Tille Automobil-Sensorik 2

Systeme, Technologien und Applikationen
1. Auflage 2018
ISBN: 978-3-662-56310-6
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 323 Seiten

Die Sensorik nimmt im Automobil einen bedeutenden und stark wachsenden Stellenwert ein. Im Zuge der rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Fahrzeug-technik, wie Automatisiertes Fahren und E-Mobilität, sind immer genauere und robustere Sensorinformationen unabdingbar. Diese Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik insbesondere zur Objekterkennung, Systemüberwachung, Motorsteuerung, Fahrstabilität, Sicherheits- und Komforterhöhung genutzt. Zur Generierung dieser Informationen gewinnen neben der Optimierung bekannter Sensorprinzipien zunehmend auch neue Sensorkonzepte und -technologien an Bedeutung. Die resultierenden Sensorsysteme unterliegen neben den hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit.In diesem Fachbuch sind Sensorprinzipien und -techno¬logien beschrieben, die den Trend aktueller Sensorentwicklungen für spezielle Fahrzeug-Anwendungsgebiete widerspiegeln. Der Schwerpunkt dieser Ausgabe liegt auf Sensorsystemen, die ihren Einsatz im Bereich Automatisiertes Fahren, Batterie-Zellüberwachung in Elektrofahrzeugen, Motorsteuerungen, Abgasregelungen, Klimatisierung und aktive Sicherheit im Automobil finden.


Dr.-Ing. Thomas Tille studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Berlin und promovierte an der Technischen Universität München auf dem Gebiet Integrierter Sensorauswerteschaltungen. Seit mehreren Jahren ist er im Bereich der Elektronik- und Sensorikentwicklung der BMW AG tätig. 
Dr. Tille ist zudem Dozent für Mikroelektronik an der Technischen Universität München und leitet darüber hinaus Tagungen im Bereich Automobil-Sensorik.   

Autoren/Hrsg.

Tille, Thomas

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Inhaltsübersicht;7
3;Inhaltsverzeichnis;9
4;Trends in der Automobil-Sensorik;17
4.1;1.1 Einleitung;17
4.2;1.2 Übersicht von Sensoren im Automobil;18
4.2.1;1.2.1 Anwendungen für Sensoren;18
4.2.2;1.2.2 Marktfaktoren;21
4.3;1.3 Impulse und Trends für Sensoren im Automobil;24
4.3.1;1.3.1 Sensoren für Autonomes Fahren;24
4.3.2;1.3.2 Sensoren für Intelligente Cockpits;26
4.4;1.4 Zusammenfassung;27
5;LiDAR-Sensorsystem für automatisiertes und ­autonomes Fahren;29
5.1;2.1 Einleitung;29
5.2;2.2 LiDAR;30
5.3;2.3 Messtechnik;32
5.3.1;2.3.1 Optische Distanzmessung;32
5.3.2;2.3.2 Messgenauigkeit;34
5.3.3;2.3.3 Digitale Datenverarbeitung;37
5.4;2.4 Integriertes Messsystem;43
5.4.1;2.4.1 Laserdioden;43
5.4.2;2.4.2 Fotodioden;43
5.4.3;2.4.3 Analog-Digital-Wandler;45
5.4.4;2.4.4 Signalkonditionierung der Fotodiode;45
5.4.5;2.4.5 Funktionale Sicherheit und Diagnose;47
5.4.6;2.4.6 Taktsystem;49
5.4.7;2.4.7 Lichtdatenerfassungs-Modul;49
5.4.8;Architektur des Messsystems;50
5.5;2.5 Zusammenfassung;52
6;Porösizierte Glaskeramik-Substrate für die ­Radarsensorik;55
6.1;3.1 Einleitung;55
6.2;3.2 Hochfrequenzradarsensoren;56
6.2.1;3.2.1 Aufbaukonzepte;58
6.2.2;3.2.2 Glaskeramische Mehrlagensubstrate;60
6.3;3.3 Porösizierte Glaskeramiksubstrate;61
6.3.1;3.3.1 Nasschemisches Ätzen;61
6.3.2;3.3.2 Hochfrequenzcharaktersierung;65
6.3.3;3.3.3 Eignung für Radarsensoren;70
6.4;3.4 Zusammenfassung und Ausblick;72
7;Optische Batteriesensorik für Elektro-Fahrzeuge;76
7.1;4.1 Einführung;76
7.2;4.2 Direkte optische Zustandserkennung;79
7.2.1;4.2.1 Beobachtung optischer Effekte;79
7.2.2;4.2.2 Messsystem für Laboruntersuchungen;81
7.2.3;4.2.3 Elektrodenanordnung in der Testzelle;83
7.2.4;4.2.4 Korrelation zwischen Ladung und Reflexion;84
7.3;4.3 Fasersensor für konventionelle Zellaufbauten;86
7.3.1;4.3.1 Aufbau und Funktionsweise;86
7.3.2;4.3.2 Experimentelle Fasersensoren in Batteriezellen;89
7.3.3;4.3.3 Messergebnisse mit Fasersensoren;90
7.3.4;4.3.4 Kalibrierung der Fasersensoren;90
7.4;4.4 Zusammenfassung;93
8;Impedanzsensorik für Batteriezellen in ­Elektro-Fahrzeugen;97
8.1;5.2 Stand der Technik Impedanzspektroskopie und Zellimpedanz;98
8.1.1;5.2.1 Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS);98
8.1.2;5.2.2 Zellimpedanz;100
8.2;5.3 Sensitivitäten der Zellimpedanz und ableitbare ­Anwendungsfälle;102
8.2.1;5.3.1 Temperatur;103
8.2.2;5.3.2 Ladezustand (SOC);105
8.2.3;5.3.3 Alterungszustand (SOH);107
8.2.4;5.3.4 Druck;109
8.2.5;5.3.5 Strom;110
8.3;5.4 Impedanzsensor zur Temperaturmessung;111
8.3.1;5.4.1 Prozessgleichung und Unsicherheitseinflüsse;112
8.3.2;5.4.2 Wahl der optimalen Anregungsfrequenz fEIS;115
8.3.3;5.4.3 Messunsicherheitsbudget und Optimierung;118
8.4;5.5 Zusammenfassung;122
9;Integrierte Fluxgate-Sensoren zur Strommessung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen;125
9.1;6.1 Einleitung;125
9.2;6.2 Technologieübersicht Stromsensoren;126
9.2.1;6.2.1 Hall-Sensoren;126
9.2.2;6.2.2 Shunt-Sensoren;128
9.2.3;6.2.3 Fluxgate-Sensoren mit Kern;129
9.3;6.3 Strommessung mittels Integrierter Fluxgate-Sensoren;131
9.3.1;6.3.1 Differentieller Fluxgate-Sensor;131
9.3.2;6.3.2 Integration des Fluxgate-Sensors;139
9.4;6.4 Zusammenfassung;143
10;Hoch integrierte Strom- und Positionssensoren für elektrische Antriebssysteme;145
10.1;7.1 Einleitung;145
10.2;7.2 Rotorlagesensorik;148
10.2.1;7.2.1 Sensorsysteme;148
10.2.2;7.2.2 Schnittstelle;150
10.3;7.3 Stromsensorik;165
10.3.1;7.3.1 Überblick Prinzipien zur Strommessung;165
10.3.2;7.3.2 Magnetische Stromsensoren;166
10.4;7.4 Zusammenfassung;173
11;GMR-basierter, störfeldrobuster ­Kurbel­wellensensor für Hybridfahrzeuge;174
11.1;8.1 Einleitung;174
11.2;8.2 Fehlzündungserkennung;175
11.2.1;8.2.1 Fehlzündungserkennung mit Klopfsensor;176
11.2.2;8.2.2 Fehlzündungserkennung mit Drucksensor, Gassensor oder Drehmomentsensor;176
11.2.3;8.2.3 Fehlzündungserkennung mit einem hoch wiederholgenauen Kurbelwellensensor;176
11.2.4;8.2.4 Wiederholgenauigkeit von Kurbelwellensensoren;177
11.2.5;8.2.5 TLE5028C als Demonstrator für hohe Wiederholgenauigkeit;179
11.3;8.3 Stopp-Start-Anwendung;180
11.3.1;8.3.1 TLE5028C für fehlerfreie Stopp-Start-Applikation;182
11.3.2;8.3.2 Verifikation der Stopp-Start Applikation am Prüfstand;186
11.4;8.4 Backbias-Magnetdesign für GMR-Sensoren;187
11.4.1;8.4.1 Magnetkreisdesign als Herausforderung;187
11.4.2;8.4.2 Magnetkreisauslegung für GMR-Kurbelwellensensoren;189
11.5;8.5 Robustheit gegen magnetisches Streufeld;191
11.5.1;8.5.1 Erzeugung von Streufeldern aufgrund Elektrifizierung;191
11.5.2;8.5.2 Vermeidung von magnetischen Einflüssen auf das ­Sensornutzsignal;192
11.6;8.6 Zusammenfassung;192
12;Dynamische magnetoelastische Drehmoment­sensorik für zukünftige Antriebsstrangregelung;196
12.1;9.1 Einleitung;196
12.2;9.2 Grundlagen der Magnetoelastik;198
12.2.1;9.2.1 Messprinzip;200
12.2.2;9.2.2 Sensorelektronik;200
12.2.3;9.2.3 Sensorparameter;202
12.2.4;9.2.4 Langzeitstabilität;207
12.3;9.3 Applikationsbeispiel Mitnehmerscheibe;209
12.3.1;9.3.1 Sensorinstallation;210
12.3.2;9.3.2 Sensoraufbau;211
12.3.3;9.3.3 Krafstoffqualität;213
12.3.4;9.3.4 Motorsteuerung;214
12.3.5;9.3.5 Getriebesteuerung;215
12.4;9.4 Applikationsbeispiel Hybridgetriebe;217
12.4.1;9.4.1 Anpassung des Kupplungs-Kiss-Punktes;218
12.4.2;9.4.2 Anpassung des Kupplungsmoments an Position;218
12.4.3;9.4.3 Drehmomentregelung beim Schlupfstart des ­Verbrennungsmotors;218
12.5;9.5 Zusammenfassung;219
13;Beladungsregelung eines NH3-SCR-Katalysator- Systems auf minimale NOx-Emissionen mittels Hochfrequenzsensorik;221
13.1;10.1 Einleitung;221
13.2;10.2 Grundlagen und Stand der Technik;223
13.2.1;10.2.1 Grundlagen des hochfrequenzbasierten Verfahrens;223
13.2.2;10.2.2 Prüfstandsuntersuchungen am SCR-Katalysator mit der ­Hochfrequenzmethode;223
13.3;10.3 Umsetzung am Motorprüfstand;226
13.3.1;10.3.1 Versuchsaufbau;226
13.3.2;10.3.2 Stationärbetrieb mit einem Fe-Zeolithen als SCR-Katalysator;228
13.3.3;10.3.3 Transienter Betrieb mit einem Cu-Zeolithen als ­SCR-Katalysator;229
13.4;10.4 Zusammenfassung;237
14;Miniaturisierter, thermisch gepulster VOC/CO2-Sensor zur Luftgütedetektion;241
14.1;11.1 Einleitung;241
14.2;11.2 Sensorprinzipien zur Detektion von CO2 und VOC;242
14.2.1;11.2.1 Photoakustisches Messprinzip zur CO2-Detektion;242
14.2.2;11.2.2 Metalloxid(MOX)-Gassensorelement zur Detektion von VOCs;245
14.3;11.3 Miniaturisierter VOC/CO2-Sensor;245
14.3.1;11.3.1 Aufbau und Funktionsweise;245
14.3.2;11.3.2 Technische Performance;249
14.4;11.4 Messergebnisse;250
14.4.1;11.4.1 Labortests;250
14.4.2;11.4.2 Praxistests: Luftqualitätsmessungen im Fahrzeuginnenraum;257
14.5;11.5 Zusammenfassung;261
15;Intelligente Innenraum-Temperatursensorik im Automobil;263
15.1;12.1 Einleitung;263
15.2;12.2 Messverfahren zur Ermittlung der Kabinentemperatur;264
15.2.1;12.2.1 Zwangsbelüftete Temperaturmessung;265
15.2.2;12.2.2 Messung der Infrarotstrahlung;265
15.2.3;12.2.3 Simulation der Kabinentemperatur;267
15.3;12.3 ITOS;269
15.4;-Sensorsystem;269
15.4.1;12.3.1 Sensorprinzip;269
15.4.2;12.3.2 Kompensation direkter Solarstrahlung;273
15.4.3;12.3.3 ITOS;274
15.4.4;-Algorithmus;274
15.4.5;12.3.4 Experimentelle Ergebnisse;275
15.4.6;12.3.5 Einbaulage und Bewertung;278
15.4.7;12.3.6 ITOS;279
15.4.8;mit LIN-Bus Interface;279
15.4.9;12.3.7 Intelligenter ITOS;281
15.4.10;12.3.8 Technische Daten;282
15.5;12.4 Zusammenfassung;284
16;Sichtweitensensor zur Optimierung der ­automatischen Lichtfunktionen im Automobil;286
16.1;13.1 Einleitung;286
16.1.1;13.1.1 Motivation;286
16.1.2;13.1.2 Funktionen des automatischen Fahrlichts;287
16.1.3;13.1.3 Definition Sichtweite;289
16.2;13.2 Sichtweitenerkennung - Stand der Technik;289
16.3;13.3 Sichtweitensensor;291
16.3.1;13.3.1 Funktionsprinzip;291
16.3.2;13.3.2 Aufbau;294
16.4;13.4 Experimentelle Ergebnisse;299
16.4.1;13.4.1 Messaufbau;299
16.4.2;13.4.2 Messergebnisse;302
16.5;13.5 Zusammenfassung und Ausblick;304
17;Sensorik für intelligente Steckverbinder im ­Automobil;306
17.1;14.1 Einleitung;306
17.2;14.2 Motivation und Innovationspotential;307
17.3;14.3 Anforderungen und Anwendungen intelligenter elektrische ­Steckverbinder;308
17.3.1;14.3.1 Definition;308
17.3.2;14.3.2 Anforderungen;308
17.3.3;14.3.3 Steckverbinder für Anwendungen in höheren ­Leistungsbereichen;310
17.4;14.4 Kontaktphysikalische Grundlagen;311
17.4.1;14.4.1 Engewiderstand und ruhender Kontakt;311
17.5;14.5 Sensorik;314
17.5.1;14.5.1 Stromsensorik;315
17.5.2;14.5.2 Temperatur-Sensorik;317
17.5.3;14.5.3 Intrinisch-inhärente Sensorik;318
17.6;14.6 Packaging-Technologie;319
17.7;14.7 Erwartete Degradationseffekte;321
17.8;14.8 Zusammenfassung;321