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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Die
US 2014/0121898 A1 offenbart Fahrzeugnetzwerk mit einem Hinweis auf Versorgung via PoE und alternative Versorgung von Kommunikationsmodulen des gleichen Geräts, so dass diese bei Ausfall des PoE weiterhin arbeiten können. Die Schrift beschreibt verschiedene Power-Stati abhängig von Batterieleistung des Fahrzeugs. Der Fokus liegt auf Power-Management im Normalbetrieb.
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Die
US 2009/0217088 A1 beschreibt Stromversorgung durch lokale Stromquelle und PoE als Backup-Stromquelle entweder bei Ausfall der Primärquelle oder generell für eingeschränkte Funktionen. PoE ist immer angeschlossen. Es wird ein Speichern von Diagnosedaten erwähnt, während eines beschränkten Zeitraums nach Ausfall der Primärquelle und die Versorgung des Steuergeräts durch PoE eines später kontaktierten Diagnosegerät wird nicht explizit beschrieben.
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Die
US 2007/0162620 A1 beschreibt, das bei Ausfall der Primärstromquelle nur ein Teil der System-Management-Funktionen via PoE aufrecht erhalten werden, um Geräteausfall melden zu können oder weitere Informationen zu übermitteln.
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In den beiden ersten Schriften ist eine PoE-Verbindung permanent gewährleistet, und bei Ausfall der Primär-Spannungsquelle wird unterbrechungsfrei in einen Notbetrieb geschaltet oder das Speichern von Daten für einen gewissen Zeitraum gewährleistet, indem die Energie via PoE bereitgestellt wird.
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Auch die dritte Schrift erwähnt nicht, dass eine PoE-Verbindung erst nach Ausfall der Primär-Quelle hergestellt wird.
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Ethernet wird zukünftig eine wichtige Schnittstelle für die On-Board-Diagnose (OBD) sein, da es Datenraten transportieren kann, was kein Bus-System heute im Automobil schafft. Heute wird das Fahrzeug nur in der Werkstatt geflasht bzw. Fehlercodes ausgelesen. Hier steht immer genügen Stromreserven zur Verfügung. Auch das Tankstellennetz für Benzinfahrzeuge ist großflächig im Gegensatz zu Elektrotankstellen.
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PoE oder PoDL werden zurzeit noch nicht im Automobil eingesetzt, befinden sich jedoch in der Vorentwicklung. Es ist aber absehbar, dass mit diesen Standards nicht alle Steuergeräte mit Strom versorgt werden können. Wahrscheinlich auch nicht das Steuergerät welches den Diagnosezugang (OBD) stellt.
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Mit der Einführung der Elektromobilität wird es immer wichtiger, stromsparende Komponenten einzusetzen. Wenn Energie von außen in das Bordnetz eingespeist werden kann, dann hilft dass nicht nur die Reichweite zu reduzieren, sondern das Fahrzeug kann auch günstiger angeboten werden (Steuer/CO2).
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Sollte ein Fahrzeug ohne Strom (bzw. anderer Energiespeicher) sein, dann besteht auch kein Zugriff auf das Fahrzeug, was im Ernstfall ein Problem darstellen kann.
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Ethernet ist ein weit verbreitetes Netzwerk, welches in jedem heutigen PC vorkommt. Die Expertise und die Entwicklungs- als auch Diagnosewerkzeuge sind weit verbreitet. Die derzeit im Auto vorkommenden Bussysteme wie CAN, MOST und FlexRay erfordern Spezialwissen, welches beim Fahrzeugführer nicht vorhanden ist. Die erforderliche Hardware und Software ist recht teuer und ist nicht im Einzelhandel zu finden. Das Angriffspotential bei einer Ethernet basierenden Vernetzung ist dadurch deutlich höher. Im Hinblick auf die Serieneinführung von Ethernet und IP wird eine Benutzerschnittstelle im Automobil eingeführt, welcher zusätzliche Sicherheitsmechanismus erfordert. Da die Diagnoseschnittstelle eine Schnittstelle nach außen ist, besteht gerade hier die Gefahr für einen Eingriff ins Bordnetz und damit einer Manipulation oder Schädigung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die beschreiben Problemstellungen anzugeben.
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Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruch 1 und des Anspruchs 10.
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Beschreibung und Vorteile der Erfindung
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Die Erfindungsmeldung schlägt vor, ein Steuergerät bzw. ein Teil eines Steuergerätes so zu designen, dass dies über eine externe Stromversorgung versorgt werden kann. Die Erfindung offenbart dabei eine Steuergerätearchitektur, die es ermöglicht, Steuergeräte, die theoretisch nicht vollständig mit PoE/PoDL versorgt werden können, trotzdem teilweise versorgen zu können. Dabei schlägt die Erfindung vor, eine Teilfunktionalität des Steuergerätes so zu designen, dass ihr zwei Spannungsquellen zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung definiert eine Stromversorgungsarchitektur für ein Steuergerät vor, die es ermöglicht, über PoE oder PoDl einen Teilbereich des Steuergerätes zu aktivieren und Programme auszuführen. Vorgeschlagen wird eine beispielhafte Architektur eines Steuergerätes mit den zwei unterschiedlichen Stromversorgungen. Dabei versorgt der Stromanschluss durch die Batterie das ganze Steuergerät. Im Gegensatz dazu reicht die Stromversorgung von PoE/PoDl oder ähnlichen Konzepten nur dazu aus, einen bestimmten Teilbereich des Steuergerätes mit Strom zu versorgen (der schraffierte Bereich). Die Komponenten im nicht schraffierten Bereich sind entweder unbedeutend für eine externe Stromversorgung oder brauchen zu viel Leistung, welche über das externe Konzept nicht versorgt werden kann.
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Technische Vorteile der Erfindung
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Heutzutage vernetzen CAN-, FlexRay- und MOST-Busse die Steuergeräte eines Fahrzeugnetzwerkes untereinander. Zur Verbindung dieser Feldbusse hat sich eine sternförmige Netzwerktopologie etabliert, in der ein zentrales Gateway alle Busse verbindet und gleichzeitig den externen Fahrzeugzugang zum Diagnose-Stecker hin bereitstellt. Hierdurch können zur Laufzeit alle Signale des am zentralen Gateway angeschlossenen Bussystems mitgelesen werden.
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Fahrzeugdiagnose beschreibt in Anlehnung an den medizinischen Begriff Diagnose die genaue Zuordnung von Befunden zu Fehlern an elektrischen und elektronischen Komponenten an Automobilen. Unter dem Begriff Fahrzeugdiagnose sind eine Reihe von technischen Verfahren und Anwendungen zusammengefasst, welche zum Beispiel bei der Fehleranalyse im Reparaturfall, in der Qualitätssicherung für statistische Auswertungen und bei der Fahrzeugentwicklung angewendet werden. Darüber hinaus dient die Fahrzeugdiagnose zur Information bzw. Warnung des Fahrers über aufgetretene Fehler und zum Einleiten von Deaktivierungen von Fahrzeugeigenschaften, wenn deren Betrieb nicht zweifelsfrei sichergestellt werden kann.
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Die Fahrzeugdiagnose kann grundsätzlich aufgegliedert werden in Diagnosebestandteile innerhalb des Fahrzeugs-On-Board-Diagnose, auch Fahrzeugeigendiagnose Diagnosebestandteile außerhalb des Fahrzeugs-Off-Board-Diagnose (Diagnoseinformationen, Diagnosewerkzeuge)
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Im engeren Sinne bedeutet Fahrzeugdiagnose in der Automobilindustrie die (Diagnose-)Kommunikation zwischen einem externen Prüfgerät, dem Diagnose-Tester (Fahrzeugdiagnosesystem) und den einzelnen Elektronik-Komponenten, den so genannten Steuergeräten, über ein Diagnoseprotokoll.
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Als Bindeglied zwischen Diagnosetester und dem Fahrzeug dienen die Diagnosedaten (inzwischen genormt über ODX), welche die Kommunikation beschreiben und in den Diagnosesystemen der Off-Board-Diagnose vorgehalten werden. Sie beschreiben das verwendete Diagnoseprotokoll, die einzelnen Befehle, deren mögliche Antworten vom Steuergerät und die Interpretation der Daten, z. B. Umrechnung in physikalische Werte. Als Zugang zur Fahrzeugdiagnose wird der Diagnosezugang genutzt, welcher auch für das Flashen der Steuergeräte bedient wird. Dabei erweist sich bei größeren Datenumfängen der Fahrzeugzugang über Ethernet als neuen Diagnosezugang von großem Vorteil. Ethernet wird heute vielfach von der Automobilindustrie als die bevorzugte Schnittstelle für die On-Board-Diagnose (OBD) für Autos der nächsten Generation akzeptiert. Diese Übernahme wird mit der Einführung von standardisierten IP-Diagnose-Schnittstellen, wie in ISO 13400 spezifiziert, mit Ethernet als physikalischer Schicht noch schneller vorangetrieben werden.
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In der IT gibt es bereits IEEE-Standards, die es ermöglichen, Strom über die Datenleitung zu senden und damit ein Paar Kabel einzusparen. Hierfür wurde der Standard Power-over-Ethernet (PoE) (IEEE 802.af / IEEE 802.3at) geschaffen. Für den Bereich Automotive wird zur Zeit der Standard PoDL(IEEE P802.3bu) standardisiert, da er im Gegensatz zu PoE nur ein paar Kabel benötigt und nicht zwei. Es besteht großes Interesse an diesem Standard, da er verspricht zusätzliche Kabel im Automobil einzusparen, da hierdurch separate Kabel für den Stromanschluss wegfallen. Ein aktuelles Beispiel für eine Anwendung sind Surround-View-Kameras. Hier bietet sich eine Stromübertragung auf der Datenleitung an, da hiermit Kabel und Gewicht und Bauraum in den Spiegeln als auch in den Türen eingespart werden kann.
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Steuergeräte (ECUs) als auch Sensoren im Automobil lassen sich generell durch vier Klassen nach Ihrer Leistungsaufnahme beschreiben (siehe hierzu Tabelle 1). Hierdurch wird ersichtlich, dass sowohl der Standard PoE als auch der neue Standard PoDL, welcher eine ähnliche Klassifizierung hat, gar nicht alle Steuergeräte in einem Automobil bedienen kann. Die mögliche Leistung, die über PoE übertragen werden kann, ist in
2 dargestellt.
| High Power ECU | Low Power ECU | Mid Power ECU | Smart Sensors/Actuators |
| 10–60 Watt | 4–10 Watt | 2–4 Watt | < 2 Watt |
| Central Domain Gateway, Head Units, Amplifier, Engine Management System, Domain Gateways | Cluster, Connectivity Unit, | Mirror heating, Seat adjustment, | Cameras, Radar sensor, Roof module, Interior light, ... |
Tabelle 1: Beispiel für Steuergeräte im Automobil und deren Leistung nach
http://grouper.ieee.org/groups/802/3/RTPGE/public/july12/zinner_01_0712.pdf
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 Typische Netzwerktopologie mit Diagnoseschnittstelle,
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2 Leistungsklassen von PoE nach http://www.elektronikkompendium.de/sites/net/0807021.htm,
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3 Stromversorgungskonzept eines Steuergerätes mit zwei Stromquellen,
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4 Steuergerät mit zwei Stromquellen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindungsmeldung. Das Schaubild beschreibt ein mittel-komplexes Steuergerät und besteht aus Komponenten, die nicht alle über PoE/PoDl versorgt werden können, wie auch in Tabelle 1 angegeben. Der grau schraffierte Bereich kann von der externen Stromquelle versorgt werden, alle anderen Komponenten im Steuergerät können ausschließlich von der Stromversorgung des Fahrzeugs versorgt werden. Über die Stromversorgung des Fahrzeugs kann jedoch das gesamte Steuergerät versorgt werden. Über einen „Power Switch“ wird sichergestellt dass jeweils nur eine Stromquelle anliegt. Ein Spannungsregler sorgt dafür die Spannung anzupassen.
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Die Erfindungsmeldung schlägt dieses Konzept für Steuergeräte vor, welche einen externen Zugang benötigen. Dies können heute sowohl das Gateway, eine Telematik-Einheit, als auch ein Gerät aus dem Bereich Motorsteuerung sein, welches kalibriert werden muss. Für den externen Zugriff ist es notwendig, Funktionen und Komponenten zur Verfügung zu stellen, die diesem Zugriff dienlich sind, ohne dass dabei die interne Stromversorgung genutzt werden muss.
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Die Erfindung schlägt dabei vor, dass die Architektur der externen Stromversorgung den Mikrocontroller und dessen Speicher einschließt. Dadurch ist es möglich, dass beispielsweise Fehlercodes gelesen werden können ohne den Energiespeicher des Fahrzeugs zu nutzen. Außerdem bietet diese Architektur eine Möglichkeit neue Software auf den Mikrocontroller aufzuspielen oder ein Update im Flash zu speichern.
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Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, Steuergeräte so zu designen, das sie auch bei Ausfall der Energieversorgung des Fahrzeuges noch teilweise betrieben werden können. Durch eine standardisierte Schnittstelle ist es möglich, auf wichtige Teile des Steuergerätes zuzugreifen. Der erfinderische Schritt betrifft neue Designmethoden für Steuergeräte, welche ohne derartige Modifikationen niemals mit PoE/PoDL versorgt werden könnten. Das Konzept bietet einen Mehrwert durch die abgekoppelte Stromversorgung und die abgekoppelte Architektur des Steuergerätes, was bedeutet, dass mit der externen Quelle nur auf einen vorher spezifizierten Teilbereich zugegriffen werden kann. PoDl als auch PoE versprechen ein Einsparpotential im Steuergerät und Bordnetz. Es können nicht nur Kabel, sondern auch Filter und Drosselspulen eingespart werden.
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Ein weiterer Vorteil dieses Konzeptes ist es, den Strombedarf des Bordnetzes zu reduzieren. Um Steuergeräte zu wecken, bedarf es üblicherweise eines Ruhestromes, welcher immer anliegen muss. Bei diesem Konzept, welches zum Flashen von Steuergeräten genutzt werden könnte, versorgt die Datenleitung das Steuergerät auch noch mit Strom. Der Ruhestrom des Steuergerätes kann somit auf 0 reduziert werden. Wird heute ein Steuergerät geflasht, oder werden Fehler ausgelesen, so muss die Batterie des Fahrzeuges Strom für dieses Fahrzeug liefern. In dem von diesem beschriebenen Konzept kann das Fahrzeug quasi ohne Energiespeicher sein und trotzdem können relevante Daten ausgelesen oder gespeichert werden. Im ungünstigen Fall eines Totalschades eines Fahrzeuges, welcher auch Auswirkung auf das Bordnetz hat, kann so noch auf das Steuergerät zugegriffen werden und eventuelle unfallrelevante Daten ausgelesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0121898 A1 [0002]
- US 2009/0217088 A1 [0003]
- US 2007/0162620 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 13400 [0020]
- IEEE 802.af [0021]
- IEEE 802.3at [0021]
- IEEE P802.3bu [0021]
- http://www.elektronikkompendium.de/sites/net/0807021.htm [0025]
