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Bausteine für die Karosserieelektronik – Evolution oder Revolution?

| Autor / Redakteur: Arun T. Vemuri / Benjamin Kirchbeck

Ein Überblick über die konzeptionelle Anordnung verschiedener, dem Bereich der Karosserieelektronik zuzuordnender Steuergeräte im Innern eines Autos.
Ein Überblick über die konzeptionelle Anordnung verschiedener, dem Bereich der Karosserieelektronik zuzuordnender Steuergeräte im Innern eines Autos. (Bild: Sergey Nivens - Fotolia)

Wie verändert sich die Karosserieelektronik im Zeitalter der Connected Cars? Ein Überblick über den aktuellen Stand, was uns in Zukunft erwartet und welche Herausforderungen der Wandel mit sich bringt.

Der Begriff Karosserieelektronik umfasst ein breites Spektrum von Systemen, von denen man einige in nahezu allen Automodellen antrifft, während andere nur in Fahrzeugen der Premiumklasse zu finden sind und sich wieder andere noch in der Entwicklung befinden. Das Spektrum der Karosserieelektronik-Systeme beschränkt sich keineswegs nur auf Systeme im Fahrzeuginnern, sondern schließt auch Zugangssysteme ein, die den Fahrzeuginsassen die Möglichkeit bieten, einfacher und sicherer in das Auto und wieder hinaus zu gelangen.

In der Gesellschaft betrachtet man einige der Komfortfunktionen, die man in modernen Autos findet, inzwischen als Selbstverständlichkeit. Ein Beispiel sind die Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, mit denen mittlerweile nahezu alle Autos ausgestattet sind. Ähnlich ist es bei den elektrischen Fensterhebern: bis vor gut zehn Jahren musste man in vielen Pkw die Fenster noch mithilfe einer Kurbel öffnen und schließen, doch in den heutigen Autos lassen sich die Fenster bequem per Knopfdruck bewegen. Einige Fenstersysteme besitzen zudem einen Einklemmschutz: wird beim Schließen des Fensters ein Hindernis detektiert, öffnet sich das Fenster automatisch wieder.

Bei vielen heutigen Autos lassen sich auch die Sitze elektrisch verstellen. Anstatt den Sitz mithilfe von Hebeln in die gewünschte Position bringen zu müssen, können die Fahrzeuginsassen hier Schalter so einstellen, dass die Sitzhöhe, die Distanz zu den Pedalen und die Höhe der Kopfstütze richtig eingestellt sind (Bild 1). Fahrzeuge der Premiumklasse warten zusätzlich mit einer verstellbaren Lordosenstütze und der Möglichkeit auf, auch die Sitzbreite und -tiefe individuell anzupassen. Zusätzlich bieten diese Fahrzeuge eine dynamische Sitzsteuerung, die verhindert, dass die Insassen bei Kurvenfahrten in ihren Sitzen hin- und her rutschen. Alle diese Positionseinstellungen erfolgen mit Gleichstrommotoren, mit denen der Sitz bestückt ist. Angesteuert werden diese Motoren mit Steuergeräten, die auf Halbleitertechnik basieren. Einige elektrisch verstellbare Sitze besitzen zusätzlich eine Speicherfunktion und bewegen sich auf Knopfdruck in eine zuvor abgespeicherte Position.

Automatisch abblendende Innen- und Außenspiegel fallen ebenfalls in den Bereich der Karosserieelektronik. Diese Technik ist dafür gedacht, die Blendung durch die im Spiegel sichtbaren Scheinwerfer hinterherfahrender Autos bei Dunkelheit zu verringern. Natürlich könnten die Autofahrer die Blendung auch durch manuelles Verstellen der Spiegel unterbinden. Komfortabler aber sind die selbsttätig abblendenden Spiegel, die mithilfe optischer Sensoren und eines speziellen elektrochromen Glases funktionieren.

Im Bereich der Zugangssysteme haben verschiedene Systeme von RKE-Lösungen (Remote Keyless Entry) bis zu PEPS-Systemen (Passive Entry Passive Start) Einzug gehalten und machen das Einsteigen zu einem mühelosen, komfortablen und sicheren Vorgang. Per Funk sorgen diese Systeme für das Ver- und Entriegeln der Türen, und zum Starten des Motors ist nur noch ein Knopfdruck erforderlich. Einige Systeme erlauben sogar das Anlassen des Motors von außen, damit das Innere des Fahrzeugs vor dem Einsteigen auf eine angenehme Temperatur erwärmt oder gekühlt werden kann.

Trends im Bereich der Karosserieelektronik

Viele Komfort- und Bequemlichkeitsfunktionen sind bereits verfügbar, aber es gibt in diesem Bereich auch viele neue Entwicklungen, die es den Fahrzeuginsassen erlauben, sich wohler zu fühlen und die Einstellungen mit wenig Aufwand genau abzustimmen. Um diese Trends soll es in den nächsten Abschnitten gehen.

Motoren sind schon in den heutigen Autos allgegenwärtig, und ihre Zahl wird weiter steigen. Zum Beispiel wird bei den elektromotorisch betriebenen Kofferraumdeckeln und Heckklappen eine jährliche Zuwachsrate von 12 % erwartet (laut Strategy Analytics). Diese Systeme übernehmen übrigens nicht das Öffnen und Schließen, sondern verriegeln darüber hinaus den Kofferraumdeckel auch noch selbsttätig. Hindernisse werden automatisch erkannt, sodass der Schließvorgang automatisch unterbunden wird, sobald ein Objekt wie etwa eine Hand im Weg ist.

Ein weiteres interessantes Feature gestattet ein sanfteres Schließen von Türen und Kofferraumdeckeln. Es reicht, die Tür oder den Kofferraumdeckel bis in eine fast geschlossene Position zu drücken. Das System übernimmt anschließend das vollständige Schließen. Ermöglicht werden auch diese Zuziehhilfen durch Motoren, die über Halbleiter angesteuert werden.

Höhe und Neigung des Lenkrads sind bereits bei vielen modernen Autos einstellbar, aber in zahlreichen Fahrzeugen der Kleinwagen- und Mittelklasse erfolgt diese Einstellung inzwischen ebenfalls mithilfe von Motoren. An Verbreitung gewinnt auch das elektromotorische Verstellen und Anklappen der Außenspiegel – letzteres mit dem Ziel, Beulen auf engen Parkplätzen zu verhindern.

Fortschrittliche Bedienoberflächen

Die Insassen moderner Fahrzeuge müssen verschiedene Schalter, Tasten und Knöpfe bedienen. Bei diesen Bedienoberflächen bzw. Mensch-Maschine-Schnittstellen (engl. Human Machine Interfaces; HMIs) vollziehen sich ebenfalls einige aufregende Veränderungen, und zwar nicht nur bei den Unterhaltungs- und Clustersystemen, sondern auch im Bereich der Karosserieelektronik.

Mit der Zahl der in einem Fahrzeug vorhandenen Komfortoptionen steigt auch die Zahl der Schalter, Tasten und Knöpfe. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Schalter zum Schließen des Kofferraums, Tasten zum Einstellen der Klimaanlage oder einen Knopf zum Verstellen der Wischergeschwindigkeit handeln. All diese Bedienelemente werden benötigt, damit die Fahrzeuginsassen ihre Umgebung gemäß ihren Belangen einstellen können.

Zahlreiche Schalter, Tasten und Knöpfe im Fahrzeug sind mit LEDs hinterleuchtet, damit sie von den Fahrzeuginsassen auch bei Dunkelheit gefunden werden können. Die Helligkeit dieser Hintergrundbeleuchtung wird mithilfe von Umgebungslicht-Sensoren automatisch angepasst, damit bei Dunkelheit eine Blendung der Insassen und insbesondere des Fahrers durch die HMI-Systeme ausgeschlossen ist.

Die Gestenerkennung im Auto erlaubt es den Fahrzeuginsassen, mit einer einfachen Handbewegung beispielsweise das Öffnen oder Schließen des Schiebedachs oder das Verstellen der Radiolautstärke zu veranlassen. Diese entweder auf optischen Lösungen oder auf Radartechnik beruhenden Systeme interpretieren die Absicht des Bedieners und steuern dann über einen Operationsverstärker einen Motor an, der die gewünschte Aktion ausführt. Die Interaktion mit dem Fahrzeug wird durch solche Systeme auf jeden Fall einfacher.

Zugang zum Auto

Passive Zugangssysteme geben Autofahrern die Möglichkeit, in ein Fahrzeug einzusteigen, ohne direkt die Fernbedienung zu betätigen. Sobald eine Person versucht, das Fahrzeug durch Drücken einer Taste am Türgriff zu entriegeln, wird dies von der Karosserieelektronik erkannt. Die Elektronik kommuniziert daraufhin mit der Fernbedienung, die sich zur Verifizierung in der Nähe befinden muss, und entriegelt daraufhin das Fahrzeug. Dasselbe Konzept kann auch zum Verriegeln des Fahrzeugs benutzt werden.

Ebenfalls stark steigende Tendenz hat der Einsatz passiver Zugangssysteme auf Gestenbasis (wie in Bild 1 dargestellt). Diese Systeme öffnen die Heckklappe, wenn der Benutzer mit dem Fuß unterhalb des Stoßfängers gegen die Karosserie tippt. Solche „Kick-to-open“-Systeme basieren auf kapazitiven Sensoren, jedoch sondieren die Automobilhersteller inzwischen auch die Verwendung alternativer Techniken wie etwa Ultraschall oder Radar, um die Empfindlichkeit der Systeme zu verbessern.

An Verbreitung gewinnt auch die Verwendung von Smartphones zum Ver- und Entriegeln der Fahrzeugtüren und sogar für die Interaktion mit einigen einstellbaren Funktionen im Fahrzeug. Bei traditionellen RKE- oder PEPS-Systemen sendet das Zugangssystem im Fahrzeug niederfrequente Funksignale an die Fernbedienung, die daraufhin mit ultrahochfrequenten (UHF-) Signalen antwortet. Angesichts ihrer allgemeinen Verbreitung können Smartphones die traditionelle Fernbedienung ersetzen, wobei allerdings Bluetooth® zur Kommunikation mit den Fahrzeugsystemen verwendet wird. Fernbedienungen auf BLE-Basis (Bluetooth Low Energy) dürften an Popularität gewinnen, weil es bei ihnen auf geringen Stromverbrauch ankommt. Die Überwindung der technischen Probleme bei der BLE-basierten Autozugangstechnik wird den Weg zu BLE-Fernbedienungen ebnen und es möglich machen, UHF-basierte Fernbedienungen durch Bluetooth-fähige Smartphones zu ersetzen. Smartphones können ebenfalls als Alternative zu den HMI-Systemen im Fahrzeug dienen, um Dinge wie die Innentemperatur, die Sitzposition oder das Lenkrad zu verstellen.

Automatische Verdunklung

Die Zahl der Fahrzeuge, die mit selbsttätig abblendenden Spiegeln auf der Basis elektrochromer Gläser ausgestattet sind, nimmt zu. Eine weitere komplementäre Technik ist die sich automatisch abdunkelnde Fahrzeugverglasung, die von Automobilherstellern inzwischen für die Seiten- und Heckscheiben oder das Schiebedach verwendet wird. Diese Systeme basieren auf besonderem Glas und einer speziellen Elektronik, die den Abdunklungsgrad so einstellt, dass optimale Lichtverhältnisse im Fahrzeug herrschen und die entsprechende Sichtbarkeit gewährleistet ist. Auch diese Systeme nutzen optische Sensoren, um die Lichtverhältnisse zu detektieren und die Abdunklung automatisch anzupassen.

Zunehmende Elektrifizierung

Die zunehmende Verbreitung elektrisch angetriebener Fahrzeuge, zu denen auch Hybridfahrzeuge (Bild 3) zählen, hat eine entsprechende Zunahme in der elektrischen Architektur der Karosserieelektronik-Systeme zur Folge.

Bei den traditionellen Autos mit Verbrennungsmotor treibt der Fahrmotor über einen Keilriemen den Kompressor der Klimaanlage an, und die Abwärme des Motors dient zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums. Werden dagegen Elektromotoren zur Traktion eingesetzt, werden sowohl der Klimaanlagen-Kompressor als auch die Heizung aus einer Hochspannungs-Fahrzeugbatterie gespeist. Dies hat zur Folge, dass sich die Elektronik zur Ansteuerung von Kompressor und Heizung ebenfalls verändern muss.

Die Verfügbarkeit einer hohen Spannung im Fahrzeug hat auch Einfluss auf die Art der Motoren und anderen Aktoren sowie darauf, wie die Entwickler an das Design der Karosserieelektronik herangehen. Unabhängig davon, ob die Architekturen aus Effizienz- oder Kostengründen zentralisiert oder dezentralisiert ausgeführt werden, werden die Entwickler aus Gründen des Wirkungsgrads stets solche Implementierungen wählen, bei denen die Hochspannungs-Batterie die Karosserieelektronik direkt ansteuert.

Bei den Karosserieelektronik-Systemen zählt kontinuierliche Weiterentwicklung

Die dem Komfort und der Bequemlichkeit dienenden Features in einem Auto werden mit der Zeit immer weiterentwickelt werden. Schrittweise Ergänzungen oder Änderungen an den Steuergeräten der Karosserieelektronik haben nicht nur den Vorteil niedrigerer Entwicklungskosten, sondern minimieren auch die Auswirkungen auf die bestehende Leiterplatte.

Das Hinzufügen von Halbleitertechnik auf der Leiterplatte kann bei der Realisierung neuer Features in den Karosserieelektronik-Systemen helfen. Zum Beispiel macht das Nachrüsten eines Einklemmschutzes am Schiebedachmodul das Hinzufügen von Stromwächtern mithilfe von Operations- oder Instrumentenverstärkern erforderlich. Diese Verstärker implementieren Schaltungen zur Detektierung von Bewegungen des Motors, indem sie die Welligkeit der Motor-Gleichspannung zählen (Ripple Count) oder mithilfe von Strommessungen ein Blockieren des Motors infolge von Hindernissen feststellen. Bei einem Schiebedach-Steuergerät, das bereits Power-Management-Funktionen, Kommunikations-Schnittstellen und Motortreiber-Bauelemente enthält, stellt das Hinzufügen von Operationsverstärkern jedoch nur eine schrittweise Änderung dar.

Ein weiteres Beispiel für eine inkrementelle Änderung ist die Ansteuerung der Außenspiegel. Möglicherweise gibt es für den Spiegel bereits ein Steuergerät, das ein Verstellen in horizontaler und vertikaler Richtung gestattet. Um zusätzlich einen Elektromotor zum Einklappen des Spiegels zu installieren, müsste die betreffende Leiterplatte mit einem weiteren Motortreiber bestückt werden, während die übrigen Schaltungen des Steuergeräts unangetastet blieben.

Die meisten Steuergeräte im Bereich der Karosserieelektronik nutzen Low-Dropout-Regler (LDOs) zum Umwandeln der Bordnetzspannung in die von den Halbleiter-Bauelementen in den Steuergeräten benötigte Spannung. Die Realisierung immer neuer Komfort- und Bequemlichkeitsfunktionen und der Umstieg auf elektrische Traktion werden den Bedarf an effizientem Power-Management jedoch immer weiter erhöhen. Um Designs energieeffizienter zu machen, sollten Designer die Verwendung einer geschalteten Stromversorgung erwägen. Ein Anheben des Wirkungsgrads verleiht Elektrofahrzeugen einen größeren Aktionsradius, während sich bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor der Kraftstoffverbrauch verringert.

Ein ähnlich energieverschwendendes Szenario existiert bei den Verpolungsschutz-Dioden. Man findet diese Dioden in nahezu allen Steuergeräten im Auto, um Schäden an der Elektronik zu vermeiden, wenn die Fahrzeug einmal versehentlich in falscher Polarität angeschlossen werden sollte. Eine Möglichkeit, die in der Diode anfallenden Verluste zu verringern, ist ihr Ersatz durch eine „intelligente“ Diodenlösung auf der Basis eines MOSFET mit dem zugehörigen Treiber. Auch diese Umstellung stellt eine inkrementelle Änderung dar, die keine Folgewirkungen für die übrigen Schaltungen und Bauelemente im Steuergerät hat.

Die Bedeutung von Universal-ICs in Karosserieelektronik-Systemen

Wie diese Beispiele gezeigt haben, müssen sich die Schaltungen in den bestehenden Steuergeräten nur schrittweise verändern, wenn die Systeme in der Karosserieelektronik durch neue Features ergänzt werden. Zur Umsetzung dieser evolutionären Änderungen werden die Ingenieure auf universelle ICs wie etwa geschaltete Stromversorgungen, Operationsverstärker, Kommunikations-Transceiver, Analog-Multiplexer und Logikbausteine wie in Bild 4 zurückgreifen. Halbleiter dieser Art spielen eine entscheidende Rolle dabei, Ingenieuren die Entwicklung kosteneffektiver Karosserieelektronik-Systeme zu ermöglichen.

Nicht zuletzt ist es den Entwicklern mit solchen Bauelementen möglich, ihre Systeme schneller zur Produktionsreife zu bringen. Anstatt also auf die Verfügbarkeit applikationsspezifischer Halbleiterbausteine zu warten, die neue Features unterstützen, lassen sich die inkrementellen Änderungen an den Schaltungen mit bestehenden Bauelementen implementieren.

Fazit

Karosserieelektronik-Systeme liegen gegenüber der wachsenden Zahl von Komfort- und Bequemlichkeits-Features im Auto im Rückstand. Das Spektrum dieser Systeme, die sowohl zentralisiert als auch dezentralisiert implementiert werden können, reicht von Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystemen über Zugangssysteme, elektrisch verstellbare Sitze und elektrisch betätigte Heckklappen bis hin zu automatisch abdunkelnden Spiegeln. Während einige dieser Features nur in Fahrzeugen der Premiumklasse geboten werden, setzen sie sich langsam auch in Mittelklasse-Autos und Kleinwagen durch. Es kommen immer neue Features hinzu, um den Insassen den Aufenthalt im Fahrzeug so angenehm wie möglich zu machen.

Da das Hinzufügen neuer Features meist inkrementell und evolutionär verläuft, hat man die Wahl, entweder das Steuergerät komplett neu zu entwerfen oder eine bestehende Leiterplatte durch zusätzliche Schaltungen zu ergänzen. Ein vorhandenes Board schrittweise zu verändern, könnte sowohl hinsichtlich der Entwicklungskosten als auch bezüglich der Markteinführungszeit Vorteile bieten. Das von TI angebotene breite Portfolio an universellen ICs eignet sich zur Umsetzung ergänzender Schaltungen. Zusätzlich lassen sich die TI-Referenzdesigns als Ausgangsbasis für inkrementelle Änderungen an Karosserieelektronik-Systemen nutzen.

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* *Arun T. Vemuri ist General Manager im Bereich Automotive Body Electronics and Lighting bei Texas Instruments

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