DE10356753B4

DE10356753B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Auslöseverhaltens eines pyrotechnischen Systems in einem Sicherheitssystem

Info

Publication number: DE10356753B4
Application number: DE2003156753
Authority: DE
Inventors: Richard Baur; Helmut Rauh; Andrea Link; Manfred Veigl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Autoliv Development AB
Current assignee: Veoneer Sweden Safety Systems Se AB; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: DE10356753A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung des Auslöseverhaltens eines pyrotechnischen Systems (2) in einem Sicherheitssystem, insbesondere zur Steuerung und/oder Betätigung eines Airbags (4, 6, 8) oder Gurtstraffers (9), dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung der Auslösung und/oder Regelung eines Auslöseverhaltens des pyrotechnischen Systems (2) äußere Einflüsse und/oder innere Einflussgrößen bei der Bestimmung eines Auslösealgorhythmus berücksichtigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Auslöseverhaltens eines pyrotechnischen Systems in einem Sicherheitssystem.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass pyrotechnische Systeme in großer Zahl in Rettungs-, Gurtrückhalte- und sonstigen Sicherheitssystemen eingesetzt werden. Ein wesentliches Einsatzfeld derartiger Systeme ist die Fahrzeugindustrie. Ihre Hauptaufgabe liegt hier in der Realisierung von Gasgeneratoren für aktive Sicherheitskomponenten. Dabei liegt das Haupteinsatzgebiet auf dem Feld von Airbag- oder Luftsack-Systemen sowie Gurtstraffer-Systemen zum Insassenschutz. Ferner werden neuerdings pyrotechnische Systeme auch in aktiven Schutzsystemen für Fußgänger und/oder Radfahrerschutz eingesetzt. Hier wird im Fall eines im Wesentlichen frontal ablaufenden Aufpralls auf ein Kraftfahrzeug nur eine elastischere Aufprallzone durch ein Sicherheitssystem geschaffen. Hierzu wird eine Motorhaube durch die Einwirkung eines pyrotechnischen Systems im Bereich einer Windschutzscheibe angehoben. Dadurch wird eine Winkelgeometrie im Moment eines Aufpralls wesentlich verbessert. Zudem wird eine Eigensteifigkeit der Motorhaube im Bereich eines Aufprallortes zur Minderung von Verletzungen gesenkt.
Zur Systemuntersuchung dieser sehr zeitkritischen Sicherheitskomponenten ist der Begriff der Zündverzögerungszeit eingeführt worden. Unter der Zündverzögerungszeit wird diejenige Zeitspanne verstanden, die zwischen einem Zeitpunkt einer Freigabe einer Anzündung seitens eines Auslösegerätes, wie z.B. eines Airbagansteuergerätes, und einem Erkennen einer ersten Reaktion eines jeweiligen pyrotechnischen Systems verstreicht. In der praktischen Erprobung sind gerade bei einem Einsatz bekannter Steuerungen und dementsprechender Vorrichtungen überraschend hohe Abweichungen in einer jeweiligen Zündverzögerungszeit festgestellt worden. Durch die große Streubreite der Zündverzögerungszeit ist es derzeit nur in unzureichendem Maße möglich, den Zeitpunkt eines Ansprechens vorhandener Schutzelemente vorauszubestimmen und ganz präzise einzustellen. Insbesondere bei Auslösesituationen, bei denen nach sehr kurzer Zeit die Schutzeinrichtung zur Verfügung stehen muss, birgt diese Unsicherheit große Sicherheitsrisiken in sich. So stehen im Fall eines Seiten-Crashs zum Erfassen, Auswerten, Auslösen und Entfalten von Airbag- bzw. Luftsack-Schutzsystemen insgesamt typischerweise nur durchschnittlich ca. 20 ms zur Verfügung.

DE 198 54 366 C1 offenbart ein Verfahren zur Anpassung einer Auslöseschwelle von Insassenschutzeinrichtungen, die unter Berücksichtigung einer jeweiligen Kraftfahrzeugalterung vorgenommen wird. Gemäß dieser Lehre wird eine Vielzahl konstruktionsbedingter Einflussgrößen für eine Veränderung des Crash-Verhaltens eines Kraftfahrzeugkarosseriekörpers angenommen, wobei einer Materialermüdung als Folge eines fortgeschrittenen Fahrzeugalters und/oder einer über den Kilometerstand ablesbaren Betriebsdauer ein wesentlicher Einfluss eingeräumt wird. Damit wird eine Anpassung einer Auslöseschwelle von Insassenschutzeinrichtungen nach Maßgabe eines vermuteten Zustandes einer jeweiligen Kraftfahrzeugkarosserie vorgeschlagen.

Aus der DE 39 20 091 A1 ist eine auf beschleunigungsempfindlichen Sensoren basierende Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuginsassen, bei der Sensoren und zugehörige Aufbereitungs- bzw. Auswerteschaltungen ständig auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden. Dabei wird auf Störeinflüsse eingegangen, die in Form von Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und Alterung als Einflussparameter zu berücksichtigen sind. Jede der offenbarten Vorrichtungen bezieht sich jedoch ausschließlich auf Einflussparameter zur Beurteilung und zum Test der Funktionsfähigkeit von beschleunigungsempfindlichen Sensoren und deren Signalauswertungseinrichtungen.

Aus der US 6,278,924 B1 ist bekannt, dass hinsichtlich eines optimalen Auslösezeitpunkts auch nach Art des Unfalls und einer Schwere des Aufpralls anhand einer jeweiligen Richtung einer Beschleunigung und deren Stärke unterschieden wird. Hierdurch wird ein zielgerichtetes Eingreifen eines jeweiligen Sicherheitssystems bewirkt. Auf einer Analyse aufbauend muss das Eingreifen zur Verfügung stehender Maßnahmen zuvor aber erst bestimmt werden. Hinsichtlich jeglicher Form von Ungenauigkeit und Abweichung in einer Zündverzögerungszeit eines jeweiligen Gasgenerators ist ein derartiges System jedoch vergleichsweise anfällig. Darüber hinaus ist auch eine Steuerung des Auslöseverhaltens eines jeweiligen Sicherheitssystems zur Optimierung der Sicherungswirkung erforderlich; die im Rahmen der insge samt zur Verfügung stehenden knappen Zeitspanne zusätzlich berücksichtigt werden muss. Nur so kann ein abgestimmtes Auslöseverhalten von verschiedenen Sicherheitssystemen in Abhängigkeit von einem jeweiligen Unfallszenario erreicht werden.

Es besteht daher die Aufgabe, bekannte Verfahren und dementsprechende Vorrichtungen unter Verbesserung eines jeweiligen Zeitverhaltens weiterzubilden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass bei der Steuerung der Auslösung und/oder Regelung eines Auslöseverhaltens eines jeweiligen pyrotechnischen Systems äußere Einflüsse auf das pyrotechnische System und/oder innere Einflussgrößen des pyrotechnischen Systems bei der Bestimmung eines Auslösealgorhythmus berücksichtigt werden. Diese Größen werden in Verfahren nach dem Stand der Technik bei einer Einstellung einer jeweiligen Auslösecharakteristik nur unzureichend betrachtet oder gar vernachlässigt. Hierdurch sind auch bei baugleichen Systemen teilweise erhebliche Abweichungen in den Auslöseeigenschaften gemessen worden. Damit wird ein Zeitverhalten mit der Zündung eines jeweiligen pyrotechnischen Systems zu einem vorbestimmten Zeitpunkt bei wesentlich gesteigerter Genauigkeit umgesetzt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet. In einer wesentlichen Weiterbildungen der Erfindung werden demnach als äußere Einflüsse insbesondere eine aktuelle Umgebungstemperatur und/oder eine Systemtemperatur berücksichtigt. Als innere Einflussgrößen werden im Weiteren z.B. die Art eines jeweiligen pyrotechnischen Systems, dessen Alterung auch unter dem Einfluss der Temperatur und/oder eine zur Verfügung stehende elektrische Zündenergie berücksichtigt.

Demnach wird das pyrotechnische System in einer Vorrichtung zur Steuerung seines Auslöseverhaltens in Form eines Modells nachgebildet. Dabei ist das Modell des pyrotechnischen Systems mit den jeweiligen Einflussgrößen als Parameter ausgebildet. In einer Weiterbildung der Erfindung werden die jeweiligen Zusammenhänge jeweils als errechnete und/oder gemessene Werte in Tabellen und/oder als Kennlinienfelder in Speichern abgelegt sein, der vorzugsweise nichtflüchtig ist. So können in einer Ausführungsform der Erfindung auch gegenseitige Beeinflussungen zwischen den jeweiligen Parametern abgebildet und berücksichtigt werden. Zur Verarbeitung sind diese Speicher dann mit der Steuerung zusammen mit Sensoren, einer internen Uhr oder vergleichbaren Maßnahmen zur Altersbestimmung etc. verbunden.

Der Zündzeitpunkt oder Aufblaszeitpunkt eines jeweiligen Gasgenerators ist damit wesentlich genauer vorausbestimmbar. Auf dieser Grundlage kann ein verbessertes Rückhalteergebnis von Gurtstraffer- und/oder Airbag-Systemen erzielt werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1, die ein Auslöseverhalten eines pyrotechnischen Systems 2 steuert. In einer Fahrgastzelle 3 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs ist eine Auswahl bekannter Sicherheitssysteme dargestellt. In Form eines Luftsack-Sicherheitssystems 4 in einem Lenkrad 5, eines Luftsack-Sicherheitssystems 6 in einem Armaturenbrett 7 und eines Luftsack-Sicherheitssystems 8 als seitliches Schutzsystem nahe einer B-Säule der Fahrgastzelle 3 sind verschiedene Ausführungsformen von Sicherheitssystemen mit ihren jeweiligen pyrotechnischen Systemen 2 bzw. Gasgeneratoren angedeutet. Ferner ist ein Gurtstraffer-System 9 an einem Gurtschloss 10 vorgesehen, so dass ein Bereich um einen Fahrersitz 11 mit unterschiedlichen pyrotechnischen Schutzsystemen 2 weitgehend abgedeckt ist.
Die Vorrichtung 1 weist ein zentrales Steuergerät 12 auf, das den Einsatz der einzelnen pyrotechnischen Systeme 2 koordiniert. Ein Einsatzfall, also ein Unfall, wird durch eine Auswertung von Signalen 13 erkannt, die das zentrale Steuergerät 12 von Sensoren 14 erhält. In den Sensoren 14 werden in bekannter Weise Deformationen und/oder Beschleunigungen etc. gemessen. Aufgrund einer Auswertung und Analyse der eingehenden Signale 13 bestimmt das zentrale Steuergerät 12 eine zum Insassenschutz jeweils einzuleitende Maßnahme.
Unter Berücksichtigung einer jeweiligen Sitzplatzbelegung, hier soll nur der dargestellte Fahrersitz 11 belegt sein, wird der Ablauf und Eingriff der einzelnen Schutzfunktionen dargestellt. Im vorliegenden Fall wird von einem Offset-Frontal-Crash ausgegangen, also einem Unfall mit starken Beschleunigungskomponenten entgegen der Fahrtrichtung und auch quer zur Fahrtrichtung. Die Lage eines Körpers wird durch Betätigung des Gurtstraffers 9 auf dem Fahrersitz 11 gesichert. Ein Auslösen des Luftsack-Sicherheitssystems 4 im Lenkrad 5 und des Luftsack-Sicherheitssystems 8 im Bereich der B-Säule schützen den Kopf des Fahrers. Da kein Beifahrer vorhanden ist, wird das Luftsack-Sicherheitssystem 6 am Armaturenbrett 7 nicht gezündet. Soweit wäre theoretisch ein optimaler Schutz für einen Insassen gegeben.
Zur Entfaltung einer optimalen Schutzwirkung ist bekannt, dass einem jeweiligen Anwendungsfall angepasste Zündzeitpunkte in den betreffenden pyrotechnischen Systemen 2 eingehalten werden müssen. Ein abgestimmtes Auslöseverhalten der verschiedenen, vorstehend genannten Sicherheitssysteme 4, 6, 8, 9 ist in Abhängigkeit von einem jeweiligen Unfallszenario zu bestimmen und einzuhalten. Hier sind für den angenommenen Offset-Fron tal-Crash damit in aufeinander abgestimmter Weise das Luftsack- Sicherheitssystem 4 im Lenkrad 5 und das Luftsack-Sicherheitssystem 8 im Bereich der B-Säule zusammen mit dem Gurtstraffer 9 genau zu den jeweiligen Zeitpunkten auszulösen. Eine Zündverzögerungszeit als Zeitspanne zwischen einem Zeitpunkt einer Freigabe einer Anzündung seitens eines Auslösegerätes, also hier dem zentralen Steuergerät 12, und einem Erkennen einer ersten Reaktion eines jeweiligen pyrotechnischen Systems 2 weist jedoch eine sehr große Streubreite auf. Wesentliche Einflussfaktoren werden nachfolgend in nicht abschließender Aufzählung genannt und unter den besonderen Randbedingungen eines Einsatzes in einem Kraftfahrzeug diskutiert:
Alle pyrotechnischen Systeme 2 müssen aus Sicherheitsgründen auch während und kurz nach einem Unfall in dem Kraftfahrzeug noch einsatzfähig sein, um ihre jeweiligen Sicherungsfunktionen für den Insassenschutz übernehmen zu können. Dazu ist eine Versorgung der Gasgeneratoren der einzelnen pyrotechnischen Systeme 2 mit elektrischer Energie selbst in dem Fall sicherzustellen, dass Versorgungsverbindungen zu einer zentralen Blei-Säure-Batterie und/oder einer Lichtmaschine als Energiequelle des jeweiligen Kraftfahrzeugs infolge der Crash-Einwirkungen unterbrochen worden sind. Aus diesem Grund sind dezentral an den einzelnen pyrotechnischen Systemen 2 nicht weiter dargestellte Endstufen angeordnet, die jede für sich einen eigenen Energiespeicher tragen.
In Abhängigkeit eines jeweiligen Ladezustandes, der durch Alterung des i.d.R. als Kondensator ausgeführten Ladungsspeichers und durch eine Umgebungstemperatur sowie eine Luftfeuchtigkeit wesentlich beeinflusst wird, steht damit zum Zünden einer pyrotechnischen Gasentwicklerladung in einem jeden der i Sicherheitssysteme unterschiedlich viel Zündenergie ΔE_i zur Verfügung. Dieser besonders kritische Fall soll nun betrachtet werden, wobei eine jeweils vorhandene Zündenergie ΔE_i den Fluss eines Mindeststromes über eine bestimmte Zeit ermöglichen muss. Eine Zündung kann hier also insbesondere auf den Stromniveaus 1,75 A bei 0,5 ms Dauer des Stromflusses, oder aber 1,2 A bei 2 ms Bestromungsdauer geschehen. Ein Absinken des Niveaus der verfügbaren zwischengespeicherten Energie um ca. 30% von einer ersten auf eine zweite Schwelle führt also zu einer Zunahme der Zündverzögerungszeit über die Bestromungsdauer um bis zu ungefähr 300. Neben dem Betrag an zur Verfügung stehender Energie ist also auch die Höhe und Verfügbarkeitsdauer eines Stromflusses von wesentlicher Bedeutung für ein Zündverhalten.
In Abhängigkeit von bereits dieser einen Zündbedingung entsteht eine sehr große Streubreite der möglichen Zündverzögerungszeiten des Sicherheitssystems. So ist es derzeit nur sehr begrenzt möglich, den Zeitpunkt eines Ansprechens vorhandener Schutzelemente vorauszubestimmen und sicher einzustellen.
Neben einer zur Verfügung stehenden Zündenergie ΔE_i sind ein Alter ΔT_i des pyrotechnischen Systems 2 in einem jeweiligen Sicherheitssystem i zusammen mit seiner Bauart A_i Einflussfaktoren für das Auslöseverhalten. Veränderungen in den Eigenschaften pyrotechnischer Systeme 2 sind über eine zeitliche Dauer als Alterungserscheinungen bei den verschiedenen Bauformen und von den verwendeten Gas-erzeugenden Substanzen abhängig. Im Wesentlichen sind Alterungserscheinungen abhängig von einer herrschenden Temperatur ϑ sowie einer mittleren Temperatur ϑ, so dass dies Parameter sind, die eine jeweilige Zündverzögerungszeit wesentlich verlängern können. Zudem sind Signallaufzeiten Δt_i, die sich zwangsläufig über die Signalleitungen 15 ergeben, als additive Faktoren zu der gesamten Zündverzögerungszeit eines Sicherheitssystems zu berücksichtigen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zudem in nicht weiter dargestellter Weise eine Vernetzung der Sicherheitssysteme über einen CAN-Bus vorgesehen. Die Leitungen 15 sind also entgegen der Darstellung der Figur statt als Stern-Struktur im Wesentlichen in einer Ringstruktur angelegt, oder aber als Mischstruktur. Hierdurch kann unter Rückgriff auf standardisierte Komponenten eine wesentliche Reduzierung eines Verdrahtungsaufwandes erreicht werden. Inklusive einer internen Auswertung und Verarbeitung der Signale in dem CAN-Bus-System verlängert sich jedoch damit die Signallaufzeit Δt_i als additiver Faktor der Zündverzögerungszeit nochmals. Angesichts der Tatsache, dass bei Crashs zum Erfassen, Auswerten, Auslösen und Entfalten von Airbag- bzw. Luftsack-Schutzsysteme typischerweise durchschnittlich nur ca. 20 ms zur Verfügung stehen, wird deutlich, wie kritisch die vorstehend angedeutete Ungenauigkeit in der zeitlichen Einstellung von Sicherheitskomponenten ist.
Erfindungsgemäß werden die vorstehend genannten Einflussgrößen in Form von Parametern bei der Anpassung eines jeweils zur Unfall-Situation passenden Auslöse-Algorithmus berücksichtigt. Hierzu umfasst das zentrale Steuergerät 12 ein Modell des jeweils in einem betreffenden Sicherheitssystem eingesetzten pyrotechnischen Systems 2. In Form von Wertetabellen und Kurvenscharen sind hier die Parameter

• Alter ΔT_i des pyrotechnischen Systems 2,
• aktuell zur Verfügung stehende Zündenergie ΔE_i,
• Bauart A_i des pyrotechnischen Systems 2,
• aktuelle Temperatur ϑ mit einer mittleren Temperatur ϑ über die Gesamteinsatzdauer bzw. das Alter der Einheit und schließlich auch
• eine jeweilige Signallaufzeit Δt_i über die Signalleitungen 15 inklusive einer Auswertungszeit

12

Unter Rückgriff auf die Signale 13 der Sensoren 14 ermittelt das zentrale Steuergerät 12 die Art eines jeweiligen Unfalls. Daraufhin werden geeignete Schutzmaßnahmen bestimmt, zu deren Umsetzung diverse Sicherheitsvorrichtungen aktiviert werden müssen. Eine zeitliche Abfolge und eine Auslösung der jeweiligen Sicherheitsvorrichtungen werden im Rahmen eines Auslösealgorithmus durch das zentrale Steuergerät 12 vorgenommen. Die Auslösung erfolgt dabei unter Berücksichtigung der vorstehend aufgeführten Parameter auf der Basis einer wesentlich zuverlässigeren Abschätzung der jeweiligen Verzögerungszeit. Damit wird Dank der höheren Genauigkeit der Auslösungen der einzelnen Sicherheitsvorrichtungen auch die Sicherheit der Insassen durch ein optimiertes Rückhalteergebnis gesteigert.

1: Vorrichtung
2: pyrotechnisches System
3: Fahrgastzelle
4: Luftsack-Sicherheitssystem
5: Lenkrad
6: Luftsack-Sicherheitssystem
7: Armaturenbrett
8: Luftsack-Sicherheitssystem
9: Gurtstraffer-System
10: Gurtschloss
11: Fahrersitz
12: zentrales Steuergerät
13: Signal
14: Sensoren
15: Signalleitung
16
ΔT_i: Alter des pyrotechnischen Systems 2
ΔE_i: Zündenergie
A_i: Bauart
ϑ: Temperatur
ϑ: mittlere Temperatur
Δt_i: Signallaufzeit über die Signalleitungen 15 inklusive
: einer Auswertung von Signalen

Claims

Verfahren zur Steuerung des Auslöseverhaltens eines pyrotechnischen Systems (2) in einem Sicherheitssystem, insbesondere zur Steuerung und/oder Betätigung eines Airbags (4, 6, 8) oder Gurtstraffers (9), dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung der Auslösung und/oder Regelung eines Auslöseverhaltens des pyrotechnischen Systems (2) äußere Einflüsse und/oder innere Einflussgrößen bei der Bestimmung eines Auslösealgorhythmus berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als äußere Einflüsse eine aktuelle Umgebungstemperatur und/oder eine Systemtemperatur (ϑ) und/oder eine mittlere Temperatur (ϑ) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als innere Einflussgrößen eine Alterung des pyrotechnischen Systems (2) und/oder eine zur Verfügung stehende Zündenergie (ΔE_i) berücksichtigt werden, insbesondere nach einer jeweiligen Bauart (A_i) und einem Alter (ΔT_i) des pyrotechnischen Systems (2).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische System (2) in einer Vorrichtung zur Steuerung seines Auslöseverhaltens in Form eines Modells mit den jeweiligen Einflussgrößen als Parameter nachgebildet wird, insbesondere in einem Steuergerät (12).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell mit Tabellen und/oder als Kennlinienfelder arbeitet.
Vorrichtung zur Steuerung des Auslöseverhaltens eines pyrotechnischen Systems (2) in einem Sicherheitssystem, das insbesondere zur Ansteuerung und/oder Betätigung eines Airbags (4, 6, 8) oder Gurtstraffers (9) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Modell mindestens eines pyrotechnischen Systems (2) umfasst, das in Form einer Wertetabelle und/oder Kurvenschar fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät (12) abgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zur individuellen Anpassung an aktuelle Randbedingungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentrales Steuergerät (12) mit Leitungen (15) zur Bildung einer Vernetzung mit einer Vielzahl von Sicherheitssystemen verbunden ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzung in Form einer Ringstruktur oder einer Ring-Stern-Mischstruktur ausgebildet ist, insbesondere als CAN-Bus-System.