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Über dieses Buch

Die Sensorik nimmt im Automobil einen bedeutenden und wachsenden Stellenwert ein. Im Zuge der rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik sind immer genauere und robustere Sensorinformationen unabdingbar. Diese Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik insbesondere zur 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 hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit.
In diesem Fachbuch sind Sensorprinzipien und -technologien beschrieben, die den Trend aktueller Sensorentwicklungen für spezielle Fahrzeug-Anwendungsgebiete widerspiegeln. Der Schwerpunkt dieser Ausgabe liegt auf Sensorsystemen, die ihren Einsatz im Bereich der Batterie-Zellüberwachung, Klimatisierung, Bedienfunktionen, Abgasregelungen, Motorsteuerungen und Fahrwerksdynamik im Automobil finden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Integrierte Zell-Sensorik in Lithium-Ionen-Akkus für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Die Zustandsüberwachung von Traktionsbatterien beschränkt sich aktuell auf Strom, Spannung und eine Oberflächentemperatur. Durch den Einsatz von zellinterner Sensorik können Ziele wie Sicherheit, Leistung und Lebensdauer adressiert werden. Hierzu werden Anwendungsszenarien für verschiedene Sensoren und Messgrößen dargestellt und die Anforderungen ausgearbeitet. Am Beispiel der Messgrößen Druck und Temperatur werden erste Messungen diskutiert, Potentiale aufgezeigt und die Herausforderungen für eine Übertragung in die Serie anschaulich dargestellt.
Jan Philipp Schmidt, Sonia Dandl, Ann-Christin Gentschev, Klaus Elian, Matthias Rose

Kapitel 2. Batterie-Zellensensoren mit drahtloser Kommunikation und verteilter Signalverarbeitung

Es werden Batterie-Zellensensoren vorgestellt, die in Batteriezellen montiert werden und Messwerte drahtlos an ein Batteriesteuergerät versenden. Für vielzellige Lithium-Ionen-Batterien im 48-Volt-Bordnetz sowie für die Antriebsbatterien von Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen bietet die drahtlose Nahbereichs-Kommunikation einige Vorteile wie Potentialtrennung, Robustheit und geringere Kosten. Durch ein spezialisiertes Übertragungsprotokoll wird es möglich, die Messung des Batteriestroms und der Zellenspannungen auf eine Mikrosekunde genau zu synchronisieren. Damit können hochdynamische Ereignisse erfasst oder eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchgeführt werden, die sehr detailreiche Aussagen über den Zustand jeder Zelle erlaubt. Insbesondere sind elektrochemische Alterungseffekte zu erkennen.
Nico Sassano, Valentin Roscher, Karl-Ragmar Riemschneider

Kapitel 3. Chemoresistive CO2-Sensoren basierend auf Seltenerdoxycarbonat-beladenem Zinndioxid

CO2-Gassensoren sind ideale Messgeber zur Überwachung der Luftqualität im Fahrzeuginnenraum. Bisher basieren kommerziell verfügbare CO2-Gassensoren auf teuren und komplizierten Messverfahren. Dieser Beitrag stellt einen neuen chemoresistiven Sensoraufbau vor, der die Konstruktion von günstigen und einfach zu verwendenden CO2-Gassensoren erlaubt. Es wird der grundlegende Aufbau des Sensors dargestellt und die zugrunde liegende Funktionsweise mit Hilfe von Operando-Messungen erläutert.
Alexander Haensch, Nicolae Barsan, Udo Weimar

Kapitel 4. Photoakustischer Low-Cost CO2-Sensor für Automobilanwendungen

Die Einführung des Kühlmittels R744 für Klima-Systeme im Automobilbereich erfordert zukünftig einen zuverlässigen und kostengünstigen CO2-Sensor. Die Hauptfunktion des Sensors ist die Überwachung des Kühlsystems und im Falle einer Leckage die Meldung eines Fehlers. Es wird ein ein photoakustischer CO2-Sensor präsentiert, der durch seinen miniaturisierten und robusten Aufbau die technischen Bedingungen für den Einsatz im Automobil erfüllt. Der Sensor arbeitet im akustisch nicht-resonanten Betriebsmodus und nutzt eine breitbandige IR-Quelle. Die Detektion des photoakustischen Signals findet mit einem MEMS-basierten Mikrofon statt. Der Sensor kann des Weiteren als Luftqualitätssensor für den Fahrzeuginnenraum eingesetzt werden. Beide Messbereiche werden somit von nur einem Sensor abgedeckt, welcher dadurch das von Automobilherstellern anvisierte Preisziel erreicht.
Jochen Huber, Juan Antonio Enriquez, Antonio Escobar, Stefan Kolb, Alfons Dehé, Franz Jost, Jürgen Wöllenstein

Kapitel 5. NDIR- und photoakustische VOC/CO2-Sensoren zur Detektion der Luftqualität

Das Kapitel behandelt technische Konzepte von VOC/CO2-Gassensoren und aktuelle Messergebnisse für ausgewählte Einsatzszenarien zur Detektion der Luftqualität. Diese Gassensoren integrieren ein Metalloxid-Halbleitergassensorelement (u.a. für die Detektion von Rauchgasen, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Stickoxiden, ausgewählten VOCs) und eine Sensorkomponente auf NDIR- bzw. photoakustischem Funktionsprinzip zur CO2-Detektion. Die prinzipbedingten Vor- und Nachteile dieser beiden spektroskopischen CO2-Detektionsverfahren werden im Laborvergleich dargestellt und bewertet. Zwei Anwendungsbeispiele für den Innen- und Außenbereich werden vorgestellt.
Olaf Kiesewetter, Alexander Kraußer, Nils Kiesewetter, Jürgen Müller, Annika Ludewig, Matthias May

Kapitel 6. Mikrowellengestützte Systeme zur Zustandserkennung von Abgaskatalysatoren und Abgasfiltern im Überblick

Die Regelung von Abgasnachbehandlungssystemen erfordert die Kenntnis der Katalysatorzustände. Dies kann z.B. die Sauerstoffbeladung von Dreiwegekatalysatoren, die Ammoniak-Beladung von SCR-Katalysatoren oder die Rußbeladung von Partikelfiltern sein. Derzeit werden Katalysatorzustände nur indirekt und/oder mit Hilfe von Modellen bestimmt. Das mikrowellengestützte Verfahren bestimmt den Katalysatorzustand hingegen direkt. Über kleine Koppelelemente (Antennen) werden elektromagnetische Wellen in den Abgasstrang eingekoppelt und die Reflexion oder die Transmission gemessen. Die elektrischen Signale korrelieren sehr gut mit dem Zustand des jeweiligen Abgasnachbehandlungssystems. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über den Stand der Technik.
Ralf Moos

Kapitel 7. Miniaturisierte Systeme zur mikrowellenbasierten Katalysatorüberwachung

Das Verfahren, den Zustand von Abgasnachbehandlungssystemen wie Dieselpartikelfiltern (DPF), Dreiwegekatalysatoren (TWC) oder Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) in situ mit Hilfe von Mikrowellen zu beobachten, ist mittler weile gut bekannt. Die üblichen Laborsysteme sind allerdings viel zu groß und teuer für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Wir haben zwei Ansätze untersucht, um dem abzuhelfen. Der erste Ansatz betrachtet das Volumen innerhalb des metallischen Gehäuses des Katalysators als drahtlosen Kommunikationskanal zwischen zwei Endgeräten eines Kommunikationssystems. Es wird gezeigt, dass sich aus dem Empfangssignal Aussagen über den Katalysatorzustand ableiten lassen. Der zweite Ansatz basiert auf einem miniaturisierten Reflexionsfaktor des Katalysatorgehäuses bestimmt, das dabei als elektromagnetischer Resonator fungiert. Beide Ansätze besitzen das Potential zu einer viel billigeren und feldtauglichen Realisierung.
Iurii Motroniuk, Radoslaw Królak, Gerhard Fischerauer

Kapitel 8. Touch-Sensor-System für Dekor-integrierte HMI-Anwendungen im Automobil

In Automobilen werden Bedienfelder und Dekorelemente bisher als separate Komponenten realisiert. Diese Modularität beeinträchtigt die Kompaktheit und das Design der Interieur-Gestaltung. Durch das Verschmelzen von Bedienelementen mit Dekoroberflächen kann dieser Nachteil aufgehoben werden. In diesem Beitrag wird ein innovatives Touch-Sensor-basiertes Anzeige- und Bediensystem vorgestellt, das in eine 3D-Dekoroberfläche integriert ist. Dadurch werden Human-Machine-Interface (HMI)- An wen dungen in freigestaltbaren Dekorflächen im Automobil ermöglicht.
Florian Miedl, Thomas Tille

Kapitel 9. 3D-Gestenerkennung für Multi-Touch Displays

Infotainment Systeme im Automobil steigen in ihrem Funktionsumfang und in ihrer Bedienkomplexität. Sicheres Fahren wird zu einer immer größer werdenden Herausforderung für die Automobilindustrie. Die Minimierung und Vereinfachung der notwendigen Bedieninteraktionen ist ein Schlüsselelement zur Erhöhung der Fahrsicherheit: Dem Fahrer wird ermöglicht, sich auf die Straße und auf das Fahren zu konzentrieren. Die Gestenerkennung (GestIC®) im Fahrzeug reduziert die Ablenkung des Fahrers, wobei Hand-Gesten intuitiv und einfach in der Ausführung sind.
Roland Aubauer, Andreas Guete

Kapitel 10. Materialintegrierte Sensorik für Fahrzeug-Leichtbautechnik

Die zentrale Herausforderung der Fahrzeug-Leichtbautechnik ist eine steigende Sicherheit und Stabilität bei abnehmendem Gewicht. Extrem leichte Bauteile der Zukunft können Robustheit und Sicherheit nicht mehr durch Masse erreichen, deswegen wird eine sensorische Überwachung entscheidend sein. Dahingehend werden folgende technische Ansätze, insbesondere für Faserverbundwerkstoffe erörtert: Lambwellen- Spek tros kopie zur Schadensdetektion, Glasfaser sen soren zur Dehnungsmessung und integrierte Mikrosensoren zur Herstellungsüberwachung.
Martina Hübner, Maryam Kahali Moghaddam, Mariugenia Salas, Gerrit Dumstorff, Walter Lang

Kapitel 11. MEMS Mobility-Sensoren für Bewegungserkennung

Sensoren aus der Konsumelektronik sind für nicht-sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobil sehr gefragt. Um die Marktnachfrage zu bedienen, wurde das Konzept der Mobility-Sensoren entwickelt. Details, Herausforderungen und Vorteile dieses Konzepts werden gezeigt und erläutert, zusammen mit der Darstellung möglicher Anwendungen im Automobil.
Michael Rupp, Markus Dorwarth, Julia Kern, Juan Pontes, Tiffany Viana Zabinski

Kapitel 12. Hoch performante Rotorlage-Sensorik für bürstenlose E-Maschinen in Hybridantrieben

Die Elektrifizierung des Antriebsstranges ist eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte. Auf Grund der hohen Anforderungen bezüglich Effizienz und Lebensdauer kommen dabei nahezu ausschließlich bürstenlose Motoren zum Einsatz. Bei der Regelung und Steuerung dieser Motoren kommt der hochgenauen und sicheren Erfassung der Rotorlage eine besondere Bedeutung zu. In diesem Kapitel werden Sensoren und Sensorkonzepte vorgestellt, die diese Anforderungen adressieren.
Peter Slama, Leo Aichriedler

Kapitel 13. Hochintegrierte Rotorlage-Sensoren für Elektro-Motoren

Durch gesetzliche Bestimmungen zur Limitierung der CO2-Emission für Kraftfahrzeuge in den kommenden Jahren wird die Hybridisierung der Antriebe durch den Einsatz von E-Motoren vorangetrieben. Die effiziente Regelung von deren Drehmoment und Drehgeschwindigkeit erfordern hochgenaue Rotorlagegeber, die sich in vielfältiger Technologie entwickelt haben. In diesem Artikel werden die Hauptformen der Rotorlagegeber in Technologie und Performance verglichen sowie eine neue hochintegrierte Lösung auf Basis der Magneto-Resistiven (MR)-Sensoren vorgestellt. Dabei werden neben den Eigenschaften der Messprinzipien, die Integration, die Robustheit, die Kosten und nicht zuletzt die Performance durch applikationsnahe Vergleichstests bis 15.000 U/ min gegenübergestellt.
Marco Wolf, Michael Ludwig

Kapitel 14. Magnetoresistive Sensoren für Weg-, Winkel-, Strom- und Feldmessung im Automobil

Die Anforderungen an Sensoren in Fahrzeugen steigen stetig. Sie sollen nicht nur kompakt, robust und kostengünstig sein, sondern auch zunehmend präzise, dynamisch und energiesparend. Diese Trends führen zu einer kontinuierlich steigenden Anzahl an magnetischen Sensoren in modernen Fahrzeugen. Dabei wächst der Anteil an magnetoresistiven (MR) Sensoren überproportional an. Aufgrund ihres berührungslosen und damit verschleißfreien Prinzips, den sehr kleinen Abmessungen, dem exzellentem Temperatur verhalten sowie dem Höchstmaß an Robustheit und Stabilität über Lebensdauer können sie neuen Anforderungen gerecht werden. Aktuelle Neuentwicklungen bei magnetoresistiven Sensoren mit weiter verbesserten Eigenschaften oder erweiterte Funktionalitäten werden vorgestellt sowie zahlreiche Anwendungsbeispiele. Die Anwendungen von MR- Sensoren erstrecken sich vom Fahrwerk, Antriebsstrang und Fahrerassistenzsystemen im Fahrzeug selbst bis hin zu Anwendungen in der Verkehrsinfrastruktur oder auch im Prüffeld für Motoren und Fahrwerk.
Rolf Slatter, Glenn von Manteuffel

Kapitel 15. Streufeld-immune Schaltkreise für magnetische Positionssensoren

Berührungslose Positionssensoren finden in vielen Bereichen des Automobils ihre Verwendung und werden größtenteils als magnetische Sensoren ausgeführt. Im Zusammenhang mit sicherheitskritischen Anwendungen gewinnt die Streufeldimmunität der magnetischen Positions sensorik zunehmend an Bedeutung. Verschiedene Verfahren zum Messen der magnetischen Flussdichte wurden ständig verbessert, was zur Realisierung eines voll integrierten, streufeld-immunen, magnetischen Positionssensor-Bausteins führte. In diesem Sensor-Baustein sind die Sensorelemente, die Signalaufbereitung und Signalverarbeitung auf einem einzigen Mikrochip integriert.
David Schneider, Marcel Urban

Kapitel 16. Induktiver Drehzahlsensor für Turbolader

Es wird ein kompakter, induktiv messender Sensor zur Erfassung der Turboladerdrehzahl vorgestellt. Der Sensor wird direkt am Verdichtergehäuse angebracht und kann durch das geschlossene Gehäuse hindurchmessen. Dadurch werden Leckagen oder Luftverwirbelungen vermieden. Die Signalverarbeitung erfolgt direkt im Sensor in einem ASIC. Mit Hilfe des Sensors ist es möglich, den Betriebsbereich des Turboladers voll aus zuschöpfen und damit u.a. Downsizing bzw. alternative Brennverfahren wie Miller-/ Atkinson-Verfahren zur CO2-Reduktion effektiv zu unterstützen.
Sebastian Paul Wenzel, André Yashan, Thomas Graf, Martin Brandt, Peter Traub, Andreas Hoelscher

Kapitel 17. Piezoelektrische MEMS-Sensoren zur Viskositäts- und Dichtebestimmung von technischen Flüssigkeiten

Die Überwachung der Alterung von Schmierölen in Automobilen liefert einen wesentlichen Beitrag dazu, die Lebenszeit von Antriebsaggregaten und Motoren zu erhöhen und gleichzeitig die Anzahl an notwendigen Ölwechseln nach Bedarf durchzuführen und damit auf ein Minimum zu reduzieren. Dies kann durch eine kontinuierliche Überwachung von physikalischen Flüssigkeitskenngrößen wie Viskosität und Dichte erreicht werden. Piezoelektrisch angetriebene resonante Mikrosysteme eignen sich hierfür besonders, da die Bauelemente kompakt ausgeführt, elektrisch angetrieben und ausgelesen werden können und nur einen geringen Energieverbrauch aufweisen, weil aus den Schwingungseigenschaften direkt auf die Flüssigkeitsparameter zurückgeschlossen werden kann.
Michael Schneider, Achim Bittner, Martin Kucera, Ulrich Schmid
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