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Über dieses Buch

Heutige Fahrzeuge erreichen durch den Einsatz elektronischer Systeme bisher ungeahnte Standards bei den Emissionen, der Sicherheit und dem Komfort. Der intensive Elektronikeinsatz schafft aber auch neue Probleme. Das Buch vermittelt die Grundlagen, um die Besonderheiten der Elektronik und Software im Kfz nicht nur zu kennen, sondern auch zu verstehen. Zusätzlich wird an Beispielen die Komplexität realer Systeme im Fahrzeug vorgeführt und gezeigt, welche Anwendungen durch die Elektronik erst möglich werden. Das Spannungsfeld zwischen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Komplexität prägt in Verbindung mit branchenüblichen Abläufen das Vorgehen bei der Entwicklung, das ein in diesem Bereich tätiger Ingenieur verstehen muss.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Der Ruf des Autos war vor 25 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 3606 Verkehrstote jährlich 3606 zu viel und eine weite Reise ist,wennman nicht die inzwischen gut ausgebauten Hochgeschwindigkeitsnetze der Bahn oder das inzwischen erschwingliche Flugzeug nutzt, immer noch beschwerlich. Trotzdem hat es in diesen 25 Jahren massive Verbesserungen beim Umweltschutz, bei der Sicherheit und beim Komfort gegeben. Während die Verbesserung der passiven Sicherheitmaßgeblich 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.
Kai Borgeest

2. Bordelektrik

Lange bevor elektronische Steuergeräte Einzug in das Fahrzeug hielten, gab es einfache elektrische und elektromechanische Systeme wie die Beleuchtung oder die Zündung. Diese Systeme benötigten Energie, was geeignete Energiequellen und die Weiterleitung der Energie über Kabel erforderte. Der Begriff Bordelektrik wird als Sammelbegriff für klassische elektrische Anlagen und moderne elektronisch gesteuerte Systeme verstanden. Da die elektronischen Systeme später vertieft werden, sollen in diesem Kapitel zunächst nur das Bordnetz, Energiequellen und das Energiemanagement betrachtet werden. Hybridantriebe oder reine Elektroantriebe können als Weiterentwicklung des Energiemanagements und der elektrischen Maschinen im Fahrzeug verstanden werden, setzen dieses Kapitel also logisch fort. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung ist diesen Antrieben nun ein eigenes Kapitel in dieser Auflage gewidmet. Da Zündanlagen heute elektronisch arbeiten, sind diese im Kap. 10 untergebracht.
Kai Borgeest

3. Hybridantriebe und elektrische Antriebe

Der Übergang zwischen konventionellen Fahrzeugen über Hybridfahrzeuge zu Elektrofahrzeugen verläuft fließend. Insofern steht dieses Kapitel in eine mengen Zusammenhang mit dem vorhergehenden Kapitel. Die wachsende Bedeutung und auch Komplexität des Themas rechtfertigt ein eigenes Kapitel. Zur Vertiefung sei [ReNoBo12] empfohlen.
Kai Borgeest

4. Beispiel Elektronische Dieselsteuerung (EDC)

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 [EU09-443]. Ähnliche Regelungen existieren in den USA.
Kai Borgeest

5. Datenkommunikation im Fahrzeug

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 auch Mapping oder vereinzelt ebenfalls Partitionierung genannt. Die Verteilung von Funktionen auf mehrere Steuergeräte erfordert, dass die Geräte untereinander im Betrieb Daten austauschen. Dieses Kapitel beschreibt, wie die Kommunikation zwischen den Steuergeräten elektrisch und logisch realisiert wird. Besonders detailiert wird der verbreitete CAN-Bus beschrieben
Kai Borgeest

6. Hardware

So unterschiedlich die Anwendungen verschiedener Steuergeräte auch sind, der grundsätzliche Aufbau ähnelt sich doch sehr stark. Wie Abb. 6.1 zeigt, besitzt inzwischen jedes Steuergerät 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.
Kai Borgeest

7. Software

Der Leser, dem Software vor allem in Form von PC-Anwendungen bekannt ist, wird in diesem Kapitel zahlreiche Unterschiede zur Steuergerätesoftware in Fahrzeugen entdecken (Tab. 7.1). 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. 5 vorgestellte Kommunikation mit anderen Steuergeräten.
Kai Borgeest

8. Projekte, Prozesse und Produkte

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. Auch Designaufträge werden extern vergeben, so wurde z. B. das Design des Golf I vom italienischen Designer Giorgio Giugiaro entwickelt [VW05]. 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. Im Elektronik-Bereich sieht die Aufgabenteilung zwischen OEM und Zulieferern meist so aus, dass der OEM die elektronischen Systeme und vor allem deren Schnittstellen spezifiziert und koordiniert. Entwickelt und produziert werden die elektronischen Systeme von Zulieferern. Die Unterlieferanten der Zulieferer sind die Hersteller elektronischer Bauelemente, in seltenen Fällen werden auch kleinere Teile der Software-Entwicklung von den Kfz-Zulieferern extern vergeben. Grundsätzlich ist die Vergabe von Unteraufträgen in der Kfz-Industrie, gleich auf welcher Ebene, von einem starken Preisdruck und einer strengen Qualitätskontrolle geprägt.
Kai Borgeest

9. Sicherheit und Zuverlässigkeit

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. Der Entwickler muss Risiken erkennen und so handeln, dass diese minimiert werden. Kommt es durch ein Produkt zu Personenschäden, greift die Produkthaftung durch den Hersteller. Ein grobes Verschulden eines Entwicklers kann für diesen persönlich zu strafrechtlichen Konsequenzen führen. Ungeachtet rechtlicher Konsequenzen sollte es ein persönliches Anliegen sein, andere Personen nicht durch leichtfertiges oder vorsätzliches Handeln zu schädigen. Sicherheit und Zuverlässigkeit sind unterschiedliche, in Einzelfällen sogar widersprüchliche Anforderungen, die trotzdem beide bei einem Fahrzeug erfüllt sein müssen.
Kai Borgeest

10. Anwendungen

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 detailliert betrachteten Systeme werden Literaturhinweise gegeben. Eine Sonderstellung besitzt der Abschn. 10.1. In diesem soll anhand eines relativ einfachen Beispiels einer Klimaregelung das Vorgehen bei einer Funktionsentwicklung erläutert werden.
Kai Borgeest

11. Selbstbau und Tuning

Für den Bastler ist es eine interessante Vorstellung, sich die Elektronik seines Fahrzeugs selber zu bauen oder zu verändern. Dieser Versuchung sind jedoch rechtliche, technische und auch Sicherheits-Grenzen gesetzt.
Jedes im Straßenverkehr zugelassene Fahrzeug besitzt eine allgemeine Betriebserlaubnis, die dem Hersteller für den jeweiligen Fahrzeugtyp erteilt wurde. Durch Umbauten erlischt die Betriebserlaubnis und damit die Zulassung. Dies gilt keineswegs nur für Eingriffe in den Antrieb oder in Sicherheitssysteme, sondern auch für manch „harmlose“ Bastelei, z. B. in Form von Lichteffekten, die den Fahrer oder andere Verkehrsteilnehmer ablenken können. Nach einem Umbau ist eine Betriebserlaubnis für Einzelfahrzeuge zu beantragen. Diese ist erheblich teurer als die Anmeldung eines Serienfahrzeugs.Wer in Sicherheits- und Fahrdynamik-Systeme eingreift, sollte sehr genau wissen was er tut. Das alles heißt nicht zwangsläufig, dass Fahrzeuge für Selbstbauer oder gar Selbst-Entwickler eine Tabuzone sind.
Kai Borgeest

12. Zukunftstechnologien im Fahrzeug

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.
Kai Borgeest

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