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Überblick und Anforderungen an Automobilelektronik
Überblick und Anforderungen an Automobilelektronik
Projektgruppe Airbag11.10.99
Bo-Sik LEE
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Überblick und Anforderungen an Automobilelektronik
Inhaltsverzeichnis1. Einleitung ............................................................................................................ 1
2. Einsatzbereich der Elektronik im Kraftfahrzeug ........................................... 2
2.1 Einsatzbereich ...................................................................................................... 2
2.2 Allgemeine Anforderungen .................................................................................. 3
3. Airbagsteuergerät ............................................................................................... 4
3.1 Aufbau und Funktion des Airbagsteuergerätes ..................................................... 4
3.1.1 Aufbau ................................................................................................................... 4
3.1.2 Funktion ................................................................................................................. 6
3.2 Anforderungen an ein Airbagsteuergerät ............................................................... 6
3.2.1 Funktionale Anforderungen ................................................................................... 6
3.2.2 Technische Anforderungen .................................................................................... 11
A Abkürzungsverzeichnis
B Literaturverzeichnis
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Überblick und Anforderungen an Automobilelektronik
1. Einleitung
In den letzten Jahren haben sich die elektronischen Systeme im Kraftfahrzeug sehr weit
entwickelt.
Die Weiterentwicklung elektronischer Systeme wird durch Forderungen nach wachsendem
Leistungsumfang bezüglich Sicherheit, Komfort und Kraftstoffverbrauch bestimmt.
Trotz steigendem Kostendruck werden die Herstellungskosten von modernen Automobilen
zunehmend durch die Elektrik/Eletronik-Anteile geprägt (bis zu 25% sind in der Oberklasse
realistisch). Dies bedeutet nicht, daß immer mehr elektronische Steuergeräte eingebaut
werden. Sie werden benötigt, um immer mehr Peripherie(z.B. Sensorik) anzusteuern, aber
auch um immer umfangreichere Funktionalität in Form von Software zu realisieren.
Bei diesem Vortrag wird vorgestellt, wo diese Elektronik eingesetzt wird, und welche
Anforderungen insbesondere an ein Airbagsystem existieren.
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1. Einsatzbereich der Elektronik im Kraftfahrzeug
2.1 Einsatzbereich Elektronische Steuerungssysteme treten bereits heute an zahlreichen Stellen in
Kraftfahrzeugen auf.
Sicherheit - ABS
- Airbag
- Bremssysteme (Elektronischer Bremsassistent, Brake
by Wire)
- Wegfahrsperre
- Stabilitätskontrolle
- Aktives Fahrwerk (Active Body Control(ABC))
- Einschlafwarner
- Scheinwerfer- und Scheibenwaschanlage
Komfort - Getriebemanagement
- Elektronische Abstands- und
Geschwindigkeitsregelung für Autobahn
- Spracherkennung
- Automatisches Lenken für Autobahn
- Zentralverriegelung
- Sonstige Komfortsysteme (Heiz-/Klimaanlage,
Innenraumbeleuchtung, Elektrische Sitzverstellung,
Sitzheizung....)
Information/ Kommunikation - Navigationssystem
- Car-Audio
Umweltverträglichkeit - Motorenmanagement
- Aktive Kat. Steuerung
Service/ Diagnose - On-Board-Diagnose (Bestimmung und Anzeige des
Fahrzeugzustandes)
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1.2 Allgemeine Anforderungen
Autoelektroniksysteme haben hohe Anforderungen an den gesamten Entwicklungsprozeß,
insbesondere aber an die Qualitätssicherung.
Dabei ist die Aufgabe immer schwieriger aufgrund der ständig zunehmenden Komplexität.
Besonders hohe Zuverlässigkeitsanforderungen sind an die zeit- und sicherheitskritischen
Systeme zu stellen. Im Gegensatz zur Konsumelektronik stehen beim Auftreten von
Fehlfunktionen Menschenleben auf dem Spiel.
Bedingt durch die hohen Stückzahlen sind Rückrufaktionen zur Mängelbeseitigung im Kfz-
Bereich extrem aufwendig, kostspielig und imageschädigend.
Daher werden die Autoelektroniksysteme sehr konservativ eingesetzt, und wegen der hohen
Stückzahlen wird lieber für die Entwicklung eher mehr investiert, um einzelne Teile günstiger
produzieren zu können.
Anforderungen für die zukünftigen Elektronikentwicklung in KFZ können die folgenden
sein.
- Erhöhung der aktiven und passiven Sicherheit, auch im Zusammenhang mit
vorausschauender Unfallvorhersage bzw. Unfallvermeidung
- Unterstützung des Fahrkomforts durch
a) einfache Bedienung aller Funktionen
b) Automatisierung häufiger Bedienvorgänge
c) Automatische Erkennung und ggf. Korektur von Bedienfehlern des Fahrers, d.h.
Unterstützung bei kritischen Fahrsituationen.
- Information und Kommunikation von Sprache und Daten nach außen.
- Information über äußere Einflüsse, wie z.B. Witterung, Straßenzustand, Stau usw.
- Umweltverträglichkeit beim Fahren durch minimalen Kraftstoffverbrauch und durch
minimalen Schadstoffausstoß.
- Umfassende Diagnose, die schon im Sinne einer Prävention Fehler erkennt, bevor das
Fahrzeug liegenbleibt sowie sichere Ursachenerkennung.
- Absolute Zuverlässigkeit (Null-Fehler-Ziel)
In dem nächsten Kapitel werden wir Anforderungen an ein Airbagsteuergerät näher
kennenlernen.
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2. Airbag Steuergerät
3.1 Aufbau und Funktion des Airbagsteuergerätes
3.1.1 AufbauEin Airbagsteuergerät besteht aus dem ZSG (zentrales Airbagsteuergerät) und ausgelagerten
Sensoren.
Das ZSG ist ein Steuergerät, das dem passiven Insassenschutz dient. Es stellt die Auslösung
von Rückhaltesystemen (Airbag frontal und Seite, Gurtstraffer) beim Crash und die
Selbstüberwachung sicher.
Bild 3.1 ZSG Komponenten6
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Der interne Aufbau des ZSG muß mindestens folgendem Blockschaltbild entsprechen:
Bild 3.2 Schaltbildbeispiel 1
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Beispielbild 2 zeigt das Schaltbild von dem in einem koreanischen Auto eingesetzten
Airbagsteuergerät.
Bild 3.3 Schaltbildbeispiel 2
3.1.2 Funktion
Die Hauptfunktionen ZSG lassen sich in folgende Gebiete einteilen:
- Crasherkennung und Zündzeitpunktermittlung
- Auslösen der Zündstufen im Crashfall
- Ansteuern der Crashausgänge
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- Selbsttest und permanente Überwachung des Systems und Fehleranzeige mit
nichtflüchtiger Abspeicherung der Fehler und Ausfallzeit
- Programmierbar bezüglich der Ausstattung und der Crashparameter über die
Diagnoseschnittstelle
- Fehlerausgabe über die Diagnoseschnittstelle nach Einleiten der
Diagnosekommunikation
- Systembereitschaftsanzeige
- Energiereserve für den Autarkiefall
Funktion ZSG bei Zündung
- bei jedem Einschalten der Zündung wird ein Selbsttest des Systems durchgeführt.
Nach Ende des Selbsttests erlischt die während des Selbsttests angesteuerte
Ausfallwarnlampe und zeigt damit die Systembereitschaft an.
- Überwachung der angeschlossenen Peripherie auf Übereinstimmung mit der
programmierten Ausstattung (Gurtschlossabfrage, Gurtstraffer, Fahrerairbag,
Beifahrerairbag,SBE/AKSE, Sidebagzündkreise, SEE BF und –Fond).
3.2 Anforderungen an Airbagsteuergerät
3.2.1 Funktionale Anforderungen
- zweidimensionale Erfassung von Beschleunigungswerten sowie einer
Überschlagsdetektion
- Sicherheitsschalter soll zur Verhinderung einer Fehlauslösung in Reihe zu den Airbag-
Zündpillen vorgesehen werden. Die Zündung der Gurtstraffer erfolgt nach dem
Überschreiten der Auslöseschwelle durch die Abfrage des geschlossenen
Sicherheitsschalters und dem Durchsteuern der Endstufen.
Außerdem muß der Sicherheitsschalter beim Crash früh genug, sicher und ausreichend
lang schließen, und bei „rough-road“- Anforderungen darf er nur in extremen
Situationen schließen.
- Der Selbsttest der für die Zündfähigkeit wichtigen steuergeräteinternen
Bauteile(Beschleunigungsaufnehmer, Ausgangsstufen, Energiereserven etc.)mit
nichtflüchtiger Abspeicherung der Fehler und der Ausfallzeit. Während des Selbsttests
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muß das Airbagauslösegerät diagnosefähig bleiben. Der Selbsttest dauert typisch 4s,
maximal 28s.
- Es müssen mindestens 10 Fehler abspeicherbar sein, wobei auch die Dauer
abgespeichert werden muß.
- Fehler werden, nachdem sie qualifiziert sind, durch die Ausfallwarnlampe angezeigt.
Bei den Fehlern
Unterspannung
Ausfallwarnlampe
AKSE/SBE sowie SBE Fahrer und Fond
Gurtschloßabfrage
ZSGA-Kommunikationsstörung
erlischt die Ausfallwarnlampe nachdem der Fehlerzähler auf Null zurückgezählt hat.
Hierbei muß gewährleistet sein, daß die Warnlampe mindestens 4s lang angesteuert
wird.
- Die Fehlerart und die Dauer können nach Erzeugung der Diagnosekommunikation
über die Diagnoseschnittstelle ausgegeben und gelöst werden.
- Alle gespeicherten Crashtelegramme und steuergerätinternen Fehler dürfen, nachdem
die Geräte verriegelt sind, nur vom Fahrzeug- bzw. Gerätehersteller mit spezieller
Software löschbar sein. Für die Diagnoseschnittstelle ist eine Leitung vorgesehen.
- Nach der Montage des ZSG im Fahrzeug und dem Zusammenfügen der
Steckverbindung über die Diagnoseschnittstelle die Ergebnisse der laufenden
Prüfungen der externen System Komponenten auszulesen.
- Die Identifikation ZSG/ZSGA auszulesen.
- Über die Diagnoseschnittstelle eine hersteller- und fahrzeugspezifische
Programmierung (Crashparameter und Ausstattungsprogrammierung) durchzuführen.
- Die Sicherheitskritischen Parameter müssen mindestens 2 mal im Speicher abgelegt
sein.
- Einen Peripheriecheck durchzuführen, d.h. es wird geprüft, ob die tatsächliche
Ausstattung der programmierten Ausstattung entspricht.
- ZSG ermittelt aus den durch die elektronischen Sensoren gemessenen
Beschleunigungen und der daraus abgeleiteten Werte, ob der Schwellwert für die
Zündung der Gurtstraffer- bzw. der Airbagzündpellen oder für die Ansteuerung der
Crashausgänge erreicht wird. Eine Fehlauslösung z.B. durch starke Unebenheit der
Fahrbahn oder Vogelstoß muß sicher verhindert sein.
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- Falls die Überwachung einen Fehler feststellt, durch welchen eine ungewollte
Auslösung verursacht werden könnte, wird die Ausfallwarnlampe angesteuert und die
jeweiligen Endstufentransistoren werden aktiv gesperrt.
- Auslösebedingungen : Zur Auslösung der Front-Airbags und Gurtstraffer sollen die
Geschwindigkeits- bzw. die Wegänderung am Sensor-Einbauort berücksichtigt
werden. Für die Sideairbagauslösung muß eine Plausibilitätsprüfung zwischen den
Signalen ZSGA und den gemessen Beschleunigungen im ZSG vorgesehen sein.
- Im ZSG sind insgesamt 8 verschiedene, unfallabhängige Auslöseschwelle vorzusehen.
(Frontschwelle1,2, Heckschwelle1,2, Seitenschwelle, Überschlagschwelle1,2,3)
- Eine Auslösung der Airbagzündstufen erfolgt sobald die Auslöseschwelle für die
Airbagzündung überschritten wurde. Die Frontairbags werden bei
nichtprogrammierter Gurtschloßabfrage immer auf der zweiten Frontschwelle
gezündet. Ist eine Gurtschloßabfrage programmiert, so werden die Frontairbags in
Abhängigkeit des Ergebnisses der Gurtschloßabfrage angesteuert. Dabei werden
Fahrer- und Beifahrersite getrennt behandelt.
- Eine Auslösung der Gurtstrafferzündstufen erfolgt sobald die Auslöseschwelle für die
Gurtstrafferzündung überschritten wurde.
- Bei einem Heckcrash werden die Gurtstraffer beim Überschreiten der ersten
Heckschwelle gezündet.
- Wenn unter Berücksichtigung aller Parameter die entsprechende Auslöseschwelle
überschritten ist, werden die Zündstufen der jeweiligen Gurtstraffer bzw. Airbags
ausgelöst, Crashausgänge angesteuert und ein Crashtelegramm im dafür vorgesehenen
Speicherbereich abgelegt.
- Der Speicherplatz muß ausreichen, um 3 Crashs zu speichern. Nach jedem Ansteuern
der Endstufen wird das Crashtelegramm geschrieben. Nach dem 3. Mal wird die
Ausfallanzeige irreversibel angesteuert und ZSG muß ausgetauscht werden.
- Energiereserve :
Die Energiereserve muß für folgende Funktionen zur Verfügung stehen.
Alle Airbags
Digitaler Crashausgang
Die Crashspeicherung
ausgelagerte Sensoren (ZSGA)
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Die Energiereserve muß gewährleisten
daß 5 Airbag-Zündpillen innerhalb einer Zeit von 150 ms nach
Spannungsausfall gleichzeitig gezündet werden können. Spätestens 1s nach
dem Abschalten der Versorgungsspannung soll keine Auslösung mehr möglich
sein (maximale Autarkiezeit)
daß unter Normalbedingungen (kein Worst Case)ein korrektes Crashtelegramm
geschrieben werden kann.
der analoge Crashausgang wird nicht von der Energiereserve versorgt.
Die Energiereserve ist so zu gestalten, daß eine Zündung unter typischen
Bedingungen (Ubatt= 13,5 Volt, Zündkreiswiderstände = 2,2 bis 3,5 Ohm)
direkt aus der Fahrzeugbatterie möglich ist.
Für die Zündkreise, die aus der Energiereserve gezündet werden, muß ein redundanter
Pfad geschafft werden, d.h. eine Zündung aus der Batterie muß zusätzlich möglich
sein.
- Es sollen Gurtschloßschalter bzw. Sitzeinbauerkennung(SEE) zum Einsatz kommen,
die ohmsche Widerstandswerte liefern. Eine Überprüfung der Schalter muß
gewährleistet sein. Die Einhaltung der „Zwei-Schwellen-Philosophie“ muß
gewährleistet sein.
- Die ausgelagerten Sensoren dienen zur frühzeitigen Erkennung eines Seitenpralls,
vorwiegend im Frondbereich. Anzustreben ist jedoch eine Lösung ohne ausgelagerte
Sensoren bei gleichbleibendend niedrigen Auslösezeiten. Als Schnittstelle zu den
ausgelagerten Sensoren muß eine Stromschnittstelle vorgesehen werden.
- Sitzbelegungserkennung und automatische Kindersitzerkennung(AKSE) :
Die Sitzbelegungserkennung muß anhand eines digitalen Protokolls auswertbar sein.
Die entsprechende Auswertung ist als Ausstattungsparameter programmierbar. Bei den
SBE-Fond müssen die folgenden Variationen möglicher Rücksitzbänke beachtet
werden:
Ungeteilte Fondsitzbank
1/3 – 2/3 geteilte Fondsitzbank klappbar und ausbaubar
Einzelsitz im Fond
Fondsitzbank mit integriertem Kindersitz
Bei programmierter AKSE werden auch die Informationen der SBE digital übertragen.
Wird auf dem Beifahrersitz ein Kindersitz als vorhanden erkannt, so wird die
Beifahrerairbagzündstufe nicht ausgelöst.
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3.2.2 Technische Anforderungen
- Umgebungstemperaturbereich :
Lagertemperaturbereich -40 bis 90C
Betriebstemperaturbereich -40 bis 85C
ZSGA -40 bis 80C
- Betriebsspannungsbereich
ZSG Ub = 6,5 V – 16,5 V
Die ZSG muß bei Absinken der Betiebsspannung auf Ub 6,0 V auslösefähig
bleiben. Dabei wird jedoch vorausgesetzt, daß vorher eine Spannung Ub 9,0 V für
eine Zeit t 5s bereits anlag.
ZSGA Ub = 6,5 V – 16,5 V
Im Unter- bzw. Überspannungsbereich dürfen keine ungewollte Auslösung und keine
Fehlfunktionen auftreten. Im Unterspannungsbereich werden keine Fehler qualifiziert.
- Verpolschutz
Die ZSG/ZSGA ist verpolsicher (Verpolung der Bordspannung) auszuführen.
- Überspannungsfestigkeit
Bei Überspannung darf kein Schaden auftreten.
Dauer : t = 2min.
Spannung : Ub = 24V
Temperatur : T = 40C
- Kurzschlußfestigkeit
Alle Ein- und Ausgänge sind kurzschlußfest gegen Masse und Betriebsspannung
auszuführen.
- Lebensdauer
Die Auslöseeinheit ist für eine Mindestlebensdauer von 15 Jahren, entsprechend 7000
Betriebsstunden an der Spannungsversorgung, zu konzipieren. Dabei ist vom
folgenden Temperaturprofil auszugehen:
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20 10 % der Betriebszeit
40 20 % der Betriebszeit
60 50 % der Betriebszeit
80 20 % der Betriebszeit
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Literaturverzeichnis
1. Anforderungskatalog ZSG von Firma Temic
2. Softbed, Prof. Dr. Manfred Broy, Dr. Michael von der Beeck, Ingolf Krüger,
T.U. München
3. A/BAG ECU PERFORMANCE SPECIFICATION von Firma Hyundai
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Abkürzungsverzeichnis
AABC (Active Body Control)
ABS (Antiblockiersystem)
AKSE (Automatische Kindersitzerkennung)
B
BA (Beschleunigungsaufnehmer)BF (Beifahrer)
GGS (Gurtstraffer)
SSA (Signalaufbereitung)
SBE (Sitzbelegungserkennung)
SEE (Sitzeinbauerkennung)
SS (Sicherheitsschalter)
SÜ (Selbstüberwachung)
ZZSG (Zentrales Airbagsteuergerät)
ZSG A (Zentrales Airbagsteuergerät A)
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