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Flexible LED-Beleuchtung

Diagnose an Bord

28. April 2015, 13:12 Uhr | Von Torsten Klemmer

Anspruchsvolle LED-Beleuchtung im Auto

LED-Funktionen im Auto werden immer anspruchsvoller. Das geht mit steigenden Anforderungen an die Bordnetzarchitektur und die Diagnosefähigkeiten einher. Eine komplette Diagnose ist bei LED-Beleuchtungen bisher nur bei sicherheitsrelevanten Lasten zu finden, aber für alle LED-Funktionen wünschenswert.

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Leuchtdioden kommen heutzutage für Heckleuchten, Frontscheinwerfer und die Innenraumbeleuchtung zum Einsatz. Außerdem sind LEDs im Vergleich zu herkömmlichen Glüh- oder Halogenlampen zuverlässiger und letztendlich energieeffizienter. Sie bringen neue Möglichkeiten, aber auch Herausforderungen für die Elektronikarchitektur sowie für die Fehlerdiagnose mit sich. Die Fehlerdiagnose ist wegen Sicherheitsaspekten, gesetzlichen Anforderungen sowie für die Fahrerinformation notwendig. Aber auch aus Qualitäts- und Image-Gründen wird zunehmend Diagnose von den Automobilherstellern gewünscht.

Typische Body-Elektronik-Architekturen für die Innen- und Außenbeleuchtung von Fahrzeugen bestehen, vereinfacht dargestellt, aus einem Body Control Module (BCM), dem Kabelstrang und den Lichtquellen. Das BCM beinhaltet Kommunikations-Schnittstellen wie CAN oder LIN, Mikrocontroller, intelligente Halbleiterschalter und Treiberbausteine. Die Steuerung und Diagnose der Lasten, also der Lichtquellen, wird mittels integrierter Halbleiterschalter am BCM durchgeführt.

Body-Elektronik-Architekturen für die Ansteuerung von LED-Leuchten sind ähnlich aufgebaut wie für Glüh- und Halogenlampen. Allerdings werden für die Ansteuerung und Diagnose von LEDs intelligentere Lösungen direkt an der Lichtquelle, also der LED, benötigt. LEDs müssen mit geregelten, konstanten Strömen angesteuert werden. Das Anlegen einer Spannung ohne Stromlimitierung könnte zu ihrer Zerstörung führen.

Heute kommen LEDs im Frontbereich meist nur für einige Fahrzeugvarianten einer Fahrzeugplattform zum Einsatz. Selbst im Heckbereich, wo die Durchdringung mit Leuchtdioden bereits weiter fortgeschritten ist, ist eine Serienausstattung von Voll-LEDs nur bei wenigen Fahrzeugplattformen die Regel. Deshalb sollte das BCM sowohl die Ansteuerung von herkömmlichen Glüh- und Halogenleuchten als auch Leuchtdioden unterstützen.

Ein intelligentes Diagnosekonzept ist gefragt

Neue Lichtfunktionen wie das Adaptive Frontlighting System (AFS) fordern hohe Funktionalität von der Ansteuerelektronik oder dem Lichtmodul. Das Lichtmodul ist normalerweise direkt in oder an der LED-Leuchte montiert. Für die Realisierung der AFS-Funktionen enthält das Lichtmodul standardmäßig einen Mikrocontroller und einen System-Basis-Chip.

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Mit „intelligenten“ dezentralen Lichtmodulen können alle Funktionen wie Dimmen, Diagnose oder Fehlerschutz-Funktionen direkt vom Lichtmodul durchgeführt werden. So steigen „Intelligenz“ und Leistung der Lichtmodule, während sich die oben genannten kritischen Punkte des BCM entspannen.

„Intelligente“, dezentrale Lichtmodule benötigen nur noch wenige Anschlussleitungen (Bild 1): eine abgesicherte und geschützte Versorgungsspannungsleitung sowie die Bus-Leitungen für die Kommunikation mit dem BCM. Dadurch reduziert sich die Anzahl der benötigten Kabel im Fahrzeug deutlich. Außerdem wird mit der Kabelbaumreduktion auch das Fahrzeuggewicht reduziert, was wiederum zur CO2-Einsparung beiträgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit dezentralen Lichtmodulen zusätzliche Diagnosemöglichkeiten realisiert werden können. Zum Beispiel kann jede einzelne LED oder jeder einzelne LED-Strang diagnostiziert werden.

Anforderungen an die Lastdiagnose

Die genaue Kenntnis des Lastzustandes ist im Automobilbereich besonders wichtig, weil es sich häufig um sicherheitsrelevante Anwendungen handelt. Während bei einer LED-Innenraumbeleuchtung die Sicherheitsrelevanz nicht gegeben ist, muss zum Beispiel die Funktion eines Blinkers zuverlässig detektiert werden.

Bei vielen Automobilherstellern ist die Ausstattung mit LEDs immer noch eine optionale Variante, wobei das Design des BCM gleich bleiben sollte. Daraus ergibt sich die Forderung an das BCM, sowohl Glühlampen als auch LEDs zu unterstützen und bei beiden Varianten für eine funktionierende Diagnose zu sorgen. Das sind die häufigsten Fehlerfälle auf der Lastseite (Bild 2):

Kurzschluss mit Direktverbindung zur Batterie oder Masse
Lastunterbrechung mit teilweisem oder totalem Ausfall des LED-Moduls oder der Glühlampe
Kurzschluss oder Unterbrechung von Kabeln oder Steckverbindern

Ein Kurzschluss zur Batterie stellt einen potenziell gefährlichen Fall dar, welcher jedoch vom BCM leicht erkannt wird. Dieses kann dann die Spannungsversorgung der Last deaktivieren. Die hohe Kurzschlussfestigkeit der heute verfügbaren High-Side-Schalter in Kombination mit schnell reagierenden Mikrocontrollern bietet einen guten Schutz in diesem Fehlerfall.

Während die Kurzschlussdiagnose mittlerweile eine Standardprozedur ist, stellt die Erkennung einer Lastunterbrechung höhere Anforderungen an das System. Um Lastunterbrechungen mit der Software des Mikrocontrollers festzustellen, müssen mitunter hohe Genauigkeiten in der Diagnoseschaltung erreicht werden. Speziell bei der bereits erwähnten gemeinsamen Unterstützung von Glühlampen und LEDs kann dies zu Problemen führen.

Anwendung	Leistung	Laststrom
Frontlicht Glühlampe	55 W	5 A
Frontlicht LED	30 W	1 A
Blinker Glühlampe	21 W	2,7 A
Blinker LED	4 W	0,2 A

Vergleich der Stromwerte für Glühlampen- und LED-Lösungen

In der Tabelle werden die typischen Stromwerte von Standardlösungen und LED-Lösungen an den Beispielen Frontlicht und Blinker verglichen. Während ein Ausfall einer einzelnen Glühlampe eine Stromänderung von mehreren Ampere auslöst, entsteht durch die Lastunterbrechung an LEDs ein wesentlich kleinerer Stromabfall. Das erhöht die Anforderungen an das Diagnosesystem.