Spekulationsobjekt Nickel treibt die Akku-Preise hoch

Erstmals seit Jahrzehnten steigen in der Geräte-Akku-Branche die Zellen-Preise, der Grund dafür ist vor allem in steigenden Nickel- und Kobalt-Preisen zu suchen. Gleichzeitig haben sich in den letzten Monaten die Lieferzeiten erhöht. Als interessante Alternative zu den bekannten Lithium-Kobaltoxyd-Akkus könnten sich in Zukunft Lithium-Eisenphosphat-Produkte entwickeln.

Mit immer neuen Anforderungen treiben Autokäufer das Wachstum der Kfz-Elektronikbranche weiter voran. Jahr für Jahr bauen die Automobilhersteller noch mehr neue oder verbesserte Elektronik in die Fahrzeuge ein. Beispiele reichen vom Hybridfahrzeug über die Einbindung des iPod in das Entertainmentsystem, »intelligente « Klimaregelsysteme und Mehrachsen-Sitzeinstellung bis zu adaptiven Frontscheinwerfern, Kollisionsvermeidung und dynamischer Geschwindigkeitsregelung. Und alle diese Funktionen und Systeme sollen die Entwickler im Rahmen der automobilen Struktur und so rasch wie möglich umsetzen. Sie sind gezwungen, den Gesamt- Entwicklungs- und Qualifizierungszyklus zu verkürzen, und sie müssen die Funktionalität bereits vorhandener Systeme steigern, ohne Abstriche bei immer schärferen Zielvorgaben hinsichtlich Qualität, Zuverlässigkeit und Kosten zu machen. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen suchen die Designer nach höher integrierten Lösungen, die auch bei Mixed-Signal-ICs eine attraktive Alternative darstellen.

Ein Beispiel dafür wäre ein Airbag-Controller, der im Bruchteil einer Sekunde die Entscheidung trifft, nicht auszulösen, weil er ein Kind im Sitz erkannt hat. »Kommunizieren« bedeutet, dieses Ergebnis zu übernehmen und es an andere Systeme zu verteilen, welche diese Informationen möglicherweise benötigen. Ein Beispiel für eine einfache Funktion ist das Einschalten einer Anzeigelampe. Eine komplexere Funktion besteht darin, mithilfe eines Netzwerkbusses die CO-Werte eines Auspuffsystems zum Motormanagement- Computer zu senden, damit dieser das Sauerstoffverhältnis in der Kraftstoffmischung erhöht. Die Fähigkeit des Systems, alle drei Funktionen auszuführen, bestimmt letztendlich die Effektivität der Lösung.

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Dieser Lösungsansatz wies zahlreiche Einschränkungen auf. So war eine Unterscheidung zwischen dem Blockierstrom eines Motors, wie er während des Startvorgangs auftritt, und dem, wenn ein Fenster auf ein Hindernis trifft, nicht möglich (Bild 2 und Bild 3). Daher sorgte eine feste Zeitverzögerung in der Komparatorschaltung dafür, dass der Blockierstrom-Schwellenwert erst dann verglichen wurde, wenn der Motor angelaufen war. War das Fenster nun in der Ausgangsposition z.B. 10 mm von der Oberseite der Fensterführung entfernt, würde es trotz eines eventuellen Hindernisses geschlossen und in den festen Anschlag der Endstellung einrasten, ehe die Zeitverzögerung des Schwellenwert-Timers abgelaufen wäre.

Die zweite Einschränkung bestand darin, dass sich die Parameter des mechanischen Systems im Laufe der Zeit veränderten und sich auf die Arbeitslast des Motors auswirkten. Dies führte zu einer Verschiebung – positiv oder negativ – der gewünschten Empfindlichkeit des Einklemmschutz- Schwellenwerts. Schließlich waren diese Systeme mit festem Schwellenwert nicht in der Lage, sich den dynamisch ändernden Bedingungen der Fahrumgebung anzupassen.

Temperaturveränderungen haben infolge der Wärmeausdehnungseffekte der Fensterdichtungen große Auswirkungen auf die Arbeitslast. Im Falle des Schiebedachs ist die zum Schließen erforderliche Kraft bei stehendem Fahrzeug deutlich anders als wenn sich der Wagen in Bewegung befindet. Auf einer glatten Fahrbahn ist zum Heben eines Fensters deutlich weniger Kraft nötig als wenn das Fahrzeug über eine Straße mit Kopfsteinpflaster fährt. Lassen sich diese unterschiedlichen Bedingungen nicht kompensieren, kommt es in beiden Fällen zu einem unsicheren oder unsauberen Betrieb.

Diese drei grundsätzlichen Herausforderungen gingen die Entwickler auf unterschiedliche Weise an. Manchmal wurden sie durch die Implementierung zusätzlicher Sensoren oder enger tolerierter Materialien bzw. Komponenten abgemildert, was jedoch die Kosten und die Komplexität des Designs erhöhte. Gesucht wurde eine kostengünstige Methode zur Implementierung der Einklemmschutzfunktion, welche die drei erwähnten Einschränkungen überwand.

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Ein Mixed-Signal-Mikrocontroller (MCU), der eine schnelle zentrale Recheneinheit (CPU) sowie einen integrierten A/D-Wandler (ADC) mit einer Bandbreite von mehr als 180 000 Abtastungen pro Sekunde und einer Auflösung von mindestens 12 Bit hat, eignet sich gut als Lösung dieses Problems (Bild 4). Durch diese Methode konnten die Entwickler erreichen, dass ein einziger Mikrocontroller sowohl für die Motorkommutierung als auch für die Überwachung des Motorstroms zuständig ist. Das Kommutierungssignal lässt sich bei Verwendung des ADC auf dem Chip direkt von dem Stromfühler (z.B. Nebenschlusswiderstand) in der Motorversorgungsschaltung abnehmen.

Mit diesem Verfahren lässt sich genauer und schneller erkennen, ob der Motor rotiert oder sich in einer Blockierbedingung befindet. Dies macht eine Festzeitverzögerung in der Komparatorschaltung überflüssig und erlaubt selbst dann vollen Einklemmschutz, wenn das Fenster leicht geöffnet ist. Durch die Implementierung eines variablen Motorstrom- Schwellenwerts auf der Grundlage von sowohl historischen als auch berechneten Parametern (Bild 5) kann das System dynamisch auf Änderungen der Motorbelastung reagieren und die geeigneten Kraftbegrenzungen im System aufrecht erhalten. Das trifft sowohl auf Langzeitfaktoren (z.B. Motorverschleiß, Alterung der Dichtung) als auch auf Kurzzeitfaktoren (z.B. Umwelt, Feuchtigkeit, Temperatur, Vibration) zu.

Darüber hinaus kann das System mit anderen ECUs kommunizieren und so Informationen wie Außentemperatur und Fahrzeuggeschwindigkeit als Eingangswerte für eine gewichtete Festlegung des geeigneten Schwellenwerts verwenden. Durch den Einsatz anderer System lässt sich die Gesamtsystemleistung erhöhen, ohne dass redundante Sensoren, die bereits in anderen Fahrzeugbereichen eingesetzt werden, zusätzliche Kosten verursachen.

Caspar Grote, Design&Elektronik (01/2007)

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