Automobilelektronik

Während bis Ende der 1980er Jahre die elektronischen Systeme in Fahrzeugen aus einzelnen, nicht vernetzten Steuergeräten bestanden, markierte die Einführung des CAN-Busses im Antriebsbereich Anfang der 1990er Jahre den Beginn von neuen technischen Infrastrukturen [Gr1]. Kennzeichen dieser neuen Kommunikationsstrukturen war der Einsatz von digitalen Bussystemen, die neue Freiheitsgrade zur Realisierung von übergreifenden Funktionswelten schufen. Als Ergebnis dieser Entwicklung hat sich heute insbesondere der CAN-Bus als Standard-Kommunikationssystem in nahezu allen Fahrzeugklassen etabliert.

In den letzten Jahren hat sich die Automobilindustrie zu einem der wesentlichen Anwender von Echtzeitbetriebssystemen für eingebettete Systeme entwickelt. Relativ zeitig erkannten sowohl die Automobilhersteller als auch deren Zulieferer die Notwendigkeit, neben Hardwarestandards auch Standards für die verwendete Software festzulegen. Dies umfasst auch die Standardisierung der verwendeten Betriebssysteme. Dabei ist dem Zeitverhalten der Betriebssysteme die gebührende Aufmerksamkeit zu schenken.

Ein wesentlicher Anteil der Innovationen in heutigen Fahrzeugkonzepten wird durch Funktionen dargestellt, die durch Software abgebildet werden. Dieser Tatbestand zeigt sich eindrucksvoll sowohl in dem stetig wachsenden Bedarf an Speicherplatz und Rechenzeit in Steuergeräten als auch in der steigenden Anzahl von komplexen und vernetzt wirkenden Funktionen. Als Beispiel sei etwa auf Fahrerassistenzoder Telematik-Funktionalitäten verwiesen, die sich die Eigenschaften mehrerer Funktionsbereiche im Fahrzeug in Form einer intelligenten Verknüpfung zu Nutze machen.

Dieses Kapitel führt in die Thematik „Sensorik im Auto“ ein. Zuerst werden die Grundbegriffe und fundamentale Eigenschaften von Sensoren erläutert. Anschließend werden die Anforderungen an die Sensoren diskutiert und auf die Partitionierung und Schnittstellen eingegangen. Im Hauptteil dieses Kapitels werden verschiedene Sensoren wie Winkel-, Drehzahl- und Beschleunigungssensoren vorgestellt.

Der Arbeitsprozess des Ottomotors besteht in der Umwandlung der chemischen Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie durch einen Verbrennungsvorgang. Ziel dabei ist es, durch einen möglichst hohen Wirkungsgrad die Energie optimal zu nutzen. Dazu haben sich in der Entwicklung des Ottomotors abhängig vom Einsatzzweck unterschiedliche Konzepte und Bauformen durchgesetzt [Ba3]. Im Fahrzeugeinsatz dominiert der Viertakt-Hubkolbenmotor mit Zylinderanordnungen in Reihen- und V-Form. Erhebliche Unterschiede bestehen heute im Wesentlichen in der Art der Laststeuerung, der Gemischbildung und der Ladungseinbringung.

Zur elektronischen Steuerung eines Dieselmotors müssen elektrische Sensorsignale erfasst und per Software verarbeitet, sowie die größtenteils elektromechanischen Aktoren entsprechend angesteuert werden. Zu den Grundaufgaben der Motorsteuerung zählen Regelungs- und Steuerungsaufgaben, Überwachungsaufgaben, Sicherheitseinrichtungen, Diagnosetools und die Kommunikation mit anderen Steuergeräten oder mit dem Werkstatttester.

Wesentliche Aufgabe der Steuerung automatischer Getriebe ist es, abhängig von verschiedenen Randbedingungen stets den richtigen Gang einzulegen, den Gangwechsel in allen Betriebspunkten und Sonderfällen möglichst komfortabel auszuführen, zusätzliche Bedieneingriffe des Fahrers richtig zu verarbeiten und dabei Fehlbedienungen sicher abzufangen.

Elektrische und elektronische Geräte können nur dann richtig arbeiten, wenn ihre Energieversorgung stabil ist. Bis zum heutigen Tag dient, von wenigen Ausnahmen abgesehen, in Kraftfahrzeugen ein Drehstromgenerator als Energiequelle und eine (oder mehrere) Batterie(n) als Energiepuffer und Energiespeicher.

Im folgenden Abschnitt werden Anforderungen aufgezeigt, die an Bauteile, Module und Systeme im Kfz gestellt werden. Welche Aufgaben aktive und passive Sicherheitssysteme haben und welche Systeme dazu eingesetzt werden, wird anschließend dargestellt.

Die Komfortelektronik steuert, regelt oder unterstützt Funktionen, die sowohl dem Fahrer als auch den Insassen den Aufenthalt in einem Kraftfahrzeug angenehmer gestalten. Auf diese Funktionen kann ohne weiteres verzichtet werden, ohne dass die primären Fahraufgaben (vgl. Tabelle 11.1) davon betroffen wären. Die primären Fahraufgaben sind unbedingt erforderlich, um Menschen mit dem Automobil zu jeder Tages- und Nachtzeit sicher von einem Ort zu einem anderen Ort zu bewegen.

Ein Rückblick zeigt, dass Fahrerassistenzsysteme schon immer zu den vorrangigen Entwicklungszielen der Automobilingenieure zählten, obwohl diese Systeme für die Mobilität nicht unbedingt erforderlich sind. Beispiele hierfür finden sich an verschiedenen Stellen im Auto: Die Blinkerrückstellung spart einen manchmal unterlassenen Handgriff ein, die Servolenkung reduziert den Kraftaufwand beim Einparken, die Einparkhilfe ermöglicht ein „umsichtiges“ Einparken, der Bremsassistent vermeidet, dass bei Panikbremsungen Bremsweg verschenkt wird und das System „Adaptive Cruise Control“ (ACC, siehe Abschnitt 11.3) beschleunigt und bremst im dichten, aber fließenden Verkehr. Im weiteren Sinn können beispielweise auch Tachometer, Starter, synchronisiertes oder automatisches Getriebe, Bremsregelung, Zentralverriegelung, Navigationssystem und Klimaregelung als Fahrerassistenzsysteme aufgefasst werden. Keines der genannten Beispiele ist notwendig für die Mobilität. Trotzdem zählen sie heute größtenteils zum unverzichtbaren Ausrüstungsstandard. Die meisten dieser Beispiele haben sogar zu einer regelrechten Abhängigkeit von diesen Systemen geführt, die aber wegen des Komfortoder Funktionsgewinns gern in Kauf genommen wird.

Aus dem Gesamtspektrum der elektromagnetischen Strahlung nach Bild 12-1, bei dem die Wellenlänge λ einen Bereich von 24 Zehnerpotenzen überdeckt, umfasst die optische Strahlung nur etwa 5 Dekaden von rund λ = 10 nm bis etwa λ=1 mm. Das menschliche Auge nimmt aus diesem Bereich wiederum nur einen sehr kleinen Ausschnitt als Licht im Sinne von Färb- und Helligkeitseindrücken wahr.