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Steuergerät

Glossar

Steuergerät

Bezug zum Kraftfahrzeug

Steuerung und Regelung, Statistik, Information
Verschiedene Systeme
Motor, Airbag, Electronic-Stability-Control (ESP), Heizungsanlage

 

Beschreibung

In modernen Kraftfahrzeugen sind Steuergeräte ein wichtiger Bestandteil, um die verschiedenen Aufgaben und Anforderungen, die an ein heutiges Fahrzeug gestellt werden, zu bewältigen. In erster Linie kamen Steuergeräte in Zündanlagen von Fahrzeugen mit Otto-Motor zum Einsatz. Im Weiteren folgte die elektronische Übernahme der Kraftstoffbeimessung, zuerst bei Otto-, dann auch Dieselfahrzeugen. Seit Mitte der 1990'er Jahre sind die mechanischen Steuer- und Regelsysteme im Motorenbereich sozusagen nicht mehr anzutreffen.
Aber auch (fast) alle anderen Systeme im Kraftfahrzeugbereich sind heute mit einem Steuergerät ausgerüstet, um einerseits die Kommunikation zwischen den einzelnen Systemen, aber auf der anderen Seite auch die Diagnosefähigkeit zu ermöglichen.
Nachfolgend Beispiele für Systeme, die mit Steuergeräten ausgestattet sind:

 

Der Einsatz von Steuergeräten bietet entscheidende Vorteile für die Hersteller von Kraftfahrzeugen.

  • Realisierung komplexer Systeme, die mechanisch nicht funktionsfähig wären
  • Eingehen auf Kundenwünsche bezüglich der Komforteinrichtungen
  • Kostenersparnis
  • Erhebung statistischer Daten über das Bordnetz
  • Kundenbindung

Konform laufend dem Kundenwunsch nach immer mehr Komfort in Fahrzeugen und einer immer erweiterten reichhaltigen Ausstattung und steigender Zahl von Möglichkeiten, aber auch dem Wunsch nach Sicherheit und der Abnahme des Fahrens an sich durch das Fahrzeug, sind die meisten Systeme heutzutage elektronisch unterstützt oder sogar elektronisch geregelt.
Die Anforderungen an einzelnen Systeme sind im Laufe der Zeit so komplex geworden und bedingen eine stellenweise äußerst feine und schnelle Regelung, so dass mechanische Systeme diesen Ansprüchen nicht mehr gerecht werden können.
Das beste Beispiel ist aus dem Sicherheitsbereich die Airbageinheit. Das Airbagsteuergerät wertet innerhalb von Bruchteilen von Hundertstelsekunden die aktuelle Fahrsituation aus und gibt einen elektronischen Befehl zum Auslösen eines ausgewählten Airbags. Das heißt, es müssen nicht unbedingt alle Airbags bei einem Unfall auslösen; dies' wird von der Software individuell entschieden. Mechanische Systeme unterlägen, eine Reaktionsgeschwindigkeit gleich null unterstellt, immer noch der Massenträgheit der beteiligen Aktoren und Reaktoren.
Auch ist der Gewichtsfaktor nicht zu unterschätzen. Man ist stets bemüht den Kraftstoffverbrauch so gering wie möglich zu halten oder diesen im Gegensatz zu einem Vorgängermodell zu senken oder doch zumindest auf einem gleichen Level zu bleiben. Steuergeräte mit Mikroprozessortechnik helfen auch hier. Da diese Technik sich auf sehr kleinem Raum und somit auch mit einem geringen Gewicht an verbautem Material realisieren lässt, kann hier viel Gewicht eingespart werden. So wurde beispielsweise das Gewicht der ersten auf dem Markt erhältlichen ABS-Einheit von ≈ 6,5kg auf heute ≈ 1,5kg gesenkt werden. Auch dürfen die Leitungen bei diesen Überlegungen nicht vernachlässigt werden. Durch Bus-Systeme konnte eine Strecke von bis zu 10km verlegten Kabeln um ein Vielfaches gekürzt werden. Das spart auch erhebliche Kosten für die Produktion.
Permanent sich im Einsatz befindliche Steuergeräte erheben die ganze Zeit Daten über das Fahrverhalten, die in einer Werkstatt beim Auslesen der Steuergeräte mit ausgelesen werden können. Hierbei handelt es sich nicht um personalisierte Daten, aber um Daten „wie mit dem Fahrzeug umgegangen wird“. Der Hersteller kann hier Optimierungen an seinen Produkten vornehmen und gezielt auf Fehlerquellen eingehen.
Zuletzt, aber dennoch nicht minder wichtig ist die Kundenbindung; Sind Kraftfahrzeuge so konstruiert und programmiert, dass nur noch autorisierte Werkstätten Einblick in die gesammelten Daten der Steuergeräte haben oder bei einem notwendigen Austausch eines Bauteils dieses mit dem Steuergerät verknüpft werden muss und die entsprechende Schnittstelle nicht für jedermann zugänglich ist, ist ein Kunde auf die Vertragswerkstatt angewiesen und kann sich, sofern er sein Fahrzeug weiter nutzen möchte, nur noch an jene wenden.

 

Defekte an Steuergeräten können nur in den seltensten Fällen wieder repariert werden bzw. lohnt sich der Aufwand. Theoretisch ist eine Reparatur möglich sofern nicht ein datentragender Baustein defekt ist. Allerding steht der aufzuwendene Arbeitslohn in keinem Verhältnis zum aufzubringenden Neupreis. Auf der anderen Seite sind die Preise für neue Steuergeräte nicht zu unterschätzen, da meistenteils nur uncodierte und unprogrammierte Steuergeräte ausgeliefert werden, die dann in einer Werkstatt noch eingebaut und auf den jeweiligen Softwarestand für das betreffende Fahrzeug gebracht werden müssen.

Waren die ersten Steuergeräte für Kraftfahrzeuge noch diskrete Schaltungen, d.h. aus Einzelbausteinen aufgebaut, handelt es sich heute um eigenständige Computer mit Mikroprozessoren und Speicherbausteinen. Diese haben mit den damals verwendeten Steuergeräten dennoch die Hauptzielsetzung gemein.
Steuergeräte arbeiten prinzipiell nach dem „Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe“-Prinzip. So können nahezu alle Aufgaben im Kraftfahrzeugbereich bewältigt werden. Beispielsweise nimmt ein Sensor als Reaktor eine bestimmte physikalische Größe auf; hier als Beispiel die Lambdasonde. So wird die Sondenspannung im Steuergerät gemessen. Der verarbeitende Teil sieht so aus, dass der Messwert mit fest in einer Datenbank vorliegenden Werten verglichen wird und eine Entscheidung gefällt wird, ob das Gemisch zu fett oder zu mager ist. Entsprechend des Zustandes entscheidet das Steuergerät ob mehr oder weniger Kraftstoff eingespritzt werden muss. Die Aktoren, die Einspritzventile, werden den neuen Vorgaben entsprechend angesteuert.

Steuergeräte der neueren Generationen arbeiten nach dem Bus-Prinzip, d.h. dass alle Steuergeräte auf einen Datenbus zugreifen und auch Daten einspeisen können, sofern es die Funktion notwendig macht. So kann, wenn softwareseitig vorgesehen, Jedes mit Jedem kommunizieren und die vorhandenen und bereitgestellten Daten nutzen oder sogar verändern.
Das macht selbstverständlich einen komplexen Aufbau eines kleinen Computers notwendig, wo diskrete einfache Schaltungen nicht mehr ausreichen.
In der Regel sind das Betriebssystem und das oder die Programme fest in einem ROM und unveränderlich. Auch können Datenbanken fest programmiert sein, so dass das jeweilige Steuergerät nur für einen bestimmten Zweck und auch nur für ein bestimmtes Fahrzeug genutzt werden kann. Aber die Hersteller gehen bereits oftmals dazu über, die ROM-Bausteine durch Flash-Speicher zu ersetzen, um eine Eingriffsmöglichkeit auf die Steuergeräte auch nach der Auslieferung zu haben. So können beispielsweise Softwareaktualisierungen in einer Werkstatt durchgeführt werden, wenn sich Fehler herausgestellt haben sollten. So kann dementsprechend auch die Entwicklungszeit verkürzt werden. Im Negativen gesprochen nimmt man so das Vorhadensein von Softwarefehlern in Kauf, um die Zeit der Entwicklung zu verkürzen. Der Kunde, bei dem der Fehler auftritt arbeitet mitunter langwierige Testroutinen im normalen Fahrbetrieb ab, die sonst während der Entwicklungszeit hätten durchlaufen werden sollen. Als Garantieleistung wird dem Kunden eine neue Softwareversion eingespeist.
Solche Steuergeräte sind als Mikrocontroller mit 8-, 16- oder 32bit-Rechnern ausgerüstet und können im kleinsten Fall als einfache Ein-Chip-Lösung, aber auch als komplexes System mit mehreren Prozessoren, Schnittstellen und Speichern konstruiert sein.

Die Entwicklung und Herstellung der Hard- und Software wird in der Regel von den Automobilherstellern in die Hand dritter Unternehmen gelegt. Dabei werden klar definierte Eckdaten seitens des Automobilherstellers festgelegt, die unbedingt einzuhalten sind. Besondere Eckdaten sind:

  • Volle Funktion bei Unterspannung des Bordnetzes
  • Volle Funktion bei Unterspannung durch den Startimpuls
  • Volle Funktion bei Extremtemperaturen im positiven und negativen Bereich

Die Vorgaben bezüglich der vollen Funktionalität bei besonderen physikalischen Umständen machen die Steuergeräte relativ teuer, da sehr viel hochwertigere Bauteile verwendet werden müssen, als es beispielsweise bei einem Heimcomputer notwendig ist.

 

Steuergeräte jeglicher Art und Verwendungszwecks, werden, sofern es sich um solche mit einem Mikroprozessor handelt, wie ein Computer in festgelegten, stadradisierten Sprachen programmiert. Dabei handelt es sich um spezielle Sprachen, die in der Regel ausschließlich für den Einsatz in solchen Steuergeräten verwendet werden. Für den äußeren Betrachter handelt es sich um vollkommen fremde Sprachen, die bereits namentlich unbekannt sind. Dennoch handelt es sich um einen sehr großen globalen Sektor, der sich mit speziellen Anwendungen beschäftigt. Das Erlernen dieser Sprachen und Programmiertechniken ist allerdings schwierig, da die Hersteller der Hard- und Software selbst, aber auch die Automobilhersteller eine Einsichtnahme dritter stets zu verhindern versuchen, um Manipulationen an den Geräten zu unterbinden.
Dennoch finden immer wieder Unternehmen und Privatleute Möglichkeiten, in die Hard- und Software Eingriff zu nehmen und bieten entsprechende manipulierende Lösungen an, um beispielsweise die Motorleitung oder das Motordrehmoment zu steigern. Im Falle eines externen Eingriffs verfällt allerdings stets die Werksgarantie, so dass solche Eingriffe immer mit einem Risiko verbunden sind. Auch unerwünschte Nebeneffekte können hierdurch auftreten, wodurch das Gesamtpaket unterm Strich leidet.

 
 
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