Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

Frontmatter

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz

Zusammenfassung

Der Anteil der Elektronik im Fahrzeug stieg in den letzten Jahren stark an und wird auch in Zukunft noch weiter zunehmen. Die technische Entwicklung in der Halbleitertechnik ermöglicht mit der zunehmenden Integrationsdichte immer komplexere Funktionen. Die Funktionalität der in Kraftfahrzeugen eingebauten elektronischen Systeme übertrifft mittlerweile die Leistungsfähigkeit der Raumkapsel Apollo 11, die 1969 den Mond umkreiste.

Konrad Reif

Grundlagen der Vernetzung

Zusammenfassung

Mit dem rasanten Fortschritt in der Computertechnik nimmt die Anzahl elektronischer Systeme immer weiter zu. Diese Entwicklung macht auch in der KfzTechnik nicht halt. Das bedeutet aber auch, dass die Komplexität eines Gesamtsystems – hier das System Fahrzeug – weiter steigt. Die Einzelsysteme, z. B. die Motorsteuerung, wurden dabei in den letzten Jahren in Details weiter verbessert. Innovationen werden aber vor allem durch das Zusammenspiel mehrerer Einzelsysteme erzielt. Damit die Vielzahl an Informationen, die mit den Einzelsystemen verwaltet werden, auch systemübergreifend genutzt werden können, müssen die einzelnen Komponenten untereinander vernetzt werden. Je nachdem, welche Anforderungen z. B. Übertragungssicherheit, Fehlertoleranz, Kosten) gestellt werden, kommen verschiedene Kommunikationssysteme zum Einsatz.

Konrad Reif

Vernetzung im Kfz

Zusammenfassung

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz sind vielfach nicht voneinander unabhängig, sondern beeinflussen und ergänzen sich gegenseitig. eshalb wurden schon bei den frühen Einspritz- und Zündsystemen Signalleitungen eingesetzt, um eine einfache Kommunikation zwischen diesen beiden Systemen zu ermöglichen. Die zunehmende Anzahl elektronischer Systeme erhöhte jedoch rasch den Bedarf und die Vielfalt an auszutauschenden Informationen. Die Anzahl der hierzu erforderlichen Signalleitungen und Steckeranschlüsse stiegen gleichermaßen, so dass die bis dahin angewandte Technik an ihre Grenzen stieß.

Konrad Reif

Bussysteme

Zusammenfassung

Der CAN-Bus (Controller Area Network) wurde 1991 als erstes Bussystem in einem Kraftfahrzeug in Serie eingeführt. Im Kfz-Bereich hat er sich seitdem als Standard etabliert, aber auch in der allgemeinen Automatisierungstechnik wird der CAN-Bus als Feldbus häufig verwendet. In Anlehnung an die Bezeichnung anderer Netzwerktypen, wie z. B. dem Local Area Network (LAN), dem Wide Area Network (WAN) oder dem Personal Area Network (PAN) erhielt dieses Bussystem den Namen CAN.

Konrad Reif

Architektur elektronischer Systeme

Zusammenfassung

Elektrische und elektronische Systeme (E/E-Systeme) realisieren eine Vielzahl der Funktionen in einem modernen Kraftfahrzeug. Die zunehmende achfrage nach Komfort, Sicherheit, Umweltschutz und Unterhaltung führt zu einer weiter steigenden Anzahl von E/E-Systemen im Kraftfahrzeug.

Konrad Reif

Mechatronik

Zusammenfassung

Der Begriff Mechatronik entstand als ein Kunstwort aus Mechanik und Elektronik, wobei unter Elektronik „Hardware“ und „Software“ zu verstehen ist; Mechanik steht als Oberbegriff für die Disziplinen „Mechanik“ und „Hydraulik“. Es geht dabei jedoch nicht um den Ersatz der Mechanik durch eine „Elektronifizierung“, sondern um die ganzheitliche Sicht und Entwurfsmethodik. Ziel ist die gemeinsame Optimierung von Mechanik, Elektronik-Hardware und -Software zur Darstellung von mehr Funktionen bei niedrigeren Kosten, geringerem Gewicht und Bauraum und besserer Qualität. Entscheidend für den Erfolg eines Mechatronik-Ansatzes bei der Problemlösung ist die gemeinsame Betrachtung der bisher getrennten Disziplinen.

Konrad Reif

Elektronik

Zusammenfassung

Die Anzahl und die Beweglichkeit der freien Ladungsträger in den verschiedenen Stoffen bestimmen ihre spezifische Eignung zur Stromleitung. Die elektrische Leitfähigkeit fester Körper hat bei Raumtemperatur die Variationsbreite von 24 Zehnerpotenzen. Das führt zur Einteilung in drei elektrische Stoffklassen. Tabelle 1 gibt eine Übersicht mit einigen Beispielen.

Konrad Reif

Steuergeräte

Zusammenfassung

Mit der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig mit einbezogen werden, sodass sich die Systeme bestmöglich betreiben lassen. Das Steuergerät empfängt die elektrischen Signale der Sensoren, wertet sie aus und berechnet die Ansteuersignale für die Stellglieder (Aktoren). Das Steuerungsprogramm – die „Software“ – ist in einem Speicher abgelegt. Die Ausführung des Programms übernimmt ein Mikrocontroller. Die Bauteile des Steuergeräts werden als „Hardware“ bezeichnet. Das Motronic-Steuergerät umfasst alle Steuer- und Regelalgorithmen für das Motormanagement (Zündung, Gemischbildung usw.)

Konrad Reif

Software

Zusammenfassung

Als 1967 die erste elektronische Motorsteuerung vom Band lief, ahnte wohl niemand, welchen Siegeszug die Elektronik im Kraftfahrzeug antreten würde (Bild 1). Inzwischen werden in allen Fahrzeugklassen fast alle Fahrzeugfunktionen elektronisch gesteuert, geregelt oder überwacht. Ein Großteil der Innovationen findet auf diesem Gebiet statt. Doch nicht nur die Einzelfunktionen entwickeln sich weiter. Auch die Vernetzung der Funktionen untereinander nimmt rasant zu. Die Verbindung zwischen Motor- und Getriebesteuerung, den verschiedenen Fahrdynamiksystemen ABS, ESP und der Geschwindigkeitsregelung sowie zwischen Navigation und Scheinwerfersteuerung sind nur einige Beispiele. So nimmt die Komplexität der Elektronik stark zu. Dies betrifft vor allem die Software. Die Vorgehensweise und die Werkzeuge, um Software für Kraftfahrzeuge zu entwickeln, werden im Folgenden beschrieben.

Konrad Reif

Sensoren im Kraftfahrzeug

Zusammenfassung

Der Begriff Sensor führte sich ein, als in den zurückliegenden 20…40 Jahren Messfühler auch in Konsumanwendungen (z. B. Kraftfahrzeug und Hausgerätetechnik) einzogen. Sensoren – begrifflich identisch mit (Mess)Fühlern und (Messwert)Aufnehmern – setzen eine physikalische oder chemische (meist nichtelektrische) Größe F in eine elektrische Größe E um; dies geschieht oft auch über weitere, nichtelektrische Zwischenstufen.

Konrad Reif

Sensormessprinzipien

Zusammenfassung

In Kraftfahrzeugen arbeiten eine Vielzahl von Sensoren. Als Wahrnehmungsorgan der Fahrzeuge setzen sie variable Eingangsgrößen in elektrische Signale um. Von den Steuergeräten der Motormanagement, Sicherheitsund Komfortsysteme werden diese Signale für Steuerungsund Regelungsfunktionen herangezogen. Je nach Aufgabe kommen unterschiedlich Messprinzipien zum Einsatz.

Konrad Reif

Sensorausführungen

Zusammenfassung

Die Drehzahl wird über den Zeitabstand der Signale des Drehzahlsensors berechnet.

Konrad Reif

Aktoren

Zusammenfassung

Aktoren bilden die Schnittstelle zwischen elektrischer Signalverarbeitung (Informationsverarbeitung) und Prozess (Mechanik). Sie setzen die Stellinformation tragenden Signale geringer Leistung in leistungsbehaftete Signale einer zur Prozessbeeinflussung notwendigen Energieform um. Signalwandler kombiniert mit Verstärkerelementen nutzen die physikalischen Wandlungsprinzipien zwischen verschiedenen Energieformen (elektrisch – mechanisch – fluidisch – thermisch).

Konrad Reif

Hybridantriebe

Zusammenfassung

Ein Konzept zur Kraftstoffeinsparung, zur Reduzierung von CO2- und Schadstoffemissionen und gleichzeitig zur Erhöhung von Fahrspaß und Fahrkomfort stellen elektrische Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicle, HEV) dar. Sie verwenden zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch mindestens einen Elektromotor (E-Maschine). Dabei gibt es eine Vielzahl von HEV-Konfigurationen, die zum Teil verschiedene Optimierungsziele verfolgen und die in unterschiedlichem Maße elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen.

Konrad Reif

Betrieb von Hybridfahrzeugen

Zusammenfassung

Der Betrieb des elektrischen Hybridfahrzeugs wird wesentlich durch die Betriebsstrategie bestimmt. Je nach übergeordnetem Optimierungsziel (Emissionsminderung, Kraftstoffeinsparung) legt die Betriebsstrategie in jedem Moment die Verteilung des angeforderten Antriebsmoments auf den Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine fest, sodass der Verbrennungsmotor in möglichst günstigen Betriebspunkten arbeitet. Darüber hinaus steuert die Betriebsstrategie die Erzeugung elektrischer Energie zum Laden der Traktionsbatterie.

Konrad Reif

Regeneratives Bremssystem

Zusammenfassung

Beim regenerativen Bremsen wird kinetische Energie der Antriebsräder durch die E-Maschine - die dafür generatorisch betrieben wird - in elektrische Energie umgewandelt. So kann ein Teil der Energie, die beim Bremsen normalerweise als Reibungswärme verloren geht, in Form von elektrischer Energie in die Batterie eingespeist und anschließend genutzt werden. Gleichzeitig wird durch den generatorischen Betrieb der E-Maschine eine das Fahrzeug abbremsende Wirkung erzielt.

Konrad Reif

Elektroantriebe für Hybridfahrzeuge

Zusammenfassung

Elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge sind bereits in den 1920er Jahren in geringen Stückzahlen gebaut worden, erste Hybridfahrzeuge kamen in kleinsten Stückzahlen ab ca. 1980 auf den Markt. Relevante Stückzahlen erreichte jedoch erst der Toyota Prius ab Modelljahr 1998. Während zunächst ausschließlich der Gleichstrom-Kommutatormotor eingesetzt wurde, kam in den letzten 20 Jahren aufgrund der Fortschritte in der Stromrichtertechnik dann ausschließlich der Drehstrom-Antrieb zum Einsatz.

Konrad Reif

Bordnetze für Hybridfahrzeuge

Zusammenfassung

Das Bordnetz eines Fahrzeugs mit Start/ Stopp-System ist einem konventionellen Bordnetz sehr ähnlich. Bordnetze für Mild- oder Full-Hybridantriebe hingegen verfügen über eine Hochspannungsebene und unterscheiden sich damit deutlich vom Bordnetz eines konventionellen Fahrzeugs.

Konrad Reif

Bordnetze

Zusammenfassung

Das Bordnetz eines Kfz besteht aus dem Generator als Energiewandler, einer oder mehreren Batterien als Energiespeicher und den elektrischen Geräten als Verbraucher. Mithilfe der Energie aus der Batterie wird der Fahrzeugmotor über den Starter (Verbraucher) gestartet. Im Betrieb müssen Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte, die Sicherheits- und Komfortelektronik, die Beleuchtung und weitere Geräte mit Strom versorgt werden.

Konrad Reif

Starterbatterien

Zusammenfassung

Die Starterbatterie ist ein elektrochemischer Speicher für die vom Generator während des Motorbetriebs erzeugte überschüssige elektrische Energie. Diese gespeicherte Energie wird im Fahrbetrieb in den Phasen benötigt, wenn der Energiebedarf der eingeschalteten Verbraucher größer als die vom Generator erzeugte Energie ist (z. B. im Leerlauf ). Die Batterie liefert auch die Energie für die elektrischen Verbraucher bei Motorstillstand sowie für den Startvorgang. Sie ist nach ihrer Entladung immer wieder aufladbar. Es handelt sich also um einen Akkumulator, in diesem Fall um einem Blei-Akkumulator.

Konrad Reif

Generatoren

Zusammenfassung

Kraftfahrzeuge besitzen zur Energieversorgung der elektrischen Verbraucher wie Starter, Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte usw. einen Generator zur Stromerzeugung. Erzeugt der Generator mehr Strom, als die Verbraucher benötigen, so lädt er die Batterie. Generatorleistung, Batteriekapazität und der Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher müssen aufeinander abgestimmt sein, um sicherzustellen, dass bei allen Betriebsbedingungen genügend Strom an das Bordnetz geliefert wird und die Batterie immer ausreichend geladen ist.

Konrad Reif

Startanlagen

Zusammenfassung

Verbrennungsmotoren müssen von einem Starter mit einer Mindestdrehzahl angetrieben werden, bevor sie im Selbstlauf ausreichend Energie liefern können, um aus den Verbrennungszyklen den Momentenbedarf für die Kompressions- und Gaswechselzyklen zu decken. Dabei sind die Lagerstellen im Motor zunächst ungenügend geschmiert, sodass hohe Reibungswiderstände beim Drehen des Motors überwunden werden müssen.

Konrad Reif

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Funkentstörung

Zusammenfassung

Der Begriff Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bedeutet, dass ein Gerät zuverlässig funktioniert, auch wenn es elektromagnetischen Feldern ausgesetzt ist. Andererseits dürfen die vom Gerät im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Felder nur so stark sein, dass in dessen Umgebung u. a. ein ungestörter Funkempfang möglich ist.

Konrad Reif

Schaltzeichen und Schaltpläne

Zusammenfassung

Die elektrischen Anlagen in Kraftfahrzeugen enthalten eine große Zahl von elektrischen und elektronischen Geräten für Steuerung und Regelung des Motors sowie für Sicherheits- und Komfortsysteme. Eine Übersicht über die komplexen Bordnetzschaltungen ist nur mit aussagefähigen Schaltzeichen und Schaltplänen möglich. Schaltpläne als Stromlaufpläne und Anschlusspläne helfen bei der Störungssuche, erleichtern den Einbau zusätzlicher Geräte und ermöglichen das fehlerfreie Anschließen beim Umrüsten oder Ändern der elektrischen Ausstattung von Fahrzeugen.

Konrad Reif

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