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Stand der Technik
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An Getrieben, insbesondere zum Einbau an Kraftfahrzeugen kommen heute elektronische Steuergeräte zum Einsatz. Diese elektronischen Steuergeräte können zum einen als separates Steuergerät mittels eines Stahlgehäuses ausgebildet sein, oder ein Gehäuse aufweisen, welches aus einer Moldmasse gefertigt ist. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das Steuergerät in ein Steuermodul für ein Getriebe voll zu integrieren, so dass es eines separaten Steuergerätes nicht mehr bedarf.
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DE 44 16 403 A1 bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für eine Leiterplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung ist für eine Leiterplatte vorgesehen, bei der mindestens auf einer Seite gedruckte Leiterbahnen ausgebildet sind und auf der eine Vielzahl elektronischer Festkörperbauelemente aufgebracht sind. Diese sind durch Lötverbindungen mit der Leiterplatte verbunden, um eine elektrische Schaltungsbaugruppe zu bilden. Die Kühlvorrichtung umfasst eine aus thermisch leitenden und vorzugsweise elektrisch isolierendem Kunststoff gefertigte Beschichtung. Auf eine oder beide Oberflächen einer Leiterplatte ist diese Beschichtung aus thermisch leitendem und vorzugsweise elektrisch isolierendem Kunststoff zumindest partiell aufgebracht.
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EP 1 728 277 B1 bezieht sich auf ein Gehäuse für eine elektronische Schaltung sowie ein Verfahren zur Abdichtung des Gehäuses. Das Gehäuse für die elektronische Schaltung, insbesondere geeignet für ein Steuergerät, umfasst die Schaltung, die eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweist. Diese sind über individuelle elektronische Leiter aus dem Gehäuse herausgeführt, wobei das Gehäuse eine Bodenplatte und einen Deckel sowie mindestens eine Dichtung zwischen der Bodenplatte und dem Deckel umfasst. Die Dichtung ist einteilig ausgebildet und dient der Abdichtung eines Zwischenraumes zwischen der Bodenplatte und dem Deckel, durch welchen die freiliegenden elektrischen Leiter geführt sind. Die freiliegenden Leiter sind in einem Rahmen geführt und fest zueinander positioniert. Der Rahmen ist zwischen der Bodenplatte und dem Deckel angeordnet und durch seine Ausgestaltung hinsichtlich der Positionen und/oder der Abstände von Bodenplatte und Deckel sowie den freiliegenden Leitern relativ zueinander bei geschlossenem Gehäuse definiert.
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Bei separat gefertigten Gehäusen treten in der Regel eine Fülle von anderen Anforderungen auf, die im Rahmen komplexer Zusatzprozesse hinsichtlich Fertigung und Verpackung zu lösen sind. Separate Gehäuse umfassen in der Regel größere Bauformen, die aus Gründen der Verdrahtung und der Unterbringung des Gehäuses vonnöten sind. Bei voll integrierten Lösungen, d.h. eines komplett in das Steuermodul eines Getriebes integrierten Steuergeräten, finden ausfallkritische Wertschöpfungsprozesse am Ende der Fertigung statt. Ein ausfallkritischer Wertschöpfungsprozess ist beispielsweise die Herstellung von Bondverbindungen zu zählen.
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Heutige in Kraftfahrzeugen eingesetzte Bordnetze umfassen in der Regel eine 12 V Batterie mit einer Nenn-Ladespannung von etwa 14,3 V. Derartige Fahrzeugbordnetze haben mit zeitweisen Versorgungsunterbrechungen zum Beispiel beim Fahrzeugstart bzw. beim Einschalten großer Verbraucher zu leben. Währen dieser Zeitspannen werden andere Steuergeräte nicht versorgt oder nicht ausreichend versorgt und schalten sich je nach Konfiguration entweder vollständig ab oder deaktivieren Endstufen.
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Falls sich das Steuergerät vollständig abschaltet, ist nach Ablauf der oben genannten Zeitspannen erst wieder ein vollständiger Einschaltzyklus erforderlich. Dieser Einschaltzyklus kann je nach Applikation bis zu 100 ms dauern, wobei in der Software im RAM gespeicherte Informationen verlorengehen können. Für einzelne, zum Beispiel an Fahrzeugbetrieben auftretende Getriebelasten, wie zum Beispiel Kupplungen, kann eine Versorgungsunterbrechung zu einem nicht 100 % definierten Verhalten führen, was aus Sicherheitsgründen nicht akzeptiert werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einem Steuergerät, welches beispielsweise bei Kraftfahrzeugen an einem Fahrzeuggetriebe eingesetzt werden kann, die interne Spannungsversorgung um mindestens einen aufladbaren und entladbaren Energiespeicher zu ergänzen. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, können das Steuergerät und/oder ausgewählte Lasten auch während Versorgungsunterbrechungen über den mindestens einen Energiespeicher versorgt werden, so dass im Falle eines sich bei Versorgungsunterbrechungen selbst abschaltenden Steuergerätes ein vollständiger Einschaltzyklus durchlaufen werden kann und nicht die Gefahr besteht, dass in der Software des RAM gespeicherte Informationen verloren gehen und insbesondere sichergestellt ist, dass Getriebelasten, wie beispielsweise Kupplungen für die Dauer der Versorgungsunterbrechung ein nicht 100 % definiertes Verhalten ausführen.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes derart erweitert, dass mindestens ein einzelner zentraler Energiespeicher, der vorzugsweise als Kondensator ausgebildet ist, ausreichend Energie speichert, um kurzzeitige Spannungseinbrüche auf der Bordnetzseite zu überbrücken. Die Größe des mindestens eines zentralen Energiespeichers wird derart gewählt, dass die zu überbrückende Energiemenge als Spannung gespeichert wird, gemäß der Beziehung E = 1/2·C·U2. Vorzugsweise liegt die Nominal-Ladespannung des mindestens einen zentralen Energiespeichers in der Größenordnung der maximalen Bordnetzspannung. Der mindestens eine zentrale Energiespeicher wird als Kondensator mit einer erhöhten Spannungsfestigkeit ausgebildet, da die Nominalspannung oberhalb bzw. an der oberen Grenze des Bordnetzspannungsbereiches von 6 bis 18 V bzw. bei Fremdstart bei 26 V liegt.
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Die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes umfasst erfindungsgemäß eine Ladeschaltung sowie eine Entladeschaltung. Die Ladeschaltung lässt sich während des normalen Betriebes des Steuergerätes, d.h. nicht für den Fall, dass eine Versorgungsspannungsunterbrechung aufgetreten ist, aus einer oder mehreren Quellen speisen. Dazu sind beispielsweise Freiläufe von induktiven Lasten zu zählen, ferner kann das Bordnetz als Ladungspumpe dienen oder elektronische Schalter umfassen. Bei der Ladeschaltung, die dem mindestens einen zentralen Energiespeicher zugeordnet ist, ist sicherzustellen, dass die Energie nicht ins Bordnetz zurückfließen kann, sondern im Steuergerät, bevorzugt in dem mindestens einen zentralen Energiespeicher zum Überbrücken von Versorgungsunterbrechungen gespeichert wird. Dazu umfasst die Ladeschaltung beispielsweise Sperrdioden, die die Spannung bei normaler Spannungsversorgung in eine Richtung transportieren, nämlich in Richtung auf den mindestens einen zentralen Energiespeicher und den Transport von Spannung zurück ins Bordnetz wirksam unterbinden. Mit dem mindestens einen zentralen Energiespeicher kann die Spannung vor dem Steuergerät internen Zwischenkreis abgepuffert werden und es wird sichergestellt, dass in dem mindestens einen bevorzugt als Kondensator ausgebildeten zentralen Energiespeicher stets ausreichend Energie gespeichert ist, um plötzlich auftretende Versorgungsspannungsunterbrechungen zu überbrücken.
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Die Ladeschaltung wird über Freiläufe von induktiven Lasten gespeist und umfasst beispielsweise Sperrdioden, die den Strom lediglich in eine Richtung passieren lassen. Anstelle von Dioden können auch geschaltete Endstufen innerhalb der Ladeschaltung realisiert werden.
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Die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes umfasst darüber hinaus auch eine Entladeschaltung über welche Lasten direkt angesteuert werden können, sobald der mindestens eine zentrale Energiespeicher bei Auftreten einer Spannungsversorgungsunterbrechung in Aktion tritt. Des Weiteren kann neben einer Direktansteuerung von Lasten die Entladeschaltung derart konfiguriert werden, dass die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes beispielsweise über einen Schaltregler unmittelbar versorgt wird. Der Schaltregler wird vorzugsweise als Abwärts-/Aufwärtswandler (Buck/Boost Regler) ausgelegt, um die gesamte Energie, die in dem mindestens einen zentralen Energiespeicher vorhanden ist, ausnutzen zu können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 Komponenten eines Steuergerätes zur Ansteuerung von Aktuatoren welches mit einem Bordnetz verbunden ist,
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2 die Anordnung eines zentralen Energiespeichers im Rahmen der internen Spannungsversorgung des Steuergerätes,
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3 eine Ladeschaltung zum Laden des zentralen Energiespeichers und
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4 Konfigurationsmöglichkeiten einer Entladeschaltung zum Entladen des zentralen Energiespeichers.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Steuergerät zu entnehmen, welches mit einem Bordnetz eines Fahrzeugs verbunden ist.
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1 zeigt in schematischer Weise ein Bordnetz 10 eines Fahrzeugs. Im Bordnetz 10 des Fahrzeugs herrscht typischerweise eine Spannung von 12 V, oder auch 24 V. Das Bordnetz 10 umfasst eine Fahrzeugbatterie 12, welche beispielsweise eine Nenn-Ladespannung von 14,3 V aufweist. Der Bordnetzspannungsbereich liegt im Allgemeinen zwischen 6 und 18 V, kann aber auch im Falle eines Jump-Starts bis auf 26 V steigen.
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1 zeigt, dass ein Steuergerät 14 eine interne Spannungsversorgung 16 umfasst. Der internen Spannungsversorgung 16 ist ein Kondensator 22 zugeordnet. Das Steuergerät 14 umfasst einen ersten Schalter 18 sowie einen zweiten Schalter 20, über die Aktuatoren 24, 26 betätigt werden, mit welchen beispielsweise Kupplungen eines Getriebes oder dergleichen betätigt werden.
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Der Darstellung gemäß 2 ist in schematischer Weise die interne Spannungsversorgung des Steuergerätes gemäß 1 zu entnehmen, die eine Lade- und eine Entladeschaltung umfasst.
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Wie 2 zeigt, umfasst die interne Spannungsversorgung 16 eine Ladeschaltung 28 sowie eine Entladeschaltung 30. Über die Ladeschaltung 28 wird mindestens mit der internen Spannungsversorgung 16 verbundener oder in diese integrierter Energiespeicher 36 mit einem Ladestrom 32 geladen oder bei Auftreten einer Versorgungsspannungsunterbrechung über die Entladeschaltung 30 durch einen Entladestrom 34 entladen. Bei dem mindestens einen der internen Spannungsversorgung 16 zugeordneten zentralen Energiespeicher 36 handelt es sich bevorzugt um einen Kondensator mit einer erhöhten Spannungsfestigkeit, da die Nominalspannung im Bordnetz 10 eines Fahrzeugs oberhalb bzw. nahe der oberen Grenze des Bordnetzspannungsbetriebes zwischen 6 und 18 V bzw. 26 V bei einem Fremdstart betrieben wird. Mit dem mindestens einen der internen Spannungsversorgung 16 zugeordneten zentralen Energiespeicher 36, bei dem es sich vorzugsweise um einen Kondensator mit einer erhöhten Spannungsfestigkeit handelt, kann ausreichend Energie gespeichert werden, um kurzzeitige Spannungseinbrüche auf der Seite des Bordnetzes 10 zu überbrücken. Die Größe des mindestens einen zentralen Energiespeichers 36 wird derart gewählt, dass die zu überbrückende Energiemenge in Form einer Spannung gespeichert werden kann. Die Energiemenge ergibt sich aus E = 1/2·C·U2, mit
- E
- = Elektrische Energie [Ws],
- C
- = Elektrische Kapazität [F]
- U
- = Spannung [V].
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Vorzugsweise liegt die Nominal-Ladespannung des mindestens einen zentralen Energiespeichers in der Größenordnung der maximalen Bordnetzspannung, so zum Beispiel bei 14,3 V.
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Aus der Darstellung gemäß 3 geht eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung hervor.
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Eine Ladeschaltung 28, welche Teil einer internen Spannungsversorgung 16 des Steuergerätes 14 ist, oder dem mindestens einen zentralen Energiespeicher 36 separat vorgeschaltet ist, kann aus einer oder mehreren Quellen gespeist werden. Die Ladeschaltung 28 kann beispielsweise über Freiläufe 48 induktiver Lasten oder über das Bordnetz 10, welches als Ladungspumpe eingesetzt werden kann, den Ladestrom 32 in den mindestens einen zentralen Energiespeicher 36 leiten. Dabei ist zu beachten, dass sichergestellt ist, die Energie nicht zurück ins Bordnetz 10 des Fahrzeugs fließt, sondern dauerhaft im Steuergerät 14, insbesondere in dem mindestens einen zentralen Energiespeicher 36 gespeichert wird. Wie aus der Darstellung gemäß 3 hervorgeht, fließt ein Strom 1, vergleiche Position 44, über eine erste Freilaufdiode 40, während ein aus getakteten Ladungspumpen 50 herrührender Strom 2, vergleiche Position 46, über eine zweite Freilaufdiode 42 fließt. Wie aus der Darstellung gemäß 3 hervorgeht, handelt es sich bei den Freilaufdioden 40 bzw. 42 um Sperrdioden, die verhindern, dass die Ladeströme, d.h. Strom 1 und Strom 2 in das Bordnetz zurückfließen, sondern als Ladestrom 32 zur Ladung des mindestens einen Energiespeichers 36 mit einer Ladespannung 38 zur Verfügung stehen. Im normalen Betrieb des Fahrzeugs, d.h. in normalen Betriebszuständen des Bordnetzes 10 des Fahrzeugs, in denen keine Versorgungsspannungsunterbrechungen auftreten, wird der mindestens eine zentrale Energiespeicher 36 kontinuierlich durch eben jene Freiläufe 48 von induktiven Lasten bzw. über Ansteuerung elektronischer Schalter aus dem Bordnetz 10 aufgeladen, so dass im Bedarfsfalle eine ausreichende Energiemenge in Form einer Spannung 38 in dem mindestens einen zentralen Energiespeicher 36 bevorratet ist. Über die Entladeschaltung 30, die in den mindestens einen zentralen Energiespeicher zwischengespeicherte Energie in Form einer Spannung 38 bei Versorgungsspannungsunterbrechungen im Bedarfsfall wieder abgegeben werden.
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Der Darstellung gemäß 4 sind in schematischer Weise Konfigurationsmöglichkeiten einer Entladeschaltung für den mindestens einen zentralen Energiespeicher zu entnehmen.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass bei einer Versorgungsspannungsunterbrechung eine Entladung des mindestens einen zentralen Energiespeichers 36 über die Entladeschaltung 30 erfolgt. Es besteht die Möglichkeit, den Entladestrom 34, wie im oberen Teil der 4 angedeutet, im Wege einer Direktansteuerung 52 unmittelbar an Induktivitäten 54 zu leiten. Damit ist sichergestellt, dass einzelne sicherheitsrelevante Lasten direkt von dem mindestens einen zentralen Energiespeicher 36 mit dem Entladestrom 34 versorgt werden, ohne den Umweg um die Steuergeräte intern vorgesehene interne Spannungsversorgung 16 zu nehmen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, neben der Direktansteuerung 52 einzelner sicherheitsrelevanter Lasten 54 die interne Spannungsversorgung 16 des Steuergerätes, vergleiche Position 58 in 4, zu speisen. In diesem Zusammenhang ist für die interne Spannungsversorgung 16 des Steuergerätes 14 ein Schaltregler 56 geeignet, der vorzugsweise in einer Buck-Boost-Konfiguration (Abwärts-/Aufwärtswandler) ausgelegt ist. Mit diesem kann ein Maximum an Energie aus dem mindestens einen zentralen Energiespeicher 36 gewonnen werden.
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Es besteht somit die Möglichkeit, bestimme Schaltungsteile direkt aus dem zentralen Energiespeicher 36 zu versorgen. Dazu stehen grundsätzlich drei Möglichkeiten zur Verfügung: Zum Einen besteht die Möglichkeit, den Strom über Linearregler zu begrenzen, andererseits über den Schaltregler 56 die Spannung zu wandeln sowie die Induktivitäten 54 direkt anzusteuern.
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Der mindestens eine zentrale Energiespeicher 36 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass dieser in der Lage ist, eine Spannungsversorgungsunterbrechung des Steuergerätes 14 zu überbrücken. Die Überbrückungszeitdauer, während derer die Entladung des mindestens einen zentralen Energiespeichers 36 erfolgt, ist so bemessen, dass diese einer maximalen Dauer des ungünstigsten Einschaltzyklus entspricht, d.h. die Dauer dieses längsten Einschaltzyklus‘ der Dauer entspricht, während der mindestens eine zentrale Energiespeicher 36 entweder die interne Spannungsversorgung 16 des Steuergerätes 14 sicherstellt oder im Wege einer Direktansteuerung 52 die einzelnen Sicherheitsrelevanten Lasten 54 unmittelbar ansteuert. Bei diesen Lasten kann es sich beispielsweise um die Aktuatoren, vergleiche Darstellung in 1, dort Positionen 24 und 26 handeln, mit denen bei einem Fahrzeuggetriebe elektrisch betriebene Kupplungen angesteuert werden, um zu jeder Zeit unter jeden denkbaren Betriebsbedingungen 100%ige definierte Zustände an diesen zu den sicherheitsrelevanten Lasten zählenden Komponenten zu gewährleisten.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Optimierung der internen Spannungsversorgung 16 des Steuergerätes 14 kann auch an solchen Steuergeräten 14 implementiert werden, die nicht unmittelbar mit Getriebeapplikationen oder allgemein gesprochen mit Kfz-Applikationen in Berührung geraten. Abhängig von der Dimensionierung des mindestens einen zentralen Energiespeichers 36 bzw. dem Vorhalten einer entsprechenden Anzahl kann auf die jeweilig zu überbrückenden Spannungsversorgungsunterbrechungsdauern individuell und anwendungsspezifisch reagiert werden.
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Anstelle der in 1 dargestellten beiden Aktuatoren 24, 26, mit denen beispielsweise durch das Steuergerät 14 Aktuatoren von Kupplung eines Fahrzeuggetriebes angesteuert werden, können anstelle der dort dargestellten beiden Aktuatoren 24 und 26 eine beliebig große Anzahl von Aktuatoren bis zu n-Aktuatoren angesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4416403 A1 [0002]
- EP 1728277 B1 [0003]
