Elektronik in der Fahrzeugtechnik

Der Ruf des Autos war vor 30 Jahren 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 3046 Verkehrstote jährlich 3046 zu viel und eine weite Reise ist, wenn man nicht die inzwischen gut ausgebauten Hochgeschwindigkeitsnetze der Bahn oder das inzwischen erschwingliche Flugzeug nutzt, immer noch beschwerlich. Trotzdem hat es in diesen 30 Jahren massive 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 durch den Anlasser, bei Dieselmotoren auch für die Glühkerzen (s. Kap. 4). Ausgerechnet in dieser energieaufwändigen Phase kann der Generator bei noch 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.

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) für solche Antriebe.

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 (beim Diesel vor allem Stickoxide und Partikel), 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 Aufteilung der Fahrzeugfunktionen in Unterfunktionen wird Partitionierung genannt. Diese vielfältigen Aufgaben müssen von den Entwicklungsingenieuren auf physikalisch vorhandene Steuergeräte im Fahrzeug verteilt werden. Diese Abbildung von Funktionen auf physikalische Geräte wird Mapping oder ebenfalls Partitionierung genannt.

Ein zunächst nahe liegender Gedanke wäre, die zahlreichen elektronischen Systeme im Fahrzeug in wenigen oder gar in einem einzigen Steuergerät mit entsprechender Leistung zu vereinen. Bedenkt man, dass die teuersten Komponenten von Steuergeräten im Fahrzeug meist das Gehäuse, der Steckverbinder und die Leiterplatte sind, ließen sich dadurch Kosten senken. Dieser extreme Ansatz, alle Funktionen in einem einzigen Zentralsteuergerät (VCU, Vehicle Control Unit) unterzubringen, ist in Abb. 6.1 angedeutet. Es gibt vereinzelte Forschungsprojekte, die diesen Ansatz verfolgen. Derzeit sind noch viele im Fahrzeug verteilte Steuergerät vorhanden, die über Bussysteme wie den CAN-Bus, FlexRay, LIN und weitere Bussysteme hochgradig vernetzt sind. Zunehmend wird auch 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 komplexe 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. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte hier auch bei unterschiedlichen Sensoren und Aktoren eine weitgehende Vereinheitlichung erreicht werden (Baukasten‐Prinzip), es wird jedoch immer sehr spezielle Aktoren und Sensoren geben, 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 benötigt 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; in diese Richtung geht auch VW mit einem derzeit aufwändig entwickelten, eigenem Betriebssystem (VW.OS).

Lange Zeit hatte die Datensicherheit in der Kfz‐Elektronik nur punktuelle Bedeutung. Selbst dort, wo eine Absicherung von Daten vorteilhaft war, wurden nicht immer Maßnahmen ergriffen, da derartige 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 moderner Mikrocontroller stärker steigt, als deren Preis.

Während in der PC‐Welt und mit zunehmender Vernetzung der Produktion auch dort Angriffe meist aus der Distanz über das Internet erfolgen, ist der Angreifer eingebetteter Systeme oft unrechtmäßig oder rechtmäßig in deren Besitz, was ihm weitere Möglichkeiten eröffnet. Hier stellt sich neben den technischen Fragen auch die Frage, wie weit der geläufige Begriff „Angreifer“ überhaupt gerechtfertigt erscheint, wenn es sich beim Angreifer um den Nutzer, womöglich gar um den rechtmäßigen Eigentümer handelt. Daraus leitet sich die rechtliche Frage ab, ob Maßnahmen, die den Zugriff des Eigentümers beschränken, einen unzulässigen Eingriff in dessen Eigentum darstellen. Wie die folgenden Beispiele zeigen, scheint eine pauschale Beantwortung dieser Frage unmöglich (insbesondere bei Systemen wie der Wegfahrsperre, die gerade dem Schutze des Eigentums dienen), vielmehr sind in jedem Einzelfall zu schützende Rechtsgüter gegeneinander abzuwägen.

Der Ausfall von Fahrzeugsystemen kann zu einer Verärgerung des Fahrers führen (das Fahrzeug springt nicht an), die Folgen können aber noch wesentlich weiter reichen. Wenn das Fahrzeug z. B. aufgrund eines Fehlers in der Elektronik ungewollt beschleunigt, hilft oft nur noch eine schnelle Reaktion des Fahrers, um einen schweren Unfall zu verhindern. 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, z. B. in Form elektromotorischer Lenkhilfen.

Ein geradezu historisches Beispiel bot ein mit Kraftstoff beladener Tanklastzug mit einer damals neuen elektropneumatischen Getriebesteuerung. Am 7. Juli 1987 versagten bei dem Fahrzeug auf einer abschüssigen Straße die Bremsen. Der Fahrer wollte die Motorbremse nutzen, weil das Steuergerät jedoch feststellte, dass der angewählte Gang nicht zur Drehzahl passte, ließ sich der gewünschte Gang nicht einlegen. Das Fahrzeug wurde zunehmend schneller und prallte im Ortskern in ein Gebäude. Der Kraftstoff lief aus, es kam zu Bränden und Explosionen. Nicht nur die historische Altstadt Herborns wurde zerstört, es gab auch Tote und Verletzte. Spätestens mit der Norm ISO 26262 ist funktionale Sicherheit eine Kernanforderung der Elektronikentwicklung für Fahrzeuge.

Der Ablauf eines einzelnen Entwicklungsprojektes wird durch das branchenübliche Umfeld geprägt. Charakteristisch sind die geringe Fertigungstiefe und auch die geringe Entwicklungstiefe. Der Fahrzeughersteller, oft als Original Equipment Manufacturer (OEM) bezeichnet, 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 (z. B. der Toyota‐Dieselmotor eines BMW‐Modells). 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. Eine umfassende Behandlung aller Systeme ist im Rahmen dieses Buchs weder möglich noch sinnvoll, es soll aber zumindest ein Überblick gegeben werden, für die hier nicht betrachteten Systeme werden Literaturhinweise gegeben. 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. Dieser Versuchung sind aber rechtliche, technische und Sicherheits‐Grenzen gesetzt.

Wer in Sicherheits‐ und Fahrdynamik‐Systeme eingreift, sollte sehr genau wissen was er tut. Das System muss so intensiv erprobt werden wie ein Serienprodukt. Da dem Bastler nicht die Simulationssysteme und Teststrecken der Fahrzeughersteller und Zulieferer zur Verfügung stehen, sollte im Interesse der eigenen Sicherheit und der Sicherheit anderer von Basteleien in diesem Bereich abgesehen werden. 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 und die Photonik mit ihren Auswirkungen auf die Kfz‐Elektronik betrachtet. Eine begrifflich scharfe Abgrenzung dieser Technologien gegenüber vorhandenen Technologien ist nicht möglich, da sich derartige Begriffe schnell als Modewörter etablieren, die auch an unpassender Stelle in der Werbung oder in politischen Reden benutzt werden und damit eine ursprüngliche Bedeutung verwässern. 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.