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Title:
CONTROL CIRCUIT AND CONTROL UNIT FOR A VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/204320
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a control circuit (10) for a control unit (12) which is located in a vehicle and can be switched over between an energy-saving state that has a limited range of functions and a normal operational state depending on an output voltage (Ua) which can be changed via the control circuit (10) and is applied to the control circuit (10) on the output side, the control circuit (10) having at least one field-effect transistor (FET) which can be controlled by a control voltage (Ug) on a gate terminal (G) and to which a supply voltage (U0) is applied on the input side, the output voltage (Ua) depending on a control state of the field-effect transistor (FET). The invention also relates to a control unit (12) for a vehicle, which unit is intended to control at least one vehicle component and has such a control circuit (10).

Inventors:
AUGUSTIN PATRICK (DE)
Application Number:
PCT/DE2021/100231
Publication Date:
October 14, 2021
Filing Date:
March 08, 2021
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG (DE)
International Classes:
B60R16/033; B60R16/03; H03K17/082; H03K17/14
Foreign References:
DE112016007452T52019-08-14
DE102017109684A12018-11-08
DE102016100224B32017-05-24
DE102012107028B32013-11-07
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Claims:
Patentansprüche

1. Steuerungsschaltung (10) für eine in einem Fahrzeug angeordnete Steuerungseinheit (12), die zwischen einem Energiesparzustand mit einem eingeschränkten Funktionsumfang und einem normalen Betriebszustand abhängig von einer Ausgangsspannung (Ua), die über die Steuerungsschaltung 10) veränderbar und ausgangsseitig an der Steuerungsschaltung (10) anliegt, umschaltbar ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (10) wenigstens einen durch eine Steuerspannung (Ug) an einem Gateanschluss (G) steuerbaren Feldeffekttransistor (FET), an dem eingangsseitig eine Versorgungsspannung (U0) anliegt, aufweist und die Ausgangsspannung (Ua) abhängig von einem Steuerzustand des Feldeffekttransistors (FET) ist.

2. Steuerungsschaltung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (10) ein erstes Schaltelement (S1) aufweist, das die Steuerspannung (Ug) abhängig von einem Verhältnis zwischen der Versorgungsspannung (U0) und einem ersten Spannungswert (U1) einschaltet.

3. Steuerungsschaltung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gateanschluss (G1) des ersten Schaltelements (S1) eingangsseitig von dem Feldeffekttransistor (FET) angeschlossen ist.

4. Steuerungsschaltung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungswert (U1) über einen dem Gateanschluss (G1) des ersten Schaltelements (S1) zugeordneten Spannungsteiler (T1) einstellbar ist.

5. Steuerungsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (10) ein zweites Schaltelement (S2) aufweist, das die Steuerspannung (Ug) abhängig von einem Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung (Ua) und einem zweiten Spannungswert (U2) einschaltet.

6. Steuerungsschaltung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gateanschluss (G2) des zweiten Schaltelements (S2) ausgangsseitig von dem Feldeffekttransistor (FET) angeschlossen ist.

7. Steuerungsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungswert (S1) größer als der zweite Spannungswert (S2) ist.

8. Steuerungsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und einem der

Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (S1, S2) zwischen dem Gateanschluss (G) des

Feldeffekttransistors (FET) und Masse parallel geschaltet sind.

9. Steuerungsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und einem der Ansprüche 5 bis 7 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (S1, S2) baugleich ausgeführt sind.

10. Steuerungseinheit (12) für ein Fahrzeug zur Steuerung wenigstens eines Fahrzeugbauteils, aufweisend eine Steuerungsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Umschaltung zwischen einem Energie sparzustand und einem normalen Betriebszustand.

Description:
Steuerungsschaltung und Steuerungseinheit für ein Fahrzeug

Beschreibungseinleitung Die Erfindung betrifft eine Steuerungsschaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerungseinheit mit einer derartigen Steuerungsschaltung.

Eine Steuerungsschaltung für eine Steuerungseinheit in einem Kraftfahrzeug kann abhängig von einer ausgangsseitig an der Steuerungsschaltung bereitgestellten Ausgangsspannung einen Energiesparzustand oder einen normalen Betriebszustand der Steuerungseinheit veranlassen. In dem Energiesparzustand ist der elektrische Energieverbrauch der Steuerungseinheit stark verringert und beansprucht dadurch wenig Batteriekapazität des Fahrzeugs. Ausgelöst durch ein Aufwachereignis kann die Steuerungseinheit über die Ausgangsspannung durch die Steuerungsschaltung in den normalen Betriebszustand umgeschaltet werden und die ihr zugeteilten Funktionen ausführen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuerungsschaltung energiesparender auszuführen. Der elektrische Energieverbrauch der Steuerungsschaltung in dem Energiesparzustand soll weiter verringert werden. Insbesondere soll der Energieverbrauch in dem Energiesparzustand kleiner gleich 100 mA betragen.

Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch eine Steuerungsschaltung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann die Steuerungsschaltung energiesparender betrieben werden. Der bei dem Energiesparzustand benötigte Ruhestrom kann verringert werden. Insbesondere kann der Ruhestrom unter 100 pA liegen.

Die Ausgangsspannung kann eine Drain-Source-Spannung des Feldeffekttransistors sein. Die Ausgangsspannung kann unmittelbar von der Versorgungsspannung abhängen. Die Versorgungsspannung kann abhängig von einer Einschaltstellung eines Einschaltelements des Fahrzeugs sein. Das Einschaltelement kann ein Einschaltknopf des Fahrzeugs sein. Die Versorgungsspannung kann an einem KL 15 Anschluss des Fahrzeugs anliegen.

Der Feldeffekttransistor kann ein p-Kanal oder n-Kanal MOSFET sein. Bei durchgeschalteten Feldeffekttransistor kann die Ausgangsspannung gleich der Versorgungsspannung sein. Die Versorgungsspannung kann von einer Batterieversorgungsspannung abhängen. Die Batterieversorgungsspannung kann durch eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine 12V, 24V oder 48V Batterie, bereitgestellt werden. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Steuerungsschaltung ein erstes Schaltelement auf, das die Steuerspannung abhängig von einem Verhältnis zwischen der Versorgungsspannung und einem ersten Spannungswert einschaltet. Der erste Spannungswert kann zwischen 20% und 80% der Versorgungsspannung liegen. Der erste Spannungswert kann einer Einschaltspannung des Feldeffekttransistors entsprechen.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist ein Gateanschluss des ersten Schaltelements eingangsseitig von dem Feldeffekttransistor angeschlossen. Dadurch kann das erste Schaltelement über die Versorgungsspannung umgeschaltet werden.

In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung ist der erste Spannungswert über einen dem Gateanschluss des ersten Schaltelements zugeordneten Spannungsteiler einstellbar. Dadurch kann der erste Spannungswert einfach und kostengünstig eingestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Steuerungsschaltung ein zweites Schaltelement auf, das die Steuerspannung abhängig von einem Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und einem zweiten Spannungswert einschaltet. Dadurch kann die Steuerspannung des durchgeschalteten Feldeffekttransistors unabhängig von dem Schaltzustand des ersten Schaltelements gesteuert werden. Der zweite Spannungswert kann zwischen 20% und 80% der Ausgangsspannung und/oder Versorgungsspannung liegen. Der zweite Spannungswert kann einer Ausschaltspannung des Feldeffekttransistors entsprechen.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist ein Gateanschluss des zweiten Schaltelements ausgangsseitig von dem Feldeffekttransistor angeschlossen. Dadurch kann das zweite Schaltelement abhängig von der Ausgangsspannung umgeschaltet werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der erste Spannungswert größer als der zweite Spannungswert. Der erste Spannungswert kann 10% bis 50% höher als der zweite Spannungswert sein.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind das erste und zweite Schaltelement zwischen dem Gateanschluss des Feldeffekttransistors und Masse parallel geschaltet. Dadurch kann die Steuerspannung des Feldeffekttransistors von dem ersten und zweiten Schaltelement steuerbar sein. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das erste und zweite Schaltelement baugleich ausgeführt. Dadurch kann die Steuerungsschaltung kostengünstig ausgeführt werden.

Zur Lösung wenigstens einer der zuvor angegebenen Aufgaben wird weiterhin eine Steuerungseinheit für ein Fahrzeug zur Steuerung wenigstens eines Fahrzeugbauteils vorgeschlagen, aufweisend eine Steuerungsschaltung mit wenigstens einem der vorangehenden Merkmale zur Umschaltung zwischen einem Energiesparzustand und einem normalen Betriebszustand.

Die Steuerungseinheit kann ein Fahrzeugsteuergerät sein. Die Steuerungseinheit kann wenigstens ein Fahrzeugbauteil des Fahrzeugs, beispielsweise ein Antriebselement und/oder eine Kupplung, steuern. Die Steuerungseinheit kann mit einer Batterieversorgungsspannung versorgt sein. Die Batterieversorgungsspannung kann auch bei ausgeschaltetem Fahrzeug an der Steuerungseinheit anliegen. Die Batterieversorgungsspannung kann 12V, 24V oder 48V sein. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.

Figurenbeschreibung Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:

Figur 1: Eine Steuerungsschaltung und eine Steuerungseinheit in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2: Ein Spannungsdiagramm einer Steuerungsschaltung in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Steuerungsschaltung 10 und eine Steuerungseinheit 12 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Steuerungseinheit 12 kann zur Steuerung wenigstens eines Fahrzeugbauteils in einem Fahrzeug angeordnet sein und einen Energiesparzustand, bei dem der Energieverbrauch der Steuerungseinheit 12 verringert ist einnehmen. Dadurch kann elektrische Energie zur Versorgung der Steuerungseinheit 12 eingespart werden, wenn die Funktionen der Steuerungseinheit 12 nicht oder nur teilweise benötigt werden. Beispielsweise kann der Energiesparzustand eingenommen werden, wenn das Fahrzeug nicht betrieben wird.

Das Fahrzeug kann ein Einschaltelement aufweisen, beispielsweise einen Anschaltknopf, mit dem das Fahrzeug abhängig von einer Einschaltstellung des Einschaltelements eingeschaltet und ausgeschaltet werden kann. Das Fahrzeug stellt die Spannungsversorgung verschiedener Bauteile und auch der Steuerungseinheit 12 über eine Fahrzeugbatterie bereit, die eine Batterieversorgungsspannung ausgibt und eine begrenzte Kapazität aufweist. Eine Versorgungsspannung U0 liegt abhängig von der Einschaltstellung vor. Ist das Einschaltelement beispielsweise eingeschaltet, ist die Versorgungsspannung U0 nach einer Einlaufzeit gleich der Batterieversorgungsspannung. Ist das Einschaltelement hingegen ausgeschaltet, dann ist die Versorgungsspannung Null. Die Versorgungsspannung U0 kann eine Klemmenspannung an KL 15 sein. Werden bei abgeschalteten Fahrzeug mehrere Bauteile mit der Batterieversorgungsspannung betrieben, kann die Kapazität der Fahrzeugbatterie schnell erschöpft sein. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, verschiedene Bauteile einschließlich der Steuerungseinheit 12, insbesondere bei ausgeschaltetem Fahrzeug, in einen Energiesparzustand zu versetzen, bei dem der Energieverbrauch verringert ist.

Die Steuerungseinheit 12 ist zwischen dem Energiesparzustand und einem normalen Betriebszustand abhängig von einer Ausgangsspannung Ua der Steuerungsschaltung 10 umschaltbar. Hierfür ist die Steuerungseinheit 12 elektrisch an die Steuerungsschaltung 10 angeschlossen. Auch kann die Steuerungsschaltung 10 in der Steuerungseinheit 12 eingebaut sein.

Die Ausgangsspannung Ua liegt ausgangsseitig an der Steuerungsschaltung 10 und eingangsseitig an der Steuerungseinheit 12 an. Die Steuerungsschaltung 10 weist einen Feldeffekttransistor FET auf, der durch eine Steuerspannung Ug an einem Gateanschluss G steuerbar ist. Die Ausgangsspannung Ua ist dabei abhängig von einem Steuerzustand des Feldeffekttransistors FET. Dadurch kann der Energiebedarf der Steuerungsschaltung 10 auch bei dem Energiesparzustand verringert werden. Der bei dem Energiesparzustand erforderliche Ruhestrom der Steuerungsschaltung 10 liegt unter 100 mA und erfüllt damit die strengen Anforderungen an den Energieverbrauch von Fahrzeugen.

Die Ausgangsspannung Ua und die Steuerspannung Ug hängen von der Versorgungsspannung U0, insbesondere von der Klemmenspannung an KL 15, ab und werden durch ein erstes Schaltelement S1 der Steuerungsschaltung 10 gesteuert. Das erste Schaltelement S1 ist bevorzugt als npn-Transistor ausgeführt und schaltet die Steuerspannung Ug abhängig von einem Verhältnis zwischen der Versorgungsspannung U0 und einem ersten Spannungswert über einen Gateanschluss G1 an dem ersten Schaltelement S1.

Die Versorgungsspannung U0 kann zwischen 0 V und der Batterieversorgungs spannung, insbesondere 12 V, liegen. Der Gateanschluss G1 ist übereinen aus einem ersten Widerstand R1, insbesondere mit einem Wert 10 kOhm und einem zweiten Widerstand R2, insbesondere mit einem Wert 1200 Ohm, gebildeten ersten Spannungsteiler T1 an der Versorgungsspannung U0 eingangsseitig von dem Feldeffekttransistor FET angebunden. Der erste Spannungswert ist dabei über den ersten Spannungsteiler n einstellbar.

Sobald die Versorgungsspannung U0 den ersten Spannungswert erreicht, beispielsweise 5,37 V, wird das erste Schaltelement S1 durchgeschaltet und stellt über einen dritten Widerstand R3, insbesondere mit einem Wert von 10 kOhm die Steuerspannung Ug an dem Gateanschluss G des Feldeffekttransistors FET zur Verfügung. Dadurch wird der Feldeffekttransistor FET durchgeschaltet und ausgangsseitig an dem Feldeffekttransistor FET liegt die der Versorgungsspannung U0 entsprechende Ausgangsspannung Ua an. Der dritte Widerstand R3 ist dabei ein Pull-up-Widerstand, über den die Steuerspannung Ug ausbleibt, solange das erste Schaltelement S1 sperrt. Ein vierterWiderstand R4, insbesondere mit einem Wert von 8200 Ohm, ist in Reihe wirksam zwischen der Gateanschluss G und dem ersten Schaltelement S1 zur Begrenzung des Stroms durch das erste Schaltelement S1 angeordnet.

Der Feldeffekttransistor FET ist bevorzugt als MOSFET, insbesondere als p-Kanal MOSFET, ausgeführt. Ausgangsseitig von dem Feldeffekttransistor FET ist ein Pull- Down-Widerstand Rd mit einem Wert von 33 kOhm angeordnet, der je nach Anforderungen der Steuerungseinheit 12 auch ausgelassen werden kann. Eingangsseitig von dem Feldeffekttransistor FET und mit dem Gateanschluss G verbunden ist eine Diode D als Überspannungsschutz des Feldeffekttransistors FET angeordnet.

Ein zweites Schaltelement S2, das bevorzugt baugleich zu dem ersten Schaltelement S1 ausgeführt ist, weist einen Gateanschluss G2 auf, der ausgangsseitig mit dem Feldeffekttransistor FET verbunden ist. Das zweite Schaltelement S2 ist bevorzugt als npn-Transistor ausgeführt. An dem Gateanschluss G2 liegt über einen fünften Widerstand R5, insbesondere mit einem Wert von 1 kOhm, die Ausgangsspannung Ua an.

Ein sechster Widerstand R6, insbesondere mit einem Wert von 8200 Ohm, begrenzt den Strom durch das zweite Schaltelement S2. Das zweite Schaltelement S2 ermöglicht die Steuerspannung Ug bei eingeschalteten Feldeffekttransistor FET auch dann, wenn das erste Schaltelement S1 sperrt. Die Steuerspannung Ug kann dadurch bei Spannungen oberhalb von einem zweiten Spannungswert der Versorgungsspannung U0 bzw. der Ausgangsspannung Ua überden durch den dritten Widerstand R3 und sechsten Widerstand R6 gebildeten zweiten Spannungsteiler T2 anliegen.

Der zweite Spannungswert ist bevorzugt kleiner als der erste Spannungswert. Dadurch ist die dem ersten Spannungswert entsprechende Einschaltspannung der Versorgungsspannung U0 unterschiedlich zu der dem zweiten Spannungswert entsprechenden Ausschaltspannung der Ausgangsspannung Ua. In Figur 2 ist ein Spannungsdiagramm einer Steuerungsschaltung in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wird die Versorgungsspannung U0 eingeschaltet, steigt diese mit der Zeit an und sobald ein erster Spannungswert U1 erreicht ist, wird der Feldeffekttransistor durchgeschaltet und die Ausgangsspannung UA gleicht sich der Versorgungsspannung U0 an. Wird die Versorgungsspannung U0 ausgeschaltet, sinkt diese mit der Zeit und der Feldeffekttransistor bleibt bis zu einem zweiten Spannungswert U2 eingeschaltet und erst bei kleinerer Versorgungsspannung U0 als der zweite Spannungswert U2 wird der Feldeffekttransistor ausgeschaltet und ist ausgangsseitig spannungsfrei.

Bezugszeichenliste

10 Steuerungsschaltung 12 Steuerungseinheit D Diode G Gateanschluss G1 Gateanschluss G2 Gateanschluss

R1 - R6 Widerstand S1 erstes Schaltelement S2 zweites Schaltelement U0 Versorgungsspannung U1 erster Spannungswert U2 zweiter Spannungswert Ua Ausgangsspannung

Ug Steuerspannung