Automobil-Sensorik (eBook)

Der HerausgeberDr.-Ing. Thomas Tille studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Berlin und promovierte an der Technischen Universität München auf dem Gebiet Integrierter Sensorauswerteschaltungen. Seit mehreren Jahren ist er im Bereich der Elektronik- und Sensorikentwicklung der BMW AG tätig. Dr. Tille ist zudem Dozent für Mikroelektronik an der Technischen Universität München und leitet darüber hinaus Tagungen im Bereich Automobil-Sensorik.   

Vorwort 5
Inhaltsübersicht 7
Inhaltsverzeichnis 10
Kapitel 1Integrierte Zell-Sensorik in Lithium-Ionen-Akkus für Elektround Hybridfahrzeuge 19
1.1 Einleitung 19
1.2 Stand der Technik 20
1.2.1 Batteriemanagementsysteme 20
1.2.2 Zustandsgrößen und Sensoren in Li-Ionen Zellen 21
1.3 Integrierte Druckund Temperatursensorik 32
1.3.1 Integrierte Drucksensoren auf Flexprint-Platinen 32
1.3.2 Passivierung der Flexprintsensoren 33
1.3.3 Optimierte Sensorik: Druck und Temperaturmessung 34
1.3.4 Zellintegration 35
1.3.5 Messergebnisse 35
1.4 Zusammenfassung 37
Literatur 38
Kapitel 2Batterie-Zellensensoren mit drahtloser Kommunikation und verteilter Signalverarbeitung 43
2.1 Einleitung 43
2.1.1 Batteriemanagement: Stand der Technik 43
2.1.2 Zellensensoren für jede Zelle 44
2.1.3 Systemaufbau Batteriemanagement 46
2.2 Der Zellensensor 47
2.2.1 Modulare Funktionen des Zellensensors 47
2.2.2 Funksynchronisierte Messung 48
2.2.3 Erfassung von hochdynamischen Ereignissen 50
2.2.4 Wake-Up-Funktion 50
2.2.5 Ladungsbalancierung 51
2.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Batteriezustandsbestimmung 52
2.3.1 Anregung im Ladeund Entladebetrieb 53
2.3.2 Verteilte Signalverarbeitung im Frequenzbereich 55
2.3.3 Ersparnis durch verteilte Signalverarbeitung 56
2.4 Anwendung und Erprobung 57
2.4.1 Erprobung der Sensormodule 57
2.4.2 Erprobung der Impedanzspektroskopie 58
2.5 Zusammenfassung und Ausblick 59
Literatur 60
Kapitel 3Chemoresistive CO2-Sensoren basierend auf Seltenerdoxycarbonat-beladenem Zinndioxid 62
3.1 Einleitung 62
3.2 Messverfahren 64
3.2.1 Sensoraufbau 64
3.2.2 Messaufbau für Widerstandsmessungen 65
3.2.3 Messaufbau für Operando-Austrittsarbeitsmessungen 65
3.3 Widerstandsmessungen 67
3.1.1Temperaturabhängigkeit von La2O2CO3 67
3.3.2 Temperaturabhängigkeit von La2O2CO3 beladenem SnO2 67
3.4 Austrittsarbeitsmessungen 69
3.4.1 Ergebnisse der Austrittsarbeitsübertragung 69
3.4.2 Funktionsweise der Austrittsarbeitsübertragung 71
3.5 Zusammenfassung 73
Literatur 73
Kapitel 4Photoakustischer Low-Cost CO2-Sensor für Automobilanwendungen 76
4.1 Einleitung 76
4.2 Messmethodik 79
4.2.1 Theorie der Photoakustik 80
4.2.2 Konzept des photoakustischen Sensorsystems 81
4.3 Sensorsystem 82
4.3.1 Mechanischer Aufbau und Komponenten 82
4.3.2 Energieversorgung im Automobil 87
4.4 Messergebnisse 87
4.4.1 Charakterisierung im Labor 87
4.4.2 Kalibration 90
4.5 Zusammenfassung und Ausblick 91
Literatur 92
Kapitel 5NDIR- und photoakustische VOC/CO2-Sensoren zur Detektion der Luftqualität 94
5.1 Einleitung 94
5.2 Ausgewählte Gassensormessprinzipien zur Detektion von CO 95
5.2.1 Funktionsprinzip optischer Gassensoren 95
5.2.2 NDIR-Messprinzip zur Detektion von CO 96
5.2.3 Photoakustisches Messprinzip zur Detektion von CO 97
5.2.4 Metalloxid-Gassensorelemente zur Detektion von VOCs 98
5.3 VOC/CO2-Sensorsysteme im Vergleich 99
5.3.1 Aufbauvarianten und Funktion 99
5.3.2 Vergleichende Laborunteruntersuchungen von NDIRund photoakustischem VOC/CO2-Sensor 102
5.3.3 Praxistests 106
5.4 Applikationspotenzial im Automotive-Bereich 109
5.5 Zusammenfassung und Ausblick 110
Literatur 111
Kapitel 6Mikrowellengestützte Systeme zur Zustandserkennung von Abgaskatalysatoren und Abgaskltern im Überblick 112
6.1 Einleitung 112
6.2 Prinzip der mikrowellenbasierten Katalysator-Zustandserkennung 114
6.3 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beim Dreiwegekatalysator 115
6.4 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beim NH3-SCR-Katalysator 120
6.5 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beimNOx-Speicherkatalysator 124
6.6 Mikrowellenbasierte Zustandserkennung beim Diesel-Partikelfilter 124
6.7 Zusammenfassung 125
Literatur 126
Kapitel 7Miniaturisierte Systeme zur mikrowellenbasierten Katalysatorüberwachung 130
7.1 Einleitung 130
7.2 Kommunikationssystembasierter Ansatz 131
7.2.1 Beschreibung des Messprinzips 131
7.2.2 Experimentelle Verifikation 133
7.3 Reflektometer 139
7.3.1 Prinzip und Aufbau 139
7.3.2 Systemeigenschaften 140
7.3.3 Systemleistung 143
7.4 Zusammenfassung 144
Literatur 145
Kapitel 8Touch-Sensor-System für Dekor-integrierte HMI-Anwendungen im Automobil 146
8.1 Einleitung 146
8.2 Sensorprinzip 147
8.2.1 Optischer Touch-Sensor 148
8.2.2 Kapazitiver Touch-Sensor 148
8.3 Sensorsystem 154
8.3.1 Sensormodul 154
8.3.2 3D-Funktionsoberfläche 161
8.3.3 Performance 161
8.4 Anwendung 163
8.4.1 Dekor-Integration 164
8.4.2 Human-Machine-Interface 165
8.5 Zusammenfassung 166
Literatur 166
Kapitel 93D-Gestenerkennung für Multi-Touch Displays 168
9.1 Einleitung 168
9.1.1 Anwendungsgebiete 169
9.2 Systeme zur Gestenerkennung 170
9.3 Kapazitive Gestenerkennung 172
9.3.1 E-Feld Sensorik 173
9.3.2 Fazit 175
9.4 Systemcharakterisierung 175
9.5 Gestenerkennungssystem GestIC 177
9.5.1 Signalverarbeitung GestIC 179
9.5.2 Rohdaten und Gesten 179
9.5.3 Statistische Klassifikation 181
9.5.4 GestIC-Gestenportfolio 183
9.6 2D-Multitouch, 3D-Gestenerkennung für Displays 184
9.6.1 Technische Herausforderung 184
9.6.2 2D-Multitouch-Erkennung 185
9.6.3 2D/3D-Displays 185
9.7 Zusammenfassung und Ausblick 186
Literatur 187
Kapitel 10Materialintegrierte Sensorik für Fahrzeug-Leichtbautechnik 188
10.1 Einleitung 188
10.2 Sensoren in Entwicklung und Produktion 190
10.2.1 Fremdkörpereffekt 191
10.2.2 Fließfrontüberwachung 193
10.2.3 Überwachung des Aushärtungsprozesses 199
10.3 Structural Health Monitoring 201
10.3.1 Optische Verfahren 202
10.3.2 Dielektrische Verfahren 203
10.3.3 Akustische Verfahren 203
10.4 Drahtlose Übertragung 204
10.5 Zusammenfassung 206
Literatur 207
Kapitel 11MEMS Mobility-Sensoren für Bewegungserkennung 214
11.1 Einleitung 214
11.1.1 MEMS-Sensoren im Automobil 215
11.1.2 MEMS-Sensoren in Konsumelektronik 215
11.2 Anforderungen für MEMS im Automobil und in der Konsumelektronik 215
11.2.1 Marktanforderungen für Automobil-MEMS 216
11.2.2 Marktanforderungen für Konsumelektronik-MEMS 216
11.2.3 Zusammenfassung der unterschiedlichen Marktanforderungen 217
11.3 Mobility-Sensoren Konzept 217
11.3.1 AEC-Q100 Qualifizierung 218
11.3.2 Erweiterte Produktverfügbarkeit / erweitertes Endmessen 218
11.4 Vorstellung Mobility-Sensoren 219
11.4.1 MEMS-Inertialsensor SMI130 219
11.4.2 SMG130 221
11.4.3 SMA130 221
11.5 Mögliche Automobil-Anwendungen 223
11.5.1 Bank-Angle-Sensierung 223
11.5.2 Alarmanlagen in Fahrzeugen 224
11.5.3 Navigation 224
11.5.4 Remote-Keyless-Entry-Systeme 225
11.5.5 eCall 225
11.6 Software 226
11.6.1 Software für Konsumelektronikund Automobil-Sensoren 226
11.6.2 Software für Mobility-Sensoren 226
11.6.3 Linuxund Android-Softwarestruktur mit Mobility-Sensoren 226
11.6.4 Ausblick für Software Anwendungen 227
11.7 Zusammenfassung 228
Literatur 228
Kapitel 12Hoch performante Rotorlage-Sensorik für bürstenlose E-Maschinen in Hybridantrieben 229
12.1 Einleitung 229
12.2 Rotorpositionssensor 231
12.2.1 Methoden zur Erfassung der Rotorposition 231
12.3 In die Welle integriertes Sensorsystem 238
12.3.1 Aufbau 238
12.3.2 Optimierung bezüglich Genauigkeit 239
12.3.3 Systemuntersuchung: Genauigkeit 241
12.3.4 Systemuntersuchung: Störfeldrobustheit 242
12.4 Rotorlage-Sensorik unter dem Aspekt funktionaler Sicherheit 244
12.5 Zusammenfassung 245
Literatur 246
Kapitel 13Hochintegrierte Rotorlage-Sensoren für Elektro-Motoren 247
13.1 Einleitung 247
13.2 Technologien zur Rotorlage-Erfassung 253
13.2.1 Resolver 253
13.2.2 Wirbelstrom-Sensoren (Eddy-Current-Sensoren) 255
13.2.3 Magnetische Sensoren 256
13.2.4 360°-AMR-Encoder 259
13.3 Vergleich auf Systemniveau 262
13.3.1 Integration 262
13.3.2 Magnetische Störfestigkeit 265
13.3.3 Kosten 266
13.3.4 Messgenauigkeit 266
13.4 Zusammenfassung und Ausblick 274
Literatur 275
Kapitel 14Magnetoresistive Sensoren für Weg-, Winkel-, Stromund Feldmessung im Automobil 276
14.1 Einleitung 276
14.2 Anforderungen an Sensoren im Automobil 277
14.3 Grundlagen magnetoresistiver Sensortechnologie 278
14.3.1 AMR-Effekt 280
14.3.2 GMR-Effekt 284
14.3.3 TMR-Effekt 285
14.4 Signalverarbeitung bei MR-Sensoren 286
14.5 Vorteile und Nutzen von MR-Sensoren 288
14.6 Anwendungsbeispiele 291
14.6.1 Raddrehzahlsensor 291
14.6.2 Drehmomentsensor für elektrische Lenkung 293
14.6.3 Motorkommutierungssensor für Aktivlenkung 295
14.6.4 Zahnsensormodul für Ventilwegmessung 297
14.6.5 Geschwindigkeitssensor für E-Kompressor 300
14.6.6 Winkelsensor für vollvariables Ventilsteuerungssystem 301
14.6.7 Stromsensor für E-Sportwagen Umrichter 302
14.6.8 Stromsensor für induktives Ladesystem für E-Fahrzeuge 305
14.7 Zusammenfassung 307
Literatur 307
Kapitel 15Streufeld-immune Schaltkreise für magnetische Positionssensoren 311
15.1 Einleitung 311
15.2 Positionssensoren im Automobil 312
15.2.1 Überblick 312
15.2.2 Einfluss von Streufeldern auf magnetische Positionssensoren 314
15.3 Messergebnisse 326
15.4 Zusammenfassung 328
Literatur 328
Kapitel 16Induktiver Drehzahlsensor für Turbolader 329
16.1 Einleitung 329
16.2 Sensor-Technologie 330
16.2.1 Funktionsprinzip 330
16.2.2 Aufbau 333
16.3 Vorteile der Turboladerdrehzahl-Erfassung 334
16.3.1 Luftsystem von Verbrennungsmotoren 334
16.3.2 Üblicher Überdrehzahlschutz / Toleranzeinfluss 337
16.3.3 Erhöhung der Höhenreserve 340
16.3.4 Erhöhung Drehmoment/Leistung und Downsizing-Potential 341
16.3.5 Erweiterte Nutzung des Verdichterkennfeldes 343
16.3.6 Ersatz anderer Sensoren 344
16.4 Zusammenfassung 345
Literatur 346
Kapitel 17Piezoelektrische MEMS-Sensoren zur Viskositätsund Dichtebestimmung von technischen Flüssigkeiten 347
17.1 Einleitung 347
17.2 MEMS-Resonatoren in viskosen Flüssigkeiten 348
17.3 Piezoelektrischer Effekt in MEMS-Resonatoren 350
17.4 Herstellung der MEMS Sensoren 357
17.5 Messungen in hochviskosen Flüssigkeiten 358
17.6 Zusammenfassung und Ausblick 364
Literatur 364