Elektronik in der Fahrzeugtechnik

Der Ruf des Autos war einst geprägt durch die hohe Umweltbelastung, durch zahlreiche Verkehrstote und durch wenig komfortables Reisen auf langen Strecken. Zwar belastet der Straßenverkehr auch heute noch die Umwelt, sind auch heute laut statistischem Bundesamt 2562 Verkehrstote jährlich 2562 zu viel und eine weite Reise ist trotz ausgebauter Hochgeschwindigkeitsnetze der Bahn oder erschwinglicher Flüge immer noch beschwerlich. Trotzdem hat es in den vergangenen Jahren Verbesserungen beim Umweltschutz, bei der Sicherheit und beim Komfort gegeben. Während die Verbesserung der passiven Sicherheit maßgeblich auf konstruktive Verbesserungen der Karosserie und des Interieurs zurückzuführen ist, gehen beim Umweltschutz (Motormanagement, Abgasnachbehandlung), bei der aktiven Sicherheit (ABS, ESP) und beim Komfort diese Verbesserungen überwiegend auf das Konto der Elektronik. Und selbst bei den Fortschritten in der passiven Sicherheit durch den Airbag war die Elektronik nicht ganz unbeteiligt.

Die zum Betrieb des Fahrzeugs erforderliche elektrische Energie wird bei laufendem Motor durch den Generator bereitgestellt. Ein hoher Energiebedarf entsteht vor allem beim Starten des Motors. Ausgerechnet in dieser energieaufwändigen Phase kann der Generator bei stehendem Motor noch keine Energie liefern. Gelöst wird dieses Problem durch die Starterbatterie, die im Betrieb durch den Generator aufgeladen wird, um dann beim Start die benötigte Energie bereit zu stellen. Da immer mehr Verbraucher auch im Stillstand des Fahrzeugs Strom verbrauchen, muss die Starterbatterie auch diese Energie liefern oder eine zweite Energiequelle (APU, Auxiliary Power Unit) für diese Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Mit den Fortschritten bei elektrischen Antrieben gewinnt eine dritte Anwendung von Batterien im Fahrzeug an Bedeutung, nämlich Traktionsbatterien, die den Fahrstrom für den Antrieb liefern. Dies sind hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien, an Nachfolgern wird bereits geforscht.

Der Übergang zwischen konventionellen Fahrzeugen über Hybridfahrzeuge zu Elektrofahrzeugen verläuft fließend. Insofern steht dieses Kapitel in einem engen Zusammenhang mit den vorhergehenden Kapiteln über Bordelektrik und Energiespeicher. Dieses Kapitel stellt hybride und elektrische Antriebe vor, sowie weitere Komponenten (elektrische Maschinen und Umrichter).

1892 erfand Rudolf Diesel den Motor, der heute PKW, LKW, Busse, Schiffe, Panzer, Baumaschinen, Landmaschinen und Gabelstapler antreibt und der auch stationär zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Der Motor von 1892 funktionierte ohne eine elektronische Steuerung, wäre aber nach heutigen Maßstäben nicht mehr konkurrenzfähig. Der Dieselmotor wurde im Laufe der Jahre zunächst kleiner und leichter, dann sparsamer. Inzwischen stehen die vom europäischen Gesetzgeber vorgeschriebene Reduktion der Schadstoffe im Abgas, die Lärmreduktion sowie das subjektive Fahrgefühl im Vordergrund. Seit einigen Jahren gewinnt in der EU wieder der Verbrauch als Optimierungsziel an Bedeutung, der – sieht man einmal von der CO₂-Erzeugung bei der Herstellung des Fahrzeugs ab – unmittelbar mit dem CO₂-Ausstoß zusammenhängt. Getrieben wird dieser Trend durch Strafzahlungen, die die Hersteller leisten müssen, wenn der durchschnittliche Flottenverbrauch die Vorgaben der EU überschreitet. Ähnliche Regelungen existieren in den USA.

Die Elektronik im Fahrzeug erfüllt zahlreiche unterschiedliche Funktionen, z. B. die Motorsteuerung oder die Getriebesteuerung, wobei sich diese Funktionen wiederum in kleinere Teilfunktionen unterteilen lassen. Diese vielfältigen Aufgaben müssen auf physikalisch vorhandene Steuergeräte im Fahrzeug verteilt werden. Ein Ansatz wäre ein Zentralsteuergerät. Noch sind viele im Fahrzeug verteilte Steuergeräte vorhanden, die über Bussysteme wie den CAN-Bus, FlexRay, LIN und weitere Bussysteme hochgradig vernetzt sind. Zunehmend wird Ethernet im Fahrzeug eingesetzt.

So unterschiedlich die Anwendungen verschiedener Steuergeräte auch sind, der grundsätzliche Aufbau ähnelt sich doch sehr stark. Jedes Steuergerät besitzt einen Rechnerkern, wobei es allerdings erhebliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit gibt. Steuergeräte, die wie in den 70er Jahren Funktionen ausschließlich in analoger Schaltungstechnik realisierten, haben heute keine Bedeutung mehr. Die Aufgabe eines Steuergerätes ist die Verarbeitung von Sensorsignalen und eine der Betriebssituation angepasste Betätigung von Stellgliedern (Aktoren), z. B. über Regelalgorithmen. Zu diesem Zweck sind Schnittstellenschaltungen in das Steuergerät zu integrieren, die auf die jeweiligen Sensoren und Aktoren angepasst sind. Neben einem Baukasten aus Standardschnittstellen gibt es auch spezielle Aktoren und Sensoren, die auch spezielle Schaltungen benötigen. Wie schon im vorigen Kapitel gezeigt, besitzt ein Steuergerät auch Kommunikationsschnittstellen, z. B. CAN-Transceiver, zu anderen Steuergeräten und auch zu externen Geräten, die in der Entwicklung und im Service eingesetzt werden. Darüber hinaus hat jedes Steuergerät eine interne Infrastruktur zur Versorgung mit Spannungen und mit digitalen Taktsignalen. In den folgenden Abschnitten werden diese Funktionsblöcke ausführlicher beschrieben. Besondere Bedeutung haben im Fahrzeug die elektromagnetische Verträglichkeit, die klimatischen Anforderungen und die Vibrationsbeständigkeit.

Der Leser, dem Software vor allem in Form von PC-Anwendungen bekannt ist, wird in diesem Kapitel zahlreiche Unterschiede zur Software typischer Steuergeräte in Fahrzeugen entdecken. Auch auf den folgenden Seiten bietet es sich häufig an, von der vertrauten PC-Software ausgehend die Software in Steuergeräten zu verstehen. Die wesentlichen Aufgaben der Software sind mess-, steuer- und regelungstechnische Aufgaben, die Überwachung und Diagnose sowie die bereits in Kap. 6 vorgestellte Kommunikation mit anderen Steuergeräten.

Neben den hier hauptsächlich betrachteten automobiltypischen Steuergeräten werden zunehmend Multimedia-Geräte ins Fahrzeug integriert, die mehr Gemeinsamkeiten mit PCs oder auch mit Smartphones haben, als klassische Steuergeräte. Auch werden zukünftige Zentralsteuergeräte vermutlich mehr Ähnlichkeit mit PCs haben.

Die Datensicherheit hatte in der Kfz-Elektronik lange nur punktuelle Bedeutung. Selbst dort, wo eine Absicherung von Daten vorteilhaft war, wurden nicht immer Maßnahmen ergriffen, da solche Maßnahmen oft eine Rechenleistung erforderten, die ein kleiner, billiger Mikrocontroller nicht bietet. Dies ändert sich, da einerseits immer mehr Anwendungen im Fahrzeug eine Absicherung erfordern und anderseits die Rechenleistung von Mikrocontrollern stärker steigt, als deren Preis. Die Sicherheitsmaßnahmen müssen in den Entwicklungsprozess integriert werden. Während in der PC-Welt und in der Produktion Angriffe meist aus der Distanz über das Internet erfolgen, ist der Angreifer eingebetteter Systeme oft in deren Besitz, was ihm weitere Möglichkeiten eröffnet. Hier stellt sich auch die Frage, wie weit der geläufige Begriff „Angreifer“ gerechtfertigt ist, wenn es sich dabei um den Nutzer oder den rechtmäßigen Eigentümer handelt. Daraus leiten sich auch rechtliche Fragen ab.

Der Ausfall von Fahrzeugsystemen kann den Fahrer verärgern, wenn z. B. das Fahrzeug nicht anspringt, die Folgen können aber weiter reichen. Wenn das Fahrzeug z. B. aufgrund eines Fehlers in der Elektronik ungewollt beschleunigt, droht ein schwerer Unfall. Beispiele sicherheitskritischer Systeme sind Steer-by-Wire, also die elektronisch vermittelte Lenkung und Brake-by-Wire, die elektronisch vermittelte Bremse. Teile dieser zusammenfassend X-by-wire genannten Techniken sind bereits in heutigen Fahrzeugen integriert. Ein historisches Beispiel bot ein mit Kraftstoff beladener Tanklastzug mit einer damals neuartigen Getriebesteuerung. Der Fahrer wollte nach Ausfall der Bremse die Motorbremse nutzen; weil das Steuergerät jedoch feststellte, dass der angewählte Gang nicht zur Drehzahl passte, ließ er sich nicht einlegen. Das Fahrzeug beschleunigte bergab und prallte im Ortskern in ein Gebäude. Kraftstoff lief aus, es kam zu Bränden und Explosionen. Es gab auch Tote und Verletzte. Spätestens mit der Norm ISO 26262 ist funktionale Sicherheit eine Kernanforderung der Elektronikentwicklung für Fahrzeuge. Neuerdings kam die ISO 21448 für die Sicherheit beabsichtigter Funktionen (SOTIF) hinzu.

Der Ablauf eines einzelnen Entwicklungsprojektes wird durch das branchenübliche Umfeld geprägt. Charakteristisch sind die geringe Fertigungstiefe und auch die geringe Entwicklungstiefe. Der Fahrzeughersteller (Original Equipment Manufacturer, OEM) hat selbst nur einen sehr geringen Anteil am fertigen Produkt, ein großer Anteil der Entwicklung und der Wertschöpfung in der Produktion erfolgt über Zulieferer. Aufgaben, die typischerweise beim OEM verbleiben, sind das Design, das Marketing, die Endmontage und teilweise die Entwicklung und Produktion der Motoren. In Einzelfällen vergeben die OEM sogar diese Aufgaben an Dritte. Die Motoren werden meist noch von den Autoherstellern selbst entwickelt und gebaut, manchmal stammen aber auch sie von speziellen Motorenbauern, vereinzelt sogar von Wettbewerbern. Lediglich das Marketing bleibt eine Kernkompetenz des Autoherstellers. Behandelt werden die Phasen des Produktlebenszyklus und das Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie.

In diesem Kapitel werden exemplarisch Anwendungen der Kfz-Elektronik betrachtet. Es wird ein Überblick gegeben über Anwendungen im Antriebsstrang, der Fahrdynamik, der aktiven und passiven Sicherheit, der Fahrerassistenzsysteme bis hin zum automatisierten Fahren, der Mensch-Maschine-Schnittstelle, der Komfortsysteme, der Unterhaltungselektronik, der Fahrzeugakustik und des Diebstahlschutzes, ergänzt durch Literaturhinweise. Eine Sonderstellung besitzt der Abschn. 12.1. In diesem soll anhand eines relativ einfachen Beispiels einer Klimaregelung das Vorgehen bei einer Funktionsentwicklung erläutert werden.

Für den Bastler ist es interessant und lehrreich, sich die Elektronik seines Fahrzeugs selber zu bauen oder zu verändern. Genauso interessant ist es für den Tuner z. B. die Leistung des Motors durch Anpassung des Datensatzes im Motorsteuergerät zu erhöhen. Dieser Versuchung sind aber rechtliche, technische und Sicherheits-Grenzen gesetzt. Hier werden die Grenzen des Selbermachens aufgezeigt und es wird ein kleiner Überblick über in verschiedenen Medien veröffentlichte Bauanleitungen gegeben.

In diesem Kapitel soll ein kurzer Ausblick in die Zukunft gewagt werden. Dabei werden vor allem neue Querschnittstechnologien wie die Adaptronik, die Nanotechnologie, die Photonik, die künstliche Intelligenz und die „Augmented Reality“ mit ihren Auswirkungen auf die Kfz-Elektronik betrachtet. Natürlich können an dieser Stelle nur Trends aufgezeigt werden, verlässliche Prognosen sind nur bei solchen Innovationen möglich, die kurz vor der Markteinführung stehen. Die Mikrosystemtechnik wird hier nicht hervorgehoben, da sie inzwischen eine etablierte Technologie ist und heute die Grundlage zahlreicher Sensoren im Fahrzeug und auch einiger Aktoren darstellt.