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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren nach
der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Üblicherweise
werden Motorsteuergeräte der
Regelung und Kontrolle von Aggregaten eingesetzt, die wiederum die
Abläufe
von Verbrennungsmaschinen steuern. Dazu werden Signale von Sensoren
unter Zuhilfenahme von Mikroprozessoren und Software ausgewertet
und in Ansteuersignale von Aggregaten umgesetzt.
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Für die Ansteuerung
von Aggregaten werden Endstufen benötigt. Aggregate bestehen aus
elektrischer Sicht ersatzweise aus einem Lastwiderstand und einer
Induktivität.
Endstufen können
je nach Anwendung als Lowsideschalter oder Highsideschalter realisiert
sein. Ein Lowsideschalter ist als elektrischer Schalter realisiert,
der das Aggregat mit Masse verbindet. Ein Highsideschalter ist als
elektrischer Schalter realisiert, der das Aggregat mit der Versorgungsspannung
(Ubat) verbindet. Ferner können auch
Kombinationen von Highsideschaltern und Lowsideschaltern verwendet
werden.
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Üblicherweise
werden in einem Motorsteuergerät
alle Endstufen, die für
den Betrieb eines Verbrennungsmotors benötigt werden, zusammengefasst.
Im Motorsteuergerät
werden Endstufen mit elektrisch ähnlichen
Anforderungen in speziellen für diese
Anwendungen entwickelten ASIC’s
(application specific integrated circuit) zusammengefasst. Hierzu
wird versucht die Aggregate in Klassen einzuteilen und dazu passend
die Endstufen zu standardisieren.
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Als
Standardendstufenbausteins wird insbesondere der CJ945 und der TLE6244
eingesetzt.
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Es
stellt sich die Aufgabe mit möglichst
einfachen kostengünstigen
Endstufen möglichst
niederohmige Aggregate anzusteuern. Begrenzend sind einerseits die
Endstufenfläche
bestimmt durch Einschaltverlustleistung, Abschaltenergie und Stromtragfähigkeit
und andererseits das Gehäuse
des ASIC’s
bei dem die Stromtragfähigkeit
die Anzahl der benötigten
Pins und Bonds pro Endstufe bestimmt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen
ein Kurzschluss erkannt wird, wenn ein Stromwert einen Schwellenwert übersteigt
und eine Spannung von einem erwarteten Wert abweicht.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Bei
der Definition von Motorsteuergeräten wird in der Entwurfsphase überprüft welches
Aggregat mit welche Endstufe angesteuert werden kann.
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So
beinhaltet der CJ945 beispielsweise 18 Endstufen:
2 × 3,0 A/45
V Klammerspannung
6 × 2,2
A/70 V Klammerspannung
6 × 2,2
A/45 V Klammerspannung
4 × 1,1
A/45 V Klammerspannung
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Im
folgenden wird die Auslegung eines Aggregats an einer Endstufe:
beispielhaft für
eine 2.2 A Endstufe beschrieben.
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Für die Batteriespannung
wird üblicherweise der
Spannungsbereich von UB_min–UB_max
mit 6 Volt–16
Volt definiert. Eine 2.2 A Endstufe hat laut Spezifikation im Temperaturbereich –40°C bis +150°C einen Einschaltwiderstand
von R_ON_min–R_ON_max
von 0,10 Ohm–0,65
Ohm und eine Kurzschlusserkennungsschwelle von I_KS_min–I_KS_max
mit 2,2 Ampere–3,8
Ampere.
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Die
Endstufen-Last-Kombination ist so auszulegen, dass bei Nennbetrieb
keine Erkennung auf Kurzschluss nach Batteriespannung erkannt wird,
da dies zu einer Abschaltung der Endstufe bzw. zu einem Fehlerspeichereintrag
führen
würde.
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Daher
gilt: R_Last_min = (UB_max – I_KS_min·R_ON_min)/I_KS_min
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Daraus
ergebt sich: R_Last_min = (16 Volt – 2.2 A·0,1 Ohm)/2.2
A = 7,17 Ohm
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D.
h. der minimale Widerstand eines an eine 2.2 A Endstufe angeschlossenen
Aggregats muss für eine
einwandfreie Funktion größer als
7,17 Ohm sein.
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Da
in der Praxis die meisten Aggregate aufgrund ihrer Konstruktion
einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, ist die Funktion
bei tiefen Temperaturen (Automobilbereich –40°C) der begrenzende Wert.
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Üblicherweise
wird ein Kurzschluss erkannt, wenn der in der Spezifikation beschriebene
maximale Endstufenstrom für
länger
als die Entprellzeit überschritten
wird. Während
der Entprellzeit wird der Endstufenstrom durch die Endstufe begrenzt.
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Bei
einem erkannten Kurzschluss kann eine Abschaltung der Endstufe oder
weiter Begrenzung des Endstufenstroms wie während der Entprellzeit erfolgen.
Un abhängig
von der Endstufenreaktion erfolgt immer ein Fehlerspeichereintrag.
Die Software im Mikroprozessor kann daraufhin ggf. nach weiterer Entprellung
eine Systemreaktion auslösen.
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Um
niederohmigere Lasten als oben beschrieben (7,17 Ohm) ansteuern
zu können,
kann eine Begrenzung des Endstufenstroms aktiviert werden. Dies
kann bei Aggregaten durchgeführt
werden, bei denen die Unterschreitung nur in zeitlich begrenzt in
einschränkten
Bereichen auftritt. Dies ist insbesondere bei tiefen Temperaturen
der Fall.
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Eine
Erwärmung
des Aggregats ist bei den meisten Anwendungen nur ein Nebeneffekt
und daher nicht definiert und meist recht langsam.
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D.
h. durch die Aktivierung der Strombegrenzung kann zwar ein Aggregat
angesteuert werden, es erfolgt aber trotzdem eine Erkennung auf
Kurzschluss. Ein Ausblenden der Diagnose durch die ansteuernde Software/Funktion
ist aber aus Gesetzgebungsgründen
für eine
längere
oder auch undefinierte Zeitdauer nicht möglich.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise ändert sich
die Berechnung des minimale Widerstand des Aggregats von: R_Last_min = (UB_max – I_KS_min·R_ON_min)/I_KS_min
=
(16 Volt – 2.2
A·0,1
Ohm)/2.2 A = 7,17 Ohm
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Nach: R_Last_min = (UB_max – U_KS_min)/I_KS_min
=
(16 Volt – 4,5
Volt)/2.2 A = 5,23 Ohm
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D.
h. durch der erfindungsgemäße Vorgehensweise
können
Aggregat angeschlossen werden, die einen um 28% niedrigeren Wicklungswiderstand aufweisen!
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Durch
die Verknüpfung
einer Überstromerkennung
mit einer Spannungsschwelle wird das Verhalten der Endstufen genauer
spezifiziert. Beim Stand der Technik muss bei der Frage welche Sättigungsspannung
die Endstufe beim Überschrei ten der
Kurzschlusserkennungsschwelle hat, der minimale Widerstand der Endstufe
angenommen werden, damit häufig
sogar der Wert 0 Ohm.
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Da
der minimale Widerstand des Aggregats bei tiefen Temperatur auftritt
und durchaus angenommen werden kann, dass das Motorsteuergerät ebenfalls
kalt ist, kann die erhöhte
Verlustleistung während
der Strombegrenzung in Kauf genommen werden.
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Die
aktuellen Endstufen, speziell die mit Strombegrenzung haben neben
der strombasierten Kurzschlusserkennung auch eine Übertemperaturabschaltung,
die eine Endstufe im Falle eines schleichenden Kurzschluss schützt und
einen Fehlereintrag zur Folge hat.
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Im
Falle eines echten Kurzschluss (da dann die Spannung am Endstufenausgang über U_KS liegt)
erfolgt eine Reaktion z. B. Abschaltung wie heute.
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Von
dem Baustein CJ450 ist bekannt, dass eine Erkennung auf Kurzschluss
nach Batteriespannung nicht durch die Überschreitung der Strombegrenzungsschwelle
erfolgt, sondern durch die Übertemperaturerkennung.
Dies hat den Nachteil, dass bei einem echten Kurzschluss die Kurzschlusserkennung
verhältnismäßig lang
dauert, bzw. gar nicht erfolgt. Speziell bei tieferen Temperaturen
und bei Endstufen mit niederen Strömen (0,6 A) treten diese Probleme
auf.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung Erfindung ist, dass als Spannungsschwelle
der maximal spezifizierte Einschaltwiderstand multipliziert mit der
maximalen Kurzschlusserkennungsschwelle verwendet wird. Dadurch
wird der bereits bestehende thermisch schlechteste Fall, der ohnehin
bereits berücksichtigt
werden musste, zum Standard gemacht. Eine näher gehende thermische Betrachtung
des Gesamtsystem kann gegebenenfalls entfallen.
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Im
Beispiel wäre
dies U_Sat_max = 0,65 Ohm·3,8
A = 2,47 V. Hier könnte
die Kurzschluss-Masse-Erkennungsschwelle verwendet werden: 0,54·VDD
+/– 0,5
V = 2,7 V +/– 0,5
V (bei VDD5 = 5,0 V)
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Damit
wäre beim
Beispiel einer 2.2 A-Endstufe noch eine Verbesserung von R_Last_min = 7,17 Ohm
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Nach: R_Last_min = (UB_max – U_KS_min)/I_KS_min = (16
Volt – 2,2
Volt)/2.2 A = 6,27 Ohmzu erzielen.
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In
der Figur sind die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beispielhaft dargestellt. Mit 100 ist ein Verbraucher bezeichnet.
Dieser steht zum Einen mit einem ersten Anschluss 105 einer
Spannungsversorgung und zum Anderen mit einem Verbindungspunkt 110 in
Verbindung. Der Verbindungspunkt 110 ist des Weiteren mit
einem Schaltmittel 120 verbunden. Der Schaltmittel verbindet
den Verbindungspunkt und damit den Verbraucher über ein Strommessmittel 130 mit
einem zweiten Anschluss 140 der Spannungsversorgung. Das Schaltmittel 120 wird
von einer Ansteuerung 150 mit Ansteuersignalen beaufschlagt.
Der Verbindungspunkt 110 steht mit einer Spannungsauswertung 160 in
Verbindung. Das Strommessmittel 130 steht mit einer Stromauswertung 170 in
Verbindung. Die Ausgangssignale der Spannungsauswertung U und das Ausgangssignal
I der Stromauswertung 170 gelangt zu einer Überwachung 180,
die wiederum eine Anzeige 190 mit einem Signal beaufschlagt.
Anstelle der Anzeige 190 kann auch ein Speichermittel 190 vorgesehen
sein.
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Die
Ansteuerung 150 steuert das Schaltmittel 120 derart
an, dass der Verbraucher eine gewünschte Reaktion zeigt. Vorzugsweise
werden als Verbraucher beispielsweise Injektoren verwendet, die
die Kraftstoffzumessung in die Brennkraftmaschine durchführen. Insbesondere
bei der Anwendung in Brennkraftmaschinen ist eine Überwachung
der Funktionsfähigkeit
dieser Einrichtung erforderlich. Da diese Elemente mit Ausnahme
des Verbrauchers üblicher
Weise in einem Steuergerät
angeordnet sind, wobei diese Steuergeräte räumlich getrennt vom Verbraucher
angeordnet ist und der Verbraucher mit dem Steuergerät über eine
Leitung verbunden ist, ist ein Kurzschluss des Verbrauchers nicht
100%ig auszuschließen.
Ein solcher Kurzschluss kann unter anderem dadurch auftreten, dass
ein Wicklungskurzschluss eintritt oder dass ein Kurzschluss zwischen dem
Verknüpfungspunkt 110 und
dem ersten Anschluss der Versorgungsspannung auftritt. Ein solcher
Kurzschluss muss sicher erkannt und entsprechende Maßnahmen
eingeleitet werden.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass einerseits der Strom, der durch den Verbraucher fließt und die
Verspannung, die am Verbindungspunkt 110 zwischen dem Schaltmittel 120 und
dem Verbraucher 100 überwacht
wird. Ist der Strom, der durch den Verbraucher fließt, größer als
ein Schwellenwert und weicht gleichzeitig die Spannung am Verbindungspunkt 110 von
einem erwarteten Wert ab, so ist von einem Fehler auszugehen. Ein
solcher Fehler wird von der Überwachung 180 erkannt.
Bei einem erkannten Fehler ist es möglich, diesen über das
Mittel 190 anzuzeigen bzw. in einem entsprechenden Speicher
abzuspeichern und beim späteren
Zeitpunkt auszulesen. Des weiteren kann vorgesehen sein, dass entsprechende
Notfallmaßnahmen,
die ein Notfahrbetrieb durch Abschalten des Verbrauchers, durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß sind zwei
Ausgestaltungen der Erfindung zu betrachten. Bei einer ersten Ausführungsform
entspricht der erste Anschluss der Spannungsquelle der Versorgungsspannung,
die üblicher
Weise als UBat bezeichnet wird. Der zweite Anschluss 140 der
Spannung entspricht dann dem Masseanschluss. In diesem Fall bezeichnet
man das Schaltmittel 120 als Low-Side-Schalter. In diesem Fall
wird überprüft, ob der
Spannungswert 110 größer als
ein Schwellenwert ist. Ist dies der Fall und ist gleichzeitig der
Strom größer als
ein Schwellenwert, so wird von einem Kurzschluss ausgegangen.
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Bei
einer zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Anschluss
dem Masseanschluss entspricht und der zweite Anschluss 140 mit
Versorgungsspannung UBat verbunden ist. In diesem Fall spricht man
von dem Schaltmittel 120 von einem High-Side-Schalter.
In diesem Fall wird überprüft, ob der
Spannungswert kleiner als ein Schwellenwert ist. Ist der Spannungswert
kleiner als der Schwellenwert und der Strom größer als der Schwellenwert,
so ist in diesem Fall von einem Fehler auszugehen.