Fahrzeugelektronik im Fokus „Baden-Baden-Spezial 2006“ Kongressbericht: Elektronikkompetenz als Schlüsselfaktor

Die Bedeutung elektronischer Systeme im Automobil nimmt nach wie vor zu. Im Rahmen der VDI-Tagung „Baden-Baden-Spezial 2006“ wurden deshalb die verschiedenen aktuellen Themen durchleuchtet. Während der Bereich „Licht und Sicht“ sowie der Plenarvortrag dieser Tagung bereits in [1] dargestellt wurden, kommen nun die Themen „Verbrauchs- und Emissionsreduzierung“, „Diagnose“ sowie „Nutzfahrzeugelektronik“ zur Sprache.

Fahrzeugelektronik im Fokus „Baden-Baden-Spezial 2006“, Teil 2

Die Bedeutung elektronischer Systeme im Automobil nimmt nach wie vor zu. Im Rahmen der VDI-Tagung „Baden-Baden-Spezial 2006“ wurden deshalb die verschiedenen aktuellen Themen durchleuchtet. Während der Bereich „Licht und Sicht“ sowie der Plenarvortrag dieser Tagung bereits in [1] dargestellt wurden, kommen nun die Themen „Verbrauchs- und Emissionsreduzierung“, „Diagnose“ sowie „Nutzfahrzeugelektronik“ zur Sprache.

Neue, intelligente elektronische Verfahren ermöglichen innovative Konzepte zur Kraftstoffeinsparung. Hierbei leisten Fortschritte in Technologie, Nutzung neuer Materialien sowie die Bündelung von Know-how durch Kooperationen entscheidende Beiträge.

Verbrauchs- und Emissionsreduzierung, Kraftstoffeinsparung

Ein Vortrag von R. Schmidt, Hella KGaA Hueck & Co, und H. Hafkemeyer, BMW-Group, zeigte, wie mit Hilfe eines elektrischen Energiemanagements die von den Verbrauchern angeforderte elektrische Energie mit der durch Generator und Batterie gelieferten Kapazität in Einklang zu bringen ist.

  • Optimiertes Batteriemanagement mit intelligentem Sensor


Untersuchungen haben ergeben, dass einer der Hauptgründe für „Liegenbleiber“ von Kraftfahrzeugen in der mangelnden elektrischen Energieversorgung liegt, meistens hervorgerufen durch eine entladene Batterie. Auch wenn die Batterie nur in den seltensten Fällen die tatsächliche Ursache für den Fahrzeugausfall darstellt, hat der vermehrte Einbau von zusätzlichen Verbrauchern zu einem erhöhten Energiebedarf während der Fahrt als auch in den Ruhephasen des Fahrzeugs geführt. Kann die benötigte Energie nicht zeitgleich vom Generator erzeugt werden, sind Laden und Stromentnahme nicht mehr im Gleichgewicht. Ein elektrisches Energiemanagement kann hier für Abhilfe sorgen.

Dafür wurde von Hella in enger Kooperation mit der BMW Group ein Single-chip-ASIC entwickelt mit zwei parallel arbeitenden 16-bit-A/D-Wandlern für Spannung und Strom, einem Widerstandsteiler für die Spannungsmessung, einem Temperatursensor, einem 32-bit-Controller auf ARM7-Basis sowie mit Flash- und SRAM-Speicher, Timer, Watchdog, Spannungsregler und einem Transceiver für LIN- und BSD-Bus („Intelligenter Batteriesensor 2006“, IBS 2006). Eine wichtige Diagnosefunktion ist z.B. die Überwachung des Ruhestroms bei Fahrzeugstillstand. Für die Ermittlung der Startfähigkeit wird ein vereinfachtes Batteriemodell für den Arbeitsbereich „kurzzeitige Hochstrombelastung“ verwendet. Die Parameter des Batteriemodells werden durch das Modul Impedanz-Parameter nachgeführt. Zusätzlich fließt auch der aktuelle Ladezustand in das Modell ein (Bild 1).

Das Belastungsprofil bei erfolgreichen Startvorgängen wird ermittelt und dazu genutzt, ein typisches Startprofil für das jeweilige Fahrzeug nachzuführen. Die Anregung des Modells mit dem erwarteten Stromprofil liefert somit eine Abschätzung des daraus resultierenden Spannungseinbruchs. Dies erlaubt wiederum eine Bewertung der Leistungsfähigkeit der Batterie und letztlich aus Sicht des elektrischen Energiemanagements eine Aussage über die Startfähigkeit des Fahrzeugs.

Eine solche verlässlich sichere Trennung von verschiedenen Applikationen erfordert eine Betriebssystemumgebung, die die verfügbaren Ressourcen des Mikrocontrollers streng deterministisch verwaltet und zuteilt. Unzulässige Zugriffe seitens der Applikationen werden abgeblockt und führen zu Schutzverletzungen, die dann in der Regel durch das Betriebssystem entsprechend behandelt werden. Im vorliegenden Konzept läuft nur ein vergleichsweise kleiner Kern des Betriebssystems im privilegierten Modus, d.h., die Anforderungen bezüglich des Nachweises der funktionalen Sicherheit sind nur hier besonders hoch. Neben diesem Kern, der so schlank wie möglich gehalten ist, laufen alle anderen Funktionalitäten im nichtprivilegierten Modus des Rechners mit jeweils eingeschränkten Rechten. Dies betrifft die Applikationen als auch die Basissoftware und die restlichen Teile des Betriebssystems (Microkernel-Konzept).

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde, basierend auf einem Evaluierungsboard, ein Prototypsystem mit dem beschriebenen Konzept aufgebaut. Der Test erfolgte anschließend innerhalb einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung (HIL), die eine reale Fahrzeugumgebung für das Steuergerät nachbildet (Bild 9). Der Betrieb des Prototyp-Systems erfolgte im so genannten Bypass-Modus über eine CAN-Verbindung, d.h., die Funktionen waren innerhalb des realen Steuergerätes freigeschnitten und tauschten ihre Eingangs- und Ausgangsdaten mittels der CAN-Verbindung mit diesem aus. Ausgiebige Tests u.a. mit unzulässigen Speicherzugriffen, Überlastung durch Hardware-Interrupts und Neustart von Anwendungen zeigten, dass die dargestellten Trennmechanismen jegliche Beeinflussung der Funktionen untereinander verhindern. So absolvierte das virtuelle Fahrzeug während der gesamten Testdauer verschiedenste ESP-relevante Fahrmanöver, die zuverlässig ausgeregelt wurden. ha

Literatur:


[1] Trowitsch, Ch.: Elektronikkompetenz als Schlüsselfaktor – Fahrzeugelektronik im Fokus „Baden-Baden-Spezial 2006“, Teil 1. Elektronik automotive 2006, H. 8., S. 38 bis 43.