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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerbaugruppe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Vorrichtungen zum Schutz vor Überspannungen im Kraftfahrzeug vorzusehen, wie sie durch plötzliches Abschalten induktiver Lasten entstehen können. Insbesondere für den Fall, dass die elektrische Verbindung zwischen einer im Ladebetrieb befindlichen Batterie und dem Generator schlagartig unterbrochen wird, sind derartige Vorrichtungen ausgelegt. Dieser Fall ist als Load-Dump bekannt und insbesondere für empfindliche elektronische Bauelemente, wie sie z.B. in Steuergeräten verwendet werden, bedrohlich.
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Eine Begrenzungsschaltung, welche für den Load-Dump-Fall zur Anwendung gelangt, zeigt die Druckschrift
DE 10 2007 027 482 A1 , mittels derer die Ausgangsspannung auf einen für die Elektronik ungefährlichen Wert begrenzt werden kann. Deren Ausgangsspannung ist insbesondere im Überspannungsfall jedoch stark schwankend, eine damit gebildete Steuerbaugruppe insoweit verbesserungsfähig.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerbaugruppe vorzuschlagen, deren Spannungsregelung sowohl im Normal- als auch im Überspannungsfall insbesondere für ununterbrochen zu betreibende Komponenten eine weitgehende konstante Spannung liefern kann, wobei die Spannungsregelung kostengünstig auslegbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Steuerbaugruppe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Steuerbaugruppe, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, welche zur Bildung eines Steuergeräts vorgesehen ist, z.B. eines Getriebe- oder eines Motorsteuergeräts, insbesondere zur Bildung einer mechatronischen Getriebesteuerung oder einer integrierten Steuerung. Die Steuerbaugruppe umfasst insbesondere einen Mikrocontroller zur Ausbildung der Steuerfunktionalität. Bevorzugt bildet die Steuerbaugruppe ein Steuergerät.
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Die Steuerbaugruppe weist einen Spannungsregler auf, welcher dazu ausgebildet ist, basierend auf einer variablen Eingangsspannung an einem Eingang der Steuerbaugruppe, welche als Versorgungsspannung für die Steuerbaugruppe bereitgestellt ist, z.B. einer Bordnetz-Batteriespannung, eine Spannung eines definierten Niveaus, insbesondere eine möglichst konstante Spannung bzw. Ausgangsspannung für eine Mehrzahl von Verbrauchern bereitzustellen. Derartige Verbraucher, deren Begrifflichkeit vorliegend auch Verbraucherbaugruppen unterfallen, sind insbesondere Komponenten der Steuerbaugruppe und/oder z.B. externe Komponenten – z. B. ein Mikrocontroller, ein Sicherheitsrechner, insbesondere eine oder mehrere Endstufen, welche z.B. mit Ventilen und/oder Aktuatoren wirkverbunden sind.
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Bevorzugt ist der Spannungsregler der Steuerbaugruppe als linearer Spannungsregler ausgebildet, welcher gegenüber einem Schaltregler den Vorteil der störungsärmeren Ausgangsspannung aufweist. Der Spannungsregler wirkt im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Überspannungsfall hierbei spannungsbegrenzend. Der Spannungsregler ist vorzugsweise als integrierte Schaltung gebildet, insbesondere als Längsregler, alternativ z.B. als Querregler.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ferner vorgesehen, die Ausgangsspannung, die der Spannungsregler für eine Mehrzahl von Verbrauchern dauerhaft zur Verfügung stellt, mittels desselben auf einen Wert zu begrenzen, welcher unterhalb des Werts der Eingangsspannung liegt, insbesondere bei Überspannung. Der Spannungsregler bildet hierbei insofern auch im Normalbetriebsfall, einen Begrenzer bzw. Limitierer, welcher als Tiefsteller arbeitet. Durch Einsatz des Spannungsreglers zur dauerhaften Begrenzung der Ausgangsspannung, wird es vorteilhaft ermöglicht, die Steuerbaugruppe auf eine geringere Spannungsfestigkeit auszulegen, z.B. auf 40V, als die maximale Eingangsspannung bei Überspannung, z.B. 58V, es erfordern würde. Hierdurch wird vorteilhaft der Einsatz von günstigen Bauelementen aus dem PKW-Bereich, welche z.B. für 40V ausgelegt sind, in einem NKW ermöglicht, dessen Bordnetzspannung ca. 60V betragen kann.
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Um den Spannungsregler insbesondere kostengünstig dimensionieren zu können und dennoch im Überspannungsfall eine möglichst konstante, begrenzte Spannung für ausfallfrei, i.e. ohne Reset, zu betreibende bzw. zu versorgende Komponenten der Steuerbaugruppe, insbesondere deren Mikrocontroller, bereitstellen zu können, ist die Steuerbaugruppe ferner dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer erkannten Überspannung am Eingang selektiv einen mittels des Spannungsreglers versorgten Lastausgang für einen der Verbraucher bzw. eine Verbraucherbaugruppe lastfrei zu schalten.
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Ein solcher Lastausgang ist insbesondere ein solcher, dessen darüber versorgter Verbraucher eine Betriebsunterbrechung erlaubt und weiterhin insbesondere ein solcher, mittels dessen Abschaltung die Verlustleistung merklich reduziert werden kann. Vorzugsweise wird ein Lastausgang lastfrei geschaltet, welcher mit den Endstufen und insofern deren Aktuatoren oder Ventilen verbunden ist. Der Strom bzw. Laststrom im Spannungsregler wird bei einer Lastfreischaltung reduziert und insofern die Verlustleistung. Infolge des nunmehr geringeren Stromes kann der Spannungsregler weiterhin eine konstante, begrenzte Ausgangsspannung für die ausfallsicher zu betreibenden Komponenten liefern ohne dabei übermäßig zu erhitzen oder Schaden zu nehmen. Die Verwendung eines kostengünstigen Spannungsreglers, welcher nicht zur Führung der andernfalls hohen Lastströme ausgelegt sein muss, wird folglich ermöglicht.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerbaugruppe zur selektiven Lastfrei-Schaltung des Lastausgangs ein Steuersignal generiert, mittels dessen der Verbraucher abgeschaltet wird, insbesondere eine Endstufe. Das Steuersignal wird z.B. einem Signaleingang eines jeweiligen als Last abzuschaltenden Verbrauchers zur Verfügung gestellt, woraufhin dessen Elektronik eine Abschaltung desselben und insofern eine Lastfreischaltung am Lastausgang bewirken kann. Für ein Lastfreischalten ist vorzugsweise eine Triggervorrichtung vorgesehen, welche zur Überspannungserkennung eine Sensorik aufweist, z.B. eine integrierte Sensorik, wobei die Triggervorrichtung bei Überschreiten einer bestimmten Spannungshöhe für insbesondere eine bestimmte Dauer ein Steuersignal ausgibt, z. B. die Abschaltung auslöst.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuerbaugruppe einen Schalter aufweist, z.B. je selektiv lastfreischaltbarem Lastausgang, welcher bei erkannter Überspannung den Lastausgang selektiv abschaltet. Für ein Lastfreischalten kann die Triggervorrichtung vorgesehen sein, welche bei Überschreiten einer bestimmten Spannungshöhe für insbesondere eine bestimmte Dauer den Schalter in Abhängigkeit der erkannten Überspannung ansteuert. Z.B. kann die Triggervorrichtung im Überspannungsfall einen normal geschlossenen Schalter im Lastkreis eines Lastausgangs offen steuern, den Lastkreis insofern unterbrechen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, einen Lastausgang erst nach Verstreichen einer vorbestimmten Filterzeit selektiv lastfrei zu schalten, d.h. derart, dass schnelle Überspannungs-Transienten nicht zu einem unnötigen Abschalten eines Lastausgangs führen. Mit anderen Worten wird ein Lastausgang nach einer vorbestimmten Überspannungsdauer selektiv lastfrei geschaltet. Eine solche Filterfunktion kann in die Triggervorrichtung integriert sein oder alternativ getrennt davon gebildet sein.
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Vorzugsweise ist die Steuerbaugruppe dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer erkannten Überspannung am Eingang selektiv eine Mehrzahl mittels des Spannungsreglers versorgter Lastausgänge für je einen Verbraucher lastfrei zu schalten. Z.B. können sämtliche vom Spannungsregler über Lastausgänge versorgte Endstufen abgeschaltet bzw. deren Lastausgänge lastfrei geschaltet werden, so dass sich eine maximierte Laststromreduzierung einstellt. Allgemein ist angestrebt, im Überspannungsfall einen oder mehrere Lastausgänge der Verbraucher hoher Leistung lastfrei zu schalten.
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Bevorzugt ist die Steuerbaugruppe dazu ausgebildet, den bzw. die Mehrzahl selektiv lastfrei geschalteter Lastausgänge nach Wegfall der Überspannung wieder an die jeweilige Last zu schalten. Dies kann ebenfalls durch die Triggervorrichtung initiiert und/oder durchgeführt werden. Ein Wiedereinschalten kann ebenfalls verzögert erfolgen, z.B. nach einer gewissen Filterzeit, so dass der Spannungsregler keinesfalls überlastet wird. Z.B. kann ein Schalter angesteuert oder ein weiteres Steuersignal an einen abgeschalteten Verbraucher an einem Lastausgang ausgegeben werden, welches ein Wiedereinschalten desselben bewirkt. Allgemein kann jedweder Ab- oder Zuschaltvorgang einer Last an einem Lastausgang soft- oder hardwareseitig erfolgen.
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Neben dem Spannungsregler kann zusätzlich eine Verpolschutzschaltung vorgesehen sein, z.B. ein in Anti-Reihe geschalteter MOS-Transistor.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch eine Steuerbaugruppe gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
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2 exemplarisch eine Detailansicht der Steuerbaugruppe in einem NKW-Bordnetz.
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1 zeigt exemplarisch eine Steuerbaugruppe 1 mit einem linearen Spannungsregler 2, insbesondere einem tiefstellenden Längsregler, welcher eine Eingangsspannung UE der Steuerbaugruppe 1 limitiert, d.h. kontinuierlich, und basierend auf der variablen Eingangsspannung UE eine Ausgangsspannung UA eines definierten Niveaus für eine Mehrzahl von Verbrauchern 3a, 3b der Steuerbaugruppe 1 liefert. Mittels der Ausgangsspannung UA werden die Verbraucher 3a, 3b unmittelbar, Pfeil A, oder mittelbar, Pfeile B, versorgt.
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Ein Verbraucher 3a ist hierbei mittels des Microcontrollers der Steuerbaugruppe 1 sowie dessen zugehörige Peripherie gebildet, die Verbraucherbaugruppe 3b durch eine Endstufe 4 sowie wirkverbundene Ventile 5, alternativ z.B. Aktuatoren.
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Die Steuerbaugruppe 1 weist einen Signalpfad 6 auf, welcher einerseits mit einer eingangsseitigen Triggervorrichtung 7 der Steuerbaugruppe 1 verbunden ist, Bz. 6a, und andererseits mit der Endstufe 4, Bz. 6b. Bei Erkennen einer Überspannung UE am Eingang erzeugt die Triggervorrichtung 7 mittels einer Sensorik zur Überspannungserkennung ein Steuersignal für die Endstufe 4. Das Steuersignal wird über den Signalpfad 6 der Endstufe 4 zugeführt, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Steuersignals selektiv abzuschalten.
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Bei Anliegen des Steuersignals an einem Steuereingang, Bz. 6b, der Endstufe 4 schaltet sich diese ab, so dass der zugehörige Lastausgang 8 der Steuerbaugruppe lastfrei geschaltet wird, d.h. die Last 3b wird abgeworfen. Wird durch die Triggervorrichtung 7 erkannt, dass die Überspannung unter einen Schwellwert gefallen ist, z.B. infolge eines Abklingens der Überspannung nach einem Load-Dump, wird die Ausgabe des Steuersignals an die Endstufe 4 gestoppt. Infolge des Wegfalls des Steuersignals aktiviert sich die Endstufe 4 wieder, d.h. wiederum getriggert durch die Triggervorrichtung 7. Die Last 3b wird infolge des Wegfalls des Steuersignals wieder an den Lastausgang 8 geschaltet.
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Die Triggervorrichtung 7 ist dazu ausgebildet, ein Steuersignal nur nach Überschreiten einer vorbestimmten Überspannungsdauer und einer vorbestimmten Überspannungshöhe auszugeben, weist insofern Filterfunktionalität auf.
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2 zeigt die Anwendung der Steuerbaugruppe 1 in einem NKW-Bordnetz, dessen Bordnetzspannung, korrespondierend mit einer Eingangsspannung UE, z. B. bis zu 60V betragen kann. Vorteilhaft ist die Steuerbaugruppe 1 hierbei durch kontinuierliche Ausgangsspannungsbegrenzung mittels des linearen Spannungsreglers 2 auf z.B. 36V bis 45V mittels günstiger Bauelemente aus dem PWK-Bereich gebildet, deren Spannungsfestigkeit geringer ist als jene korrespondierender Bauelemente aus dem NKW-Bereich.
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Der Spannungsregler 2 versorgt hierbei mittels jeweiliger Ausgänge 2b, 2c die Verbraucher 3a, 3b der Steuerbaugruppe 1, i.e. jeweils mittels einer möglichst konstanten Ausgangsspannung UA. Die Ausgänge 2a, 2b sind weiterhin mittels Filterkondensatoren 9 beschaltet.
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Am Eingang 2a des Spannungsreglers 2 ist ein Abgriff 10 für die Triggervorrichtung 7 ausgebildet, welche als IC ausgeführt ist und mittels welchem Abgriff 10 dieselbe eine als Eingangsspannung UE anliegende Überspannung detektiert und verzögert ein Steuersignal für eine Lastfreischaltung eines Lastausgangs 8 der Steuerbaugruppe 1 ausgibt, i.e. via Signalpfad 6. Detektiert die Triggervorrichtung 7 einen Rückgang der Überspannung wird das Steuersignal insbesondere verzögert abgeschaltet, die mit dem Lastausgang 8 verbundene Last, insbesondere in Form der Endstufe 4, wieder aktiviert bzw. eingeschaltet.
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Angemerkt sei hierbei, dass der Betrieb des Mikrocontrollers der Steuerbaugruppe 1 bzw. die Steuerfunktionalität während der selektiven Lastfrei-Schaltung aufrecht erhalten wird, insbesondere der Betrieb sämtlicher ununterbrochen zu betreibender Verbraucher 3a. Insbesondere wird hierbei im Überspannungsfall eine weitgehend konstante Spannung durch den linearen Spannungsregler 2 für dieselben bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerbaugruppe
- 2
- Spannungsregler
- 2a
- Eingang 2
- 2b, c
- Ausgänge 2
- 3a, b
- Verbraucher
- 4
- Endstufe
- 5
- Ventile
- 6
- Signalpfad
- 6a
- Ausgang 7
- 6b
- Eingang 4
- 7
- Triggervorrichtung
- 8
- Lastausgang
- 9
- Filterkondensator
- 10
- Abgriff
- UE
- Eingangsspannung 2
- UA
- Ausgangsspannung 2
- A, B
- Spannungsversorgung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027482 A1 [0003]
