Elektronische Steuergeräte in modernen Fahrzeugen mit LED-Scheinwerfern

Elektronische Steuergeräte in modernen Fahrzeugen mit LED-Scheinwerfern. Hella Light Processing Unit

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Die Digitalisierung der Scheinwerfersysteme, eine stetig steigende technische Komplexität variabler Funktionalitäten, führen zu immer höheren Anforderungen an die Lichtelektronik. Die gezielte Ansteuerung einzelner LEDs ermöglicht eine optimale Lichtverteilung und Lichtstärke die dem Fahrer in jeder Situation die bestmögliche Sicht auf die Straße bietet. Des Weiteren vermeidet die punktgenaue Ansteuerung eine Beeinträchtigung anderer Verkehrsteilnehmer in ihrem Umfeld.

Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildetem Fachpersonal genutzt werden.

Aufbau und Funktion elektronischer Steuergeräte in modernen Fahrzeugen mit LED-Scheinwerfern

Scheinwerfer Audi A6 Matrix LED — Scheinwerfer Audi A6 Matrix LED: (1) Leistungsmodul für Tagfahrlicht und Blinklicht, (2) Leistungsmodul für Fernlicht und Abbiegelicht, (3) Leistungsmodul für Abblendlicht)

Neben den bereits bekannten LED-Einsatzbereichen wie Tagfahrlicht, Positionslicht,- Rücklicht oder Blinklicht haben sich mittlerweile auch die Scheinwerferfunktionen Abblendlicht und Fernlicht mit LED-Technik in der Fahrzeugaußenbeleuchtung etabliert. Damit diese Funktionen sichergestellt werden können, sind zusätzliche Steuergeräte notwendig.

Die Hauptaufgabe dieser Lichtsteuergeräte besteht in der Ansteuerung und Überwachung der einzelnen Lichtfunktionen im Scheinwerfer. Neben der zentralen Ansteuerung sämtlicher Lichtfunktionen werden auch zusätzliche Koordinationsaufgaben, wie zum Beispiel die dynamische Anpassung der Lichtverteilung bei adaptiven Lichtsystemen individuell auf die jeweilige Fahrsituation, durchgeführt. Bei Fahrzeugen mit Fernlichtassistenten steuern die im System verknüpften Steuergeräte Situations,- und bedarfsgerecht die Ansteuerung der einzelnen LEDs je Scheinwerfer. Somit wird die Intensität des Lichtes individuell geregelt.

Modernste LED-Scheinwerfer der neuesten Generationen wie beispielsweise im VW Touareg, dem Audi A7 oder A8 werden zunehmend digital angesteuert.

Je nach Fahrzeug und System können mehrere unterschiedliche Bauarten von Steuergeräten zum Einsatz kommen. Die Steuergeräte sind in der Regel direkt an das Scheinwerfergehäuse montiert.

Anordnung der Steuergeräte (Leistungsmodule) beispielhaft an einem Matrix LED-Scheinwerfer dargestellt.

Steuergerät Hauptscheinwerfer Matrix-LED

HELLA Steuergerät Audi A7

Im Audi A7 kommt bei den LED- Scheinwerfervarianten ein Steuergerät zum Einsatz das über ein skalierbares Konzept mit 4, 6 oder 8 Kanälen verfügt und optimal zur Ansteuerung der verschiedenen Lichtfunktionen im LED-Scheinwerfer ausgelegt ist.

Damit lassen sich die 32 Leuchtdioden des HD-Matrix-LED-Moduls einzeln ansteuern. Darüber hinaus setzt es die Tagfahrlichtsignatur in Szene, welche beim A7 aus zwölf Leuchtsegmenten besteht. Hier zeigen die Scheinwerfer nach dem Entriegeln der Türen eine „Licht-Choreografie“. Die Animation läuft nach Fahrtende in umgekehrter Reihenfolge ab. Zusätzlich wird auch der „wischende“ Blinker über das Steuergerät geregelt.

Des Weiteren ist das Steuergerät mit „fail safe“ Modus ausgerüstet. Dieser sorgt dafür das im Fehlerfall noch eine ausreichende Beleuchtung gewährleistet ist.

Technische Daten
Abmessungen	88 x 130 x 25 mm (L x W x H)
Gewicht	300 g
Arbeitstemperaturbereich	-40°C bis 105°C
LED Kanäle	8
LED Ausgänge	3 – 8 Spannung 2 - 60 V Strom 100 -1400 mA Leistung 40 W pro Kanal / max. 90,120 oder 150 W
Schutzklasse	IP6K9K2
Funktionen	Matrix-Beam Fernlicht Abblendlicht (Vorfeld, Reichweite) (dynamisch) Tagfahrlicht (dynamisch) Fahrtrichtungsanzeiger s.o. (dynamisch) Positionslicht s.o. Dynamische Niveauregulierung Steuerung Schrittmotoren
Fahrzeug Schnittstelle	Spannungsversorgung Klemme 30 Masse CAN-Bus
Besonderheiten	CAN Kommunikation zum Body Control Modul (BCM) Parallele Ansteuerung der LED-Last mit beiden Kanälen möglich Diagnose Schnittstelle einschließlich Fehlerüberwachung über CAN LIN Kommunikation zu weiteren Steuergeräten

Lichtsteuergeräte am LED-Scheinwerfer: Aufbau, Funktion, Diagnose und Anpassung

Eine kleine Wissens-Auffrischung: In unserem Video-Crashkurs geben wir euch einen Rundumschlag zum Thema Lichtsteuergeräte am LED-Scheinwerfer. Erfahrt mehr über Aufbau, Funktion und Diagnose.

Aufbau LED- Steuergerät

Beispielhafte Darstellung Aufbau Lichtsteuergerät — Beispielhafte Darstellung Aufbau Lichtsteuergerät: 1. Dichtung zum Scheinwerfergehäuse , 2. Kunststoff-Abdeckung, 3. Abschirmblech (EMC= Electro Magnetic Compatibility), 4. Leiterplatte mit elektronischen Komponenten, 5. Metallisches Gehäuse mit Kühlrippen

Die Leiterplatte mit den elektronischen Komponenten ist direkt auf die unteren Gehäusehälfte montiert. Um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten, wird hier ein Metallgehäuse mit Kühlrippen verwendet.

Oberhalb der Leiterplatte wird zusätzlich ein Abschirmblech positioniert, um den Einfluss von elektromagnetischen oder Hochfrequenz Störungen auf die Funktion des Steuergerätes zu vermeiden. Der metallene Schirm absorbiert die störenden Signale und leitet diese über eine entsprechende Masseverbindung ab. Das obere Gehäuseteil besteht aus einer Kunststoffabdeckung die mit dem unteren Gehäuseteil verklippst und verschraubt wird. Zusätzlich ist rund um den Anschlussstecker eine Dichtung angebracht, um Verunreinigungen oder Feuchtigkeit zwischen Steuergerät und Scheinwerfergehäuse zu verhindern.

Steckeransicht

Gehäuserückseite mit Kühlrippen

Ein weiteres HELLA-Lichtsteuergerät wird bei LED-Scheinwerfern z.B. bei Fahrzeugen der Marke Porsche eingesetzt.

Mit diesem Steuergerät werden folgende Funktionen realisiert.

Spannungsversorgung Abblend-, Fern- und Tagfahrlicht
Spannungsversorgung der internen Peripherie mit +5 V und +12 V (3 Spannungswandler)
Fahrtrichtungserkennung rechts/links
Ansteuerungen externer Funktionen (z.B. Kurvenlicht)
Ansteuerung der Lüfter im Scheinwerfer
Integration von bis zu sieben Signaleingänge zur Codierung von Temperatur oder Lichtklassen

Hardware Architektur

Blockschaltbild LED- Steuergerät — Die besondere Hardwarearchitektur moderner Lichtsteuergeräte ermöglicht einen platzsparenden und kompakten Geräteaufbau.

Zur Ansteuerung moderner LED-Scheinwerfer bedarf es eines Steuergerätes, um deren spezifischen Anforderungen der LED-Technologie und der weiten Varianz in den Anwendungen gerecht zu werden.

Das HELLA Steuergerät LMS (LED Modul Scheinwerfer) ist so aufgebaut, dass es ein Maximum an Flexibilität durch Datensatzanpassungen an den jeweiligen Scheinwerfer und die verbauten Komponenten bietet.

Matrix Beam Funktionalitäten mit gedimmten Übergängen und Animationen (z.B. Coming home / Leaving home) lassen sich durch den Datensatz konfigurieren, womit fahrzeugtypische Erkennungsmerkmale betont werden. Zusätzlich kann das Steuergerät in abgestuften Hardware-Ausbaustufen konfiguriert werden.

Die Ansteuerung des Steuergerätes im Fahrzeugsystem erfolgt über den CAN Bus, der neben der eigentlichen Stromversorgung die wesentlichen Eingänge bereitstellt. Über den Dateneingang erhält das Gerät alle Informationen vom Bordnetzsteuergerät. Am Ausgang stehen bis zu 8 LED-Kanäle zur Verfügung, die alle pulsweitenmoduliert (PWM) gedimmt werden und in einigen Fällen mehrere Lichtfunktionen pro Kanal bedienen können. Des Weiteren verfügt das Gerät über diverse High-Side Treiber Ausgänge, sowie auch eine Lüfteransteuerung, die häufig in den Scheinwerfern erforderlich ist, um die thermische Belastung zu reduzieren. Die auf den LED-Platinen auftretenden Temperaturen werden über Sensoren erfasst und zum Schutz der LED in Dimm-Funktionen umgesetzt.

Ein physikalischer CAN Bus am Ausgang stellt die Schnittstellen zu den vielfach eingesetzten LED-Matrix Managern auf den LED-Platine her. Auch die Stromversorgung der LMM Bausteine wird zur Verfügung gestellt. Über LIN Bus Ausgänge verfügt das Gerät ebenfalls, um weitere Kommunikationsschnittstellen innerhalb des Scheinwerfers bereit zu stellen.

Kommunikation und Systemeinbindung

Vernetzungstopologie LED-Scheinwerfer

Systemeinbindung im Fahrzeug

Die fahrzeuginterne Kommunikation mit zusätzlichen BUS-Teilnehmern erfolgt durch die Vernetzung der Scheinwerfersteuergeräte mit dem Bordnetzsteuergerät sowie mit den Steuergeräten einzelner Fahrerassistenzsysteme. Die Lichtsteuergeräte kommunizieren via Datenbus und erhalten somit Daten, die permanent und verlässlich in die geforderte Lichtverteilung umgesetzt werden. Je nach Fahrzeugmodell und System können die abgebildeten Vernetzungsübersichten von anderen Fahrzeugmodellen abweichen.

Prüfung und Diagnose

Vor der Fehlerdiagnose mit dem Diagnosegerät sollte zunächst eine Sichtkontrolle der einzelnen Systemkomponenten durchgeführt werden, da einige Fehler auf diese Weise bereits erkannt und behoben werden können.

Bei allen Reparaturarbeiten am LED-Scheinwerfer, insbesondere beim Austausch von Steuergeräten oder anderen elektronischen Komponenten, muss der ESD-Schutz gewährleistet sein, weil elektronische Bauteile, wie Platinen oder Steuergeräte, durch elektrostatische Entladungen (ESD = Electro-Static-Discharge) beschädigt werden können.

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Prüfung und Diagnose

Die Überwachung der Funktion des LED-Scheinwerfers und somit auch der Lichtsteuergeräte erfolgt durch übergeordnete Steuergeräte im Bordnetzsystem. Aufgetretene Fehler werden im Fehlerspeicher der Steuergeräte abgespeichert und lassen sich mit einem geeigneten Diagnosegerät auslesen. Bei einigen Fahrzeugmodellen wird der Fahrer bei einem Systemfehler zusätzlich durch einen Warnhinweis im Display des Kombiinstruments informiert.

Im Rahmen der Diagnose am LED-Scheinwerfer durch Auslesen der Steuergeräte können je nach Diagnosegerät folgende Funktionen zur Fehlersuche herangezogen werden.

Fehlercode (Fehlerspeichereinträge auslesen, bewerten und löschen)
Parameter (Darstellung einzelner Messwerte)
Stellgliedtest (Ansteuerung der Lichtfunktionen via Diagnosegerät)

Fehlerspeicher Eintrag im Steuergerät — Beispiel: Fehlerspeicher Eintrag im Steuergerät (Leistungsmodul Matrix-LED-Scheinwerfer links - Signal fehlt/fehlerhaft)

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Reparatur und Anpassung

Eine Reparatur der Lichtsteuergeräte ist seitens des Fahrzeugherstellers nicht vorgesehen. Wird ein Defekt am Steuergerät seitens der Werkstatt diagnostiziert, müssen die Steuergeräte ersetzt werden.

Mögliche Ursachen für Fehlfunktionen oder Defekte:

Fehlende oder fehlerhafte Versorgungsspannung (+/-)
Interne Kurzschlüsse, Kontaktfehler an den Anschlüssen
Mechanische Beschädigungen (z.B. Unfall)
Umwelteinflüsse (Wasser, Salz etc.)

Nach dem Austausch eines Steuergerätes oder LED-Scheinwerfers kann es notwendig sein, dass eine Anpassung im Fahrzeug über die zur Verfügung stehenden OEM Portale durchgeführt werden muss.

In Abhängigkeit des Fahrzeugherstellers, Scheinwerfertyps und des jeweiligen Steuergerätes müssen in diesem Fall zusätzliche Service-Arbeiten mit einem geeigneten Diagnosetool durchgeführt werden, um die korrekte Funktion des Beleuchtungssystems zu gewährleisten.

In den Reparaturanweisungen der Fahrzeughersteller wird hier von codieren, programmieren oder flashen gesprochen.

Was das im Einzelnen bedeutet wird nachfolgend, ohne Darstellung von detaillierten Prozessen aus der Mikroelektronik, beispielhaft erläutert.

Reparatur und Anpassung

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Codieren

Unter dem Codieren eines Steuergerätes im Kraftfahrzeug versteht man in der Regel das Festlegen bestimmter Funktionen, die bereits in der Software im Vorfeld hinterlegt sind.

Dabei können bestimmte Lichtfunktionen physischen Ausgängen zugeordnet oder Sollwerte bzw. Grenzwerte definiert werden.

Somit besteht die Möglichkeit nachträglich fahrzeugspezifische Anpassungen durchzuführen. Diese Funktion wird auch bei einigen Herstellern als „Variantencodierung“ bezeichnet.

So können zum Beispiel einige Lichtfunktionen auf die jeweiligen Länderspezifischen Anforderungen angepasst werden.

Einschaltbedingungen für Tagfahrlicht

Tagfahrlicht eingeschaltet
Tagfahrlicht ausgeschaltet
Tagfahrlicht eingeschaltet + Rücklicht eingeschaltet

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Programmieren

Beim Programmieren verändert man die bestehende Software. Dadurch wird das grundlegende Arbeitsprogramm des Steuergerätes umgeschrieben.

In diesem Fall können Veränderungen an der Hardware eines Scheinwerfers, zum Beispiel im Rahmen einer Modellpflege, softwareseitig angepasst werden.

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Flashen

In jedem modernen Steuergerät ist heutzutage ein elektronisch programmierbarer Speicher verbaut. Die auch als Flash-EEPROM bezeichneten Bauteile beinhalten das Betriebssystem (Firmware) der Steuergeräte. Diese Firmware kann im eingebauten Zustand im Fahrzeug softwareseitig auf den neusten Stand gebracht werden. Dieser Vorgang wird auch als Update- oder Flashprogrammierung bezeichnet.

Da die meistens Steuergeräte Online angepasst werden müssen, vermischen sich hier die einzelnen Anpassungsoptionen, sodass sich im Werkstattalltag der Begriff „Flashen“ durchgesetzt hat.

Bei vielen Flashvorgängen wird gleichzeitig programmiert und codiert. Letztlich ist aber nur endscheidend, dass eine Anpassung durchgeführt wird und die Beleuchtungsanlage am Fahrzeug fehlerfrei funktioniert.

Reparaturbeispiel Mercedes Benz

Im Rahmen einer Reparatur eines Unfallschadens wurde der rechte LED-Scheinwerfer an einem W212 erneuert. Dazu wurden die alten Steuergeräte an den neuen Scheinwerfer montiert. Nach Fertigstellung der Reparatur wurde zur Anpassung des QR-LED Codes ein Diagnosegerät angeschlossen und ein macsRemote Service durchgeführt. Zur Inbetriebnahme wurden zuerst die Steuergeräte des linken und rechten Scheinwerfers auf einen neuen Softwarestand programmiert und anschließend der rechte Scheinwerfer über den QR-LED Code codiert.

Das Programmieren, codieren oder auch flashen muss mit einem geeigneten Diagnosegerät und einer stabilen Netzwerkverbindung zum Server des Fahrzeugherstellers durchgeführt werden!

Bitte beachten Sie die Reparaturanweisungen und Sicherheitshinweise der jeweiligen System-, oder Fahrzeughersteller!
Beim Austausch von elektronischen Komponenten im Scheinwerfer ist auf größtmögliche Sauberkeit zu achten. Zusätzlich sind die Maßnahmen zum Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) zu beachten.
Reparaturarbeiten an der Beleuchtungsanlage im Kraftfahrzeug dürfen ausschließlich von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. Unsachgemäß durchgeführte Reparaturen können zum Systemausfall und zu erheblichen Personenschäden führen.

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