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Die
Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Betrieb elektrischer
Verbraucher eines Fahrzeugs.
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Es
existieren bereits verschiedenartige Anordnungen, um die Versorgung
von elektrischen Verbrauchern mit elektrischer Energie zu ermöglichen und
zu steuern. Eine solche Anordnung ist bereits aus
DE 43 38 285 A1 bekannt.
Dabei ist ein elektronisches Gerät für die Ansteuerung
der Heizung eines Fahrzeugsitzes über einen ersten Steuereingang
mit einem Airbag-Steuergerät und über einen zweiten Steuereingang
mit einem Temperaturregler verbunden. Das Heizelement dient neben
der Heizfunktion als Sensor für die Sitzbelegungserkennung.
Um das Heizelement in Betrieb zu nehmen, steuert ein Transistor
ein Relais an. Daraufhin schließen die Relaiskontakte und
das Heizelement wird mit elektrischer Energie versorgt.
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Nachteilig
an dieser Anordnung ist jedoch, dass die Relaisspule und die Relaiskontakte
während des Betriebs des Heizelements dauerhaft von einem
Betriebsstrom durchflossen werden. Aus diesem Grund kommt es zu
einer starken Wärmeentwicklung innerhalb des elektronischen
Geräts, wodurch zusätzlich geeignete Anordnungen
zur Wärmeabfuhr erforderlich sind.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung
eines Steuergeräts zum Betrieb elektrischer Verbraucher
eines Fahrzeugs anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung
gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß weist
ein Steuergerät zum Betrieb elektrischer Verbraucher eines
Fahrzeugs einen Transistor auf, der eine Spannungsversorgung eines
elektrischen Verbrauchers schaltet. Bei einer Fehlfunktion des Transistors
ist ein Relais ansteuerbar, das einen Kurzschluss an der Spannungsversorgung
des elektrischen Verbrauchers erzeugt. Infolge dessen unterbricht
ein Sicherungselement die Spannungsversorgung des elektrischen Verbrauchers.
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Da
das Relais nur bei einer Fehlfunktion des Transistors angesteuert
wird, d. h. es existiert kein Ruhestrom des Relais, werden eine
Verlustleistung und daraus folgend eine starke Wärmeentwicklung, hervorgerufen
durch einen Stromfluss in der Relaisspule und über die
Relaiskontakte, verringert bzw. im fehlerlosen Zustand vermieden.
Da das Relais nur im Fehlerfall und nicht während des fehlerlosen
Betriebs des Verbrauchers schaltet, wird der mechanische Verschleiß der
Relaiskontakte vermindert. Dadurch ist es möglich, dass
vorteilhafterweise keine zusätzlichen Anordnungen zur Kühlung
des Steuergeräts, wie beispielsweise ein Kühlkörper
oder eine Kühlplatte, notwendig sind. Infolge dessen werden
eine Kosteneinsparung bei der Herstellung und eine Verringerung
der Abmessungen des Steuergerätes erreicht.
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Im
Detail sind mehrere elektrische Verbraucher anhand separater Schaltkreise,
Transistoren, Relais und Sicherungselemente steuerbar. Daraus resultiert
der Vorteil, dass nur ein Steuergerät für die Ansteuerung
und Überwachung verschiedener elektrischer Verbraucher,
z. B. ein Heizelement eines Fahrzeugsitzes oder Heizelement zur
Erwärmung eines Nackenbereiches eines Fahrzeuginsassen,
notwendig ist. Dies führt vorteilhafterweise zu einem vereinfachten
Aufbau des elektrischen Versorgungsnetzes der Verbraucher, einer
Platzeinsparung und zu einer Kostenersparnis.
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Des
Weiteren sind mittels eines in dem Steuergerät enthaltenen
Prozessors ein oder mehrere Transistoren sowie ein oder mehrere
Relais gleichzeitig ansteuerbar. Daraus resultieren die positiven Effekte
einer Materialeinsparung und einer Aufwandverringerung bei der Montage
in Rahmen der Herstellung des Steuergerätes, welche wiederum
zu einer Kostenersparnis führen.
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Ein
Transistor kann sowohl als Bipolar-Transistoren als auch Feldeffekt-Transistoren
ausgeführt sein. Dies führt im Ergebnis dazu,
dass anwendungsabhängig sowohl eine spannungs- als auch
eine stromgeführte Ansteuerung des Transistors möglich ist.
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Die
Fehlfunktion des Transistors ist insbesondere durch einen dauerhaft
den elektrischen Strom leitenden Zustand gekennzeichnet. Aufgrund dieses
Stromflusses kommt es an einem in Reihe zu dem Transistor geschalteten
elektrischen Widerstand zu einem Spannungsabfall, anhand dessen
der Prozessor im ausgeschalteten Zustand des elektrischen Verbrauchers
den Fehlerfall des dauerhaft leitenden Transistors erfasst. Dies
hat den Vorteil, dass der durch die Fehlfunktion hervorgerufene
dauerhafte Stromfluss in einfacher Art und Weise zu einer Erfassung
der Fehlfunktion selbst nutzbar ist. Im Ergebnis dieser Erfassung
steuert der Prozessor ein Relais an, das einen Schalter betätigt,
um somit einen elektrischen Kurzschluss an der Spannungsversorgung des
elektrischen Verbrauchers zu erzeugen. Dieser Kurzschluss ermöglicht
die Unterbrechung der Spannungsversorgung des elektrischen Verbrauchers
mittels eines Sicherungselements. Somit ist eine sichere Abschaltung
des elektrischen Verbrauchers auch bei einer Fehlfunktion des Transistors
gewährleistet und eine Schädigung des Verbrauchers
selbst oder seines Umfelds wird verhindert.
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Bei
dem Sicherungselement handelt es sich insbesondere um eine Schmelzsicherung,
einen Leitungsschutzschalter oder ein anderes Schaltgerät. Mit
Hilfe dieses Sicherungselements wird eine galvanische Trennung des
elektrischen Verbrauchers von seiner Spannungsversorgung ermöglicht.
Durch den Einsatz verschiedener Typen von Sicherungselementen ist
es abhängig von relevanten Sicherheitsanforderungen möglich,
eine dauerhafte Trennstelle, eine manuell oder eine selbsttätig
rückstellende Trennstelle zu erzeugen.
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Kommt
es bei inaktivem Prozessor, z. B. bei ausgeschalteter Fahrzeugzündung,
zu einer Fehlfunktion eines Transistors, so ist der Prozessor mittels
eines System-Basis-Chips aktivierbar. Dieser System-Basis-Chip ist
ein integrierter Schaltkreis für Standardfunktionen wie
Spannungsversorgung und Spannungsregelung sowie zur Aktivierung
des Prozessors. Der aktivierte Prozessor steuert das Relais des
abzuschaltenden elektrischen Verbrauchers an, wodurch eine Deaktivierung
des elektrischen Verbrauchers sichergestellt ist. Der System-Basis-Chip ermöglicht
auch bei inaktivem Prozessor die Erfassung des fehlerhaften Transistors
und daraus folgend eine Einleitung einer sicheren Abschaltung des
elektrischen Verbrauchers anhand des aktivierten Prozessors.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher
erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 schematisch
einen elektrischen Schaltplan eines Steuergerätes zum Betrieb
elektrischer Verbraucher eines Fahrzeugs.
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1 stellt
den elektrischen Schaltplan des Steuergerätes zum Betrieb
elektrischer Verbraucher V1 und V2 eines Fahrzeugs dar. Dabei schaltet
ein Prozessor P mittels eines Ausgangs A1 einen elektrischen Strom
auf eine Basis B1 eines Transistors T1, sobald ein nicht näher
dargestellter Fahrzeuginsasse einen der elektrischen Verbraucher
V1, insbesondere ein Heizelement eines Sitzes des Fahrzeugs und/oder
ein Heizelement zur Erwärmung eines Nackenbereichs des
Fahrzeuginsassen, aktiviert. Anhand dieses an der Basis B1 des Transistors
T1 anliegenden elektrischen Stromes wird ein Bereich zwischen einem
Kollektor C1 und einem Emitter EM1 elektrisch leitfähig.
Hierdurch wird der elektrische Verbraucher V1 mittels einer Spannungsversorgung U1
mit elektrischer Energie versorgt. Deaktiviert der Fahrzeuginsasse
den elektrischen Verbraucher V1, so unterbricht der Prozessor P
am Ausgang A1 den Stromfluss zur Basis B1 des Transistors T1. Infolge dessen
verliert der Bereich zwischen dem Kollektor C1 und dem Emitter EM1
seine elektrische Leitfähigkeit und die Spannungsversorgung
U1 des elektrischen Verbrauchers V1 wird getrennt.
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Tritt
jedoch eine Fehlfunktion des Transistors T1 auf, besteht die Möglichkeit,
dass die Spannungsversorgung U1 des elektrischen Verbrauchers V1 trotz
Deaktivierung mittels des Fahrzeuginsassen nicht getrennt wird und
der elektrische Verbraucher V1 weiterhin eingeschaltet ist. Bei
dieser Fehlfunktion des Transistors T1 handelt es sich insbesondere um
eine dauerhafte elektrische Leitfähigkeit des Bereichs
zwischen dem Kollektor C1 und dem Emitter EM1, obwohl kein elektrischer
Strom an der Basis B1 anliegt.
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Um
bei dieser Fehlfunktion dennoch eine sichere Abschaltung des elektrischen
Verbrauchers V1 sicherzustellen, ist ein elektrischer Widerstand
R1 in einem elektrischen Zweig des Transistors T1 angeordnet. Solange
der Bereich zwischen dem Kollektor C1 und dem Emitter EM1 elektrisch
leitfähig ist, d. h. der elektrische Verbraucher V1 in
Betrieb ist, kommt es durch den vorhandenen Stromfluss zu einem Spannungsabfall über
dem Widerstand R1. In dem Prozessor P ist eine Information über
die Deaktivierung des elektrischen Verbrauchers V1 durch den Fahrzeuginsassen
gespeichert, da der Prozessor P den Stromfluss zur Basis B1 des
Transistors T1 unterbrochen hat. Anhand des Spannungsabfalls über dem
Widerstand R1, welchen der Prozessor P über den Eingang
E1 erfasst, im Zusammenhang mit der gespeicherten Information der
Deaktivierung des elektrischen Verbrauchers V1 identifiziert der
Prozessor P die Fehlfunktion des Transistors T1 und steuert über
einen Ausgang A3 einen Transistor T3 an. Anhand der Ansteuerung
des Transistors T3 wird ein Relais Rel1 mit einer Hilfsspannung
UH versorgt. Hierdurch schließt das Relais Rel1 einen Schalter
S1 und stellt somit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen
der Spannungsversorgung U1 und der gemeinsamen Masse der Spannungsversorgung
U1 her, woraus ein elektrischer Kurzschluss an der Spannungsversorgung
U1 resultiert. Infolge dessen löst ein nicht näher
dargestelltes Sicherungselement, bei welchem es sich z. B. um eine
Schmelzsicherung, einen Leitungsschutzschalter oder ein anderes Schaltgerät
handelt, aus und trennt somit den elektrischen Verbraucher V1 galvanisch
von der Spannungsversorgung U1, was zu dessen Deaktivierung führt.
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Das
mittels des Schaltplans dargestellte Funktionsprinzip des Steuergeräts
ermöglicht eine Ansteuerung und Überwachung eines
weiteren elektrischen Verbrauchers V2. Das zuvor beschriebene Funktionsprinzip
zur Ansteuerung und Überwachung des elektrischen Verbrauchers
V1 ist auf die Ansteuerung und Überwachung des weiteren
elektrischen Verbrauchers V2 übertragbar, ist jedoch anhand
eines separaten Schaltkreises ausgeführt. Bei der Aktivierung
des weiteren, elektrischen Verbrauchers V2 durch den Fahrzeuginsassen
steuert der Prozessor P einen zugehörigen Transistor T2 über
einen Ausgang A2 an, wodurch der elektrische Verbraucher V2 mittels
der zugehörigen Spannungsversorgung U2 mit elektrischer
Energie versorgt wird. Deaktiviert der Fahrzeuginsasse den elektrischen
Verbraucher V2, unterbricht der Prozessor P den Stromfluss zum betreffenden
Transistor T2 und die Versorgung des elektrischen Verbrauchers V2
anhand der zugehörigen Spannungsversorgung U2 ist unterbrochen.
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Bei
einer Fehlfunktion des Transistors T2, insbesondere bei dauerhafter
Leitfähigkeit, erkennt der Prozessor P in gleicher Weise
wie im oben beschriebenen Fall eines defekten Transistors T1 mittels
eines elektrischen Widerstandes R2 über einen Eingang E2,
dass der elektrische Verbraucher V2 trotz Deaktivierung in Betrieb
ist. Der Prozessor P steuert daraufhin anhand eines Ausgangs A4
einen Transistor T4 an, wodurch an ein Relais Rel2 eine Hilfsspannung
UH angelegt wird. Dieses Relais Rel2 schließt einen Schalter
S2, mit Hilfe dessen eine elektrisch leitfähige Verbindung
zwischen der Spannungsversorgung U2 und der gemeinsamen Masse der
Spannungsversorgung U2 entsteht, woraus ein elektrischer Kurzschluss
an der Spannungsversorgung U2 resultiert. Dieser elektrische Kurzschluss wird
anhand der Auslösung eines weiteren nicht näher
dargestellten Sicherungselements, z. B. einer Schmelzsicherung,
eines Leitungsschutzschalters oder eines anderen Schaltgeräts,
mittels galvanischer Trennung des elektrischen Verbrauchers V2 und
der Spannungsversorgung U2 abgeschaltet.
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Befindet
sich der Prozessor P in einem ausgeschalteten Zustand, z. B. durch
eine deaktivierte Zündung des Fahrzeugs, erfasst ein System-Basis-Chip
SBC bei der Fehlfunktion der Transistoren T1, T2 mittels der Eingänge
E3, E4 den Spannungsabfall über den Widerständen
R1, R2. Dieser leitet eine Aktivierung des Prozessors P ein, welcher
in oben dargestellter Weise mittels Ansteuerung der Relais Rel1,
Rel2 das Ausschalten der elektrischen Verbraucher V1, V2 bewirkt.
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Dadurch,
dass die Relais Rel1, Rel2 nur bei einer Fehlfunktion der Transistoren
T1, T2 angesteuert werden, kommt es zu einer Reduzierung der Wärmeverluste
im Vergleich zu einem dauerhaften Betrieb der Relais Rel1, Rel2,
der mit einer starken Wärmeentwicklung anhand des Stromflusses über
die Relaiskontakte und die Relaisspule verbunden ist.
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Wie
an den Beispielen der elektrischen Verbraucher V1, V2 beschrieben,
können weitere, unterschiedlich geartete elektrische Verbraucher
mittels des Steuergerätes in gleicher Weise gesteuert und überwacht
sowie bei einer Fehlfunktion eines zugehörigen Transistors
sicher abgeschaltet werden.
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- A1
- Ausgang
- A2
- Ausgang
- A3
- Ausgang
- A4
- Ausgang
- B1
- Basis
- C1
- Kollektor
- EM1
- Emitter
- E1
- Eingang
- E2
- Eingang
- E3
- Eingang
- E4
- Eingang
- P
- Prozessor
- Rel1
- Relais
- Rel2
- Relais
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- SBC
- System-Basis-Chip
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
- T1
- Transistor
- T2
- Transistor
- T3
- Transistor
- T4
- Transistor
- UH
- Hilfsspannung
- U1
- Spannungsversorgung
- U2
- Spannungsversorgung
- V1
- Elektrischer
Verbraucher
- V2
- Elektrischer
Verbraucher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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