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Telematik-Hardware – Vier Aspekte für das Design im Connected Car

| Autor / Redakteur: Hope Bovenzi* / Benjamin Kirchbeck

Eine TCU stellt dem vernetzten Auto nicht nur die gesamte eCall-Funktionalität zur Verfügung, sondern dazu auch das Senden und Empfangen von Daten beispielsweise über den Standort, Over-the-Air-Updates oder Telefonanrufe.
Eine TCU stellt dem vernetzten Auto nicht nur die gesamte eCall-Funktionalität zur Verfügung, sondern dazu auch das Senden und Empfangen von Daten beispielsweise über den Standort, Over-the-Air-Updates oder Telefonanrufe. (Bild: Clipdealer)

Vier Aspekte beeinflussen das Design der Telematik-Hardware maßgeblich. Welche das sind und worauf es jeweils im Detail ankommt, erläutert Infotainment Systems Engineer Hope Bovenzi im Gastbeitrag.

Es mag Sie überraschen, dass eine seit beinahe zwei Jahrzehnten existierende Technik den Weg für das vernetzte Auto geebnet hat. Gemessen an High-Tech-Standards, ist die eCall-Technik nicht neu, doch erst im vergangenen März hat die Europäische Union ihren zwingenden Einbau in alle Neufahrzeuge verfügt. Dieses Gesetz ist nur eines von vielen Beispielen für die Berührungspunkte von Technologie und Gesetzgebung. Die nicht eben einfache Beziehung zwischen beiden kann darüber entscheiden, wie lange es noch dauert, bis wir vollständig vernetzte Fahrzeuge haben.

Nach seiner ganz grundsätzlichen Definition ist eCall nur ein einfaches Mobiltelefon, das in ein Auto eingebaut ist und im Notfall automatisch einen Notruf absetzt. Die dafür notwendige Technik ist schon seit den 1990er Jahren auf dem Markt. In der Zukunft aber verlangen die Konsumenten nach vermehrter Integration, und genau hier kommt die Telematics Control Unit (TCU) ins Spiel.

Bild 1: Integrierte Notruffunktion in einer modernen TCU.
Bild 1: Integrierte Notruffunktion in einer modernen TCU. (Bild: TI)

Eine TCU stellt dem vernetzten Auto nicht nur die gesamte eCall-Funktionalität zur Verfügung, sondern dazu auch das Senden und Empfangen von Daten beispielsweise über den Standort, Over-the-Air-Updates oder Telefonanrufe. Ohne TCU kann eCall lediglich Anrufe absetzen. In Bild 1 (siehe oben) ist das Blockschaltbild einer TCU mit Notruffunktion abgebildet.

Anforderungen an eine typische TCU mit integriertem Notrufsystem

Beim Design einer TCU gibt es viele Hardwarevarianten, da OEMs (Original Equipment Manufacturers) und Tier-1-Zulieferer, die die TCU an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug installieren, ihre jeweils eigenen Designspezifikationen zugrunde legen. Die EU-Vorschrift schreibt vor, dass eCall-Systeme in Neufahrzeugen folgende Fähigkeiten mitbringen:

  • Funktionsfähigkeit während und nach einem Unfall, automatisch und ohne die Fahrzeugbatterie
  • Beständigkeit gegen extreme Temperaturen von -20 °C oder gar -40 °C
  • Fähigkeit zu einem 8- bis 10-minütigen Telefonanruf und 10 Jahre Batterielebensdauer
  • Möglichkeit zum Rückruf durch Rettungsdienst über das Mobilfunknetz in einem Zeitraum von 60 Minuten
  • Einhaltung des Automotive Safety Integrity Level (ASIL) A gemäß der ISO-Norm 26262

Den Anfang macht die Stützbatterie

Es ist sinnvoll, beim Design einer TCU mit der Stützbatterie zu beginnen. Gemäß den EU-Vorschriften muss diese Batterie eine Audio-Leistung zwischen 6 W und 20 W und eine Spitzen-Stromaufnahme des GSM-Moduls (Global System for Mobile) von ca. 2 A (nominell 350 mA) unterstützen.

Das übrige System wird durch die Wahl der Stützbatterie festgelegt – also durch die Batteriechemie (üblich sind Lithium-Ionen, Lithium-Ionen-Phosphat und Nickel-Metallhydrid), die Anzahl der Zellen und die Stromfestigkeit. Die Platzierung der Batterie innerhalb des Leistungspfads entscheidet ferner über die Art der Ladeschaltung oder des Low-Dropout-Reglers sowie darüber, ob ein Aufwärtsregler benötigt wird.

In den Bildern 2 und 3 sind zwei Varianten des Leistungspfads auf der Basis unterschiedlicher Ladeschemata dargestellt. Beide Varianten erfüllen die gleiche Aufgabe mit der gleichen Anzahl an Bauelementen, allerdings mit verschiedenen Konfigurationen, die auf die gewählte Stützbatterie und die Fähigkeiten des Akkuladers abgestimmt sind.

Bild 2: Variante 1 des TCU-Leistungspfads.
Bild 2: Variante 1 des TCU-Leistungspfads. (Bild: TI)

Bild 3: Variante 2 des TCU-Leistungspfads.
Bild 3: Variante 2 des TCU-Leistungspfads. (Bild: TI)

Variante 1 ist ein kostengünstiges und einfaches Design, jedoch ist hier wegen der Verwendung mehrerer Aufwärtsregler zwischen Platzbedarf und Redundanz abzuwägen. Variante 2 basiert auf einem Lithium-Ionen-Akku, der mehr Schutz erfordert, aber mit weniger Zellen auskommt. Beides sind machbare Optionen – welche davon im Einzelfall zu bevorzugen ist, hängt von den Kosten, den Abmessungen und der Zuverlässigkeit ab.

Wahl der Leistungsregler

Nachdem über die Stützbatterie entschieden ist, müssen ähnliche Überlegungen hinsichtlich der Leistungsregler angestellt werden. Wie bei Kfz-Anwendungen üblich, müssen aus dem Bordnetz gespeiste Anwendungen extremen Temperaturen widerstehen, für einen weiten Eingangsspannungsbereich ausgelegt sein und die elektromagnetischen Störaussendungen begrenzen. Telematiksysteme können im Auto an Stellen verbaut sein (z. B. hinter der Frontscheibe, im Fahrgastraum, im Kofferraum oder im Motorraum), an denen hohe Temperaturen auftreten. In den integrierten Schaltungen (ICs) sind deshalb Sperrschichttemperaturen bis zu 150 °C möglich, sodass die Leiterplatten eine gute thermische Auslegung erfordern und ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist.

Die Eingangsspannungen können je nach den Lastabwurf-, Verpolungs- und Kaltstart-Spezifikationen des jeweiligen Herstellers unterschiedlich hoch sein. Meist reicht die Spanne jedoch von 4,5 V bis zu Spitzenwerten von 42 V. Keiner der verwendete Schaltregler darf den Radioempfang im AM- und FM-Modus stören. Die Schaltfrequenz muss deshalb bei 2,1 MHz (d. h. über dem AM- und unter dem FM-Band) liegen oder ca. 400 kHz betragen und damit unter dem AM-Band liegen. Die Wahl eines Schaltreglers mit einer geeigneten Schaltfrequenz, Dithering/Spread Spectrum-Funktionalität und optimiertem Layout trägt entscheidend zum Erreichen guter EMI-Eigenschaften bei.

Aufwertung des Designs durch Audiofunktionen

Die Audioleistung kann stark variieren. Während einige Designer ein System mit einer geringeren Leistung von 4 bis 6 Watt bevorzugen, können andere Systeme Leistungen bis zu 20 W haben. Neben der Leistungsaufnahme und den verschiedenen Varianten sind die Diagnose- und Schutzfunktionen für den Lautsprecher kritische Elemente des Audiodesigns. Leitungsunterbrechungen und Kurzschlüsse an der Verbindung zwischen Ausgang und Verbraucher sowie Kurzschlüsse zwischen Ausgang und Versorgungsspannung bzw. zwischen Ausgang und Masse müssen von den Schutzfunktionen abgedeckt werden – neben den im Automobil üblichen Schutzvorkehrungen gegen Kurzschluss und Lastabwurf sowie Übertemperaturschutz und -überwachung.

Die Datenraten

Die Datenraten auf den Verbindungen zu Head Units oder zentralen Gateways werden größer, abgesehen von der wachsenden Integration von Daten, Modems und Massenspeichern in Telematiksysteme. Die Zeiten, in denen nur CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) oder vielleicht noch USB unterstützt wurden, sind vorbei, denn mittlerweile sind 10/100 MBit/s oder gar 1 GBit/s üblich.

Die Zukunft der Telematik

Die Trends auf dem Telematiksektor werden durch widerstreitende Kräfte geprägt. Die bereits erwähnten gesetzgeberischen Faktoren gehören ebenso dazu wie die Erwartungen der Autofahrer oder die Tatsache, dass die Telematik derzeit ein recht fragmentierter Markt ist. Hervorzuheben sind auch die Fortschritte bei den nachrüstbaren kleinen Telematikprodukten (z. B. OBD-Dongles) sowie bei den anspruchsvolleren Systemen. Zu letzteren gehören V2X-Module (Vehicle-to-X) für die Kommunikation des Fahrzeugs mit anderen Autos und der Fahrumgebung. Diese Geräte können ähnliche Modems, Verarbeitungs- und Datenkommunikations-Ressourcen enthalten wie moderne TCUs.

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* Hope Bovenzi arbeitet als Infotainment Systems Engineer bei Texas Instruments

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