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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät bzw. ein Verfahren zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln für ein Fahrzeug nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus
DE 39 20 713 A1 ist eine Insassensicherheitseinrichtung für Fahrzeuge bekannt. Diese Insassensicherheitseinrichtung weist eine Energiereserveschaltung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung der Spannungsversorgung für eine Auslösung der Sicherheitseinrichtung auf. Für eine sichere Funktion wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitseinrichtung beim Überschreiten eines vorgebbaren Maximalwertes der Bordnetzspannung von dieser getrennt und mit der Energiereserveschaltung verbunden wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Steuergerät bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln für ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Schaltung eines Spannungsreglers zwischen der Fahrzeugeingangsspannung und dem Versorgungsbaustein, dessen Ausgangsspannungen für die Ansteuerung der Personenschutzmittel verwendet werden, ein herkömmlicher Aufbau eines solchen Steuergeräts, das für Pkws gedacht ist, auch für Lkws verwendet werden kann. Die Fahrzeugversorgungsspannungen, mithin Batteriespannungen von Pkws liegen üblicherweise unter denen von Lkws. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, auf einfache Art den zulässigen Versorgungsspannungsbereich eines Airbagsystems, das für Pkws gedacht ist, zu erweitern. Somit wird die bestehende Architektur eines solchen Steuergeräts nicht verändert und der volle Funktionsumfang beibehalten. Bestehende Airbagsysteme, d. h. Airbagsteuergeräte für den Einsatz in Pkws können somit unkompliziert für den Lkw-Einsatz adaptiert werden. Der erfindungsgemäße Spannungsregler wird demnach in die bestehende Fahrzeugspannungszuführung des Steuergeräts eingebaut. Die Funktion ist dabei abhängig von der anliegenden Fahrzeugversorgungsspannung, mithin der Bordnetzspannung oder Fahrzeugbatteriespannung. Die Funktion des Spannungsreglers besteht darin, die maximale Versorgungsspannung, mithin die Eingangsspannung für den Versorgungsbaustein auf eine maximale Spannung von beispielsweise 18 V zu begrenzen. Damit unterscheiden sich die Eingangsbedingungen für die nachgeschaltete Airbag-Architektur nicht von einer normalen Pkw-Applikation. Für Eingangsspannungen bis typischerweise 32 V wird die Spannung am Ausgang des Moduls auf beispielsweise maximal 18 V begrenzt. Die Begrenzung wird dabei vorzugsweise mit einem diskret aufgebauten Linearregler realisiert. Die Abschalt- und Regelschwellen werden durch Zener-Diodenspannungen eingestellt und sind ja nach Applikation anpassbar.
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Vorliegend ist ein Steuergerät ein elektrisches Gerät, das Sensorsignale von Sensoren die crashrelevante Parametern liefern, verarbeitet und in Abhängigkeit von dieser Verarbeitung die Personenschutzmittel ansteuert. Für die Ansteuerung ist eine Energie notwendig, die der Versorgungsbaustein bereitstellt und zwar in Abhängigkeit von der Fahrzeugversorgungsspannung mithin einer Fahrzeugbatteriespannung.
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Das Ansteuern der Personenschutzmittel beispielsweise Airbags, Gurtstraffer, Fußgängerschutzmittel etc. bedeutet die Aktivierung solcher Personenschutzmittel, d. h. diese werden betätigt.
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Der Versorgungsbaustein ist üblicherweise ein integrierter Schaltkreis, der die Eingangsspannung für die Ansteuerung der Personenschutzmittel wandelt. Dabei kann beispielsweise ein Aufwärtswandler verwendet werden, um eine Energiereserve, wie aus dem Stand der Technik bekannt, auf einen über der Fahrzeugbatteriespannung liegenden Spannungswert aufzuladen, um in einem sogenannten Autarkieifall, das ist der Fahrzeugbatterieabriss, für eine kurze Zeit noch Energie für den Betrieb des Steuergeräts zur Verfügung zu stellen. Weiterhin kann ein solcher Versorgungsbaustein auch Abwärtswandler aufweisen, die die aufwärtsgewandelte Spannung wieder in die Betriebspannung des Steuergeräts abwärts wandelt, beispielsweise 3,3 oder 5 V. Wird auf eine Energiereserve verzichtet, wird auch lediglich eine Abwärtswandlung vorgesehen sein, um die notwendige Versorgungsspannungen für die Komponenten des Steuergeräts bereitzustellen. Als Wandler kommen insbesondere Schaltwandler in Frage. In den Versorgungsbaustein können auch noch weitere Komponenten des Steuergeräts integriert sein.
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Die Eingangsspannung des Versorgungsbausteins ist die Spannung, die am Versorgungsbaustein anliegt und die der Versorgungsbaustein nutzt, um die weiteren Spannungen, die er bereitstellen soll, zu erzeugen. Die Eingangsspannung kann mit der Fahrzeugbatteriespannung identisch sein.
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Die Fahrzeugversorgungsspannung oder Fahrzeugbatteriespannung definiert den Eingang des Steuergeräts, während die Eingangsspannung des Versorgungsbausteins eben den Eingang dieses Versorgungsbausteins definiert. Zwischen diesen beiden Orten ist erfindungsgemäß ein Spannungsregler geschaltet, der die Eingangsspannung auf einen vorgegebenen ersten Wert begrenzt. Dieser Spannungsregler kann diskret und/oder integriert ausgeführt sein. Insbesondere ist eine Integration mit anderen Komponenten des Steuergeräts möglich. Beispielsweise als eine Option wenn das Steuergerät in einen Lkw anstatt eines Pkw's verwendet werden soll. Ist diese Option jedoch nicht vorgesehen, dann ist ein einfacher diskreter Aufbau möglich. Für den Spannungsregler werden herkömmliche Regelkreise verwendet. Die Spannungsbegrenzung auf z. B. 18 V erfolgt per Linearregler (P-Kanal Mosfet), der zusätzlich im Falle von Überspannungen z. B. > 32 V abgeschaltet werden kann. Spannungsrefenzen für Regler und Abschalter können z. B. auf einfache Weise durch Zener-Dioden realisiert sein.
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Der vorgegebene erste Wert ist üblicherweise 18 V, d. h. die obere Grenze aus dem Pkw-Bereich. Es sind jedoch auch andere Werte möglich.
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Durch den in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Steuergeräts bzw. Verfahren zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln für ein Fahrzeug möglich.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass dem Spannungsregler eine Abschaltschaltung vorgeschaltet ist, die den Spannungsregler in Abhängigkeit von der Fahrzeugversorgungsspannung abschaltet. Diese Abhängigkeit wird insbesondere dadurch durchgeführt, dass die Abschaltschaltung die Fahrzeugversorgungsspannung gegen einen zweiten Wert prüft und bei Überschreitung dieses zweiten Werts den Spannungsregler abschaltet. Der zweite Wert liegt logischerweise über dem ersten Wert, wobei die Abschaltschaltung ebenfalls diskret darstellbar ist, beispielsweise mittels eines Transistors und einer Diode, wobei die Diode bei dem zweiten Wert durchbricht. Auch die Abschaltschaltung kann vorliegend diskret ausgeführt sein. Diese Abschaltschaltung ist für den sogenannten Überspannungsbereich gedacht, also einen Überspannungsbereich, der bis zu einer Stunde andauern kann, wobei als zweiter Wert beispielswerte 36 V verwendet wird. Diese Überspannung kann beispielsweise durch ein Defekt im Bordnetz des LKW'S oder durch Load-dump-Pulse hervorgerufen werden. Für den Fall dieser Überspannung für eine unbeschränkte Dauer ist keine Funktion des Steuergeräts gefordert. Das Systemverhalten bei verschiedenen Eingangsspannungen ist entsprechend Kundenforderungen ausgeführt. Entsprechend dieser Anforderungen ist eine Funktion nur bis z. B. 32 V Eingangsspannung gefordert. Darüberliegende Spannungen dürfen nicht zu Schäden am Steuergerät führen.
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Daher wird bei dieser Überspannung die Fahrzeugversorgungsspannung durch die Abschaltschaltung abgetrennt und durch die schädliche Überspannung somit nicht an das nachgeschaltete Airbag-System weitergereicht.
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Vorteilhafterweise wird für die sehr kurzen und sehr hohen Load-dump-Pulse von beispielsweise über 110 V mit einer Dauer von 500 < ms durch eine Schutzschaltung ein Load-dump-Schutz realisiert. Die notwendigen Klammerelemente sind aber mit geringer Leistung und Bauform ausgeführt, da lediglich die Spannungsspitzen von über 100 V abgeschnitten werden müssen. Klammerelemente sind dabei die Schaltungselemente der Schutzschaltung, die bei dem Überschreiten der Fahrzeugversorgungsspannung über den dritten Wert also 100 V die Fahrzeugversorgungsspannung gegen Masse schalten. Wenige Bauteile in der Abschaltschaltung, besitzen eine Spannungsfestigkeit von mindestens 100 V und schützen die weiteren Funktionsgruppen im Steuergerät durch Abschaltung der Fahrzeugversorgungsspannung. Andere Bauteile weisen Schutzelemente auf und müssen daher nicht diese hohe Spannungsfestigkeit aufweisen. Es ist keine massive Klammerung im Sinne von Energieabbau durch passive Komponenten auf Spannungen von < 36 V nötig. Somit ergibt sich ein Vorteil gegenüber konventionellen Schaltungen. Die korrekte Funktionsweise des Spannungsreglers wird durch Software-Tests, d. h. die Überwachung von Eingangs- und Ausgangsspannungen sichergestellt. Dies führt beispielsweise der Mikrokontroller im Steuergerät durch. In einem Fehlerfall wird der Fahrer beispielsweise per Warnlampe informiert.
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Vorteilhafterweise weist diese Schutzschaltung eine Suppressordiode oder einen Varistor auf, um die Schaltung auf Masse in der Fahrzeugversorgungsspannung durchzuführen, wenn die Fahrzeugversorgungsspannung diesen dritten Wert überschreitet. Bei einer Suppressordiode handelt es sich um ein Bauteil am Eingang des vorliegenden Steuergeräts zum Schutz vor kurzzeitigen Überspannungsimpulsen, die auch Spannungstransienten genannt werden. Die Durchbruchsspannung und der Leckstrom dieser Diode haben keinen Einfluss auf die zu schützende Schaltung. Die Spannungstromcharakteristik und der Aufbau ähneln der einer Zenerdiode. Sie unterscheidet sich vor allem darin, dass die Suppressordiode eine steilere Kennlinie bei größeren Strömen besitzt. Die Spannung steigt bei sehr hohen Strömen noch weniger als bei Zenerdioden. Die Suppressordiode hat gegenüber Zenerdioden ein höheres Ableitvermögen. Wie auch Zenerdioden zeichnen sich Suppressordioden durch ihre kurze Integrationszeit im Bereich von Nanosekunden aus. Alternativ zur Suppressordioden werden insbesondere bei Spannungen ab etwa 100 V auch Varistoren eingesetzt. Diese haben jedoch eine etwas längere Ansprechzeit und einen höheren Schutzpegel. Der Varistor ist ebenfalls ein elektronisches Bauteil.
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Dabei handelt es sich um einen spannungsabhängigen Widerstand. Oberhalb einer bestimmten Schwellspannung, die typisch für den jeweiligen Varistor ist, wird der Widerstand abrupt kleiner. Die Kennlinie ist dabei symmetrisch zur Spannung, die Polarität spielt also keine Rolle.
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Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigte ein Blockschaltbild des erfindungsrelevanten Teils des Steuergeräts,
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2 eine Schaltung dieses erfindungsgemäßen Teils und
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3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt den erfindungsgemäß relevanten Teils des Steuergeräts, wobei die anderen Komponenten des Steuergeräts der Einfachheithalber nicht dargestellt sind. Die Fahrzeugversorgungsspannung mithin Batteriespannung VBAT wird an das Steuergerät angeschlossen. Diese Fahrzeugversorgungsspannung VBAT wird durch die Schutzschaltung LD auf Spannungstransienten von beispielsweise über 110 V geprüft und im Falle deren Auftreten wird die Fahrzeugversorgungsspannung auf Masse geschaltet, so dass die Fahrzeugversorgungsspannung nicht mehr weiter von den anderen Komponenten des Steuergeräts aufgenommen wird. Daher ist ein Schutz solcher Komponenten gegeben. Die Abschaltschaltung AS, die der Schutzschaltung LD nachgeschaltet ist, prüft die Fahrzeugversorgungsspannung VBAT, ob diese eine Überhöhung aufweist, beispielsweise ab 32 V. In diesem Fall schaltet die Abschaltschaltung AS den Spannungsregler SR, der der Abschaltschaltung AS nachgeschaltet ist ab. In dem Fall, wenn das nicht vorkommt, also der Spannungsregler betrieben wird, regelt der Spannungsregler die Fahrzeugversorgungsspannung VBAT auf einen vorbestimmten Wert, der dann in den Versorgungsbaustein VB als Eingangsspannung eingeht. Der Versorgungsbaustein VB, beispielsweise eine integrierte Schaltung wandelt diese Eingangsspannung in Ausgangsspannungen, die zur Versorgung von Komponenten des Steuergeräts dienen. Beispielsweise kann die Spannung VB zum Aufladen einer Energiereserve dienen, beispielsweise eines Kondensators, um in einem sogenannten Autarkiefall, d. h. die Fahrzeugversorgungsspannung ist nicht mehr vorhanden, für kurze Zeit das Steuergerät noch weiter zu versorgen. Die Spannung VHS dient beispielsweise zur Versorgung vorbestimmter Komponenten im Steuergerät. Weitere Spannungen können durch den Versorgungsbaustein je nach Anforderung ausgegeben werden. Diese Spannungen dienen dann letztlich zur Ansteuerung der Personenschutzmittel in einem Ansteuerungsteil, d. h. wenn ein entsprechender Unfall festgestellt wurde.
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2 zeigt nun ein Schaltungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Teil des Steuergeräts. Die Schutzschaltung LD besteht aus einer Suppressordiode 20, die gegen Masse geschaltet ist. Diese Suppressordiode 20 legt die Fahrzeugversorgungsspannung auf Masse, wenn die vorgegebene Spannung erreicht ist. Die Diode D1 dient vorzugsweise für den Verpolschutz. Die Abschaltschaltung AS weist einen Widerstand, einen Transistor T1 und eine Diode D2 auf, die eine Durchbruchspannung von 32 V mit dem zweiten Wert hat.
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Bei einem Durchbruch wird der Transistor T1 derart angesteuert, dass es zu einer Abschaltung des nachgeschalteten Spannungsreglers SR kommt. Die Ansteuerung des Regeltransistors T4 kann auf verschiedene Arten erfolgt, z. B. durch einen Referenzkomparator mit einem Operationsverstärker oder wie in diesem Fall durch einer Zener-Diode (als Referenz) und Low-side-/High-side-Stromspiegel. Sobald D3 zu leiten beginnt, wird der geführte Strom durch den Low-side Stromspiegel T5/T6 in den Highside-Spiegel T2/T3 transferiert. Über T3 erfolgt dann die Gate-Steuerung des „Haupt”-transistors T4. Über den Regelkreis wird die Gate-Source-Spannung von T3 so geregelt, dass die Ausgangsspannung (Drain von T3) auf die Zener-Spannung von D3 begrenzt wird. Sobald D2 zu leiten beginnt, wird T1 eingeschalten und dieser zieht die Gate-Spannung von T3 nach oben (auf Source-Spannungsniveau). Somit schaltet T3 ab und das angeschlossene System wird spannungsfrei.
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3 zeigt ein Flussdiagramm, um das erfindungsgemäße Verfahren zu beschreiben. In Verfahrensschritt 300 wird die Fahrzeugversorgungsspannung VBAT bereitgestellt. In Verfahrenschritt 302 prüft die Schutzschaltung Id, ob die Fahrzeugbatteriespannung VBAT über dem dritten Wert V3 liegt. Ist da das Fall, dann wird die Fahrzeugversorgungsspannung auf Masse im Verfahrensschritt 302 geschaltet. Wurde jedoch im Verfahrensschritt 301 erkannt, dass die Fahrzeugversorgungsspannung VBAT < V3 ist, dann wird dieser Verfahrensschritt 303 geprüft, ob die Fahrzeugversorgungsspannung größer als der zweite Wert V2 ist. Ist es der Fall, dann wird der Verfahrensschritt 304 die Abschaltung des Spannungsreglers vorgenommen. Ist das jedoch nicht der Fall, wird in Verfahrenschritt 304 eine Regelung des Spannungsreglers SR auf den ersten Wert vorgenommen. Und dann wird wieder zu Verfahrenschritt 300 gesprungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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