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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlerzustands in einer Schaltung, in der wenigstens eine Last in einer Halbbrückenanordnung zwischen einem spannungsquellenseitigen Highside-Schaltelement und einem masseseitigen Lowside-Schaltelement in Reihe geschaltet ist, sowie eine entsprechende Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Elektrische Lasten werden in der Regel über Schalter mit der sie speisenden Spannungsquelle verbunden. Die Ansteuerung induktiver Lasten (nachfolgend auch als Aktuatoren bezeichnet) im unidirektionalen Betrieb erfolgt in der Regel durch getaktetes Ein- und Ausschalten bezüglich der Last spannungsquellenoder masseseitig angeordneter Schaltelemente in Form einer Pulsweitenmodulation (PWM). Ein spannungsquellenseitig angeordnetes Schaltelement wird dabei üblicherweise als Highside-(HS-)Schaltelement, ein masseseitig angeordnetes Schaltelement als Lowside-(LS-)Schaltelement bezeichnet.
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Entsprechende Anordnungen kommen beispielsweise in Kraftstoffsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei direkt einspritzenden Otto- oder Dieselmotoren zum Einsatz. In derartigen Systemen wird der Kraftstoffzufluss zur Hochdruckpumpe mit einem Mengensteuerventil geregelt. Das Mengensteuerventil wird von einem entsprechenden Aktuator betätigt. Die Spulenwindungen des Aktuators sind nicht für dauerhaftes Einschalten ausgelegt und können daher bei zu langem Einschalten thermisch zerstört werden. Für die Injektorspulen oder andere Aktuatoren in einem derartigen Kraftstoffsystem gilt Ähnliches.
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In den 1a und 1b sind entsprechende Schaltungen gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt und insgesamt jeweils mit 110 und 120 bezeichnet. In den Schaltungen 110 und 120 werden jeweils Aktuatoren A über Schalteinheiten 111 bzw. 121 angesteuert.
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Der Aktuator A der Schaltung 110 wird über ein HS-Schaltelement HS der Schalteinheit 111 geschaltet. Hierbei stellt das HS-Schaltelement HS einen (getakteten) Kontakt zwischen einem HS-seitigen Eingang bzw. Anschluss HSA des Aktuators A und einer Spannungsquelle VBATT, beispielsweise einem Batterieanschluss, her. Ein LS-seitiger Eingang LSA des Aktuators A ist stationär mit Masse GND verbunden.
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Der Aktuator A der Schaltung 120 wird im Gegensatz dazu über ein LS-Schaltelement LS der Schalteinheit 121 geschaltet. Dieses stellt einen (ebenfalls getakteten) Kontakt zwischen einem LS-seitigen Eingang LSA des Aktuators A und Masse GND her. Ein HS-seitiger Eingang HSA des Aktuators A ist stationär mit einer Spannungsquelle VBATT verbunden.
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Ein wesentlicher Nachteil derartiger Ein-Schalter-Lösungen ist, dass bei bestimmten Fehlern in einer Schaltung der Aktuator dauerhaft bestromt wird, ohne dass eine Möglichkeit besteht, den Aktuator abzuschalten. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn in der Schaltung 110 der HS-seitige Eingang HSA des Aktuators A gegen die Spannung VBATT kurzgeschlossen ist.
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Eine Abschaltung im Fehlerfall kann in entsprechenden Anordnungen mit LS-geschalteten Lasten durch einen zusätzlichen, spannungsquellenseitig vorgesehenen Hauptschalter, mit welchem die gesamte Spannungsversorgung aller Einzelaktoren geschaltet werden kann, erfolgen. Das Öffnen des Hauptschalters im Fehlerfall hat jedoch zur Folge, dass sämtliche Verbraucher ausgeschaltet werden und damit das Gesamtsystem und nicht nur die fehlerhafte Komponente ausfällt. Zudem kann eine Reihe von Fehlern hierbei nicht diagnostiziert werden.
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Zur Vermeidung einer Dauerbestromung des Aktuators im Fehlerfall können auch redundante HS-LS-Schaltelementkombinationen verwendet werden, wie beispielsweise in 1c anhand einer Schaltung 130 veranschaulicht. In einer entsprechenden Schalteinheit 131 sind ein HS-Schaltelement HS und ein LS-Schaltelement LS vorgesehen, mittels derer sich sowohl ein Kontakt bzw. eine Unterbrechung zwischen einem LS-seitigen Eingang LSA des Aktuators A und Masse GND als auch zwischen einem HS-seitigen Eingang HSA des Aktuators A und einer Spannungsquelle VBATT herstellen lässt. Einer der jeweiligen Schalter kann dabei zur Pulsweitenmodulationsansteuerung des Aktuators getaktet betrieben werden, der jeweils andere stationär geschaltet sein.
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Die
DE 10 2005 025 871 A1 adressiert das genannte Problem in ähnlicher Weise und schlägt eine Schaltung zur Überwachung und Steuerung einer Last, insbesondere einer induktiven oder ohmschen Last vor, die jeweils über einen HS-Schalter mit einer Spannungsquelle und über einen LS-Schalter mit Masse verbunden ist, wobei die Schaltung Einrichtungen zur Messung der masseseitigen und spannungsquellenseitigen Spannungen der Last umfasst. Im Fehlerfall kann jede Last über den spannungsquellenseitigen Schalter abgeschaltet werden. Ein System und ein Verfahren für Diagnose von Fehlerzuständen in der Energieversorgung einer entsprechenden Last ist auch aus der
EP 1 287 369 B1 bekannt.
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Als Schaltelemente werden üblicherweise komplexere integrierte Leistungsschalter sogenannte Smart Power ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), z.B. vom Typ R2S2, CJ945 oder CJ950 verwendet. Diese ermöglichen detaillierte Diagnose-Rückmeldungen über anliegende Fehler wie z.B. Short Circuit to Battery (SCB: Batteriekurzschluss bzw. Kurzschluss zur Spannungsquelle), Short Circuit to Ground (SCG: Massekurzschluss) und Open Load (OL: Lasttrennung bzw. keine Verbindung zur Last). Alternativ dazu können auch einfachere ASICs verwendet werden, die nur ein sogenanntes Status-Flag-Signal (in Form eines Fehlerbits) als Sammelfehlerindikator setzen, wenn (irgendein) Fehler erkannt wurde. Bei Verwendung noch einfacherer Schaltelemente wird zu Diagnosezwecken am Ausgang des Schaltelements analog und/oder digital ein Ausgangssignal rückgelesen.
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Alle Schaltelemente haben gemeinsam, dass nicht alle Fehler (z. B. SCB, SCG, OL) in jedem Schaltzustand detektiert werden können. Ein LS-ASIC kann z.B. keinen Fehler SCG erkennen, wenn dieses Schaltelement eingeschaltet ist, da es dabei selbst den Ausgang gegen Masse durchschaltet. Zu weiteren Ausführungen hinsichtlich der Beschränkungen in der Fehlerdiagnose herkömmlicher Schaltungen sei auf die Ausführungen im Rahmen der Beschreibung der Vorteile der Erfindung verwiesen.
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Zur Diagnose von Fehlern, auch in entsprechenden Schaltungen, ist aus der
DE 101 07 367 A1 ein Verfahren bekannt, das ein oder mehrere Fehlersymptome einem physikalischen Fehler zuordnet. Das Verfahren ordnet die Fehlersymptome zu einem Fehlermuster an und verknüpft dieses logisch mit einer oder mehreren Matrizen, wobei die Matrizen Informationen über die Fehlermuster bekannter physikalischer Fehler enthalten.
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Insgesamt erweisen sich die aus dem Stand der Technik Diagnosemöglichkeiten entsprechender Schaltungen jedoch als unzureichend.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Fehlerzuständen in einer Schaltung, in der wenigstens eine Last in einer Halbbrückenanordnung zwischen einem spannungsquellenseitigen Highside-Schaltelement und einem masseseitigen Lowside-Schaltelement in Reihe geschaltet ist, sowie eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf die Kraftfahrzeugtechnik und dort verwendete Schaltungen für Starterrelais, Drucksteuerventile oder Injektoren beschrieben wird, ist sie nicht auf diese Anwendungsgebiete beschränkt, sondern kann in allen Fällen eingesetzt werden, in denen eine Last in einer Halbbrückenanordnung zwischen einem spannungsquellenseitigen Highside-(HS-)Schaltelement und einem masseseitigen Lowside-(LS-)Schaltelement in Reihe geschaltet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, wie nachfolgend näher erläutert, durch eine detaillierte, kombinierte Auswertung von HS- und LS-Diagnose-Rückmeldungen exakte Fehlerzustände (also nicht nur durch die HS- und LS-Schaltelemente detektierte und gemeldete Einzelfehler) zu erkennen und auf dieser Grundlage z.B. einen Notlaufbetrieb zu ermöglichen und den Schutz der beteiligten Aktuatoren, eines Steuergeräts und des Gesamtsystems zu gewährleisten.
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Im Rahmen dieser Anmeldung sei unter "Einzelfehler" ein von einem HS- oder LS-Schaltelement diagnostizierter Fehler verstanden. Ein Fehlerzustand beschreibt demgegenüber den Fehlerstatus eines Gesamtsystems aus Aktuator, HS- und LS-Schaltelement. In bestimmten Fällen kann der Fehlerzustand dabei dem Einzelfehler entsprechen bzw. durch diesen hinreichend exakt beschrieben werden, z.B. wenn, wie unten näher erläutert, eine Diagnoseeinheit eines HS- oder LS-Schaltelements einen eindeutig zuordenbaren Fehler meldet.
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Unter einem Schalter im "angeschalteten" bzw. "geschlossenen" Zustand (kurz: "an") sei ein Schalter in einem Schaltzustand verstanden, in dem dieser eine Verbindung zwischen elektrischen Komponenten herstellt. Ein Schaltelement im "ausgeschalteten" bzw. "offenen" Zustand ("aus") unterbricht eine Verbindung.
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Der Begriff "Schaltkombination" beschreibt die jeweiligen Schaltzustände der jeweils beteiligten Schaltelemente. Bei zwei Schaltelementen sind zunächst die Schaltkombinationen "aus/aus", "aus/an", "an/aus" und "an/an" möglich. Ist eines von beiden Schaltelementen wahlweise entweder getaktet oder dauerhaft ansteuerbar, umfasst der Begriff "Schaltkombination" auch derartige Zustände, also "aus/getaktet" und "an/getaktet".
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Herkömmlicherweise beinhaltet eine Diagnose-Auswertung bei HS-LS-Ausgängen, wie sie z.B. bei der Ansteuerung für Starter-Relais verwendet wird, die unabhängige Diagnose der HS- und LS-Schaltelemente und die Maskierung bestimmter Fehler, um falsche Diagnosen zu vermeiden. Sind z.B. beide Schaltelemente quasistätionär ausgeschaltet, erkennt eines von beiden, sofern es mit einer entsprechenden Diagnosefunktionalität ausgestattet ist, eine Unterbrechung zur Last. Eine entsprechende Auswertesoftware maskiert diesen Fehler jedoch aufgrund der ihr "bekannten" Tatsache, dass das HS-Schaltelement ausgeschaltet ist. Der gemeldete Fehler wird daher ausgeblendet.
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Wird ein Fehler erkannt, wird die jeweilige Last mittels des HS- und/oder des LS-Schaltelements abgeschaltet. Das Abschalten erfolgt entweder unmittelbar nach Erkennen eines Fehlers am HS- oder LS-Schaltelement oder erst dann, wenn (zusätzlich) eine Regelabweichung auf höherer Systemebene erkannt wird. Dies kann unter Umständen zum Ausfall des betroffenen Gesamtsystems führen. Beispielsweise fällt ein Motor aus, wenn ein Drucksteuerventil (PCV: Pressure Control Valve) eines Common-Rail-Systems öffnet und kein Druck in der Hochdruckleitung mehr aufgebaut werden kann.
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Üblicherweise wird in bekannten Diagnoseverfahren immer von Einzelfehlern ausgegangen, wie beispielsweise einer verletzten Isolierung eines Kabels, wodurch eine betroffene Leitung einen Kurzschluss gegen Masse erfahren kann, oder einer Leitungsunterbrechung, wodurch die entsprechenden Enden keinen Kontakt mehr haben.
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Weniger wahrscheinliche, aber gleichwohl mögliche Fehlerzustände (also Doppel- oder auch Mehrfachfehler) können in den bekannten Verfahren nicht erkannt werden. So kann ein Kabel abgequetscht und gleichzeitig eingeklemmt werden, wodurch z.B. der LS-Eingang LSA eines Aktuators (vgl. 1a bis 1c) einen Kurzschluss gegen Masse erfährt, der zugehörige LS-Ausgang des LS-Schaltelements jedoch offen ist (vgl. unten erläuterte 2h). Dieser Fehler stellt aus Sicht einer LS-Diagnose einen Lastabfall dar. Der Aktuator wird aber dennoch (unbemerkt) dauerbestromt, wenn, wie üblich, das HS-Schaltelement statisch eingeschaltet ist. Sofern in diesem Fall eine Steuersoftware nicht beide Ausgänge (also ein HS- und LS-Schaltelement) nach Erkennung eines (tatsächlichen oder vermeintlichen) Lastabwurfs abschaltet, können daher unter Umständen der Aktuator zerstört, weitere Systemkomponenten beschädigt oder schlimmstenfalls ein Fahrzeug ungewollt beschleunigt werden. Der oben erläuterte Begriff "Fehlerzustand" umfasst auch Doppel- und Mehrfachfehler
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Mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren lassen sich in nahezu allen Betriebspunkten, das heißt sowohl im Pulsweitenmodulationsbetrieb als auch im quasistationären Betrieb für fast alle Schaltkombinationen von HS- und LS-Schaltelementen elektrische Fehler erkennen und exakt bestimmen. Erkannte elektrische Fehler können in einen Fehlerspeicher eines Steuergeräts eingetragen werden und damit eine Reparatur in der Werkstatt durch sogenanntes Pin-Pointing erleichtern. Der unnötige Austausch vermeintlich defekter Komponenten kann hierdurch vermieden werden.
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Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist es, zur eindeutigen Identifizierung von Fehlerarten bzw. -zuständen mittels eines Diagnose-Zustandsautomaten, der beispielsweise in Software implementiert ist, die an die jeweiligen Hardware-Gegebenheiten angepasst ist, definierte Ausgangszustände zu durchlaufen, ohne einen Aktuator dabei unerwünscht zu betreiben.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können auch Doppel- und Mehrfachfehler identifiziert werden, was ein eindeutiges Systemverhalten garantiert und dabei hilft, falsche Fehlerspeichereinträge zu vermeiden. Die exakte Bestimmung des elektrischen Fehlers ermöglicht die Realisierung von Ersatzreaktionen. Beispielsweise kann für einen Systemnotlauf eine Ansteuerfunktion von einem LS-Schaltelement auf ein HS-Schaltelement übertragen werden oder umgekehrt.
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Beispielsweise wird mittels einer HS-LS-Struktur eines Steuergeräts, das zur Ansteuerung einer Zumesseinheit ausgebildet ist, z.B. vom Typ EDC17CP18, ein magnetisches lineares Ventil zur Regelung eines Diesel-Mengenzuflusses in einer Hochdruckpumpe normalerweise von einem HS-Schaltelement statisch versorgt und von einem LS-Schaltelement mit einem Pulsweitenmodulationssignal beaufschlagt. Bei einer eindeutigen Identifizierung eines bestimmten Fehlers (LSA_SCG oder LS_SCG, zur Erläuterung dieser Fehler siehe unten), bei dem das Ventil durch einen hohen Strom komplett schließen würde, kann die Pulsweitenmodulationsansteuerung auf das HS-Schaltelement umgelegt werden, damit das Ventil nicht schließt, aber auch nicht durch eine ansonsten präsente Dauerbestromung überhitzen kann.
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Im Pulsweitenmodulationsbetrieb wechselt der Zustand zumindest eines Schaltelements einer entsprechenden HS-LS-Anordnung entsprechend der Pulsweitenmodulationsfrequenz. Daher wird erfindungsgemäß für die Auswertung von Diagnoseinformationen (Rückmeldungen) von HS- und LS-Schaltelementen der Zustand der jeweiligen Schlatelemente (geöffnet/geschlossen) berücksichtigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit der Beobachtung der rückgemeldeten Diagnoseinformationen direkt nur auf das Vorliegen (irgend) eines elektrischen Fehlers geschlossen werden kann. Zur exakten Identifikation des jeweiligen Fehlers muss der jeweils zutreffende Schaltzustand der HS- und LS-Schaltelemente (geschlossen/geöffnet) berücksichtigt werden. Je Schaltkombination und in Abhängigkeit von den Diagnose-Rückmeldungen sind jedoch mehrere Fehlerarten möglich, die Fehlerzuordnung also nicht eindeutig. Die Erfindung schlägt daher vor, beispielsweise mittels eines Zustandsautomaten, zur exakten Identifikation des elektrischen Fehlers, zumindest aber von Fehlergruppen, weitere Schaltkombinationen testweise kurzzeitig anzusteuern. Bei einer exakten Identifikation des Fehlers kann die HS-LS-Schaltelementkombination in einen sicheren Zustand überführt (indem das HS- und das LS-Schaltelement geöffnet wird) und/oder eine kontrollierte Ersatzreaktion eingeleitet werden. Der erkannte elektrische Fehler wird in einen Fehlerspeicher eingetragen.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können bei einer Vielzahl von HS-LS-Endstufenstrukturen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei dem Kohlenwasserstoffinjektor (HCI: Hydrocarbon Injector) EDC17CP18 der Anmelderin. Beliebige andere Endstufenstrukturen mit zusätzlichen elektronischen Komponenten sind ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diagnostizierbar. Insbesondere kann dieses bei Druckregelventilen (PCV: Pressure Control Valve, MEU: Metering Unit) und Stellern (WGV: Waste Gate Valve, VGT: Variable Geometry Turbo, URV: Urea Reverting Valve) verwendet werden.
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Eine entsprechende Diagnoseeinrichtung, z.B. in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt Schaltungen gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt Schaltungen mit Fehlerzuständen gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt ein Zustandsdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Teilfiguren 1a, 1b und 1c der 1 wurden bereits zuvor erläutert.
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Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung werden für Fehler bzw. Fehlerzustände von Schaltungen, wie sie beispielsweise in
2 dargestellt sind, der Übersichtlichkeit halber Kurzbezeichnungen verwendet, die in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst und unter Bezugnahme auf die
2 erläutert sind. Die Begriffe "Aktuator" und "Last" bzw. "Batterie" und "Spannungsquelle" werden dabei synonym verwendet. Eine entsprechende Schaltung ist z.B. nicht auf eine Speisung durch eine Batterie beschränkt, sondern kann auch andere Spannungsquellen verwenden. Tabelle 1
| Kurzbez. | Erläuterung, zugehörige Figur |
| LS_SCG | Massekurzschluss am LS-Eingang des Aktuators ohne Unterbrechung der Aktuatorverbindung (Fig. 2a) |
| HS_SCG | Massekurzschluss am HS-Eingang des Aktuators ohne Unterbrechung der Aktuatorverbindung (Fig. 2b) |
| LS_SCB | Batteriekurzschluss am LS-Eingang des Aktuators ohne Unterbrechung der Aktuatorverbindung (Fig. 2c) |
| HS_SCB | Batteriekurzschluss am HS-Eingang des Aktuators ohne Unterbrechung der Aktuatorverbindung (Fig. 2d) |
| HSA_SCB | Batteriekurzschluss am HS-Eingang des Aktuators bei Unterbrechung am HS-Schaltelement (Fig. 2e) |
| HSS_SCB | Batteriekurzschluss am HS-Schaltelement bei Unterbrechung am HS-Eingang des Aktuators (Fig. 2f) |
| LSA_SCB | Batteriekurzschluss am LS-Eingang des Aktuators bei Unterbrechung am LS-Schaltelement (Fig. 2f) |
| OL | Unterbrechung der Aktuatorverbindung ohne Kurzschluss (Fig. 2g) |
| LSA_SCG | Massekurzschluss am LS-Eingang des Aktuators bei Unterbrechung am LS-Schaltelement (Fig. 2h) |
| LSS_SCG | Massekurzschluss am LS-Schaltelement bei Unterbrechung am LS-Eingang des Aktuators (Fig. 2i) |
| HSA_SCG | Massekurzschluss am HS-Eingang des Aktuators bei Unterbrechung am HS-Schaltelement (Fig. 2i) |
| LSS_SCB | Batteriekurzschluss am LS-Schaltelement bei Unterbrechung am LS-Eingang des Aktuators (Fig. 2j) |
| HSS_SCG | Massekurzschluss am HS-Schaltelement bei Unterbrechung am HS-Eingang des Aktuators (Fig. 2k) |
| SCA | Kurzschluss zwischen HS- und LS-Eingang des Aktuators bzw. HS- und LS-Schaltelement (Fig. 2l) |
| fehlerfrei | Kein Fehler (Fig. 2m) |
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Die in der Tabelle 1 angegebenen möglichen Fehler bzw. Fehlerzustände sind in den 2a bis 2m veranschaulicht. Hierbei ist jeweils eine mit einer Versorgungsspannung VBATT und Masse GND verbundene Schaltanordnung 201 mit HS- und LS-Schaltelementen HS, LS stark schematisch dargestellt. Ein Aktuator A wird von der Schaltanordnung angesteuert. Unerwünschte Stromflüsse F (Fehlerströme) sind in Form fetter Linien hervorgehoben dargestellt.
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Die in 2f dargestellten Fehlerzustände HSS_SCB (links) und LSA_SCB (rechts) können nicht ohne weiteres voneinander unterschieden werden. Dasselbe gilbt für 2i mit LSS_SCG (links) und HSA_SCG (rechts). Im Fall von HSS_SCB und LSA_SCB detektiert jeweils das HS-Schaltelement HS einen Kurzschluss zur Batterie (direkt oder über den Aktuator A), am LS-Schaltelement LS wird eine Unterbrechung diagnostiziert. In beiden Fällen ist keine Beschädigung des Aktuators A zu befürchten, da dieser entweder von der Spannungsquelle VBATT getrennt ist oder mit beiden Eingängen auf der gleichen Spannung VBATT liegt. Im Fall von LSS_SCG und HSA_SCG wird vom LS-Schaltelement (direkt oder über den Aktuator A) ein Massekurzschluss diagnostiziert, das HS-Schaltelement detektiert eine Unterbrechung. Auch hier kann es nicht zu einer schädigenden Dauerbestromung des Aktuators kommen.
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Ein Verfahren gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, das zu einer Diagnose der Fehler wie in den
2a bis
2m dargestellt verwendet werden kann, wird nun am Beispiel eines Systems zur Kohlenwasserstoffeinspritzung (HCl: Hydrocarbon Injection) zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters veranschaulicht. Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Diagnoseinformationen für die HS- und LS-Schaltelemente HS, LS in Abhängigkeit von ihrem Schaltzustand. Ein als HS-Schaltelement HS beispielsweise verwendeter Schalter vom Typ BTS452 gibt nur ein Diagnose-Bit ("Status-Flag", in der Tabelle mit 1 bzw. 0 angegeben) als Rückmeldung aus. Der als LS-Schaltelement LS verwendete Schalter R2S2 liefert ein detailliertes Statuswort inklusive Standard-Diagnosen. Das PWM-Signal wird im Normalbetrieb über das HS-Schaltelement HS generiert. Während des Injektorbetriebs ("Regeneration aktiv" in Tabelle 2) wechselt das HS-Schaltelement – und damit die Diagnose – daher mit einer entsprechenden PWM-Frequenz zwischen den Zuständen "an" und "aus" (geschlossen bzw. offen, in der Tabelle sind die sich ergebenden Schaltkombinationen mit "Aktiv 1" und "Aktiv 2" bezeichnet). Das LS-Schaltelement ist während des Injektorbetriebs kontinuierlich im "An"-Zustand und stellt eine Verbindung mit Masse her. Zur kontinuierlichen Fehlererkennung auch in Zeiträumen, in denen kein Kohlenwasserstoff eingespritzt wird, also außerhalb des Injektorbetriebs ("Regeneration inaktiv"), wird zwischen den Zuständen "Inaktiv 1" und "Inaktiv 2" mit einer Test-PWM-Frequenz gewechselt. Die Diagnoseinformationen springt zwischen diesen beiden Zuständen. Tabelle 2
| | Regeneration inaktiv (T)* | Regeneration aktiv (I) |
| | Inaktiv 1 (D3) | Inaktiv 2 (D1) | Aktiv 1 (D2) | Aktiv 2 |
| Fehler | HS
an | LS
aus | HS
aus | LS
aus | HS
aus | LS
an | HS
an | LS
an |
| LS_SCG | 1 | SCG | 1 | SCG | 1 | - | 1 | - |
| HS_SCG | 0 | SCG/OL | 1 | SCG | 1 | - | 0 | - |
| LS_SCB | 1 | - | 0 | - | 0 | SCB | 1 | SCB |
| HS_SCB | 1 | - | 0 | - | 0 | - | 1 | - |
| HSA_SCB | 1 | - | 0 | - | 0 | - | 1 | - |
| HSS_SCB
LSA_SCB | 1 | OL | 0 | OL | 0 | - | 1 | - |
| OL | 1 | OL | 0 | OL | 0 | - | 1 | - |
| LSA_SCG | 1 | OL | 1 | OL | 1 | - | 1 | - |
| LSS_SCG
HSA_SCG | 1 | SCG | 0 | SCG | 0 | | 1 | - |
| LSS_SCB | 1 | - | 0 | - | 0 | SCB | 1 | SCB |
| HSS_SCG | 0 | OL | 1 | OL | 1 | - | 0 | - |
| SCA | 1 | - | 0 | - | 1 | - | 0
0
1 | -
SCB
SCB 1) |
| HS_OT | 0 | -/OL | 1 | -/OL | 1 | - | 0 ≤ x ≤ 1 2) | |
| LS_OTW | 1 | - | 1 | - | 1 | OTW | 1 | OTW |
| LS_OTSD | 1 | OTSD | 0 | OTSD | 0 | OTSD | 1 | OTSD |
| fehlerfrei | 1 | - | 0 | - | 1 | - | 1 | - |
* Angaben in Klammern betreffen die in
3 dargestellten Zustände
1) Im Fehlerfall SCA kann entweder zuerst das HS- oder das LS-Schaltelement oder können beide gleichzeitig einen Kurzschluss erkennen.
2) Im Fehlerfall HS_OT kann das das Status-Flag aufgrund thermischer Zyklen (Erwärmung/Abkühlung) zwischen 1 und 0 springen.
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In der Tabelle sind zusätzlich zu den erläuterten Fehlerzuständen Temperaturabweichungsfehler angegeben. Hierbei bezeichnet OTW eine Übertemperatur-(Vor-)Warnung, die jedoch noch keine Abschaltung zur Folge hat und OTSD einen Fehlerzustand, bei dem das LS-Schaltelement aufgrund Übertemperatur selbständig eine Abschaltung vorgenommen hat. Der Fehler HS_OT beschreibt einen Übertemperaturzustand ohne statisches Verhalten des Highside-Schaltelements, z.B. ein eigenständiges Ein-/Ausschalten zur Temperaturbegrenzung, das bei entsprechenden Elementen üblicherweise implementiert ist. Die genannten Fehler können durch das erfindungsgmäße Verfahren ebenfalls detektiert werden.
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Wie aus der Tabelle ersichtlich, kann bei Betrieb der Schaltelemente in lediglich einem Schaltzustand keine ausreichende Diagnose erfolgen. So lassen sich beispielsweise die Fehler LS_SCG und HS_SCG in den Zuständen Inaktiv 2 (D1) und Aktiv 1 (D2) nicht unterscheiden, da in beiden Fällen jeweils das HS-Schaltelement und das LS-Schaltelement identische Diagnosemeldungen liefern (Inaktiv 2: HS = 1, LS = SCG; Aktiv 1: HS = 1, LS = keine Fehlermeldung). Die Fehler führen jedoch in den Zuständen Inaktiv 1 (D3) und Aktiv 2 bezüglich des HS-Schaltelements zu unterschiedlichen Diagnosen.
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Eine ausschließliche Diagnose in den Zuständen Inaktiv 1 (D3) und Aktiv 2 reicht jedoch ihrerseits ebenfalls nicht aus, um einen Fehler LS_SCG eindeutig zu identifizieren. Denn die Diagnosen sind beim Fehler LS_SCG und dem Fehler LSS_SCG bzw. HSA_SCG im Zustand Inaktiv 1 (D3) identisch (HS = 1, LS = SCG). Im Zustand Aktiv 2 liefern die Fehler HS_SCB, HSA_SCB, HSS_SCB bzw. LSA_SCB, OL, LSA_SCG, LSS_SCG bzw. HSA_SCG, HSS_SCG, ebenso wie der zu ermittelnde Fehler LS_SCG und ein fehlerfreier Zustand jeweils identische und nicht unterscheidbare Diagnosewerte, so dass weitere Kriterien zur Fehleridentifikation herangezogen werden müssen.
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Bei weiterer Betrachtung kann auf Grundlage der vorstehenden Tabelle festgestellt werden, dass für eine eindeutige Diagnose des Fehlers LS_SCG eine Ermittlung von Einzelfehlermeldungen zumindest in den Zuständen Inaktiv 1 (D3) und Inaktiv 2 (D1) oder in den Zuständen Inaktiv 1 (D3) und Aktiv 1 (D2) oder in den Zuständen Inaktiv 2 (D2) und Aktiv 2 oder eine Vorab-Elimination anderweitig identifizierbarer Fehler erforderlich ist. In entsprechender Weise gelten diese Grundsätze für eine Vielzahl weiterer in der Tabelle angegebenen Fehlerzustände.
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Für die Identifizierung der Fehlerzustände aus den Einzelfehlern kann bevorzugt ein Zustandsautomat verwendet werden, wie in der nachfolgenden 3 veranschaulicht. Insgesamt können damit als Fehlerzustände zumindest die Fehlergruppen LS_OTW/LS_OTSD, OL/HSS_SCB/LSA_SCB, LSS_SCG/HSA_SCG, LS_SCB/LSS_SCB, HS_SCB/HSA_SCB, HS_OT/HSS_SCG und die Einzelfehler SCA, LS_SCG, HS_SCG, und LSA_SCG eindeutig identifiziert werden.
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In 3 ist die Funktionsweise eines Zustandsautomaten gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Zustandsdiagramms dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet.
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Die Darstellung erfolgt dabei gemäß üblicher UML-Notation: Die Pfeile geben jeweils Transitionen (Übergänge) zwischen Quell- und Zielknoten an. Den jeweiligen Transitionen können Verhaltensspezifikationen (Effekte) zugeordnet sein, die das Verhalten beschreiben, das ausgeführt wird, wenn die Transition durchlaufen wird. Beispielsweise können hierbei Triggersignale mit einer Dauer von 100 ms verwendet werden, die Erfindung ist jedoch nicht auf Signale bestimmter Art und/oder Dauer beschränkt. Die Transitionen sind in der Regel durch sogenannte Wächterausdrücke (Guards) geschützt, wobei die Transition nur durchlaufen werden kann, wenn der Wächterausdruck, also eine entsprechende Bedingung, wahr ist. Effekte und Wächterausdrücke sind in der 3 nicht angegeben.
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Der Zustandsautomat wird der Übersichtlichkeit halber nur in Grundzügen erläutert, da der Fachmann die spezifische Ausgestaltung dem Zustandsdiagramm 300 entnimmt.
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Der Knoten T (Testbetrieb) bezeichnet einen Schaltzustand, der dem Zustand "Regeneration inaktiv" der Tabelle 2 entspricht, also einem Zustand außerhalb eines Injektorbetriebs, in dem das LS-Schaltelement stationär abgeschaltet (offen) ist. Zur kontinuierlichen Fehlererkennung auch in diesem Zeitraum wird, wie erläutert, durch Takten des LS-Schaltelements zwischen den Zuständen "Inaktiv 1" und "Inaktiv 2" mit einer Test-PWM-Frequenz gewechselt.
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Der Knoten I (Injektion) entspricht dem Zustand "Regeneration aktiv" der Tabelle 2, in dem, wie erläutert, das HS-Schaltelement bei geschlossenem LS-Schaltelement mit einer PWM-Frequenz zwischen den Zuständen "An" und "Aus" wechselt.
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Ein Zustandswechsel zwischen T und I oder umgekehrt kann dann erfolgen, wenn eine entsprechende Bedingung erfüllt ist, d.h. ein entsprechender Wechsel zwischen Injektor- und Testbetrieb, z.B. von einer übergeordneten Instanz, angefordert wurde. So lange kein Fehler detektiert wird, verbleibt der Zustandsautomat über die Loopback-Übergänge t bzw. i in den Zuständen T und I oder wechselt allenfalls zwischen diesen.
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In Abhängigkeit von einer entsprechenden Fehlerdiagnose eines LS-Schaltelements, wie im Zusammenhang mit der obigen Tabelle erläutert (Fehlerwerte LS_OT = 1 oder LS_OTSD = 1), kann der Zustand von T oder I unmittelbar in den (Fehler-)Zustand LS_OTW/LS_OTSD übergehen. Wie bereits zur obigen Tabelle erläutert, kann ein derartiger Fehlerzustand aus jedem Betriebszustand und mit jeder Schaltkombination der HS- und LS-Schaltelemente eindeutig bestimmt werden.
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Hat der Zustandsautomat einen Zustand erreicht, in dem ein entsprechender Fehlerzustand mit ausreichender Eindeutigkeit identifiziert ist, können entsprechende Maßnahmen, wie unten erläutert, getroffen werden. Der Zustandsautomat geht dabei entweder in den Zustand S (Shutoff) oder R (Repeat Test) über, wie durch die gestrichelten Pfeile in 3 veranschaulicht. Ein entsprechender Übergang kann ausgehend von allen nachfolgend erläuterten eindeutig identifizierten Fehlerzuständen erfolgen und ist der Übersichtlichkeit halber nicht jeweils ausdrücklich angegeben oder dargestellt.
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Ein weiterer, nicht näher erläuterter Unterspannungsfehler kann unmittelbar durch Erfüllung einer entsprechenden Bedingung durch einen entsprechenden Zustandsübergang von I nach X detektiert werden. Weitere Übergänge sind möglich und mit einem Zustand Y angegeben.
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Alle weiteren Fehler der obigen Tabelle sind nicht eindeutig aus dem Zustand I oder T heraus detektierbar, so dass weitere (Zwischen-)Schritte bis zu einer eindeutigen Identifizierung erforderlich sind. Bei Vorliegen eines Fehlers im Zustand T geht der Zustand dabei von T zunächst in den Zustand D1 (Diagnosezustand 1) über. Bei Vorliegen eines Fehlers in im Zustand I geht entsprechend der Zustand von I entweder in den Zustand D1 oder in den Zustand D4 (Diagnosezustand 4) über. Sind weitere Bedingungen erfüllt, werden von D1 aus die Zustände D2 oder D3 erreicht. Sind im Zustand D4 weitere Bedingungen erfüllt, kann der Zustand D1 erreicht werden. In allen vier Zuständen D1, D2, D3 und D4 können Fehler eindeutig identifiziert werden.
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In den Zuständen D1, D2 und D3 werden jeweils Diagnosefunktionen bei unterschiedlichen Kombinationen von Schaltzuständen (also Schaltkombinationen) der HS- und LS-Schaltelemente durchgeführt. Im Zustand D1 wird eine Diagnose im Zustand "Inaktiv 2" der obigen Tabelle durchgeführt – das HS- und das LS-Schaltelement sind geöffnet. Im Zustand D2 wird eine Diagnose im Zustand "Aktiv 1" der Tabelle durchgeführt – das HS-Schaltelement ist offen, das LS-Schaltelement hingegen geschlossen. Die Diagnose im Zustand D3 erfolgt in einer umgekehrten Schaltkombination – das LS-Schaltelement ist offen, das HS-Schaltelement geschlossen ("Inaktiv 1"). Die Diagnose im Zustand D4 erfolgt, wie im regulären Injektorbetrieb I, bei einer getakteten Ansteuerung des HS-Schaltelements (Aktuatorbetrieb), wobei ein Wechsel zwischen den zuvor erläuterten Zuständen "Aktiv 1" und "Aktiv 2" erfolgt. Das LS-Schaltelement ist bei der Diagnose im Zustand D4 geschlossen. Der Unterschied zum Zustand D2 liegt also in der getakteten Ansteuerung des HS-Schaltelements, das im Unterschied dazu im Zustand D2 (dauerhaft) offen ist.
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Im Zustand D1 können durch entsprechende Zustandsübergänge als Fehlerzustände die Fehlergruppen OL/HSS_SCB/LSA_SCB einerseits und LSS_SCG/HSA_SCG andererseits unterschieden und damit hinreichend eindeutig identifiziert werden. Die Fehlergruppe OL/HSS_SCB/LSA_SCB erfüllt die Bedingung, dass das LS-Schaltelement unter den genannten Diagnosebedingungen (das HS- und das LS-Schaltelement sind geöffnet) den Fehler "OL" meldet und das Diagnose-Bit des HS-Schaltelements den Wert 0 aufweist. Die Fehlergruppe LSS_SCG/HSA_SCG erfüllt die Bedingung, dass das LS-Schaltelement unter den Diagnosebedingungen den Fehler "SCG" meldet und das Diagnose-Bit des HS-Schaltelements ebenfalls den Wert 0 aufweist. Eine weitere Differenzierung innerhalb der Fehlergruppen ist nicht vorgesehen.
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Der Übergang von Zustand D1 nach D2 erfolgt dann, wenn unter den genannten Diagnosebedingungen (das HS- und das LS-Schaltelement sind geöffnet) das LS-Schaltelement keinen Fehler meldet und gleichzeitig das Diagnose-Bit des HS-Schaltelements den Wert 0 aufweist.
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Aufgrund dieser Auswahl – also einer Vorelimination möglicher Fehler – kommen im Zustand D2 bei den hier vorliegenden Detektionsbedingungen (das HS-Schaltelement ist offen, das LS-Schaltelement hingegen geschlossen, Zustand "Aktiv 1" der obigen Tabelle) damit noch die Fehler LS_SCB, HS_SCB, HSA_SCB und LSS_SCB in Betracht. Aus diesen lassen sich LS_SCB und LSS_SCB einerseits sowie HS_SCB und HSA_SCB andererseits nicht unterscheiden, da hier jeweils identische HS- und LS-Diagnosen vorliegen. Somit lassen sich im Zustand D2 als Fehlerzustände die Fehlergruppen LS_SCB/LSS_SCB einerseits und HS_SCB/HSA_SCB andererseits unterscheiden und (hinreichend) identifizieren. Eine weitere Differenzierung innerhalb der Fehlergruppen ist auch hier nicht vorgesehen.
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Der Übergang von Zustand D1 nach D3 erfolgt, wenn unter den genannten Diagnosebedingungen im Zustand D1 (das HS- und das LS-Schaltelement sind geöffnet) das LS-Schaltelement den Fehler "SCG" oder "OL" meldet und gleichzeitig das Diagnose-Bit des HS-Schaltelements den Wert 1 aufweist.
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Es kommen damit im Zustand D3 bei den hier vorliegenden Detektionsbedingungen (das HS-Schaltelement ist geschlossen, das LS-Schaltelement offen, Zustand "Inaktiv 1" der obigen Tabelle) noch die möglichen Fehler LS_SCG, HS_SCG, LSA_SCG, HS_OT, HSS_SCG in Betracht. Von diesen lassen sich LS_SCG, HS_SCG, und LSA_SCG eindeutig bestimmten Kombinationen von HS-/LS-Diagnosemeldungen zuordnen (LS_SCG: HS = 1, LS = SCG; HS_SCG: HS = 0, LS = SCG/OL; LSA_SCG: HS = 1, LS = OL). Die Fehler HS_OT und HSS_SCG lassen sich nicht unterscheiden und werden daher als Fehlerzustände in Form einer Fehlergruppe bestimmt.
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Im Zustand D4 kann durch einen entsprechenden Zustandsübergang als Fehlerzustand der Fehler SCA hinreichend eindeutig identifiziert werden. Der Übergang von Zustand D4 nach D1 erfolgt dann, wenn unter den genannten Diagnosebedingungen das LS-Schaltelement keinen SCB Fehler meldet und gleichzeitig das Diagnose-Bit des HS-Schaltelements mit der PWM-Frequenz des Injektorbetriebs wechselt.
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Trifft keine der genannten Bedingungen zu, wird ein unbekannter Fehler "?" bestimmt. Bei einer entsprechenden Fehlerdiagnose kann vorgesehen sein, den Zustandsautomaten erneut zu durchlaufen, wozu ein Wechsel in den Zustand R erfolgt. Der Wechsel in den Zustand R kann abhängig von einem Zykluszähler erfolgen, der die maximale Anzahl an Durchläufen angibt. Ist diese überschritten, wird stattdessen der Zustand S erreicht und ein entsprechendes System beispielsweise heruntergefahren.
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Das erläuterte exakte Diagnoseverfahren kann auch für andere angesteuerte Aktuatoren in entsprechenden Einheiten verwendet und z.B. in einem EDC17CP18-Steuergerät implementiert sein. Hierbei können auch Systeme entsprechend diagnostiziert werden, bei denen im Gegensatz zu dem zuvor erläuterten System das LS-Schaltelement durch Pulsweitmodulation angesteuert wird, das HS-Schaltelement jedoch analog diagnostiziert wird. Das Diagnoseprinzip und das Fehleridentifikationsverfahren bleibt jedoch dasselbe. Die nachfolgende Tabelle 3 veranschaulicht entsprechende Zustandsmeldungen, wie sie beispielsweise in einem Hochdruck-Steuerventil oder in einer Zumesseinheit erhalten werden. Tabelle 3
| | Aktuator Aus | Aktuator PWM |
| | Inaktiv 1 | Inaktiv 2 | Aktiv 1 | Aktiv 2 |
| Fehler | HS
aus | LS
an | HS
aus | LS
aus | HS
an | LS
aus | HS
an | LS
an |
| LS_SoftSCG
HS_SoftSCG | - | - | OL/- | SCG | - | - | - | - |
| LS_SCG | - | - | -/OL | SCG | - | SCG | - | - |
| HS_SCG | - | - | - | SCG | SCG | SCG/OL | SCG | - |
| LS_SCB | SCB | SCB | SCB | - | - | - | - | SCB |
| HS_SCB | SCB | - | SCB | - | - | - | - | - |
| HSA_SCB | OL/- | - | SCB | - | - | - | - | - |
| HSS_SCB
LSA_SCB | SCB | - | SCB | OL | - | OL | - | - |
| OL | OL/- | - | OL | OL | - | OL | - | - |
| LSA_SCG | - | - | - | SCG | - | OL | - | - |
| LSS_SCG
HSA_SCG | OL/- | - | OL/- | SCG | - | SCG | - | - |
| LSS_SCB | SCB | SCB | SCB | - | - | - | - | SCB |
| HSS_SCG | - | - | - | SCG | SCG- | OL | SCG | - |
| SCA | - | - | OL | OL | - | - | - | SCB |
| HS_OT | - | - | OL | OL | SCG/- | OL | SCG | - |
| LS_OTW | - | OTW | OL | OTW | - | OTW | - | OTW |
| LS_OTSD | OL | OTW | OL | OTW | - | OTW | - | OTW |
| fehlerfrei | - | - | OL | OL | - | - | - | - |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005025871 A1 [0010]
- EP 1287369 B1 [0010]
- DE 10107367 A1 [0013]
