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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft eine Elektronische Steuereinheit für einen
Airbag, die oft auch als Airbag ECU ("Airbag Electronic Control Unit") bezeichnet wird,
mit einem autarken Ereignisdatenrekorder, oft auch EDR ("Event Data Recorder") genannt.
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HINTERGRUND
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Die
Aufzeichnung von Fahrzeug- und Unfalldaten kurz vor, während und
nach einem Unfall in einem nicht flüchtigen Speicher im Fahrzeug
gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Diese Daten sollen helfen, das
Unfallgeschehen und dessen Ursache so genau wie möglich rekonstruieren
zu können.
Derartige Systeme sind auch für
Versicherungsunternehmen von Interesse, die die Daten zur Feststellung von
Versicherungsleistungen im Schadensfall nutzen wollen. Des Weiteren
wurden gesetzliche Bestimmungen zur Aufzeichnung von Unfalldaten
von diversen Behörden
(z. B. National Highway Traffic Safety Administration) und anderen
Organisationen angeregt.
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Bestehende
Systeme sind nicht für
die Speicherung einer größeren Menge
von Daten ausgelegt. Gewisse Komponenten eines Fahrzeuges, wie z.
B. die Airbags ECUs, müssen
eine von der Bordenergieversorgung unabhängige Energieversorgung aufweisen
für den
Fall, dass auf Grund eines Unfalles die Bordenergieversorgung des
Fahrzeuges ausfällt. Bei
bekannten Systemen wird zu diesem Zweck eine "Notenergieversorgung" mit Hilfe von Elektrolytkondensatoren
gewährleistet.
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Die
Speicherung einer größeren Menge
von Daten in einen nicht flüchtigen
Speicher kann jedoch relativ viel Zeit in Anspruch nehmen, beispielsweise zwei
Sekunden. Zur Aufrechterhaltung der Energieversorgung der Airbag
ECUs über
einen derart langen Zeitraum wären
sehr viele und sehr große
Kondensatoren notwendig, was das Gesamtsystem empfindlich verteuern
würde.
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Es
besteht daher der Bedarf an einem neuen Konzept einer Airbag ECU
mit einer Datenrekordereinheit (ein so genannter "event data recorder") die mit einer möglichst
geringen Anzahl von Kondensatoren zur Gewährleistung der Stromversorgung
im Falle eines Unfalles auskommt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Beispiel der Erfindung betrifft eine elektronische Steuereinheit
für einen
Airbag, die aufweist: eine Datenrekordereinheit, die einen flüchtigen Speicher,
einen nicht flüchtigen
Speicher und eine Kopierschaltung aufweist, wobei die Kopierschaltung dazu
ausgebildet ist, Daten während
einer zweiten Betriebsphase der Steuereinheit von dem flüchtigen Speicher
in den nichtflüchtigen
Speicher zu kopieren; eine Protokolleinheit, die dazu ausgebildet
ist, während
einer ersten Betriebsphase der Steuereinheit Fahrzeug- und/oder
Unfalldaten in dem in der Datenrekordereinheit angeordneten flüchtigen
Speicher aufzuzeichnen; eine erste Energieversorgungseinheit, die
mit der Steuereinheit verbunden ist und die Protokolleinheit sowie
weitere Komponenten der Steuereinheit mit Energie versorgt; und
eine zweite Energieversorgungseinheit, die mit der Datenrekordereinheit
verbunden ist und diese mit Energie versorgt.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
folgenden Figuren und die weitere Beschreibung soll helfen, die
Erfindung besser zu verstehen. Die Elemente in den Figuren sind
nicht unbedingt als Einschränkung
zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der
Erfindung darzustellen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen
korrespondierende Teile.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Beispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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2 zeigt
die Schaltungsanordnung aus 1 in größerem Detail.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
elektronische Steuereinheit für
Airbags (Airbag ECU) ist das einzige Steuergerät in einem Fahrzeug, das bei
fehlender externen Versorgung durch die Autobatterie seine Funktionen
für eine
bestimmte Zeit (d. h. Autarkiezeit TA) aufrechterhalten können muss.
Dies ist vor allem Dann wichtig, wenn aufgrund eines Defekts oder
auch wegen des geraden stattfindenden Aufpralls die Batterieversorgung der
Airbag ECU zusammengebrochen ist. In manchen Fällen wird bei einem Unfall
die Batterie auch bewusst vom Bordnetz getrennt.
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Wie
eingangs bereits erläutert
ist im Falle eines Unfalls die Speicherung von immer umfangreicheren
Datensätzen
notwendig, die ebenfalls unabhängig
von der externen Batterieversorgung während der Autarkiezeit in einem
nichtflüchtigen
Speicher abgelegt werden müssen.
Die Energieversorgung während
der Autarkiezeit wird meist mit Hilfe von Elektrolytkondensatoren
gewährleistet,
die – um möglichst
viel Energie zu speichern – auf
eine hohe Spannung (höher
als die Batteriespannung) aufgeladen sind. Während der Autarkiezeit TA wird die im Kondensator gespeicherte Energie
wieder über
einen Spannungswandler an den Airbag ECU abgegeben und so die darin
angeordneten Schaltungskomponenten mit Strom versorgt.
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Während der
Autarkiezeit TA muss die Airbag ECU die
folgenden Funktionen erfüllen:
das Auslösen
der Airbags, das Protokollieren der zu speichernden Fahrzeug- und
Unfalldaten (z. B. Geschwindigkeit, Bremsbeschleunigung, Querbeschleunigung, Bremszeitpunkt,
Status der Beleuchtung und der Blinker, etc.), und das Abspeichern
der protokollierten Daten in einem nichtflüchtigen Speicher wie z. B. einem
EEPROM.
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Das
Auslösen
der Airbags erfolgt während eines "Zündintervalls" TF ("fire interval") von ca. 2 ms bis
30 ms, während
dessen der Strombedarf rund 20 A beträgt. Gleichzeitig oder anschließend beginnt
ein sogenanntes "Protokollintervall" TP,
während
dessen die oben erwähnte
Protokollierung der Fahrzeug- und Unfalldaten erfolgt. Der Strombedarf
beträgt
dabei rund 300 mA für
ein Protokollintervall von beispielsweise 250 ms. Die maximale Autarkiezeit
TA resultiert aus der Summe von Zündintervall
TF und Protokollintervall TP.
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Das
Abspeichern der protokollierten Daten in einem nichtflüchtigen
Speicher kann bei den geforderten Datenmengen sehr viel Zeit, z.
B. rund 2 Sekunden oder auch mehr, in Anspruch nehmen. Durch das
Abspeichern umfangreicher Fahrzeug- und Unfalldaten wird die benötigte Autarkiezeit
erheblich verlängert
(im vorliegenden Beispiel verachtfacht), wodurch auch eine erhebliche
Vergrößerung der
Kapazität
der Elektrolytkondensatoren notwendig wird, die die Energieversorgung
während
der Autarkiezeit gewährleisten.
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Die 1 zeigt
anhand eines ersten Beispiels der Erfindung ein neues Konzept einer
Airbag ECU, bei der trotz einer langen Autarkiezeit von z. B. zwei
Sekunden, dennoch nur eine geringfügige Erhöhung der Kapazität der Elektrolytkondensatoren
notwendig ist, was einen nicht unbeachtlichen Kostenvorteil für den Hersteller
bringt.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst eine elektronischen Steuereinheit für einen
Airbag (Airbag ECU 1) und zwei Energiever sorgungseinheiten 30, 40.
Die elektronische Steuereinheit 1 umfasst eine Datenrekordereinheit 20,
die einen flüchtigen
Speicher 21, einen nicht flüchtigen Speicher 22 und
eine Kopierschaltung 23 aufweist. Die Airbag ECU weist mehrere
Betriebsphasen, nämlich
die oben erwähnte Zündphase,
die Protokollphase und eine Rekorderphase auf. Die Kopierschaltung 23 ist
dazu ausgebildet, Daten während
einer zweiten Betriebsphase (Rekorderphase) der Steuereinheit 1 von
dem flüchtigen
Speicher 21 in den nicht flüchtigen Speicher 22 zu
kopieren.
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Die
elektronische Airbag ECU 1 umfasst des Weiteren eine Protokolleinheit 10,
die dazu ausgebildet ist, während
einer ersten Betriebsphase (Protokollphase) der Steuereinheit 1 Fahrzeug-
und/oder Unfalldaten über
eine Schnittstelle (z. B. CAN Bus-Interface) zu empfangen in den
flüchtigen
Speicher 21 der Datenrekordereinheit 20 zu speichern.
Eine erste Energieversorgungseinheit 30 ist mit der Steuereinheit 1 verbunden,
um die Protokolleinheit 10 sowie weitere Komponenten der
Steuereinheit 1 mit Energie zu versorgen. Eine zweite Energieversorgungseinheit 40 ist
mit der Datenrekordereinheit 20 verbunden, um diese mit
Energie zu versorgen, insbesondere dann, wenn die Energiereserven
der ersten Energieversorgungseinheit z. B. aufgrund eines Unfallschadens
aufgebraucht ist, d. h. während
der Autarkiezeit TA.
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Der
flüchtige
Speicher 21 ist beispielsweise ein RAM-Modul, der nicht
flüchtige
Speicher 22 beispielsweise ein EPROM oder EEPROM. Die zweite Energieversorgungseinheit 40 umfasst
einen Kondensator CLER. Als Kondensator
kann beispielsweise ein Elektrolytkondensator verwendet werden,
dessen Kapazität
groß genug
ist, um die Energieversorgung der Datenrekordereinheit 20 zumindest
für die
Dauer des Kopiervorgangs der Daten von dem flüchtigen Speicher 21 in
den nicht flüchtigen
Speicher 22 zu gewährleisten.
Je nachdem, wie viele Daten gespeichert werden müssen, kann dieser Kopiervorgang zwei
Sekunden oder länger
dauern. Es ist wichtig, zu bemerken, dass die zweite Energieversorgungseinheit 40 während der
Autarkiezeit TA nur die Rekordereinheit 20 mit
Energie versorgt, während
alle anderen Komponenten – je
nach Zustand der ersten Energieversorgungseinheit 30 – abgeschaltet
werden können.
Für die
Energieversorgung der Airbag ECU 1 während des Zünd- und Protokollintervalls
muss die erste Energieversorgungseinheit 30 sorgen. Diese muss
jedoch nicht für
die gesamte Autarkiezeit inklusive Rekorderintervall TR ausgelegt
sein.
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Durch
die Trennung der Rekordereinheit 20 von der Protokolleinheit 10 kann
die Stromaufnahme der Airbag ECU 1 während des langen Rekorderintervalls
deutlich reduziert werden, weil lediglich die Rekordereinheit 20 in
Betrieb sein muss und sämtliche
anderen Komponenten der Airbag ECU 1 abgeschaltet werden
können.
Die Rekordereinheit enthält nur
die wesentlichen Schaltungselemente, die für eine dauerhafte Speicherung
der relevanten Fahrzeug- und Unfalldaten notwendig sind. Folglich
ist für die
Aufrechterhaltung der Rekorderfunktion eine deutlich geringere Anzahl
von Elektrolytkondensatoren nötig,
als wenn die Speicherung der Daten direkt von der Protokolleinheit
durchgeführt
werden würde.
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Die
Protokolleinheit 10 umfasst beispielsweise einen Mikroprozessorkern
und eine Datenschnittstelle, über
die die zu speichernden Daten D empfangen werden. Die Schnittstelle
kann beispielsweise ein CAN-Bus-Interface sein, über das sämtliche relevanten Fahrzeug-
und Unfalldaten empfangen werden. Bei diesen Daten handelt es sich
beispielsweise um die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, Beschleunigungswerte,
Bremszeit, etc.
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2 zeigt
als weiteres Beispiel der Erfindung eine detailliertere Ausführungsform
des Beispiels aus 1. Die erste Energieversorgungseinheit 30 wird
durch einen mit der Autobatterie verbundenen Tiefsetzsteller 31 gebildet,
wobei zwischen dem Eingang des Tiefsetzstellers 31 (buck
converter) und der Autobatterie eine Diode D1 und ein Hochsetzsteller 32 (boost
converter) geschaltet sein können.
Des weiteren ist die Spannung am Eingang des Tiefsetzstellers 31 durch
einen Pufferkondensator CER gepuffert. Im
Falle eines Zusammenbruchs der Batteriespannung VBAT verhindert
die Diode D1 ein ungewolltes Entladen des
Pufferkondensators CER. Über den Tiefsetzsteller 31 muss
der Pufferkondensator CER die gesamte Airbag
ECU für
den Airbag (Airbag ECU) noch eine gewisse Zeitlang mit Energie versorgen.
Diese Zeit beträgt
rund 250 Millisekunden für
das Zünden
der Airbags und die Protokollierung der relevanten Fahrzeug- und/oder
Unfalldaten in einem RAM. Bei einem typischen Stromverbrauch von rund
300 mA über
das Protokollintervall TP von 250 Millisekunden
und einem benötigten
Strom von 20 Ampere zum Zünden
der Airbags über
das Zündintervall
TF von 2 Millisekunden muss die Kapazität des Pufferkondensators
CER rund 12000 μF betragen. In der Praxis kann
diese Kapazität
beispielsweise durch ein Kapazitätsfeld
von drei parallel geschalteten Elektrolytkondensatoren mit einer
Kapazität
von 4700 μF
gebildet werden. Am Ausgang des Tiefsetzstellers 31 stellt
die erste Energieversorgungseinheit 30 eine Versorgungsspannung
VDD von z. B. 5 Volt für die Airbag ECU zur Verfügung.
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Gemäß dem Beispiel
aus 2 umfasst die Protokolleinheit 10 einen
Mikroprozessorkern 11 und ein RAM-Modul 12, die
beide über
einen Datenbus 13 in Verbindung stehen. Im Falle eines
Unfalls empfängt
der Mikroprozessorkern 11 während der Protokollphase die
relevanten Fahrzeug- und Unfalldaten D über eine Schnittstelle, beispielsweise
ein CAN-Bus-Interface, und legt diese Daten in dem RAM-Modul 12 ab.
Am Ende der Protokollphase werden die Daten von dem RAM-Modul 12 in
der Protokolleinheit 10 in das RAM-Modul 21 der
Datenrekordereinheit 20 kopiert. Alternativ können die
empfangenen Daten D auch direkt in das RAM-Modul 21 der Rekordereinheit 20 gespeichert
werden.
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Diese
Protokollphase wird von dem Mikroprozessorkern 11 in Gang
gesetzt, wenn ein Unfall von den Airbagsensoren (nicht dargestellt)
detektiert wird. Das Speichern der Fahrzeug- und Unfalldaten in
dem RAM-Modul 12 bzw. in dem RAM-Modul 21 kann sehr
viel schneller erfolgen als das Speichern in ein EEPROM. Eine Protokollphase
ist typischerweise innerhalb von rund 250 Millisekunden abgeschlossen.
Während
dieser Zeit muss bei einem Zusammenbruch der Batteriespannung die
erste Energieversorgungseinheit 30 die Spannungsversorgung
der Airbag ECU gewährleisten.
Nach Abschluss der Protokollphase können sämtliche Komponenten der Airbag
ECU, insbesondere die Protokolleinheit 10 mit dem Mikroprozessorkern 11 abgeschalten
werden. Der Abschaltvorgang kann beispielsweise durch eine Unterspannungsdetektionseinrichtung 60 vorgenommen
werden. Eine solche ist, je nach Anwendungsfall, jedoch nicht zwingend
notwendig.
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Die
Rekordereinheit 20 umfasst neben den bereits in der 1 dargestellten
Komponenten (flüchtiger
Speicher 21, nicht flüchtiger
Speicher 22, Kopierschaltung 23) auch eine Ladungspumpe 25, einen
weiteren Tiefsetzsteller 26 und zumindest einen Entkoppler 24.
Die Ladungspumpe 25 verbindet die erste Energieversorgungseinheit 30 mit
der zweiten Energieversorgungseinheit 40, die im Wesentlichen
einen weiteren Pufferkondensator CLER umfasst. Der
Pufferkondensator CLER wird über die
Ladungspumpe 25 außerhalb
der Autarkiezeit TA auf eine Spannung aufgeladen,
die größer ist
als die Batteriespannung, um möglichst
viel Energie in dem Kondensator zu speichern. Während der Rekorderphase der Autarkiezeit
wird die Rekordereinheit 20 aus dem Pufferkondensator CLER versorgt. Der weitere Tiefsetzsteller 26 wandelt
dafür die
Kondensatorspannung in eine adäquate
Versorgungsspannung VDDx für die Rekordereinheit 20 um.
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Der
bzw. die Entkoppler 24 sind in den Signalpfaden zwischen
der Rekordereinheit 20 und den übrigen Komponenten der Airbag
ECU 1 angeordnet, um während
der Rekorderphase der Autarkiezeit unerwünschte Rückwirkungen von der Rekordereinheit 20 z.
B. auf die Protokolleinheit 10 zu vermeiden. Die Entkoppler 24 können z.
B. dazu ausgebildet sein, die Signalpfade zwischen der Rekordereinheit 20 und
der Protokolleinheit 10 zu unterbrechen, wenn die Versorgungsspannung
VDD der ersten Energieversorgungseinheit 30 einen
bestimmten Grenzwert unterschreitet, also eine Unterspannung von
der Unterspannungsdetektionseinrichtung 60 erkannt wird.
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Wie
bereits erwähnt
ist die Kopierschaltung 23 dazu ausgebildet, während der
Rekorderphase der Autarkiezeit TA Daten
von dem RAM 21 in den nicht flüchtigen Speicher 22 zu
kopieren. Dieser nicht flüchtige
Speicher 22 kann alternativ auch als externe Komponente über einen
seriellen Bus 50, beispielsweise einen SPI Bus oder einen
I2C Bus, mit der Kopierschaltung 23 verbunden sein. In
diesem Falle wird auch der externe, nicht flüchtige Speicher 22 durch
die Versorgungsspannung VDDx versorgt. Unabhängig davon
können
alle Schaltungskomponenten der Airbag ECU 1 mit Ausnahme
der Elektrolytkondensatoren in einer einzigen anwendungsspezifischen
integrierten Schaltung (ASIC) integriert sein.