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Über dieses Buch

Die Sensorik nimmt im Automobil einen bedeutenden und stark wachsenden Stellenwert ein. Im Zuge der rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik, wie Automatisiertes Fahren und E-Mobilität, sind immer genauere und robustere Sensorinformationen unabdingbar. Diese Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik insbesondere zur Objekterkennung, Systemüberwachung, Motorsteuerung, Fahrstabilität, Sicherheits- und Komforterhöhung genutzt. Zur Generierung dieser Informationen gewinnen neben der Optimierung bekannter Sensorprinzipien zunehmend auch neue Sensorkonzepte und -technologien an Bedeutung. Die resultierenden Sensorsysteme unterliegen neben den hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit.

In diesem Fachbuch sind Sensorprinzipien und -techno¬logien beschrieben, die den Trend aktueller Sensorentwicklungen für spezielle Fahrzeug-Anwendungsgebiete widerspiegeln. Der Schwerpunkt dieser Ausgabe liegt auf Sensorsystemen, die ihren Einsatz im Bereich Automatisiertes Fahren, Batterie-Zellüberwachung in Elektrofahrzeugen, Motorsteuerungen, Abgasregelungen, Klimatisierung und aktive Sicherheit im Automobil finden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Trends in der Automobil-Sensorik

Die Automobilindustrie befindet sich in einem starken Umbruch. Die Elektrifizierung des Antriebs und die Automatisierung der Fahrfunktionen sowie die Anbindung an die Umwelt insgesamt sind drei der Hauptfaktoren, die die Automobillandschaft in den nächsten 20 Jahren erheblich verändern werden. Fahrzeugarchitektur, Systeme und zugrundeliegende Komponenten werden dadurch radikal beeinflusst und es entstehen neue Möglichkeiten. In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten und Trends für neue Sensortechnologien in einigen interessanten neuen Anwendungsfeldern beschrieben.
Richard Dixon

2. LiDAR-Sensorsystem für automatisiertes und autonomes Fahren

Als integraler Bestandteil von automatisiert und selbstfahrenden Autos kann ein LiDAR-Sensorsystem zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Klassifizierung von Objekten im Straßenverkehr eingesetzt werden. Neben den optischen Sensoren kommt den elektronischen Schaltungskomponenten eine besondere Bedeutung zu. Sie müssen die Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach ASIL Level-B/D (ISO 26262) erfüllen und definieren die Präzision der Messtechnik sowie den Kostenrahmen.
Jürgen Kernhof, Jan Leuckfeld, Guiseppe Tavano

3. Porösizierte Glaskeramik-Substrate für die Radarsensorik

Für Komfortfunktionen und aktive Sicherheitsfunktionen werden in modernen Fahrzeugen Radarsensoren im freigegebenen Frequenzband zwischen 77 GHz und 79 GHz benötigt. Um einen langzeitstabilen Betrieb bei gleichzeitig geringer Baugröße der Radarsensoren zu gewährleisten, müssen robuste Materialsysteme mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik verwendet werden. Kommerzielle LTCC (engl.: low temperature cofired ceramics) Glaskeramiksubstrate ermöglichen einen dreidimensionalen Aufbau bei hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften. Um die Antennencharakteristik zu optimieren, wird ein Porösizier-Verfahren vorgestellt, um eine lokal reduzierte Permittivität zu erreichen. Dabei wird nasschemisch das Glaskeramikmaterial porösiziert, um oberflächennah eine Schicht mit reduzierter dielektrischer Konstante zu erzielen. Diese wird durch den Vergleich von Hochfrequenzmessungen mit numerischen Simulationsergebnissen bestimmt.
Armin Talai, Alexander Kölpin, Achim Bittner, Frank Steinhäußer, Ulrich Schmid

4. Optische Batteriesensorik für Elektro-Fahrzeuge

Es wird ein neuartiges Messverfahren für den Batteriezustand vorgestellt, das übliche Methoden auf Basis elektrischer Messungen ergänzt. Hierfür wird die Ioneninterkalation des elektrochemischen Prozesses anhand veränderlicher Reflexionseigenschaften der Kathode sichtbar gemacht. Zu diesem Zweck wurden Versuche in Batterietestzellen mit transparentem Fenster sowie mit in die Zellstruktur eingesetzten Lichtleitern durchgeführt. Letztere sollen als Fasersensoren eine komplementäre Batteriemanagement-Funktion zur direkten Erfassung des Ladezustandes und als redundantes Sicherheitsniveau zur Vermeidung kritischer Batteriezustände bereitstellen.
Valentin Roscher, Karl-Ragmar Riemschneider

5. Impedanzsensorik für Batteriezellen in Elektro-Fahrzeugen

Die Zellimpedanz stellt als charakteristische Batteriegröße ein wichtiger Performance-Indikator dar. Darüber hinaus lässt sie sich jedoch durch Ihre starke Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und Alterungszustand auch zur Diagnose verwenden. Ausgehend von den Sensitivitäten der Impedanz werden die möglichen Anwendungsszenarien aufgezeigt. Dabei wird speziell auf die Temperatursensitivität stärker eingegangen. Von dieser ausgehend werden schließlich Anforderungen an einen Impedanzsensor zur Bestimmung der Zellkerntemperatur abgeleitet und diskutiert.
Jan Philipp Schmidt, Thomas Hammerschmidt

6. Integrierte Fluxgate-Sensoren zur Strommessung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Zukünftige gesetzliche Anforderungen an reduzierte CO2-Emissionen für Kraftfahrzeuge erfordern eine weitere Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben. Das Downsizing von Verbrennungsmotoren und die Kompensation der damit kleineren Systemleistung durch Hybridisierung, sowie immer leistungsfähigere Elektrofahrzeuge, führen zu steigenden Systemleistungen im elektrischen Antriebsstrang. Daher sind höhere Spannungslagen und Ströme notwendig. Da der Ladezustand der Traktionsbatterie als sicherheitskritisch einzustufen ist, werden hochgenaue, zuverlässige Stromsensoren für Messbereiche von einigen hundert Ampere bis über 2 kA benötigt. In dieser Abhandlung werden Stromsensoren in ihren Eigenschaften und Funktionsprinzipien verglichen und eine neue hochintegrierte Lösung vorgestellt.
Christian Berger, Marco Wolf, Martin Rieder

7. Hoch integrierte Strom- und Positionssensoren für elektrische Antriebssysteme

Durch den signifikanten Anstieg der Penetrationsrate von hoch elektrifizierten beziehungsweise rein elektrischen Fahrzeugantrieben steigen sowohl die Anforderungen an die Systemkosten, die Schlüssel-Parameter und nicht zuletzt die funktionale Sicherheit elektrischer Antriebe. Dabei kommt der Sensorik eine besondere Bedeutung zu. Im Beitrag werden hoch performante magnetische Sensoren für Rotorlage- und Stromsensorik vorgestellt, die neben den bekannten Unterscheidungskriterien auch noch wesentliche Vorteile bei der Systemintegration bieten.
Leo Aichriedler, Peter Slama

8. GMR-basierter, störfeldrobuster Kurbelwellensensor für Hybridfahrzeuge

Die steigende Anzahl von Aktuatoren und Sensoren in modernen Verbrennungsmotoren, gepaart mit einer steigenden Anzahl von Hybridfahrzeugen, erfordern eine neue Generation von robusten Sensoren. Induktives Laden von Akkumulatoren aus Elektrofahrzeugen als auch hoch performante Elektroantriebe erzeugen magnetische Felder, welche magnetische Sensoren beeinflussen. Zusätzliche magnetisch sensitive Sonden sind notwendig, um das Nutzsignal vom Störsignal der benachbarten Applikation, zum Beispiel der elektrische Antrieb eines Nockenwellen-Phasenstellers, zu unterscheiden. Zur selben Zeit besteht die Notwendigkeit weiterer Verbesserungen am Sensorkonzept wie zum Beispiel Temperaturkompensation oder digitale Algorithmen. Die hohe Empfindlichkeit von xMR-Technologie (Magneto-Resistance, x steht für die möglichen Ausprägungen A (Anisotrop), G (Giant) oder T (Tunnel)) ermöglicht die Verwendung von billigen Ferritmagneten, um die Systemkosten zu reduzieren.
Klaus Grambichler, Gernot Binder, Simon Hainz, Helmut Köck

9. Dynamische magnetoelastische Drehmomentsensorik für zukünftige Antriebsstrangregelung

Magnetoelastische Drehmomentsensoren werden seit 20 Jahren in der Formel 1 im Antriebsstrang zur Regelung eingesetzt. Mittlerweile hat diese Technologie einen Reifegrad erreicht auch Großserienapplikationen zu ermöglichen. Die Applikationsbandbreite reicht von der Erkennung von Fehlzündungen des Motors bis hin zur Traktionskontrolle der Antriebsräder. Ermöglicht wird dies durch Verwendung schon vorhandener Wellen ohne geometrische Modifikationen an diesen vorzunehmen. Durch eine einmalige Magnetisierung unter Verwendung der magnetischen Eigenschaften des Materials wird eine lebenslange Drehmomentmessung ohne Alterungseffekte ermöglicht. Einzigartig an der Magnetoelastischen Technologie ist die Ausführung einer wirklich kontatklosen Messmethode welche keinerlei Komponenten oder Modifikationen auf dem Bauteil selbst benötigt, welches für die Übertragung der Kräfte und Drehmomente verwendet wird. Die Magnetoelastik ermöglicht Messungen in Serienanwendungen die bis heute nur unter Laborbedingungen durchgeführt werden konnten da Sie bezüglich Leistungsfähigkeit und Kosten derzeit konkurrenzlos ist.
Johannes Gießibl

10. Beladungsregelung eines NH3-SCR-Katalysator-Systems auf minimale NOx-Emissionen mittels Hochfrequenzsensorik

Die hochfrequenz- oder mikrowellenbasierte Katalysatorzustandsbestimmung bietet die Möglichkeit, einen Fahrzeugkatalysator an seinem optimalen Punkt zu betreiben. Dies wurde bereits bei der Bestimmung der Sauerstoffbeladung von Dreiwegekatalysatoren, der Rußbeladung von DPFs/GPFs und der Ammoniakbeladung von SCR-Katalysatoren auf Vanadium- und Zeolithbasis nachgewiesen. Letzteres jedoch nur im Labormaßstab in synthetischem Abgas und mit gasförmigem Ammoniak als Reduktionsmedium.
Nun werden Ergebnisse zusammengefasst, die auf einem Motorprüfstand mit in Serie befindlichen Fe- oder Cu-Zeolith-SCR-Katalysatoren gewonnen wurden. Dabei wurde eine Harnstoffwasserlösung als Reduktionsmedium verwendet. Die aktuelle Ammoniakbelastung wird mit dem Hochfrequenz-Messsystem ohne zusätzliche Sensoren direkt in Echtzeit erfasst und die Dosierung der Harnstoffwasserlösung wird gemäß einer neuartigen Zielbeladungsmethodik geregelt.
Die Beladungsregelung eines NH3-SCR-Katalysator-Systems auf minimale NOx-Emissionen mittels Hochfrequenzsensorik war sowohl im stationären als auch im transienten Betrieb erfolgreich.
Ralf Moos, Markus Dietrich

11. Miniaturisierter, thermisch gepulster VOC/CO2-Sensor zur Luftgütedetektion

Der vorgestellte VOC/CO2-Sensor für die Detektion der Innenluftqualität integriert einen photoakustischen CO2-Detektor und einen keramischen Membran-Metalloxid-Halbleitergassensor für VOCs und andere Gase, der gleichzeitig als IR-Strahler für das photoakustische CO2-Detektionsprinzip genutzt wird. Bisher realisierte photoakustische VOC/CO2-Sensoren arbeiten mit mechanisch gechopperten IR-Strahlern, die ein nahezu ideales Sinussignal der emittierten IR-Strahlung ermöglichen. Durch den zuverlässigkeitsbedingt notwendigen Verzicht auf bewegliche mechanische Komponenten im Luftgütesensor, wurde ein neues Verfahren implementiert, das die elektrisch-thermische Pulsung der IR-Strahlung mit einer geeigneten „Signalformung“ kombiniert. Der Beitrag erläutert Aufbau und Funktion des Sensors. Des Weiteren werden Ergebnisse aus Praxistests des VOC/CO2-Sensors im Labor und im PKW-Innenraum vorgestellt.
Olaf Kiesewetter, Alexander Kraußer, Nils Kiesewetter, Jürgen Müller, Marcus Bose, Stefan Schenk, Matthias May

12. Intelligente Innenraum-Temperatursensorik im Automobil

Klimaanlagen mit vollautomatischer Temperaturregelung sind heutzutage in der Automobilindustrie weit verbreitet. Durch den hierdurch gewonnenen Komfort tragen solche Systeme zusätzlich zur Verkehrssicherheit bei. Eine der zentralen Regelgrößen stellt in der Fahrzeugklimatisierung die Kabinentemperatur dar. Diese muss nicht nur bekannt sein, sondern sie muss auch das Komfortempfinden der Insassen widerspiegeln. In diesem Beitrag werden der Aufbau und die Wirkungsweise des Sensorprinzips ITOS® (Integrated-Thermal-Optical-Sensor) [13] zur Erfassung der Kabinentemperatur beschrieben.
R. Trapp, D. Nagel, E. Pankratz

13. Sichtweitensensor zur Optimierung der automatischen Lichtfunktionen im Automobil

Die automatische Lichtfunktion aktueller Fahrzeuge hat eine wenig bekannte, jedoch eklatante Schwäche: Sie funktioniert bei Nebel nicht zuverlässig. Um in Zukunft auch diese besonders wichtige Fahrsituation mit der Lichtautomatik abdecken zu können, wird in diesem Beitrag ein sog. Sichtweitensensor vorgestellt. Das Funktionsprinzip basiert auf der Rückstreuung von Licht im nahen Infrarotbereich, wobei der Sensor unempfindlich gegenüber Störeinflüssen sein muss.
Benedikt Büttner, Hans-Michael Schmitt

14. Sensorik für intelligente Steckverbinder im Automobil

Steckverbinder und elektrische Anschlusstechnologien spielen eine zentrale Rolle in vielen Bereichen der industriellen Anwendung. Im Automobil sind diese für sichere Daten- und zuverlässige Leistungsübertragung unerläßlich. In der Vernetzung der Produktion von morgen ist die Anschlusstechnik die Hauptschnittstelle zwischen Maschinen, Steuerungen und Datenverarbeitungsanlagen. Zuverlässige Steckverbinder in Automobil und Industrie bilden somit die Grundlage für Funktionalität, einfache Handhabung und Zuverlässigkeit der zu erfüllenden Aufgaben. Die Integration innovativer Funktionen in diese Verbindungstechnik ermöglicht wesentliche Effizienzsteigerungen bei der Installation und Inbetriebnahme sowie beim zuverlässigen Betrieb von Maschinen und Anlagen. Darüber hinaus wird eine optimale Verfügbarkeit und Stabilität der Funktionen Datenübertragung und Bereitstellung elektrischer Leistung im Automobil, z.B. für das vollautomatisierte Fahren, gewährleistet.
Diese Schnittstellen und Anwendungen für intelligente Steckverbinder werden aufgezeigt und es wird die dafür erforderliche Packaging-Technologie ausführlich diskutiert. Es werden verschiedene Sensorprinzipien und Sensortechnologien beleuchtet, die für die durchgängige Verfügbarkeit von Prozessinformationen, Zustandsdiagnose und Energiemanagement, als wichtigen Teil der Bordnetzverbindungstechnik im Automobil, erforderlich sind.
Frank Ansorge, Christian Baar, Ixchen Elias Ilosvay, Christof Landesberger, Christoph Kutter
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