet ist. Dies würde bedeuten, dass das Magnetventil ungewollt aktiviert beziehungsweise geöffnet oder geschlossen ist. Dies kann insbesondere bei der Verwendung des Magnetventils in Sicherheitssystemen zu hohen Risiken führen.
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Um zu ermitteln, ob eine Fehlbestromung des induktiven Bauelements 10 vorliegt, wird das zweite Schaltelement 16 geöffnet, sodass die Anschlussleitung 4 unterbrochen ist. Liegt keine Fehlbestromung vor, sinkt die von dem Mittel 18 erfasste Spannung zwischen der Anschlussleitung 4 und der Anschlussleitung 5 gepuffert durch den Kondensator 8 langsam ab. Bei einer Fehlbestromung ist die Spule 11 nach dem Öffnen des Schaltelements 16 stromdurchflossen. Der Abbau des magnetischen Flusses erfordert dabei einen fortgesetzten Stromfluss. Da kein Freilaufpfad zur Verfügung steht, muss dieser Strom über den Kondensator 8 gespeist werden, wodurch die Spannung zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 schneller absinkt.
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In der 5 ist dazu ein beispielhaftes Diagramm dargestellt, welches den Spannungsverlauf der Spannung U über die Zeit t zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 für einen Normalfall und für den Fall einer Fehlbestromung darstellt. Während die Spannung des bekannten Spannungsverhaltens, gekennzeichnet durch eine Kurve 20, im Normalfall relativ gleichmäßig abfällt, fällt im Fehlerfall, gekennzeichnet durch eine Kurve 21, die erfasste Spannung U wesentlich schneller ab.
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Durch Überwachung des transienten Verhaltens der Spannung U nach Abschalten des Schaltelements 16 lässt sich somit eine Fehlbestromung erkennen beziehungsweise ermitteln. Dies kann durch Auswertung der Flankensteilheit und/oder durch eine einmalige Messung der Spannung zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 kurz nach Abschalten des Schaltelements 16 erfolgen. Ist die ermittelte Flankensteilheit im Vergleich zu dem Spannungsverhalten 20 des Kondensators 8 zu groß beziehungsweise die gemessene Spannung bei einer einmaligen Messung zu gering, so wird ein Fehler beziehungsweise ein Fehlbestromung erkannt. Zur Auswertung der Flankensteilheit können aufeinander folgende Abtastwerte des Analog-Digital-Wandlers bei bekannter Abtastrate ausgewertet werden, indem die aufeinander folgenden Abtastwerte voneinander subtrahiert werden. Die Differenz wird dann mit der maximal erlaubten Flankensteilheit beziehungsweise dem bekannten Spannungsverhalten des Kondensators 8 verglichen und bei deren Überschreitung ein Fehler erkannt beziehungsweise bestimmt. Wird eine Fehlbestromung erkannt, ist eine redundante Abschaltung der Spule 11 über das zweite Schaltelement 16 möglich.
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Optional kann parallel zu dem Kondensator 8 ein Widerstand 22 vorgehalten werden. Darüber hinaus zeigt die 1 einen weiteren Widerstand 23, der optional den Knoten zwischen dem Schaltelement 16 und der Spule 11 mit einer zweiten Spannungsquelle 24, die als Gleichspannungsquelle 25 ausgebildet ist, verbindet. Mit den Widerständen 22 und/oder 23 kann die Zeitkonstante des Kondensators 8 beeinflusst werden. Ohne Last ist die Zeitkonstante im Idealfall unendlich, bei geeigneter Dimensionierung der Widerstände 22 und 23 immer noch relativ groß. Durch andere Schaltungsdimensionierungen ist auch ein Ansteigen der erfassten Spannung möglich.
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Sinkt in der vorliegenden Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 die erfasste Spannung beim Abkommutieren deutlich unter die Gatespannung von dem Schaltelement 16 ab, so wird der verbliebene Spulenstrom über das Schaltelement 16 abkommutiert. Es kann alternativ auch ein anderer Abkommutierungspfad vorgesehen werden, wie zum Beispiel eine Diode in Sperrrichtung zwischen der Anschlussleitung 4 und dem Massepfad 15. Vorteilhafterweise kann dies auch die parasitäre Bodydiode des MOSFETs eines weiteren parallelen Zweiges zur Spulenansteuerung sein. Ziel ist dabei, dass die erfasste Spannung ab einem bestimmten Anfangs-Spulenstrom keine negativen Werte erreicht, die zu einer gedämpften Schwingung führen würden. Die Verhinderung von Schwingungen ist jedoch nicht zwingend notwendig. Die Spannungsquellen 6 und 24 können als zwei verschiedene oder auch als eine Spannungsquelle ausgebildet sein. Der Kondensator 8 kann anstatt nach Masse zu führen auch von der Anschlussleitung 4, die in diesem Fall als Versorgungsleitung 26 ausgebildet ist, zu einem beliebigen anderen festen Potential führen. Zum Beispiel ist ein Anschluss parallel zum Schaltelement 16 denkbar. Die Schaltelemente 16 und 13 könnten alternativ auch als mechanische Schalter ausgebildet sein.
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Die 2, 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen der Schaltungsanordnung 1, die im Wesentlichen der Schaltungsanordnung 1 aus der 1 entsprechen, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Die 2 zeigt die Schaltungsanordnung 1, bei der im Unterschied zur 1 das Schaltelement 13 beziehungsweise der MOSFET-Schalter 14 als ein Highside-Schalter 26, im Gegensatz zu der Ausbildung als Lowside-Schalter 27 in der 1, ausgebildet ist. Das Ermitteln einer Fehlbestromung erfolgt wie oben beschrieben. Die Zenerdiode zwischen Drain und Gate kann in dem Ausführungsbeispiel der 2 entfallen. Durch das vom Spulenstrom verursachte Absinken der Source-Spannung bei Abschalten beziehungsweise Öffnen des Schaltelements 13 öffnet der MOSFET-Schalter 14 automatisch und lässt den Strom abkommutieren.
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Die 3 und 4 zeigen die Ausführungsformen der 1 und 2 mit dem wesentlichen Unterschied, dass das Schaltelement 16 im Massepfad 15 der Schaltungsanordnung 1 vorgesehen ist. In diesen Ausführungsbeispielen steigt die erfasste Spannung bei Öffnen beziehungsweise Abschalten des Schaltelements 16 im Fehlerfall, also bei einer Fehlbestromung, schnell an, während sie ohne Fehler nach dem Abschalten nahezu Null Volt beträgt, beziehungsweise, zum Beispiel durch Leckströme oder zusätzliche Schaltungsmaßnahmen, langsamer ansteigt.
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Wird die fehlerhafte Bestromung der Spule 11 bei Verwendung des MOSFET-Schalters 14, zum Beispiel durch einen parasitären Widerstand zwischen Drain und Gate verursacht, ergibt sich ein Zenerdioden-Verhalten. Erst wenn die Spannung zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 ausreicht, um die Threshholdspannung am Gate zu überschreiten, wird der MOSFET-Schalter 14 leitend. Zur Erkennung eines parasitären Widerstands zwischen Drain und Gate des MOSFET-Schalters 14 kommt auch eine Gatespannungsüberwachung infrage.