专利名称：监测支持系统中至少一个储能电容器的装置和方法
技术领域：
本发明针对如独立权利要求所述种类的监测支持系统(Rückhaltsystem)中至少一个储能电容器的装置和方法。
由DE197 15 571 A1例如公知，监测用作支持系统的储能电容器的电容。
与之相对，根据本发明的方法以及根据本发明的监测储能电容器的装置的优点是，从此还监测储能电容器的内阻。随着储能电容器多数采用的铝电解电容器老化，不论电容量还是内阻都发生变化。随着总是并列地并且必须用高电流点火的点火电路的数量增加，储能电压和车辆电池电压的当前方案失去了有效性，因为通过0.5至1欧姆内阻的电缆连接不能够无显著电压下降地提供足够的电流。出于这个原因，除了储能电容器的电容量以外还独立地监测内阻越来越重要了。只有这样才能够在最坏的情况下保证，用较高的点火速度并列地进行点火。特别是在有较高的电路电阻，例如6.5欧姆，的点火电路中。此外由此保证，在同时采用储能器为控制装置供电时由于点火时高达20安培的高电流提取不会发生储能电压临时地下降到电压源的复位阈值以下，下降到电压源的复位阈值以下会在事故情况下导致整个系统失灵。如果识别出故障，也就是过高的内阻，就把它显示出来，从而可以更换有这样的储能器的控制装置。因为这只是需要的，以保证在触发的情况下支持装置可靠地工作。
当前在支持系统的电子电路，特别是在控制装置中，为支持装置的点火采用储能器，对于储能器采用或一个或多个电容器。从而支持装置的点火与车辆中电池的电压起伏和状态无关。根据本发明的装置或根据本发明的方法既可以用于一个储能电容器也可以用于多个储能电容器。
通过在从属权利要求中说明的措施和扩展在独立权利要求中说明的监测至少一个储能电容器的装置及方法可能得到有利的改善。
特别有利的是，所述装置通过至少一个充电过程和一个充电过程中断的时间序列确定储能电容器的内阻。也就是从而可以测出通过内阻影响的一定的电参数。因此从而就可能通过控制装置中的微控制器确定内阻。如果采用多个充电过程和放电过程测量就更可靠了。
此外，为了监测内阻设置电压变换器、整流器和分压器是有利的。在此电压变换器用作给至少一个储能电容器充电，而接在储能电容器后的整流器和分压器用作测量起确定储能电容器的内阻的作用的电参数。所述整流器应当是峰值整流器，而分压器还附加地配置为低通滤波器。从而防止短促的电压峰值影响测量。电压变换器优选地具有其输出电压的稳压器，以在储能电容器的充电阶段之后把输出电压保持在一定的调节带内。
确定储能电容器内阻的方法可以如下地进行在第一步，通过电压变换器把电容器充电到高于电池电压的第一电压值。这是进行高于电池电压的测量所需要的，因为有可能电池电压作为储备直接与储能电容器连接，从而在该情况下可能使测量出错。然而如果把储能电容器充电到电池电压以上，测量就与电池电压的性能无关。为了创建开始条件，断开变换器，这导致电解电容的内阻上的电压突然下降。然后该电压却必须通过电流回路中的另一个元件下降。一方面峰值整流器的电容器和接在峰值整流器后面的分压器起此作用。然而该变化不是立即发生而是有一定的时延，从而要等待一定的时间才能达到静态的值。该时间主要由开关变换器的线圈中的能量消失、峰值整流器、测量低通滤波器的时间常数以及在峰值整流器的输出端上存在的负载电流确定。在关闭的时间点降在储能电容器的内阻上的电压值由内阻和该时间点的充电电流的值得出，其中充电电流给出在电容器上。在直到达到静态值的该等待时间以后，重新地通过变换器给储能电容器充电。通过改变了的时间考虑，储能电容器的充电状态保持近于不变，而在储能电容器上的电压按开关变换器的节拍脉动。在峰值整流器上输出端上的电压ux设为所述脉冲的电压的峰值。在此后再次断开变换器，直到形成静态的值。如前所述，可以从充电后的值与峰值整流器的静态的下降后的值之间的差得出储能电容器的内阻。
断开变换器的时间依据线圈剩余能量、峰值整流器的时间常数、低通滤波器的时间常数以及在峰值整流器的输出端的负载电流选择。如此地选择第二次充电时的充电时间使峰值整流器的容量提高到通过由脉冲的充电电流造成的在储能电容器的内阻上的第二电压加上在本来的电容上的电压的峰值。根据本发明的方法优选地在冷起动时进行，因为相对于电解电容车辆处在最冷的状态。
电压变换器脉冲地给储能电容器充电。为了确定储能电容器的内阻需要用已知脉冲电流幅度的开关变换器运行，以从所观察的启动了变换器时峰值与关断了变换器时降低了的值之间的差确定储能电容器的内阻。所述的开关变换器运行是必须的，因为在储能器上的电压并且从而整个测量过程的电压在车辆的电池电压以上。在此采用的脉冲的升压变换器确定变换器的横向支路中的线圈电流的峰值。
在一个扩展中提出，在电压变换器中设置一个串联稳压晶体管(Lngstransistor)。该串联稳压晶体管(Lngstransistor)使得可能控制电池电压对储能电容器的转移。这在测量时降低了损耗功率，因为可以在较低的电压测量。此外可以通过在测量时截止所述的串联稳压晶体管消除电池电压对测量的影响。
本发明的实施例在附图中示出并且在下面详细地说明。在附图中示出
图1根据本发明的装置的第一电路图，图2储能电容器的充电过程和放电过程的电压-时间图，图3据本发明的方法的流程图，图4根据本发明的方框图，和图5根据本发明的装置的第二电路图。
下面说明，在储能电容器的内阻上升时支持系统是如何正确地反应，通过在危险的高内阻时把它显示出来，以实现电子电路的更换。该信号例如可以在仪表盘中向司机视觉地显示出，它可以实现声音的输出，或者还可以附加地通过发射台-接收站，例如移动电话，去取得联络，以联系车间或者其它的服务机构。这可以通知司机，现在需要进行更换了。
为了实施或者说实现根据本发明的装置要满足以下的先决条件设有固定或者可变开关变换器频率的脉冲升压变换器。储能电容器的充电电压必须最终高于最高的气囊系统供电电压。从而测量在不受其它的量干扰的区域内进行。下面示出带有一个线圈的变换器。所述的变换器必须有在横向支路中的线圈电流的测量，以在达到最高允许的线圈电流以后切换到纵向支路。在储能的脉冲运行中的最大线圈电流应当在0.4至1.2A之间。为了在中等至较大的气囊系统中在＜10秒钟的时间内也给高达20mF的大储能器充电到32±2伏特，该值范围是典型的。如果是这样的情况，就可以以32至96毫欧姆的分辨率分辨储能电容器的内阻。当然还可能有较大的线圈电流，同时进一步改善内阻测量的分辨率。
变换器必须是通过气囊控制装置的处理器或者微控制器可接通的和可断开的。储能器必须后接由二极管和例如陶瓷电容器组成的峰值整流器。所述的二极管和陶瓷电容器在优选设计的气囊系统中不是最新的元件，而是完全是现有的，用于把支持系统的末级与储能器连接。就是说这样的峰值整流器是本来就有的。储能电容器的峰值整流器的电压必须通过分压器分压，所述的分压器可以分立地在二极管与地之间，也可以集成在集成的电路中，例如在末级IC中，并且连接成低通滤波器。所述的低通滤波器可以由两个分压电阻和地之间的分立的陶瓷电容器构成，也可以是低通滤波器通过相应连接用于测量分压器电压的运算放大器，例如集成在末级IC中，构成。此外峰值整流器的电压必须能够由一个模数转换器检测。该模数转换器或者是微控制器的组成部分，或者是通过数字通信连接串行或并行地与微控制器相连的开关变换器IC的组成部分，或者是末级IC的组成部分并且通过数字通信连接串行或并行地与微控制器相连。
图4是方框图，示出根据本发明的装置的概况。电压变换器400把电池电压Ubat变换成较高的值，用之给后接的储能电容器ER充电。该储能电容器具有一个内电阻ESR，电压变换器400的充电电流流过该内电阻ESR。储能电容器ER后接一个整流器401。该整流器防止由于在后接的点火装置403中的意外的正电压脉冲的意外的点火，或者由于连接点火元件的意外点火，因为没有整流器401的点火元件通过末级晶体管的反向二极管与储能器连接，并且在有电位差时导致电流。在整流器401与点火装置403之间并联连接一个分压器402，该分压器402还构成低通滤波器。该分压器402用于测量内阻ESR，如在下文所述。在分压器402上测量出的电压传送到微控制器μC，更确切地说到微控制器的模数转换器中。依据从而确定的储能电容器ER的内阻ERS的值，微控制器μC控制一个显示器404，该显示器404显示内阻ESR是否有足够高的值，以致需要更换储能电容器处于其中的气囊控制装置。该显示器404可以是仪表盘中的灯、屏幕上的显示器、语音输出装置或者是通过无线电向服务提供商传输的消息。
图1详细地示出根据本发明的装置的电路图。用方框100表示电压变换器。线圈117安排在方框100之外，因为方框100中的所有元件都集成在一个IC中。构成为盆式线圈的线圈117不能集成在IC中。线圈117在一端连接电池电压UBat或者连接错极性保护了的电池电压VZP，而在另一端连接二极管109的阳极并且例如连接晶体管118的漏极。晶体管118的栅极由开关控制装置116控制。在晶体管118的源极上连接比较器113的第一输入端和电阻器112。电阻器112的另一端接地和比较器113的第二输入端。二极管109的阴极一方面连接电阻器110，而另一方面在IC100外部连接电解电容器ESR的内电阻和峰值整流器101的二极管D的阳极。电阻器101在其另一端与运算放大器114的第一输入端连接并且与电阻器111连接。电阻111在另一端接地。从而电阻器110和111构成一个分压器。在运算放大器114的第二输入端上加以基准电压，从而通过运算放大器114进行由分压器110和111截取的电压与基准电压比较。运算放大器114的输出送入比较器115的第一输入端。在比较器115的第二输入端上有锯齿波信号。比较器115的输出端送入开关控制器116的第一输入端。在开关控制器116的第二输入端上连接比较器113的输出端。在开关控制器116的第三输入端上连接微控制器μC的信号线或者控制线，该控制线基于微控制器与开关变换器IC之间的串行的或者并行的通信向开关控制器传输激活或者去活开关变换器的逻辑命令。
内电阻ESR在其另一端连接储能电容器的电容ER。电容ER的另一端接地。电解电容器的内电阻不是电气元件，而是对电阻性损耗的模型描述。二极管D的阴极一方面连接电容Cpeak_D并且连接电阻器R1以及连接由晶体管104和二极管106的阴极组成的并联电路。晶体管104和阴极106属于控制点火件108的末级IC103。也就是晶体管104和二极管106在另一端连接点火元件108。晶体管104只以其源极和漏极集成在电路中。在此它起高侧开关的作用。在此为了简化没有示出其栅极连接。点火元件108在另一端连接末级ASIC107的低侧，更确切地说在此连接晶体管105的漏极和二极管107的阴极，该二极管107以其阳极接地并且连接晶体管105的源(漏？)极。电阻R1属于分压器102，其中电阻器R1的另一端连接电阻R2和电容器109。不论是电容器109，还是电阻器R2都在另一端接地。
电压变换器100把电池电压VZP变换成较高的值，以把电容ER充电到高于电池电压的值。在此电压变换器100以脉冲状态工作，也就是说，在充电状态通过经变换器的开关晶体管118的横向支路中增长至Ispmax的线圈电流在线圈中储存能量，以在开关晶体管118截止阶段作为充电脉冲向储能电容器ER重新释放能量。从而提供所谓的截止变换器。
电压变换器100的脉冲通过向比较器115传送的振荡器信号OSC来实现。这通过由分压器110和运算放大器114构成的反馈回路在脉冲宽度上调制，该运算放大器114把由分压器110和111分出的电压与基准值REF进行比较。从而实现脉冲宽度调制。通过比较器113的反馈用于将截止变换器的充电阶段中的线圈电流限制到一个最大值。二极管109用作错极保护。然后充电电流Isp一方面流经内电阻ESR和电容ER，另一方面流经二极管D并且从而把小电容Cpeak_D充电至电压峰值，该电压峰值可以通过电阻R1和R2截取。
把电阻器R1和R2以及电容器109和电容Cpeak_D的值设计得使充电电流主要传送到电容器ER。高侧104关断并且把二极管106连接得使之阻断来自变换器100的充电电流。如果断开电压变换器100并且UER＞VZP，在非常短暂的线圈电流衰减以后，充电电流不再流入电容器ER，并且在内电阻ESR上的电压降消失。图2阶段202中后接的峰值整流器的电压201也示出这样的电压下降，后接的峰值整流器的片段202。
峰值整流器的电压201＝ux通过由R1和R2组成的分压器如此分压并且通过109如此滤波，使之可以向微控制器μC的模数转换器传送以进行电压测量。
如果微处理器可以在另一方面对截止变换器的运行施加影响并且准确地知道电池电压UB，(VZP)以及储能器电压，微处理器就可以从观察到的峰值整流器上的电压下降和已知的最大线圈电流计算出储能电容器的内阻(ESR)。
图2用电压-时间图示出所述测量方法。在纵坐标上标出电压200＝UER(含内阻的储能电容器对地电压)和电压201＝ux(峰值整流器对地的输出电压)，并且在横坐标上标出时间。在第一阶段203电压变换器400通过微处理器μC导通，从而导致把电容器ER充电超过电池电压UB或者VZP。然后在时间段202通过微处理器μC关断电压变换器400。由于小的电压升高和为了表现清楚快速的时间过程放大了电压方向和时间方向的比例(放大)。从这时起因为不再有充电电流流过电阻ESR，在该电阻上的电压降消失。但是这不是立即发生的，而是由于与200＝UER相关的线圈电流下降和与201＝ux相关的峰值整流器中的附加滤波作用带有一定的延迟。因此要等待一个时间Toff到其达到静态的值。在此该201＝ux静态值用u2标出。在此时间Toff估计为±2*0.5ms。
然后接着是其中把电压变换器在储能器ESR测量范围内接通的阶段204。在此清楚地示出脉冲地充电电容器ER。时间段204中的时间在此长为0.5ms。结果峰值整流器充电进行到值u3，而UER仅脉动比该值多出一个二极管电压以及储能电容器的电压基本值的一个微小的提高。在图2中这是在阶段204中的201及200。
接在时间段204后的是时间段205，其中又关断了电压变换器，并且在2*0.5ms的等待时间以后经过所有时间常数后在峰值整流器的输出端出现对地电压u5。
用量U表示的(u2-U2、u3-U3、u5-U5)在分压器102的输出端的相应的线性分压的电压传送到微控制器的ADC以计算储能器的内阻(ESR)。
首先通过充电把储能器的电压提高到不受Ubat(VZP)影响的值，例如23伏特，以与电池无关。然后断开电压变换器400并且在等待时间Toff以后测量峰值整流器401上的电压。选择等待时间Toff使得变换器线圈中的能量消失并且峰值整流器的不确定的峰值电压通过关联的末级的确定的输入电流和/或分压器的纯电阻负载下降到静态的电压UER-UD，以及经历了后接低通滤波器的4τ，其中，τ是低通滤波器的时间常数。例如Toff选择为1ms，这例如对应微控制器的两个实时栅格(Echtzeitraster)。
Toff的估计值由Toff≈dt1+dt2+dt3得出变换器线圈Lsp*Isp2＝CER*(UER2-UERO2)，由此得出duER＝3.1mv同时CER＝2.2mF，得出dt1＝5.7μs
峰值整流器ESRmax*Ispmax*Cpeak_D/IL＝dt2＝800μs低通滤波器(由图1中的102和109构成)4τ＝dt3＝100μsToff＞＝dt1+_dt2+dt3＝905.6μs，选择Toff＝2*0.5ms计算参数IL＝1.2mA为末级IC对ER和分压器的供电电流，以及ESRmax＝4Ω、Ispmax＝1.2A、Cpeak_D＝200nF、UERO＝18伏特、CER＝2.2mF、Lsp＝220μH。
下面考虑在时间Toff中由于通常静态的储能器负载电流的储能器电压损耗。
对于电容为CER的储能器得出负载电流IL在时间Toff引起的电压变化为duERoff＝IL*Tw/CER。
在CER＝2.2mF、IL＝1.2mA、Tw＝1ms时，得出duERoff＝1.2mA*1ms/2.2mF＝0.55mV。
这表明对于2.2至20mF的一般的储能器，duERoff小得可以忽略。下面说明U2的公式公式1U2＝Ux(t＝Toff)＝Ux(t＝2*500μs)＝Rdiv*[uER(t＝Toff)-UD]＝1449mV；计算参数Rdiv＝R1/R1+R2＝0.0833；UD＝0.8V；例如uER(t＝Toff)＝UER(t＝0)-Ispmax*ESR＝18.2V如果，UER(t＝0)＝23V当Isp＝Ispmax，Ispmax＝1.2A且ESR＝ESRmax＝4Ω时然后接通变换器并且运行时间Ton。在此Ton选择为500μs。在此把Ton选择得使储能器电压几乎不变化，但是把峰值整流器提高到由于储能器内阻造成的电压降的值。
下面说明U3的公式公式2U3＝Ux(t＝Toff+Ton)＝Ux(3*500μs)＝Rdiv*[uER(t＝Toff+Ton)+Ispmax*ESR-UD]公式4 ESR＝(U3-U2)/(Rdiv*Ispmax)，并且如下化简uER(t＝Toff+Ton)≈uER(t＝Toff)，
该化简的不精确性可以通过以下方法改善首先估计在时间Ton中储能器的进一步充电duERon≈[(Ispmax/3)*500μs)]/CErn例如在Ispmax＝1.2，CERn＝2200μF时得出duERon＝90mV这使内阻ESR的确定得到改善。接着如下地修改公式4公式5 ESR＝(U3-dUERon-U1)/(Rdiv*Ispmax)其中U1是末知的。
通过添加测量值u5补充了测量测量U3以后断开变换器。重新等待等待时间Toff，直到峰值测量器重新显示近于静态的电压UER-UD，然后测量u5及U5。由此可以无末知数地如下表达公式5公式6 ESR＝(U3-(U5-U1)-U1)/(Rdiv*Ispmax)＝(U3-U5)/(Rdiv*Ispmax)作为确定内阻的容差，保留aa)主要仅由分压器得出的电压测量容差。由于快速的测量序列，模数转换器的基准电压不受影响，只要对之充分的滤波即可。
bb)模数转换器的±1位的容差在有3.3V对地的基准电压的10位模数转换器中对应于38.76mV的值cc)最高线圈电流ISPmax的容差。这可以通过适当地设计开关调节器简单地保持在±33％，或者例如通过基准电阻标准到最高精确度，例如3％。
由二极管D和电容Cpeak_D组成的峰值整流器是按照上述的方法确定储能器的内阻必需的元件。然而这些元件一般地已经是气囊控制装置的元件，以能够在Ubat对储能器短路时对点火电路进行错极保护。
图3用流程图示出根据本发明的方法。在方法步骤300进行充电到以上所述的值，例如UER＝23V(≈UER如果ESR≈0时)。选择UER＞UBmax。
在微控制器的ADC上ux达到值U1。在方法步骤301断开转换器而电流下降到零，从而电压下降至U2。然后，在方法步骤302中重新进行ER的充电过程，其中把峰值整流器101、104上的电压充电至u3以及把ADC的输入端上的电压充电至U3，以在步骤303中重新断开变换器，从而再下降到U5。在考虑其余的电气参数的条件下从电压差值可以在方法步骤304中确定储能电容器的内阻。
在图5中示出中心储能器的联合的ESR和电容测量的另一个实施例。
在此首先把图1扩充另一个串联稳压晶体管119。该串联稳压晶体管119用外电极连接电池电压VZP并且用另一个外电极连接线圈117。中间电极连接开关控制器120。开关控制器120由微控制器μC控制。从而与图1比较串联稳压晶体管嵌入在VZP与线圈117之间的连接线路中。其余方面所有的元件和连接都相同。
通过该晶体管119可以由μC控制电池电压对储能器的转移。
如果关断晶体管119，从而储能器也不能够通过UB(VZP)预充电。
如果导通晶体管119，就把ER预充电到UB(VZP)。
然后可以通过添加的电流源无UB干扰地在较低的ER电压下将储能器放电以进行电容测量。从Icap-test、选择的放电时间和和所观察的ER上的电压变化可以计算出ER的电容量。
该实施例的优点是由μC控制的把ER预充电到UB(VZP)。
在较低的ER电压条件下的ER电容量检验导致用于进行电容测量的测量电流源中的功率损耗的下降。
ER电容量测量和ESR测量可以在关断串联稳压晶体管的条件下无供电线路上的瞬态干扰地进行，因为在测量时中断了UB(VZP)的转移。
MC控制线μC-ON/OFF、μC-ON/OFF_2、μC-ON/OFF_3除了直接连接到μC以外，还可以由在ASIC上的逻辑电路控制，其中所述逻辑电路通过串行接口或者并行接口与μC通信，以接收命令或应答命令的执行。
权利要求
1.用于在支持系统中监测至少一个储能电容器(ER)的装置，其中配置用于监测至少一个储能电容器(ER)的电容的装置，其特征在于，所述装置还被配置用于监测至少一个储能电容器(ER)的纯电阻性内阻(ESR)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，把所述装置配置得通过储能电容器(ER)的至少一个充电过程(204)和一个充电过程中断(205)的时间序列确定内阻(ESR)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为了监测内阻(ESR)设置电压变换器(100、400)、整流器(101、401)和分压器(402、102)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电压变换器(100、400)具有其输出电压的调节。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述整流器(101、401)是峰值整流器。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分压器(102、402)被配置为低通滤波器。
7.如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，在所述电压变换器中(100、400)设置串联稳压晶体管(119)，所述的串联稳压晶体管(119)控制电池电压(VZP)向储能电容器(ER)的转移。
8.用于在支持系统中监测至少一个储能电容器(ER)的方法，其中监测至少一个储能电容器(ER)的电容，其特征在于，还监测至少一个储能电容器(ER)的内阻(ESR)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过储能电容器(ER)的至少一个充电过程(204)和一个充电过程中断(205)的时间序列确定内阻(ESR)。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，如下地监测内阻(ESR)在第一步骤中，把电容器(ER)充电到第一电压值(23伏特)，在第二步骤中中断所述充电一个第一时间(Toff)，在第三步骤中把储能电容器(ER)重新充电一个第二时间(Ton)，直到峰值测量器(101、401)充电到第二电压值(u3)，在第四步骤中(Toff)，中断所述充电一个第三时间从而使峰值整流器上的电压下降到第三电压值(u5)，并且在第五步骤中从第二和第三电压值(u5、u3)的电压差确定内阻(ESR)。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一电压值选择得高于汽车电池电压。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述充电以脉冲方式进行。
13.如权利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，所述第一时间依据接在储能电容器(ER)后的低通滤波器(102、402)的时间常数和接在储能电容器(ER)后的整流器(101、401)的电压下降来选择。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二时间选择得使整流器(101、401)提高到第二电压值(u3)。
15.如权利要求10至14之一所述的方法，其特征在于，选择第三时间(Toff)等于第一时间。
全文摘要
提出了用于监测储能电容器的一种方法和一种装置，其中现在除了监测电容量以外还监测内阻。这是通过充电过程和中断该充电过程的时间序列实现的。
文档编号B60R21/01GK1701008SQ200480000813
公开日2005年11月23日 申请日期2004年3月2日 优先权日2003年4月30日
发明者H·舒马赫尔, G·黑尔曼 申请人:罗伯特·博世有限公司