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Über dieses Buch

Die Kraftfahrzeugelektronik hat sich zu einer eigenständigen Ingenieurdisziplin innerhalb der Fahrzeugtechnik entwickelt. Sie ist damit gleichzeitig ein wichtiges Gebiet innerhalb des Maschinenbaus. Die Inhalte der Kra- fahrzeugelektronik sind elektrotechnischer, elektronischer und regelungstechnischer Natur. In die klassische Aufteilung der Elektrotechnik in: Antriebstechnik, Automatisierungstechnik, Energietechnik, Hochfrequenzte- nik usw. lässt sie sich nicht so recht einordnen, vielmehr weist sie mit vielen dieser Gebiete erhebliche Üb- schneidungen auf. Dazu kommt, dass die Kraftfahrzeugelektronik inhaltlich stark im Wandel begriffen ist und die Inhalte weitgehend durch die Fahrzeughersteller und die Zulieferunternehmen geprägt werden. Eine geschlossene und umfassende Darstellung der Kraftfahrzeugelektronik ist daher ein konsequenter und lo- scher Schritt. Das Handbuch Kraftfahrzeugelektronik soll helfen, einen prinzipiellen Überblick, in einigen Fällen auch einen tiefen Einblick, über das umfangreiche, manchmal auch unübersichtlich erscheinende Gebiet zu - winnen. Für die meisten der heute im Kraftfahrzeug wichtigen elektronischen Systeme wird der Stand der Te- nik beschrieben. Die Herausgeber sind sich bewusst, dass die Auswahl der behandelten Themen einer gewissen Subjektivität unterliegt und dass eine vollständige Abdeckung des Gebietes mit einem Buch im vorliegenden Umfang nicht möglich ist. Nach unserer Erfahrung decken die ausgewählten Kapitel jedoch den wesentlichen Umfang ab, den Fahrzeugtechniker und Elektroniker zu diesem Gebiet kennen sollten. Für die thematische Gliederung der Kraftfahrzeugelektronik bieten sich zwei grundverschiedene Herangehe- weisen an: Die fahrzeugtechnische Gliederung in Subsysteme z.B. Antrieb, Fahrwerk, Beleuchtung usw. und die thematische, systemübergreifende Gliederung in Sensorik, Software, Diagnose usw. Beide Gliederungssystema- ken sind allgemein gebräuchlich. Daher wurden auch beide im vorliegenden Buch nebeneinander eingesetzt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Auszug
Die Kraftfahrzeugelektronik hat sich in den letzten Jahrzehnten „rasant“ weiterentwickelt. Viele neue Anwendungsfelder wurden erschlossen, die aus der Sicht von vor 50 Jahren geradezu revolutionär erscheinen. Dabei ist ein Ende dieser Entwicklung noch lange nicht abzusehen. Bei dieser stürmischen Weiterentwicklung der Kraftfahrzeugelektronik haben verschiedene Faktoren eine Rolle gespielt. Zum einen sind es die technologischen Voraussetzungen, die jetzt zur Verfügung stehen. Dies sind vor allem die Mikroelektronik, die Leistungselektronik und die Software. Der Fortschritt der Kraftfahrzeugelektronik wurde in der Anfangszeit (70er und 80er Jahre) fast ausschließlich durch die Mikroelektronik in Form von Mikroprozessoren bestimmt. Zunehmend gewinnt aber auch die Software erheblich an Bedeutung. Sie nimmt mittlerweile eine Schlüsselstellung ein. Zum anderen war die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung zwingend gegeben. Gesetzliche Vorschriften in den Bereichen Umweltverträglichkeit und Sicherheit haben wesentliche Veränderungen des Autos notwendig gemacht.

2. Motor und Antriebsstrang

Auszug
Ein modernes Motormanagement koordiniert Zündbzw. Einspritzzeitpunkt, Einspritzmenge, Luftmenge und Ventilstellung in Relation zur Kurbelwellenlage und steuert darüber hinaus weitere Aktoren, abhängig von dem aktuellen Fahrerwunsch sowie externen Lastanforderungen. Die technische Voraussetzung dafür bilden das Motorsteuergerät, die Aktorik und die Sensorik. Der Fahrerwunsch wird anhand der Stellung des elektronischen Gaspedals erkannt und als Drehmomentanforderung interpretiert. Systeme dieses Typs werden als E-Gas (Drive-by-wire) bezeichnet. Eine feste mechanische Kopplung zwischen Fahrpedal und Drosselklappe (beim Ottomotor) existiert dabei nicht mehr. Systeme mit mechanischen Drosselklappen sind inzwischen nur noch im Segment der einfach ausgestatteten Fahrzeuge im Einsatz, verlieren aber auch dort an Bedeutung.

3. Fahrwerksysteme

Auszug
Im Folgenden werden die wichtigsten physikalischen Grundlagen zum Verständnis von Fahrdynamik-Regelungen behandelt. Die Ausfuhrungen basieren auf dem Buch [1].

4. Bordnetz und Vernetzung

Auszug
Standen am Beginn des Elektronikeinsatzes im Kraftfahrzeug zunächst einzelne lokal abgegrenzte Anwendungen, so hat sich mit dem zunehmenden Einsatz von Elektronik, der Vielzahl von Steuergeräten und der Einführung von Bussystemen das Bild komplett gewandelt. Mehr als 60 elektronische Steuergeräte unterschiedlicher Zulieferer übernehmen die Steuerungs- und Regelungsaufgaben eines modernen Oberklassefahrzeuges (Bild 4-1). Sie kommunizieren untereinander und mit den Sensoren und Aktoren über verschiedene Bussysteme wie CAN, MOST oder Byteflight. Es hat sich ein komplexer Verbund hoch vernetzter Steuergeräte herausgebildet. Innovationen im Bereich des Infotainment, der Fahrerassistenz oder der aktiven Sicherheit werden in Zukunft sogar noch vermehrt nur über hoch vernetzte und komplexe Systeme zu realisieren sein, wie dies in Bild 4-2 gezeigt wird. Die Systemkomplexität ist dabei durch das Produkt der Anzahl der Funktionen und der Anzahl der ausgetauschten Informationen definiert.

5. Beleuchtung

Auszug
Die Lichttechnik im Kraftfahrzeug hat eine lange Geschichte (siehe Tabelle 5-1). Vor über hundert Jahren wurde die Beleuchtung der Kutschen für die ersten Kraftfahrzeuge übernommen. Die Kerzenlampe und Gaslampen dienten in den Pferdedroschken und in den Kraftfahrzeugen gleichsam, bis in den zwanziger Jahren zum ersten Male die elektrische Beleuchtung Einzug nahm. Der Strom stammte aus der „Lichtmaschine“, dem heutigen Generator für die vielen elektrischen Nutzer im Kraftfahrzeug. Schon in den dreißiger und vierziger Jahren waren mitlenkende Scheinwerfer und Projektionssysteme auf der Straße zu sehen. Die fünfziger Jahre sahen den Beginn der gesetzlichen Regelungen und der ersten Vorschriften auch für die Fahrzeugbeleuchtung. In den sechziger Jahren kamen das Halogenlicht und das 12-Volt-Bordnetz, welche zusammen zunächst von einigen als zu helles Licht und Fluch der Technik verdammt wurden, sich jedoch schnell einer umfassenden, breiten Beliebtheit erfreuten.

6. Sicherheitssysteme

Auszug
Die passive Sicherheit eines Automobils wird von zahlreichen Faktoren bestimmt, die exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. Neben der Karosserie-Struktur mit definierten Lastpfaden haben insbesondere die Rückhaltesysteme großen Einfluss auf die passive Sicherheit der Passagiere. Zu den Rückhaltesystemen gehören im Wesentlichen das Gurtsystem mit dem Gurtstraffer und dem Gurtkraftbegrenzer sowie die verschiedenen Airbags. Aber auch Lenksäule, Lenkrad, Sitze und Kopfstützen sind wichtige Komponenten im Bereich der passiven Sicherheit.

7. Komfortsysteme

Auszug
Komfortsysteme in Kraftfahrzeugen haben generell die Aufgabe, ein Wohlbefinden der Insassen zu erzeugen oder zu steigern. Komfort ist ein wichtiges Merkmal, das die Kaufentscheidung für ein Fahrzeug beeinflusst. Die Zufuhr von Licht, eine angenehme Klimatisierung und Frischluft sind dabei ebenso wichtige Faktoren wie Sicherheit, Design und Lifestyle. Dazu gehört auch die Entlastung des Fahrers durch die Automatisierung von Bedienabläufen, die in der Vergangenheit manuell durchgeführt wurden und die ihn von wichtigeren Aufgaben abgelenkt haben. Man denke dabei beispielsweise an die Betätigung einer Drehkurbel zum Offnen oder Schließen eines Schiebedaches oder eines Fensters im Vergleich zu dem kurzen Antippen eines Schalters.

8. Instrumentierung

Auszug
Die steigende Zahl elektronischer Systeme im Fahrzeug bedeutet für den Menschen am Steuer einerseits mehr Sicherheit und Komfort, andererseits muss er situationsbezogen eine immer größere Menge an gezielten Informationen verarbeiten und mit Bedienvorgängen darauf reagieren. Da sich die „Steuereinheit“ Mensch auf die eigentliche Fahraufgabe und die Straßenverkehrssituation konzentrieren muss, eignet sich für den primär fahrrelevanten Teil einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI, Human Machine Interface) ausschließlich die Platzierung in der Blickrichtung des Fahrers. Soweit es um unmittelbar fahrrelevante Systeme und Parameter geht, erfüllt das Kombinations-Instrument in Verbindung mit Bedienelementen, die in seinem Umfeld in Reichweite des Fahrers angeordnet sind (Lenkrad, Lenksäule, Armaturentafel, Mittelkonsole), diese Rolle der primären Mensch-Maschine-Schnittstelle im Kraftfahrzeug. Im Hinblick auf den Informationsumfang ist hier inzwischen bei höher ausgestatteten Fahrzeugen der Begriff Fahrerinformationssystem angebracht.

9. Fahrerassistenzsysteme und Verkehr

Auszug
Bereits Ende der 1980er Jahre wurden im europäischen Forschungsprogramm PROMETHEUS (Programme for a European Traffic with Highest Efficiency and Unlimited Safety) die Visionen für einen Straßenverkehr mit höchster Effizienz und mit höchstem Sicherheitsniveau entwickelt [1]. Allerdings waren damals die notwendigen Komponenten, wie z.B. Sensoren zur Umfelderfassung und zur Erfassung der Fahrzeugdynamik und kompakte Hochleistungsrechner nicht verfügbar. Heute sind sie da und rücken die Vision vom „.sensitiven Fahrzeug“, das sein Umfeld erfasst und aus der Lage und der Relativgeschwindigkeit von Objekten zum eigenen Fahrzeug Warnungen und Fahrzeugeingriffe zur Vermeidung von Unfällen ableitet, immer näher.

10. Telematik

Auszug
Telematik ist ein Kunstwort, das sich aus den zwei Begriffen Telekommunikation und Informatik herleitet. In den Anfängen der Entwicklung lag es nahe, einen neuen Begriff zu finden, der die verwendeten Technologien miteinander verknüpft. Tatsächlich nutzt die Telematik die Kommunikationstechnik der drahtlosen Telekommunikation und die Rechenleistung der Informatik. Im Folgenden sprechen wir ausschließlich über die Verwendung des Begriffes Telematik im Zusammenhang mit Verkehr und Fahrzeugen. Daneben gibt es eine Reihe weitere Einsatzgebiete für Telematik. Im Verkehrsbereich gibt es heute neben der oben beschriebenen Interpretation des Kunstwortes Telematik eine zweite, die Telematik aus den Worten Telemetrie und Informatik zusammensetzt. Diese Auslegung erklärt sich aus der Möglichkeit, Informationswege nicht nur für den Fahrer bereitzustellen, sondern auch direkt Fahrzeugdaten auszulesen und zu beeinflussen. Man unterscheidet zwischen den (be)nutzerbezogenen und den fahrzeugbezogenen Telematikdiensten.

11. Sensorik

Auszug
Positionssensoren stellen einen elementaren Baustein für eine ganze Reihe von innovativen Fahrzeugfunktionen dar. Mit dem zunehmenden Einsatz der Mechatronik wächst deren Anzahl und Bedeutung weiter. Diese Entwicklung ist mit dem Begriff By-Wire verbunden, der das Ersetzen mechanischer Verbindungen durch elektrotechnische Systeme bezeichnet. Die Schwerpunkte der By-Wire-Systementwicklungen liegen in den Bereichen Antriebsstrang und Fahrwerk und werden allgemein unter dem Begriff „Drive-By-Wire“ zusammengefasst. Mit Hilfe von Positionssensoren werden mechanische Größen in elektrische Signale umgewandelt, die als Steuergrößen in den By-Wire-Systemen Eingang finden.

12. Elektrische Aktorik

Auszug
Die „Pferdestärken“ unserer Kraftfahrzeuge zügeln wir zwar immer noch mit Lenkrad und Bremse, aber zunehmend beeinflussen auch elektromechanische Wandler die Umsetzung unserer Ansprüche an Sicherheit, Komfort, Umweltschutz und niedrige Betriebskosten. Während bei Motoren die effektive Wandlung elektrischer, chemischer oder hydraulischer Energie in Bewegungsenergie im Vordergrund steht, ist die Anwendung elektromechanischer Wandler auf die präzise und schnelle Steuerung oder Aktivierung elektrischer, pneumatischer, hydraulischer, thermischer oder mechanischer Energieflüsse ausgerichtet. Die folgenden Ausführungen beschäftigen sich mit den Bauprinzipien, den Funktionsweisen und den Rahmenbedingungen für den Einsatz dieser elektromechanischen Wandler ([1], [2]).

13. Elektronik Hardware

Auszug
Zu den Basisanforderungen gehört bei sichtbaren oder bedienbaren Elementen ein ergonomisches Design. Weiteres Ziel ist eine einfache Montage und Demontage sowie die Sicherheit gegen Fehlmontage (gültig für Stecker sowie für Baugruppen). Die Designanforderungen beinhalten Definitionen nach geringem Gewicht und Volumen. Auch eine umweltschonende Herstellung und die Schadstofffreiheit (z.B. von Blei) sind heute Standardanforderungen. Hinzu kommen Recyclingrichtlinien, die eine leichte Demontage und Zerlegung sicherstellen sollen. Die Zuverlässigkeit wird später noch ausführlich erläutert. Eine hohe Priorität hat die Wirtschaftlichkeit. Das bedeutet neben niedrigen Herstellungskosten auch wettbewerbsfähige Stückkosten.

14. Mechatronische Systeme

Auszug
Die Automobilentwicklung ist im Vergleich zu anderen Branchen in hohem Maße durch den zunehmenden Einsatz dezentraler Elektronikbaugruppen gekennzeichnet. Um den besonderen Anforderungen gerecht zu werden, die sich hieraus ergeben, müssen innovative Produktkonzepte effizient umgesetzt werden. Eine besondere Bedeutung kommt dabei dem Aufbau mechatronischer Systemlösungen zu. Die funktionale und stoffliche Integration von Mechanik, Elektronik und Software in eine räumliche Baueinheit bietet ein enormes Rationalisierungspotential und stellt den Entwickler gleichzeitig vor völlig neue Herausforderungen in der Projektierung. In den meisten Fahrzeugen werden bereits heute eine Vielzahl mechatronischer Systeme eingesetzt. Der schnell wachsende Anteil der Elektronik im Kraftfahrzeug schafft ein breites, zusätzliches Innovationsfeld für integrierte Elektronikbaugruppen. Diese Entwicklung wird maßgeblich durch die Bereitstellung und die Nutzung neuer Entwurfssysteme gestützt. Die erfolgreiche technische Umsetzung erfordert verstärkt die Bildung interdisziplinärer Arbeitsgruppen sowie den Einsatz neuer Einführungsstrategien.

15. Elektromagnetische Verträglichkeit

Auszug
Die Kraftfahrzeugtechnik zeigt in den letzten Jahren aufgrund neuer Entwicklungen und Funktionen eine enorme Zunahme an EM-Systemen. EM steht abkürzend für Einrichtungen elektrischer, elektronischer, elektromagnetischer und elektromechanischer (E) sowie magnetischer und mechatronischer (M) Art. Viele dieser Komponenten und Systeme sind direkte oder indirekte Ursachen für Störungen der elektromagnetischen Verträglichkeit, der EMV. Dies gilt für hochfrequente, aber auch für die im Niederfrequenzbereich arbeitenden EM-Komponenten und Systeme, wobei Komponenten im Inselbetrieb oder auch erst nach der Fahrzeugintegration EMV-Probleme hervorrufen können. EMV-Effekte verschiedener Frequenzbereiche werden nachfolgend erläutert. Dabei wird mehr die Verständlichkeit und nicht der Anspruch wissenschaftlicher Vollständigkeit betont. Neben Empirie, Simulation und Messtechnik im Fahrzeug werden auch Aspekte des Vorgehens, des Managements und der Konzeption im Bereich der EMV behandelt.

16. Diagnose

Auszug
Wer den Begriff Diagnose hört, denkt sicherlich zunächst an eine medizinische Diagnose. Wenn die Gesundheit angeschlagen ist, der Kopf schmerzt, das Kreuz zwickt, eine klaffende Wunde zu versorgen ist oder sonstige Schmerzen plagen (die im besten Fall lediglich die Laune verderben), wird der Besuch einer ärztlichen Praxis notwendig. Dort ist der Arzt mit einer Fülle unterschiedlicher Symptome konfrontiert - sowohl mit recht offensichtlichen (z.B. Husten) als auch mit weniger konkreten (z.B. Schwindel). Ihre Aufgabe besteht zunächst einmal darin, die Informationen des Patienten aufzunehmen, eigenes Wissen über die Krankheitsgeschichte zu aktivieren und durch eine mehr oder weniger tiefgehende Untersuchung geeignete Hinweise zu erhalten, um aus dieser Vielzahl von Informationen auf die Krankheitsursache zu schließen. Dieser Vorgang beschreibt die eigentliche Diagnose und ist Voraussetzung für den anschließenden, vor allem für Patienten bedeutsamen Vorgang - die Behandlung. Wichtig ist in jedem Fall, dass Ärzte sehr umfassende Kenntnisse vom Gesamtsystem Mensch haben und diese auch jederzeit vernetzen können; denn andernfalls ist eine Diagnose nicht möglich oder führt - vielleicht noch schlimmer - zu falschen Ergebnissen.

17. Software-Entwicklung

Auszug
Bis vor einigen Jahren wurde Software in der Automobilindustrie kaum als eigenständiges Thema wahrgenommen. Stattdessen wurde sie als Bestandteil des Bauteils „Steuergerät“ quasi „nebenher“ mitentwickelt. Inzwischen ist eine starke Zunahme des Software-Anteils an den Herstellkosten eines Fahrzeugs und der Trend zur Realisierung gerade auch wettbewerbsdifferenzierender Funktionen durch Software unverkennbar. Ursachen dafür finden sich sowohl in neuen oder verschärften Anforderungen des Gesetzgebers, zum Beispiel im Bereich der Emissionsreduzierung, als auch in den zunehmenden Komfort- und Sicherheitsansprüchen des Autokäufers. Als Folge fällt der Software-Entwicklung mittlerweile eine Schlüsselrolle innerhalb der bisher eher maschinenbaugeprägten Fahrzeugentwicklung zu. Der Entwicklungs-, Integrations- und Testaufwand steigt überproportional zu der Menge der Software und stellt sich zunehmend als eigenständiges Problem heraus, das der Innovationsfähigkeit des Automobilherstellers Grenzen setzt. Bei sinkenden Markteinführungszeiten und unverändert hohen Qualitätsansprüchen stehen Fahrzeughersteller und -Zulieferer vor der Herausforderung, die interdisziplinären Entwicklungsprozesse und -methoden unter Einbeziehung der Software-Entwicklung anzupassen und durch geeignete Werkzeuge zu unterstützen.

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