Technisches Gebiet
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Der Überlastschutz elektrischer Komponenten in den Bordnetzen von Kraftfahrzeugen
erfolgt heute noch vorwiegend über Schmelzsicherungen. Diese dienen dem Überlastschutz
und unterbrechen die elektrische Verbindung zum nachgeschalteten Verbraucher, wenn die
Schmelzsicherung infolge eines zu hohen elektrischen Stromes schmilzt. Die
Schmelzsicherungen sind an einer oder mehreren zentralen Stelle(n) im Fahrzeug untergebracht, wo
sie in Sicherungskästen zusammengefasst sind.
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Stand der Technik
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In Bordnetzen von Kraftfahrzeugen als Überlastschutz dienende Schmelzsicherungen sind
in der Regel in einem oder mehreren Sicherungskästen aufgenommen. Die
Sicherungskästen enthalten eine Anzahl durch farbliche Kennzeichnungen voneinander unterscheidbare
Schmelzsicherungen, mit denen verschiedene elektrische Aggregate im Fahrzeug entweder
einzeln oder gruppenweise abgesichert sind. Je nach Stärke des in der elektrischen
Leitungsverbindung fließenden Stroms sind in Sicherungskästen verschiedene
Schmelzsicherungen untergebracht. Deren Querschnitt ist jeweils auf die Stromstärke in der elektrischen
Leitung bei Normalbetrieb des elektrischen Verbrauchers im Bordnetz abgestimmt. Bei
auftretenden Kurzschlüssen und demzufolge stark ansteigendem Strom I schmelzen die
Querschnitte der Schmelzsicherungen an den dafür vorgesehenen Sollbruchstellen, der
elektrische Verbraucher wird mithin vom Bordnetz des Fahrzeugs getrennt.
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Die Vielzahl elektrischer Verbraucher in heutigen Kraftfahrzeugen macht es erforderlich,
durch eine entsprechend große Anzahl verschiedener Schmelzsicherungen, abgestimmt auf
die Stromstärke bei Normalbetrieb der jeweiligen elektrischen Leitung, vorzuhalten. Die
Schmelzsicherungen stellen einen Kostenfaktor dar, ferner benötigen die Sicherungskästen,
in denen die Schmelzsicherungen untergebracht sind, Bauraum im Innenraum eines
Fahrzeugs.
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Darstellung der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung können elektrische Verbraucher in Bordnetzen von
Kraftfahrzeugen gegen Überlastung ohne den Einsatz von Schmelzsicherungen abgesichert
werden. Dazu wird die Sicherungsfunktion in das Steuergerät verlagert, welches nunmehr
High-Side-Schaltelemente umfasst, die als Leitungsschutzelemente für einzelne elektrische
Aggregate oder in Funktionseinheiten zusammengefasste elektrische Aggregate dienen.
Die Schaltfunktion für die einzelnen oder in Funktionsgruppen zusammengefassten
elektrischen Aggregate werden mittels Low-Side-Schaltelementen einzeln und individuell
geschaltet. Durch die gewählte Lösung kann ein Schmelzsicherungen enthaltender
Sicherungskasten im Kraftfahrzeug entfallen.
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lassen sich elektrische Verbraucher bei
abgeschaltetem Fahrzeug vom Fahrzeugbordnetz abtrennen. Neben dieser Abtrennfunktion
können die High-Side-Schaltelemente auch die Relaisfunktion übernehmen. Durch den
Einsatz von High-Side-Schaltelementen können die Kosten für Sicherungen, Relais,
Sicherungs- und Relaiskästen sowie die Verkabelung zwischen diesen Baukomponenten
erheblich reduziert werden. Durch die vorgeschlagene Lösung kann zusätzlich Bauraum durch
Entfall des Sicherungskastens gewonnen werden.
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Die im Steuergerät eingesetzten, zum Teil hochintegrierten Endstufen werden als
Funktionsschalter für die elektrischen Aggregate eingesetzt, so dass deren Modifikation zur
Integration eines Leitungsschutzes nicht erforderlich ist. Die den Leitungsschutz
übernehmenden elektronischen Bauelemente ermöglichen die zerstörungsfreie Unterbrechung des
Stromkreises bei auftretender Überlastung der elektrischen Aggregate bzw. Verbraucher
sowie im Falle des Auftretens von Kurzschlüssen. Die High-Side-Bauelemente werden so
eingebaut, dass ihre jeweilige Sicherungsschwelle auf die elektrischen Aggregate bzw.
Verbraucher oder Funktionsgruppen elektrischer Aggregate, wie zum Beispiel eine der
Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine entsprechende Anzahl von Einspritzventilen
oder Zündspulen, abgestimmt ist.
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Nach einem aufgetretenen Fehlerfall im elektrischen Leitungssystem zu einem elektrischen
Verbraucher bzw. einer Funktionsgruppe mehrerer elektrischer Verbraucher können die
eingesetzten High-Side-Schalter mittels eines Rücksetz-Signals zurückgesetzt werden und
im Steuergerät wieder die ihnen obliegende Sicherungsfunktion übernehmen.
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Da der Strom über Eingänge am Steuergeräteprozessor erfasst wird, kann bei zu hohen
auftretenden Strömen der Strom durch den am Prozessor vorgesehenen High-Side-Schalter
abgeschaltet werden. Die solcherart verwirklichte Sicherungsfunktion ist sehr flexibel und
kann intelligent an Aggregatedaten und Betriebszustände, wie zum Beispiel
Einschaltzustände von Aggregaten, Anlaufströme von Motoren und drehzahlabhängige Lasten, wie
beispielsweise Zündspulen, angepasst werden. Der Prozessor, der mit einer Anzahl von
schaltbaren High-Side-Schaltelementen verbunden ist, kennt bei Auftreten eines Fehlers
den High-Side-Schalter, der abgeschaltet worden ist, weil zum Beispiel zu hohe Ströme
flossen oder ein Kurzschluss aufgetreten ist. Die Kenntnis des Ortes, an welchem der
Fehler aufgetreten ist, kann zum Beispiel an den Bordcomputer eines Fahrzeugs übermittelt
werden oder im Rahmen einer Werkstattdiagnose durch das Motorsteuergerät übermittelt
und ausgelesen werden. Bei nur kurzzeitig auftretenden Kurzschlüssen (Wackelkontakte)
kann der Fehler auf einfache Weise durch Wiederzuschalten des High-Side-
Schaltelementes geheilt werden, wobei zur Fehlerbehebung der Einsatz einer
Ersatzsicherung und damit der Zugang zu einem Sicherungskasten mit der erfindungsgemäßen Lösung
nicht mehr erforderlich ist.
Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 ein Bordnetzkonzept, in welchem Zündspulen und Einspritzventile über diesen
funktionseinheitenweise zugeordnete Leitungsschutzelemente versorgt werden
und
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Fig. 2 einen Schaltplanausschnitt zur Ansteuerung von Zündspulen und
Einspritzventilen an Verbrennungskraftmaschinen.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 zeigt ein Bordnetzkonzept, in welchem Zündspulen und Einspritzventile über
diesen funktionseinheitenweise zugeordnete Leitungsschutzelemente versorgt werden.
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Das Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine
Fahrzeugbatterie 1, welche einen Pluspol 2 und einen Minuspol 3 enthält. Der Minuspol 3 der
Fahrzeugbatterie 1 ist auf Masse 4 gelegt. Der Pluspol 2 der Fahrzeugbatterie 1 ist ungeschützt
an eine Eingangsseite 15 eines Steuergeräts 5 des Kraftfahrzeugs gelegt, welches hier
lediglich in seinem schematischen Aufbau wiedergegeben ist. Das Steuergerät 5 umfasst eine
erste Schaltergruppe, welche als High-Side-Schalter ausgeführt sind. Ferner umfasst das
Steuergerät 5 gemäß der Darstellung in Fig. 1 eine weitere Schaltergruppe 7, die als Low-
Side-Endstufen ausgebildet sind und über separate Leitungen elektrische Aktuatoren,
Verbraucher und Aggregate individuell ansteuern.
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Die High-Side-Schaltungsgruppe 6 umfasst einen ersten Schalter 6.1, der eine
zerstörungsfreie Unterbrechung eines Stromkreises im Fehlerfall und dadurch den Entfall von
Schmelzsicherungen ermöglicht. Mittels des ersten Schalters 6.1, der als ein schaltendes
Halbleiterbauelement ausgebildet ist, werden über eine spannungsführende Leitung 14
einzelne elektrische Aggregate 9.1, 9.2, 9.3 sowie 9.4 einer ersten Funktionseinheit 9 mit
Spannung versorgt. Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen
elektrischen Verbraucher bzw. Aggregate der ersten Funktionsgruppe 9 zum Beispiel als
Einspritzventile ausgebildet, über welche den einzelnen Brennräumen der
Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff zugeführt wird. Der High-Side-Schalter 6.1, der als
Leitungsschutzelement bzw. Überlastschutzelement in der Versorgungsleitung 14 für die
elektrischen Verbraucher 9.1 bis 9.4 der ersten Funktionseinheit 9 aufgenommen ist, schaltet die
jeweiligen elektrischen Verbraucher 9.1 bzw. 9.4 beim Überschreiten seiner Nenndaten
selbsttätig ab. Mittels einer Rückmeldung des aktuellen Stromwertes an einen Widerstand
(vgl. Darstellung gemäß Fig. 2) kann die hier nicht näher dargestellte Software des
Steuergeräts 5 entscheiden, ob Normalbetrieb vorliegt oder gegebenenfalls das High-Side-
Schaltelement 6.1 öffnen.
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Neben den High-Side-Schaltern 6.1 bzw. 6.2 können im Steuergerät 5 gemäß der
Darstellung in Fig. 1 weitere High-Side-Schalter 6.n angeordnet sein, die einzelnen elektrischen
Aggregaten 8.n hinsichtlich von deren Spannungsversorgung zugeordnet sein können.
Mittels des Steuergeräts 5 können demnach nicht nur zu Funktionsgruppen 8 bzw. 9
zusammengefasste elektrische Verbraucher in Gestalt von Einspritzventilen oder Zündspulen,
um ein weiteres Beispiel zu nennen, angesteuert werden, sondern auch einzelne elektrische
Aggregate 8.n, die in das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs integriert sind.
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Neben den angesprochenen High-Side-Schaltelementen 6.1, 6.2 sowie 6.n kann das
Steuergerät 5 des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs in einer Low-Side-Schaltgruppe 7
zusammengefasste Low-Side-Endstufen 7.1 enthalten. Die Low-Side-Schaltelemente 7, 7.1
können hochintegrierte Endstufen als Funktionsschalter aus Motorbesteuerungsan-wendungen
sein, mit denen die einzelnen elektrischen Aggregate bzw. Verbraucher 8.1 bis 8.4 bzw. 9.1
bis 9.4 des Bordnetzes individuell angesteuert werden. Die Schaltelemente 7.1 der Low-
Side-Schaltgruppe 7 sind über individuelle Ansteuerungsleitungen 11 bzw. 12 mit den
einzelnen elektrischen Verbrauchern, seien es in der Fig. 1 dargestellte Zündspulen 8.1, 8.2,
8.3 bzw. 8.4, die in der Funktionsgruppe 8 zusammengefasst sind, seien es Einspritzventile
9.1, 9.2, 9.3 bzw. 9.4, die in der zweiten Funktionsgruppe 9 zusammengefasst sind. An der
Ausgangsseite 16 des Steuergeräts 5 sind die einzelnen elektrischen Aggregate bzw.
Verbraucher 8.1 bis 8.4 und 9.1 bis 9.4 mit den Low-Side-Endstufen 7.1 des Steuergeräts 5
verbunden.
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Gemäß des in Fig. 1 vorgestellten Bordnetzkonzeptes erfolgt die individuelle Schaltung
elektrischer Verbraucher 8.1, 8.2, 8.3 bzw. 8.4 sowie 9.1, 9.2, 9.3 bzw. 9.4 über die in der
Low-Side-Schaltgruppe 7 im Steuergerät 5 zusammengefassten, zum Teil hochintegrierten
Endstufen. Über die Endstufen erfolgt die individuelle Ansteuerung der einzelnen
elektrischen Verbraucher durch die Motorsteuerung, während die im Steuergerät 5 enthaltenen
High-Side-Schaltelemente 6.1, 6.2 bzw. 6.n eine zerstörungsfreie Unterbrechung des
Stromkreises im Fehlerfall ermöglichen. Dies erfolgt in der Regel dann, wenn ein
Kurzschluss aufgetreten ist oder die elektrischen Verbraucher 8.n bzw. 9.n oder Verbraucher
von Funktionsgruppen 8, 9 individuell überlastet sind.
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Die Integration des Leitungsschutzes in das Steuergerät 5 und dessen ungeschützte
Beschaltung vom Pluspol 2 der Fahrzeugbatterie 1 macht das Vorsehen von
Schmelzsicherungen überflüssig, wodurch Bauraum am Kraftfahrzeug gewonnen werden kann. Die
High-Side-Schaltelemente 6, 6.1, 6.2 sowie 6.n sind nach Auftreten eines Fehlers über ein
Software-Rücksetz-Signal wieder in ihren Zustand vor Auftreten einer Überlastung des
jeweils angeschlossenen elektrischen Aggregates 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 bzw. 9.1 bis 9.4 bzw. 8.n
und 9.n überführbar, ohne dass es eines Auswechselns eines Leitungsschutzelements
bedürfte.
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Fig. 2 zeigt einen Schaltplanausschnitt zur Ansteuerung von Zündspulen an einer
Verbrennungskraftmaschine.
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Aus dem elektrischen Schaltbild gemäß der Darstellung in Fig. 2 geht hervor, dass ein
elektronischer Halbleiterbaustein 6.2, der als High-Side-Schaltelement fungiert,
eingangsseitig über eine ununterbrochene Leitung zum Pluspol 2 mit der Fahrzeugbatterie 1 eines
Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Der in der Darstellung gemäß Fig. 2 mit
Bezugszeichen 20 bezeichnete High-Side-Schalter ist ferner an der Eingangsseite 21 mit
einem zweiten Widerstand 27 beschaltet (100 Ohm). An der Ausgangsseite 22 ist der High-
Side-Schalter mit einem elektrischen Aggregat 8.1 in Gestalt einer Zündspule einer
Funktionsgruppe 8 verbunden, in welcher gemäß der Darstellung in Fig. 2 mehrere Zündspulen
8.1, 8.2, 8.3 bzw. 8.4 aufgenommen sein können.
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Die Ansteuerung des als Leitungsschutz fungierenden High-Side-Schalters 20 erfolgt über
einen Transistor T1, hier mit Bezugszeichen 23 gekennzeichnet. Dessen Transistorbasis 24
ist unter Parallelschaltung eines ersten Widerstandes 26 mit einer Eingangsspannung 24
UIN verbunden. Mit Hilfe des Transistors T1 und des Widerstandes 26 kann der Eingang 21
des High-Side-Schaltelementes 20 an die Signalpegel eines Rechnerportes angepasst
werden. Der Rechnerport liefert im allgemeinen entweder ein 0-Volt oder ein 5-Volt-
Pegelsignal, so dass der Eingang 21 des High-Side-Schaltelementes 20 vom UBatt über den
zweiten Widerstand 27 nach Masse gezogen werden muss.
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Wird hingegen ein High-Side-Schaltelement 20 eingesetzt, welches eine direkte
Prozessorportansteuerung erlaubt, können der erste Widerstand 26, der zweite Widerstand 27 sowie
der Transistor 23 entfallen, so dass weitere Schaltelementkosten eingespart werden können.
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Ferner ist dem als Leitungsschutzelement dienenden High-Side-Schalter 20 ein dritter
Widerstand 28 zugeordnet, über welchen der aktuelle Stromwert ermittelt werden kann. Tritt
ein Kurzschluss hinter dem High-Side-Schaltelement 20 auf, schaltet dieser beim
Überschreiten seiner Nenndaten selbsttätig ab. Durch eine Rückmeldung des aktuellen
Stromwertes am dritten Widerstand 28 (Usense) kann die Software entscheiden, ob Normalbetrieb
vorliegt oder gegebenenfalls den High-Side-Schalter 20 wieder öffnen.
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Der High-Side-Schalter 20 kann von der Software gegebenenfalls auch vor Überschreiten
der Nenndaten abgeschaltet werden. Damit kann die Sicherungsfunktion vom High-Side-
Schaltelement 20 in die den Betrieb der am Prozessor angeschlossenen High-Side-
Schaltelemente 20 koordinierende Software eingebettet werden. Die intelligente Sicherung,
die in der Software implementiert sein kann, kann beispielsweise dadurch realisiert werden,
dass erhöhte Einschaltströme von Motoren, Lampen, Kondensatoren und weiterer
elektrischer Bauelemente durch kurzzeitiges Heraufsetzen der Stromschwelle zugelassen werden
und nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne die Sicherung durch Herabsetzen des zuvor
heraufgesetzten Stromwertes wieder sensibel geschaltet werden kann. Die intelligente
Sicherungsfunktion im Rahmen einer Software kann in dieser oft dadurch realisiert werden,
dass die vom High-Side-Schaltelement 20 realisierte Sicherungsfunktion abhängig von der
Anzahl der mittels Low-Side-Schaltern 7, 7.1 zugeschalteten Aggregate sensibel oder
robust geschaltet wird. Mittels einer intelligent konfigurierten Software kann darüber hinaus
im Wege der Stromerfassung auch der Kabelabfall an einem Aggregat erkannt werden.
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Daneben ist dem Schaltplanausschnitt gemäß der Darstellung in Fig. 2 ein Zündtransistor
29 zu entnehmen, welcher einem Low-Side-Schaltelement gemäß der Low-Side-
Schaltgruppe 7 des Steuergeräts 5 gemäß der Darstellung in Fig. 1 entspricht. Die
Zündspule 8.1 der ersten Funktionsgruppe 8 ist demnach hinsichtlich ihrer
Versorgungsspannung über den High-Side-Schalter 20, der gemäß der Nomenklatur in Fig. 1 als erster
Schalter bezeichnet ist, beschaltet und wird über den Zündtransistor 29, welcher im
Steuergerät 5 der Low-Side-Schaltgruppe 7 zuzurechnen ist, geschaltet. Der Eingang B des
Zündtransistors 29 wird mit einem Zündsignal 30 beaufschlagt, während der Eingang E des
Zündtransistors 29 auf Masse gelegt ist. Die bei Ansteuerung der Zündspule 8.1 erzeugte
Ausgangsspannung Uout, ist mit Bezugszeichen 31 bezeichnet und stellt die Hochspannung
dar, welche an einer Zündkerze einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine
erzeugt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung, die vorstehend anhand von Zündspulen bzw.
Einspritzventilen als elektrische Lasten für die erste Funktionsgruppe 8 bzw. die zweite
Funktionsgruppe 9 dargestellt wurde, lässt sich auf andere im Kraftfahrzeug übliche elektrische Lasten
wie z. B. Relais, Stellmotoren, Spulen, Lüfter, Elektrokraftstoffpumpen, Startrelais,
Steppermotoren, Drehzahlbegrenzung, Sekundärluftventile im Abgas- bzw. Ansaugtrakt der
Verbrennungskraftmaschine, Lambdasondenvorheizungen, Lambdasonden sowie
Tankentlüftungsventile anwenden. Diese elektrischen Lasten lassen sich ebenfalls in
Funktionsgruppen wie oben dargestellt zusammenfassen und mittels des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Steuergerätes 5 durch Low-Side-Schaltelemente 7, 7.1 bzw. High-Side-
Schaltelemente 6, 6.1, 6.2. . . bis 6n ansteuern.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeugbatterie
2 Pluspol
3 Minuspol
4 Masse
5 Steuergerät
6 High-Side-Schaltgruppe
6.1 erster Schalter
6.2 zweiter Schalter
7 Low-Side-Schaltgruppe
7.1 Low-Side-Endstufen
8 Funktionsgruppe Zündspulen
8.1 erste Zündspule
8.2 zweite Zündspule
8.3 dritte Zündspule
8.4 vierte Zündspule
9 Funktionseinheit Einspritzventile
9.1 erstes Einspritzventil
9.2 zweites Einspritzventil
9.3 drittes Einspritzventil
9.4 viertes Einspritzventil
10 Masse
11 Ansteuerleitungen Funktionseinheit 8
12 Ansteuerleitungen Funktionseinheit 9
13 Spannungsversorgung Zündspulen
14 Spannungsversorgung Einspritzventile
15 Eingangsseite
16 Ausgangsseite
20 High-Side-Schaltelement
21 Eingang High-Side-Schalter
22 Ausgang High-Side-Schalter
23 Transistor T1
24 Transistorbasis
25 Eingangsspannung
26 erster Widerstand
27 zweiter Widerstand
28 dritter Widerstand
29 Zündtransistor (Low-Side-Schalter)
30 Eingang Zündtransistor
31 Ausgangsspannung Zündspule