Krüger Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik

Schaltungstechnik
4. aktualisierte Auflage 2020
ISBN: 978-3-446-46361-5
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 320 Seiten

Die Entwicklung in der Kraftfahrzeugelektronik schreitet schnell voran. Die inzwischen in den Vordergrund gerückten Themen sind unter anderem: Elektromobilität, autonomes Fahren, Hybridisierung, Internetvernetzung und Sicherheit gegenüber kriminellen Angriffen von außen auf die Fahrzeuge. Das vorliegende Buch bietet einen fundierten Einstieg in das Grundlagenwissen zur Hardware und hardwarenahen Software. Themenschwerpunkte sind: - elektrische Anforderungen, - elektromagnetische Verträglichkeit, - Modularisierung und Realisierung von Kraftfahrzeugelektronik, - Einbindung von Mikrocontrollern, - Datenkommunikation in Kraftfahrzeugen, - Spezialthemen bei der Entwicklung, wie z.B. Schutz vor Störspannungen, Verpolung, End-of-Line-Programmierung und Aktuator-Ansteuerung. Die vierte Auflage wurde um die Themen 48-V-Spannungsebene im Hybridbereich und Kommunikation mittels Ethernet ergänzt. Zusätzlich enthält das Buch zahlreiche konkrete Hinweise zur Realisierung von Schaltungen mit allgemeinen Beispielen. Diese können als Anregung zur Lösung individueller Aufgaben in der Kraftfahrzeugelektronik dienen. Ein Tabellenwerk mit den wichtigsten, ständig während einer Entwicklung benötigten Informationen schließt sich an. Das Lehrbuch richtet sich an Studierende der Fahrzeugelektronik, Fahrzeugtechnik und ähnlicher Studienrichtungen sowie Entwickler und technisches Vertriebspersonal der Automobilelektronik.

Prof. Dr.-Ing. Manfred Krüger lehrt an der Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Informations- und Elektrotechnik, im Institut für Mikrosensorik und Fahrzeugelektronik und ist u.a. mit Forschung und Entwicklung auf den Gebieten Fahrzeugelektronik und Mikrocontroller befasst. Er ist Mitglied im VDI und VDE.

Autoren/Hrsg.

Krüger, Manfred

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Elektronik | Nachrichtentechnik Elektronik Bauelemente, Schaltkreise
• Technische Wissenschaften Verkehrstechnik | Transportgewerbe Fahrzeugtechnik
• Technische Wissenschaften Elektronik | Nachrichtentechnik Elektronik Elektronische Baugruppen, Elektronische Materialien

Inhaltsverzeichnis

1;Inhalt;10
2;1 Einleitung: Grundlagen der Schaltungstechnik für Kfz-Elektronik;16
3;2 Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen;20
3.1;2.1 Elektronische Systeme im Motorraum;21
3.2;2.2 Elektronische Systeme innerhalb der Fahrgastzelle;21
3.3;2.3 Infotainment-Systeme;22
3.4;2.4 Fahrerassistenzsysteme;22
3.5;2.5 Weitere Systeme;23
3.6;2.6 Kommunikation mit externen Systemen außerhalb des Fahrzeuges (Telematik);24
3.6.1;2.6.1 Telematik-Infotainment-/Büro-Bereich;25
3.6.2;2.6.2 Telematik-Navigationsbereich;25
3.6.3;2.6.3 Telematik-Fahrsituationsbereich;26
3.6.4;2.6.4 Telematik-Servicebereich;27
3.6.5;2.6.5 Telematik-Inkasso-Bereich;27
4;3 Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und die Auswirkungen auf die Elektronik;29
4.1;3.1 Allgemeine Bemerkungen;29
4.2;3.2 Definition von Umwelteinflüssen für Kraftfahrzeugelektronik;31
4.3;3.3 Elektrische Anforderungen, Lastsituationen;34
4.3.1;3.3.1 Allgemeines;35
4.3.2;3.3.2 Betrieb an einer Gleichspannung;36
4.3.3;3.3.3 Betrieb bei Überspannung;36
4.3.4;3.3.4 Start mit erhöhter Spannung (Jump Start, nur 12-V-Systeme);37
4.3.5;3.3.5 Überlagerte Schwingung (Voltage Ripple Test, Bordnetzwelligkeits-Test);37
4.3.6;3.3.6 Langsamer Spannungseinbruch bzw. Spannungsanstieg;39
4.3.7;3.3.7 Schneller Spannungseinbruch;39
4.3.8;3.3.8 Der RESET-Test;41
4.3.9;3.3.9 Verpolung;42
4.3.10;3.3.10 Offene Last;43
4.3.11;3.3.11 Kurzschluss;44
4.3.12;3.3.12 Lastprüfung;44
4.3.13;3.3.13 Schleichender Kurzschluss;46
4.4;3.4 Das 48-Volt-Bordnetz;46
5;4 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Kfz-Elektronik;49
5.1;4.1 Allgemeines zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC);49
5.2;4.2 EMC-Anforderungen an die Kraftfahrzeugelektronik;52
5.2.1;4.2.1 Leitungsgebundene Störaussendung im Zeitbereich;53
5.2.1.1;4.2.1.1 Impuls 1: Abschalten einer Induktivität;54
5.2.1.2;4.2.1.2 Impuls 2: Abschalten eines Kollektormotors;55
5.2.1.3;4.2.1.3 Impuls 3: Allgemeine Schaltvorgänge;56
5.2.1.4;4.2.1.4 Impuls 4: Der Anlassvorgang;59
5.2.1.5;4.2.1.5 Impuls 5: Lastabwurf (Load-Dump);60
5.2.2;4.2.2 Leitungsgebundene Störfestigkeit im Zeitbereich;62
5.2.3;4.2.3 Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen im Frequenzbereich;63
5.2.4;4.2.4 Störaussendungen im Frequenzbereich;63
5.2.5;4.2.5 Störfestigkeit im Frequenzbereich;67
5.3;4.3 Elektrostatische Entladung (ESD);68
5.4;4.4 EMC-Prüfeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik;71
5.4.1;4.4.1 Überprüfung leitungsgebundener Störimpulse im Zeitbereich;71
5.4.1.1;4.4.1.1 Leitungsgebundene Störaussendung;71
5.4.1.2;4.4.1.2 Störfestigkeit bei den Impulsen 1, 2, 4, 5 (Impulsgenerator);72
5.4.1.3;4.4.1.3 Störfestigkeit bei den Impulsen 3?a und 3?b (Koppelzange);72
5.4.2;4.4.2 ESD-Prüfeinrichtung;74
5.4.3;4.4.3 Überprüfung gestrahlter Störaussendungen/Störfestigkeit;74
5.4.3.1;4.4.3.1 TEM-Zelle (transversal-elektromagnetische Welle);75
5.4.3.2;4.4.3.2 Strip-Line;77
5.4.3.3;4.4.3.3 Absorberhalle/Absorberraum;78
5.4.4;4.4.4 Überprüfung leitungsgebundener Störabstrahlung/Störfestigkeit (Strom-Einkopplungszange);80
5.5;4.5 Verhalten von Bauelementen unter EMC-Einfluss;82
5.5.1;4.5.1 Energiereiche Störimpulse auf Leitungen;82
5.5.2;4.5.2 Gestrahlte Störeinflüsse;84
5.6;4.6 Verbesserung des EMC-Verhaltens in einer Kfz-Elektronik;85
6;5 Weitergehende Anforderungen an Kraftfahrzeugelektronik;88
6.1;5.1 Mechanische Anforderungen;88
6.1.1;5.1.1 Mechanische Schwingung;89
6.1.2;5.1.2 Mechanischer Stoß;90
6.1.3;5.1.3 Freier Fall;90
6.2;5.2 Klimatische Anforderungen;91
6.2.1;5.2.1 Temperatur-Wechselprüfung;91
6.2.2;5.2.2 Temperatur-Schockprüfung;93
6.2.3;5.2.3 Klimaprüfung;94
6.2.4;5.2.4 Salznebel-Prüfung;95
6.2.5;5.2.5 Dichtigkeit gegen Wasser und Staub;96
6.3;5.3 Chemische Anforderungen;98
7;6 Grundlegende Methoden, Berechnungen u. Sichtweisen für die Entwicklung von Kraftfahrzeugelektronik;100
7.1;6.1 Entwicklungsphasen;100
7.2;6.2 Musterphasen;103
7.3;6.3 Schritte für die Entwicklung einer Kraftfahrzeugelektronik;104
7.3.1;6.3.1 Strukturierung nach der Top-Down-Methode;104
7.3.2;6.3.2 Schnittstellendefinition im Hardwarebereich;105
7.3.3;6.3.3 Entwicklung einer Schaltung;107
7.3.4;6.3.4 Anwendung von Simulationswerkzeugen;108
7.3.5;6.3.5 Worst-Case-Rechnung;109
8;7 Modularisierung und Realisation von Kraftfahrzeugelektronik;118
8.1;7.1 Grundsätzlicher Aufbau der Kraftfahrzeugelektronik;118
8.2;7.2 Stromversorgung;121
8.2.1;7.2.1 Standard-Spannungsregler;121
8.2.2;7.2.2 Ersatzschaltbild unter HF-Gesichtspunkten;122
8.2.3;7.2.3 Spannungsregler für den Kraftfahrzeugeinsatz;124
8.2.4;7.2.4 Beispiel einer kraftfahrzeugtauglichen Spannungsversorgung;125
8.3;7.3 Funktionserzeugung;128
8.3.1;7.3.1 Fest verdrahtete Logik (diskrete Hardware);129
8.3.2;7.3.2 Verwendung eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC, integrierte Hardware);130
8.3.3;7.3.3 Verwendung eines programmierbaren Steuerwerkes (Firmware);131
8.3.4;7.3.4 Verwendung eines Mikrocontrollers (µC, Software);133
8.4;7.4 Sensorik;133
8.4.1;7.4.1 Digitaler Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung;134
8.4.2;7.4.2 Digitaler Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung;139
8.4.3;7.4.3 Analoger Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung;140
8.4.4;7.4.4 Analoger Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung;142
8.5;7.5 Aktuatorik;145
8.5.1;7.5.1 Leistungsklassen (14-Volt-Bordnetz);145
8.5.2;7.5.2 Realisation;145
8.5.3;7.5.3 Ansteuerung der Aktuatorik;146
8.5.4;7.5.4 Grundfunktionen;147
8.5.5;7.5.5 Analoge Leistungsregelung: Pulsweiten-Modulation (PWM);148
8.5.6;7.5.6 Erzeugung der Diagnoseinformationen;153
8.5.7;7.5.7 Dynamische Abschaltvorgänge der Aktuatorik;157
8.5.8;7.5.8 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: Low-Side-Schalter;161
8.5.8.1;7.5.8.1 Low-Side-Schalter mit Standard-MOS-Power-Transistor;161
8.5.8.2;7.5.8.2 Verbesserung des Kurzschluss- und Überlastverhaltens durch Verwendung eines selbstschützenden Transistors;162
8.5.8.3;7.5.8.3 Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOS-Power-Transistor;163
8.5.9;7.5.9 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: High-Side-Schalter;165
8.5.9.1;7.5.9.1 Einführung;165
8.5.9.2;7.5.9.2 High-Side-Schalter unter Verwendung einer Ladungspumpe;167
8.5.9.3;7.5.9.3 High-Side-Schalter für den getakteten Betrieb (PWM);170
8.5.9.4;7.5.9.4 Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors mit integrierter Elektronik zur Ansteuerung;173
8.6;7.6 Kommunikation und Diagnose;175
8.7;7.7 Schnittstelle zur Anzeige;176
8.7.1;7.7.1 Ansteuerung einzelner Anzeigeelemente;176
8.7.2;7.7.2 Anschluss von Displays;178
9;8 Mikrocontroller in der Kraftfahrzeugelektronik;180
9.1;8.1 Mikrocontroller: Hardware;181
9.1.1;8.1.1 Grundstruktur eines Mikrocontrollers;181
9.1.2;8.1.2 Verwendung eines Mikrocontrollers (Prinzip);183
9.1.3;8.1.3 Startphase eines Mikrocontrollers;185
9.2;8.2 Mikrocontroller: Grundlegende Überlegungen zur Software;187
9.2.1;8.2.1 Dynamische Softwaregrundstruktur;188
9.2.2;8.2.2 Erzeugung eines Watch-Dog-Signals;190
9.2.3;8.2.3 Verarbeitung digitaler Signale;193
9.2.4;8.2.4 Verarbeitung analoger Signale;196
9.2.5;8.2.5 Betriebssysteme für Mikrocontroller;198
9.2.6;8.2.6 Verarbeitung relativ langsamer Ereignisse;200
9.3;8.3 Entwicklungswerkzeuge;201
9.3.1;8.3.1 Ausführungsformen eines Mikrocontrollers;201
9.3.2;8.3.2 Assembler/Compiler/IDE;203
9.3.3;8.3.3 Überprüfung eines Mikrocontroller-Programms durch Einsatz eines Softwaresimulators;206
9.3.4;8.3.4 In-Circuit-Emulator unter Verwendung des Original-Mikrocontrollers (In-Circuit-Debugger (ICD));207
9.3.5;8.3.5 In-Circuit-Emulator (ICE) unter Verwendung eines Bond-Out-Chips;209
9.3.6;8.3.6 Kombinationsmethoden (Hardware in the Loop);211
9.3.7;8.3.7 Prüfung von Softwarefunktionen;212
9.4;8.4 Einbindung eines Mikrocontrollers in eine EMC-kritische Umgebung;214
9.4.1;8.4.1 Hauptoszillator;214
9.4.2;8.4.2 Versorgungsleitungen;216
9.4.3;8.4.3 Ein-/Ausgangsleitungen;217
9.4.4;8.4.4 Verwendung externer Speicher;217
9.4.5;8.4.5 Layout der Leiterkarte;218
10;9 Diagnoseschnittstelle und Kommunikation in Fahrzeugen;221
10.1;9.1 Diagnoseschnittstelle;223
10.1.1;9.1.1 K-(L)-Line;224
10.1.2;9.1.2 Diagnose-CAN;230
10.2;9.2 Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb des Fahrzeuges;231
10.2.1;9.2.1 Controller Area Network (CAN);232
10.2.2;9.2.2 Local Interconnect Network (LIN-Bus);237
10.2.3;9.2.3 Zeitsynchrone Sicherheitskommunikation;238
10.2.3.1;9.2.3.1 FlexRay-Bus;239
10.2.3.2;9.2.3.2 Physikalische Bitübertragung beim FlexRay;242
10.3;9.3 Kommunikation im Entertainment-Bereich innerhalb des Fahrzeuges (MOST-Bus);243
10.4;9.4 Ethernet im Fahrzeug;245
10.5;9.5 Zusammenfassung und Ausblick;249
10.5.1;9.5.1 Übersicht über die Kommunikationsformen;249
10.5.2;9.5.2 Ausblick auf die Zukunft;250
11;10 Spezialthemen der Kfz-Hardwareentwicklung;252
11.1;10.1 Verpolschutz;252
11.1.1;10.1.1 Die Verpolschutzdiode;252
11.1.2;10.1.2 Verpolschutz durch Abschmelzen einer Sicherung;253
11.1.3;10.1.3 Inverser Betrieb eines N-Kanal-MOS-Power-Transistors;255
11.1.4;10.1.4 Verpolung bei einem N-Kanal-MOS-Power-Transistor;257
11.1.5;10.1.5 Verpolschutz durch einen invers betriebenen N-Kanal-MOS-Power-Transistor;260
11.1.6;10.1.6 Verpolschutzrelais;263
11.2;10.2 Grundsätzlicher Einfluss der nicht elektrischen Umgebungsbedingungen auf die Elektronik;266
11.2.1;10.2.1 Temperatur;266
11.2.2;10.2.2 Feuchtigkeit und Staub;269
11.2.3;10.2.3 Mechanische Einflüsse;270
11.3;10.3 End-of-Line (EOL)-Programmierung;270
11.3.1;10.3.1 Verschiedene Abgleichverfahren;271
11.3.1.1;10.3.1.1 Abgleich durch Verwendung eines Potentiometers;271
11.3.1.2;10.3.1.2 Abgleich durch eine Auswahlkette;271
11.3.1.3;10.3.1.3 Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung des Mikrocontrollers;272
11.3.2;10.3.2 Prinzip der End-of-Line-Programmierung;272
11.3.3;10.3.3 Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges eines Mikrocontrollers;272
11.3.4;10.3.4 Korrektur des Temperaturverhaltens einer Kraftfahrzeugelektronik;276
11.4;10.4 Informationsgehalte der Datenblätter elektronischer Bauelemente;277
11.4.1;10.4.1 Deckblatt;277
11.4.2;10.4.2 Typenaufschlüsselung;277
11.4.3;10.4.3 Elektrische Daten;277
11.4.4;10.4.4 Mechanische Daten;277
11.4.5;10.4.5 Statistische Angaben;278
11.4.6;10.4.6 Logistik;278
11.4.7;10.4.7 Absolute Maximal-Werte (Absolut Maximum Ratings);278
11.4.8;10.4.8 Elektrische Eigenschaften (Electrical Characteristics);278
11.5;10.5 Einige statistische Begriffe;280
11.5.1;10.5.1 Maßzahlen;280
11.5.2;10.5.2 Ausfallraten über die Lebensdauer eines elektronischen Systems;282
11.6;10.6 Serienbegleitende Prüfungen;283
11.6.1;10.6.1 Die Eingangsinspektion;283
11.6.2;10.6.2 In-Circuit-Test (ICT);283
11.6.3;10.6.3 Endkontrolle bzw. Endprüfung;284
11.6.4;10.6.4 Stichprobe;284
11.6.5;10.6.5 Run-In;285
11.6.6;10.6.6 Burn-In;285
11.6.7;10.6.7 Serienbegleitende Requalifikation;286
12;11 Tabellen und Übersichten;287
12.1;11.1 Beispielhafter Entwicklungsablaufplan für eine Komponente (Kraftfahrzeugelektronik);287
12.2;11.2 Musterphasen (Beispiel);289
12.3;11.3 IP-Code-Bestandteile nach DIN 40?050-9;291
12.4;11.4 Widerstandsreihen;293
12.5;11.5 Wichtige Klemmenbezeichnungen;295
12.6;11.6 Elektronische Bauteileabkürzungen;298
12.7;11.7 ISO 7637, Schärfegrade, Übersicht;299
12.8;11.8 Tabelle der ASCII-Codierung;300
13;Verwendete Fachbegriffe;301
14;Literatur;305
15;Index;310

Über Autor(innen)

Krüger, Manfred
Prof. Dr.-Ing. Manfred Krüger lehrt an der Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Informations- und Elektrotechnik, im Institut für Mikrosensorik und Fahrzeugelektronik und ist u.a. mit Forschung und Entwicklung auf den Gebieten Fahrzeugelektronik und Mikrocontroller befasst. Er ist Mitglied im VDI und VDE.