Immer genauere und robustere Sensorinformationen sind für die moderne Mobilität unabdingbar. So fordert das autonom fahrende Automobil intelligente Wahrnehmungssysteme, die Elektromobilität hochgenaue Sensorik für die Hochvoltbatterie.
Das autonome Fahren wie auch der elektrifizierte Antriebsstrang fordern die Sensorbranche heraus. Benötigt werden innovative Sensorsysteme.
Andreas Burkert
Das autonom fahrende Automobil benötigt Sensoren, um sich in seiner Umwelt sicher bewegen zu können. Von zentraler Bedeutung aber sind intelligente, künstliche Wahrnehmungssysteme, die in einem Bruchteil einer Sekunde selbst entscheiden, was relevant ist, beachtet zu werden. Dazu muss die Intelligenz auf der Sensorebene stattfinden. Das ist beispielsweise dem US-amerikanischen Start-up AEye gelungen. Gründer Luis Dussan hat mit seinem Team einen neuartigen Hybrid-Sensor mit einem Chip entwickelt, auf denen Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz laufen. Die anderen Zutaten sind gewöhnlich, Kamera und Festkörper-Lidar. Die Bedeutung der Lidar-Technik für das autonome Fahren ist im Übrigen enorm.
Es handelt sich um eine Schlüsseltechnik für die Mobilität. So formulieren es zumindest die Springer-Autoren Jens Hälker und Harald Barth in ihrem Artikel Lidar als Schlüsseltechnik für das automatisierte und autonome Fahren aus dem Jubiläumsheft 120 Jahre ATZ. Ihre Annahme stützen sie auf die Studie "Automotive Lidar Market for ADAS and Automated Driving, Global 2016", in der das Beratungsunternehmen Frost & Sullivan zu dem Schluss kommt, "dass Automobilhersteller die Umfelderkennung mittels Lidar als substanziellen Faktor auf dem Weg hin zu hoch- und vollautomatisiertem Fahren sehen". Laut Hälker und Barth herrscht damit ein breiter Konsens, "dass ab der Automatisierungsstufe 3 (nach SAE J3016) Lidar zusätzlich zu Kamera und Radar (und Ultraschall im Nahbereich) erforderlich ist".
Autonome Fahrfunktionen sind ein Segen für die Sensorbranche
Dieser Trend wirkt sich enorm auf den Markt für Lidar-Sensoren aus. So prognostizieren die Analysten von IHS Markit, dass dieser bis 2026 auf annähernd 2,5 Milliarden Dollar ansteigt. Das Beispiel zeigt eindrucksvoll, dass autonome Fahrfunktionen ein Segen für die Sensorbranche sind. Je detailreicher und umfänglicher Informationen vorliegen, umso effizienter können nämlich komplexe Regelungen vorgenommen werden. Diese Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik insbesondere zur Objekterkennung, Systemüberwachung, Motorsteuerung, Fahrstabilität, Sicherheits- und Komforterhöhung genutzt.
Aus diesem Grund finden sich in einem Automobil der Mittelklasse mittlerweile durchschnittlich mehr als 100 Sensoren. Tendenz stark steigend. Mit der EU-Verpflichtung, ab 2021 Neufahrzeuge nur noch dann zuzulassen, wenn sie mit den Fahrassistenzsystemen Automatic-Braking-System, Lane-Keeping-System, Intelligent-Speed-Adaptation, Driver-Distraction-Monitoring und Event-Data-Recording ausgestattet sind, wird die Anzahl der erforderlichen Sensoren noch erhöhen. Die Fortentwicklung auf dem Gebiet des elektrischen Antriebsstrangs aber fordert darüber hinaus innovative Sensorik.
Herausforderung Elektromobilität
Um beispielsweise die Leistung wie auch die Effizienz von Hochvoltbatterien zu steigern und damit die Reichweite eines Elektroautomobils zu verbessern, sind detaillierte Informationen zu den charakteristischen Batteriegrößen notwendig. Ein Themenkomplex, dem sich das Buch Automobil-Sensorik 2 gleich mit mehreren Kapiteln widmet. Dazu erklärt der Herausgeber Thomas Tille, dass unter anderem auch die Elektromobilität immer genauere und robustere Sensorinformationen benötigt:
Zur Generierung dieser Informationen gewinnen neben der Optimierung bekannter Sensorprinzipien zunehmend auch neue Sensorkonzepte und -technologien an Bedeutung. Die resultierenden Sensorsysteme unterliegen neben den hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit".
Und so erklären ab Seite 99 Jan Philipp Schmidt und Thomas Hammerschmidt die Notwendigkeit moderner Impedanzsensorik für Batteriezellen in Elektro-Fahrzeugen. Die Zellimpedanz sehen sie als einen wichtigen Performanz-Indikator, der sich durch seine starke Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und Alterungszustand auch zur Diagnose verwenden lässt. Aber auch integrierte Fluxgate-Sensoren zur Strommessung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sind im Zuge einer weiteren Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben unabdingbar.
Dazu erklären die Autoren Christian Berger, Marco Wolf und Martin Rieder in ihrem gleichlautenden Kapitel: "Da der Ladezustand der Traktionsbatterie als sicherheitskritisch einzustufen ist, werden hochgenaue, zuverlässige Stromsensoren für Messbereiche von einigen hundert Ampere bis über zwei kA benötigt."
Algorithmen für intelligente Sensorik
Obschon damit die Hardware-Entwickler in der Sensorbranche im Besonderen gefordert sind, eine ebenso wichtige Rolle künftiger Sensorsysteme für das Automobil spielen auch ausgeklügelte Algorithmen. Das zeigt nicht nur AEye mit seiner Entwicklung, bei der im Übrigen ein deutlich billigeres Festkörper-Lidar verwendet werden kann. Der Hybrid-Sensor wird während der Fahrt beständig so umprogrammiert wird, dass es Laserstrahlen auf wechselnde Fokus-Bereiche schießen kann.
Und noch eine aktuelle Entwicklung zeigt, welche Bedeutung Verfahren der künstlichen Intelligenz in der Sensorik haben. Wie der Online-Artikel Neue Algorithmen lassen Laser durch Nebel blicken schreibt, hat das Non-Profit-Forschungsunternehmen Draper aus dem US-amerikanischen Cambridge, Massachusetts, mit verbesserten Algorithmen ein Lidar entwickelt, das 54 Meter durch dichten Nebel hindurch ein Hindernis deutlich erkennen konnte.