DE102008008160A1 - Verfahren zur Versorgung einer elektrischen Baugruppe in einem Fahrzeug aus einem Gleichspannungsbordnetz - Google Patents

Verfahren zur Versorgung einer elektrischen Baugruppe in einem Fahrzeug aus einem Gleichspannungsbordnetz Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Versorgung einer elektrischen Baugruppe in einem Fahrzeug aus einem Gleichspannungsbordnetz vorgestellt, wobei die Baugruppe über eine Hinleitung (8.1) mit dem Gleichspannungsbordnetz und über eine Rückleitung (8.2) mit einer Gleichspannungssenke $I1 verbunden ist. Das Spannungspotential auf der Rückleitung (8.2) wird so gesteuert, dass die Spannungsdifferenz (DeltaU) zwischen der Hin- und der Rückleitung damit über der zu versorgenden Baugruppe unter einem vorgegebenen Wert bleibt. Eine entsprechend ausgestaltete Versorgungseinheit weist beispielsweise eine Gleichspannungssenke auf, die so steuerbar ausgebildet ist, dass die Spannungsdifferenz zwischen der Hin- und der Rückleitung unter einem vorgegebenen Wert bleibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer elektrischen Baugruppe in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • In der Kfz-Industrie erlangen Elektroniksysteme zur Steigerung der Sicherheit, wie beispielsweise Insassenschutzsysteme zur Erhöhung der Sicherheit der Fahrzeuginsassen, oder Bremsassistenzsysteme, zur Optimierung der Bremsfunktionalität bzw. des Bremsweges immer mehr an Bedeutung.
  • Zur Sicherstellung der Systemanforderungen, beispielsweise der geforderten schnellen Auslösezeiten bei den Insassenschutzsystemen ist es mittlerweile zum Stand der Technik geworden, dass derartige Insassenschutz-Systeme aus einem vorzugsweise zentral angeordnetem Steuergerät (Zentralgerät), sowie einer Mehrzahl von so genannten ausgelagerten Assistenzsensoren (ausgelagerten Satelliten), welche meist in der Nähe der Fahrzeugaußenhaut angeordnet sind, realisiert sind.
  • Die Assistenzsensoren für Insassenschutzsysteme können hierbei auf unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhen. Meist werden hierzu jedoch Sensoren zum Einsatz gebracht, welche auf Beschleunigung oder Druck reagieren.
  • Ebenso zum Stand der Technik gehören bei den Bremsassistenzsystemen sogenannte Raddrehzahlsensoren, welche sich als ausgelagerte Sensoren direkt vor Ort an den Bremseinrichtungen befinden, um beispielsweise in Verbindung mit dem Bremselektroniksystem eine ABS-Funktionalität abbilden bzw. erfüllen zu können.
  • Die Assistenzsensoren für Bremsassistenzsysteme sind in der Regel etwas einfacher realisiert und basieren hierbei meist auf dem Prinzip eines Halleffekts, bzw. es gelangen hierbei sogenannte Hallsensoren zum Einsatz.
  • Eine Gemeinsamkeit dieser unterschiedlichen Assistenzsensoren ist darin zu sehen, dass alle Assistenzsensoren Daten bzw. Informationen erfassen, und diese erfassten Informationen bzw. Daten, per Schnittstelle an das jeweilige „Zentralsteuergerät" bzw. entsprechende „Zentralelektronik" übermittelt.
  • Als Zentralgerät bzw. Zentralelektronik sind hierbei die Einheiten zu verstehen, in diesen der eigentliche Algorithmus (μC) implementiert ist, wobei sich diese Einheiten nicht zwangsläufig in der Zentrale (Mitte) des Fahrzeugs befinden müssen. Der Einfachheit wegen, wird nachfolgend nur noch der Begriff „Zentralgerät" verwendet.
  • Anhand der Vielzahl dieser Assistenzsensoren im Fahrzeug, werden die Schnittstellen hierbei meist als sogenannte Zwei-Draht-Schnittstellen realisiert, um den Verkabelungsaufwand auf das nötigste zu begrenzen zu können. Die Besonderheit bei diesen sogenannten Zwei-Draht-Schnittstellen ist darin zu sehen, dass mittels dieser Schnittstelle sowohl die Energieversorgung des Assistenzsensors wie auch die Datenübertragung vom Assistenzsensor zum Zentralgerät erfolgt, indem die zu übertragenden Daten vom Assistenzsensor per Strommodulation auf den vom Zentralgerät bereitgestellten Versorgungsstrom aufmoduliert werden.
  • Aus der Schrift DE 196 09 290 C2 ist beispielsweise ein Airbagsystem bekannt, bei diesem mittels Strommodulation bei einer Zwei-Draht-Schnittstelle, die Daten von den Assistenzsensoren zum Zentralgerät übertragen werden.
  • Aus der Schrift DE 103 21 679 B4 ist beispielsweise ein weiteres Insassenschutzsystem bekannt, bei diesem mittels Strommodulation bei einer Zwei-Draht-Schnittstelle, die Daten von den Assistenzsensoren zum Zentralgerät übertragen werden.
  • Als Nachteil bei all diesen offenbarten Realisierungen kann betrachtet werden, dass die Assistenzsensoren über eine erhöhte Spannungsfestigkeit verfügen müssen, um resistent gegen Leck- und Kurzschlüsse gegenüber Spannungsführenden Leitungen zu sein, insbesondere dann wenn diese Leitungen ein erhöhtes Spannungspotential gegenüber Fahrzeugmasse aufweisen, da gemäß einschlägigen Kfz-Spezifikations-Anforderungen alle Leitungen kurzschlusssicher gegen Fahrzeugmasse und Fahrzeugbatterie realisiert sein müssen.
  • Diese Forderung bedeutet letztendlich, dass die Assistenzsensoren bzw. die sich darin befindlichen elektronischen Schaltungen/Komponenten (meist als ASIC/Halbleiter realisiert) gemäß dem Stand der Technik eine Spannungsfestigkeit von ca. 30 Volt aufweisen müssen, um resistent gegenüber einem Kurzschluss zu einer Spannungsführenden Leitung zu sein, wenn zeitgleich der Betriebszustand „Jump-Start" vorliegt.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung vorzustellen, welche es ermöglicht, dass bei der Realisierung der Assistenzsensoren kostengünstige Halbleiterprozesse zum Einsatz gelangen können und andererseits die Spannungsfestigkeit insgesamt gewährleistet bleibt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale untereinander denkbar sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die Masse-Rückleitung der Zwei-Draht-Schnittstelle, in Abhängigkeit der tatsächlichen vorhandenen Spannung an der Versorgungsleitung der Zwei-Draht-Schnittstelle, spannungsmäßig in der Art verändert bzw. angepasst/nachgeführt wird, sodass die sich ergebende Differenz zwischen den beiden Leitungen der Zwei-Draht-Schnittstelle, zu keinem Zeitpunkt eine vorgegebene Grenzwertspannung überschreiten kann.
  • Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es zeigen:
  • Die Zeichnungen zeigen in
  • 1: Eine Prinzip-Darstellung eines Zentralgerätes mit einem ausgelagerten Satelliten, sowie dessen Anbindung an das Zentralgerät mittels einer Zwei-Draht-Schnittstelle, gemäß dem Stand der Technik.
  • 2: Eine Prinzip-Darstellung analog der 1, wobei ein Kurzschluss der Zwei-Draht-Schnittstelle gegenüber einer Spannungsführenden Leitung gezeigt ist.
  • 3: Eine Prinzip-Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Lösungsbeispiels
  • 4: Eine Prinzip-Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Lösungsbeispiels.
  • 5: Eine Prinzip-Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen Lösungsbeispiels.
  • Die 1 zeigt eine Prinzip-Darstellung eines Zentralgerätes (2) mit einem ausgelagerten Satelliten (3) als zu versorgende Baugruppe sowie dessen Anbindung an das Zentralgerät mittels einer Zwei-Draht-Schnittstelle (8.1, 8.2) gemäß dem Stand der Technik.
  • Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist das Zentralgerät (2) (ECU/Steuergerät) mittels zwei Leitungen 5.1 (UBatt) und 5.2 (Masse) an das Kfz-Bordnetz angeschlossen, um daraus das zentralgeräteinterne Netzteil (2.2) zu versorgen, welches die für das System erforderlichen Spannungen generiert. Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, weist das Zentralgerät eine Spannungsquelle (2.3.1), zur Versorgung des Assistenzsensors/Satelliten (3), sowie eine Strom-Aufbereitungsschaltung (2.3.2), zur Erfassung des modulierten Stromes auf der Versorgungsleitung (8.1), auf. Die somit ermittelte Stromsignalinformation wird dem μC (2.1) zur weiteren Verarbeitung bereit gestellt. Die Spannungsquelle (2.3.1) sowie die Strom-Aufbereitungsschaltung (2.3.2) sind vorzugsweise als ASIC (2) bzw. Halbleiterschaltung (2) realisiert.
  • Der Assistenzsensor (3) bzw. auch Satellit (3) genannt, ist ebenso wie das Zentralgerät nur prinzipiell dargestellt, und besteht aus dem Sensorelement (3.2), einem μC (3.1) (alternativ einer hart verdrahteten Logik), sowie einer Strom-Modulationseinheit (3.3), mittels dieser dem Satellitenversorgungsstrom auf der Versorgungsleitung (8.1) eine Stromsignalinformation (4) aufmoduliert werden kann. Die Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle, ist im Zentralgerät (2) direkt bzw. niederohmig mit Masse verbunden.
  • Die 2 zeigt eine Prinzip-Darstellung analog der 1, wobei ein Kurzschluss (6) an der positiven Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle gegenüber einer Spannungsführenden Leitung (7) gezeigt ist. Wie aus der Darstellung weiter ersichtlich ist, kann die Leitung (7), welche im typischen Fall die Kfz-Batteriespannung (Toleranzbereich von 6 V bis 16,5 Volt) führt, im Falle eines „Jump-Starts" 27 Volt Spannungspotential aufweisen, wobei diese Spannung infolge des Kurzschlusses (6) dann am Sensor (3) ansteht.
  • Die 3 zeigt eine Prinzip-Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Lösungsbeispiels zur Erlangung des gewünschten Effektes. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird die Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle, in Abhängigkeit der tatsächlichen vorhandenen Spannung an der Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle, spannungsmäßig mit der Regeleinheit (2.4) in der Art verändert bzw. angepasst/nachgeführt wird, sodass die sich ergebende Differenz zwischen den beiden Leitungen (8.1, 8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle, zu keinem Zeitpunkt eine vorgegebene Grenzwertspannung überschreiten kann, wobei die gewünschte bzw. maximal zulässige Differenzspannung mittels der Zenerdiode (2.5) vorgegeben wird.
  • Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, wird mit der Regeleinheit (2.4) in Verbindung mit der Zenerdiode (2.5) das Potential der Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle im Prinzip solange gegen Masse gehalten, solange die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen (8.1, 8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle die Zenerspannung der Zenerdiode (2.5) nicht erreicht hat. Nimmt die Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle hingegen eine Spannung an, welche größer ist als die Zenerspannung der Zenerdiode (2.5), so wird im Prinzip das Potential der Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle kontinuierlich mittels Hilfe der Regeleinheit (2.4) um den Betrag nachgeführt, um diesen das Potential an der Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle, die Zenerspannung der Zenerdiode (2.5) überschreitet.
  • Neben dem Vorteil, dass mittels dieser Realisierung im Zentralgerät (2), der Assistenzsensor (3) bzw. Satellit (3) (unter Erfüllung der einschlägigen Kfz-Spezifikations-Anforderungen), nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit (deutlich geringer als 27 Volt) aufweisen muss, und somit günstigere Halbleiterprozesse bei der Satellitenrealisierung zur Anwendung gelangen können, kann neben der Spannungs-Robustheit ein weiterer Vorteil erlangt werden, welcher darin zu sehen ist, dass zusätzlich auch eine zusätzliche Datenübertragungs-Robustheit gegenüber Einfachfehlern erlangt werden kann, sofern (wie nicht näher gezeigt), auch in der Regeleinheit (2.4) eine Strom-Aufbereitungsschaltung (2.3.2) zur Erfassung des Modulationsstromes implementiert wird, da dann in diesem Fall (Fehlerfall), dann die Auswertung des Modulationsstromes über die Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle erfolgen kann. Die genannten Vorteile sind in analoger Art, auch mittels der nachfolgenden Lösungsbeispiele gemäß der 4 und 5 erreichbar.
  • Die 4 zeigt eine Prinzip-Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Lösungsbeispiels zur Erlangung des gewünschten Effektes. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird die Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle, in Abhängigkeit der tatsächlichen vorhandenen Spannung an der Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle, spannungsmäßig mit der Regeleinheit (2.6) in der Art verändert bzw. angepasst/nachgeführt, sodass die sich ergebende Differenz zwischen den beiden Leitungen (8.1, 8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle, zu keinem Zeitpunkt eine vorgegebene Grenzwertspannung überschreiten kann, wobei die gewünschte bzw. maximal zulässige Differenzspannung mittels der Zenerdiode (2.5) vorgegeben wird.
  • Wie aus der für den Fachmann selbsterklärenden Darstellung wieder ersichtlich ist, wird mit der Regeleinheit (2.6) in Verbindung mit der Zenerdiode (2.5) das Potential der Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle im Prinzip solange gegen Masse gehalten, solange die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen (8.1, 8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle die Zenerspannung der Zenerdiode (2.5) nicht erreicht hat. Nimmt die Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle hingegen eine Spannung an, welche größer ist als die Zenerspannung der Zenerdiode (2.5), so wird im Prinzip das Potential der Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle kontinuierlich mittels Hilfe der Regeleinheit (2.6) um den Betrag nachgeführt, um diesen das Potential an der Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle, die Zenerspannung der Zenerdiode (2.5) überschreitet.
  • Die 5 zeigt eine Prinzip-Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen Lösungsbeispiels, zur Erlangung des gewünschten Effektes. Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird die Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle in Abhängigkeit der tatsächlichen vorhandenen Spannung an der Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle, spannungsmäßig mit der Stromsenke (2.8) in Verbindung mit der Zenerdiode (2.7) in der Art verändert bzw. angepasst/nachgeführt wird, sodass die sich ergebende Differenz zwischen den beiden Leitungen (8.1, 8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle, zu keinem. Zeitpunkt eine vorgegebene Grenzwertspannung überschreiten kann, wobei die gewünschte bzw. maximal zulässige Differenzspannung mittels der Zenerdiode (2.7) vorgegeben wird.
  • Wie aus der für den Fachmann selbsterklärenden Darstellung wieder ersichtlich ist, wird mit der Stromsenke (2.8) in Verbindung mit der Zenerdiode (2.7) das Potential der Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle im Prinzip solange gegen Masse gehalten, solange die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen (8.1, 8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle die Zenerspannung der Zenerdiode (2.7) nicht erreicht hat. Nimmt die Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle hingegen eine Spannung an, welche größer ist als die Zenerspannung der Zenerdiode (2.7), so wird im Prinzip das Potential der Masse-Rückleitung (8.2) der Zwei-Draht-Schnittstelle kontinuierlich mittels Hilfe der Zenerdiode (2.7) um den Betrag nachgeführt, um diesen das Potential an der Versorgungsleitung (8.1) der Zwei-Draht-Schnittstelle, die Zenerspannung der Zenerdiode (2.7) überschreitet.
  • Allen drei gezeigten Lösungen ist gemeinsam, dass zur Erlangung einer ausgeglichenen Verteilung der Verlustleistung auf dem ASIC (2) die Verlustleistung in nicht näher gezeigter Weise durch geeignete Schaltungsmaßnahmen, je auf die beiden Komponenten Spannungsquelle (2.3.1) sowie Regeleinheit (2.4, 2.6) bzw. Stromsenke (2.8), prozentual nach Wunsch aufgeteilt werden kann.
  • Abschließend sei der Vollständigkeit noch angemerkt, dass wie Eingangs schon erwähnt, es sich bei den genannten Zentralgeräten nicht zwangsläufig um Elektroniksysteme handelt, welche sich zwangsläufig direkt in der Zentrale (Mitte) des Fahrzeugs befinden müssen, sondern das die Elektroniksysteme auch versetzt von der Mitte angeordnet sein können, sowie bei den ausgelagerten Satelliten (Assistenzsensoren) im Sinne der Erfindung, um jede Art von Baugruppen handeln kann, welche als gegenüber dem Gehäuse potentialfreie Zwei-Pol-Elektronik realisiert sind, und mittels einer Zwei-Draht-Schnittstelle mit dem Zentralgerät verbunden sind.
    • 1
    Insassenschutzsystem mit Zentralgerät und Sattelit
    2
    Zentralgerät (Steuergerät)
    2.1
    μC
    2.2
    Netzteil/Spannungsaufbereitung
    2.3
    ASIC/Halbleiter
    2.3.1
    Spannungsquelle
    2.3.2
    Strom-Aufbereitungsschaltung
    2.4
    Regeleinheit
    2.5
    Zenerdiode
    2.6
    Regeleinheit
    2.7
    Zenerdiode
    2.8
    Stromsenke
    3
    Satellit/Assistenzsensor
    3.1
    μC
    3.2
    Sensor
    3.3
    Strom-Modulationseinheit
    4
    Information/Daten, in Form eines aufmodulierten Stromes
    5.1
    Bordnetzversorgung „Plus"/UBatt. (Klemme 15)
    5.2
    Bordnetzversorgung „Masse" (Fahrzeugstruktur)
    6
    Kurzschluss
    7
    Spannungsführende Leitung
    8.1
    Versorgungsleitung der Zwei-Draht-Schnittstelle
    8.2
    Masse-Rückleitung der Zwei-Draht-Schnittstelle
    ⟘
    Massepotential
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19609290 C2 [0010]
    • - DE 10321679 B4 [0011]

Claims (5)

  1. Verfahren zur Versorgung einer elektrischen Baugruppe (3) in einem Fahrzeug aus einem Gleichspannungsbordnetz (5.1), wobei die Baugruppe über eine Hinleitung (8.1) mit dem Gleichspannungsbordnetz und über eine Rückleitung (8.2) mit einer Gleichspannungssenke (⟘) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungspotential auf der Rückleitung (8.2) so gesteuert wird, dass der Spannungsdifferenz (ΔU) zwischen der Hin- und der Rückleitung unter einem vorgegebenen Wert bleibt.
  2. Versorgungseinheit zur Versorgung einer elektrischen Baugruppe in einem Fahrzeug aus einem Gleichspannungsbordnetz (5.1), wobei die Baugruppe über eine Hinleitung (8.1) mit dem Gleichspannungsbordnetz und über eine Rückleitung (8.2) mit einer Gleichspannungssenke (⟘, 2.8) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erfassen der Spannungsdifferenz (ΔU) zwischen der Hin- und Rückleitung und Mittel zur Steuerung des Spannungspotentials auf der Rückleitung (8.2) in Abhängigkeit von der erfassten Spannungsdifferenz (ΔU) vorgesehen sind.
  3. Versorgungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungssenke (⟘, 2.8) so steuerbar ausgebildet ist, dass die Spannungsdifferenz (ΔU) zwischen der Hin- und der Rückleitung unter einem vorgegebenen Wert bleibt.
  4. Versorgungseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungseinheit zwischen der Hin- und der Rückleitung eine Zenerdiode (2.5, 2.7) so geschaltet ist, dass diese bei einer Spannungsdifferenz über dem vorgegebenen Wert durchlässig ist.
  5. Steuergerät für Insassenschutzsystem mit einer Versorgungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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