Elektronik in der Fahrzeugtechnik (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Kai Borgeest leitet das Labor für Fahrzeugmechatronik an der Hochschule Aschaffenburg.

Vorwort 5
Vorwort zur 2. Auflage 6
Inhaltsverzeichnis 7
1 Einleitung 11
2 Bordelektrik 14
2.1 Bordnetz 14
2.1.1 Leitungen und Kabelbäume 15
2.1.2 Verdrahtungspläne 17
2.1.3 Steckverbinder 18
2.1.4 Sicherungen 19
2.2 Energiespeicher 20
2.2.1 Bleiakkumulatoren 22
2.2.2 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren 23
2.2.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren 23
2.2.4 Li-Ionen-Akkumulatoren 23
2.2.5 Natrium-Schwefel-Akkumulatoren 24
2.2.6 Kondensatoren als Energiespeicher 24
2.2.7 Brennstoffzellen 26
2.2.8 Weitere Energiespeicher 28
2.3 Mehrspannungs-Bordnetz 28
2.4 Energiemanagement 30
3 Hybridantriebe und elektrische Antriebe 32
3.1 Elektrische Maschinen 32
3.1.1 Gleichstrommaschinen 33
3.1.2 Synchronmaschinen 35
3.1.3 Asynchronmaschinen 36
3.1.4 Umrichter 37
3.2 Lichtmaschine 38
3.3 Starter 41
3.4 Starter-Generatoren 42
3.5 Hybridfahrzeuge 43
3.6 Elektrofahrzeuge 46
3.6.1 Brennstoffzellen-Fahrzeuge 48
3.6.2 Fahrzeuge mit Aufladung am öffentlichen Netz 48
3.6.3 Solarfahrzeuge 49
4 Beispiel Elektronische Dieselsteuerung (EDC) 50
4.1 Aufgaben 51
4.2 Einspritzung 51
4.2.1 Winkeluhr 52
4.2.2 Berechnung der Einspritzmenge 55
4.2.3 Berechnung des Spritzbeginns 56
4.2.4 Ansteuerung des Einspritzsystems 57
4.2.5 Ansteuerung der Injektoren 58
4.2.5.1 Injektoren mit Magnetventil 58
4.2.5.2 Piezo-Injektoren 61
4.2.6 Regelung des Raildrucks 64
4.3 Drehzahlregelung 65
4.4 Regelung des Luftsystems 66
4.4.1 Abgasrückführung 67
4.4.1.1 Sensorik 70
4.4.1.2 Aktorik 71
4.4.2 Aufladung 72
4.4.2.1 Sensorik 72
4.4.2.2 Aktorik 73
4.5 Abgasnachbehandlung 74
4.5.1 Partikelfilter 75
4.5.1.1 Ladungserkennung 75
4.5.1.2 Regeneration 76
4.5.2 Stickoxid-Filter 77
4.5.2.1 Speicherkatalysator 77
4.5.2.2 Selektive katalytische Reduktion 77
4.5.3 Lambda-Sonde 79
4.5.4 NOX-Sonde 80
4.5.5 Ruß-Sensoren 81
4.6 Thermomanagement 81
5 Bussysteme 84
5.1 Zuordnung von Funktionen zu Geräten 84
5.2 Kfz-Elektronik als LAN 86
5.3 CAN-Bus 89
5.3.1 Physikalische Schicht des CAN 91
5.3.1.1 Spannungspegel und Störsicherheit 91
5.3.1.2 Wellenwiderstand und Abschluss 93
5.3.1.3 Verbindung von Steuergeräten 94
5.3.1.4 Zeitlicher Ablauf und Synchronisation 96
5.3.1.4.1 Zulässige Oszillatortoleranzen 98
5.3.1.4.2 Berechnungsbeispiel zur Synchronisation 99
5.3.2 Sicherungsschicht des CAN 101
5.3.2.1 Medium Access Control 102
5.3.2.2 Logic Link Control 105
5.3.2.3 Fehlerbehandlung 106
5.3.2.3.1 Fehlererkennung 106
5.3.2.3.2 Fehlermeldung durch Error Frames 107
5.3.2.3.3 Begrenzung von Fehlerfolgen 107
5.3.3 Beispiele für aufgesetzte Protokollschichten 109
5.3.3.1 J1939 109
5.3.3.2 Transportprotokolle 109
5.3.3.3 Bosch MCNet 109
5.4 Weitere Bussysteme 110
5.4.1 LIN 110
5.4.2 Zeitgesteuerte Bussysteme (Byteflight, TTCAN, TTP, FlexRay) 112
5.4.2.1 Byteflight 113
5.4.2.2 TTCAN 113
5.4.2.3 TTP 114
5.4.2.4 FlexRay 114
5.4.3 Busse für Rückhaltesysteme 116
5.4.4 Busse für Multimedia-Anwendungen 117
5.4.4.1 MOST 117
5.4.4.2 IDB1394 118
5.4.5 Drahtlose Netze 118
5.5 Praktisches Vorgehen 119
6 Hardware 122
6.1 Steuergeräteschaltungen 122
6.1.1 Rechnerkern 123
6.1.1.1 Mikrocontroller 125
6.1.1.2 Speicher 126
6.1.1.3 Spannungsversorgung des Rechnerkerns 128
6.1.1.4 Takterzeugung 128
6.1.1.5 Überwachung 129
6.1.1.6 Interne Busse 129
6.1.1.7 Programmierbare Logik, ASIC und ASSP 130
6.1.2 Sensorik 133
6.1.3 Auswertung von Sensorsignalen 136
6.1.3.1 Schaltende Sensoren 136
6.1.3.2 Ohmsche Sensoren 137
6.1.3.3 Kapazitive und induktive Sensoren 138
6.1.3.4 Aktive Sensoren 139
6.1.3.5 Analog-/Digitalwandlung 139
6.1.3.5.1 Zubehör für AD-Wandler 141
6.1.3.6 Sensoren mit integrierter Elektronik 141
6.1.4 Ansteuerung der Aktoren 143
6.1.4.1 Digital-/Analog-Wandlung 144
6.1.4.2 Leistungshalbleiter 146
6.1.4.3 Ansteuerschaltungen 147
6.1.4.4 Endstufenüberwachung 152
6.1.5 Spannungswandler 153
6.2 Elektromagnetische Verträglichkeit 155
6.2.1 Störquellen und Störsenken 156
6.2.2 Kopplungsmechanismen 157
6.2.2.1 Kopplung über Felder 157
6.2.2.1.1 Kapazitive Kopplung 157
6.2.2.1.2 Induktive Kopplung 158
6.2.2.1.3 Elektromagnetische Kopplung 159
6.2.2.2 Kopplung über Leitungen 159
6.2.2.3 Elektrostatische Entladungen 161
6.2.3 EMV-Normen und Gesetzgebung 162
6.2.3.1 Abstrahlung/Einstrahlung 163
6.2.3.1.1 Normen zur Störaussendung 163
6.2.3.1.2 Normen zur Einstrahlfestigkeit 164
6.2.3.2 Leitungsgeführte Störungen 165
6.2.3.2.1 DIN 40839, ISO 7637, ISO 16750-2 165
6.2.3.2.2 AGN/E 01/2000 168
6.2.3.3 Elektrostatische Entladungen 169
6.2.4 Maßnahmen zur Sicherstellung der EMV 169
6.2.4.1 Spannungsversorgung und Massung 169
6.2.4.2 Verdrillung, Abschirmung und Verlegung von Leitungen 170
6.2.4.3 Abschirmung von Geräten 170
6.2.4.4 Signalübertragung 172
6.2.4.5 Filterung und Schutz vor Überspannungen 172
6.2.5 Simulation in der EMV 173
6.2.6 EMV-Mess- und Prüftechnik 174
6.2.6.1 Nachbildung und Messung feldgeführter Störungen 174
6.2.6.2 Nachbildung und Messung leitungsgeführter Störungen 177
6.3 Mechanische Anforderungen 177
6.4 Thermische Anforderungen 178
6.5 Chemische Anforderungen und Dichtigkeit 183
6.6 Anforderungen an den Umweltschutz 184
6.7 Akustische Anforderungen 185
6.8 Aufbau- und Verbindungstechnik 186
7 Software 188
7.1 Architektur der Steuergeräte-Software 188
7.2 Echtzeit-Betriebssysteme 191
7.2.1 Aufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems 191
7.2.1.1 Zuteilung von Rechenzeit 191
7.2.1.2 Hardwareabstraktion 193
7.2.1.3 Programmierschnittstelle 193
7.2.1.4 Software-Überwachung 193
7.2.2 OSEK/VDX 194
7.2.2.1 OSEK OS/OSTime 195
7.2.2.2 OSEK COM 196
7.2.2.3 OSEK NM 196
7.2.2.4 Weitere Merkmale 197
7.2.3 AUTOSAR 197
7.3 Steuer- und regelungstechnische Funktionen der Software 199
7.3.1 Steuerungen 199
7.3.2 PI- und PID-Regler 201
7.3.3 Modellbasierte Regler 205
7.3.3.1 Zustandsregler 209
7.3.3.2 Beobachter 210
7.3.3.3 Prädiktoren 211
7.4 Diagnosefunktionen der Software 211
7.4.1 Erkennung und Behandlung von Fehlern 213
7.4.2 Entprellung und Heilung von Fehlern 214
7.4.3 Fehlerspeicher-Management 215
7.4.4 Kommunikation zwischen Steuergerät und Tester 215
7.4.5 On-Board-Diagnose (OBD) 221
7.4.6 Programmierung über die Diagnose-Schnittstelle 224
7.4.7 ODX 225
7.5 Entwicklung der Anwendungs-Software 226
7.5.1 Programmierung 226
7.5.1.1 Modellbasierte Softwareentwicklung 227
7.5.1.2 Konfigurationsmanagement 228
7.5.2 Bypass 229
7.5.3 Datensatz und Applikation 229
7.5.3.1 Design of Experiments (DoE) 232
7.5.3.2 Applikationsprotokolle 232
7.5.3.2.1 CCP 233
7.5.3.2.2 XCP 233
7.5.3.3 Label-Datenbanken 234
7.5.4 Softwaretests 235
7.5.4.1 Modultest 236
7.5.4.2 Integrationstest 237
7.5.4.3 Systemtest 238
7.5.4.3.1 Hardware in the Loop 239
7.5.4.4 Akzeptanztest 242
7.5.5 Flash-Programmierung 242
8 Projekte, Prozesse und Produkte 246
8.1 Besonderheiten der Kfz-Branche 246
8.2 Stufen der Elektronik-Entwicklung 248
8.3 Projekte und Prozesse 250
8.4 Projekte in der Praxis 252
8.5 Projektphasen 253
8.5.1 Akquisitionsphase 253
8.5.1.1 Kostenschätzung 255
8.5.2 Planungsphase 256
8.5.2.1 Teambildung 256
8.5.2.2 Terminplanung 257
8.5.2.3 Kostenplanung 259
8.5.2.4 Vorgehensmodelle 259
8.5.2.4.1 Wasserfallmodell/Sashimi-Modell 260
8.5.2.4.2 V-Modell/V-Modell XT 261
8.5.2.4.3 Nebenläufiges Modell 263
8.5.2.4.4 Objektorientiertes Modell 263
8.5.2.4.5 Spiralmodell 264
8.5.2.4.6 Prototypenmodell 264
8.5.2.4.7 Evolutionäres Modell 265
8.5.2.4.8 Inkrementelles Modell 265
8.5.2.4.9 Timebox 266
8.5.2.4.10 Agile Modelle 266
8.5.2.4.11 Open Source 268
8.5.2.4.12 Vergleich der Vorgehensmodelle 268
8.5.2.5 Anforderungen und Spezifikation 268
8.5.2.6 Projekthandbuch 272
8.5.3 Entwicklungsphase 272
8.5.3.1 Änderungsmanagement 274
8.6 Product Lifecycle Management 276
8.7 Architekturbasierte Entwicklung 277
8.8 Serienbetreuung 278
8.8.1 Serienbetreuung durch die Entwicklung 278
8.8.2 Produktion 278
8.8.3 Service 280
8.9 Qualität 281
8.9.1 Qualitätsmanagement 283
8.9.1.1 Qualitätsregelkreis im Großen: Kontinuierlicher Verbesserungsprozess 286
8.9.1.2 Qualitätsregelkreis im Kleinen: Reviews 286
8.9.2 Qualitätsstandards 287
8.9.2.1 ISO 9000 288
8.9.2.2 ISO/TS16949 289
8.9.2.3 Reifegrade von Prozessen 289
8.9.2.3.1 CMM(I) 290
8.9.2.3.2 SPICE 291
9 Sicherheit und Zuverlässigkeit 292
9.1 Ausfälle elektronischer Systeme 293
9.1.1 Alterung und Ausfall elektronischer Bauelemente 295
9.1.1.1 Alterung passiver Bauelemente 296
9.1.1.2 Alterung aktiver Bauelemente 297
9.1.1.3 Alterung elektromechanischer Bauelemente 298
9.1.1.4 Alterung von Sensoren 299
9.1.1.5 Alterung von Aktoren 300
9.2 Ausfälle von Software 300
9.3 Methoden zur Analyse von Sicherheit und Zuverlässigkeit 301
9.3.1 FMEA 301
9.3.2 Fehlerbaumanalyse 303
9.3.3 Ereignisfolgenanalyse 305
9.4 Verbesserungsmaßnahmen 306
9.4.1 Qualifizierung von Bauelementen 306
9.4.2 Überwachung und Diagnose 307
9.4.3 Komplexität und Redundanz 307
10 Anwendungen 310
10.1 Funktionsentwicklung am Beispiel Klimaregelung 310
10.1.1 Prinzip der Klimaregelung 310
10.1.2 Struktur der Klimaregelung (Beispiel) 311
10.1.3 Funktionsentwicklung im Klimasteuergerät (Beispiel) 312
10.2 Systeme im Antriebsstrang 314
10.2.1 Motorsteuergeräte (Otto) 315
10.2.1.1 Zündung 315
10.2.1.2 Lambda-Regelung 317
10.2.2 Steuergeräte für variable Nockenwellen 317
10.2.3 Getriebesteuergeräte 320
10.2.4 Kupplungssteuergeräte 321
10.2.5 Elektronische Differenzialsperre 321
10.3 Systeme für die Fahrdynamik und die aktive Sicherheit 322
10.3.1 Längsdynamik und Bremsen 323
10.3.1.1 Schlupfregelung 323
10.3.1.2 Geschwindigkeits- und Abstandsregelung 324
10.3.1.3 Bremsassistenten und Brake-by-Wire 325
10.3.1.4 Parkbremse und Anfahrhilfe 327
10.3.2 Querdynamik, Lenkung und ESP 327
10.3.2.1 Lenksysteme 327
10.3.2.2 ESP 327
10.3.2.3 Sturzregelung 330
10.3.3 Vertikaldynamik 330
10.3.4 Reifenüberwachung 332
10.4 Systeme für die passive Sicherheit 333
10.4.1 Airbag 333
10.4.2 Gurtstraffer 335
10.4.3 Fußgängerschutz 335
10.5 Fahrerassistenz- und Informationssysteme 335
10.5.1 Spurhalte- und Spurwechselassistenten 335
10.5.2 Einparkhilfen 336
10.5.3 Navigationssysteme 336
10.5.4 Telematik 339
10.5.5 Scheibenreinigungssysteme 342
10.5.6 Beleuchtung 342
10.5.7 Nachtsichtsysteme 344
10.6 Mensch-Maschine-Schnittstelle 345
10.7 Komfortsysteme 348
10.8 Unterhaltungselektronik 349
10.9 Diebstahlschutz 350
11 Selbstbau und Tuning 352
12 Zukunftstechnologien im Fahrzeug 354
12.1 Adaptronik 354
12.1.1 Beispiel Motorlagerung 355
12.1.2 Beispiel Strukturversteifung mit Memory-Metallen 357
12.2 Nanotechnologie 357
12.3 Photonik 357
12.4 Weitere Zukunftsentwicklungen 358
A Abkürzungen 359
B Symbole in Formeln und Naturkonstanten 366
C Literaturverzeichnis 368
Sachwortverzeichnis 386

1 Einleitung (S. 1)

Der Ruf des Autos war vor 20 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 4467 Verkehrstote jährlich 4467 zu viel1 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 20 Jahren gewaltige 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. Diese Entwicklungen sind keinesfalls abgeschlossen, sondern stellen auch zukünftig Ingenieure vor reizvolle Aufgaben. Bei PKW ist mit neuen Antriebskonzepten wie Hybridantriebe zu rechnen, die von japanischen Herstellern bereits in Serie gebracht wurden.

Viele Fortschritte, die bei PKW bereits gemacht wurden, werden bei Nutzfahrzeugen und Zweirädern folgen. Während bei der passiven Sicherheit bereits ein hoher Stand erreicht ist, bieten die aktive Sicherheit und vor allem die Kombination aktiver und passiver Sicherheit neue Möglichkeiten.

Da immer mehr ältere Menschen Auto fahren, werden Fahrerassistenzsysteme, die den Fahrer informieren, warnen und ggf. auch eingreifen, an Bedeutung gewinnen. Wenn Ingenieure neben ihrer Liebe zum technischen Detail auch permanent den Kundennutzen im Auge behalten, wird es sicher auch noch weitere sinnvolle Verbesserungen im Bereich Komfort und Unterhaltung geben.

Daneben gibt es weitere Fortschritte, so ermöglichen inzwischen auch die traditionell eher mit Traktoren assoziierten Dieselmotoren eine sportliche Fahrweise, 2006 siegte zum ersten Mal ein Dieselfahrzeug in Le Mans. Auch wenn dies dem gewöhnlichen Autofahrer nichts nützt, so erfährt auch dieser in immer mehr Fahrzeugen, dass ein Dieselmotor durchaus Spaß machen kann.

Daneben entstehen neuartige Verbrennungsmotoren, die in vielerlei Hinsicht zwischen heutigen Diesel- und Ottomotoren angesiedelt sein werden, zurzeit aber noch den Status von Forschungsprojekten haben. Auch diese lassen sich nur mit Hilfe präziser elektronischer Regelungen realisieren. Durch elektronische Diagnosesysteme kann eine aufwändige Fehlersuche theoretisch erheblich vereinfacht werden (in der Praxis trifft dies allerdings nicht immer zu).

Weitere Fortschritte, die sich erst anbahnen, liegen in der Vernetzung der Fahrzeuge untereinander und in der Kommunikation zur Infrastruktur. Damit wachsen Fahrzeuge und die Strassen langfristig zu einem aufeinander abgestimmten System zusammen. Insbesondere im Nutzfahrzeugbereich wird das einzelne Fahrzeug ein integraler Bestandteil von logistischen Konzepten.

Ein nützlicher Nebeneffekt der Weiterentwicklungen ist die Sicherung von Arbeitsplätzen, vor allem, wenn die deutsche Automobilindustrie auch bei zukünftigen Entwicklungen die Nase vorne behält und nicht Entwicklungen verschläft. Bei aller Freude über die Verbesserungen dürfen jedoch auch die Kehrseiten nicht geleugnet werden. Ein wesentlicher Nachteil ist die hohe Komplexität.

Wo Zuverlässigkeit gefordert ist, gilt nach wie vor der klassische Grundsatz, ein System so einfach wie möglich zu halten. Genau dies geschieht durch den massiven Elektronikeinsatz im Fahrzeug nicht mehr.

Wer einmal in einer kalten Winternacht aufgrund eines Softwarefehlers mit seinem Fahrzeug liegen blieb, wird die bisherige Marke vermutlich meiden und seine Erfahrungen auch Freunden und Verwandten mitteilen. Wenn ein elektronisches Lenksystem aufgrund eines Softwarebugs beschließt, den nächsten Baum anzusteuern, wäre dies noch weitaus schlimmer.

Leider zeigt sich, dass insbesondere in der Oberklasse zunehmend negative Erfahrungen mit der Zuverlässigkeit gemacht wurden. Um auch komplexe Systeme mit hinreichender Zuverlässigkeit zu realisieren, genügt es nicht, nur das fertige Produkt zu betrachten. Vielmehr müssen die Prozesse und Abläufe zur Entwicklung eines Gerätes oder Systems selbst erst entwickelt werden.