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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlererkennung in einer Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten Leuchtdioden (LED), wobei die Fehlererkennung durch Ermittlung des Spannungsabfalls von einzelnen der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder durch Ermittlung des Spannungsabfalls von Gruppen mehrerer der in Reihe geschalteten Leuchtdioden und durch die Auswertung dieses Spannungsabfalls oder dieser Spannungsabfälle erfolgt.
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Beleuchtungsvorrichtungen der vorgenannten Art werden in Kraftfahrzeugen zunehmend eingesetzt, beispielsweise auch als Scheinwerfer. Dabei sollen insbesondere dynamische Helligkeitsveränderungen ermöglicht werden. Eine konventionelle Realisierung der Diagnose im Automobil über die Stromerfassung auf der Versorgungsleitung und über den Vergleich des ermittelten Messwertes mit einem Schwellwert ist für Multi-LED-Leuchten nicht geeignet. Aufgrund der großen LED-Anzahl sowie der dynamischen Veränderung von LED-Helligkeiten ist der Ausfall einer einzelnen LED kaum feststellbar. Damit ist auch seine Lokalisierung nicht möglich.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2007 001 501 A1 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird eine Anzahl von LEDs in Reihe geschaltet und über eine Konstantstromquelle bestromt. Die LEDs werden in kleinere Gruppen untergeteilt. Für jede Gruppe wird der gesamte Spannungsabfall erfasst. Diese Spannung wird mit einem Referenzwert verglichen. Im Falle eines LED-Kurzschlusses weicht der gemessene Spannungsabfall der betroffenen Dioden-Gruppe von der Referenzspannung ab.
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Als nachteilig hierbei erweist es sich, dass auf diese Weise nur ein Kurzschluss detektiert werden kann. Die Erfassung eines Durchbruchs (Open-Load) ist nicht möglich. Darüber hinaus ist das System beim Durchbruch einer Leuchtdiode (LED) aufgrund der Schaltung aller LEDs in Reihe nicht mehr funktionsfähig. Weiterhin ist dieses Verfahren bei dynamisch veränderbaren LED-Ansteuerungssignalen nicht einsetzbar. Außerdem lässt sich mit Hilfe dieses Verfahrens nicht bestimmen, welche der Leuchtdioden oder welche der den Leuchtdioden zugeordneten Ansteuermittel defekt ist.
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Bei dem Verfahren gemäß der
WO 2007/069200 A1 werden zu jeder LED parallel Transistoren (Bypass-Schaltung) geschaltet. Diese Bypass-Transistoren werden über ein Steuergerät gesteuert. So können die einzelnen LEDs ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden. Die Information, wie viele LEDs gerade leitend beziehungsweise sperrend über Bypass-Transistoren geschaltet sind, wird an einen Schaltspannungsregler übermittelt. Dieser Schaltspannungsregler erzeugt eine einstellbare Spannung für die Versorgung der LEDs. Die Höhe der Spannung wird an die Anzahl der leitend geschalteten LEDs angepasst. Auf diese Weise wird der Leistungsverlust auf minimalem Level gehalten. Der Zustand der LEDs wird hier nicht erfasst. Damit sind keine Aussagen zur Diagnose möglich. Dieses Verfahren ist bei dynamisch veränderbaren LED-Ansteuerungssignalen nicht einsetzbar.
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Bei dem Verfahren gemäß der
DE 103 23 437 B4 wird zu einer LED-Gruppe einer Abbiegesignalleuchte eine elektronische Lastnachbildung statisch parallel geschaltet. Damit wird die Lastcharakteristik einer Glühlampe nachgebildet. Mit einer Fehlerdetektionseinheit kann eine Störung in der LED-Gruppe detektiert werden. Im Falle einer Störung schaltet sich die gesamte LED-Gruppe inklusive Lastnachbildung ab. Diese Abschaltung bewirkt kürzere Blinkintervalle der nicht defekten Abbiegesignalleuchte. Mit diesem Verfahren ist keine genaue Störungslokalisierung möglich. Dieses Verfahren ist bei dynamisch veränderbaren LED-Ansteuerungssignalen nicht einsetzbar.
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Aus den Dokumenten
US 2007/0 108 843 A1 und
US 2007/0 159 750 A1 ist jeweils ein Verfahren zur Fehlererkennung in einer Beleuchtungseinrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten LEDs bekannt. Dabei erfolgt die Fehlererkennung durch Ermittlung des Spannungsabfalls von einzelnen der in Reihe geschalteten LEDs oder durch Ermittlung des Spannungsabfalls von Gruppen mehrerer der in Reihe geschalteten LEDs und durch die Auswertung dieses/dieser Spannungsabfälle, wobei die Auswertung durch Vergleich mit einem zeitlich veränderlichen Referenzwert erfolgt.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem auch bei dynamischer Ansteuerung der Leuchtdioden ein Fehler erkannt werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Auswertung durch einen Vergleich mit einem zeitlich veränderlichen Referenzwert erfolgt. Ein zeitlich veränderlicher Referenzwert ergibt sich insbesondere, wenn die Beleuchtungsvorrichtung eine dynamische Helligkeitsveränderung ermöglicht, wobei dabei die einzelnen Leuchtdioden über veränderbare PWM-Leistungssignale angesteuert werden können. Insbesondere kann der zeitlich veränderliche Referenzwert der zeitlich veränderlichen Ansteuersituation der Leuchtdioden entsprechen. Nur durch die Verwendung eines sich in Regel ständig ändernden Referenzwertes lässt sich trotz dynamischer Ansteuerung der Leuchtdioden erkennen, ob eine oder mehrere Komponenten defekt sind.
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Die Ausfallabfrage erfolgt durch die Messung der Durchlassspannung jeder LED oder einer Gruppe von LEDs, wobei durch die Interpretation des gemessenen Spannungswertes mit Hilfe einer Zustandsmatrix eine Aussage zu dem Zustand der LED oder der Gruppe von LEDs abgeleitet werden kann. Insbesondere durch die Wiederholung des Vorgangs für jede LED oder jede Gruppe von LEDs ist es möglich, herauszufinden, welche der Leuchtdioden oder Gruppen von Leuchtdioden beziehungsweise welche der Ansteuerungen in der Leuchte defekt sind. Dabei kann auf Basis der ermittelten Spannungsabfälle eine Aussage über den Zustand einer jeden oder einer jeden Gruppe der in Reihe geschalteten Leuchtdioden und/oder über den Zustand von Ansteuermitteln der Leuchtdioden gemacht werden. Auch die Erfassung eines Durchbruchs (Open-Load) wird dadurch möglich.
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Erfindungsgemäß umfassen die Ansteuermittel eine Mehrzahl von Transistoren, von denen jeweils einer parallel zu einer jeden oder einer Gruppe der Leuchtdioden angeordnet ist, wobei insbesondere jeweils einer der Transistoren eine Leuchtdiode oder eine Gruppe von Leuchtdioden überbrücken beziehungsweise kurzschließen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert ausschließlich auf der Spannungsmessung und ihrer Interpretation im Mikrokontroller. Um die Hardware-Kosten herabzusetzen, kann diese Messung mit nur einem A/D-Wandler pro LED-Strang erfolgen. Das Verfahren gewährleistet eine genaue Ausfalllokalisierung. Dabei erfolgt die Feststellung eines Ausfalls während des normalen Funktionsbetriebs . Dabei ist die Änderung der Helligkeitswerte der LEDs zu Diagnosenzwecken nicht erforderlich. Erst bei der Feststellung eines Fehlers kann das System in einen Diagnosemodus schalten, um die defekte Komponente genau zu lokalisieren.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen beispielhaften Aufbau eines Teils einer Beleuchtungsvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist;
- 2 einen beispielhaften Schaltzustand der LEDs in einem Stromstrang der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1;
- 3 eine Diagnosemessung bei einem PWM-Leistungssignal mit der minimalen Einschaltdauer, wobei die Intensität A des PWM-Leistungssignals gegen die Zeit T aufgetragen ist;
- 4 eine Abweichungsspanne der Durchlassspannung einer PlatinumDRAGON LED.
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Die teilweise aus 1 ersichtliche Beleuchtungsvorrichtung ist beispielsweise Teil eines Scheinwerfersystems, das eine dynamische Helligkeitsveränderung ermöglicht. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Leuchtdioden (LED) 1a, 1b, 1c, 1d, in die ein konstanter Strom eingeprägt wird. Dieser Strom wird durch eine externe Konstantstromquelle 2 zur Verfügung gestellt. Es besteht die Möglichkeit, dass mehr als vier Leuchtdioden in Reihe geschaltet sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass mehr als eine Kette von Leuchtdioden, beispielsweise mehrere zueinander parallele Reihen von Leuchtdioden vorgesehen sind.
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Die Aufgabe der Ansteuerelektronik der Beleuchtungsvorrichtung ist die Dimmung jeder einzelnen Leuchtdiode 1a, 1b, 1c, 1d in Abhängigkeit von Helligkeitsangaben aus einem Lichtsteuergerät 3. Da die Notwendigkeit besteht, jede einzelne LED zu dimmen, sind parallel zu jeder Leuchtdiode 1a, 1b, 1c, 1d Transistoren 4a, 4b, 4c, 4d, insbesondere Leistungstransistoren angeordnet (Bypass-Prinzip). Diese Transistoren 4a, 4b, 4c, 4d ermöglichen das Kurzschließen und somit Ausschalten einer oder mehrerer Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d einer Kette. Das Lichtsteuergerät 3 kommuniziert dabei über einen CAN-Bus mit einer Logik 5, die die Transistoren 4a, 4b, 4c, 4d ansteuert. Weiterhin ist ein A/D-Wandler 6 parallel zu der Reihe von Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d angeordnet, der die Analyse des Spannungsabfalls über die Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d und der dazu parallelen Transistoren 4a, 4b, 4c, 4d ermöglicht.
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Die Realisierung einer dynamischen Lichtapplikation wie beispielsweise die Funktion „blendfreies Fernlicht“ erfordert eine nahezu permanente Helligkeitsveränderung der Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d. Diese erfolgt über die Ansteuerung der Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d mit einem veränderbaren PWM-Leistungssignal. Durch die Anwendung der Pulsweitenmodulation können sich allerdings die einzelnen Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d gleichzeitig im Ein- sowie im Ausschaltzustand befinden. Bei einem Stromstrang mit vier in Reihe verschalteten Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d sind beispielsweise alle 16 Schaltzustände möglich. Daraus resultiert eine große Veränderlichkeit des Spannungsabfalls im Strang.
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Aus den vorgenannten Gründen, sowie wegen der zusätzlichen Forderung einer genauen Ausfalllokalisierung, ist eine konventionelle Diagnosemethode über die Stromerfassung auf der Versorgungsleitung und über den Vergleich des ermittelten Messwertes mit einem Schwellwert nicht zielführend. Auch ein zyklisches Umschalten zwischen einem Funktions- und einem Diagnosemodus ist während des normalen LED-Array-Betriebes nicht akzeptabel. In dem Diagnosemodus würden die Leuchtdioden zwar in einen für die Ausfallabfrage gewünschten Bestromungszustand umgeschaltet werden. Ein kurzzeitiger Stromimpuls könnte allerdings nicht gewünschte visuelle Effekte wie beispielsweise Blitzen von Leuchtdioden verursachen.
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Für das hier betrachtete Scheinwerfersystem wird daher die Durchführung der Ausfallabfrage als ein zweiphasiger Diagnoseprozess bevorzugt. Während des normalen Funktionsbetriebs wird zunächst nur das Vorhandensein eines Ausfalls festgestellt. Erst bei der Feststellung eines Fehlers wird das System in einen so genannten Diagnosemodus umgeschaltet, um den Ausfallfort eindeutig lokalisieren zu können. Diese Methode macht allerdings nur dann Sinn; wenn der Schaltzustand jeder Leuchtdiode 1a, 1b, 1c, 1d in dem jeweiligen Strang während der Abfrage im Funktionsbetrieb bekannt ist. Nur dann lässt sich der erwartete Spannungsabfall in dem gesamten Strang ermitteln. Dieser erwartete Spannungswert wird als Referenzwert mit der real gemessenen Spannung verglichen (siehe dazu 2).
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Für das in
2 dargestellte Ansteuerungsszenario wird ein Spannungsabfall von
in dem gesamten Strang erwartet, wobei für die Spannungsabfälle
UDS auf den Transistoren
4a,
4b,
4c,
4d und für die Flussspannungen U
F auf den Leuchtdioden
1a,
1b,
1c,
1d gilt:
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Wenn nun die folgende Bedingung:
erfüllt ist, entspricht der gemessene Spannungsabfall
UM auf allen in diesem Ansteuerungszustand beteiligten Bauteilen dem erwarteten, als referenzwert verwendeten Spannungswert U
erwartet. Damit wird sichergestellt, dass der Sollschaltzustand erreicht wurde und die einzelnen Komponenten funktionsfähig sind.
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Diese Bedingung wird nicht erfüllt, wenn der erwartete Schaltzustand nicht erreicht wird oder mindestens eine Komponente im betrachteten Strang defekt ist. Wie bereits erwähnt, ist bei diesem Messverfahren nur die Feststellung eines Ausfalls möglich. Eine eindeutige Lokalisierung der defekten Komponente lässt sich auf diese Weise nicht feststellen.
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Um sicherzustellen, dass alle während der Spannungsmessung bestromten Komponenten sich in einem eingeschwungenen Schaltzustand befinden, muss diese Messung innerhalb der minimalen Einschaltdauer erfolgen. Wenn die Messdauer TM größer als die minimale Einschaltdauer ist, erfolgt die Diagnoseabfrage in einem instabilen Schaltzustand. In diesem Zusammenhang ist insbesondere der Verlauf der Anstieg- und der Abfallflanke des PWM-Leistungssignals für die Bestimmung der Messdauer TM zu berücksichtigen (siehe dazu 3). Die Messdauer TM sollte also kleiner als die minimale Einschaltdauer TA des PWM-Leistungssignals sein. Darüber hinaus ist bei einer längeren Messdauer auch eine Änderung der Ansteuerungsvorgaben und damit des Schaltzustandes der einzelnen Komponenten während der Messung nicht auszuschließen.
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Eine Leuchtdiode kennzeichnet eine große Toleranzspanne der Durchlassspannung. In der in 4 dargestellten Kennlinie einer PlatinumDRAGON LED erstreckt sich die Spannungsspanne im Bereich von ca. 1,3 V bei einem Durchlassstrom von 700 mA. Aus diesem Grund ist die Annahme einer gleichen Durchlassspannung für jede Leuchtdiode 1a, 1b, 1c, 1d bei der vorgeschlagenen Diagnosenmethode nicht sinnvoll. Auf Basis der Spannungsmessung schon für vier in Reihe geschaltete Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d kann nicht eindeutig abgeschätzt werden, wie viele Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d sich im Ein- beziehungsweise im Ausschaltzustand befinden. Damit wäre auch der Vergleich der Spannungen UM mit Uerwartet nicht zielführend.
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Das Problem der großen Toleranzspannen von Leuchtdioden kann durch einen Kalibrierungsvorgang behoben werden. Die Kalibrierung kann als eine sequentielle Spannungsmessung für einzelne Leuchtdioden 1a, 1b, 1c, 1d realisiert werden. Dazu kann das Lichtsteuergerät 3 in einen Kalibrierungsmodus umgeschaltet, in dem jede Leuchtdiode 1a, 1b, 1c, 1d für eine kurze Spannungsabfrage nacheinander leitend geschaltet wird. Die so gemessenen Spannungswerte für jede Leuchtdiode 1a, 1b, 1c, 1d können beispielsweise in einer LookUp-Table abgespeichert werden, um sie später in der Diagnoseabfrage als Referenzwerte anzuwenden.
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Die Unterschiede der LED-Durchlassspannungen entstehen nicht nur infolge der großen Toleranzspannen sondern auch wegen der Temperaturabhängigkeit. Die Relation zwischen der Durchlassspannung und der Temperatur wird mit Hilfe des so genannten Temperaturkoeffizienten ausgedrückt. Dieses Phänomen soll ebenfalls in dem Diagnosealgorithmus mitberücksichtigt werden. Dazu können Temperaturmessmittel vorgesehen werden, die die Temperatur der Leuchtdioden während des Betriebs ermitteln.
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Wird in dem hier beschriebenen Verfahren der Fehleridentifizierung ein Ausfall festgestellt, geht das System in die zweite Phase, den Diagnosemodus über. In diesem wird durch einen gezielten Schaltvorgang aller Bypass-Leistungstransistoren bei gleichzeitiger Spannungsmessung in dem betroffenen Strang die defekte Systemkomponente genau lokalisiert.
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Wird ein Stromstrang bestehend aus n Leuchtdioden betrachtet, wird durch das Kurzschließen von n-1 Leuchtdioden nur der Spannungsabfall der einen bestromten Leuchtdiode gemessen. Durch die Interpretation des gemessenen Spannungswertes kann eine Aussage über ihren Zustand abgeleitet werden. Durch die Wiederholung des Vorgangs für jede Leuchtdiode lässt sich zu der Erkenntnis gelangen, welche Komponente oder welche Komponenten in dem gesamten Strang defekt sind. Eine beispielhafte Darstellung der möglichen Zustandaussagen in Abhängigkeit von gemessenen Spannungswerten wird in Tab. 1 dargestellt.
Tab. 1: Zustandsmatrix einer Beleuchtungsvorrichtung mit in Reihe geschalteten Leuchtdioden und dazu parallelen Transistoren
| Sollzustand LED | Spannung LED | Interpretation |
| | | LED | MOSFET - Transistor | Ansteuerung |
| Ein | UM = U0 | defekt | k.A. | k.A. |
| Ein | UM = UF | okay | k.A. | k.A. |
| Ein | UM = UDS | k.A. | okay | defekt |
| Ein | UM < UDS | k.A. | k.A. | k.A. |
| Aus | UM = U0 | defekt | k.A. | k.A. |
| Aus | UM = UF | okay | k.A. | k.A. |
| Aus | UM = UDS | k.A. | okay | okay |
| Aus | UM < UDS | k.A. | k.A. | k.A. |
- U0>UF>UDS, mit
- U0 = Leerlaufspannung Konstantstromquelle
- UF = Durchlassspannung LED
- UDS = Spannungsabfall Leistungstransistor
- UM = gemessene Spannung
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Es besteht durchaus die Möglichkeit, die Messungen der Durchlassspannungen einer jeder der einzelnen Leuchtdioden mehr als einmal durchzuführen und über die erhaltenen Messergebnisse zu mitteln, um die Genauigkeit der Diagnose zu verbessern.
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Bei mehreren parallelen Zweigen von Leuchtdioden können entweder die einzelnen Zweige nacheinander vermessen werden oder aber es können zusätzliche A/D-Wandler vorgesehen werden, die eine parallele Messung der einzelnen Zweige von Leuchtdioden ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b, 1c, 1d
- Leuchtdioden
- 2
- Konstantstromquelle
- 3
- Lichtsteuergerät
- 4a, 4b, 4c, 4d
- Transistoren
- 5
- Logik
- 6
- A/D-Wandler
- TM
- Messdauer
- TA
- minimale Einschaltdauer des PWM-Leistungssignals