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Datenübertragung im Kfz: Bluetooth Low-Energy für Kurzstreckenfunk

| Autor/ Redakteur: Shola Slough / Benjamin Kirchbeck

Die Allgegenwart von Bluetooth Low-Energy bedeutet, dass heute buchstäblich alles mit dem Smartphone verbunden wird. Das gilt natürlich auch für unsere Autos – oder zumindest für einige interessante Automotive-Funktionen.

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Bluetooth Low-Energy und Smartphone-Anbindung sind im Automotivesektor allgegenwärtig.
Bluetooth Low-Energy und Smartphone-Anbindung sind im Automotivesektor allgegenwärtig.
(Bild: Adobe Stock)

Das Telefon ist bereits Teil des Fahrzeugsystems geworden, was bedeutet, dass eine standardmäßige Funklösung im Auto vorhanden sein muss. Während sich die Art der verwendeten Funktechnik verändert, bleiben die technischen Anforderungen für Anwendungen wie Reifendrucküberwachungssysteme (TPMS), Key Fobs oder Phone-as-a-Key bestehen:

  • Zuverlässige Kommunikation
  • Geringe Latenzzeit
  • Sehr niedriger Betriebsstromverbrauch
  • Dauerbetrieb, ohne die Batterie zu sehr zu entladen

Bluetooth Low-Energy erfüllt diese Anforderungen, und seine Stärken im Automotive-Bereich lassen sich am Beispiel des Key Fobs (Schlüsselanhänger mit Ent-/Verriegelungsfunktion) demonstrieren. Diese sind klein,tragbar und benötigen eine sehr lange Batterielebensdauer – meist über viele Jahre. Sie scheinen die meiste Zeit „nichts“ zu tun, befinden sich jedoch in Wirklichkeit im Sleep-Modus und sind bereit, bei Bedarf und wenn in Reichweite zum Fahrzeug, zu kommunizieren. Daher ist ein Funkbetrieb mit geringem Stromverbrauch unerlässlich. Wird eine Taste gedrückt, um eine Autotür zu entriegeln, muss dies sofort ohne erkennbare Verzögerung geschehen, damit der Nutzer das Gefühl hat, die Kontrolle zu haben. Daher sind geringe Latenzzeiten und zuverlässige Kommunikation auch Voraussetzung. Die Allgegenwart von Bluetooth bietet auch die interessante Möglichkeit, ein Mobiltelefon anstelle des herkömmlichen Key Fobs zu verwenden.

Zuverlässige Kommunikation

Der moderne Key Fob dient nicht nur zum Ver-/Entriegeln eines Fahrzeugs. Er kann auch zum Orten eines Fahrzeugs auf einem großen Parkplatz verwendet werden oder das Fahrzeug aus der Ferne starten, damit man es an einem kalten Wintertag aufwärmen kann. Der Fahrer befindet sich nicht immer in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugs, daher muss die Kommunikation zwischen dem Key Fob und dem Fahrzeug über eine größere Reichweite zuverlässig sein – auch wenn die Übertragungs-/Sichtstrecke teilweise von Personen, Fahrzeugen oder anderen Hindernissen blockiert ist. Bluetooth Low-Energy verfügt über eine ungehinderte Sichtstrecke von mehreren zehn Metern, was eine mehr als ausreichende Reichweite auf einem normalen Parkplatz bietet.

Ein weiterer Aspekt der Zuverlässigkeit ist die Reaktionsschnelligkeit. Da Nutzer heute nahezu eine sofortige Reaktion erwarten, muss die Bluetooth-Low-Energy-Kommunikation mit sehr geringer Latenzzeit arbeiten. Der Zeitunterschied zwischen dem Drücken der Entriegelungstaste und dem Entriegeln der Fahrzeugtüren muss für den Fahrer unbemerkt bleiben. Bluetooth Low-Energy arbeitet mit sehr geringer Latenzzeit, was darauf zurückzuführen ist, dass in einem solchen System die vernetzten Systeme/Baugruppen praktisch immer eingeschaltet sind. Werden sie nicht benutzt, können sie in einen Energiespar-/Sleep-Modus übergehen, aus dem sie aufwachen und viel schneller in Betrieb gehen können als im ausgeschalteten Zustand. Der Vorteil, ständig eingeschaltet zu sein, darf jedoch nicht zu Lasten des Stromverbrauchs gehen.

Geringer Stromverbrauch

Bluetooth Low-Energy ist (wie der Name schon sagt) eine Funkkommunikationstechnik mit sehr geringem Stromverbrauch. Angesichts des Erfolgs bei batteriebetriebenen Consumer-Geräten, die nur über eine begrenzte Stromversorgung verfügen, ist der Einsatz dieser Technik im Automotive-Bereich unumgänglich. Bei einem Key Fob kann es im Durchschnitt zu 20 Tastendrücken pro Tag kommen, die jeweils ungefähr 6,2 ms dauern, was eine tägliche Gesamtbetriebszeit von nur 124 ms ergibt. Für den Rest des Tages befindet sich der Schlüssel in einem passiven Energiesparmodus. Während dieser Zeit muss der Stromverbrauch minimiert werden, um die Batterie nicht zu entladen.

Ist der Key Fob in Betrieb, muss sein aktiver Stromverbrauch so gering wie möglich sein, um die Lebensdauer seiner (normalerweise) 3 V-Knopfzellenbatterie zu verlängern. Obwohl eine Autobatterie größer und leistungsstärker ist, wird ein Key Fob zum Ver-/Entriegeln des Fahrzeugs bei abgeschaltetem Auto eingesetzt. Da der Motor nicht läuft, nutzt dieser Vorgang Leerlaufstrom zu einem Zeitpunkt, an dem die Batterie nicht aufgeladen werden kann. Zusätzlich zu den anderen Systemen wie der Uhr, dem internen Speicher des Motorcomputers und den Radiovoreinstellungen, die ebenfalls Batteriestrom verbrauchen, wenn das Auto nicht läuft, muss der Key-Fob-Transceiver im Fahrzeug ebenfalls sparsam sein, wenn es um den Strombedarf geht.

Bluetooth Low-Energy Funk-SoCs sind mittlerweile sofort und von zahlreichen Anbietern weltweit erhältlich. Die Vielzahl der Anbieter und der daraus resultierende Preiswettbewerb machen Bluetooth Low-Energy heute zu einer kostengünstigeren Standardproduktlösung als proprietäre Bausteine mit funkbasierter Kommunikation über kurze Entfernungen. Darüber hinaus sorgen die geringe Größe und das geringe Gewicht der Bauteile dafür, dass weder Volumen noch Gewicht zum System hinzugefügt wird. Beides sind wichtige Überlegungen in der Automobilindustrie, wo jedes eingesparte Gramm und jeder eingesparte Kubikmillimeter in Bezug zum reduzierten Leergewicht und zur Kraftstoffeffizienz stehen.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der zur Einführung von Bluetooth Low-Energy im Automotive-Bereich beigetragen hat, ist die Sicherheit. Vom Koppeln (Pairing) und Erzeugen von Schlüsseln bis hin zum Datenaustausch wurde Bluetooth Low-Energy von Anfang an als sicheres funkbasiertes Kommunikationsmittel entwickelt. Schließlich will niemand, dass Key Fobs oder Smartphones anderer Personen das eigene Auto aufsperren können! All diese Vorzüge machen Bluetooth Low-Energy zu einer vorteilhaften Option für die funkbasierte Kommunikation über kurze Strecken in Automotive-Anwendungen.

Der NCV-RSL10 von ON Semiconductor ist ein Bluetooth-5-zertifizierter Funk-SoC, der für Automotive-Anwendungen qualifiziert ist. Er bietet den branchenweit niedrigsten Stromverbrauch im Empfangs- und Deep-Sleep-Modus und verbraucht im Deep Sleep (I/O Wake-up) nur 25 nA Strom, wenn er an einer 3 V-Versorgung betrieben wird. Mit seinem niedrigen Stromverbrauch sorgt der NCV-RSL10 für eine vernachlässigbar geringe Entladung der Hauptbatterie im Fahrzeug, eine längere Batterielebensdauer (im Fahrzeug oder Key Fob) sowie eine geringere Produktgröße aufgrund einer kleineren Batterie (im Key Fob) und beim Energy Harvesting in Reifendrucküberwachunssystemen (TPMS).

Weitere wichtige Aspekte für Bauelemente, die in Automotive-Anwendungen zum Einsatz kommen, sind Sicherheitsmerkmale und die Fähigkeit, anspruchsvolle Sicherheitsstandards und hohe Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen. Das 7 mm x 7 mm große QFN-Gehäuse des NCV-RSL10 mit benetzbaren Flanken ermöglicht Herstellern und OEMs die automatische visuelle Inspektion (AVI) nach der Montage –heute eine häufige Anforderung und ein gängiger Teil des Produktionsablaufs. Der SoC-Baustein verfügt außerdem über einen integrierten AES128-Verschlüsselungsbeschleuniger zum Schutz sensibler Daten und ist AEC-Q100 Grad 2 qualifiziert, was den Temperaturbereich von -40 bis + 105 °C abdeckt.

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