Jenseits des Antriebsstrangs
Die stille Revolution der Sensoren im Fahrzeugbau
Sensoren spielen in modernen Fahrzeugen eine zentrale Rolle. Von der elektrischen Antriebssteuerung über Fahrerassistenzsysteme bis hin zum Wärmemanagement: Ohne Sensoren wäre die nächste Generation der Mobilität undenkbar. Welche Technologien bewegen die Automobilindustrie heute und in Zukunft?
Die Automobilindustrie befindet sich inmitten zweier transformativer Trends: dem schrittweisen Übergang von Verbrennungsmotoren zu Elektromotoren und elektrischen Antriebssträngen sowie der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Fahrerassistenzsystemen und autonomen Fahrfunktionen. Sensoren sind ein integraler Bestandteil beider Trends, wobei Elektrifizierung und assistiertes Fahren nur einige der Anwendungsbereiche sind, in denen Sensoren in moderne Fahrzeuge integriert werden.
Einige betrachten Autos als Computer auf Rädern, aber die Tatsache bleibt, dass Autos weiterhin komplexe elektromechanische Systeme mit vielen beweglichen Teilen sind – angefangen bei Rädern, Bremssystemen und Federungssystemen bis hin zu Ventilen in Leitungen für verschiedene Flüssigkeiten und Gase.
All diese Systeme werden effizienter und sicherer, da gleichzeitig auch die Funktionen zur Überwachung und Steuerung präziser werden. Hierfür ist es notwendig, die Position beweglicher Teile zu erkennen und zu steuern, Flüssigkeitsstände kontinuierlich zu prüfen und den Status mehrerer Fahrzeugsysteme zu überwachen.
Elektrofahrzeuge haben Motoren, Batterien und Ladesysteme, die ebenso sorgfältig verwaltet werden müssen. Jedes dieser Systeme hat seinen eigenen spezifischen Temperaturbereich, in dem es arbeiten sollte, was ein ausgeklügeltes Wärmemanagement erfordert. Das gilt gleichermaßen für alle verschiedenen EV-Typen: rein batteriebetriebene EVs, Hybrid-EVs, Mild-Hybrid-EVs und Plug-in-Hybrid-EVs (xEV).
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Sensoren machen das alles möglich. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Einblick in die Vielzahl von Sensoren, die in heutigen Fahrzeugen verbaut sind. Er enthält nicht nur kurze Erklärungen zu einigen dieser Sensoren, sondern beleuchtet auch weniger häufig diskutierte Anwendungsfälle, die über die bekannten Themen wie Elektrifizierung und autonomes Fahren hinausgehen.
Das sensorreiche Automobil
In modernen Fahrzeugen, die heute vom Band laufen, sind schätzungsweise 50 bis 200 oder mehr Sensoren verbaut. Diese breite Spanne ergibt sich aus den unterschiedlichen Anforderungen der Automobilhersteller, die je nach Antriebstyp und Fahrzeugsegment variieren. Funktionsreiche Fahrzeuge verfügen über deutlich mehr Sensoren als preisgünstigere Modelle. Analysten schätzen, dass im Durchschnitt etwa 30 Sensoren zur Überwachung und Steuerung des Antriebsstrangs eines Fahrzeugs eingesetzt werden, unabhängig davon, ob es sich um einen Benzin- oder Elektromotor handelt, wobei die Art der Sensoren variiert.
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren (ICE) nutzen Sensoren zur Überwachung der Position mechanischer Teile wie Drosselklappen, Nockenwellen und Turbolader. Dazu gehören auch Luftstromsensoren und Drucksensoren, etwa im Ansaugkrümmer. Elektrofahrzeuge (EV) hingegen benötigen Sensoren zur Messung elektrischer Parameter wie Ströme, Spannungen und den Batteriezustand, bekannt als SoX, wobei „X“ für „Ladung“ oder „Gesundheit“ steht.
Zusätzlich sind etwa 20 bis 30 Sensoren für Fahrerassistenzfunktionen und autonomes Fahren vorgesehen. Diese Sensoren umfassen Kombinationen aus optischen, Radar-, Ultraschall- und Lidar-Technologien, die zur Erkennung von Fahrzeugen, Fußgängern und Objekten genutzt werden.
Eine sensorreiche Umgebung
Obwohl der Fokus oft auf der Transformation zu Elektrofahrzeugen und autonomen Fahrfähigkeiten liegt, integrieren moderne Fahrzeuge eine Vielzahl von Sensoren, die in nahezu jeder Funktion eines Autos eine Rolle spielen. Dazu gehören Hall-Effekt-Sensoren, TMR-Sensoren (Tunnel-Magneto-Resistance), Inertiale Messeinheiten (IMU), Temperatursensoren, Drucksensoren, Mikrofone und mehr.
Hall- und TMR-Sensoren sind beide Magnetfeldsensoren, unterscheiden sich jedoch in ihren magnetischen Eigenschaften. Beide eignen sich hervorragend zur Erkennung der Position mechanischer Elemente, wobei die Wahl zwischen ihnen von Faktoren wie Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis, Störfeldrobustheit oder Platzbedarf abhängt. TMR-Sensoren sind ideal für die Erkennung kleinerer und schneller Bewegungen in engen Umgebungen, wie etwa die Rotorlageerkennung kleiner Motoren, während Hall-Sensoren oft für größere Bewegungen in raueren Umgebungen eingesetzt werden, beispielsweise, um einen Pedalweg oder eine Ventilposition zu detektieren.
Ein gemeinsames Anwendungsbeispiel für Magnetfeldsensoren ist die Strommessung im Antriebsstrang.
Design-Ingenieure müssen die spezifischen Anforderungen ihrer Anwendung genau verstehen und die Unterschiede bei der Auswahl der Sensoren berücksichtigen. Oft werden TMR- und Hall-Sensoren gemeinsam eingesetzt, um in sicherheitskritischen Anwendungen mit hohen Anforderungen an die funktionale Sicherheit die gewünschte „heterogene Redundanz“ zu bieten.
Inertiale Messeinheiten (IMUs) kombinieren Magnetometer und Beschleunigungsmesser, um eine 6-Achsen-Bewegungserkennung zu ermöglichen. Sie sind hochpräzise bei der Erkennung von Fahrzeugdynamiken in Echtzeit und liefern zuverlässige Daten an Entscheidungsalgorithmen, einschließlich sicherheitskritischer Anwendungen wie der Auslösung des Airbags.
Bremsen und Lenken
Neben der Beschleunigung sind das Lenken und Bremsen die unmittelbarsten Fahrerfahrungen. Automobilhersteller setzen häufig Hall-Sensoren in Lenksystemen ein, um Winkel, Drehmoment und Achsposition zu messen, während TMR-Sensoren zur Erkennung der Position des Elektrolenkungsmotors (EPS) verwendet werden. Präzise Messungen sind entscheidend für die Fahrersicherheit, die Optimierung der Fahrzeugleistung und die Unterstützung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme.
Sowohl bei elektromechanischen (EMB) als auch bei elektrohydraulischen Bremsen (EHB) nutzen Automobilhersteller Sensoren, um in Echtzeit Daten für die präzise Steuerung der Bremskraft zu gewinnen. Eine Kombination aus Hall- und TMR-Sensoren ermöglicht ein präzises Brake-by-Wire, indem sie Aktuatormotoren antreiben, wie etwa den Elektromotor zur Verstärkung des Bremsdrucks oder zur direkten Betätigung der Bremsbeläge. Diese Sensoren erkennen die Position der Bremssättel in einem Regelkreis und messen den Bremsflüssigkeitsstand. Ihr Einsatz erhöht die Sicherheit, Effizienz und Reaktionsfähigkeit der Bremssysteme.
In Elektrofahrzeugen (EVs) finden Hall- und TMR-Sensoren auch in der E-Achse Anwendung, um die Getriebeposition zu übertragen, als Parkverriegelungssensor zu fungieren oder die Rotorposition zu messen. Die Messung der Rotorposition ist ein hochdynamischer Prozess, da der Sensor den sich schnell drehenden Rotor präzise verfolgen muss, um die Absichten des Fahrers exakt umzusetzen. Je genauer der Rotorpositionssensor arbeitet, desto reaktionsschneller wirkt das Fahrzeug und desto effizienter kann der Motor betrieben werden.
Fahrerassistenz
Zu den bekanntesten Funktionen des fortschrittlichen Fahrerassistenzsystems (ADAS) gehört die Objekterkennung, die auf Kameras, Radar, Lidar und Ultraschall basiert. Oft übersehen wird jedoch, dass einige dieser Sensoren auf andere Sensoren wie Hall, TMR und IMU zur Bildstabilisierung angewiesen sind. Die ständigen Vibrationen, denen Fahrzeuge auf der Straße ausgesetzt sind, machen eine Bilderkennung ohne Stabilisierung nahezu unbrauchbar.
Es gibt jedoch auch andere wichtige ADAS-Funktionen. Dazu zählen dynamische Federung, Scheinwerfernivellierung, elektronische Rollstabilitätskontrolle (ESC/RSC) und Drive-by-Wire (DbW). Diese Funktionen erfordern ebenfalls die präzise Steuerung mechanischer Elemente, wobei die Erkennung der Position dieser Elemente entscheidend für die Sicherheit der Passagiere ist. IMUs werden häufig für diese Anwendungen eingesetzt.
Wärmemanagementsysteme
Wärmemanagement ist sowohl für xEVs als auch für ICE-Fahrzeuge von entscheidender Bedeutung. Während bei ICE-Fahrzeugen darauf geachtet werden muss, dass die Motoren nicht überhitzen, müssen bei xEVs Batterien, Ladesysteme, Wechselrichter und Motoren ebenfalls gekühlt und manchmal auch beheizt werden, insbesondere die Batterie. Die in heutigen xEVs verwendeten Lithium-Ionen-Chemien funktionieren am besten innerhalb eines Temperaturbereichs von ca. 30 bis 60 °C.
Alle Systeme in einem xEV müssen effizient von einer einzigen Stromquelle – der Batterie – betrieben werden. Um sicherzustellen, dass das gesamte System optimal arbeitet, sind komplexe Wärmemanagementsysteme erforderlich. Die Tatsache, dass jedes EV-Subsystem (Batterie, Motor, Ladegerät usw.) seinen eigenen spezifischen Temperaturbereich hat, erschwert das Wärmemanagement zusätzlich.
Dafür sind Temperatursensoren sowie Hall- und/oder TMR-Sensoren notwendig, die in Verbindung mit Hochspannungsreglern arbeiten, um Aktuatoren in Ventilen und Pumpen (normalerweise 12V, aber bis zu 48V) anzutreiben. Positionssensoren sind entscheidend, um sicherzustellen, dass Pumpen, Ventile und Lüftungen, die verwendet werden, um alle Subsysteme innerhalb ihrer optimalen Temperaturbereiche zu halten, präzise und effizient arbeiten.
Kühlventile sind ein Beispiel für die zunehmende Komplexität. Einige Automobilhersteller verwenden mittlerweile 8-Wege-Ventile. Sensorhersteller entwickeln nicht nur Sensoren, die in der Lage sind, solche Komplexität zu überwachen, sondern integrieren auch ausgeklügelte Regler mit genügend Flash-Speicher, um die notwendige Software zu beherbergen.
Die Erwähnung von Pumpen und Ventilen bringt ein korrelatives Problem mit sich. Jedes Fahrzeug verfügt über mehrere Reservoirs für Kühlmittel, Frostschutzlösungen, Scheibenreiniger und andere Flüssigkeiten. Sensoren werden eingesetzt, um die Füllstände zu überwachen. Magnetische Positionssensoren werden häufig aufgrund ihrer Größe, Kosten und funktionalen Sicherheit verwendet. In vielen Anwendungen haben magnetische Füllstandsensoren andere Technologien wie kapazitive Sensoren und Ultraschall ersetzt.
Druck- und Durchflusssensoren werden eingesetzt, um sicherzustellen, dass Leitungen für Gase, wie Kältemittel, einwandfrei und optimal funktionieren. xEV-Hersteller nutzen mittlerweile bewusst Fahrzeuggitter für Kühlzwecke, indem sie sorgfältig steuern, wie offen oder geschlossen diese sind, um den Luftstrom gezielt zu lenken. Dies stellt eine weitere Aufgabe für Positionssensoren und Motorantriebe dar. Diese Systeme sind komplexer als man vermuten könnte, da sie in der Lage sein müssen, eine Blockierungserkennung durchzuführen, um Schäden zu vermeiden, falls das Gitter durch Schmutz, Schnee oder Straßenschutt verstopft wird.
Einheitliches HVAC
Während des größten Teils der Geschichte von ICE-Fahrzeugen wurde der Fahrgastraum fast als ein völlig separates Gebiet behandelt. Es gab wenig Grund, den Motor mit Komfortfunktionen im Innenraum zu integrieren, abgesehen von Ausnahmen wie der Nutzung von Motorwärme zum Heizen und der Nutzung des Motors zur Stromversorgung von Kompressoren. Dieser Ansatz führte zu einem Wachstum der mehr oder weniger unabhängigen Subsysteme innerhalb jedes Fahrzeugs, was schließlich unhandlich wurde. Heute konkurrieren Automobilhersteller darum, neue Effizienzen zu finden, und die Kombination mehrerer Systeme mit ähnlichen Funktionen ist ein fruchtbarer Weg zu diesem Ziel.
Ein herausragendes Beispiel ist das Wärmemanagementsystem moderner xEVs. Wenn ein ausgeklügeltes Heizungs-, Klimaanlagen- und Lüftungssystem (HVAC) für den Motor und die Batterie benötigt wird und bereits eines für den Fahrgastraum existiert, ist es ineffizient, sie getrennt zu halten. Automobil-OEMs haben begonnen, neue Fahrzeuge als einheitliches HVAC-System zu behandeln, das sowohl Heizung als auch Kühlung ermöglicht. Auch hier sind Temperatursensoren erforderlich, zusammen mit allen Positionssensoren, Aktuatoren und Reglern für alle aktiven Elemente im gesamten HVAC-System.
Automobil-OEMs statten Fahrzeuginnenräume weiterhin mit neuen Funktionen und Annehmlichkeiten aus, wobei Sensoren eine wichtige Rolle spielen. Ein moderner Luxussitz in einem Auto ist belüftet und bietet eine Massage, was ohne moderne Sensoren und Treiber unmöglich wäre.
Es ist vorteilhaft, Sitze, Fenster, Schiebedächer, Türen, Scheibenwischer und andere äußere und innere Systeme sowohl aus Komfort- als auch aus Sicherheitsgründen präzise zu überwachen und zu steuern. Dies erfordert eine Mischung aus Hall- und TMR-Positionssensoren sowie IMUs, je nach Anwendung. Infotainmentsysteme werden zunehmend sprachgesteuert, was den Einsatz von Mikrofonen erforderlich macht.
Fazit
Wir haben über Präzision in der Überwachung und Steuerung gesprochen, aber es ist wichtig zu beachten, dass Automobilhersteller weiterhin innovativ sind und dass Innovation oft mit mehr Komplexität einhergeht. Dies übt Druck auf Sensorhersteller aus, ebenfalls innovativ zu sein. Sensoren müssen in Verbindung mit Aktuatoren und Reglern arbeiten. Erfahrene Automobilingenieure wählen Sensoren, Aktuatoren und Regler aus, die dafür entwickelt wurden, miteinander zu arbeiten, um die strengen Standards und Vorschriften der Automobilindustrie einzuhalten und die Sicherheit von Fahrern, Passagieren und Passanten zu gewährleisten.
Von Karsten Köhler, Business Development Manager bei TDK-Micronas
TDK-Micronas auf der Sensor+Test 2025: Halle 1, Stand 204
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