Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugsteuergerät mit Zu- und Abschaltfunktion für mindes tens einen von dem Kraftfahrzeugsteuergerät anzusteuernden, elektrischen Verbraucher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die zunehmende Anzahl von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugbordnetzen ist es wünschenswert die Stromaufnahme von zeitweise nicht benötigten Verbrauchern zu be grenzen, damit der Ladezustand der Fahrzeugbatterie auch nach längeren Standzeiten aus reicht, um das Kraftfahrzeug zu betreiben. Eine Möglichkeit, um den Ruhestrombedarf von Steuergeräten im Bordnetz zu begrenzen ist es, einen Stand-By- oder Sleep-Modus vorzuse hen. Dies ist insbesondere für solche Steuergeräte vorteilhaft, die Funktionen des Kraftfahr zeugs bereitstellen, die auch bei ausgeschalteter Zündung zeitweise benötigt werden, und daher dauerhaft mit der Fahrzeugbatterie verbunden bleiben müssen.

Zur Reduzierung des Ruhestrombedarfs ist ferner aus DE 100 08 266 A1 bekannt, einzelne Steuergeräte mittels einer Vorrichtung ein- und auszuschalten. Die Vorrichtung ermöglicht es im ausgeschalteten Zustand, die komplette Spannungsversorgung für das Steuergerät abzu schalten und es so vom Bordnetz zu trennen. Eine Spannungsdetektierung sorgt bei einem Ausfall und bei Unterspannung in einem Versorgungsspannungspfad für die Zuschaltung ei nes zweiten Versorgungsspannungspfades, um den Energiebedarf des Verbrauchers zu de cken.

DE 10 201 1 122 042 A1 beschreibt eine weitere Schaltungsanordnung für ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs, bei der ein erstes Steuergerät mittels eines Trennschalters von der Fahrzeugbatterie elektrisch entkoppelbar ist und der Trennschalter mittels eines zweiten Steuergeräts ansteuerbar ist, um den zumindest einen elektrischen Verbraucher und das erste Steuergerät wieder mit der Fahrzeugbatterie elektrisch zu koppeln.

Einzelne in Kraftfahrzeugen verbaute Steuergeräte enthalten allerdings Steuerelektroniken sowohl für temporär als auch für permanent zur Verfügung zu stellende Funktionen, weshalb diese Steuergeräte nicht vom Bordnetz getrennt werden dürfen, um den Ruhestrombedarf zu reduzieren. Zu solchen Kraftfahrzeugsteuergeräten zählen beispielsweise Steuergeräte für Lenksysteme, welche eine Lenkkraftunterstützung nur während des Betriebs des Kraftfahr zeugs bereitstellen müssen, während Änderungen des Lenkwinkels der gelenkten Räder auch während des Stillstands feststellbar sein müssen. Dies gilt insbesondere für Steer-by- Wi re- Le n ksy stem e .

Nachteilig an den vorbekannten Lösungen ist daher, dass sie nur für solche Steuergeräte einsetzbar sind, die zumindest zeitweise im Zustand ausgeschalteter Zündung vollständig vom Bordnetz getrennt werden dürfen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kraftfahrzeugsteuergerät anzugeben, das die Ruhe stromaufnahme in einem Bordnetz weiter reduziert und zugleich einfach und kostengünstig aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeugsteuergerät mit den Merkmalen des An spruchs 1.

Hierdurch wird ein Kraftfahrzeugsteuergerät geschaffen mit einer Zu- und Abschaltfunktion für mindestens einen von dem Kraftfahrzeugsteuergerät anzusteuernden Verbraucher. Das Kraftfahrzeugsteuergerät umfasst ein elektronisches Schaltelement zur Anordnung in einem Versorgungsspannungspfad des Verbrauchers und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des elektronischen Schaltelements. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von mindestens einem Eingangssignal ein Steuersignal zum Schalten des elektronischen Schalt elements bereitzustellen.

Durch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugsteuergerät wird eine Zu- und Abschaltfunktion für einzelne Verbraucher im Bordnetz auf der Ebene der Steuergeräte implementiert. Da durch kann das Kraftfahrzeugsteuergerät einzelne Verbraucher, die für die Steuerungsaufga be zeitweise nicht benötigt werden, zeitweilig von der Versorgungsspannung trennen. Dies ist insbesondere von Vorteil für Komponenten und Schaltkreise, die selbst keinen Energie sparmodus aufweisen. Die Erkennung eines jeweils vorliegenden Kraftfahrzeugzustandes erfolgt anhand des mindestens einen Eingangssignals. Auf diese Weise kann die Stromauf nahme des Kraftfahrzeugsteuergeräts insbesondere im Zustand abgeschalteter Zündung minimiert werden. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit einen an den Versorgungsspannungspfad ange schlossenen Widerstand und eine dazu in Reihe geschaltete Stromregelung zur Erzeugung mindestens einer vorgebbaren Spannungsdifferenz an dem Wderstand als Steuersignal für das elektronische Schaltelement. Durch die Stromregelung kann an dem Wderstand eine Spannungsdifferenz abgegriffen werden, die unabhängig von der schwankenden Bordnetz spannung im Versorgungsspannungspfad ist. Es wird ein konsequentes und kontrolliertes An- und Abschalten des Verbrauchers unabhängig von der Bordnetzspannung erreicht. Indif ferente Schaltzustände von elektronischen Schaltelementen, wie sie insbesondere in unge regelten Schaltkreisen durch Unter- oder Überspannungen entstehen können, werden ver mieden. Auch die Notwendigkeit einer Überprüfung des Schaltzustands durch einen zusätzli chen Sensor entfällt.

Die Stromregelung kann beispielsweise einen gegengekoppelten Bipolartransistor umfassen. Der Bipolartransistor bildet in diesem Fall die notwendige negative Rückkopplung des Regel kreises der Stromregelung aus, die einer Änderung des durch den Wderstand fließenden Stroms aufgrund von Spannungsänderungen im Bordnetz entgegenwirkt. In einer besonders einfach aufgebauten Ausführungsform ist die Basis des Bipolartransistors über einen Span nungsteiler an eine geregelte Spannungsquelle angeschlossen ist, die in Abhängigkeit von dem Eingangssignal eine geregelte Ausgangsspannung bereitstellt. Die Basis des Transis tors wird somit im Wesentlichen auf einem konstanten Spannungsniveau gehalten, so dass die Schaltung über den gesamten Bereich von zu erwartenden Bordnetzspannungen zuver lässig arbeitet.

Vorzugsweise ist das elektronische Schaltelement ein MOSFET, der über die an dem Wder stand als Gate-Source-Spannung abgreifbare Spannungsdifferenz steuerbar ist. Ein MOS FET ist aufgrund der niedrigen Verluste und seines schnellen Schaltverhaltens als Schaltele ment besonders gut geeignet.

Das Eingangssignal kann insbesondere ein Zündungssignal des Kraftfahrzeugs sein. In die sem Fall wird dem Steuergerät über das Eingangssignal unmittelbar der Schaltzustand des Zündschalters und damit ein Indikator für den Kraftfahrzeugzustand mitgeteilt.

Das Kraftfahrzeugsteuergerät kann zusätzlich einen zweiten Versorgungsspannungspfad aufweisen zur ununterbrochenen Stromversorgung von durch das Kraftfahrzeugsteuergerät anzusteuernden direkten Verbrauchern. Durch ein solches Kraftfahrzeugsteuergerät ist es möglich die Steuerelektroniken von zeitweise nicht benötigten Fahrzeugfunktionen vom Bordnetz zu trennen, während andere, von dem gleichen Kraftfahrzeugsteuergerät ange steuerte Verbraucher weiterhin mit Spannung versorgt werden uns sich allenfalls selbst in einen Energiesparmodus versetzen.

Bei dem Kraftfahrzeugsteuergerät kann vorzugsweise zumindest einer der direkten Verbrau cher und/oder einer der schaltbaren Verbraucher in das Kraftfahrzeugsteuergerät integriert sein. Insbesondere können die schaltbaren und/oder die direkten Verbraucher Steuerelektro niken für an das Kraftfahrzeugsteuergerät anschließbare oder in dieses integrierte Sensoren und/oder Aktoren sein.

Beispielsweise kann das Kraftfahrzeugsteuergerät das Steuergerät eines Lenksystems sein. Zumindest einer der direkten Verbraucher kann dann ein Lenkwinkelsensor des Lenksys tems sein. Der schaltbare Verbrauchen kann beispielsweise ein Lenkstellantrieb des Kraft fahrzeugs sein.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Un teransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug-Lenksystem mit einem Ausführungsbei spiel des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugsteuergeräts,

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen Kraftfahrzeugsteuergeräts,

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schaltplan für ein Kraftfahrzeugsteuergerät gemäß

Fig. 1 oder 2.

In Fig. 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug-Lenksystem 1 mit einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugsteuergerät 9 dargestellt, das der Ansteuerung des Lenksystems 1 dient. Das Lenksystem 1 weist ein an einer oberen Lenkwelle 2 befestigtes Lenkrad 3 auf. Der am Lenkrad 3 eingegebene Lenkradwinkel wird über die obere Lenkwelle 2 und die untere Lenk welle 4 auf ein Lenkgetriebe 5 übertragen, das den Lenkwinkel in eine Translation einer Zahnstange umsetzt. Die Zahnstange ist über Spurstangen 6 mit den gelenkten Rädern 7 verbunden, die in Kontakt mit der Fahrbahn 8 stehen.

Das Lenksystem 1 wird angesteuert durch das Kraftfahrzeugsteuergerät 9. Das Kraftfahr zeugsteuergerät 9 ist an eine Versorgungsspannungsquelle 10 angeschlossen, die die Stromversorgung des Steuergeräts 9 und der daran angeschlossenen Komponenten bereit stellt. Das Kraftfahrzeugsteuergerät 9 enthält ein elektronisches Schaltelement 20 und eine Steuereinheit 30, die das Schaltelement 20 in Abhängigkeit eines Eingangssignals 38 über ein Steuersignal an- und abschalten kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Eingangssignal 38 das Zündungssignal des Kraftfahrzeugs.

Das elektronische Schaltelement 20 ist im Spannungsversorgungspfad eines als Lenkstel lantrieb 41 ausgebildeten Verbrauchers angeordnet. Durch Schalten des elektronischen Schaltelements 20 kann der Lenkstellantrieb 41 somit von der Versorgungsspannungsquelle 10 getrennt werden. Weiterhin sind an das Kraftfahrzeugsteuergerät Lenkwinkelsensoren 51 , 52 als direkte Verbraucher 50 über einen zweiten Spannungsversorgungspfad angeschlos sen. Der zweite Spannungsversorgungspfad enthält vorzugsweise kein Schaltelement, so dass eine ununterbrochene Spannungsversorgung der direkten Verbraucher durch die Ver sorgungsspannungsquelle 10 sichergestellt ist.

Die direkten Verbraucher 50 sind insbesondere für Kraftfahrzeugfunktionen vorgesehen, die jederzeit verfügbar sein müssen. Zur weiteren Verringerung des Ruhestrombedarfs weisen die direkten Verbraucher 50 vorzugsweise einen Stand-By- oder Sleep-Modus auf. Der Stand-By- oder Sleep-Modus hat den Vorteil eines niedrigen Stromverbrauchs bei gleichzei tig schneller Aufweckbarkeit der Verbraucher 50.

Auch wenn sich das gezeigte Ausführungsbeispiel auf eine elektromechanische Kraftfahr zeugservolenkung bezieht, ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugsteuergerät in gleicher Weise in einem Steer-by-Wire-Lenksystem oder einer elektrohydraulischen Servolenkung einsetzbar.

Fig. 2 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild den Aufbau eines zweiten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugsteuergeräts. Das Schaltbild zeigt ein Kraftfahr zeugsteuergerät 9, das mit einer Versorgungsspannungsquelle 10, beispielsweise einer Bat terie, verbunden ist. Das Kraftfahrzeugsteuergerät 9 enthält integrierte, schaltbare Verbrau cher 40 und integrierte direkte Verbraucher 50. Das Kraftfahrzeugsteuergerät 9 enthält ferner ein elektronisches Schaltelement 20, das die Verbraucher 40 von der Stromversorgung 10 trennen oder mit dieser verbinden kann, und eine Steuereinheit 30, die für die Ansteuerung des Schaltelements 20 vorgesehen ist. Sofern es sich bei dem Eingangssignal 38 für die Steuereinheit 30 um ein Zündungssignal 38 des Kraftfahrzeugs handelt, kann die Steuerein heit 30 das Schaltelement 20 beispielsweise im Zustand eingeschalteter Zündung ein schal ten, so dass die Verbraucher 40 mit Strom versorgt sind, und bei ausgeschalteter Zündung ausschalten, so dass jeglicher Stromverbrauch durch die Verbraucher 40 unterbunden ist.

Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind somit sowohl die schaltbaren Verbraucher 40 als auch die direkten Verbraucher 50 in das Kraftfahrzeugsteuergerät 9 inte griert. Die Verbraucher 40 und 50 können beispielsweise Steuerelektroniken für angeschlos sene oder integrierte Sensoren und Aktoren sein. In Bezug auf ein Kraftfahrzeug-Lenksys- tem kann es sich dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel um einen Lenkstellantrieb 41 und Lenkwinkelsensoren 51 , 52 handeln.

Fig. 3 zeigt beispielhaft einen schematischen Schaltplan für ein Kraftfahrzeugsteuergerät 9 gemäß Fig. 1 und 2. In dem Schaltplan ist die Versorgungsspannungsquelle 10 als eine Bat terie 1 1 ausgebildet, die einerseits mit der Masse 13 des Bordnetzes verbunden ist und an ihrem zweiten Pol eine Versorgungsspannung 12 bereitstellt, an die das Kraftfahrzeugsteuer gerät 9 angeschlossen ist. In dem Kraftfahrzeugsteuergerät 9 verzweigt sich die Versor gungsspannung 12 in zwei Versorgungsspannungspfade 12.1 und 12.2. Der erste Versor gungsspannungspfad 12.1 dient der Versorgung eines schaltbaren Verbrauchers 40, bei spielsweise einem Lenkstellantrieb 41. Der zweite Versorgungsspannungspfad 12.2 dient der Versorgung von direkten Verbrauchern 50, wie beispielsweise Lenkwinkelsensoren 51 , 52.

Zum Zu- und Abschalten des Verbrauchers 40 ist in dem ersten Versorgungsspannungspfad 12.1 ein elektronisches Schaltelement 20 vorgesehen, das in dem gezeigten Ausführungs beispiel als MOSFET 21 ausgebildet ist. Vorzugsweise wird ein P-Kanal MOSFET verwen det. Der MOSFET 21 ist mit seinem Source-Anschluss 23 mit der Versorgungsspannung 12 und mit seinem Drain-Anschluss 24 mit dem Verbraucher 40 verbunden. Durch Öffnen des MOSFETs 21 kann der Verbraucher 40 somit spannungslos geschaltet werden.

Zum Ansteuern des Schaltelements 20 ist eine Steuereinheit 30 vorgesehen. Die Steuerein heit 30 enthält einen Widerstand 36, der zwischen dem Source-Anschluss 23 und dem Gate- Anschluss 22 des MOSFETs 21 angeschlossen ist. Ein den Wderstand 36 durchfließender Strom erzeugt somit eine Spannungsdifferenz am Widerstand 36, die als Steuersignal für das elektronische Schaltelement 20 dient.

Die Steuereinheit 30 enthält ferner eine an den Widerstand 36 angeschlossene Stromrege lung 39, durch die der den Widerstand 36 durchfließende Strom vorgebbar ist. Die Stromre gelung 39 umfasst eine geregelte Spannungsquelle 31 , die beispielsweise an die Versor gungsspannung 12 angeschlossen ist und zusätzlich einen Eingangsanschluss für ein Ein gangssignal 38 aufweist. Die geregelte Spannungsquelle 31 erzeugt eine niedrigere geregel te Ausgangsspannung 37 ausgehend von einer höheren Bordnetzspannung. Die höhere Bordnetzspannung kann durch die Batterie 11 oder eine beliebige andere Spannungsquelle bereitgestellt werden.

Die Ausgangsspannung 37 der geregelten Spannungsquelle 31 wird durch das Eingangssi gnal 38, beispielsweise ein Zündungssignal des Kraftfahrzeugs, gesteuert. Im einfachsten Fall gibt die Spannungsquelle 31 nur dann einer Ausgangsspannung 37 aus, wenn das Ein gangssignal 38 eingeschaltet ist. Ist das Eingangssignal 38 ausgeschaltet, schaltet sich auch die Spannungsquelle 31 ab, sodass keine Ausgangsspannung 37 ausgegeben wird. In die sem Stand-By- oder Sleep-Modus ist daher die Ruhestromaufnahme der Spannungsrege lung 39 reduziert. Denkbar ist jedoch auch, dass die geregelte Spannungsquelle 31 abhän gig vom Pegel des Eingangssignals 38 unterschiedliche Ausgangsspannungen 37 bereit stellt.

Die Stromregelung 39 umfasst ferner einen gegengekoppelten Bipolartransistor 35. Der Bi polartransistor 35 kann insbesondere ein npn-Transistor sein. Der Kollektor des Bipolartran sistors 35 ist an den Widerstand 36 und der Emitter an einen Shunt-Widerstand 34 ange schlossen. Die Basis des Bipolartransistors 35 ist über einen Spannungsteiler 323 mit der Ausgangsspannung 37 der geregelten Spannungsquelle 31 verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Spannungsteiler 323 durch die beiden Widerstände 32 und 33 gebildet. In einer alternativen Ausführungsform an beispielsweise der Widerstand 33 durch eine Diode, beispielsweise eine Leuchtdiode, ersetzt sein. Hierdurch kann ein Temperatur drift des Bipolartransistors 35 zumindest teilweise ausgeglichen werden.

Durch die Wahl der Ausgangsspannung 37 und der Widerstände 32 bis 36 kann die an dem Widerstand 36 anfallende Spannungsdifferenz bei eingeschaltetem Eingangssignal 38 auf einen Wert vorgegeben werden, der als Steuersignal ausreicht, um das Schaltelement 20 leitend zu schalten. Bei ausgeschaltetem Eingangssignal 38 ist die Ausgangsspannung 37 vorzugsweise gleich null, sodass dann am Widerstand 36 keine Spannungsdifferenz anfällt und das Schaltelement 20 den Verbraucher 40 von der Versorgungsspannung 12 trennt.

Der in Fig. 3 dargestellte Schaltplan der Steuereinheit 30 zeichnet sich durch einen beson ders einfachen Aufbau aus. Es handelt sich bei der Steuereinheit 30 um eine rein passive, analoge Schaltung, die keine eigene Spannungsversorgung für logische Elemente, Mikro controller etc. benötigt, und zugleich ein konsequentes und kontrolliertes Abschalten des Verbrauchers 40 unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung 12 ermöglicht.

Im Folgenden wird der Betrieb der Steuereinheit 30 beispielhaft für den Fall beschrieben, dass das Eingangssignal 38 Zündungssignal des Kraftfahrzeugs ist.

Bei eingeschalteter Zündung verhält sich die Steuereinheit 30 als eine Stromsenke, die den Strom von der Versorgungsspannungsquelle 10 durch den Widerstand 36 über den Kollektor des Bipolartransistors 35 aufnimmt. Aufgrund der Stromregelung 39 ist dieser Strom ein im Wesentlichen konstanter, geregelter Strom, sodass die an dem Wderstand 36 anfallende Spannungsdifferenz ebenfalls konstant ist. Dadurch wird weitgehend unabhängig von der Versorgungsspannung 12 ein definiertes Steuersignal für das Schaltelement 20 als Gate- Source Spannung des MOSFETs 21 bereitgestellt.

Bei einer normalen oder erhöhten Versorgungsspannung 12 der Versorgungsspannungs quelle 10 ändert sich der durch den Wderstand 36 fließende Kollektorstrom innerhalb des erwartbaren Spannungsbereichs der Versorgungsspannungsquelle 10 praktisch nicht, so dass die Gate-Source-Spannung des MOSFETs 21 konstant ist. Bei einem Spannungsabfall der Versorgungsspannungsquelle 10 kann der Kollektorstrom und damit die an dem Wider stand 36 anfallende Spannungsdifferenz ebenfalls abfallen. Durch die Dimensionierung der Widerstände 32 bis 36 und die Wahl des Ausgangsspannung 37 kann jedoch sichergestellt werden, dass die die Spannungsdifferenz hoch genug bleibt, um den MOSFET 21 einge schaltet zu lassen, solange die Versorgungsspannung 12 nicht unterhalb eine definierte Min destbetriebsspannung fällt. Durch den niedrigen Einschaltwiderstand von MOSFETs ist die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung 12 und der an dem Drain-An schluss des MOSFETs anliegenden Spannung vernachlässigbar. Die dargestellte Schaltung hat daher keinen negativen Effekt auf den Betrieb der Verbraucher 40 während des Zu stands eingeschalteter Zündung. Bei ausgeschalteter Zündung wird die geregelte Spannungsquelle 31 vorzugsweise abge schaltet, wodurch das Kraftfahrzeugsteuergerät 9 in einen Stand-By- oder Sleep-Modus ver setzt wird. An der Basis des Bipolartransistors 35 liegt dann keine Spannung mehr an, so dass auch kein Kollektorstrom in den Transistor 35 fließt und die Spannungsdifferenz am Wi- derstand 36 vernachlässigbar ist. In der Folge öffnet MOSFET 21 , so dass der Verbraucher 40 von der Versorgungsspannungsquelle 10 getrennt wird.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Betrieb des Verbrauchers 40 bei eingeschalte tem Zündungssignal nicht beeinträchtigt und entspricht einer direkten Verbindung zwischen Verbraucher 40 und Versorgungsspannungsquelle 10, unabhängig von dem Spannungsni veau der Versorgungsspannungsquelle 10. Bei ausgeschaltetem Zündungssignal wird die Stromaufnahme des Kraftfahrzeugsteuergeräts 9 hingegen wesentlich reduziert durch Ab schalten der Verbraucher 40, die bei ausgeschalteter Zündung nicht benötigt werden. Die vorstehenden Ausführungen gelten für andere den Fahrzeugzustand charakterisierende Eingangssignale 38 entsprechend.

Bezugszeichenliste

1 Kraftfahrzeug-Lenksystem

2 obere Lenkwelle

3 Lenkrad

4 untere Lenkwelle

5 Lenkgetriebe

6 Spurstangen

7 Räder

8 Fahrbahn

9 Kraftfahrzeugsteuergerät

10 Versorgungsspannungsquelle 1 1 Batterie

12 Versorgungsspannung

12.1 , 12.2 Versorgungsspannungspfad 13 Masse

20 elektronisches Schaltelement 21 MOSFET

22 Gate-Anschluss

23 Source-Anschluss

24 Drain-Anschluss

30 Steuereinheit

31 geregelte Spannungsquelle

32 bis 36 Widerstände

37 Ausgangsspannung

38 Eingangssignal

39 Stromregelung

323 Spannungsteiler

40 Verbraucher

41 Lenkstellantrieb

50 direkter Verbraucher

Lenkwinkelsensoren