Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem

Die Erfindung geht aus von einer Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind Energieversorgungsvorrichtungen für Personenschutzsysteme bekannt, welche beispielsweise als Airbagsysteme ausgeführt sind und über eine Zündenergieversorgungsvorrichtung verfügen, welche mindestens einen vorzugsweise als Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ausgeführten Zündenergiespeicher umfasst. Der mindestens eine Zündenergiespeicher kann über einen ersten Ladestromkreis aus einer ersten Systemspannung auf eine Reservespannung aufgeladen werden. Einerseits stellt ein solcher Zündenergiespeicher für einen kurzen Zeitraum von 0,5ms bis 2ms eine hohe Zündleistung im Bereich von 0,1kW bis 1,5kW für mindestens ein Rückhaltemittel bereit. Andererseits stellen diese bekannten Zündenergiespeicher im Falle einer Versorgungs-unterbrechung für einen kleinen Zeitraum von 100ms bis 2500ms die Versorgungsleistung im Bereich von 1W bis 10W zur Verfügung. Für eine längere Bereitstellungszeit bei einer Versorgungsunterbrechung von 5 bis 60s zur Abdeckung von„Multiple Crash Events" (Mehrfachunfälle) sowie zur Speicherung großer Datenmengen und umfangreicheren Crashdaten in Form von Fahrdaten vor, während und nach einem Crash, sind die als Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ausgeführten Zündenergiespeicher nur bedingt geeignet.

Offenbarung der Erfindung

Die Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass die höhere Energiedichte des Back-up-Energiespeichers bei gleichem Volumenbedarf gegenüber den herkömmlichen Zündenergiespeichern die Ausweitung der Autarkiezeiten über 5s hinaus ermöglicht. Ebenso ist eine Ausweitung der Systemfunktionalität in Bezug auf Sensorik, Notfunktionen, erweiterte Kommunikationsanbindung usw. mit höherem Energiebedarf möglich. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise mittlere Autarkiezeiten im Bereich von 5s bis 60s zur Abdeckung von„Multiple Crash Events". Zudem können Anforderungen zur Speicherung großer Datenmengen wie beispielsweise Fahrdaten vor, während und nach Crash erfüllt werden. Des Weiteren kann die Erfassung und Speicherung von umfangreicheren Crashdaten, wie beispielsweise Beschleunigungen entlang der drei Raumrichtungen und Drehraten um die drei Raumachsen unterstützt werden.

Der bisher verwendeten Zündenergiespeicher können bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so ausgelegt werden, dass nur noch die für die Aktivierung von Rückhaltemitteln notwendige Energie bereitgestellt wird. Dadurch reduziert sich in vorteilhafter Weise die Größe dieser Energiespeicher.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem zur Verfügung, welche eine Zündenergieversorgungsvorrichtung und eine Back-up-Versorgungsvorrichtung umfasst. Die Zündenergieversorgungsvorrichtung umfasst einen Zündenergiespeicher, welcher über einen ersten Ladestromkreis aus einer ersten Systemspannung auf eine Reservespannung aufladbar ist. Der Zündenergiespeicher ist geeignet, für einen kurzen Zeitraum von 0,5ms bis 2ms eine hohe Zündleistung im Bereich von 0,1kW bis l,5kW für mindestens ein Rückhaltemittel bereitzustellen. Hierbei umfasst die Back-up-Versorgungsvorrichtung einen Back-up- Energiespeicher, welcher über einen zweiten Ladestromkreis aus einer Systemspannung auf eine Back-up-Spannung aufladbar ist. Der Back-up- Energiespeicher weist eine um einen Faktor von 10 bis 50 höheren Energiedichtewert als der Zündenergiespeicher auf und ist geeignet, im Falle einer Versorgungsunterbrechung für einen vorgegebenen Zeitraum von mindestens 5s die Versorgungsleistung im Bereich von 1W bis lOW für das Personenschutzsystem bereitzustellen. Unter einer Back-up-Versorgungsvorrichtung wird vorliegend eine Baugruppe verstanden, welche im Falle einer Versorgungsunterbrechung für einen vorgegebenen Autarkiezeitraum die Versorgungsenergie für das Personenschutzsystem bereitstellt. Zudem umfasst die Back-up-Versorgungsvorrichtung einen Lade- Stromkreis zum Laden des Back-up-Energiespeichers.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Energieversorgungsvorrichtung für ein Personen- Schutzsystem möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Zündenergiespeicher mindestens einen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator umfassen kann. Der Back-up-Energiespeicher kann mindestens einen Doppelschichtkondensator (EDLC: Electric Double Layer Capacitor) mit einem um den Faktor 10 bis 50 höheren Energiedichtewert im

Vergleich zu einem Aluminium-Elektrolyt-Kondensator aufweisen. Diese höhere Energiedichte ermöglicht bei gleichem Volumenbedarf gegenüber Alu Elkos die Ausweitung der Autarkiezeiten über 5s hinaus. Ebenso ist eine Ausweitung der Systemfunktionalität mit höherem Strombedarf möglich. Die Aufgabe der Zünd- energiespeicherung wird nicht von einem EDLC wahrgenommen, es für diesen schwierig ist, die geforderten hohen Leistungen bis l,5KW für kurze Zeiträume, insbesondere bei Kälte bereitzustellen. So kann der Back-up-Energiespeicher beispielsweise mindestens zwei in Reihe geschaltete Doppelschichtkondensatoren und/oder mindestens zwei parallel geschaltete Doppelschichtkondensatoren umfassen. Zudem ist auch eine Kombination von solchen Reihenschaltungen und/oder Parallelschaltungen von Doppelschichtkondensatoren möglich, um die Back-up-Versorgung weiter zu verbessern.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvor- richtung kann ein Aufwärtswandler eine Eingangsspannung auf eine höhere

Ausgangsspannung wandeln, welche der ersten Systemspannung entspricht. Der Aufwärtswandler kann beispielsweise aus unterschiedlichen Fahrzeugspannungen im Bereich von 6V bis 18V eine konstante höhere Systemspannung im Bereich von 20V bis 40V erzeugen. Aus dieser ersten Systemspannung kann dann der erste Ladestromkreis den Zündenergiespeicher laden. Der Ladestrom ist vorzugsweise über eine SPI-Schnittstelle programmierbar. Zudem kann ein Abwärtswandler vorgesehen werden, welcher die erste Systemspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung wandelt, welche einer zweiten Systemspannung entspricht. Das bedeutet, dass die erste Systemspannung zur direkten Versorgung des Abwärtswandlers verwendet werden kann, welcher aus dieser die niedrigere zweite Systemspannung im Bereich von 6,7V bis 7,5V generiert. Diese zweite Systemspannung kann zur Versorgung einer externen PSI-Standard- Sensor-Schnittstelle und von nachgeschalteten weiteren Spannungsreglern verwendet werden. So kann beispielsweise mindestens ein Spannungsregler die zweite Systemspannung auf eine interne Versorgungsspannung regeln, so dass interne analoge und/oder digitale und/oder geschaltete Spannungen für das Personenschutzsystem bereitgestellt werden können.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung kann eine Auswerte- und Steuereinheit in Abhängigkeit von mindestens einer Systeminformation einen ersten Ladestrom für den Zündenergiespeicher über den ersten Ladestromkreis und/oder einen zweiten Ladestrom für den Back-up-Energiespeicher über den zweiten Ladestromkreis einstellen. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerte- und Steuereinheit in Abhängigkeit von mindestens einer Systeminformation einen Wandlungsfaktor des Aufwärtswandlers und/oder einen Pegel der ersten Systemspannung einstellen. Die mindestens eine Systeminformation kann beispielsweise eine Information über einen aktuellen Wert der Fahrzeugspannung und/oder eine Information über einen aktuellen Wert einer verpolgeschützten Fahrzeugspannung und/oder eine Information über einen aktuellen Wert der ersten Systemspannung und/oder eine Information über einen aktuellen Wert der Back-up-Spannung umfassen.

Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Airbagsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, in- tegrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogramm- produkt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem

Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung kann der zweite Ladestromkreis an einem ersten Ladepunkt mit der ersten Systemspannung oder an einem zweiten Ladepunkt mit der Fahrzeugspannung oder an einem dritten Ladepunkt mit der zweiten Systemspannung verbunden werden. Der erste Ladepunkt und die erste Systemspannung sind sehr gut geeignet, um den mindestens einen als Doppelschichtkondensator ausgeführten Back-up-Energiespeicher mit einem begrenzten Ladestrom zu laden und unabhängig von der Fahrzeugspannung auf seiner nominal zulässigen Spannung zu halten. Der zweite Ladepunkt und die Fahrzeugspannung eignen sich ebenfalls gut zum Laden eines auf Doppelschichtkondensatoren basieren- den Back-Up-Energiespeichers. Der dritte Ladepunkt und die zweite Systemspannung sind interessant für ein optionales Andocken eines auf Doppelschichtkondensatoren basierenden Back-Up-Energiespeichers an ein bestehendes Personenschutzsystems. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung kann der Back-up-Energiespeicher im Falle einer Versorgungsunterbrechung an einem ersten Einspeisepunkt die verpolgeschützte Fahrzeugspannung oder an einem zweiten Einspeisepunkt die zweite Systemspannung oder an einem dritten Einspeisepunkt die erste Systemspannung zur Verfü- gung stellen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann den Back-up-

Energiespeicher vorzugsweise über einen Back-up-Schalter in Abhängigkeit von mindestens einer Systeminformation mit einem korrespondierenden Einspeisepunkt verbinden. Der erste Einspeisepunkt ist am besten geeignet, um einen auf Doppelschichtkondensatoren basierenden Back-Up-Energiespeicher mit einer niedrigeren Ausgangsspannung im Bereich von IV bis max. n x 2.7V (n=3 bis 6) so anzuschließen, dass daraus über den Aufwärtskonverter die geeignete zweite Systemspannung erzeugt werden kann. Der zweite Einspeisepunkt ist geeignet, wenn die aufrechtzuerhaltenden Funktionen nur eine niedrige Versorgungsspannung von 3,3V oder niedriger benötigen. Der dritte Einspeisepunkt ist für auf Doppelschichtkondensatoren basierenden Back-Up-Energiespeicher mit mindestens sechs Doppelschichtkondensatoren geeignet, um eine hohe Versorgungsspannung von mehr als 12V bereitzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wer- den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Backup-Schalters für die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines zweiten Ladestromkreises für die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Backup-Versorgungsvorrichtung für die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung für ein Personenschutzsystem aus Fig. 4. Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 1 bis 5 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung 1A, 1B für ein Personenschutzsystem jeweils eine Zündenergieversorgungsvorrichtung 10 und eine Back-up-Versorgungsvorrichtung 20A, 20B. Die Zündenergieversorgungs- vorrichtung 10 umfasst einen Zündenergiespeicher 12, welcher über einen ersten Ladestromkreis 14 aus einer ersten Systemspannung VUP auf eine Reservespannung VER aufgeladen werden kann. Der Zündenergiespeicher 12 ist geeig- net, für einen kurzen Zeitraum von 0,5ms bis 2ms eine hohe Zündleistung im Bereich von 0,1kW bis l,5kW für mindestens ein Rückhaltemittel bereitzustellen. Hierbei umfasst die Back-up-Versorgungsvorrichtung 20A, 20B einen Back-up- Energiespeicher 22A, 22B, welcher über einen zweiten Ladestromkreis 24A, 24B aus einer Systemspannung VUP, UB, VAS auf eine Back-up-Spannung VBup aufgeladen werden kann. Der Back-up-Energiespeicher 22A, 22B weist einen um einen Faktor von 10 bis 50 höheren Energiedichtewert als der Zündenergiespeicher 12 auf und ist geeignet, im Falle einer Versorgungsunterbrechung für einen vorgegebenen Zeitraum von mindestens 5s die Versorgungsleistung im Bereich von 1W bis 10W für das Personenschutzsystem bereitzustellen.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst der Zündenergiespeicher 12 jeweils einen Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ER. Der Back-up- Energiespeicher 22A umfasst vier Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 und der Back-up-Energiespeicher 22B umfasst fünf Doppel- Schichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5. Die Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5 weisen einen um den Faktor 10 bis 50 höheren Energiedichtewert im Vergleich zum Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ER auf. Diese höhere Energiedichte ermöglicht bei gleichem Volumenbedarf gegenüber Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren die Ausweitung der Autarkiezeiten über 5s hinaus. Ebenso ist eine Ausweitung der

Systemfunktionalität (Sensorik, Notfunktionen, erweiterte Kommunikationsanbindung usw.) mit höherem Strombedarf möglich. Der Aluminium-Elektrolyt- Kondensator ER ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen so ausgelegt, dass er nur noch die für die Aktivierung von Rückhaltemitteln notwendige Energie bereitstellt. Dadurch reduziert sich die Größe dieses Energiespeichers ER. Wie aus Fig. 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen eine Fahrzeugspannung UB an die jeweilige Energieversorgungsvorrichtung 1A, 1B angelegt und nach einem Verpolschutz Dl wird eine verpolgeschützte Fahrzeugspannung VZP zur Verfügung gestellt. Die Energieversorgungsvorrichtungen 1A, 1B umfassen jeweils einen ersten Spannungsreglerblock 9.1, welcher in einer Anlaufphase aus der verpolgeschützten Fahrzeugspannung VZP für die Schaltkreise und Baugruppen des Personenschutzsystems erforderlichen internen analogen und/oder digitalen und geschalteten Spannungen VII, VI2, VI3 bereitstellt. Zudem erzeugt ein Aufwärtswandler 3 aus unterschiedlichen Fahrzeugspannungen UB bzw. unterschiedlichen verpolgeschützten Fahrzeugspannungen VZP, welche in einem Spannungsbereich von 6V bis 18V liegt, eine konstante erste Systemspannung VUP, welche im Bereich von 20V bis 40V liegt und vorzugsweise einen Wert von 33V aufweist. Aus dieser ersten Systemspannung VUP wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der

Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ER des Zündenergiespeichers 12 aufgeladen. Die Ladung erfolgt über den ersten Ladestromkreis 14. Der Ladestrom ist über eine nicht näher dargestellte SPI-Schnittstelle (SPI: Serial Peripheral Interface) programmierbar. Der erste Ladestromkreis kann über ein korrespondierendes Steuersignal SCER aktiviert oder deaktiviert werden. Zudem dient die erste Systemspannung VUP zur direkten Versorgung eines Abwärtswandlers 5, welcher aus der ersten Systemspannung VUP eine niedrigere zweite Systemspannung VAS im Bereich von 6,7V bis 7,5V erzeugt. Diese zweite Systemspannung VAS dient der Versorgung einer externen PSI-Standard-Sensor-Schnittstelle 7 und von nachgeschalteten weiteren Spannungsregler 9.2, 9.3, 9.4 zur Erzeugung von anlogen und/oder digitalen Versorgungsspannungen VI4, VI5, VI6 für Kommunikationsschnittstellen, Mikrocontrollern, ASICs usw. Zudem löst die zweite Systemspannung VAS im statischen Betrieb die verpolgeschützte Fahrzeugspannung VZP als Versorgungsspannung für den ersten Spannungsreglerblock 9.1 ab.

Im Crashfall wird über einen Zündschaltkreis 16 und eine Treiberschaltung 18 direkt Energie aus dem Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ER des Zündenergiespeichers 12 zum Aktivieren der nicht näher dargestellten Rückhaltemittel ent- nommen. Die bereitzustellende Leistung kann je nach Systemgröße im Kilowatt- bereich liegen. Bei einer vom Aluminium-Elektrolyt-Kondensator ER ausgegebenen Reservespannung VER von 33V und einem Zündstrom von 2,5A und beispielsweise sechzehn Zündpillen ergibt sich eine bereitzustellende Zündleistung von 1,32kW.

Wie aus Fig. 1 und 4 weiter ersichtlich ist, gibt es theoretisch mehrere geeignete Ladepunkte CHI, CH2, CH3, an welche der zweite Ladestromkreis 24A, 24B zum Laden der Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5 des Back-up-Energiespeichers 22A, 22B angeschlossen werden kann. Ein erster Ladepunkt CHI und ein zweiter Ladepunkt CH2 sind sehr gut geeignet, um die Back-up-Versorgungsvorrichtung 20A, 20B in eine Energieversorgungsvorrichtung 1A, 1B für ein Personenschutzsystem zu integrieren. Die Backup-Versorgungsvorrichtung 20A, 20B kann diskret oder als Ergänzung eines Air- bag Versorgungs-ASIC oder als Ergänzung eines Airbag-System-ASIC ausgeführt werden. Der Vorteil des ersten Ladepunktes CHI ist die uneingeschränkte Bereitstellung der Energie des Back-up-Energiespeichers 22A auch bei kontinuierlich niedriger Fahrzeugspannung UB mit einem Wert von bis zu 6V, da die erste Systemspannung VUP durch den Aufwärtswandler 3 auch bei kleinen Eingangsspannungen auf Werte von 20V bis 40V geregelt wird. Zudem ist der erste Ladepunkt CHI optimal geeignet, um die Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4 des Back-up-Energiespeichers 22A mit einem begrenzten Ladestrom zu laden und dabei unabhängig von der Fahrzeugspannung UB, die in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4 immer auf ihrer nominal zulässigen Spannung zu halten. Der zweite Ladepunkt CH2 eignet sich ebenfalls gut zum Laden der Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5 des Back-up-Energiespeichers 22 B, deckt aber keinen permanenten Betrieb mit einer Fahrzeugspannung UB von 6V ab. Nach Start des Fahrzeugs kann aber sicher eine Ladespannung von über 7V für den Back-up-Energiespeicher 22B erreicht werden. Ein dritter Ladepunkt CH3 eignet sich für einen Back-up-Energiespeicher mit maximal drei Doppelschichtkondensatoren. Die nutzbare Versorgungsenergie wird durch den geringeren nutzbaren Spannungshub von ca. 2.5V begrenzt.

Wie aus Fig. 1 und 4 weiter ersichtlich ist, gibt es mehrere geeignete Einspeise- punkte Supl, Sup2, Sup3 für den Back-up-Energiespeicher 22A, 22B in der Energieversorgungsvorrichtung 1A, IB. Ein erster Einspeisepunkt Supl und die eingespeiste Back-up-Spannung VBup, welcher der verpolgeschützten Fahrzeugspannung VZP entspricht, sind am besten geeignet. Am ersten Einspeisepunkt Supl ist der nutzbare Spannungshub der Back-up-Spannung VBup am Back-up-Energiespeicher 22A, 22B maximal. Der erste Einspeisepunkt Supl optimiert die Eigenschaften des Back-up-Energiespeichers 22A, 22B mit einer vorgegebenen Anzahl n von Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5 mit einer Nennspannung im Bereich von 2,5V bis 2.7V und dem Ziel möglichst wenig Doppelschichtkondensatoren in Reihe zu schalten, so dass die Anzahl n der in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5 zwischen 3 und 6 liegt. Der Aufwärtswandler 3 weist die Fähigkeit auf, aus kleinen Eingangsspannungen im Bereich von mindestens 5V die für das optimale Zünden der Rückhaltemittel notwendige erste geregelte Systemspannung VUP mit einem ersten selektierten Wert im Bereich von 20V bis 40V oder für Eingangsspannungen zwischen 3V bis 5V die erste geregelte Systemspannung VUP mit einem zweiten selektierten Wert im Bereich von 14V bis 18V zu erzeugen und bereitzustellen, für den Fall der Aufrechterhaltung aller Systemfunktionen ohne bzw. mit eingeschränkter Aktvierung von Rückhaltemitteln. So kann die erste Systemspannung VUP mit einem Wert von 14V bis 18V beispielsweise nur einen Betrieb einer limitierten Anzahl von typischen Zündkreisen, einer externen Sensorik; einer internen Sensorik, einer Datenspeicherung; von Kommunikationsfunktionen; von Notfunktionen und einer Rechenleistung ermöglichen. Des Weiteren kann der Aufwärtswandler 3 für den ausschließlichen Betriebsfall der internen Sensorik, der Datenspeicherung, der Kommunikationsfunktionen, der Notfunktionen und der Rechenleistung die erste geregelte Systemspannung VUP auf einen dritten selektierten Wert im Bereich von 8V bis 10V bereitstellen. Diesen Betriebsfall kann der Aufwärtswandler auch für sehr kleine Eingangsspannungen im Bereich von 1,5V bis 3V aufrechterhalten. Im Autarkiefall bzw. im Falle einer Versorgungsunterbrechung kann der Back-up-Energiespeicher 22A, 22B Energie aus seiner Ladespannung abnehmend nur bis zur minimal möglichen Eingangsspannung des Aufwärtswandlers 3 im Bereich von 1,5V bis 5V abgeben. Ein zweiter Einspeisepunkt Sup2 und die eingespeiste zweite Systemspannung VAS sind geeignet, wenn die aufrechtzuerhaltenden Funktionen nur eine Back-up-Spannung VBup von 3,3V oder niedriger benötigen. In diesem Falle ist bei vier Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4 noch ein ausreichender Spannungshub von ca. 2.5V vorhanden. Ein dritter Einspeisepunkt Sup3 ist für Back-up-Energiespeicher mit mindestens acht Doppelschichtkondensatoren geeignet, um von Anfang an eine Back-up-Spannung VBup von größer als 12V bereitzustellen. Dadurch sind alle Funktionen die aus der zweiten Systemspannung VAS versorgt werden, wie beispielsweise externe PSI-Sensoren, externe PSI-Sensor-Synchronisation, nachgeschaltete Spannungsregler 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 usw. funktionsfähig.

Wie aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, wird im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Energieversorgungsvorrichtung 1A ein Back-up- Energiespeicher 22A mit vier Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 optimal in ein angepasstes Energieversorgungskonzept integriert. Der Back-up-Energiespeicher 22A wird über den programmierbaren zweiten Ladestromkreis 24A mit überlagerter Spannungskontrolle ausgehend vom ersten Ladepunkt CHI geladen. Die Anordnung für die Verwendung von nicht selektierten Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4, gleicher Nennkapazität in Serienschaltung ausgelegt. Dies ist die kostengünstigste Systemauslegung. Da die Nennkapazität Cn von Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 stark streut (Cn+a%/-b%, mit a=40, b=20) und die Spannung eines Doppelschichtkondensators EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 den maximalen Spannungswert Uzmax von 2,5V bis 2,7V nicht überschreiten darf, ergeben sich für die überlagerte Spannungskontrolle gemäß Gleichung (1) und (2) folgende Grenzwerte:

Un=[(C-b%)/Cvn] * Uzmax (1)

Cvn=[(C+a%)/(n-l)*(C-b%)]/[ C+a%)/(n-l) + (C-b%)] (2)

Hierbei ist Cvn die Gesamtkapazität von n in Serie liegenden Kondensatoren gleicher Nennkapazität„C", von denen n-1 Kondensatoren im schlechtesten Fall (worst case) die maximale Kapazität aufweisen ((C+a%)/( n-1)) und ein Kondensator die minimale Kapazität C-b% aufweist. Dieser Zustand führt im schlechtesten Fall beim Laden der minimalen Kapazität C-b% auf den maximalen Spannungswert Uzmax zur maximal zulässigen Ladespannung Un aller n in Serie liegender Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 mit der Nennkapazität C. Auf diese maximal zulässige Ladespannung Un ist die überlagerte Spannungskontrolle des zweiten Laderstromkreises 24A zu programmieren.

So ergibt sich beispielsweise für einen maximalen Spannungswert Uzmax von 2,7V und einer Nennkapazität C von 20F mit a=40 und b=20 für n=3 Doppelschichtkondensatoren eine Gesamtkapazität von Cv3=0.373*C und eine Ladespannung U3 von 5,79V. Unter Berücksichtigung von 3% Toleranz der Spannungskontrolle gilt für die Ladespannung ein Wert von U3=5,6V.

Für n=4 Doppelschichtkondensatoren ergibt sich eine Gesamtkapazität von Cv4=0.295*C und eine Ladespannung U4 von 7,32V. Unter Berücksichtigung von 3% Toleranz der Spannungskontrolle gilt für die Ladespannung ein Wert von U4=7,1V.

Für n=5 Doppelschichtkondensatoren ergibt sich eine Gesamtkapazität von Cv5=0.243*C und eine Ladespannung U5 von 8,89V. Unter Berücksichtigung von 3% Toleranz der Spannungskontrolle gilt für die Ladespannung ein Wert von U5=8,6V.

Für n=6 Doppelschichtkondensatoren ergibt sich eine Gesamtkapazität von Cv6=0.207*C und eine Ladespannung U6 von 10,4V. Unter Berücksichtigung von 3% Toleranz der Spannungskontrolle gilt für die Ladespannung ein Wert von U6=10,1V.

Für n=7 Doppelschichtkondensatoren ergibt sich eine Gesamtkapazität von Cv7=0.181*C und eine Ladespannung U7 von 11,96V. Unter Berücksichtigung von 3% Toleranz der Spannungskontrolle gilt für die Ladespannung ein Wert von U7=11,6V.

Für n=8 Doppelschichtkondensatoren ergibt sich eine Gesamtkapazität von Cv8=0.16*C und eine Ladespannung U8 von 13.5V. Unter Berücksichtigung von 3% Toleranz der Spannungskontrolle gilt für die Ladespannung ein Wert von U8=13,1V. Die überlagerte Spannungskontrolle ist im dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgeführt, dass über eine SPI-Programmierung, entsprechend der Anzahl (n) in Reihe liegender Doppelschichtkondensatoren gleicher Nennkapazität, die Spannungskontrolle auf den zulässigen Maximalwert gesetzt wird. Dieser Wert stellt dabei sicher, dass durch die Kapazitätstoleranzen der in Reihe liegenden Doppelschichtkondensatoren, kein Doppelschichtkondensator mehr als die maximal zulässige Zellenspannung Uzmax beim Laden des Back-up-Energiespeicher 22A erhält. Weiterhin ist eine Auswerte- und Steuereinheit 28A vorgesehen, welcher in Abhängigkeit der Spannungen UB, VZP bzw. der Messsignale M UB, MVZP das Verhalten des Aufwärtswandlers 3, des ersten Laderstromkreises 14, des zweiten Ladestromkreises 24A und die Einspeisung der Back-Up-Energie des Back-up- Energiespeicher 22A über einen Back-up-Schalter 26A, welcher einen Back-up- Transistor TBup, eine Schutzdiode DBup und einen ohmschen Widerstand R um- fasst, in den ersten Einspeisepunkt Supl einspeist. Die Messsignale M UB, MVZP können beispielsweise durch nicht näher dargestellte Schutzwiderstände abgegriffen werden, welche die Auswerte- und Steuereinheit 28A insbesondere gegen Spannungstransienten des Fahrzeugbordnetzes schützt. Die Schutzdiode DBup sorgt dafür, dass kein unbegrenzter Strom direkt aus dem Fahrzeugbordnetz in den Back-up-Energiespeicher 22A fließen und diesen schädigen kann. Die Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 haben nur bestimmte zulässige Lade- und Entladeströme. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die ausgewählten Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 mindestens einen Endladestrom im Bereich von 1A bis 2A und einen Ladestrom von bis zu 200mA auf.

In Tabelle 1 sind die Zusammenhänge für eine sinnvolle Kontrolle der oben genannten Blöcke dargestellt.

U _B VZP BL VUP BL BL TBup

[V] 3 [V] 14 24A

>6V X An 33 An An Aus

<6V >5 An 33 An Aus* An*

<6V ]3,5[ An 14 An Aus* An* <6V ]1.5,3[ An 8 Aus Aus* An*

<6V <1.5V Aus X Aus Aus Aus

Tabelle 1

Im Einzelnen gilt im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel: Ist die Fahrzeugspannung UB und damit die Versorgungsspannung der Energieversorgungsvorrichtung 1A über 6V, dann liegt ein kontinuierlicher Betrieb vor. Daher ist der Aufwärtswandler 3 freigegeben und erzeugt die ersten Systemspannung VUP im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Wert von 33V. Ebenso sind der erste Ladestromkreis 14 und der zweite Ladestromkreis 24A freigegeben und unterliegen der Kontrolle der Auswerte- und Steuereinheit 28A für die maximalen Ladeströme, welche in Abhängigkeit von Systemkriterien gewählt werden können. Der Back-Up-Pfad des Back-up-Energiespeichers 22A zum ersten Einspeisepunkt Supl ist gesperrt. Das bedeutet, dass der Back-up- Transistor TBup sperrend geschaltet ist. Der Aufwärtswandler 3 kann über ein Steuersignal SUP aktiviert bzw. deaktiviert werden, wobei die Ausgangsspannung

VUP über ein Steuersignal SVUP vorgegeben werden kann.

Bricht die Fahrzeugspannung UB auf einen Wert unter 6V ein oder ergibt sich durch einen Crash eine Versorgungsunterbrechung oder ein Kurzschluss in der Fahrzeugbatterie usw., dann erfolgt eine Back-up-Energieversorgung durch den

Back-up-Energiespeicher 22A und der Back-up-Transistor TBup wird leitend gesteuert. Zudem wird die Ladung des Back-up-Energiespeichers 22A aus der zweiten Systemspannung VUP gesperrt. So lange der Back-up-Energiespeicher 22A eine verpolgeschützte Fahrzeugspannung VZP von mehr als 5V erzeugt, er- folgt keine Beschränkung der Versorgung des Personenschutzsystems. Das

Personenschutzsystem wird durch die erste Systemspannung VUP versorgt und der Zündenergiespeicher 12 wird nachgeladen, falls bereits Rückhaltemittel aus diesem aktiviert wurden. Sinkt die verpolgeschützte Fahrzeugspannung VZP durch die Energieentnahme aus dem Back-up-Energiespeicher 22A auf einen Wert unter 5V, wird die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers 3 bzw. die zweite Systemspannung VUP beispielsweise auf einen Wert von 14V geregelt, um den Eingangsstrom in den Aufwärtswandler 3 nicht zu groß werden zu lassen, bzw. den Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers 3 hoch zu halten. Mit der niedrigeren zweiten Systemspan- nung VU P von 14V ist ein Nachladen des Zündenergiespeichers 12 zwar noch möglich, die reduzierte Spannungshöhe ermöglicht aber nur typische Zündvorgänge. Alle anderen Steuergerätefunktionen sind aber weiterhin uneingeschränkt möglich.

Sinkt die verpolgeschützte Fahrzeugspannung VZP unter einen Wert von 3V, wird die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers 3 bzw. die zweite Systemspannung VU P beispielsweise weiter auf einen Wert von 8V reduziert, um den Eingangsstrom in den Aufwärtswandler 3 nicht zu groß werden zu lassen bzw. den Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers 3 hoch zu halten. Gleichzeitig wird der erste Ladestromkreis 14 blockiert (gesperrt), da die niedrige zweite Systemspannung VU P keine ausreichende wirksame Spannung zum Aktivieren von Zündkreisen darstellt. Alle anderen Steuergerätefunktionen bis auf die Kommunikation mit PSI-Sensoren sind weiterhin uneingeschränkt möglich.

Sinkt die verpolgeschützte Fahrzeugspannung VZP unter einen Wert von 1,5V wird die Back-up-Energieversorgung eingestellt und der Back-up-Transistor TBup wird sperrend geschaltet, um keine negativen Zellenspannungen in den Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4 zu erzeugen. Außerdem ist es für den Aufwärtswandler 3 zu aufwendig, aus einer Eingangsspannung von unter 1,5V mit vernünftigen Wirkungsgraden eine Ausgansspannung von 10V zu erzeugen.

Weiterhin lässt sich die Back-Up Kontrolle verbessern, wenn die in Tabelle 1 mit einem * markierten Befehle mit einer Mindestzeit von beispielweise 50ms kombiniert werden, um bei einem Einbruch der Fahrzeugspannung U B unter den Spannungswert von 6V mehrere Schaltvorgänge zu vermeiden. Dadurch können Störungen auf der Fahrzeugspannung UB in vorteilhafter Weise gefiltert werden.

Mit dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel lässt sich im ungünstigsten Falle eine Autarkiezeit bzw. eine Back-up-Energieversorgung von bis zu 57s erzielen. Fig. 3 zeigt eine etwas detailliertere Darstellung für den SPI-programmierbaren zweiten Ladestromkreis 24A mit einer SPI-programmierbaren Spannungslimitie- rung und einer Einschalt-/Ausschaltkontrolle über ein Steuersignal SCEDLC Der Ladestrom für den Back-up-Energiespeicher 22A wird durch einen Shuntwi- derstand RSHA in eine Differenzspannung umgesetzt. Diese wird durch einen nicht invertierenden ersten Verstärker OP1 verstärkt und einem zweiten Verstärker OP2 als Eingangsspannung am nicht invertierenden Eingang zugefügt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Schutzwiderstände Rs vorgesehen, welche auch zur Absolut-Offsetpegelsenkung des ersten Verstärkers OP1 dienen. Ist diese Differenzspannung größer als eine am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers durch eine SPI-Programmierung vorgebbare Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle 24.1, so erhöht sich eine Ausgangsspannung am zweiten Verstärker OP2 und steuert einen als P-Channel-FET ausge- führten Regeltransistor Tl in Richtung nicht leitend, so dass der Ladestrom auf den programmierten Referenzwert sinkt. Die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers OP1 kann mit Hilfe eines Analog-/Digital-Wandlers über die SPI- Schnittstelle als Messsignal MIL zur Kontrolle der Ladestromhöhe des Back-up- Energiespeichers 22A rückgelesen werden.

Die Ladespannung des Back-up-Energiespeicher 22A wird über einen Spannungsteiler Rvl, Rv2 einem invertierenden Eingang eines Komparators COMP zugeführt. Da im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Doppelschichtkondensatoren EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4 in Reihe geschaltet sind, wird über die SPI-Schnittstelle eine maximale Back-up-Spannung VBupmax auf U4=7.1V programmiert, damit kein Doppelschichtkondensator EDLCl, EDLC2, EDLC3, EDLC4 aufgrund der Kapazitätstoleranz der n gleichen Nennkapazitäten des Back-up-Energiespeicher 22A zerstört wird. Werden acht Doppelschichtkondensatoren EDLCl bis EDLC8 gleicher Nennkapazität und Bauart in Serie geschal- tet, dann wird über die SPI-Schnittstelle eine maximale Back-up-Spannung

VBupmax=13.1V programmiert, damit kein Doppelschichtkondensator EDLCl bis EDLC8 der Reihenschaltung aufgrund der Kapazitätstoleranz der n gleichen Nennkapazitäten des Back-up-Energiespeichers 22A eine Spannung über der zulässigen Zellenspannung Uzmax (beispielsweise=2.7V) aufweist. Überschreitet die am invertierenden Eingang des Komparators COMP anliegende Spannung eine programmierte und über eine Referenzspannungsquelle 24.2 erzeugte Sollvorgabe am nicht invertierenden Eingang des Komparators COMP, so wird ein Open- Kollektor-Ausgang des Komparators COMP leitend nach Masse verbunden und sorgt über die Reduktion der Spannung am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers OP2 für eine Sperrung des Regeltransistors Tl. Zudem kann über einen niedrigen logischen Pegel„LOW" des Steuersignals SCEDLC ein Open- Kollektor am Ausgang eines Treibers 24.3 nach Masse leitend geschaltet werden. Dadurch wird über die Reduktion der Spannung am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers OP2 der Regeltransistor Tl gesperrt. Bei einem hohen logischen Pegel„HIGH" des Steuersignals SCEDLC bleibt der Open-Kollektor am

Ausgang des Treibers 24.3 gesperrt und der zweite Ladeschaltkreis 24A ist freigegeben.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Energieversorgungsvorrichtung 1A weist den Vorteil auf, dass der Back-up-Energiespeicher 22A selbst nicht wie der

Zündenergiespeicher 12 in unmittelbarer Nähe des Personenschutzsystems untergebracht sein muss. Aufgrund der nicht sehr hohen Ladeströme (0 bis 200mA) und der nicht so hohen Entladeströme (0 bis 2A) kann der Back-up- Energiespeicher 22A an geeigneten Einbauorten in größerer Entfernung zum Personenschutzsystem untergebracht werden ohne größere Kabelquerschnitte zu verwenden.

Wie aus Fig. 4 und 5 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Energieversorgungsvorrichtung 1B ein Back-up- Energiespeicher 22B analog zum ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit vier

Doppelschichtkondensatoren EDLC1, EDLC2, EDLC3, EDLC4, EDLC5 ausgeführt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird der Back-up- Energiespeicher 22B im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel über den zweiten Ladestromkreis 24B ausgehend vom zweiten Ladepunkt CH2 geladen. Die Einspeisung der Back-up-Energie erfolgt analog zum ersten Ausführungsbeispiel am ersten Einspeisepunkt Supl.

In Fig. 5 ist eine diskrete Ausführung der Back-up-Versorgungsvorrichtung 20B dargestellt. Über eine Schutzdiode DCH, einen Shuntwiderstand RSHB und ei- nen Regeltransistor Tl wird der Back-up-Energiespeicher 22B mit einem Lade- ström aus der Fahrzeugspannung UB geladen. Dabei übernimmt ein erster Transistor Tljim die Begrenzung des Ladestroms. Die Höhe der Begrenzung wird im Wesentlichen durch den Shuntwiderstand RSHB eingestellt. Das Einschalten und Ausschalten des Ladestromes erfolgt über einen zweiten Transistor Tl_ctl. Weist das Steuersignal SCEDLC einen hohen logischen Pegel„HIGH" auf, wird über einen Basiswiderstand Rb3 der zweite Transistor Tl_ctl leitend gesteuert. Dadurch wird ein Spannungspotential am Gate des als P-Channel MOSFET ausgeführten Regeltransistors Tl durch einen Spannungsteiler aus Widerständen RGS1, RG1 so eingestellt, dass der Regeltransistor Tl leitet. Über den Shuntwiderstand RSHB wird der Ladestrom für den Back-up-Energiespeicher 22B erfasst und begrenzt, sobald eine Emitter-Basis- Spannung des ersten Transistors Tljim diesen leitend steuert und das Gate- Potential des Regeltransistors Tl wieder anhebt, wodurch dieser wieder etwas hochohmiger wird. Eine parallel zum Widerstand RGS1 angeordnete erste Zenerdiode ZDS1 dient nur zum Schutz des Re- geltransistors Tl und zur Begrenzung der Source-Gate Spannung bei hohen

Fahrzeugspannungen UB.

Die Aufgabe der Ladespannungsbegrenzung übernimmt eine zweite Zenerdiode ZD_U zusammen mit den Widerständen Rai, Rb2 und einem dritten Transistor TU_ctl. Überschreitet die Ladespannung des Back-up-Energiespeichers 22B einen Wert, welcher aus einer Zenerspannung der zweiten Zenerdiode ZD_U und einer Basis-Emitter-Spannung des dritten Transistors TU_ctl gebildet wird, so wird der dritte Transistor TU_ctl leitend geschaltet und sperrt den zweiten Transistor Tl_ctl, wodurch der Ladevorgang des Back-up-Energiespeichers 22B so- lange gestoppt wird, bis die Back-up-Spannung VBup des Back-up-

Energiespeichers 22B durch Selbstentladung (Leckströme) wieder unter den oben genannten Schwellwert absinkt.

Die Einspeisung der Back-up-Energie aus dem Back-up-Energiespeicher 22B über den als P-Channel MOSFET ausgeführten Back-up-Transistor TBup und die

Schutzdiode DBup am ersten Einspeisepunkt Supl. Die Steuerung erfolgt durch ein Steuersignal SB _up über einen vierten Transistor T2. Weist das Steuersignal SB _UP einen hohen logischen Pegel„HIGH" auf, dann wird über einen Basiswiderstand Rb4 der vierte Transistor T2 leitend gesteuert. Wodurch ein Spannungspo- tential am Gate des Back-up-Transistor TBup durch den Spannungsteiler aus den Widerständen RGS2, RG2 so eingestellt wird, dass dieser leitet. Dadurch liefert der Back-up-Energiespeicher 22B den am ersten Einspeisepunkt Supl benötigten Versorgungsstrom des Personenschutzsystems, sofern die Fahrzeugspannung UB ZU niedrig oder unterbrochen ist. Mit Hilfe der Messspannungsteiler aus den Widerständen Rml, Rm2 bzw. Rm3, Rm4 bzw. Rm5, Rm6 werden von einem Analog-/Digitalwandler der Auswerte- und Steuereinheit 28B die zur Steuerung des Back-up-Energiespeichers 22 B erforderlichen Spannungen UB, VZP, VBup als Messsignale M UB, MVBup, MVZP erfasst und daraus die entsprechenden in Tabelle 2 angegebenen Steuersignale SCEDLC, SB _UP , SCER erzeugt.

Tabelle 2

Weiterhin lässt sich die Back-Up Kontrolle verbessern, wenn die in Tabelle 2 mit einem * markierten Befehle mit einer Mindestzeit von beispielweise 50ms kombi- niert werden, um bei einem Einbruch der Fahrzeugspannung UB unter den

Spannungswert von 6V mehrere Schaltvorgänge zu vermeiden. Der in Tabelle 2 mit zwei ** markierte Befehl bleibt bis zum Zurücksetzen aktiv.