Embedded Systems in der Fahrzeugindustrie

1. Embedded Systems in der Fahrzeugindustrie Daniel Apel Dominik Jung

2. Übersicht • Einleitung • Aufbau eines Autos • Heutiger Technikstand (Beispiele) • Vernetzung der einzelnen Komponenten • Quellen

3. EinleitungVerbraucherwünsche Umfrage unter 6200 Autokäufern im Jahr 2002 über beliebte Komfortfunktionen im Auto

4. Verbesserung der Sicherheit • Jahr 2000: ca. 41900 Todesfälle in der Europäischen Union • Ziel: bis zum Jahr 2010 diese Zahl zu halbieren Bild2: Statistik Todesfälle in EU

5. Effizienzsteigerung Energieeinsparung: • Gewichtsreduzierung • effektievere Motorsteuerung durch Erhöhung des Wirkungsgrades • Abschalten einiger Komponenten, wenn sie nicht benötigt werden (z.B. Servolenkung) Platzprobleme: - Mechanische Komponenten können nicht beliebig im Auto untergebracht werden - z.B. Aggregate, die vom Motor angetrieben werden, müssen in der Nähe des Motors platziert werden - Probleme bei Links- und Rechtslenkerfahrzeugen - Lenkstange nimmt sehr viel Platz ein und ein Umbau führt zu einem kompletten Redesign des Motorraums - durch elektronische Ersetzung → nahezu beliebige Anordnung im Fahrzeug möglich - bessere Wartung

6. 2. Aufbau eines Autos Bild3: VW Phaeton

8. 3. Heutiger Technikstand • Es gibt 3 Klassen von elektronischen Komponenten • Sensoren • Aktoren • Steuergeräte (ECU‘s) • Anforderung an ECU‘s (Electronic Control Unit) • ECU‘s müssen klein sein • Geringes Gewicht • Geringer Stromverbrauch • Robust ausgelegt werden • Niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit (10E-9)

9. 3.1 Einblick in ein Auto

10. 3.2 Beispiele • Airbag • Reifendruckkontrolle • Elektronisches Stabilitäts – Programm

11. Airbag Auslösung und Ablauf der Airbagzündung • Zeitpunkt 0 → Auto berührt Crashwand • Nach 25 ms → Sensor aktiviert Zündpille des Fahrermoduls • Nach 30 ms → Abdeckung des Fahrermoduls abgerissen → Airbag wird aufgeblasen • Nach 55 ms → Airbag komplett aufgeblasen → Fahrer taucht ein • Nach 85 ms → Fahrer bewegt sich von Lenkrad weg • Nach 150 ms Unfallgeschehen abgeschlossen

12. Airbag Auslösung und Ablauf der Airbagzündung • Erkennung eines Crashs durch Steuergerät im Winkel von je 30° zu Fahrzeuglängsachse → entsprechender Airbag wird ausgelöst • Wird Beschleunigung durch Seitensensor erfasst, wird Seitenairbag ausgeführt • Bei Crash seitlich vorn → Fahrer-, Beifahrer- und Seitenairbag ausgelöst

13. Airbag Übersicht über Airbagsysteme • Pyrotechnische Gasgeneratoren • Festtreibstoffsätze auf Basis von Natriumazid • Bei Verbrennung → exakte Gasmenge zum Füllen • Hybridgasgeneratoren • Druckgefäß mit komprimierten Gas • Beim Anzünden öffnet Treibsatz die Membran des Gasbehälter → Airbag wird aufgeblasen

14. Airbag • Jedes Fahrzeug mit Airbag ist mit Buchstaben SRS (Supplemental Restraint System) auf Airbag gekennzeichnet • Kontrollleuchte beim Einschalten der Zündung in der Instrumententafel

15. Airbag Beschleunigungs- oder Crashsensor • Für Auslösung der Zündung ist Info von 2 unabhängig von einander arbeitenden Beschleunigungssensoren notwendig • Im Steuergerät oder im Vorderwagen des Kfz verbaut • Wenn Frontsensoren vorhanden, dann immer zwei

16. Airbag • Sensoren sind mit Spezialschrauben befestigt • Reaktion bei Beschleunigung von 3-5 g • Mindestens ein Frontsensor und ein Sicherheitssensor müssen ausgelöst haben • Gewichtsrolle ist innen hohl, mit Bronzefederband verbunden • Bronzefederband am Ende des Gehäuses befestigt • Gewichtsrolle rollt über Kontaktfeder und Stromkreis ist geschlossen • Beschleunigungssensor reagiert auf abrupten Stopp der Fahrzeuges • Elektrische Kapazität entsteht bei der Auslenkung der Siliziummasse des Sensors

17. Airbag Safing Sensor • Bietet Schutz vor ungewollter Airbagauslösung Magnet Feder Reedröhre Kontakte Harz gefülltes Rohr • magnetische Gewichtsmasse befindet sich auf einem harz gefüllten Rohr • wird von der Kraft der Feder in Ruhestellung gehalten • Beinhaltet Reedröhre mit zwei Kontakten • Aufprall: Magnet gleitet entgegen der Feder auf dem Rohr • Kontaktschluss → Airbagauslösung

18. Airbag Airbag – Steuergerät • Überwacht Funktionsbereitschaft des Airbags • Fehleranzeige über Kontrollleuchte • Zündet bei Unfällen die Gasgeneratoren • Das Steuergerät unterteilt sich in folgende Bereiche • Diagnoseeinheit und Fehlerspeicher (Überwachungselektronik) • Auswerteelektronik mit Spannungswandler (Zündenergieerzeuger) und Energiespeicher (Zündkondensator) • Beschleunigungsaufnehmer mit Sicherheitssensor • Crashsensor (je nach Ausführung) • Meist zentral im Wagen eingebaut

19. Airbag Funktionsweise des Steuergerätes • Diagnoseeinheit überprüft mit Prüfstrom auf Übergangswiderstände oder Unterbrechungen die • Wickelfeder, • die Zündpille • die Frontsensoren • Durch Sicherheitssensor bestätigter Aufprall aktiviert Zündpille im Gasgenerator • Unfall: Zündkondensator gibt gespeicherte Energie über • den geschlossenen Crashsensor und • geschlossenen Sicherheitssensor • an die Zündpille im Gasgenerator ab • Airbag wird ausgelöst

20. Airbag • Wickelfeder stellt Verbindung zwischen Kabelbaum und beweglichen Lenkrad her • Lenkradumdrehungen in beiden Richtungen möglich

21. Airbag Gasgenerator Gehäuse Metallfilter Festtreibstoff in Tablettenform ca. 500 g Brückenzünder mit Zündpille

22. Airbag • Gasgenerator enthält einen Feststofftreibsatz ( ) • Sensor aktiviert elektrischen Brückenzünder • Zündpille leitet die Verbrennung des Treibstoffes ein • Zündstrom des Brückengenerators erwärmt Draht • 8g Schwarzpulver werden gezündet (nur verbrannt) • Airbagfüllgas (Stickstoff) bläst Airbag auf • Metallfilter reinigt Stickstoff und kühlt ihn von 300 °C auf 60 °C ab • Keine Hörschädigung bei entstehenden Knall (160dB, 3ms lang)

23. Airbag - elektrischen Bauteile

24. Reifendruckkontrolle • Zu geringer Luftdruck → Walkbarbeit, frühzeitiger Reifenverschleiß • Bei hoher Geschwindigkeit können Reifen platzen • Erhöhter Kraftstoffverbrauch • In USA Reifendruckkontrollsystem Pflicht • Zwei verschiedene Systeme (passive und aktive Systeme) • Passive Systeme: • Überwachung über ABS • Vorteil → billige Lösung • Nachteil → schleichender Luftdruckverlust wird nicht erkannt • Aktive Systeme: • Jedes Rad hat eigenen Sensor • Vorteil → Messung exakter, Reserverad wird mit geprüft • Nachteil → Sensoren können schnell beschädigt werden

25. Reifendruckkontrolle Tire Safety System (TSS) Warnt vor: • plötzlichem Druckverlust • schleichendem Druckverlust • Minderdruck (Vollbeladung) Komponenten des Reifendrucksystems: • Ventile • Radelektronik • Empfangsantennen • Steuergerät

26. Reifendruckkontrolle Funktionsweise: • Batterieradelektronik im Reifen misst Druck und Temperatur • Werte in Datentelegramm an Hochfrequenz - Empfangseinheit gesendet • Zur Auswertung an zentrale Steuereinheit gesendet • Gefährlich ist schnelle Reifendruckverlust • Aufforderung zum sofortigen Anhalten (“Harte Warnung“) • Bei langsamen schleichenden Druckverlust erhält Fahrer eine “Weiche Warnung“

27. Reifendruckkontrolle System von Citroen • In jedem Radventil ist ein Sensor • durch Hochfrequenzsignal wird Druckwert an Empfangsteil gesendet • RDKS kann Druck der einzelnen Reifen nicht anzeigen • Auch Position des Druckverlustes wird nicht angezeigt • Akustische Meldung bei Druckverlust > 0.3 bar

28. Reifendruckkontrolle RoadSnoop von Nokian • Einfache und kostengünstige Methode • Alarm aus Ton und Lichtsignal wird per Funk in einem kleinen Empfänger im Auto ausgelöst • Vier Sensoren, die mit Stahlband an Felgen befestigt werden • Verwendung in jedem Auto • Ca. 200 Euro

29. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) • ESP stabilisiert das Fahrzeug (besonders in Kurven) • Von Bosch und Mercedes entwickelt • Wirkt in Kombination mit ASR und ABS • ABS und ASR wirken in Fahrzeuglängsrichtung • ESP beeinflusst die Querdynamik (Querschlupfregelung) • Wirkt 2 Gefahren entgegen • Untersteuerung • Übersteuerung

30. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Untersteuerung • die Vorderräder verlieren den Kontakt zur Fahrbahn • das Auto dreht sich um seine Hochachse aus der Kurve heraus Übersteuerung • die Hinterräder verlieren den Kontakt zur Fahrbahn • das Auto dreht sich ganz geringfügig um seine Hochachse in die Kurve hinein

31. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Funktionsweise

32. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Beispiel für Untersteuerung Was passiert, wenn der Wagen in der Linkskurve untersteuert und geradeaus zu schlittern droht? • ESP setzt an Hinterachse an • Linkes Hinterrad wird abgebremst • Wagen wird wieder auf richtigen Kurs gebracht Übersteuern = Heck bricht aus

33. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Beispiel für Übersteuerung Was passiert, wenn der Wagen zu schnell in eine Linkskurve fährt? • Wagen übersteuert und droht zu schleudern • ESP setzt an Vorderachse an • Rechtes Vorderrad wird ausgebremst • Wagen wird wieder auf richtigen Kurs gebracht Untersteuern = Schieben über die Vorderräder nach außen

34. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Wirkungsweise • Blitzschneller Zugriff gesteuert durch Zentraleinheit (Systemrechner) • Systemrechner erhält Informationen über Verhaltensweise der Wagens über Drehbewegungen um seine Hochachse (von Gierraten – Sensor) • Verfolgt wie ein Kompass die Lage des Wagens • Andere Sensoren signalisieren: • Wie hoch ist der momentane Bremsdruck ?  • Wie ist die Stellung des Lenkrades ?  • Wie groß ist die Querbeschleunigung ?  • Wie hoch ist das Tempo ? • Wie unterschiedlich sind die Raddrehzahlen ? • Aus diesen Daten errechnet der Systemrechner die Abweichung zwischen Soll – Fahrverhalten und dem Ist – Fahrverhalten • Steuert dann notwendige Bremseingriffe

35. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Weiter wichtige Sensoren im ESP ist: • Drehsensor • misst Drehbewegung des Wagens • Besteht aus mikromechanischen Sensorelement und einem integrierten Schaltkreis • Wertet Signale aus • zusätzlich wird Bewegung um die Längsachse gemessen, wenn Gefahr eines Überschlages droht

36. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) • ESP reagiert auf Abweichungen von der Ideallinie mit 2 Strategien • Dosiertes Bremsverhalten (auf jedes einzelne Rad getrennt möglich) • Automatische Anpassung der Motorleistung • Stabilisierung nicht nur auf trockener Straße sonder auch bei Nässe, Glätte, Rollsplitt und anderen schlechten Fahrbedingungen

37. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) ESP – Steuergerät • Besteht aus 2 Rechnern mit jeweils 56 kByte Speicherkapazität • Große Rechenkapazität, um laufend die Systemkomponente zu überprüfen • Sensor zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs nach jedem Messvorgang zusätzlich kontrolliert (im Rhythmus von 20 Millisekunden)

38. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) ESP vereint Fahrdynamiksysteme wie ABS, ASR und den Bremsassistenten miteinander

39. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Zusammenfassung • Gehört zur aktiven Sicherheit • besteht aus ABS + ASR + GMR (Giermomentregelung) • 2 Drucksensoren messen Bremsdruck • Lenkradsensor erfasst Lenkeinschlagwinkel • Radsensoren (ABS) messen Raddrehzahlen • → Zielwunsch des Fahrers (Sollkurs) • Gierratensensor erfasst Giermoment • Querbeschleunigungssensor misst Querbeschleunigung • → Tatsächliche Bewegung (Istkurs)

40. Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Zusammenfassung • ESP – Steuergerät zusätzlich per CAN Bus an Motor und Automatikgetriebe angeschlossen • Erhält jederzeit aktuelle Daten über Motordrehmoment, Gaspedalstellung und Getriebeübersetzung

41. Vernetzung im Auto

42. Vernetzung im Auto – CAN Bus Aufgabe • die Information von jedem Steuergerät für alle anderen nutzbar zu machen → Sensoren einsparen • Aufwand an Verkabelung zu verringern. • die Ausführung von Befehlen zu überwachen • den Fehlererkennungs- und Diagnosebereich zu erweitern. • eine universelle Schnittstelle zu bieten.

43. Vernetzung im Auto – CAN Bus Funktionsweise • Heutzutage 50 und mehr Steuergeräte im Auto normal • Wenn mehrere der Steuergeräte die gleiche Info brauchen reicht ein Sensor • Sensor erhält Ministeuergerät, was die Daten über CAN – Bus weitergibt • spart Kabel • Ermöglicht Fehleranalyse • Theoretisch würde eine groß dimensionierte Versorgungsleitung und zwei dünne Steuerleitungen genügen, die nicht einmal abgeschirmt sein müssen • Praktisch: Datenübertragungskapazität des Busses ist begrenzt • Zusätzlich sind noch verschiedene Geschwindigkeiten notwendig • Nur Minicomputer mit Eingabe- , Ausgabeeinheit, ROM und RAM – Speicher können auf Netz zugreifen

44. Vernetzung im Auto – CAN Bus • → jede Glühbirne und jeder Schalter müssten einen Controller haben • Für Komfortelekronik gibt es immer langsamere und für Motor- und Sicherheitselektronik immer schneller CAN – Busse • CAN – Bus ist Ereignisgesteuerter Bus • Maximale Übertragung von 1 Mbit/s • Liegt in drei Strängen unabhängig von einander • Jedes kommunizierende Gerät kann Nachricht auf Bus legen, die dann nach Prioritäten abgearbeitet werden • → Bus ist nicht deterministisch • → für zeitkritische Aufgaben nicht geeignet

45. Vernetzung im Auto – CAN Bus Antriebsstrang: • Verbindet ECU‘s mit Antriebsaufgaben (Motorsteuerung, ABS) • Wird mit ca. 500 KBit/s betrieben Komfortstrang: • Verbindet ECU‘s, die Komfortaufgaben erfüllen (Fensterheber, Zentralverriegelung) • Wird mit ca. 125 KBit/s betrieben Infotainmentstrang: • Infotainment ECU‘s wie Freisprecheinrichtung, Autoradio • Wird mit max. 1MBit/s betrieben

46. Vernetzung im Auto LIN (Local Interconnect Network) • Low – Cost Alternative zum CAN – Bus • Bei sehr geringer Bandbreite • Im Vergleich zu CAN – Bus können bis zu 50% Kosten eingespart werden TTCAN (Time – Triggert CAN) • Erweiterung des CAN – Busses um eine Zeitgesteuerte Ebene • Jede angeschlossene ECU‘s kann zu festen Zeitpunkt senden • Nachricht in festen Zeitfenster zugestellt • → Erreichen des Determinismus • Sehr geringe Zeitverzögerung • Befindet sich zur Zeit in Entwicklung

47. Quellen • www.kfztech.de • www.all-electronics.de • www.elektroniknet.de • www.kraftfahrzeugtechnik-heute.de • www.bosch.de • Technische Universität Braunschweig