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Mehr InfosDiplomarbeit, 2003, 96 Seiten
Diplomarbeit
Technische Fachhochschule Georg Agricola für Rohstoff, Energie und Umwelt zu Bochum (Elektrotechnik)
2,0
1 Einführung
2 Fahrzeugelektronik / Fahrzeugtechnik
2.1 Entwicklung der Fahrzeugelektronik
2.2 Fahrzeugelektronik heute
2.2.1 Komfortelektronik
2.2.2 Sicherheitselektronik
2.2.3 Infotainment u. Verbindungstechnik
2.3 Zukünftige Fahrzeugtechnik
2.3.1 X-by-Wire-Technologie
2.3.2 Brennstoffzellenantrieb
2.3.3 Verbesserung der Assistentensysteme
2.3.4 Precrash-Sensorik
3 Das 42V Bordnetz
4 Türsteuergerät
5 Normung für das 42V Bordnetz
6 Konzept für die Prüfung
7 Abschluss
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Die Deutsche Montan Technologie GmbH wurde 1990 als DMT Gesellschaft für Forschung und Prüfung mbh unter dem Dach des Deutschen Montan Technolgie für Rohstoff, Energie, Umwelt e.V. gegründet. Sie ist aufgegliedert in 5 Divisions und 2 Business Units, eine dieser Divisions ist die "Car Synergies Division". Ihre Aufgabe besteht in der Entwicklung und Erprobung von Fahrzeugkomponenten.
Rund 120 Mitarbeiter sind bei der Car Synergies Division (CSD) beschäftigt. Standorte sind Bochum, Essen, München und Leipzig.
Innerhalb der CSD gibt es wiederum verschiedene Abteilungen, wovon eine die Abteilung "Entwicklung Fahrzeugsysteme" ist. Diese Abteilung unterteilt sich in 5 Teams, dem Team CAE/CAD, dem Team Components, dem Team Hydraulik, dem Team Akustik und dem Team Vibration. Ein neues Team Elektronik ist in Planung.
Da diese Diplomarbeit eine rein theoretische Arbeit war und die praktische Realisierung nicht Teil der Aufgabe war, lag der größte Aufwand in der Beschaffung und Auswertung der notwendigen Informationen. Es wurde zunächst einmal ein Konzept erarbeitet, welches sich in 5 Teilgebiete gliederte:
- Fahrzeugtechnik
- 42V Bordnetz
- Türsteuergerät
- Normung des 42V Bordnetzes
- Konzept für die Prüfung
Im nächsten Schritt wurden dann alle Informationen zu diesen Teilgebieten zusammengetragen. Da es sehr aktuelle Themen sind, und die Entwicklung auf dem Gebiet Fahrzeugtechnik sehr schnell voran geht, gibt es nur wenige aktuelle Bücher zu diesen Themen.
Die meisten Informationen findet man über das Internet, in Fachzeitschriften oder über Firmen die in diesen Bereichen tätig sind. Internetadressen und Fachzeitschriften sind im Literaturverzeichnis aufgelistet. Diese Informationen wurden dann weiter bearbeitet und ausgewertet, daraufhin entstand eine erste Gliederung der Diplomarbeit, die nach und nach verfeinert wurde. Nach der Einarbeitung in die entsprechende Norm für das 42V Bordnetz und dem daraus resultierenden Prüfablauf und Aufbau, ging es zum zusammen-tragen der benötigten Geräte. Hierzu wurden mehrere Anbieter von Prüfequipment kontaktiert und eingeladen. Nach ausführlichen Gesprächen mit den Kontaktpersonen dieser Firmen und dem Erhalt ihrer Angebote konnten diese dann miteinander verglichen werden. Den Abschluss der Arbeit bildete dann die schriftliche Ausarbeitung, sowie die Präsentation innerhalb der Firma DMT.
Die Erfüllung steigender Kundenansprüche und strengerer gesetzlicher Vorschriften hinsichtlich der Verringerung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen sowie der Erhöhung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort ist unzertrennlich mit steigender Elektrik/Elektronik in modernen Kraftfahrzeugen verbunden. Unter dem Begriff Fahrzeug-elektronik versteht man Teilgebiete der Elektrotechnik, Mikroelektronik, Microcomputertechnik, Regelungstechnik, Antriebstechnik, Leistungs-elektronik, Nachrichtentechnik, Informationstechnik und Software-technologie. Es ist zu erkennen, dass sich neben der Kommunikationstechnik künftig der Automobilsektor zum wichtigsten Treiber der Elektronik-Branche entwickeln wird [1].
Die Entwicklung der Elektrik/Elektronik im Automobil gewinnt im Deutschen und Europäischen Markt immer mehr an Bedeutung.
Laut einer Trendanalyse des Zentralverbandes Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V (ZVEI) vom Januar 2003 wird sich der Markt für Fahrzeugelektronik von 18 Mrd. € in 2002 auf 31 Mrd. € bis 2005 entwickeln [1]. Der Wertanteil der Elektronik an den Herstellerkosten wird von heute ca. 22% auf 35% bis zum Jahr 2010 steigen, dies war das Ergebnis einer Studie der HypoVereinsbank und Mercer Management Consulting [2].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diagramm 1 Wachstumsfaktor Elektrik / Elektronik im Automobil [2]
Die Fahrzeugelektronik lässt sich in 5 Bereiche einteilen:
1. Komfortelektronik (z.B. ACC, APS, Climatronic, usw.)
2. Sicherheitselektronik (z.b. ABS, ASR, EDS, ESP, usw.)
3. Beleuchtungstechnik (z.b. Scheinwerfersystem)
4. Infotainment (z.b. Radio/CD, Navigationssystem, usw.)
5. Verbindungstechnik (z.b. Bussystem, Steckverbinder, usw.)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 : Überblick über Komfortelektronik
- Bedeutung und Funktion der Komponenten
- Sitzbelegungserkennung: Anpassung des Sitzes an Gewicht des aktuellen Fahrers
- Bordcomputer: Zeigt Durchschnittsverbrauch, Reichweite, Geschwindigkeit, Distanz, u.a. an
- Climatronic: Klimaregelung
- Batteriemanagement: Überwachung und Regelung des
Energieverbrauches
- Motormanagement: Regelung der Motordrehzahl
- Tempomat: Geschwindigkeitsregelung
- ABC: Aktive Body Control, aktives Fahrwerk
- ACC: Adaptive Cruise Control, Abstandsregelsystem
- Elektronischer Fahrpedalgeber
- Launch Control: Elektronische Starthilfe
- Elektr. verstellb. Sitze, Fenster, Gurte, Spiegel
- Advanced Key: Fahrzeugzugangs-/ Startsystem
- Zentralverriegelung ZV
- APS: Acoustic Parking System, elektr. Einparkhilfe
- One Touch Memory: Per Tastendruck persönliche Einstellungen aufrufen
- Adaptive Air Suspension (elektr. geregelte Luftfederung)
- Sensoren für Abstand, Temperatur, Lichtverhältnisse, etc.
- Servotronic Lenkung (geschwindigkeitsabhängige Regelung der Servolenkung
- Spurassistenten (System zur Querführung / Spureinhaltung)
- Standheizung
- Abblendbare Außenspiegel
- iQ Batterie (intelligente Batterie, zeigt Lade- und Gesundheits-zustand an)
- Diverse Steuergeräte
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 Überblick über Sicherheitselektronik
- Bedeutung und Funktion der Komponenten
- Airbagmanagement: Steuerung des Airbagsystems
- EPS: Electric Power Steering, elektr. Hilfskraftlenkung
- SBC: Sensoric Brake Control, Elektrohydraulische Bremse mit elektronisch geregelter Bremskraftverstärkung
- EBV: Elektronisches Bremsverteilsystem, regelt Bremsverteilung zwischen Vorder-/ Hinterachse
- Reifendruck Kontrollsystem: Überwachung des Luftdruckes in den Reifen
- ESP: Elektronisches Stabilitätsprogramm, auch DSC oder ASC, gegen seitl. abrutschen in Kurven, erkennt Schlupf in Längs-/ Querrichtung
- ABS: Anti Blockier System, Regelung der Bremskraft
- EDS: Elektr. Differentialsperre, ermöglicht Anfahren auf unterschiedlich griffigen Fahrbahnen
- ASR: Anti Schlupf Regelung, auch Traktionskontrolle, verhindert durchdrehen der Reifen beim Anfahren
- Alarmanlage
- aktive Kopfstützen (verhindern Halswirbelverletzungen bei einem Auffahrunfall)
- BAS: Brake Assist, auch Dynamic Brake Control (DBC), Bremsassistent, erkennt Notbremse, automatischer Bremskraftverstärker
- EDC: Electronic Damping Control, elektr. Stoßdämpfersteuerung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3 Überblick über Infotainment und Verbindungstechnik
- Bedeutung und Funktion der Komponenten
- adaptive light: Anpassungsfähiges Licht, Scheinwerfersystem zum hineinleuchten in Kurven beim abbiegen
- Bussystem: z.b. CAN, MOST, LIN
- Bluetooth: Funkübertragung
- Lautsprechersystem
- Radio / CD mit digitalen Sound Prozessor (DSP)
- Navigationssystem
- Freisprechanlage
- elektr. Antenne
- Telematiksystem (Mobilfunk + Navigationssystem + Audio)
- Bildschirme / TFT-Display
- Notrufsystem
- Sprach Dialog System (SDS), Spracherkennung
- Internet (Powerline, UMTS)
- Steckverbindungen
- Cockpitbeleuchtung
- Handschuhfachbeleuchtung
- Innenraumbeleuchtung
- Nummernschildbeleuchtung
Ein Ende der Entwicklung ist nicht in Sicht.
Würde man alle diese Komponenten in herkömmlicher Verdrahtungstechnik miteinander verbinden, wäre der Aufwand und die Kosten (aufgrund der Kupferleitungen) immens hoch und kaum zu realisieren, der Fahrzeugpreis würde weiter steigen.
Heutzutage verwendet man Bussysteme, um verschiedene Komponenten miteinander zu verbinden, dies erspart viele Leitungen und vereinfacht die Verdrahtung. Die 3 meist verwendeten Bussysteme in Fahrzeugen sind:
- CAN (Controller Area Network),
- MOST (Media Oriented Synchronous Transfer Protocol)
- LIN (Local Interconnect Network)
Zur Ansteuerung der jeweiligen Komponente dient ein Steuergerät. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Steuergerätes wird in Kapitel 4 anhand eines Türsteuergerätes näher erläutert.
In den über 100 Jahren seit seiner Erfindung hat sich das Automobil zu einem Hightech-Produkt entwickelt. In den kommenden Jahren wird es gar zu einem Computer auf Rädern. Das steigert den Verbrauch an elektrischer Energie im Automobil. Mehr Komfort und Sicherheit erhöhen zudem den Bedarf rasant. Bereits heute sind 80 -100 Elektromotoren und bis zu 100 Steuergeräte in einem Oberklasse-modell vorhanden, Tendenz steigend. Um die notwendige Energie zu liefern wird schon seit 1996 an der Entwicklung eines neuen Bordnetzes gearbeitet. Ziel ist es die Nennspannung von derzeit 14V auf 42V zu erhöhen. Wie dieses neue Bordnetz aussehen soll, welche Vor- und Nachteile es mit sich bringt wird in Kapitel 3 näher beschrieben.
Weitere wichtige Innovationen werden sein:
Der Begriff “X-by-Wire“ bezeichnet elektrische Systeme ohne mechanische Verbindung zwischen Bedienfunktionen (wie z.b. Pedale, Lenkrad) und dem Motor oder Antriebselementen. Dazu zählen Funktionen wie elektrische Brems-, Kupplungs- und Steuersystemen (Brake-by-wire, Shift-by-wire, Steer-by-wire). Einige dieser Technologien werden bereits eingesetzt, andere befinden sich noch im Entwicklungsstadium. So stellt beispielsweise das ABS in Verbindung mit ESP die erste Generation der Brake-by-Wire Systeme dar.
Nach einer Studie der Unternehmensberatung Frost&Sullivan werden bereits von dem Jahr 2010 an etwa 40% aller in Europa produzierten Fahrzeuge mit so genannten “X-by-Wire-Komponenten“ ausgestattet sein [3].
Hauptziel ist es, das Autofahren einfacher und sicherer zu machen. Melden zum Beispiel verschiedene Sensoren eine kritische Fahrsituation, so können mit Hilfe dieser Technologie innerhalb weniger Millisekunden Befehle weitergeleitet werden und somit Gegen-maßnahmen ergriffen werden. Noch bevor der Fahrer beispielsweise eine zu hohe Kurvengeschwindigkeit realisiert, stabilisiert das Bremssystem den Wagen. Neben den Vorzügen in punkto Sicherheit bietet diese Technologie neue Möglichkeiten in den Bereichen Konstruktion und Produktion der Fahrzeuge, durch das Wegfallen mechanische Komponenten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4 Schematischer Aufbau eines elektromechanischen Bremssystems
Die Studie von Frost&Sullivan geht weiter davon aus, dass die “echten“ X-by-Wire Systeme, die komplett auf ein hydraulisches Backup verzichten können, ihren Durchbruch im Markt ab dem Jahr 2006 erleben werden [3]. Abbildung 4 zeigt den charakteristischen Aufbau eines elektromagnetischen Bremssystems, bestehend aus Betätigungsmodul, Steuer-/ Übertragungseinheit und Aktorik. Während bei konventionellen Systemen eine direkte hydraulische Kopplung zwischen Bremspedal und den Radbremszylindern besteht, wird bei einem EMB-System der Bremswunsch des Fahrers durch eine Sensorik erfasst und an eine intelligente Steuereinrichtung elektronisch (“by-wire“) übermittelt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
In Abbildung 5 wird der mögliche Aufbau eines “Steer-by-Wire“ Systems dargestellt.
Schwerpunkte der "by-Wire" Systementwicklung liegen in den Bereichen Antriebsstrang, Lenkung, Bremse und Fahrwerk.
Aufgrund der hohen Sicherheitsbestimmungen müssen diese Komponenten redundant (d.h. in zweifacher oder dreifacher Ausführung) aufgebaut werden, damit z.b. beim Ausfall eines elektr. Bremssystems das Fahrzeug noch manuell abgebremst werden kann.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diagramm 2 Europamarkt für X-by-Wire Systeme
Frost&Sullivan prognostiziert Steigerungen von 324 Mio. € im Jahr 2000 auf 1,75 Mrd. € im Jahr 2010[3].
Die Abhängigkeit vom Rohöl zu überwinden ist eine große Herausforderung für Forscher und Ingenieure. Eine sehr gute Aussicht bietet die Brennstoffzelle mit ihrem hohen Wirkungsgrad. Brennstoffzellen sind kleine Kraftwerke, Wasserstoff wird als Energie-träger über eine kontrollierte elektrochemischen Reaktion, der so genannten “kalten Verbrennung“, in Strom und Wärme umgesetzt. Übrig bleibt reines Wasser. Stickoxide oder andere Schadstoffe, wie sie bei herkömmlichen Verbrennungen entstehen, fallen nicht an.
Grundsätzlich funktioniert jede Brennstoffzelle so: Wasserstoff strömt durch die Anode und gibt Elektronen ab; Sauerstoff erhält Elektronen an der Katode. Die beiden Pole sind miteinander verbunden, so dass Strom fließen kann. Und damit die beiden Materialien keine Knallgasexplosion hervorrufen, sind sie durch einen Elektrolyten (z.b. eine Membran) voneinander getrennt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6 zeigt den schematischen Aufbau einer Brennstoffzelle.
Der Automobilhersteller Ford präsentierte im Jahr 2002 den Ford Focus FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle), dessen Elektro-Motor mit Hilfe einer Brennstoffzelle sowie einer Batterie angetrieben wurde, ein sogenanntes “Hybrid-Auto“.
Andere Automobilhersteller arbeiten ebenfalls an dieser Technologie und mittlerweile hat fast jeder Hersteller ein Versuchsfahrzeug auf dem Markt gebracht. Eine wesentliche Frage die noch nicht geklärt ist, mit welchem Treibstoff die Autos angetrieben werden sollen. Wasserstoff ist schwierig zu handhaben, Alternativen wären Methanol oder Erdgas. Zudem fehlt eine Infrastruktur für Wasserstoff, dies wäre ein Pluspunkt für Erdgas, da an immer mehr Tankstellen Erdgas angeboten wird.
Nachteilig ist noch der zu hohe Preis der Technologie im Vergleich zu existierenden Antriebssystemen, der Preis pro Kilowatt liegt beim Verbrennungsmotor etwa bei 20 €, bei der Brennstoffzelle bei ca. 750 €. Die Automobilindustrie rechnet damit, dass sie um das Jahr 2010 herum nennenswerte Stückzahlen produzieren wird. Laut Frost&Sullivan könne der europäische Markt für Brennstoffzellen im Fahrzeugbau von heute 3 Mio. € auf über 50 Mrd. € im Jahr 2040 wachsen [4]. Sollte der Aufbau einer Vertriebsinfrastruktur für Wasserstoff gelingen, dann könnte der ab 2010 zu erwartende Preisrückgang bei den Brennstoffzellen dem Markt einen gewaltigen Wachstumsschub geben.
Assistentensysteme lassen sich unterteilen in aktive Systeme (mit automatischem Fahreingriff) und passive Systeme (zur Warnung) sowie in Sicherheits- und Komfortsysteme. Die Firma Continental Teves arbeitet zur Zeit an einer zweiten ESP-Generation. Sie soll zusätzlich zum Anti-Blockiersystem ABS, Elektronischen-Bremskraft-Verteilung EBV und der Anti-Schlupf-Regelung ASR einen aktiven Lenkeingriff beinhalten, der bei sich anbahnender Schleudersituation das Gegenlenken übernimmt, ohne das der Fahrer dies bemerkt. Vorteil dieser Technik wäre ein deutlich verkürzter Bremsweg, geplante Einführung ist das Jahr 2005. Ein weiteres System soll gegen den so genannten "Sekundenschlaf" helfen. Daran arbeiten zur Zeit Forscher bei der DaimlerChrysler AG. Das größte Problem dabei, ist die Erkennung der Müdigkeit des Fahrers um rechtzeitig Alarm zu schlagen. Andererseits darf das Gerät nicht jede abweichende Reaktion als Müdigkeitsindiz werten und dann falschen Alarm auslösen. Eine Möglichkeit der Erkennung wäre über die Dauer und Frequenz des Lidschlags.
- Weitere geplante Assistentensysteme :
- Stop-and-go-Assist (ab 2005)
- Fußgängerschutzsystem (ab 2005)
- Nachtsicht Unterstützung (ab 2006)
- Innenstadt-/ Autobahn -Assistent
- Automatische Verkehrszeichenerkennung
- Automatische Spurwechselhilfe
- Autopilot
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diagramm 4 Europamarkt für Fahrerassistentsysteme
Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung aktiver und passiver Sicherheitssysteme ist die Fähigkeit des Fahrzeugs, seine Umgebung wahrzunehmen und zu interpretieren, gefährliche Situationen zu erkennen und den Fahrer bestmöglich zu unterstützen. Dabei sind die Sensoren die "Sinnesorgane" des Kraftfahrzeuges für Weg, Winkel, Drehzahl, Geschwindigkeit, Temperatur und andere Einflussgrößen. Die elektronische Rundumsicht ist die Basis für zahlreiche Assistentensysteme, sowohl für passive als auch für aktiv eingreifende Systeme. Für den Nahbereich verwendet man die Ultraschalltechnik, in Stoßfängern integrierte Sensoren sorgen dafür, dass der Fahrer, sobald er sich einem Hindernis nähert, eine akustische oder optische Warnung erhält. Für den Fernbereich kommen Long-Range-Radar-Sensoren (LRR) mit Arbeitsfrequenzen von 77 Gigahertz und einer Rechweite von etwa 120 m zum Einsatz, eine sehr schmale Radarkeule tastet den Raum vor dem Fahrzeug ab, um den Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen zu ermitteln.
Abbildung 7 zeigt die Vielfalt an Sensoren der Firma Bosch.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7 Sensoren der Firma Bosch
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