Vieles ist dieses Jahr anders – auch und gerade in Wirtschaft und Industrie. Globale Lieferketten sind von der Pandemie gekappt, die Produktion vielerorts gedrosselt, eingespielte Vertriebskanäle blockiert. Die Industrie steht vor vielen Herausforderungen. Andererseits öffnen sich mit einer bislang ungeahnten Dynamik neue, digitale Wege und Formate. Die Erkenntnis daraus: Digital ist jetzt. Auch für mich und meine Branche – und eine tolle Alternative, die jeder sicher und von überall nutzen kann und muss, wenn er im Markt bestehen will.

Vieles ist dieses Jahr anders – und die Industrie steht vor vielen Herausforderungen. Dadurch öffnen sich mit einer bislang ungeahnten Dynamik neue, digitale Wege und Formate. Die Erkenntnis daraus: Digital ist jetzt. Auch für mich und meine Branche – und eine tolle Alternative, die jeder sicher und von überall nutzen kann und muss, wenn er im Markt bestehen will.

Mit den seit Jahren bewährten Tagungen und Branchentreffs schaffen wir nun digital den idealen Ort für Weiterbildung, Zukunftsfähigkeit und Austausch. Ohne Reisen, ohne Hotelkosten, mit Expertenwissen und „Konferenzfeeling“ im virtuellen Raum.

Aber kann ein digitales Event eine physische Tagung ersetzen? Auf keinen Fall. Diesen Anspruch haben wir auch nicht. Aber der firmenübegreifende Austausch und das Netzwerken darf in diesen ungewöhnlichen Zeiten nicht komplett wegfallen. Mit unseren digitalen Tagungen schaffen wir daher eine multimediale Plattform, bei der sich die Teilnehmer über Neuigkeiten und Entwicklungen informieren, aber auch direkt miteinander austauschen können. Dazu übertragen wir die gewohnt qualifizierten Fachvorträge mit Live-Moderation an unsere Teilnehmer.

Dies geschieht in einer digitalen Tagungs-Plattform, die mit einer Internetverbindung von überall genutzt werden kann. Darin bieten wir zudem verschiedene Möglichkeiten für den direkten Austausch zwischen Teilnehmern, Referenten und Ausstellern wie 1:1-Chat, Networking-Lounge und Expertengespräche in kleineren Gruppen. Gerade die Networking-Möglichkeiten bieten interessante Möglichkeiten. So kann man zu jedem Vortrag Fragen stellen und eigene Notizen machen, per Chat sich persönlich mit anderen Teilnehmern vernetzen,  gezielte Kontaktvorschläge durch Matchmaking-Tags erhalten oder in einer kleinen Gruppe mit dem Referenten diskutieren.

Die Vorteile der digitalen Kanäle liegen auf der Hand: es entstehen weder Reisekosten, noch geht man das Risiko einer Infektion ein. Das haben mittlerweile viele Organisatoren verstanden und ihre Veranstaltungen auf digital umgestellt. Dennoch gibt es große Unterschiede in der Technik. Gerade der hohe Networking-Charakter macht eine Tagung aus, das wissen wir seit vielen Jahren und deshalb haben wir darauf besonders großen Wert gelegt. Mit einem Video können Sie sich selbst einen kurzen Einblick in unsere Tagungs-Plattform verschaffen (<a href="https://www.hanser-tagungen.de/technik">https://www.hanser-tagungen.de/technik</a>).

Unsere Events sind kein starres Webinar, sondern eine lebendige Veranstaltung! Teilnehmer checken ein und betreten Foyer, Vortragsräume, Diskussionsforen und Ausstellungsbereiche – genauso wie sie es vor Ort auf einer Tagung machen würden!

Kristina Wissing leitet beim Carl  Hanser Verlag den Bereich Tagungen.

Editorial - Wissing

Ein häufig übersehenes Problem sind Spannungsspitzen, die entstehen können, wenn mit einem Elektromotor verbundene Fahrzeugteile manuell geöffnet, geschlossen oder in ihrer Lage verändert werden. Sind diese Spannungsspitzen hinreichend hoch, können sie Schäden an den angeschlossenen Bauelementen verursachen. Wie man dieses Problem unterbinden kann, zeigt dieser Beitrag.

Wenn keine geeigneten Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, können bereits einfache Bedienerfehler zu ungewollten Schäden an einem Fahrzeug führen. Ingenieure aber müssen robuste Lösungen entwickeln, die in den unterschiedlichsten Szenarien effektiv eingesetzt werden können. Ein Problem sind Spannungsspitzen, die entstehen können, wenn mit einem Elektromotor verbundene Fahrzeugteile manuell geöffnet, geschlossen oder in ihrer Lage verändert werden.

Sind diese Spannungsspitzen entsprechend hoch, können sie Schäden an den angeschlossenen Bauelementen verursachen. Es gilt deshalb eine Lösung zu entwickeln, die das System schützen kann – unabhängig davon, ob das Fahrzeug ein- oder ausgeschaltet ist. Der folgende Beitrag beschreibt unter anderem anhand von Beispielen, wie es überhaupt zu diesem Problem kommen kann.

Ein Beispiel für einen Fall, in dem das eingangs geschilderte Problem auftreten kann, ist ein Familienausflug ins Grüne. Am Ziel angekommen, wird das Auto geparkt und ausgeschaltet, um anschließend die motorgetriebene Heckklappe zu öffnen. Bis die Familie alle benötigten Utensilien aus dem Kofferraum geholt hat, bleibt die Heckklappe eine ganze Weile geöffnet. Vielleicht setzt man sich auch in das Gepäckabteil, oder man vergisst schlichtweg, die Klappe wieder zu schließen. Die Bordelektronik des Fahrzeugs ist so konzipiert, dass bei ausgeschaltetem Fahrzeug die meisten Subsysteme ebenfalls abgeschaltet oder in einen Stromspar-Modus versetzt werden, um die Batterie zu schonen.

Häufig wird allerdings vergessen, dass die Heckklappe auf Knopfdruck elektrisch geschlossen werden kann, sodass man versucht, sie manuell zu schließen. Hierbei drehen sich naturgemäß die Motoren des Heckklappenantriebs, was zum Entstehen von Spannungsspitzen führt, vor denen das System geschützt werden muss, um potenzielle Schäden zu vermeiden. Das gleiche Problem kann auftreten, wenn der Versuch gemacht wird, eine elektrisch betätigte Schiebetür von Hand zu bewegen, wenn ein Dieb den Kofferraumdeckel gewaltsam öffnet oder wenn ein Werksmitarbeiter einen elektrisch verstellbaren Sitz beim Einbau bewegt.

Das Verständnis der Situationen, in denen das Problem vorkommen kann, ist ein guter erster Schritt. Darüber hinaus muss man aber auch wissen, weshalb dieses Phänomen überhaupt ein Problem ist. Die Funktion eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors beruht darauf, dass durch Anlegen einer Spannung ein Strom in der Ankerwicklung erzeugt wird. Hierdurch wiederum baut sich ein Magnetfeld auf, das zur Abstoßung von den internen Permanentmagneten des Motors führt und damit die gewünschte Rotation bewirkt. Wenn sich der Motor dreht, erzeugt das Magnetfeld eine Spannung entgegengesetzter Polarität, die als Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) bezeichnet wird (Bild 1). Die Höhe dieser Spannung richtet sich nach der Winkelgeschwindigkeit des Motors, ist aber unter normalen Umständen nicht größer als die an den Motor angelegte Spannung. Wird die Drehung des Motors jedoch durch eine von außen einwirkende Kraft unterstützt, kann die Gegen-EMK durchaus größer sein als die Versorgungsspannung, was dazu führt, dass eine Spannung an das System zurückgeführt wird. Sobald diese Spannungsspitze die absolute maximale Spannungsfestigkeit eines der angeschlossenen Bauelemente übersteigt, kann dies eine Beschädigung und Instabilität des betreffenden Bauteils hervorrufen.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu unterbinden, ist, den Bremsmodus des Motortreibers zu nutzen. Dieser Modus deaktiviert die High-seitigen MOSFETs der H-Brücke, während die Low-seitigen MOSFETs aktiviert werden (Bild 3). Dies verhindert seinerseits, dass die Spannungsspitze der Gegen-EMK in die analoge Stromversorgung zurückgelangt, ermöglicht aber gleichzeitig ein sicheres Dissipieren der Gegen-EMK.

Das Aktivieren des Bremsmodus des Motortreibers ist einfacher, wenn das System vollständig eingeschaltet ist. In einem abgeschalteten System muss dagegen die Leistungsaufnahme des Systems begrenzt werden, um ein Entladen der Fahrzeugbatterie zu verhindern. Hierfür werden die meisten Komponenten des Systems ganz abgeschaltet oder zumindest in einen Stromspar-Modus versetzt. In bestimmten Fällen kann die Stromversorgung eines Systems auch komplett ausfallen, wenn beispielsweise die Batterie vollständig entladen ist oder galvanisch vom Fahrzeug getrennt wurde.

Eine externe Lösung, die das System in allen drei beschriebenen Situationen zu schützen vermag, erfordert irgendeine Form von Kompromiss, denn die Ingenieure müssen hier die Robustheit, den Platzbedarf, die Kosten und den Gesamt-Stromverbrauch des Systems gegeneinander abwägen.

Vermeiden lassen sich diese Kompromisse dagegen mit einer integrierten Schutzlösung. Eine Option wären die Gatetreiber DRV8718-Q1 und DRV8714-Q1 von Texas Instruments, die sich als robuste, kosteneffektive und stromsparende integrierte Lösung empfehlen. Insgesamt enthalten die Bausteine DRV8718-Q1 und DRV8714-Q1 von Texas Instruments, bei denen es sich um acht- bzw. vierkanalige Halbbrücken-Gatetreiber handelt, einen eingebauten Regler mit geringer Sleep-Stromaufnahme. Der Regler versorgt einen Teil des Bausteins, während sich die übrigen Abschnitte in einem Low-Power-Modus befinden. Hiermit kann der Gatetreiber auf stromsparende Weise konstant die Spannung auf der analogen Versorgungsleitung überwachen. Sobald diese Spannung einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wechselt der Gatetreiber automatisch in den Bremsmodus, um ein sicheres Dissipieren der Gegen-EMK zu ermöglichen und gleichzeitig das übrige System zu schützen. Dieses Feature wird als „Powered Off Brking“ (Bremsen im abgeschalteten Zustand) bezeichnet. Ein eigener BRAKE-Pin am Baustein bietet zusätzliche Flexibilität, denn dieser Pin kann genutzt werden, um das Powered Off Braking freizugeben oder zu deaktivieren oder die Spannungs-Ansprechschwelle zu verändern (Bild 4).

Die durch einen von außen gedrehten Motor erzeugte Gegen-EMK stellt ein entscheidendes Problem dar, das Entwickler berücksichtigen müssen, um Probleme im gesamten System zu vermeiden. Eine externe Lösung treibt jedoch nicht nur die Komplexität, sondern auch die Kosten in die Höhe. Mit den Motortreibern DRV8718-Q1 und DRV8714-Q1 von Texas Instruments steht Entwicklern dagegen eine robuste und einfach anwendbare, integrierte Schutzfunktion zur Verfügung, gepaart mit der Flexibilität, um das Bremsen im abgeschalteten Zustand auf die individuellen Anforderungen des jeweiligen Systems abzustimmen. (oe)

Bild 1: Die von der Batterie kommende Spannung ist hier rot, die Gegen-EMK dagegen blau dargestellt.

Bild 2: Ströme und Spannungen im Slow-Decay-Modus des Motors.

Bild 3: Gegen-EMK-Spannungen können zur Beschädigung an ICs führen .

Bild 4: Blockschaltbild des für das Powered Off Braking zuständigen Subsystems in den Bausteinen DRV8718-Q1 und DRV8714-Q1.

Beispiele für Situationen, in denen ein Motor von außen bewegt werden kann. 

Hauptartikel

Franklin Cooper Jr. ist Product Marketing Engineer für Schrittmotortreiber bei Texas Instruments.

Die Bordelektronik des Fahrzeugs ist so konzipiert, dass bei ausgeschaltetem Fahrzeug die meisten Subsysteme ebenfalls abgeschaltet oder in einen Stromspar-Modus versetzt werden, um die Batterie zu schonen. Häufig wird allerdings vergessen, dass die Heckklappe auf Knopfdruck elektrisch geschlossen werden kann, sodass man versucht, sie manuell zu schließen. Hierbei drehen sich naturgemäß die Motoren des Heckklappenantriebs, was zum Entstehen von Spannungsspitzen führt, vor denen das System geschützt werden muss, um potenzielle Schäden zu vermeiden. Das gleiche Problem kann auftreten, wenn der Versuch gemacht wird, eine elektrisch betätigte Schiebetür von Hand zu bewegen, wenn ein Dieb den Kofferraumdeckel gewaltsam öffnet oder wenn ein Werksmitarbeiter einen elektrisch verstellbaren Sitz beim Einbau bewegt.

Elektronische Bauelemente

Elektronik

Automotive

Die Digitalisierung bietet auch in Form schlüsselloser Zugangssysteme für den Fahrer große Vorteile. Die Herausforderung ist, Sicherheit mit einem komfortablen Benutzererlebnis zu vereinen. Eine vielversprechende Perspektive bietet die  Ultra-Breitband-Technologie, die den Diebstahlschutz erhöht und in Verbindung mit einem Smartphone viele weitere digitale Services ermöglicht.

Die Sitze werden automatisch eingestellt, die Lichter gehen an, das Fahrzeug wird entriegelt, sobald man zum Türgriff greift, ohne dass man in der Tasche kramen muss: Schlüsselfreie Zugangslösungen bieten Nutzern großen Komfort, insbesondere wenn sie das Smartphone in einen Autoschlüssel verwandeln. Einige Autobauer und Zulieferer arbeiten daran oder haben bereits Smartphone-basierte schlüssellose Zugangssysteme präsentiert, die dem Wunsch des Autofahrers nach einem komfortablen, mobil steuerbaren Fahrerlebnis näherkommen.

Grundsätzlich setzen alle schlüssellosen Zugangssysteme auf Funktechnologien zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Schlüssel. Einige Funkstandards bergen jedoch gewisse Sicherheitslücken, die Autodiebe zum Beispiel zu sogenannten Relay- oder „Man-in-the-middle“-Angriffen ausnutzen. Bei dieser Diebstahlstrategie greifen Kriminelle das niederfrequente Funkschlüsselsignal ab und verlängern es, um dem Fahrzeug die räumliche Nähe des Fahrers vorzutäuschen. Der Schlüssel empfängt das Signal, als wäre das Fahrzeug in direkter Nähe, und verschickt die Authentifikationsdaten an das Auto, das sich so ungewollt öffnen und starten lässt.

Eine höhere Sicherheit garantiert die Ultra-Breitband-Funktechnologie, indem sie in einem Frequenzbereich von 6 bis 9 GHz Einzelimpulse mit geringem Pegel sendet und durch die sogenannte „Time-of-flight“-Messung den Fahrzeugschlüssel oder das Smartphone, auf dem sich der virtuelle Schlüssel befindet, zentimetergenau lokalisiert (Bild 1). Die im Fahrzeug integrierten Transceiver kommunizieren hierfür ständig miteinander sowie mit dem Autoschlüssel oder Smartphone.

Aus der Zeitdauer, die für das Senden und Empfangen dieser Signale gemessen wird – der „Time of flight“ – wird die räumliche Position des rechtmäßigen Autobesitzers exakt ermittelt und mit der Kryptologie des Schlüssels verknüpft. Durch diese präzise Entfernungsmessung ist die Technologie praktisch nicht manipulierbar. Das Schließsystem „weiß“ jederzeit, wo sich der Fahrzeugnutzer aufhält und entriegelt die entsprechende Tür nur, wenn sich das berechtigte Smartphone oder der UWB-Schlüssel in einem Radius von weniger als zwei Metern um die Zugangsstelle befindet und der Nutzer den Türgriff betätigt. Dabei ist UWB deutlich präziser als andere Drahtlostechnologien wie WLAN, Bluetooth oder GPS, was der Technologie eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

Die Funktechnik erreicht je nach gewählter Frequenz Datenübertragungsraten von 500 bis 1.300 Mbit/s und ist damit auch wesentlich schneller als Bluetooth. Da der Energieverbrauch für die UWB-Technik jedoch relativ hoch ist, werden meist zusätzlich bisherige Kurzstrecken-Funkstandards eingesetzt, die die Batterie des Schlüssels oder Smartphones weniger belasten. Die exakte Positions- und Distanzerkennung kann zukünftig nicht nur für Personen, sondern auch für Objekte eingesetzt werden, beispielsweise einen Anhänger, für den sich automatisch die Anhängerkupplung ausfährt, oder im Fahrzeuginneren für Kindersitze, vor denen der Beifahrer-Airbag deaktiviert wird.

Darüber hinaus ermöglichen Smartphone-basierte Zugangslösungen mit UWB wie CoSmA von Continental eine sichere Möglichkeit, Autos mit Freunden zu teilen, Schlüssel in einer Fahrzeugflotte zu vergeben, Paketzustellern den Kofferraum als Abstellort zu öffnen oder das Auto ferngesteuert zu parken.

In einer Smartphone-App können Fahrzeugbesitzer mehrere digitale Schlüssel abrufen und an das Smartphone eines Familienmitglieds oder Freundes schicken, ohne einen physischen Schlüsselbund weitergeben zu müssen. Die digitalen Schlüssel werden in der <a href="http://Continental.cloud">Continental.cloud</a> verwaltet und enthalten die Zugangsberechtigung zum Fahrzeug. Die Schlüsselvergabe an die Smartphones geschieht über das Schlüsselmanagement im Backend, das durch höchste Sicherheitsstandards vor Datenklau geschützt ist. Dieser Maßstab wurde vom Car Connectivity Consortium (CCC) mit der Spezifikation „Digital Key 2.0“ als Standard definiert. Die Möglichkeit des Key Sharings ist vor allem für Autovermietungen, Car-Sharing-Anbieter und Unternehmen interessant, die bestimmten Mitarbeitern und Kunden einen flexiblen Zugang zu Firmenautos bieten wollen. Ein Mietauto lässt sich so beispielsweise ganz einfach und schnell per Smartphone buchen, bezahlen und öffnen. Aber auch Privatpersonen, vor allem jüngere Menschen, die in Großstädten leben und nur gelegentlich ein Auto brauchen, können sich so unkompliziert mit Familie oder Freunden ein Fahrzeug teilen. Dafür ist es sogar möglich, mehrere Schlüssel für unterschiedliche Fahrzeuge auf einem Smartphone zu speichern.

Zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Smartphone setzt die neue Generation der Continental-Lösung nach wie vor auf Bluetooth Low Energy (BLE). Zusätzlich kommt UWB zur zentimetergenauen Lokalisierung des Fahrzeugbesitzers zum Einsatz (Bild 2). BLE übernimmt hierbei die Funktion, Smartphone und Fahrzeug zu koppeln, sobald der Fahrer auf das Auto zuläuft. Über die BLE-Verbindung wird ein erster Schlüssel ausgetauscht und die UWB-Schnittstelle in Betrieb genommen. Nähert sich der Fahrzeugbesitzer bis auf einen Abstand von acht bis zehn Metern, läuft die gesicherte Kommunikation über die UWB-Schnittstelle, die die Autotür bei Berührung des Türgriffs entriegelt. Die Kombination dieser beiden Kommunikationswege lässt sich von Autodieben nicht abgreifen oder trennen.

Besonders komfortabel dabei ist die „Hands-free“-Funktion: Der Schlüssel auf dem Smartphone entriegelt das Auto aus der Tasche des Fahrers. Auch beim Fahrzeugstart muss das Smartphone nicht in die Hand genommen werden. Mit dem Druck auf den Startknopf prüft das UWB gestützte System, ob sich das Smartphone im Fahrzeuginnenraum befindet. Nur dann erfolgt der Motorstart bzw. erst dann kann sich ein E-Fahrzeug in Bewegung setzen.

Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass sowohl Fahrzeug als auch Smartphone über eine standardisierte UWB-Schnittstelle verfügen, was derzeit nur bei wenigen Smartphone-Highend-Modellen der Fall ist. Daran arbeitet das branchenübergreifende Car Connectivity Consortium, sodass perspektivisch weitere Hersteller den beiden Vorreitern Apple und Samsung folgen und ihre Geräte mit hochfrequenten Schnittstellen ausstatten. Das im Auto verbaute Onboard-System besteht aus einer Steuereinheit, Türgriffsensoren, einem Nahfeldkommunikationsleser (Near Field Communication, NFC) sowie sechs UWB- und UWB-BLE-Sendeempfängern am Fahrzeug und im Fahrzeuginnenraum. Als sicheren Speicher für den digitalen Autoschlüssel verfügt die zentrale elektronische Computereinheit über ein Hardware-Sicherheitsmodul. Das Offboard-System besteht aus der App auf dem Smartphone des Fahrers, das den Schlüssel im gesicherten Hardware-Bereich speichert, und der Cloud, in der der Schlüssel generiert und das User-Management gespeichert wird. Als Backup-Technologie, wenn der Smartphone-Akku leer ist, greift das System auf NFC zurück. Dann kann der Fahrer mit aktivierter NFC-Funktion an seinem Smartphone die Autotür ohne Schlüssel öffnen und starten, indem er das Gerät an den NFC-Leser am Türgriff beziehungsweise in der Mittelkonsole hält.

Gekoppelt mit weiteren digitalen Diensten und Systemen wird das Smartphone-basierte Zugangssystem zum Baustein eines äußerst komfortablen, vollständig digitalen Fahrerlebnisses. Im Auto lässt sich das Smartphone nahtlos integrieren, zum Beispiel kabellos Laden oder um Musik auf die Audioanlage des Autos zu streamen, Anrufe und Nachrichten zu empfangen. Über diese Schlüssellösung hinaus eignet sich die UWB-Technologie für alle Applikationen, die eine zentimetergenaue Objektverortung erfordern: Von autonomen Fahrfunktionen wie dem ferngesteuerten Ein- und Ausparken bis hin zu ausgewählten Car-to-Car-Kommunikationen, bei denen der Abstand zwischen den Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielt. Eine mögliche Remote-Parking-Anwendung, in der Autos in einem Parkhaus im automatisierten Fahrmodus einen Parkplatz finden und einparken, wäre für Autofahrer ein immenser Zeit- und Komfortgewinn. Voraussetzung für solche Anwendungen ist jedoch weiter eine branchenübergreifende Standardisierung. Gemeinsam mit anderen renommierten Unternehmen widmet sich Continental im Car Connectivity Consortium (CCC) dieser Grundlagenentwicklung des UWB-Funkstandards für Fahrzeugzugang. Das CCC arbeitet an einem globalen Standard für den freihändigen Zugriff, der die bestehenden Spezifikationen auf „Hands-free“-Zugangssysteme auf UWB-Basis ausweitet. Ziel dieser Bestrebungen ist auch, eine Verwendung für alle Smartphone-Betriebssysteme und -Modelle zu ermöglichen.

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Bild 1: Durch die präzise Lokalisierung des Fahrzeugbesitzers verhindert die UWB-Technologie Relay-Attacken.

Bild 2: Die Kombination aus BLE und UWB in der neuen Zugangslösung ist sowohl sicher als auch komfortabel und ermöglicht, das Auto zu öffnen und zu starten, ohne das Smartphone aus der Tasche nehmen zu müssen.

Wolfgang Piesch ist Leiter Plattformentwicklung für Fahrzeugzugangssysteme bei Continental.

HMI, Bedienelemente, Displays

Wie viele Personen, welche Uhrzeit, wo genau? Antworten auf diese und weitere Fragen übermittelt das eCall-System eines in einen Unfall verwickelten Fahrzeugs innerhalb kürzester Zeit an die nächstgelegene Rettungsleitstelle. In Europa sind automatische Notrufsysteme deshalb bei neuen Fahrzeugmodellen seit 2018 Pflicht. Die ASAP Gruppe betreut eCall-Anläufe in verschiedenen Märkten weltweit – dabei begegnen die Entwickler unterschiedlichsten Herausforderungen.

Schätzungen zufolge können durch den Einsatz von eCall-Systemen Rettungskräfte in der Stadt bis zu 40 und in ländlichen Regionen bis zu 50 Prozent schneller am Unfallort eintreffen <a href="http://[1]">[1]</a> und so zahlreiche Menschenleben gerettet werden. Die automatischen Notrufsysteme, die in immer mehr Ländern bei Neuwagen verpflichtend sind, sorgen nach einem schweren Unfall für den Aufbau einer Telefonverbindung zur nächstgelegenen Rettungsleitstelle. Darüber hinaus übermitteln sie automatisch die von den Rettungskräften benötigten Informationen und können bei Bedarf auch manuell ausgelöst werden Die ASAP Gruppe unterstützt ihre Kunden in der Entwicklung und beim Anlauf neuer eCall-Systeme in verschiedenen Märkten weltweit. Dabei spielen insbesondere die Integration und Absicherung der Systeme eine entscheidende Rolle: so müssen etwa länderspezifische Anforderungen definiert, das Testing in Laboren und bei Erprobungsfahrten durchgeführt oder auch der abschließende Zertifizierungsprozess vor dem Start der Serienproduktion gesteuert werden.

Datenschutz, Mobilfunknetze und weitere Herausforderungen

Eine große Herausforderung in der Entwicklung von eCall-Systemen sind die je nach Land variierenden Anforderungen und Gesetzeslagen. Zwar existiert eine internationale Richtlinie, diese kann jedoch individuell angepasst werden. Aktuell kümmert sich ASAP beispielsweise um den Anlauf eines automatischen Notrufsystems in einem Land, in dem die Regelung von der internationalen Richtlinie etwa durch höhere Anforderungen hinsichtlich der Audioqualität der Systeme sowie Datenschutz abweicht. Dadurch wiederum werden Änderungen am System oder am Fahrzeug selbst notwendig. Darüber hinaus muss beispielsweise sichergestellt werden, dass das Senden der letzten drei bis fünf GPS-Positionen, also eines kurzen Bewegungsprofils, mit den Datenschutzanforderungen des jeweiligen Landes konform ist.

Beim Zertifizierungsprozess müssen ebenfalls länderspezifische Unterschiede berücksichtig werden: in Russland etwa gibt es die Freigabe-Voraussetzung, dass mit einem mit dem eCall System ausgestatteten Fahrzeug ein Crashtest in kontrollierter Testumgebung durchgeführt wird.

Auch hinsichtlich des im Zielland genutzten Mobilfunknetzes bedarf es gegebenenfalls einer Anpassung der eCall-Systeme: So müssen beispielsweise unterschiedliche Systeme zur Verfügung gestellt werden, je nachdem ob die Kommunikation im Zielmarkt auf GSM oder UMTS/LTE basiert, also ob es sich um einen paket- oder leitungsvermittelnden Dienst handelt.

Im Zuge der Entwicklung neuer automatischer Notrufsysteme übernehmen Experten die Abstimmung mit Bauteilverantwortlichen und sorgen dafür, dass alle benötigten Komponenten termingerecht einsatzbereit und funktionsfähig sind. So müssen etwa für den Test der Komponenten im Labor acht bis zehn Wochen eingeplant werden – ein kritischer Zeitfaktor, insbesondere wenn es etwa um die abschließende Zertifizierung geht, da bei notwendigen Änderungen und erneuter Absicherung viel Zeit verloren geht. Komponenten eines eCall-Systems sind Empfänger für GPS- und Galileo-Ortungsdaten, eine Mobilfunkantenne und Freisprechanlage sowie ein Steuergerät mit SIM-Karte. Darüber hinaus wird eine Verbindung zum Fahrzeugbordnetz benötigt, damit das System mit verschiedenen Steuergeräten kommunizieren kann: unter anderem muss etwa eine Kommunikation zum Airbag-Steuergerät möglich sein. Grund hierfür ist, dass im Falle eines schweren Autounfalls bei dem die Airbags ausgelöst werden, diese Information vom Airbag-Steuergerät an das eCall-System zurückgespielt wird und daraufhin automatisch der Notruf ausgelöst wird. Eine weitere Komponente ist ein Tastenmodul, das den Insassen des Fahrzeugs auch das manuelle Auslösen des eCall-Systems ermöglicht.

Sobald erste Muster der Komponenten verfügbar sind, kann mit ihrer Absicherung begonnen werden – das Testing erfolgt zum einen im Labor und zum anderen bei realen Erprobungsfahrten. Für die Tests im Labor wird ein eigenes Mobilfunknetz aufgebaut, mit dem die Gegebenheiten des Ziellands simuliert werden können. Zusätzlich wird eine eigene Test-Notrufzentrale inklusive entsprechender Benutzeroberfläche eingerichtet. Dort gehen die im Labor ausgelösten Notrufe ein und können direkt hinsichtlich der automatisch übermittelten Informationen überprüft werden.

Bei realen Erprobungsfahrten aufgezeichnete Daten, die in einer Datenbank dokumentiert sind, können im Labor ebenfalls genutzt werden: mit ihnen können besonders häufig aufgetretene Fehlerquellen und -arten reproduzierbar und analysierbar gemacht und schließlich im Labor simulativ nachgebildet werden. Neue Fehlerfälle von realen Erprobungsfahrten fließen kontinuierlich ein. Diese gezielte Reproduktion häufiger Fehler im Labor ermöglicht nicht nur die Integration von Komponenten im Fahrzeug, die von vorn herein besser abgesichert sind, sondern sorgt gleichzeitig für eine deutlich gesteigerte Prüftiefe und eine Zeit- und Kostenoptimierung der Validierung. Im Labor werden eCall-Systeme so unter anderem hinsichtlich Datenversand und Sprachverbindung, Energieversorgung, Positionsbestimmung oder auch Freisprech-Audio-Performanz untersucht.

Zusätzlich zu Tests im Labor werden zur Absicherung von eCall-Systemen reale Erprobungsfahrten mit Prototypen im jeweiligen Zielland durchgeführt. Dabei übernimmt ASAP nicht nur das gesamte Projektmanagement inklusive Routenplanung und Organisation, sondern führt die Fahrten auch selbst durch. Für einen reibungslosen Ablauf müssen alle Eventualitäten bedacht und zahlreiche Vorkehrungen getroffen werden.

Hierzu zählen beispielsweise die Routenplanung, die Steuerung aller logistischen Maßnahmen sowie die Abwicklung aller weiteren notwendigen Begleitmaßnahmen. Besonders wichtig bei der Planung: die Abstimmung mit Behörden und Public Safety Answering Points (PSAP), um darüber zu informieren, in welchen Zeiträumen zu Testzwecken wiederholt der Notruf ausgelöst wird.

In einem aktuellen Projekt legten Entwickler über vier Tage 1.800 Kilometer im Zielland zurück und lösen dabei den Notruf alle fünfzehn Minuten insgesamt rund 130 Mal aus. Bei der Routenplanung wurde darauf geachtet, dass die Strecke durch Großstädte wie auch durch weniger dicht besiedelte Gebiete führt. So wird überprüft, ob das eCall-System sowohl bei stark belasteten Mobilfunknetzen in der Stadt als auch bei schlechterem Empfang in ländlichen Regionen einwandfrei funktioniert.

Besonders wichtig für die umfassende Absicherung sind zudem Strecken mit Grenzübergängen. Dabei muss sich die im System eingesetzte Sim-Karte problemlos ins Mobilfunknetz des Nachbarlands einwählen beziehungsweise auch wieder in das Mobilfunknetz des Ziellands, in dem der Vertrag mit dem Mobilfunkanbieter geschlossen wurde, zurückwählen können. Nach dem Auslösen des eCall-Systems und dem entsprechenden Aufbau einer Verbindung zur nächstgelegenen Rettungsleitstelle werden dann die automatisch übermittelten Daten telefonisch abgeglichen und so überprüft.

Zu diesen Daten, die das eCall-System eines Fahrzeugs nach einem Unfall automatisch senden soll, zählen unter anderem nachstehende Informationen:

<ul><li>genauer Zeitpunkt des Unfalls,</li><li>die aktuelle sowie die letzten zwei Fahrzeugpositionen inklusive Fahrtrichtung,</li><li>Fahrzeugidentifizierungsnummer,</li><li>Art der Auslösung des eCall-Systems (automatisch oder manuell) und – sofern die Sicherheitsgurte angelegt wurden – die Anzahl der Personen im Unfallwagen.</li></ul>

Gleichzeitig werden beim telefonischen Abgleich der übermittelten Informationen auch die Audioqualität sowie die Technik der Notrufzentralen überprüft. Durch die Absicherung im Labor und mittels realer Erprobungsfahrten wird so die Grundlage für den abschließenden Zertifizierungs- und Homologationsprozess vor Markteinführung neuer eCall-Systeme geschaffen. W (oe)

<a href="http://[1]">[1]</a> Leben retten auf der Straße: 112-eCall wird für Neuwagen verpflichtend: <a href="https://ec.europa.eu/germany/news/20180328-ecall-neuwagen-verpflichtend_de">https://ec.europa.eu/germany/news/20180328-ecall-neuwagen-verpflichtend_de</a> (zuletzt abgerufen am 30. Juli 2020)

Bild 1: Grafische Darstellung der Funktionsweise eines eCall-Systems.

Jan Hamann ist Leiter Elektronik - Connected Car & System Engineering bei ASAP, und Timo Nels ist Leiter Elektronikentwicklung - Bedien- und Anzeigesysteme ebenfalls bei ASAP.

Connectivity (Bussysteme, Telekommunikation, 4G / 5G, WLAN)

Messtechnik, Testlösungen, Diagnose

Die Absicherung von Sensoren und dazugehöriger Algorithmen ist für die Fahrsicherheit von enormer Bedeutung. Um möglichst viele Szenarien und  Testkilometer effizient absichern zu können, werden neben echten Testfahrten verstärkt Methoden der virtuellen Validierung mittels Raytracing eingesetzt.

Moderne Fahrzeuge werden mit einer stetig steigenden Zahl fortschrittlicher Sensoren ausgestattet. Als elektronische Sinnesorgane sind sie wesentliche Komponenten elektronischer Regelsysteme und übernehmen wichtige Aufgaben für Sicherheitssysteme wie Notbremsassistenten oder Totwinkelwarner. In selbstfahrenden Autos sind sie die Basis für die Entwicklung von Lösungen für das autonome Fahren.

Das virtuelle Testen ermöglicht reproduzierbare Testszenarien und eine kostengünstige Möglichkeit, Millionen von Testkilometern zu absolvieren. Daten mit hoher Rate zu berechnen, die so realistisch sind, dass Algorithmen sinnvoll getestet werden können, ist die große Herausforderung für die Simulationssoftware. Dies gilt auch für Radar- und Lidarsimulationen. Eine Vollwellensimulation ist aufgrund der hohen Rechenzeit ungeeignet. Die Rasterisierungstechnik, die für die Simulation von Kamerabildern und in Videospielen verwendet wird, ist zwar sehr schnell, kann aber aufgrund prinzipbedingter Einschränkungen nicht die nötige Realitätsnähe erreichen.

Dieser Beitrag beschreibt anhand von Beispielen die Vorteile von Raytracing bei der Simulation von Radar- und Lidarsensoren und zeigt auf, wie moderne Methoden in Verbindung mit aktueller Hardware die Simulation in Echtzeit ermöglichen.

Radar- und Lidarsensoren senden aktiv elektromagnetische Wellen aus und erstellen anhand des Echos ein Abbild der Umgebung. Um diesen Vorgang zu simulieren, ist es notwendig, die Ausbreitung einzelner elektromagnetischer Wellen durch eine 3D-Szenerie präzise zu verfolgen und jeden Interaktionspunkt mit der Umgebung zu berücksichtigen. Hier sind u. a. Reflexion, Transmission und Beugung möglich. Aufgrund der geringen Wellenlänge beider Sensortypen können die Wellenfronten mittels einer Vielzahl von Strahlen approximiert werden.

Es existieren viele verschiedene Raytracing-Algorithmen, die auf unterschiedliche Anwendungszwecke optimiert sind. Grundsätzlich werden Strahlen von einer bestimmten Quelle aus in die Szenerie gesendet und Schnittpunkte mit den Objekten berechnet. Bei jedem Schnittpunkt können beliebige Berechnungen durchgeführt und optional neue Strahlen erzeugt werden. Die Ergebnisse werden dann nach frei wählbaren Kriterien aufsummiert, um bspw. ein Bild zu berechnen. Das Ergebnis der Radar- und Lidarsimulation ist eine Kanalimpulsantwort, die Informationen über die Interaktion der ausgesendeten Strahlen mit der Umgebung enthält. Daraus lassen sich „Echos“ wie 3D-Punktwolken und Spannungsverläufe an Detektorelementen berechnen.

Da die Wellenfronten kontinuierlich sind, können in der Praxis auch sehr kleine Objekte detektiert werden, vorausgesetzt, genug Energie wird reflektiert. Ein Beispiel bilden reflektierende Pfosten am Straßenrand, die in großer Entfernung nur einen sehr kleinen Teil des Sensorsichtfelds einnehmen (Bild 1). Diese Objekte könnten mit einer sehr hohen Abtastrate detektiert werden, was jedoch zu rechenaufwendig wäre. Mittels Raytracing ist es möglich, die Abtastungsgenauigkeit der Szene winkelabhängig zu variieren. Durch gezieltes Anschießen einzelner Geometrien können auch sehr kleine, weit entferne Objekte zuverlässig erkannt werden.

Auf dem Lidar-Markt gibt es aktuell viele unterschiedliche Sensortechnologien, die sich u. a. in Anzahl und Anordnung der Pixel unterscheiden. Mit Raytracing ist es möglich, für jeden Pixel des Lidarsensors Richtungswinkel, Aussendezeitpunkt und Ausgangsintensität zu definieren. So ist es möglich, auch dichte, nicht-lineare Scanmuster zu simulieren. Diese sind u. a. für MMT (Micro Motion Technology)-basierte Lidarsysteme der Firma Cepton wichtig. Bild 2 zeigt eine Simulation des Cepton Vista-P60 Sensors.

Die Auswirkungen des Aussendezeitpunkts lassen sich an Lidarsensoren mit einem rotierenden Kopf veranschaulichen. Während sich der Sensorkopf dreht, bewegen sich Objekte weiter. Die daraus resultierende Verzerrung zeigt Bild 3. Bei komplexeren Abtastmustern ist der Effekt weniger anschaulich, kann aber in gleicher Weise durch das Raytracing reproduziert werden.

Wie eine Oberfläche elektromagnetische Wellen reflektiert, hängt vom Material und der Wellenlänge ab. Für die Radarsimulation wichtige Materialparameter wie die relative Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor unterscheiden sich für die verschiedenen gebräuchlichen Frequenzen (insbesondere 24 GHz und 77 GHz). Auch die Lidarsimulation muss die Wellenlänge (meist um 905 nm oder 1550 nm) berücksichtigen, denn Licht im Nahinfrarotbereich verhält sich anders als Licht im sichtbaren Bereich. Dies wird insbesondere bei Vegetation deutlich. Deshalb lassen sich Modelle, die in der Computergrafik für sichtbares Licht entwickelt wurden, nur bedingt auf die Sensorsimulation übertragen.

Der Raytracer berücksichtigt Oberflächenmaterial, Wellenlänge und Einfallsrichtung des Strahls, um neue Strahlen in Reflexionsrichtung auszusenden und die Intensität der Reflexion zu berechnen. Bei der Lidarsimulation kann der Raytracer auf Messwerte eines Gonioreflektometers zurückgreifen, die das Reflexionsverhalten einer Oberfläche im Nahinfrarotbereich vollständig beschreiben. Dieser allgemeine Ansatz schließt auch bekannte Spezialfälle wie diffuse und spiegelnde Reflexion oder Retroreflexion ein.

Für Radarwellen hat sich eine Kombination aus Wellenoptik (Physical Optics, PO) und Strahlenoptik (Geometrical Optics, GO) zur Berechnung des elektrischen Feldes bewährt. Daraus ergeben sich die Radarquerschnitte der Objekte und die empfangene Signalstärke.

GO eignet sich zur Berechnung des Felds nach einer direkten Reflexion in die Hauptabstrahlrichtung (Einfallswinkel = Ausfallswinkel), während PO auch diffuse Reflexionen, etwa zurück zur Empfangseinheit des Sensors bestimmen kann. Durch eine intelligente Priorisierung der weiterverfolgten Strahlen kann die Berechnungskomplexität der Simulation kontrolliert werden. Bild 4 zeigt die Verwendung von GO und PO.

Die Reflexion an mehreren Objekten wird als „Mehrwegeausbreitung“ bezeichnet. Einige der reflektierten Pulse treffen mit geringer zeitlicher Verzögerung auf die Empfangsantennen des Sensors. Da der echte Sensor nur die Zeitdifferenz und den Eintrittswinkel misst, generiert er bei einer Mehrwegeausbreitung so genannte „Ghost Targets“, also Ziele, die der Sensor an falscher Stelle verortet. Bild 5 zeigt die Simulation eines Scheinziels mit Raytracing.

Da ein Radarsensor den Dopplereffekt einzelner Reflexionen messen kann, ist es möglich, zum Beispiel drehende Autoreifen oder schwingende Gliedmaßen von Fußgängern anhand der unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu erkennen. Dieser Effekt wird auch als Mikrodoppler bezeichnet. Mit Hilfe von Raytracing und spezieller Algorithmen kann die Geschwindigkeit zwischen zwei beliebigen Punkten in der Szene berechnet werden. Hierdurch kann für Direktreflexion und Mehrwegeausbreitung die korrekte Dopplerverschiebung eines Ausbreitungspfades bestimmt werden.

Um den Mikrodopplereffekt bei Fußgängern zu simulieren, ist die Simulation dynamischer Meshes notwendig, die nicht nur ihre Transformationen, sondern auch ihre Form zur Laufzeit verändern. Geschachtelte Beschleunigungsstrukturen ermöglichen es, innerhalb des Raytracers diese Meshes für jedes Bild zu aktualisieren, ohne die gesamte Szene neu bauen zu müssen. So wird eine deutlich höhere Leistung erreicht.

Bild 6 zeigt simulierte Relativgeschwindigkeiten für Reflexionspunkte auf einem Fußgänger im dSPACE Raytracer.

Echtzeitfähiges Raytracing mit Hardware-Unterstützung

Raytracing-Algorithmen werden seit vielen Jahren für physikalische Simulationen verwendet, jedoch waren diese langsam und meist auf einfache 3D-Szenarien mit wenigen, statischen Objekten begrenzt.

Seit Kurzem ist es möglich, das Raytracing mit Hilfe dedizierter Grafikkarten und speziell integrierter Hardware-Einheiten soweit zu beschleunigen, dass selbst komplexe 3D-Szenarien in Echtzeit berechnet werden können. Dedizierte Hardware-Einheiten auf der Grafikkarte übernehmen die Schnittpunktberechnung zwischen Strahlen und Geometrien sowie das Bauen und Traversieren von Beschleunigungsstrukturen.

Die Absicherung des autonomen Fahrens erfordert synthetisch generierte Sensordaten, die realistisch sind und in Echtzeit berechnet werden können. Dieser Beitrag zeigt, wie wichtige Phänomene mit Raytracing performant simuliert werden können. Dazu gehören der Einfluss von kleinen Objekten, der korrekten Aussendezeitpunkt, Materialeigenschaften, Ghost Targets und Mikrodopplereffekte. dSpace setzt bereits seit einigen Jahren auf Raytracing-Technologie mit Hardware-Beschleunigung, um die oben genannten Effekte und weitere Sensoreigenschaften effizient simulieren zu können und arbeitet kontinuierlich an neuen Konzepten, beispielsweise der Abbildung von lokalen Wettereffekten und Sensor-Interferenz.

Schnellere Grafik-Hardware sowie weitere Optimierungen werden dazu beitragen, noch genauere Daten in Echtzeit simulieren zu können. Es ist zu erwarten, dass auch zukünftige Entwicklungen vermehrt auf Raytracing setzen.

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Bild 1: Eine adaptive Abtastung der Szene ermöglicht das zuverlässige Detektieren von kleinen, weit entfernten Objekten wie reflektierenden Pfosten am Straßenrand.

Bild 2: Simulierte Punktwolke eines Cepton Vista-P60 Lidar. Der zu jedem einzelnen Punkt gehörende Raytracing-Strahl kann individuell definiert werden, wodurch die exakte Nachbildung des Scanmusters möglich wird.

Bild 3: Durch die relative Bewegung von Ego-Fahrzeug (150 km/h) und entgegenkommendem Lkw (100 km/h) erscheint die Punktwolke eines Sensors mit 15 Hz rotierendem Kopf verzerrt (grün) im Vergleich zu einer instantanen Aufnahme (rot).

Bild 4: Ein Raytracer kann Wellenoptik (gelber Stern) und Strahlenoptik (blauer Stern) kombinieren, um die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in einer Szene zu verfolgen. Der blaue Pfad zeigt, wie die elektromagnetische Welle an mehreren Oberflächen reflektiert und vom Sensor indirekt empfangen werden kann.

Bild 5: Links: Radar Ausbreitungspfade, die mittels Raytracing simuliert wurden. Rechts: Die detektierten Ziele des Radarsensors. Mehrere Ziele befinden sich scheinbar hinter der Wand.

Bild 6: Ein joggender Fußgänger wird von vorne von einem Radarsensor angestrahlt. Hier ist zu erkennen, dass Teile des Objekts auf den Sensor zukommen (Negativer Doppler, Rot) während andere Gliedmaßen sich entfernen (Positiver Doppler, Blau).

Michael Epping und Philipp Meyer sind Applikationsingenieure für Sensorsimulation bei dSPACE.

Caius Seiger ist operativer Produktmanager Sensor Simulation bei dSPACE.

Philipp Meyer ist Applikationsingenieur für Sensorsimulation bei dSPACE.

Caius Seiger ist operativer Produktmanager Sensor Simulation bei dSPACE.

Entwicklungs-Tools

Ladeprozess zuverlässig  thermisch überwachen

In Elektrofahrzeugen ist die thermische Überwachung aller Leistungskomponenten Grundvoraussetzung für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des gesamten Systems. Robuste TDK- und EPCOS NTC-Thermistoren  in den unterschiedlichsten Ausführungen sind dabei Schlüsselbauelemente.

Der zunehmende Trend hin zu xEV stellt die Automobilindustrie und ihre Zulieferer gleichermaßen vor neue Herausforderungen. Vor allem kurze Ladevorgänge bei xEV-Batterien erfordern eine hohe Ladeleistung im deutlich dreistelligen kW-Bereich und führen zu einer starken Erwärmung der betroffenen Komponenten. Grundvoraussetzung ist deshalb eine entsprechende thermische Überwachung – der Ladesäule, des Steckersystems und der Stromschienen bis hin zur Leistungselektronik sowie der HV-Batterie.

Eine mangelhafte Temperaturüberwachung kann zum Verschleiß dieser Systemkomponenten, zu einer verringerten Lebensdauer oder sogar ihrem Ausfall zu führen. Eine starke Überhitzung kann im schlimmsten Fall zum Brand der Batterie führen.

TDK hat für die Temperaturüberwachung in Applikationen der E-Mobilität spezielle NTC-Temperatursensoren entwickelt, die dank ihrer hohen Zuverlässigkeit und Sensitivität eine hervorragende thermische Überwachung ermöglichen (Bild 1). Damit lässt sich der Ladevorgang optimieren, die Lebensdauer der thermisch belasteten Komponenten steigern und sicherheitsrelevante Funktionen realisieren Diese NTC-Temperatursensoren zeichnen sich außerdem durch eine hohe Messgenauigkeit und kurze Ansprechzeiten aus und sind für die Überwachung von thermischen Prozessen im Ladeprozess bestens geeignet.

Höhere Batterielebensdauer durch thermische Überwachung

Hochvolt-Batterien liefern bei genau definierten Arbeitstemperaturen eine optimale Energieausbeute. Eine verlässliche Überwachung und Regelung der Batterietemperatur verhindert eine Überhitzung der Batterie, verlängert damit deren Lebensdauer und erhöht die Sicherheit. Dazu muss die Batterietemperatur an mehreren Stellen gemessen werden, um lokale Überhitzungen auszuschließen. Ein neu entwickelter, spezieller Anschraub-Temperatursensor von EPCOS ist für hohe Anforderungen wie Feuchte, Betauung und mechanischen Stress optimiert und für den Einsatz in Serienfahrzeugen validiert. Dieser Sensor (Bild 2) besteht aus einem robusten und feuchtebeständigen Gehäuse, in dem das NTC-Element eingebettet ist. Der Sensor wird über eine Metallringzunge einfach an einer Batterieoberfläche montiert und sicher befestigt. Auch eine Montage durch Roboter ist möglich. In der Standardausführung ist der Anschraubsensor zum Messen der Batterietemperatur mit einem Widerstandswert von 10 kΩ bei 25 °C spezifiziert. Dieser Widerstandswert sowie die Kennlinie des NTC-Temperatursensors können kundenspezifisch angepasst werden. Standardmäßig erstreckt sich der Messbereich von –40 °C bis +85 °C.

Überwachung von Kühlmedien  ist ein Muss

Über die Temperatur des Kühlmittels kann der Betriebszustand der Batterie ermittelt werden. Diese Temperatur kann zuverlässig mit Rohranlegefühlern gemessen werden, die auch als ‚Clip-on‘-Sensors bekannt sind. Montiert werden diese Sensoren am Kühlmittelein- und -auslass. Aufgrund der externen Anbringung an den Kühlmittelleitungen ist keine weitere Abdichtung gegenüber dem Kühlmedium notwendig. Außerdem ist die Rohrgestaltung und Sensormontage dadurch flexibel gegenüber einer Lösung mit definierten Montageloch. TDK bietet hierfür ein breites Spektrum an Lösungen, die in ihren Geometrien und elektrischen Parametern kundenspezifisch angepasst werden.

Das Besondere bei diesen neu entwickelten NTC-Rohranlegefühlern ist die Kombination des Sensors mit einem Fixierungselement. Der Sensor kann damit so an einem Rohr montiert werden, dass die Verbindung von Sensor und Rohr sicher und vibrationsbeständig ist. Das Anbringen und Entfernen des Sensors vom Kühlmittelrohr ist schnell und mit minimalem Aufwand durchzuführen. Durch den modularen Sensoraufbau kann der Sensor an unterschiedlichen Rohrdurchmessern, montiert werden (Bild 3).

Um die Langzeitstabilität des Sensorsystems des Kühlkreislaufs zu gewährleisten, wurde besonderes Augenmerk auf die verwendeten Materialien gelegt. Das Clipmaterial bietet eine gute Komptabilität zum Rohrmaterial. Eine geschlossene Metallhülse, die am Metallrohr des Kühlkreislaufs anliegt, führt in Kombination mit den thermischen und elektrischen Eigenschaften des darin vergossenen NTC-Elements zu kurzen Ansprechzeiten.

Im Fokus ist auch die Widerstandsfähigkeit des Sensorsystems gegenüber Frost sowie hohen Temperaturen bei gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit. Bei sinkenden Temperaturen kann am Fahrzeug und damit auch am Sensor eine Kondensation oder Betauung erfolgen. Hier bewährt sich das bereits in anderen Sensoren eingesetzte Design mit Kunststoffumspritzung, um entsprechenden Schutz zu bieten. Ebenso kann das Sensorsystem zur Erleichterung von etwaigen Wartungsarbeiten vom Rohr abmontiert und wieder aufmontiert werden.

Eine direkte Temperaturmessung an den Stromschienen von Elektrofahrzeugen ermöglicht eine energieeffiziente Steuerung und hilft Betriebsspitzen zu vermeiden, die die Lebensdauer des Fahrzeugs verkürzen können. Diese anspruchsvolle Aufgabe bringt hohe Anforderung an die Spannungsfestigkeit und Temperaturgenauigkeit der Sensoren mit sich. Viele am Markt angebotene Sensoren spezifizieren dazu lediglich den Auslieferzustand der Sensoren. Dies ist jedoch bei weitem nicht ausreichend, da sich entscheidende Performance Parameter über die Lebensdauer verschlechtern können. Um zum Beispiel Schädigung der Steuergeräte zu vermeiden muss die Spannungsfestigkeit auch während der bekannten Lebensdauerbelastungen im Auto gehalten werden.

Speziell für die Montage auf Stromschienen, auch Busbars genannt, wurde ein neuer Sensor mit hoher Langzeitstabilität entwickelt (Bild 4). Ausgelegt ist der TDK NTC-Sensor für einen Temperaturbereich von –40 °C bis +150 °C, wobei eine kurzzeitige Belastung bis zu 200 °C zulässig ist. Bei 25 °C beträgt der Nennwiderstand 10 kΩ mit einem B25/100-Wert von 3625 K mit einer Toleranz von ±1 Prozent.

Der Sensor wurde klimatisch, chemisch und mechanisch nach den Lebensdauertests der LV124 geprüft und erreicht dabei eine Spannungsfestigkeitsklasse H3 gemäß LV123, die 2,5 kV DC entspricht. Die Anschlussleitungen des neuen Temperatursensors erfüllen den LV112–4-Standard für elektrische Leitungen in Kraftfahrzeugen und sind zur Verbesserung des EMV-Verhaltens verdrillt. Zur Montage verfügt der Sensor über eine M4-Anschraublasche aus einer Kupferlegierung. Diese Materialauswahl bietet eine gute thermische Anbindung und eine gute Materialkompatibilität zur Stromschiene aus Kupfer, wodurch Kontaktkorrosion vermieden wird.

Auch die Steckersysteme zwischen Ladesäule und Fahrzeug sind hohen Temperaturen beim Ladeprozess ausgesetzt. Zur Vermeidung von Überhitzung sieht die IEC vor, für Steckersysteme Mindestanforderungen an Temperatursensoren gemäß IEC TS 62196–3 1 DIN zu standardisieren. Aus diesem Grund sind Anforderungen für eine zuverlässige Messgenauigkeit mit hohen Temperaturtoleranzen an einem Temperatursensor unabdingbar. Die TDK NTCRP-Serie wurde mit einem miniaturisierten Design für diese Anwendung entwickelt. Das flache Sensorgehäuse ermöglicht eine optimale Anbindung des Sensors an die Oberfläche der Steckerkontakte und ist für Temperaturen von bis zu 200 °C ausgelegt.

Grundsätzlich ist einer der wichtigsten Faktoren für die weitere Entwicklung der Elektromobilität die Steigerung der Energieeffizienz. Hierbei leisten NTC-Temperatursensoren von TDK einen entscheidenden Beitrag, in dem sie präzise und langzeitstabile Temperaturmessungen ermöglichen. TDK unterstützt seine Kunden dabei mit langjähriger Entwicklungskompetenz. Damit können selbst die hohen Anforderungen an eine zuverlässige thermische Überwachung des gesamten Batterieladeprozesses erfüllt werden.

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Bild 1: Systemkomponenten für das Laden von xEV-Batterien lassen sich hochzuverlässig mit NTC-Temperatursensoren überwachen.

Bild 2: Der EPCOS NTC-Batteriesensor zeichnet sich durch eine Langzeit- beständigkeit gegen Feuchte aus, ist einfach zu montieren und kann kundenspezifisch angepasst werden.

Bild 3: Rohranlegefühler von TDK eignen sich für verschiedene Rohrdurchmesser, sind einfach zu montieren und weisen kurze Ansprechzeiten auf.

Bild 4: Der neue TDK Busbar-Sensor zeichnet sich neben seiner Langzeitstabilität durch eine hohe Spannungsfestigkeitsklasse aus.

Bearbeitet nach Unterlagen der TDK Electronics AG, 81669 München.

Durchgängige Werkzeugketten für Test und Validierung

ETAS NI Systems verbindet die Erfahrung zweier führender Unternehmen im Bereich Automotive-Softwareentwicklung mit dem Spirit eines Start-ups. Seit Anfang des Jahres entwickelt das Joint Venture vor-integrierte HiL-Systeme, auf denen sich die Soft- und Hardwarekompetenzen von ETAS und National Instruments zusammenführen lassen. So entstehen durchgängige Werkzeugketten für Test- und Validierungsprozesse von Steuerungssoftware.

Ob in hybriden, batterieelektrischen oder brennstoffzellenbasierten Antriebssträngen, im Bereich der Fahrerassistenz und Automatisierung oder im Infotainment: Software, die auf leistungsfähigeren Steuergeräten in neuen E/E-Architekturen läuft, dient OEMs und Zulieferern in zunehmendem Maß der Differenzierung vom Wettbewerb. Statt den Zuwachs an softwaregesteuerten Funktionen auf immer mehr dezentrale Steuergeräte zu verteilen, setzt die Branche auf Domänenlösungen und zentrale Fahrzeug- Computer. Als wäre das nicht genug Veränderung: Durch die zunehmende Komplexität der Systeme und der damit verbundenen enormen Zunahme der Testfälle bleibt Entwicklern immer weniger Zeit für die Absicherung der Steuerungssoftware.

Um diese Herausforderungen zu meistern, sind leistungsfähige Testmethoden gefragt. Im Idealfall basieren sie auf durchgängigen Werkzeugketten für Soft- und Hardware-in-the-Loop-Tests in allen Phasen der Fahrzeugentwicklung. Diese sollten also sowohl virtualisierte als auch hardwarebasierte Test- und Validierungsprozesse unterstützen.

Effiziente Workflows in der SW-Entwicklung und im Testlabor

Genau solche Werkzeuge werden ETAS und NI (einst National Instruments) dem Markt kosteneffizient zur Verfügung stellen. Dafür führen sie ihr Know-how in der ETAS NI Systems GmbH & Co. KG zusammen. Die gleichberechtigten Partner halten je 50 Prozent der Anteile des Joint Ventures, das Anfang 2020 nach der obligatorischen kartellrechtlichen Prüfung den operativen Betrieb aufgenommen hat. Der Firmensitz ist Stuttgart. Hier wird das Team aus Spezialistinnen und Spezialisten vor-integrierte HiL-Lösungen auf Basis der PXIe-Plattform von NI entwickeln, fertigen und testen. ETAS wird diese Hardware dann mit Software ergänzen.

ETAS Kunden erhalten so schnell Zugang zu leistungsfähiger, standardisierter Hardware von NI. In Verbindung mit den etablierten HiL- und Virtualisierungslösungen von ETAS können sie damit schnell und flexibler auf die veränderlichen Test- und Validierungsanforderungen reagieren. Dank der komplementären Produktportfolios beider Partner bietet die Kooperation im Joint Venture enormes Potential für die Entwicklung durchgängiger Workflows in Entwurf, Testing und Validierung von Steuerungssoftware.

Die Gründung reagiert auf die dynamische Entwicklung im Softwarebereich und der Fahrzeugelektronik. Infolge der wachsenden Antriebsvielfalt, der Evolution hin zum automatisierten Fahren und des Siegeszuges von Infotainment-Lösungen kommt dem Zusammenspiel von Steuerungssoftware und Steuergeräten eine immer größere Bedeutung zu. Um sie trotz immer kürzerer Entwurfs- und Testzyklen absichern zu können, müssen Tests und Validierung in steigendem Maß parallel zur Hardwareentwicklung erfolgen. Um Reibungsverluste zu minimieren, gilt es, die dafür genutzten Methoden für virtuelles Testen und Validieren optimal an weiterführende hardwarebasierte Tests anzubinden. Genau hier kommen die Stärken beider Partner zum Tragen: Durch die Verbindung der PXIe-basierten HiL-Hardware mit der Virtualisierungsplattform ETAS COSYM und dem ETAS Portfolio an Simulationslösungen samt virtuellen Steuergeräten aus ISOLAR-EVE, Fahrzeug- und Komponentenmodellen ergibt sich eine zukunftsfähige Plattform, die virtuelle, teil-virtualisierte und HiL-Tests auf eine gemeinsame Basis stellt.

Das ist gerade für eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung wichtig. Denn nur wenn es gelingt, beispielsweise die notwendigen Tests zur funktionalen Sicherheit und zur Erfüllung der gesetzlichen Abgasregularien weitgehend zu virtualisieren, bleiben die steigende Komplexität und Variantenvielfalt beherrschbar.

Zukunftstechnologien bleiben beherrschbar und bezahlbar

ETAS und NI werden mit ihrem Joint Venture künftig auch weitere wachsende Domänen wie das automatisierte Fahren adressieren. Gerade hierfür sind Plattformen mit hohen Datendurchsätzen gefragt, mit denen sich die eingesetzte Steuerungssoftware zunächst virtuell und später in HiL-Tests auf alle Eventualitäten des Verkehrsgeschehens hin testen lässt. Virtualisierung gilt hier zudem als Schlüsseltechnologie, um gefahrlos in physikalische Grenzbereiche vorstoßen, Tests zu reproduzieren und diese bei Bedarf zeitsparend parallelisieren zu können.

Zunächst jedoch hat sich das Joint Venture auf Lösungen für elektrifizierte Antriebe konzentriert. Hierfür setzt es auf der PXIe-Plattform und der Integrations- und Simulationsumgebung ETAS COSYM auf. Erste HiL-Lösungen für Motor-Control-Units (MCU) batterieelektrischer und hybrider Antriebe sind bereits verfügbar. Die Entwickler konnten hierfür nicht nur auf NI-Hardware, sondern auch auf langjährige Erfahrungen von ETAS im Bereich von HiL-Testsystemen samt Modellen zugreifen. In den nächsten Schritten wird ETAS die bestehenden Lösungen für Batteriemanagementsysteme und Brennstoffzellenantriebe auf der Plattform von ETAS NI Systems verfügbar machen.

Anwender werden von der modularen Hochleistungs-Testplattform mit standardisierter PXI Express-Anbindung profitieren. Zugleich bietet der PXIe-Standard mit Gigabyte-Datendurchsätzen und integrierter zeitlicher Steuerung schon jetzt die Voraussetzungen, um künftigen Anforderungen gerecht zu werden.

Ein Systemansatz, der sich reibungslose Workflows und Übersichtlichkeit in der Software-Entwicklung auf die Fahnen schreibt, muss diese Ansprüche auch im Vertrieb und Support erfüllen. Deshalb wird ETAS die Lösungen des Joint Ventures über ihre internationalen Strukturen vertreiben. Kunden behalten ihre vertrauten Ansprechpartner in Vertrieb, Beratung und Service. Das Team des Joint Ventures kann seine Ressourcen komplett in die Entwicklung, Fertigung und Qualitätsprüfung lenken, während erfahrene ETAS Kollegen den globalen Vertrieb und Support übernehmen. Auch das dient dem Ziel, kosteneffiziente HiL-Lösungen aus einer Hand anzubieten, die die Qualitätsstandards beider Häuser erfüllen – und die vor allem deren umfassende Anwendungskompetenzen in komplementären Bereichen integrieren. So kommen die Kunden weiter in den Genuss des Testing-Know-hows von ETAS im Powertrain-Bereich, in dem neben der komplexen Motorhardware umfassende Normen und Richtlinien und immer strengere CO2- und Abgas-Regularien sowie neue Messverfahren zu beachten sind. Gerade im Bereich der Elektrifizierung müssen Testing-Plattformen auch in der Lage sein, unterschiedliche Architekturen und Philosophien der verschiedenen OEMs abzubilden. Solches Anwendungswissen der Mutterunternehmen fusioniert im Sinne der Kunden mit den neuen Hardwareplattformen des Joint Ventures.

Durchgängige Werkzeugketten, die praktikablen Übergänge zwischen SiL- zu HiL-Tests schaffen, sind der Schlüssel, um den steigenden Testaufwand infolge der hohen Antriebsvielfalt bewältigen zu können. Im Idealfall ergänzen hardwarebasierte Tests die rein virtuellen Testmethoden. Treiber für diese Entwicklung sind die eng getakteten Zeitpläne und die begrenzten Kostenbudgets in der Hard- und Softwareentwicklung. Um sie trotz der stark steigenden Zahl an softwaregesteuerten Funktionen einhalten zu können, muss der Anteil virtueller und teil-virtualisierter Tests steigen. Es ist absehbar, dass die Anzahl der Hochleistungsschnittstellen und die Datenvolumina im Zuge der Evolution der E/E Architekturen rasant steigen werden. So sind hoch performante und durchgängige Testumgebungen gefragt.

Diese Herausforderungen adressieren ETAS und NI mit ihrem Joint Venture ETAS NI Systems und ETAS mit der

COSYM Simulationsplattform für SiL und HiL. Es führt die technologischen Stärken beider Unternehmen zusammen und verschafft Kunden so schnell Zugang zu einer standardisierten Testumgebung auf PXIe-Basis. Da die Fahrzeugelektronik und deren Software für OEMs und Zulieferer zunehmend zur Differenzierung vom Wettbewerb dient, ist sowohl quantitativ als auch qualitativ mit einem deutlichen Anstieg der Anforderungen an Entwicklungsprojekte und höherem Kostendruck zu rechnen. Hersteller müssen also Effizienzpotentiale und Synergien über alle Stadien der Entwicklung von Steuerungsgeräten und Software hinweg nutzen. Der Schlüssel dazu sind durchgängige Prozesse vom virtualisierten Test bis zur Erprobung in HiL-Umgebungen. Um diese Synergien schnell und kosteneffizient zu heben, haben sich mit ETAS und NI zwei führende Player mit umfassenden Know-how zusammengetan.

Das Management-Team von ETAS und NI zusammen mit Leandro Fonseca, Managing Director ETAS NI Systems (hintere Reihe, zweiter von links), und Hans-Peter Dürr, Technical Director ETAS NI Systems (hintere Reihe, zweiter von rechts).

Markus Christian ist Director Product Management Test and Validation bei der ETAS GmbH in Stuttgart.

<ul><li> Am 1. Januar 2020 hat das Joint Venture ETAS NI Systems GmbH & Co. KG den operativen Betrieb aufgenommen.</li><li>Als gleichberechtigte Partner halten ETAS und NI je 50 Prozent der Anteile.</li><li> Die Geschäftsleitung haben Leandro Fonseca (CEO) und Hans-Peter Dürr (CTO) übernommen.</li><li> Das Team besteht aus HiL-Experten für HW-Entwicklung und Projekt-Engineering.</li></ul>

Schwebende Anschluss- klemmen für mehr Flexibilität

Mit so genannten schwebenden Kontaktelementen wurde von Weco eine Lösung entwickelt, die ein breites Anwendungsspektrum bietet. Diese schwebenden Kontaktelemente sind nach allen Richtungen frei beweglich und setzen zuverlässig auf der Leiterplattenoberfläche auf.

Leiterplatten werden heute auf beiden Seiten mit allen notwendigen aktiven und passiven Komponenten bestückt. Das ist besonders für Anwendungen entscheidend, bei denen nur ein geringer Einbauraum zur Verfügung steht. Hier bietet sich die „Surface Mount Technology“ als Alternativlösung an. Die Leiterplattengestaltung wird für Entwickler so deutlich flexibler. Leiterplattenklemmen sind aber auch größeren mechanischen Belastungen ausgesetzt als andere passive oder aktive Elektronikbauteile. Beim Montageprozess kommt es zu einer enormen Kräfteentwicklung, sei es durch das Anschließen von elektrischen Leitern oder das Aufbringen einer korrespondierenden Steckerleiste. Das führt vereinzelt dazu, dass die Haftkräfte der Klemme den Installationsanforderungen nicht immer standhalten. Häufig kann es dann dazu führen, dass sie sich von der Leiterplatte ablöst. Mit so genannten schwebenden Kontaktelementen hat das Unternehmen WECO eine Lösung entwickelt, die ein breites Anwendungsspektrum bietet. Diese schwebenden Kontaktelemente sind nach allen Richtungen frei beweglich und setzen zuverlässig auf der Leiterplattenoberfläche auf.

Einer der weltweit größten Elektronikzulieferer für die Automobilindustrie ist bereits Kunde von WECO. Gemeinsam mit dessen chinesischem Tochterunternehmen hat das Unternehmen jetzt eine automatische Getriebesteuerung entwickelt. Dabei muss die Getriebeeinheit in einem extrem breiten Temperaturspektrum reibungslos funktionieren. So werden beispielsweise im sibirischen Winter Außentemperaturen von Minus 40 Grad erreicht, während die Betriebstemperatur des Getriebeöl 90...100 °C erreichen kann. Diese Schwankungen muss das integrierte System problemlos aushalten können.

Das von WECO entwickelte Bauteil wurde so konzipiert, dass kleine Ausdehnungen, Verwerfungen oder Stresssituationen, die sich auf die Platine auswirken können, keinen Einfluss auf den Steckverbinder haben, der die Brücke zur Elektronik des Autos bildet.

Die Platine mit sämtlichen Komponenten ist fest im Getriebe verbaut. Damit die notwendigen Daten übermittelt werden können, muss eine sichere Verbindung zur Fahrzeugelektronik außerhalb des Getriebes aufgebaut werden.

Dafür ist eine flexible Technologie, wie die SMT-Technologie optimal. Bei Platinen, die nach diesem Verfahren entstehen, werden Pins mit einem besonderen Kopf auf die Platine aufgebracht und mit der Kunststoffschicht des Trägers verlötet. Auf den Kopf des Pins wird dann jeweils ein weiteres Kontaktelement per Laserverfahren verschweißt.

Die von WECO für den Automotive-Bereich entwickelte Platine hat eine Größe von etwa 6 cm und verfügt über 19 plus drei oder 24 plus drei Pins, die für die Zuführung oder Abnahme der Steuersignale im Getriebe benötigt werden. Würden alle notwendigen Pins starr in den Kunststoffträger eingebunden, könnte das Bauteil den mechanischen Druck beim Ausdehnen- oder Zusammenziehen nicht ausreichend abfedern. Die Folge wäre eine hohe mechanische Kraft, die auf die einzelnen Lötpunkte der Platine wirken würde. Fehler wären so nicht auszuschließen.

Da die Pins von WECO nicht starr im Kunststoff des Gehäuses, das die Platine umschließt, fixiert sind, können sich diese in einem ausreichenden Maß auf- und abwärts bewegen. Der Endanwender hat durch den Einbau dieser Lösung die Gewissheit, dass die Elektronik reibungslos und wartungsfrei über die gesamte Lebensdauer des Getriebes funktioniert. Die Platine lässt sich extern steuern und muss nicht ausgebaut werden. Die Floating Pin Technologie hat zudem den Vorteil, dass sich die benötigten Bauteile auf kleineren Platinen verbauen lassen. Die Bestückung nach dem neuen „schwebenden Verfahren“ bietet Anbietern mehr Flexibilität und eine schnellere Herstellung der Platinen, da das Verfahren weniger aufwendig ist.

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Anwendung der Stiftleiste in einer Getriebesteuerung. © Eisenhans – <a href="http://stock.adobe.com">stock.adobe.com</a>

Mit so genannten schwebenden Kontaktelementen hat WECO eine Lösung entwickelt, die ein breites Anwendungsspektrum bietet. 

Bearbeitet nach Unterlagen der WECO Contact GmbH, 63452 Hanau.

Testen und Qualifizieren von ECU-Bordnetzkomponenten

Die in den Prüfvorschriften vorgegebenen Testsignale werden üblicherweise von arbiträren Funktionsgeneratoren generiert, müssen aber verstärkt werden, um die Leistung für den Test von ECUs und Bordnetzkomponenten nach den vorgeschriebenen Normen und OEM-Anforderungen bereitzustellen. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Einsatz schneller, linear geregelter Leistungsverstärker für diese Anwendungen.

Moderne Kraftfahrzeuge bestehen aus einer Vielzahl von elektrischen, elektronischen, hydraulischen und mechanischen Komponenten und Baugruppen, die auch unter extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten müssen. Für die maximale Zuverlässigkeit sind neben einer gewissenhaften Entwicklung auch umfangreiche Erprobungen der Komponenten und Systeme durchzuführen, die in internationalen Normen sowie spezifischen Hersteller-Prüfschriften geregelt sind.

Für die 12-V-Bordnetzsysteme ist dies die LV124, für die 48-V–Bordnetze die LV148 und für die Hochvoltbordnetze die LV123 sowie die VW80000. Neben diesen weltweit angewendeten Prüfvorschriften gibt es noch die individuellen Prüfvorschriften der einzelnen Automobilhersteller. Insbesondere sei auf die VW80000, Punkt 4.1, hingewiesen, die die Erfüllung der Spezifikationen am Prüfling fordert (Bild 1). Das bedeutet, dass insbesondere auch die Spannungsabfälle bis 200 kHz am Testobjekt, auch bei Laständerung, auszuregeln sind.

Die Testanforderungen unterliegen präzisen Vorgaben und erfordern genaue, reproduzierbare Messungen. Die Testvorschriften beschreiben Simulationen aller denkbaren Zustände. Die vorgegebenen Testsignale, dies sind überwiegend nicht-periodische Kurven, werden von speziellen arbiträren Funktionsgeneratoren erzeugt und über Leistungsverstärker zur Verfügung gestellt. Zu Batteriesimulationen gehören zum Beispiel: Simulation der Startvorgänge, der Ladevorgänge (bei allen möglichen Umgebungstemperaturen, bei denen sich die Kapazität und der Innenwiderstand ändert), der Alterung in Abhängigkeit der Temperatureinflüsse, der Ladezyklen usw.