Überblick und Anforderungen über Autoelektronikls12- · Web viewÜberblick und Anforderungen an Automobilelektronik Projektgruppe Airbag 11.10.99 Bo-Sik LEE Inhaltsverzeichnis 1

Überblick und Anforderungen an Automobilelektronik


Projektgruppe Airbag11.10.99

Bo-Sik LEE

1


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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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


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




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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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