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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebspannungsversorgung
eines Steuergerätes eines Kraftfahrzeuges, wobei das Steuergerät
dauerhaft von einer Fahrzeugbatterie versorgt wird sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Zum
Betrieb von Motorsteuergeräten, die zur Steuerung von Verbrennungsmotoren
eingesetzt werden, wird elektrische Energie benötigt, die
von einer Lichtmaschine, die ebenfalls vom Verbrennungsmotor angetrieben
wird, erzeugt wird. Bei stehendem Motor oder beim Start des Fahrzeuges
muss die Energie aus einer Fahrzeugbatterie geliefert werden, weshalb
das Motorsteuergerät elektrisch mit einer Fahrzeugbatterie
verbunden ist.
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Darüber
hinaus muss das Motorsteuergerät bestimmte Funktionalitäten
der Fahrzeugelektronik auch bei einem abgestellten Fahrzeug aufrechterhalten.
Dazu gehören u. a. der Betrieb eines Abstellzeitzählers,
welcher die Zeit seit dem letzten Motorbetrieb zählt, oder
die Aufrechterhaltung einer wakeup-Funktion durch einen Datenbus,
bei welchem ein anderes Steuergerät einen Puls über
eine Kommunikationsleitung an das Motorsteuergerät sendet, der
zum Einschalten des Motorsteuergerätes führt. Auch
dauerversorgte Speicher innerhalb der Fahrzeugelektronik machen
es erforderlich, dass eine permanente Verbindung des Motorsteuergerätes
zur Fahrzeugbatterie besteht, da deren Daten bei einem ausgeschalteten
Motorsteuergerät verloren gehen können.
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Aus
der
DE 10 2004
023 252 A1 ist ein Energiezufuhrkreis für eine
Fahrzeugelektroniksteuereinheit bekannt, welcher einen Konstantspannungsenergiezufuhrkreis
aufweist, der von der Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt wird
und eine vorbestimmte geregelte Spannung an einen Mikroprozessor
der Fahrzeugelektroniksteuereinheit führt, wodurch dieser
dauerhaft mit Energie versorgt ist. Der Konstantspannungsenergiezufuhrkreis
wird über mehrere Zwischenspannungskreise geschaltet, welche
zur Trennung der verschiedenen Betriebszustände der Fahrzeugelektroniksteuereinheit
bzw. des Fahrzeuges dienen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Betriebsspannungsversorgung eines Steuergerätes eines
Kraftfahrzeuges anzugeben, bei welchen die Energieversorgung des
Steuergerätes auch im ausgeschalteten Zustand bzw. während
des Starts des Fahrzeuges mit minimalem schaltungsmäßigen
Aufwand zuverlässig sichergestellt wird.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass zu jedem Zeitpunkt ein
Potential der Fahrzeugbatterie über eine nur zeitweise
mit dem Steuergerät verbundene Leitung an das Steuergerät geschaltet
wird.
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Es
sind mindestens drei Leitungen vorhanden, welche das Steuergerät
zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit der Fahrzeugbatterie verbinden. Dies
sind Klemme 15, Batterie über Hauptrelais (UBHR)
und Hauptrelais (HR).
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Die
Spannungen an Klemme 15, Batterie über Hauptrelais
und Hauptrelais treten dabei so auf, dass immer eine Leitung Batteriespannungspotential hat,
egal ob die Signale direkt zur Batteriespannung geschaltet sind
oder über das Relais das Potential der Fahrzeugbatterie
erhält.
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Somit
kann auf eine zusätzliche Leitung, welche die Fahrzeugbatterie
permanent mit dem Steuergerät verbindet, verzichtet werden.
Neben der zusätzlichen Leitung entfallen auch eine Sicherung
und ein Steckerpin. Eine hardwaremäßige Unterscheidung
der verschiedenen Spannungskonzepte zwischen geschalteter und dauerhafter
Variante ist nicht notwendig, da ein Abklemmen der Fahrzeugbatterie durch
alle elektrischen Fahrzeugsysteme erkannt wird.
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Durch
den Wegfall der Dauerversorgung des Steuergerätes entfällt
der Aufwand für den Verpolschutz genauso wie die Verkabelung
der zusätzlichen Leitung. Auf Maßnahmen zur Reduzierung
der elektromagnetischen Verträglichkeit und der elektrostatischen
Entladung kann verzichtet werden. Die Ruhestromaufnahme der Fahrzeugbatterie
wird dadurch verringert oder zumindest gleich belassen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung werden die verschiedenen Leitungen
des Steuergerätes in einer vorgegebenen Reihenfolge durch
Bauelemente mit der Fahrzeugbatterie verschaltet, die das Steuergerät
zum Zeitpunkt der Verschaltung mit dem Potential der Fahrzeugbatterie
verbinden.
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Ein
Vorteil besteht darin, dass eine doppelte Spannungsversorgung (dauerhaft
und geschaltet) entfällt, da nicht mehr zwischen dauerversorgten Fahrzeugsysteme,
wie Systeme mit Speicher bzw. Abstellzeitzähler und nicht
dauerversorgten Systemen unterschieden werden muss, sondern nur
noch eine geschaltete Spannungsversorgung aufrechterhalten wird.
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Vorteilhafterweise
wird während des Startens des Motors das Steuergerät über
ein Zündschloss mit der Fahrzeugbatterie bei aktiviertem
Relais verbunden. So liegt das Zündschloss einerseits an
der Fahrzeugbatterie und ist andererseits mit Klemme 15 des
Steuergerätes verbunden. Bei der Betätigung des
Zündschlosses liegt Klemme 15 und somit das Steuergerät
am Potential der Fahrzeugbatterie. Darüber hinaus wird
durch das Zündschloss (Klemme 15) das Relais eingeschaltet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Ausschalten
des Zündschlosses ein Relais deaktiviert, wobei das Steuergerät
im deaktivierten Zustand des Relais mit dem Potential der Fahrzeugbatterie
verbunden wird.
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Die
Zuschaltung des Steuergerätes erfolgt über das
Relais (auch als Hauptrelais bezeichnet), welches als Leistungsrelais
ausgebildet und mit der Batteriespannung verbunden ist, wenn das
Leistungsrelais deaktiviert ist. Ist das Leistungsrelais aktiv,
be steht eine Verbindung zwischen dem Potential der Fahrzeugbatterie
und der Batteriespannung über dem Hauptrelais.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind bei einer Vorrichtung
zur Betriebspannungsversorgung eines Steuergerätes eines
Kraftfahrzeuges, wobei das Steuergerät dauerhaft von einer
Fahrzeugbatterie versorgt wird, Mittel für eine dauerhafte
Spannungsversorgung des Steuergerätes vorhanden, die in
verschiedenen Steuergerätephasen mindestens eine der mit
dem Steuergerät verbundenen Leitungen an das Potential
der Fahrzeugbatterie schalten. Diese Mittel bestehen bei einem Motorsteuergerät
beispielsweise in dem Zündschloss und dem Hauptrelais.
Diese Mittel sind im Fahrzeug vorhanden. Es sind also keine zusätzlichen konstruktiven
Bauteile notwendig, um eine geschaltete Spannungsversorgung des
Steuergerätes zu erreichen. Zündschloss und Hauptrelais
werden zeitlich nacheinander geschaltet, so dass keinerlei Unterbrechung
in der Verbindung des Steuergerätes mit der Fahrzeugbatterie
entsteht und somit eine quasi dauerhafte Spannungsversorgung des
Steuergerätes aufrechterhalten wird.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine interne Spannungsversorgung
des Steuergerätes mit den an das Steuergerät führenden
Leitungen verbunden. Die interne Spannungsversorgung wird dabei einfach über
die das Potential der Fahrzeugbatterie führenden Leitungen
kontinuierlich mit Energie versorgt.
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Zur
Unterbindung einer Zerstörung des Steuergerätes
durch einen falschen Anschluss der Fahrzeugbatterie an das Steuergerät,
ist jede Leitung über einen im Steuergerät angeordneten
Verpolschutz an die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes
geführt. Ein solcher Verpolschutz ist kostengünstig
realisierbar, da lediglich eine Diode für jede Leitung
notwendig ist, welche zwischen dem Eingang des Steuergerätes
und der internen Spannungsversorgung angeordnet ist.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuergerät
mit einem Datenbus verbunden ist, welcher das Steuergerät
einschaltet. Die Verbindung erfolgt dabei über eine Kommunikationsleitung,
die nur eine geringe Spannung aufweist. Da diese Spannung nicht
für die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes
ausreicht, ist zur Einschaltung des Steuergerätes über
den Datenbus zwischen der internen Spannungsversorgung des Steuergerätes
und Masse ein Energiespeicher angeordnet. Die ser Energiespeicher
wird von den durch die externen, mit der Fahrzeugbatterie verbundenen
Leitungen aufgeladen und steht zur Erhöhung des Spannungssignals
des Datenbusses zur Verfügung, um ausreichend Energie an
die interne Spannungsversorgung zu liefern.
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Der
Energiespeicher lässt sich besonders einfach realisieren,
wenn er als Kondensator ausgebildet ist. Somit tragen kostengünstige
Bauelemente zur dauerhaften Versorgung des Steuergerätes
mit einer Betriebsspannung bei.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Eine davon soll an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren
näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1 Prinzipskizze
der Verschaltung eines Motorsteuergerätes im Fahrzeug nach
dem Stand der Technik;
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2 externe
und interne Verschaltung des Motorsteuergerätes nach einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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3 Darstellung
des Spannungsverlaufes am Motorsteuergerät gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach 2;
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4 externe
und interne Verschaltung des Motorsteuergerätes nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Zeichnungen sind gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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1 zeigt
die Verschaltung eines Motorsteuergerätes nach dem Stand
der Technik. Das Motorsteuergerät 1 ist über
eine Leitung 2 direkt mit der Fahrzeugbatterie 3 ver bunden.
Damit liegt am betreffenden Eingang des Motorsteuergerätes 1 permanent
ein Spannungspotential UBD der Fahrzeugbatterie 3 an. An
einem weiteren Eingang des Motorsteuergerätes 1,
welcher mit Klemme 15 bezeichnet wird, liegt über
eine Leitung 4 ein Ende eines Zündschlosses 5,
dessen zweites Ende ebenfalls an dem Potential UBD der Fahrzeugbatterie 3 angeschlossen
ist. Über die Leitung 6 ist die Fahrzeugbatterie 3 mit
einem Hauptrelais 7 verbunden, welches an den Eingang HR
des Motorsteuergerätes führt. Der Schalter 8 des
Hauptrelais 7 verbindet im geschlossenen Zustand die Fahrzeugbatterie über
die Leitung 9 mit dem vierten Eingang UBHR des Motorsteuergerätes 1.
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Die
Bezeichnungen für die Eingänge HR und UBHR des
Motorsteuergerätes kennzeichnen gleichzeitig den Schaltzustand.
So bedeutet HR Hauptrelais und UBHR Batteriespannung über
Hauptrelais. UBD ist gleichzusetzen mit Batteriespannung dauerhaft.
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Wie
aus dieser Darstellung entnehmbar ist, ist das Motorsteuergerät 1 nicht
nur über die Leitung 1 dauerhaft mit dem Potential
der Fahrzeugbatterie 3 verbunden, sondern zeitweise auch über
die Leitungen 3, 6 und 9. Dies führt
zu einer doppelten Spannungsversorgung des Motorsteuergerätes 1.
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Wie
aus 2 ersichtlich, entfällt bei dem ersten
Ausführungsbeispiel die Leitung 2 und somit die
dauerhafte Verbindung des Motorsteuergerätes 1 mit
der Fahrzeugbatterie 3. Das Zündschloss 5 und das
Hauptrelais 7 einschließlich seines Schalters 8 sind
bei dieser Ausführung entsprechend der 1 über
die Leitungen 20, 6 und 9 mit dem Potential
der Fahrzeugbatterie 3 verbunden.
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Innerhalb
des Steuergerätes 1 ist eine interne Spannungsversorgung 10 des
Motorsteuergerätes 1 angeordnet, welche mit den
Eingängen Kl. 15, HR und UBHR des Motorsteuergerätes 1 verbunden ist.
Zwischen dem Eingang Kl. 15 und der internen Spannungsversorgung 10 ist
eine Diode 11 angeordnet. Weiterhin befindet sich eine
Diode 12 zwischen dem Eingang UBHR und der internen Spannungsversorgung 10,
sowie eine weitere Diode 13 zwischen dem Eingang HR und
der internen Spannungsversorgung 10. Alle Dioden 11, 12,
und 13 dienen als Verpolschutz, Entkopplung der Signale
und zur Verhinderung einer Rückwärtsentladung
durch den Kondensator an der internen Spannungsversorgung 10. Die
Dioden 11, 12 und 13 sind parallel zueinander verschaltet.
Sie führen direkt an die interne Spannungsversorgung 10.
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Auf
Grund dieser Verschaltungen wird das Motorsteuergerät 1 zwar
zu verschiedenen Zeitpunkten zwischen den Leitungen 20, 6 und 9 hin
und her geschaltet, wie aus 3 hervorgeht,
liegt aber zu jedem Zeitpunkt ein Potential der Fahrzeugbatterie 3 am
Motorsteuergerät 1 an. Die an den einzelnen Eingängen
Kl. 15, HR und UBHR des Motorsteuergerätes 1 anliegenden
Spannungsverläufe sind in 3 nur schematisch über
der Zeit t dargestellt und stellen keine elektrischen Signale dar.
Mit 12V ist hier das Potential der Fahrzeugbatterie 3 gekennzeichnet.
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Ist
das Zündschloss 5 ausgeschaltet, liegt an der
Klemme 15 ein Potential von 0 V an. Zum gleichen Zeitpunkt
ist das ausgeschaltete Hauptrelais 7 über die
Leitung 6 mit der Fahrzeugbatterie 3 verbunden
und der Eingang HR des Motorsteuergerätes liegt auf dem
Potential der Fahrzeugbatterie 3. Der Eingang UBHR liegt
ebenfalls auf 0 V, da das Hauptrelais 7 deaktiviert und
somit der Schalter 8 geöffnet ist.
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Wird
nun im Punkt A der 3 das Zündschloss betätigt,
was gleichbedeutend damit ist, dass der Zündschalter geschlossen
wird und an Klemme 15 das Batteriepotential UBD anliegt,
schaltet sich das Hauptrelais 7 nach Entprellung des Steuersignals
ein. Das bedeutet, dass der Schalter 8 des Hauptrelais 7 geschlossen
wird und zeitverzögert auf Grund der mechanischen Anzugszeit
des Relais demzufolge am Eingang UBHR das Potential der Fahrzeugbatterie
anliegt, wobei der Eingang HR von 12 V auf 0 V schaltet
(Punkt
B).
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Ein
vergleichbarer Spannungsverlauf wird beim Ausschalten des Zündschalters
im Punkt C beobachtet. Dabei wird der Zündschalter des
Zündschlosses 5 geöffnet und das an Klemme 15 liegende Potential
fällt von 12 V Batteriespannung auf 0 V ab. Es liegt also
keine Spannung an Klemme 15. Auf Grund dieses Vorganges
wird das Hauptrelais nach Entprellung des Steuersignals abgeschaltet.
Diese Abschaltung erfolgt aber erst, wenn ein Steuergerätenachlauf
z. B. zum Abschluss von Speichervorgängen oder Diagnosen
beendet ist, was softwaremäßig realisiert wird.
Der Eingang HR des Motorsteuergerätes liegtjetztwieder
an der Betriebsspannung UBHR, da das Hauptrelais über die
Leitung 6 mit der Fahrzeugbatterie 3 verbunden
ist. Im Punkt D fällt das Hauptrelais 7 auf Grund
seiner mechanischen Abfallzeit zeitlich verzögert ab, wobei
der Schalter 8 geöffnet wird und das Hauptrelais
ausgeschaltet ist. Zu diesem Zeitpunkt führt der Eingang
UBHR wieder 0 V.
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In 4 ist
eine mögliche Erweiterung der Erfindung dargestellt. Das
Motorsteuergerät 1 ist in diesem Fall mit einer
nicht weiter dargestellten Kommunikationsleitung eines Datenbusses
verbunden, welcher als CAN-Bus, FlexRay oder LIN-Bus ausgebildet
sein kann. Auf dem Datenbus wird ein Einschaltimpuls für
das Motorsteuergerät 1 übertragen, welcher
von einem anderen Steuergerät initiiert wurde. Der Datenbus
ist verhältnismäßig hochohmig und besitzt
daher nur einen Spannungspegel von wenigen Volt. Speziell für
eine wakeup-Funktion steht nur eine Spannung von 1 Volt zur Verfügung,
welche für die innere Spannungsversorgung 10 des
Motorsteuergerätes 1 nicht ausreicht.
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Gemäß 4 sind
die Eingänge UBHR und HR des Motorsteuergerätes
mit den Dioden 12 und 13 verbunden, welche an
die interne Spannungsversorgung 10 führen. Ein
Kondensator 14 ist parallel zu den Dioden 12 und 13 mit
Masse verknüpft. Der Kondensator 14 überbrückt
die mechanische Anzugszeit des Hauptrelais 7, da zu diesem
Zeitpunkt vom Datenbus keine Spannung geliefert wird. Auf Grund
der geringen Stromaufnahme der internen Schaltung des Motorsteuergerätes 1 von
geschätzten 1 mA und einer mechanischen Anzugszeit des
Hauptrelais 7 von 5 ms scheint ein Kondensator 14 mit
einer Kapazität von 1 μF ausreichend, um die Energieversorgung
für diesen kurzen Zeitraum aufrechtzuerhalten.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Lösungen kann
nicht nur der Dauerplusanschluss entfallen, sondern es wird eine
Spannungsversorgung für die verschiedensten Funktionalitäten
im Motorsteuergerät gewährleistet.
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Das
erläuterte Prinzip eignet sich nicht nur für das
Motorsteuergerät, sondern kann auch bei anderen im Fahrzeug
befindlichen Steuergeräten wie für ein Getriebesteuergerät
oder ein ABS-Steuergerät eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0004]