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Fahrwerkselektronik: Neue Si-Trends für den Antriebsstrang

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Sensorik rund um den Verbrennungsmotor

Sensoren spielen eine wichtige Rolle, damit moderne Verbrennungsmotoren einen hohen Wirkungsgrad und minimale Emissionen erzielen. So misst zum Beispiel der Luftmassensensor (MAF, Mass Airflow Meter) die Luftmenge, die in die Brennkammer gelangt, damit genau die richtige Menge an Kraftstoff eingespritzt wird. Am anderen Ende des Motors messen Sauerstoff- und NOx-Sensoren die Zusammensetzung des Abgases und übermitteln diese Information zurück an die Motorsteuerung.

Der Einbau von Drucksensoren findet heute fast überall statt und begleitet die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren und deren Steuerung. Die Erfolgsgeschichte begann mit dem MAP-Sensor (Manifold Absolute Pres­sure), der sich anstelle des MAF-Sensors einsetzen ließ. Mit der Weiterentwicklung der Kraftstoff-Einspritztechnik wurden Benzin- und Diesel-Direkteinspritz-Drucksensoren notwendig, um den genauen Kraftstoffdruck zu messen, der über eine Common-Rail-Einspritzung direkt in die Verbrennungskammer jedes Zylinders eingebracht wurde. Bei Diesel ist zudem ein Partikelfilter erforderlich, um die Rußentstehung zu minimieren. Dieser benötigt einen Drucksensor, um die entsprechenden Betriebsbedingungen aufrecht zu erhalten. Selbst außerhalb des Motorraums überwacht ein Reifendruckkontrollsystem (TPMS), ob die Reifen richtig aufgepumpt sind, um so nicht nur für mehr Sicherheit, sondern auch für einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch durch einen besseren Rollwiderstand zu sorgen.

Der letzte Einsatzbereich für Drucksensoren ist die Brennkammer selbst. Um eine optimale Verbrennung zu erhalten, muss der genaue Druck in allen Zylindern zu jeder Zeit bekannt sein. Einige Dieselfahrzeuge laufen bereits mit zylinderinternen Drucksensoren. Die gleichen Sensoren dienen auch zur Erforschung und Entwicklung neuer Motoren, beispielsweise mit homogener Kompressionszündung, mit der versucht wird, die niedrigen Emissionen der Ottomotoren mit der Effizienz eines Dieselmotors zu kombinieren.

Alle diese Fortschritte sind neue technische Herausforderungen, für die immer anspruchsvollere Elektronik erforderlich ist. Eine bessere Steuerung erfordert eine höhere Genauigkeit und engere Toleranzen: 0,5 Prozent sind heute Standard. Gleichzeitig wird der Betriebstemperaturbereich immer größer, weil Drucksensoren immer näher am Motor platziert werden. Das sorgt für zusätzliche Anforderungen an die Sensorelemente und die elek­tro­nischen Schaltkreise, die nichtideale Sensoreigenschaften kompensieren sollen.

Blockdiagramm einer neuen Präzisions-Signalaufbereitungs-Schnittstelle für Drucksensoren Bildquelle: © On Semiconductor
Bild 3. Blockdiagramm einer neuen Präzisions-Signalaufbereitungs-Schnittstelle für Drucksensoren.

Bild 3 zeigt das Blockdiagramm eines Drucksensor-ICs der aktuellen Generation. Eine präzise Funktion beginnt mit einem rauscharmen analogen Front-End, gefolgt von einem hochauflösenden Sigma-Delta-A/D-Umsetzer. Moderne digitale Signalverarbeitung sorgt für eine nichtlineare Temperaturkompensation des Sensor-Offsets und der Empfindlichkeit. Der übliche 5-V-Analogausgang wird immer häufiger durch Standard-Digitalausgänge wie SENT und PSI5 ersetzt. Damit verringert sich der Quantisierungsfehler, weil der Ausgangs-D/A-Umsetzer im Sensor und der A/D-Umsetzer im Steuergerät hinfällig sind. Jeder einzelne Sensor wird ab Werk kalibriert, und die Kompensationskoeffizienten werden im internen EEPROM gespeichert.

Induktive Positionssensor-Schnittstelle für Bremspedale

Die einzige Elektronik eines klassischen Bremspedals ist ein Schalter, der das Bremslicht steuert. Durch die Funktionserweiterung der Bremsenergierückgewinnung sind neue Bremspedalsensoren erforderlich. Das übliche Bremssystem basierend auf Reibung wird mit einer Steuerung aufgerüstet, mit der die genaue Betätigung (Verschiebung) des Bremspedals gemessen wird. Wird das Bremspedal nur wenig betätigt, wird die Reibungsbremse noch nicht aktiviert. Während dieser Rückgewinnungsphase misst das Energierückgewinnungssystem die Betätigung des Bremspedals und bestimmt, wie viel kinetische Energie des fahrenden Autos sich in einen temporären Energiespeicher übertragen lässt. Dieser Energiespeicher kann verschiedene Formen annehmen; OEMs können ein pneumatisches oder hydraulisches Reservoir bevorzugen, eine 48-V-Batterie, einen Superkondensator oder sogar ein Schwungrad. Mildhybride wandeln die gespeicherte Energie wieder in Antriebsleistung zurück, zum Beispiel für begrenzte Zeit während der nächsten Beschleunigungsphase, während Mikrohybride diese elektrische Energierückgewinnung nur zur Versorgung des Bordnetzes, allerdings über längere Zeiträume, nutzen.

. Blockdiagramm einer Applikation mit induktiven Positionssensoren Bildquelle: © On Semiconductor
Bild 4. Blockdiagramm einer Applikation mit induktiven Positionssensoren.

Um die genaue Position des Bremspedals während der Regenerationsphase zu messen, kommen ähnliche Techniken zum Einsatz, wie sie für das Gaspedal verwendet werden. Bild 4 zeigt eine kontaktlose Sensorlösung für diese Anwendung.

Die anwenderspezifischen induktiven Sensorschnittstellen von ON Semiconductor [1] verwenden Front-End-Filter in Verbindung mit intelligenter Datenverarbeitung. Die integrierten Treiber stimulieren den Sensor durch mindestens eine Erregerinduktivität und die gekoppelten Ausgangsspulen des Sensors erzeugen Signale, die Informationen über die relative Position der Erregerspule(n) zu den Ausgangsspulen enthalten. Die Veränderung der Spulenposition hängt vor allem vom gewählten mechanischen Sensor-Design ab und ist meist eine lineare oder eine Drehbewegung. Das IC übersetzt die elektrischen Ein- und Ausgangssignale des Sensors in digitale Positionsinformationen, die über eine kundenspezifische Schnittstelle an einen Mikrocontroller weitergeleitet werden. Proprietäre Mixed-Signal-Lösungen können unter anderem folgende Ausgangsformate von Sensorschnittstellen unterstützen: ratiometrische Spannung, Sin-Cos-Spannung, PWM, SENT oder PSI5.

Halbleiterhersteller auf diesem Markt sollten neben technischem Know-how auch den Standard ISO 26262 beherrschen. Viele Pedalanwendungen im Fahrzeug stehen in direktem Zusammenhang mit funktionaler Sicherheit, was entsprechend der ISO 26262 behandelt werden muss. Für bestimmte Funktionen können induktive Sensoren in einer redundanten Ausführung vorliegen, sich gleiche Strukturen teilen und unabhängige Datenausgänge bereitstellen. Damit wird der Sicherheitsgrad ASIL D auf Modulebene erreicht. Die zunehmend integrierte Bremsenergierückgewinnung und die neuen Sicherheits­standards führen zur Entwicklung neuer ICs zur Anbindung induktiver Sensoren.

 

Der Autor

hält einen Master-Abschluss im Bereich Elektronik von der Vrije Universiteit Brussel. Er begann seine Karriere in Südafrika bei Siemens. 1994 wechselte er zu Melexis, wo er im Bereich Automotive-IC-Design tätig war. 2001 trat er bei AMI Semiconductor ein, das 2007 von On Semiconductor übernommen wurde. Seither ist er bei On Semiconductor als Produktmanager Automotive tätig.