DE102004020539B3 - Elektronische Steuereinrichtung und Verfahren zur Steuerung des Betriebs von Kraftfahrzeugkomponenten - Google Patents

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Abstract

Bei einem Mikrocontroller (12) mit zugeordneten Endstufen (14-1, 14-2) zur Ansteuerung von Komponenten wird eine Betriebsspannung überwacht. Im Falle einer Überspannung wird die Endstufe (14-1, 14-2) abgeschaltet.
Es sind zwei technologiebedingt in verschiedenen Betriebsspannungsbereichen arbeitende Spannungsüberwachungseinrichtungen (22, 24) vorgesehen, durch deren Kombination einerseits eine sehr präzise Abschaltungsschwelle und andererseits ein großer Bereich für die zu überwachende Betriebsspannung erreicht werden kann. Die Endstufe (14-1, 14-2) kann damit im Fehlerfall einer Überspannung zuverlässig abgeschaltet werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs von Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs.
  • Solche Steuereinrichtungen und Steuerverfahren sind an sich bekannt und werden hierbei durch eine üblicherweise als "Steuergerät" bezeichnete elektronische Baueinheit realisiert, in welcher vielfältige Steuer- und/oder Überwachungsfunktionen für elektronische bzw. elektrische Komponenten zusammengefasst sind.
  • Es ist eine Einrichtung zur Stromversorgung busvernetzter Steuergeräte und Verbraucher in einem Kraftfahrzeug bekannt ( DE 196 04 736 C2 ), die ein Relais aufweist, das zwischen dem positiven Pol der Fahrzeugbatterie und einem Versorgungseingang eines Zündstartschalters angeordnet ist. Der Steuereingang des Relais ist mit einem Ausgang eines Signalerfassungs- und Ansteuermoduls verbunden, so dass bei falscher Polarität oder unzulässig hoher Spannung das Relais geöffnet wird. Hierdurch werden alle elektronischen Komponenten geschützt, die über den Zündanlassschalter mit Energie versorgt werden.
  • Die in der Vergangenheit stetig gestiegenen Anforderungen hinsichtlich der Funktionalitäten solcher Steuergeräte haben dazu geführt, dass die gewünschten Funktionen heutzutage größtenteils durch Einsatz eines Mikrocontrollers implementiert werden. Der Begriff "Mikrocontroller" bezeichnet hier bei z. B. eine elektronische programmgesteuerte Steuereinrichtung, die typischerweise wie ein PC eine CPU, einen RAM, einen ROM und I/O-Ports aufweist, im Gegensatz zu einem PC jedoch für eine sehr spezielle Anwendung ausgelegt ist. Alternativ kann ein Mikrocontroller auch durch eine festverdrahtete oder anwendungsspezifisch konfigurierbare elektronische Komponente (z. B. ASIC, FPGA etc.) implementiert sein.
  • Bei den von der Steuereinrichtung zu steuernden Komponenten kann es sich neben unmittelbar einer Brennkraftmaschine zuzuordnenden Komponenten wie einer Kraftstoffpumpe, einem Dros selklappenventil, einem Kraftstoffinjektor oder einer Lambdasonde auch um andere Komponenten des Fahrzeugs handeln. Eingangsseitig werden der Steuereinrichtung zur Steuerung benötigte Sensorsignale bzw. Messgrößen eingegeben, z. B. betreffend die Kurbelwellendrehgeschwindigkeit und -stellung, die Motortemperatur, die Einlasslufttemperatur und -menge, die Fahrpedalstellung etc. Diese Aufzählung der zu steuernden bzw. sensierenden Komponenten ist keineswegs abschließend und dient lediglich der Veranschaulichung der Vielzahl denkbarer Funktionen einer Steuereinrichtung.
  • Da ein Mikrocontroller bzw. dessen I/O-Ports technologiebedingt zumeist nicht zur direkten Ansteuerung der hier interessierenden Fahrzeugkomponenten geeignet sind, werden diese Komponenten üblicherweise durch zugeordnete Endstufen gesteuert, welche zu diesem Zweck eingangsseitig entsprechende Steuersignale des Mikrocontrollers erhalten und ausgangsseitig die zur Aktivierung und Deaktivierung der Komponenten erforderlichen Spannungen oder Ströme bereitstellen, beispielsweise den Lade- und Entladestrom eines piezobetätigten Kraftstoffeinspritzventils.
  • Insbesondere im Hinblick auf die sicherheitskritischen Funktionen wird den Endstufen üblicherweise neben den Steuersignalen auch ein digitales, so genanntes Freigabesignal zugeführt, mittels welchem je nach Freigabesignalzustand eine Sperrung ("Disable") oder eine Freigabe ("Enable") der Aktivierung signalisiert wird. Diese von der eigentlichen Ansteuerung der Endstufe unabhängige Freigabe wird hierbei von einer Freigabesteuereinrichtung gegeben.
  • Eine solche Freigabesteuereinrichtung ist bei bekannten Steuereinrichtungen Teil einer so genannten Überwachungseinheit, welche den ordnungsgemäßen Betrieb des Mikrocontrollers überwacht, um im Falle eines Fehlers geeignete Maßnahmen zu treffen, beispielsweise den Mikrocontroller zurückzusetzen (Reset) und/oder mittels der Freigabesteuereinrichtung ein oder mehrere der erwähnten Freigabesignale auf denjenigen Freigabesignalzustand zu setzen, mit welchem jede zugeordnete Endstufe gesperrt bzw. abgeschaltet wird.
  • Eine solche Überwachungseinheit, oftmals als "Watchdog" bezeichnet, kann hierbei im Mikrocontroller integriert oder separat von diesem angeordnet sein. Die Funktion einer solchen Überwachungseinheit beruht beispielsweise darauf, dass diese dem Mikrocontroller von Zeit zu Zeit Aufgaben stellt und anhand der vom Mikrocontroller zurückgelieferten Resultate feststellt, ob der Mikrocontroller korrekt arbeitet oder nicht.
  • Wenn eine solche Überwachungseinheit eine gewisse Komplexität übersteigt, so ist es in der Praxis wirtschaftlich sinnvoll, diese Einheit (wie auch den Mikrocontroller) in einer von den Endstufen, bei denen es sich zumeist um Leistungsendstufen handelt, verschiedenen Technologie auszuführen, nämlich zweckmäßigerweise in einer Niedervolt-Technologie.
  • Die elektrischen Verbindungen, welche zur Übertragung von Freigabesignalen zu den relevanten Endstufen vorgesehen sind (Abschaltpfade), können aus Gründen erhöhter Sicherheit mehrfach (redundant) ausgelegt werden. Ferner kann die Fähigkeit zur Abschaltung von Endstufen mittels der digitalen Freigabesignale anhand eines Selbsttests im inaktiven Systemzustand überprüft werden.
  • Wenn im Betrieb der Steuereinrichtung ein Fehler auftritt, der durch die Überwachungseinheit erkannt werden sollte, und Endstufen mittels des digitalen Freigabesignals in einen als "sicher" definierten Zustand überführt werden sollten, so ergeben sich bei den bekannten Steuereinrichtungen in der Praxis im Falle von Überspannungen jedoch Unzulänglichkeiten.
  • Jegliches Verhalten der in der Steuereinrichtung verwendeten elektronischen Bauteile kann nur innerhalb eines begrenzten, technologiebedingten Betriebsbereiches garantiert werden. Sobald dieser Bereich verlassen wird, z. B. bei Vorliegen unzulässig hoher Spannungen (z. B. Versorgungs- und/oder Signalspannungen) an irgendeiner Stelle des Systems, ist jede beliebige Konfiguration der Freigabesignale vorstellbar. Die Anschlusspins eines Steuergeräts sind in der Zielumgebung Spannungen ausgesetzt, die sich in der Regel außerhalb des für die Logikschaltkreise des Mikrocontrollers und ggf. der Überwachungseinheit spezifizierten Betriebsspannungsbereichs befinden und daher prinzipiell zur Störung oder sogar Zerstörung dieser Schaltkreise führen können.
  • Wenn die erwähnte Überwachungseinheit auch die Aufgabe einer Überspannungserkennung übernimmt, so kann der Fall eintreten, dass die überwachte Spannung selbst den zulässigen Betriebsspannungsbereich der Überwachungseinheit überschreitet, so dass ein Versetzen der Endstufen in den gewünschten vorbestimmten Fehlerfallzustand nicht mehr gewährleistet werden kann.
  • Beispielsweise kann es vorkommen, dass im Überspannungsfall ein Freigabesignal deshalb nicht in den eine Sperrung der zugeordneten Endstufe bewirkenden Disable-Zustand überführt wird, weil die Überspannung die ordnungsgemäße Funktion der Überwachungseinheit bzw. deren Freigabesteuereinrichtung selbst beeinträchtigt.
  • Außerdem kann ein Überschreiten der zulässigen Spannungen an den Schaltkreisen des Steuergeräts, welche in einer Niedervolt-Technologie (z. B. 5V und/oder 3,3V) implementiert sind, auf Grund der hohen Sensibilität dieser Schaltkreise zu einer undefinierten Anzahl an Folgefehlern führen.
  • Zur Lösung dieses Problems der oftmals unzulänglichen Sicherheit im Falle einer Überspannung ist es zwar denkbar, den Mikrocontroller und/oder die Überwachungseinheit robuster auszuführen. Solche Lösungen wären jedoch sehr teuer.
    •
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs von Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs, unter Verwendung eines Mikrocontrollers mit einem verbesserten Verhalten im Überspannungsfall bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einer elektronischen Steuereinrichtung nach Anspruch 1 bzw. einem Steuerverfahren nach Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß der Erfindung wird eine "aufgeteilte Überspannungsüberwachung" eingesetzt, nämlich mit einer in einem ersten Betriebsspannungsbereich arbeitenden ersten Spannungsüberwachungseinrichtung und mit einer in einem zweiten, darüber hinausgehenden Betriebsspannungsbereich arbeitenden zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung. Diese Konfiguration gestattet, dass eine oder mehrere Endstufen auch im speziellen Feh lerfall einer Überspannung zuverlässig in den Fehlerfallzustand versetzt werden können.
  • Bei der oder den zu überwachenden Betriebsspannungen der Steuereinrichtung handelt es sich um irgendwelche Spannungen, die normalerweise innerhalb des ersten zulässigen Betriebsspannungsbereichs liegen.
  • Bevorzugt wird wenigstens eine Versorgungsspannung einer Überwachungseinheit der eingangs erwähnten Art überwacht. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, alternativ oder zusätzlich eine Versorgungsspannung einer von der Überwachungseinheit verschiedenen Steuereinrichtungskomponente zu überwachen, insbesondere eines Mikrocontroller-Chips oder eines in einer hinsichtlich der Betriebsspannungen vergleichbaren mikroelektronischen Technologie hergestellten Chips.
  • Die erste Spannungsüberwachungseinrichtung kann z. B. in einer Niedervolt-Technologie (z. B. 3,3V und/oder 5V) implementiert sein. In der Praxis ergibt sich daraus der Vorteil, dass das Überschreiten der vorbestimmten ersten Grenzspannung besonders präzise festgestellt werden kann, weil die in einer solchen Technologie implementierten Schaltungsteile üblicherweise nur geringen Störungen ausgesetzt sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Spannungsüberwachungseinrichtung in einer Überwachungseinheit der eingangs erwähnten Art integriert, also insbesondere zusammen mit den übrigen Schaltungsteilen der Überwachungseinheit in einer gemeinsamen integrierten Schaltung ausgebildet, die auch den Mikrocontroller einbeziehen kann.
  • Wenn die überwachte Betriebsspannung die erste Grenzspannung um ein gewisses Maß überschreitet, insbesondere den für die erste Spannungsüberwachungseinrichtung spezifizierten Betriebsspannungsbereich überschreitet, so wird dies durch die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung mit geeignet gewählter zweiter Grenzspannung zuverlässig erfasst. Bevorzugt ist die zweite Grenzspannung geringfügig größer als die erste Grenzspannung gewählt, z. B. weniger als 10% größer.
  • Für einen Mikrocontroller oder eine Überwachungseinheit mit externen 5V-Logikpegeln kann technologiebedingt beispielsweise ein zulässiger Betriebsspannungsbereich bis 7V vorgesehen sein. Die erste Spannungsüberwachungseinrichtung kann dann als präzise definierte erste Grenzspannung z. B. eine Spannung von 5,3V vorsehen. Die zweite Grenzspannung ist dann im Bereich zwischen 5,3V und 7V zu wählen, beispielsweise bei 5,6V, wobei die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung z. B. einen zulässigen Betriebsspannungsbereich bis 36V besitzen kann.
  • Mit der Kombination der beiden Spannungsüberwachungseinrichtungen kann eine hohe Präzision (hinsichtlich der ersten Grenzspannung) mit einem großen Spannungsüberwachungsbereich (der durch die Technologie der zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung abgedeckt wird) kombiniert werden.
  • Bevorzugt sind einerseits der Mikrocontroller und/oder die Überwachungseinheit und andererseits die Endstufe als separate jeweilige integrierte Schaltungen ausgebildet, und weiter bevorzugt ist die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung derart ausgeführt, dass deren Betriebsspannungsbereich den in der betreffenden Anwendung maximal zu erwartenden Betriebsspannungsbereich der Endstufe einschließt.
  • Der vorbestimmte Fehlerfallzustand der Endstufe kann z. B. darin bestehen, dass die Endstufe vollkommen abgeschaltet wird.
  • Falls eine der beiden Spannungsüberwachungseinrichtungen eine Überspannung festgestellt hat, so kann z. B. ein im Disable-Signalzustand befindliches Freigabesignal an die betreffende Endstufe oder die betreffenden Endstufen ausgegeben werden, um eine Aktivierung der gesteuerten Komponenten zu sperren (wenigstens solange die Überspannung vorliegt und/oder wenigstens für eine vorgegebene Zeitdauer).
  • Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Zustand der Endstufe in anderer Weise gezielt zu beeinflussen, falls die betreffende Endstufe dies ermöglicht, z. B. durch Übertragung irgendeiner Art von Fehlerfallsignal (unabhängig vom Freigabesignal), wie z. B. einem Resetsignal.
  • Bevorzugt ist eine Freigabesteuereinrichtung der oben erwähnten Art in der Überwachungseinheit (Watchdog) mikroelektronisch integriert, z. B. in einem ASIC in einer Niedervolt-Mischtechnologie für analoge und digitale Schaltungsblöcke. Diese Überwachungseinheit überwacht den ordnungsgemäßen Betrieb des Mikrocontrollers und stellt nur bei Feststellung eines ordnungsgemäßen Mikrocontrollerbetriebs das Freigabesignal in demjenigen Freigabesignalzustand bereit, in welchem die zugeordnete(n) Endstufe(n) betrieben werden kann(können). Diese Überwachungseinheit kann dann vorteilhaft auch die Funktion der ersten Spannungsüberwachungseinrichtung übernehmen, wobei hierfür eine präzise Spannungsreferenz zur Verfügung gestellt werden kann (mit einer Präzision, die z. B. in den abzuschaltenden Endstufen in der Regel nicht erreicht werden könnte). Um im Überspannungsfall die Endstufen in den vorbestimmten Fehlerfallzustand zu versetzen, können vorteilhaft die im Bereich der Überwachungseinheit ohnehin vorhandenen Abschaltpfade herangezogen werden, etwa durch Ausgabe eines die Endstufen sperrenden Freigabesignals. Die Abschaltschwelle (erste Grenzspannung) kann im Bereich zwischen der betriebsmäßig maximal vorherrschenden Spannung und der technologiebedingt maximal zulässigen Spannung an der Überwachungseinheit ("Abs. Max. Rating") gewählt werden.
  • In vielen Anwendungsfällen, etwa wenn ein kommerziell erhältlicher Mikrocontroller-Chip verwendet werden soll, ist es von Vorteil, die Überwachungseinheit einschließlich der Freigabesteuereinrichtung in einer gemeinsamen integrierten Schaltung vorzusehen, die separat von dem Mikrocontroller-Chip angeordnet ist.
  • Wenn die Endstufe eine höhere Spannungsfestigkeit besitzt als der Mikrocontroller bzw. diejenigen Schaltungsteile der Steuereinrichtung, welche zur Bereitstellung des Freigabesignals erforderlich sind, so kann der überspannungsbedingte Ausfall im Bereich des Mikrocontrollers und/oder der Überwachungseinheit und/oder der Freigabesteuereinrichtung dennoch zuverlässig erkannt werden, solange die Überspannung nicht einen Ausfall der Endstufe bewirkt. Letzteres ist jedoch durch entsprechende Dimensionierung der Spannungsfestigkeit der Endstufe (z. B. 36V) leicht zu gewährleisten, die in der Praxis ohnehin oftmals zumindest für die Bordnetzspannung des Fahrzeugs (z. B. 12V oder 24V) zuzüglich einer gewissen Sicherheitsreserve ausgelegt werden muss.
  • Bei Erfassung einer Überspannung kann dies auch an Logik-Schaltungsteile der Steuereinrichtung gemeldet werden, insbe sondere an den Mikrocontroller und/oder eine Spannungsversorgungseinheit mit Resetfunktionen, die bei Inbetriebnahme der Steuereinrichtung die einzelnen Einrichtungskomponenten in definierter Weise zunächst zurücksetzt bzw. startet.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
  • 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Motorsteuergeräts zur Steuerung des Betriebs eines Einspritzmotors eines Kraftfahrzeugs,
  • 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Motorsteuergeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
  • 3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Motorsteuergeräts gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.
  • Die Bezugszahlen von in einem Ausführungsbeispiel mehrfach vorgesehenen, in ihrer Wirkung jedoch analogen Komponenten, sind durchnumeriert (jeweils ergänzt durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl). Auf einzelne solcher Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht-ergänzte Bezugszahl Bezug genommen.
  • 1 zeigt wesentliche Komponenten eines insgesamt mit 10 bezeichneten Motorsteuergeräts für einen Benzin-Direkteinspritzmotor eines Kraftfahrzeugs.
  • Das Motorsteuergerät 10 weist einen Mikrocontroller 12 auf, um Steuersignale (nicht dargestellt) zur Steuerung von im Betrieb einer Brennkraftmaschine zu steuernden Fahrzeugkomponeneten, in diesem Beispiel Motorkomponenten, bereitzustellen.
  • In 1 sind beispielhaft ferner Endstufen 14-1 und 14-2 dargestellt, welchen die erwähnten Steuersignale zur Aktivierung und Deaktivierung der zu steuernden Komponenten eingegeben werden, um die angeschlossenen Komponenten (hier z. B. Kraftstoffeinspritzanlage und Drosselklappe) mit geeigneten Ansteuerspannungen oder -strömen zu beaufschlagen.
  • In an sich bekannter Weise ist ferner eine Überwachungseinheit 16 vorgesehen, welche über eine (nicht dargestellte) Kommunikationsverbindung mit dem Mikrocontroller 12 kommuniziert, um insbesondere dessen ordnungsgemäßen Betrieb zu überwachen und abhängig vom Ergebnis dieser Überwachung z. B. digitale Freigabesignale für die dargestellten Endstufen 14-1 und 14-2 entsprechend zu setzen. Mittels dieser Freigabesignale wird durch einen ersten logischen Freigabesignalzustand "Low" (L) eine Sperrung ("Disable") und durch einen zweiten logischen Freigabesignalzustand "High" (H) eine Freigabe ("Enable") der Aktivierung der Kraftstoffeinspritzanlage (über die Endstufe 14-1) bzw, der Drosselklappe (über die Endstufe 14-2) signalisiert.
  • Die Endstufen 14 zur Aktivierung und Deaktivierung der zu steuernden Komponenten, hier der Kraftstoffeinspritzanlage und der Drosselklappe, arbeiten also basierend auf dem jeweiligen Steuersignal unter Berücksichtigung eines der jeweiligen Endstufe 14 eingegebenen Freigabesignals. Diese Freigabesignale werden in an sich bekannter Weise über hierzu vorgesehene Leitungsverbindungen ("Abschaltpfade") 18-1, 18-2 den Endstufen 14-1, 14-2 eingegeben. Eine weiterer Abschaltpfad 18-3 führt zu einer zwischen dem Mikrocontroller 12 und einer Spannungsversorgungseinheit 20 verlaufenden Resetleitung.
  • Bei der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine stellt die aus dem Fahrzeugbordnetz versorgte Spannungsversorgungseinheit 20 Versorgungsspannungen von SV für die Endstufen 14-1, 14-2 und die Überwachungseinheit 16 sowie Versorgungsspannungen von 3,3V und 1,5V für den Mikrocontroller 12 bereit. Nach Stabilisierung dieser Versorgungsspannungen liefert die Spannungsversorgungseinheit 20 ein Resetsignal zum Mikrocontroller 12 (Eingangsanschluss PORST), um dessen 3,3V-Schaltkreise zurückzusetzen. Nach dieser Initialisierung des Mikrocontrollers 12 liefert dieser wiederum ein dessen Bereitschaft anzeigendes Resetsignal (Ausgangsanschluss RESET OUT) zur Spannungsversorgungseinheit 20 zurück, welche daraufhin ein Resetsignal an die mit 5V versorgten Steuergerätkomponenten 14-1, 14-2, 16 liefert, um diese zurückzusetzen. Sodann arbeiten alle dargestellten Steuergerätkomponenten zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine.
  • In diesem aktiven Betrieb des Steuergeräts 10 überwacht die Überwachungseinheit 16 den ordnungsgemäßen Betrieb des Mikrocontrollers 12 und gegebenenfalls anderer mit dem Mikrocontroller 12 in Verbindung stehender Steuergerätkomponenten.
  • Die Endstufe 14-1 initiiert eine Kraftstoffeinspritzung durch Ausgabe von entsprechenden Ansteuersignalen an die verschiedenen Kraftstoffinjektoren (die am rechten Rand der 1 eingezeichneten Signalleitungsausgänge symbolisieren die Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren) nur dann, wenn das über den Abschaltpfad 18-1 der Endstufe 14-1 eingegebene Freigabesignal im Enable-Zustand ist. Das Einspritztiming und die Einspritzmengen werden hierbei im Wesentlichen durch das oder die vom Mikrocontroller 12 ausgegebenen Steuersignale bestimmt. Der Einfachheit der Darstellung halber ist die Übertragung von Steuersignalen hier nicht dargestellt. Des weiteren sind in der Darstellung von 1 alle Schaltungsteile des Steuergeräts 10 weggelassen, die zum Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind und in herkömmlicher Weise gestaltet sein können (z. B. Eingangssignale am Mikrocontroller zur Aufnahme diverser Sensorsignale, die im Rahmen der Fahrzeugkomponentensteuerung oder Motorsteuerung benötigt werden).
  • In analoger Weise wird mittels des über den Abschaltpfad 18-2 der Endstufe 14-2 eingegebene Freigabesignal die Ansteuerung der Drosselklappe freigegeben oder gesperrt.
  • Eine Besonderheit des dargestellten Steuergeräts 10 besteht in der Anordnung zweier unabhängig voneinander arbeitender Spannungsüberwachungseinrichtungen 22, 24 zum Überwachen der 5V-Betriebsspannung, die zur Versorgung einiger Steuergerätkomponenten wie den Endstufen 14-1, 14-2 und der Überwachungseinheit 16 selbst verwendet wird. Die erste Spannungsüberwachungseinrichtung ist hierbei mikroelektronisch in der Überwachungseinheit 16 integriert (ASIC-Chip) und erfasst den Fall, in welchem diese Betriebsspannung eine vorbestimmte erste Grenzspannung von 5,5V übersteigt. Auch in einem solchen Überspannungsfall bewirkt die Überwachungseinheit 16 die Ausgabe von Disable-Signalen über die Abschaltpfade 18, wodurch eine Abschaltung der Endstufen 14-1 und 14-2 sowie ein Zurücksetzen der 3,3V-Schaltkreise des Mikrocontrollers 12 ausgelöst wird.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die gleichen Abschalt- bzw. Resetfunktionen auch für den Fall vorgesehen, dass die überwachte Betriebsspannung unter einen bestimmten Grenzwert absinkt (hier z. B. 4,5V).
  • Die im vorliegenden Beispiel vorgesehene Abschaltung der Endstufen 14 stellt einen für den Überspannungsfall vorgesehenen Fehlerfallzustand der Endstufen dar, in welchen diese zu versetzen sind. Im dargestellten Beispiel erfolgt dies durch Ausgabe von Disable-Signalen über die entsprechenden Abschaltpfade 18.
  • Die Überwachungseinheit 16 und insbesondere deren Spannungsüberwachungseinrichtung 22 ist in einer mikroelektronischen Schaltungstechnologie ausgebildet, welche einen zulässigen Betriebsspannungsbereich bis 7V besitzt. Wenn in einem Fehlerfall eine an dem die Überwachungseinheit 16 enthaltenden Chip anliegende Spannung, insbesondere die zu überwachende Betriebsspannung, die maximal zulässige Spannung von 7V übersteigt, so ist die Funktion dieser Überwachungseinheit 16 (wie auch anderer Steuergerätkomponenten, die mit dieser Betriebsspannung versorgt werden) nicht mehr gewährleistet. Abhängig von der konkreten Höhe und Dauer der Überspannung kann es auch zur Zerstörung dieser technologiebedingt sehr sensiblen Steuergerätkomponenten kommen.
  • Um die Endstufen 14-1, 14-2 auch in diesem Fall in den vorbestimmten Fehlerfallzustand zu versetzen, wird die 5V-Betriebsspannung auch von der zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung 24 überwacht, wobei diese Einrichtung technologiebedingt in einem Betriebsspannungsbereich arbeitet, der über den ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich von bis zu 7V hinausgeht, beispielsweise bis zu einer maximalen Spannung von 36V, für welche auch die Endstufen 14-1, 14-2 ausgelegt sind. Wenn die zusätzlich von der zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung 24 überwachte 5V-Betriebsspannung einen durch eine Zenerspannung von 5,6V maßgeblich bestimmten Wert übersteigt, so werden von der Spannungsüberwachungseinrichtung 24 die Abschaltpfade 18-1, 18-2, 18-3 auf den Disable-Zustand gesetzt, um die daran angeschlossenen Endstufen 14-1, 14-2 abzuschalten bzw. den oben bereits erläuterten Reset des Mikrocontrollers 12 auszulösen.
  • Die Spannungsüberwachung besitzt somit eine durch die erste Spannungsüberwachungseinrichtung 22 sehr präzise vorgebbare erste Grenzspannung und auf Grund der vergleichsweise hohen Spannungsfestigkeit der zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung 24 einen großen Arbeitsbereich, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel für die maximal in der Umgebung des Motorsteuergeräts 10 zu erwartenden Spannungen ausgelegt ist.
  • In 1 ist ein beispielhafter Aufbau der zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung 24 dargestellt. Wenn die der Einrichtung eingegebene 5V-Betriebsspannung die Durchbruchspannung einer Zenerdiode von 5,6V um ein gewisses Ausmaß übersteigt, so fließen Ströme über Widerstände, die jeweils parallel zur Basis-Emitter-Strecke von Abschalttransistoren angeordnet sind, so dass der an diesen Widerständen hervorgerufene Spannungsabfall diese Transistoren leitend macht und die Transistoren die Abschaltpfade 18 mit der elektrischen Fahrzeugmasse verbindet. Dies entspricht dem gewünschten Disable-Signal auf den Abschaltpfaden 18-1, 18-2 bzw. dem Resetsignal auf der Leitung 18-3.
  • Bevorzugt ist die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung 24 als integrierte Schaltung ausgebildet.
  • Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich andere Spannungen als die 5V-Versorgung überwacht werden.
  • Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, die Funktionalität dieser zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung 24 ganz oder teilweise auf die Endstufen 14 zu verteilen. Im dargestellten Beispiel könnten beispielsweise die zur Abschaltung der Endstufen 14-1 und 14-2 vorgesehenen Abschalttransistoren (jeweils samt einer Zenerdiode) jeweils in einem Chip integriert sein, welcher die Endstufe 14-1 bzw. 14-2 bildet. Wesentlich ist, dass die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung technologiebedingt in einem vergleichsweise weit reichenden zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet.
  • Selbstverständlich kann das Motorsteuergerät 10 in der Praxis weitere Endstufen zur Steuerung weiterer Fahrzeugkomponenten aufweisen, für welche die vorstehend beschriebene Methode einer besonders sicheren Abschaltsignalerzeugung im Überspannungsfall ebenso eingesetzt werden kann.
  • Im dargestellten Beispiel besitzt jede der Endstufen 14-1, 14-2 eine im Vergleich zum Mikrocontroller 12 und/oder zur ersten Spannungsüberwachungseinrichtung 22 technologiebedingt relativ hohe Spannungsfestigkeit von 36V. Die Endstufen können daher vorteilhaft jeweils auch dann noch zuverlässig geperrt bzw. abschaltet werden, wenn Schaltungsteile des Steuergeräts 10 durch eine Überspannung beeinträchtigt oder zerstört wurden, die an der Bereitstellung der Freigabesignale beteiligt sind.
  • Das Failsafe-Verhalten des Gesamtsystems ist daher auf Grund der zweiteiligen Überspannungsüberwachung verbessert, was ei nen durch Überspannung hervorgerufenen Ausfall von Logikbausteinen wie der Überwachungseinheit 16 oder dem Mikrocontroller 12 anbelangt. Die technologiebedingt robuster ausgeführte zweite Spannungsüberwachungseinrichtung kann die Abschaltung der Endstufen 14-1, 14-2 auch nach einem Ausfall der ersten Spannungsüberwachungseinrichtung 22 zuverlässig herbeiführen.
  • Mit dem Steuergerät 10 ist demnach in kostengünstiger Weise eine präzise und dennoch einen großen Spannungsbereich abdeckende Überspannungsüberwachung realisiert, welche das Failsafe-Verhalten des elektrischen Gesamtsystems erheblich verbessert, was insbesondere in einem Kraftfahrzeug aus Sicherheitsgründen von großer Bedeutung ist.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für funktional analoge Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
  • In 1 sind alternativ für die Endstufen 14-1, 14-2 zu verwendende Endstufen 14a-1, 14a-2 dargestellt, mit welchen das Steuergerät für einen Dieselmotor implementiert wird. Die Endstufe 14a-1 dient hierbei wieder zur Ansteuerung einzelner Kraftstoffinjektoren, wohingegen die Endstufe 14a-2 zur Ansteuerung einer Kraftstoffpumpeinrichtung und/oder zur Regulierung des Kraftstoffdrucks in einem für die Diesel-Injektoren gemeinsam verwendeten Druckspeicher (Common Rail) dient.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Motorsteuergeräts 10b, bei welcher die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung 24b als separater Chip ausgeführt ist, der vorteilhaft zusammen mit kommerziell bereits erhältlichen Chips im Steuergerät 10b kombiniert ist, die jeweils eine der übrigen Steuergerätkomponenten ausbilden, wie die dargestellten Komponenten 20b, 12b, 14b-1, 14b-2 und 16b.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Steuergeräts 10c, bei welchem in der oben bereits erläuterten Weise die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung 24c aus drei Teilen 24c-1, 24c-2 und 24c-3 besteht und diese Teile jeweils in der Endstufe 14c-1, 14c-2 bzw. als separate Schaltung 24c-3 angeordnet sind.

Claims (7)

  1. Elektronische Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs von Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs, umfassend – einen Mikrocontroller (12) zur Bereitstellung wenigstens eines Steuersignals zur Steuerung wenigstens einer im Betrieb des Kraftfahrzeugs zu steuernden Komponente, wobei der Mikrocontroller in einem technologiebedingt vorgegebenen ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet, – wenigstens eine Endstufe (14) zur Aktivierung und Deaktivierung der zu steuernden Komponente basierend auf dem Steuersignal, – eine erste Spannungsüberwachungseinrichtung (22), welche technologiebedingt in dem ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet, zum Überwachen von wenigstens einer bestimmten Betriebsspannung der Steuereinrichtung und zum Versetzen der Endstufe (14) in einen vorbestimmten Fehlerfallzustand, falls die wenigstens eine überwachte Betriebsspannung eine vorbestimmte erste Grenzspannung überschreitet, wobei die erste Grenzspannung innerhalb des ersten zulässigen Betriebsspannungsbereichs gewählt ist, – eine zweite Spannungsüberwachungseinrichtung (24), welche technologiebedingt in einem zweiten zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet, der über den ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich hinausgeht, zum Überwachen der wenigstens einen Betriebsspannung und zum Versetzen der Endstufe (14) in den Fehlerfallzustand, falls die wenigstens eine überwachte Betriebsspannung eine vorbestimmte zweite Grenzspannung überschreitet, wobei die zweite Grenzspannung innerhalb des ersten zulässigen Betriebsspannungsbereichs und größer als die erste Grenzspannung gewählt ist.
  2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mikrocontroller (12) und/oder eine Überwachungseinrichtung (16) einerseits und die Endstufe (14) andererseits als separate jeweilige integrierte Schaltungen ausgebildet sind.
  3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Spannungsüberwachungseinrichtung (22) in einer Überwachungseinrichtung (16) integriert ist, welche den ordnungsgemäßen Betrieb des Mikrocontrollers (12) überwacht und bei Feststellung eines nicht ordnungsgemäßen Betriebs die Endstufe (12) in den Fehlerfallzustand versetzt.
  4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, wobei eine zwischen der Überwachungseinrichtung (16) und der Endstufe (14) verlaufende Freigabesignalleitung (18) vorgesehen ist, mittels welcher der Endstufe (14) ein digitales Freigabesignal zur Signalisierung einer Freigabe und einer Sperrung des Betriebs der Endstufe (14) eingegeben wird und die Endstufe (14) durch einen vorbestimmten Signalzustand des Freigabesignals in den Fehlerfallzustand versetzt wird.
  5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Spannungsüberwachungseinrichtung (24) mit der Freigabesignalleitung (18) verbunden ist, um bei einem Überschreiten der zweiten Grenzspannung die Endstufe (14) durch Festlegung eines bestimmten Signalzustands des Freigabesignals in den Fehlerfallzustand zu versetzen.
  6. Steuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite zulässige Betriebsspannungsbereich für die im Gesamtsystem maximal zu erwartende Spannung geeignet ausgebildet ist.
  7. Verfahren zur Steuerung des Betriebs von Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs, mittels einer Steuereinrichtung (10), welche umfasst: – einen Mikrocontroller (12) zur Bereitstellung wenigstens eines Steuersignals zur Steuerung wenigstens einer im Betrieb des Kraftfahrzeugs zu steuernden Komponente, wobei der Mikrocontroller (12) in einem technologiebedingt vorgegebenen ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet, und – wenigstens eine Endstufe (14) zur Aktivierung und Deaktivierung der zu steuernden Komponente basierend auf dem Steuersignal, wobei das Verfahren umfasst: – Überwachen von wenigstens einer bestimmten Betriebsspannung der Steuereinrichtung (10) mittels einer ersten Spannungsüberwachungseinrichtung (22), welche technologiebedingt in dem ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet und welche die Endstufe (14) in einen vorbestimmten Fehlerfallzustand ver setzt, falls die wenigstens eine überwachte Betriebsspannung eine vorbestimmte erste Grenzspannung überschreitet, die innerhalb des ersten zulässigen Betriebsspannungsbereichs gewählt ist, und – Überwachen der wenigstens einen Betriebsspannung mittels einer zweiten Spannungsüberwachungseinrichtung (24), welche technologiebedingt in einem zweiten zulässigen Betriebsspannungsbereich arbeitet, der über den ersten zulässigen Betriebsspannungsbereich hinausgeht, und welche die Endstufe (14) in den Fehlerfallzustand versetzt, falls die wenigstens eine überwachte Betriebsspannung eine vorbestimmte zweite Grenzspannung überschreitet, die innerhalb des ersten zulässigen Betriebsspannungsbereichs und größer als die erste Grenzspannung gewählt ist.
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