Tille Automobil-Sensorik

Ausgewählte Sensorprinzipien und deren automobile Anwendung
1. Auflage 2016
ISBN: 978-3-662-48944-4
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 366 Seiten

Die Sensorik nimmt im Automobil einen bedeutenden und wachsenden Stellenwert ein. Im Zuge der rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik sind immer genauere und robustere Sensorinformationen unabdingbar. Diese Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik insbesondere zur 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 hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit.
In diesem Fachbuch sind Sensorprinzipien und -technologien beschrieben, die den Trend aktueller Sensorentwicklungen für spezielle Fahrzeug-Anwendungsgebiete widerspiegeln. Der Schwerpunkt dieser Ausgabe liegt auf Sensorsystemen, die ihren Einsatz im Bereich der Batterie-Zellüberwachung, Klimatisierung, Bedienfunktionen, Abgasregelungen, Motorsteuerungen und Fahrwerksdynamik im Automobil finden.  

Der HerausgeberDr.-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;10
4;Kapitel 1Integrierte Zell-Sensorik in Lithium-Ionen-Akkus für Elektround Hybridfahrzeuge;19
4.1;1.1 Einleitung;19
4.2;1.2 Stand der Technik;20
4.2.1;1.2.1 Batteriemanagementsysteme;20
4.2.2;1.2.2 Zustandsgrößen und Sensoren in Li-Ionen Zellen;21
4.3;1.3 Integrierte Druckund Temperatursensorik;32
4.3.1;1.3.1 Integrierte Drucksensoren auf Flexprint-Platinen;32
4.3.2;1.3.2 Passivierung der Flexprintsensoren;33
4.3.3;1.3.3 Optimierte Sensorik: Druck und Temperaturmessung;34
4.3.4;1.3.4 Zellintegration;35
4.3.5;1.3.5 Messergebnisse;35
4.4;1.4 Zusammenfassung;37
4.5;Literatur;38
5;Kapitel 2Batterie-Zellensensoren mit drahtloser Kommunikation und verteilter Signalverarbeitung;43
5.1;2.1 Einleitung;43
5.1.1;2.1.1 Batteriemanagement: Stand der Technik;43
5.1.2;2.1.2 Zellensensoren für jede Zelle;44
5.1.3;2.1.3 Systemaufbau Batteriemanagement;46
5.2;2.2 Der Zellensensor;47
5.2.1;2.2.1 Modulare Funktionen des Zellensensors;47
5.2.2;2.2.2 Funksynchronisierte Messung;48
5.2.3;2.2.3 Erfassung von hochdynamischen Ereignissen;50
5.2.4;2.2.4 Wake-Up-Funktion;50
5.2.5;2.2.5 Ladungsbalancierung;51
5.3;2.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Batteriezustandsbestimmung;52
5.3.1;2.3.1 Anregung im Ladeund Entladebetrieb;53
5.3.2;2.3.2 Verteilte Signalverarbeitung im Frequenzbereich;55
5.3.3;2.3.3 Ersparnis durch verteilte Signalverarbeitung;56
5.4;2.4 Anwendung und Erprobung;57
5.4.1;2.4.1 Erprobung der Sensormodule;57
5.4.2;2.4.2 Erprobung der Impedanzspektroskopie;58
5.5;2.5 Zusammenfassung und Ausblick;59
5.6;Literatur;60
6;Kapitel 3Chemoresistive CO2-Sensoren basierend auf Seltenerdoxycarbonat-beladenem Zinndioxid;62
6.1;3.1 Einleitung;62
6.2;3.2 Messverfahren;64
6.2.1;3.2.1 Sensoraufbau;64
6.2.2;3.2.2 Messaufbau für Widerstandsmessungen;65
6.2.3;3.2.3 Messaufbau für Operando-Austrittsarbeitsmessungen;65
6.3;3.3 Widerstandsmessungen;67
6.3.1;3.1.1Temperaturabhängigkeit von La2O2CO3;67
6.3.2;3.3.2 Temperaturabhängigkeit von La2O2CO3 beladenem SnO2;67
6.4;3.4 Austrittsarbeitsmessungen;69
6.4.1;3.4.1 Ergebnisse der Austrittsarbeitsübertragung;69
6.4.2;3.4.2 Funktionsweise der Austrittsarbeitsübertragung;71
6.5;3.5 Zusammenfassung;73
6.6;Literatur;73
7;Kapitel 4Photoakustischer Low-Cost CO2-Sensor für Automobilanwendungen;76
7.1;4.1 Einleitung;76
7.2;4.2 Messmethodik;79
7.2.1;4.2.1 Theorie der Photoakustik;80
7.2.2;4.2.2 Konzept des photoakustischen Sensorsystems;81
7.3;4.3 Sensorsystem;82
7.3.1;4.3.1 Mechanischer Aufbau und Komponenten;82
7.3.2;4.3.2 Energieversorgung im Automobil;87
7.4;4.4 Messergebnisse;87
7.4.1;4.4.1 Charakterisierung im Labor;87
7.4.2;4.4.2 Kalibration;90
7.5;4.5 Zusammenfassung und Ausblick;91
7.6;Literatur;92
8;Kapitel 5NDIR- und photoakustische VOC/CO2-Sensoren zur Detektion der Luftqualität;94
8.1;5.1 Einleitung;94
8.2;5.2 Ausgewählte Gassensormessprinzipien zur Detektion von CO;95
8.2.1;5.2.1 Funktionsprinzip optischer Gassensoren;95
8.2.2;5.2.2 NDIR-Messprinzip zur Detektion von CO;96
8.2.3;5.2.3 Photoakustisches Messprinzip zur Detektion von CO;97
8.2.4;5.2.4 Metalloxid-Gassensorelemente zur Detektion von VOCs;98
8.3;5.3 VOC/CO2-Sensorsysteme im Vergleich;99
8.3.1;5.3.1 Aufbauvarianten und Funktion;99
8.3.2;5.3.2 Vergleichende Laborunteruntersuchungen von NDIRund photoakustischem VOC/CO2-Sensor;102
8.3.3;5.3.3 Praxistests;106
8.4;5.4 Applikationspotenzial im Automotive-Bereich;109
8.5;5.5 Zusammenfassung und Ausblick;110
8.6;Literatur;111
9;Kapitel 6Mikrowellengestützte Systeme zur Zustandserkennung von Abgaskatalysatoren und Abgaskltern im Überblick;112
9.1;6.1 Einleitung;112
9.2;6.2 Prinzip der mikrowellenbasierten Katalysator-Zustandserkennung;114
9.3;6.3 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beim Dreiwegekatalysator;115
9.4;6.4 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beim NH3-SCR-Katalysator;120
9.5;6.5 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beimNOx-Speicherkatalysator;124
9.6;6.6 Mikrowellenbasierte Zustandserkennung beim Diesel-Partikelfilter;124
9.7;6.7 Zusammenfassung;125
9.8;Literatur;126
10;Kapitel 7Miniaturisierte Systeme zur mikrowellenbasierten Katalysatorüberwachung;130
10.1;7.1 Einleitung;130
10.2;7.2 Kommunikationssystembasierter Ansatz;131
10.2.1;7.2.1 Beschreibung des Messprinzips;131
10.2.2;7.2.2 Experimentelle Verifikation;133
10.3;7.3 Reflektometer;139
10.3.1;7.3.1 Prinzip und Aufbau;139
10.3.2;7.3.2 Systemeigenschaften;140
10.3.3;7.3.3 Systemleistung;143
10.4;7.4 Zusammenfassung;144
10.5;Literatur;145
11;Kapitel 8Touch-Sensor-System für Dekor-integrierte HMI-Anwendungen im Automobil;146
11.1;8.1 Einleitung;146
11.2;8.2 Sensorprinzip;147
11.2.1;8.2.1 Optischer Touch-Sensor;148
11.2.2;8.2.2 Kapazitiver Touch-Sensor;148
11.3;8.3 Sensorsystem;154
11.3.1;8.3.1 Sensormodul;154
11.3.2;8.3.2 3D-Funktionsoberfläche;161
11.3.3;8.3.3 Performance;161
11.4;8.4 Anwendung;163
11.4.1;8.4.1 Dekor-Integration;164
11.4.2;8.4.2 Human-Machine-Interface;165
11.5;8.5 Zusammenfassung;166
11.6;Literatur;166
12;Kapitel 93D-Gestenerkennung für Multi-Touch Displays;168
12.1;9.1 Einleitung;168
12.1.1;9.1.1 Anwendungsgebiete;169
12.2;9.2 Systeme zur Gestenerkennung;170
12.3;9.3 Kapazitive Gestenerkennung;172
12.3.1;9.3.1 E-Feld Sensorik;173
12.3.2;9.3.2 Fazit;175
12.4;9.4 Systemcharakterisierung;175
12.5;9.5 Gestenerkennungssystem GestIC;177
12.5.1;9.5.1 Signalverarbeitung GestIC;179
12.5.2;9.5.2 Rohdaten und Gesten;179
12.5.3;9.5.3 Statistische Klassifikation;181
12.5.4;9.5.4 GestIC-Gestenportfolio;183
12.6;9.6 2D-Multitouch, 3D-Gestenerkennung für Displays;184
12.6.1;9.6.1 Technische Herausforderung;184
12.6.2;9.6.2 2D-Multitouch-Erkennung;185
12.6.3;9.6.3 2D/3D-Displays;185
12.7;9.7 Zusammenfassung und Ausblick;186
12.8;Literatur;187
13;Kapitel 10Materialintegrierte Sensorik für Fahrzeug-Leichtbautechnik;188
13.1;10.1 Einleitung;188
13.2;10.2 Sensoren in Entwicklung und Produktion;190
13.2.1;10.2.1 Fremdkörpereffekt;191
13.2.2;10.2.2 Fließfrontüberwachung;193
13.2.3;10.2.3 Überwachung des Aushärtungsprozesses;199
13.3;10.3 Structural Health Monitoring;201
13.3.1;10.3.1 Optische Verfahren;202
13.3.2;10.3.2 Dielektrische Verfahren;203
13.3.3;10.3.3 Akustische Verfahren;203
13.4;10.4 Drahtlose Übertragung;204
13.5;10.5 Zusammenfassung;206
13.6;Literatur;207
14;Kapitel 11MEMS Mobility-Sensoren für Bewegungserkennung;214
14.1;11.1 Einleitung;214
14.1.1;11.1.1 MEMS-Sensoren im Automobil;215
14.1.2;11.1.2 MEMS-Sensoren in Konsumelektronik;215
14.2;11.2 Anforderungen für MEMS im Automobil und in der Konsumelektronik;215
14.2.1;11.2.1 Marktanforderungen für Automobil-MEMS;216
14.2.2;11.2.2 Marktanforderungen für Konsumelektronik-MEMS;216
14.2.3;11.2.3 Zusammenfassung der unterschiedlichen Marktanforderungen;217
14.3;11.3 Mobility-Sensoren Konzept;217
14.3.1;11.3.1 AEC-Q100 Qualifizierung;218
14.3.2;11.3.2 Erweiterte Produktverfügbarkeit / erweitertes Endmessen;218
14.4;11.4 Vorstellung Mobility-Sensoren;219
14.4.1;11.4.1 MEMS-Inertialsensor SMI130;219
14.4.2;11.4.2 SMG130;221
14.4.3;11.4.3 SMA130;221
14.5;11.5 Mögliche Automobil-Anwendungen;223
14.5.1;11.5.1 Bank-Angle-Sensierung;223
14.5.2;11.5.2 Alarmanlagen in Fahrzeugen;224
14.5.3;11.5.3 Navigation;224
14.5.4;11.5.4 Remote-Keyless-Entry-Systeme;225
14.5.5;11.5.5 eCall;225
14.6;11.6 Software;226
14.6.1;11.6.1 Software für Konsumelektronikund Automobil-Sensoren;226
14.6.2;11.6.2 Software für Mobility-Sensoren;226
14.6.3;11.6.3 Linuxund Android-Softwarestruktur mit Mobility-Sensoren;226
14.6.4;11.6.4 Ausblick für Software Anwendungen;227
14.7;11.7 Zusammenfassung;228
14.8;Literatur;228
15;Kapitel 12Hoch performante Rotorlage-Sensorik für bürstenlose E-Maschinen in Hybridantrieben;229
15.1;12.1 Einleitung;229
15.2;12.2 Rotorpositionssensor;231
15.2.1;12.2.1 Methoden zur Erfassung der Rotorposition;231
15.3;12.3 In die Welle integriertes Sensorsystem;238
15.3.1;12.3.1 Aufbau;238
15.3.2;12.3.2 Optimierung bezüglich Genauigkeit;239
15.3.3;12.3.3 Systemuntersuchung: Genauigkeit;241
15.3.4;12.3.4 Systemuntersuchung: Störfeldrobustheit;242
15.4;12.4 Rotorlage-Sensorik unter dem Aspekt funktionaler Sicherheit;244
15.5;12.5 Zusammenfassung;245
15.6;Literatur;246
16;Kapitel 13Hochintegrierte Rotorlage-Sensoren für Elektro-Motoren;247
16.1;13.1 Einleitung;247
16.2;13.2 Technologien zur Rotorlage-Erfassung;253
16.2.1;13.2.1 Resolver;253
16.2.2;13.2.2 Wirbelstrom-Sensoren (Eddy-Current-Sensoren);255
16.2.3;13.2.3 Magnetische Sensoren;256
16.2.4;13.2.4 360°-AMR-Encoder;259
16.3;13.3 Vergleich auf Systemniveau;262
16.3.1;13.3.1 Integration;262
16.3.2;13.3.2 Magnetische Störfestigkeit;265
16.3.3;13.3.3 Kosten;266
16.3.4;13.3.4 Messgenauigkeit;266
16.4;13.4 Zusammenfassung und Ausblick;274
16.5;Literatur;275
17;Kapitel 14Magnetoresistive Sensoren für Weg-, Winkel-, Stromund Feldmessung im Automobil;276
17.1;14.1 Einleitung;276
17.2;14.2 Anforderungen an Sensoren im Automobil;277
17.3;14.3 Grundlagen magnetoresistiver Sensortechnologie;278
17.3.1;14.3.1 AMR-Effekt;280
17.3.2;14.3.2 GMR-Effekt;284
17.3.3;14.3.3 TMR-Effekt;285
17.4;14.4 Signalverarbeitung bei MR-Sensoren;286
17.5;14.5 Vorteile und Nutzen von MR-Sensoren;288
17.6;14.6 Anwendungsbeispiele;291
17.6.1;14.6.1 Raddrehzahlsensor;291
17.6.2;14.6.2 Drehmomentsensor für elektrische Lenkung;293
17.6.3;14.6.3 Motorkommutierungssensor für Aktivlenkung;295
17.6.4;14.6.4 Zahnsensormodul für Ventilwegmessung;297
17.6.5;14.6.5 Geschwindigkeitssensor für E-Kompressor;300
17.6.6;14.6.6 Winkelsensor für vollvariables Ventilsteuerungssystem;301
17.6.7;14.6.7 Stromsensor für E-Sportwagen Umrichter;302
17.6.8;14.6.8 Stromsensor für induktives Ladesystem für E-Fahrzeuge;305
17.7;14.7 Zusammenfassung;307
17.8;Literatur;307
18;Kapitel 15Streufeld-immune Schaltkreise für magnetische Positionssensoren;311
18.1;15.1 Einleitung;311
18.2;15.2 Positionssensoren im Automobil;312
18.2.1;15.2.1 Überblick;312
18.2.2;15.2.2 Einfluss von Streufeldern auf magnetische Positionssensoren;314
18.3;15.3 Messergebnisse;326
18.4;15.4 Zusammenfassung;328
18.5;Literatur;328
19;Kapitel 16Induktiver Drehzahlsensor für Turbolader;329
19.1;16.1 Einleitung;329
19.2;16.2 Sensor-Technologie;330
19.2.1;16.2.1 Funktionsprinzip;330
19.2.2;16.2.2 Aufbau;333
19.3;16.3 Vorteile der Turboladerdrehzahl-Erfassung;334
19.3.1;16.3.1 Luftsystem von Verbrennungsmotoren;334
19.3.2;16.3.2 Üblicher Überdrehzahlschutz / Toleranzeinfluss;337
19.3.3;16.3.3 Erhöhung der Höhenreserve;340
19.3.4;16.3.4 Erhöhung Drehmoment/Leistung und Downsizing-Potential;341
19.3.5;16.3.5 Erweiterte Nutzung des Verdichterkennfeldes;343
19.3.6;16.3.6 Ersatz anderer Sensoren;344
19.4;16.4 Zusammenfassung;345
19.5;Literatur;346
20;Kapitel 17Piezoelektrische MEMS-Sensoren zur Viskositätsund Dichtebestimmung von technischen Flüssigkeiten;347
20.1;17.1 Einleitung;347
20.2;17.2 MEMS-Resonatoren in viskosen Flüssigkeiten;348
20.3;17.3 Piezoelektrischer Effekt in MEMS-Resonatoren;350
20.4;17.4 Herstellung der MEMS Sensoren;357
20.5;17.5 Messungen in hochviskosen Flüssigkeiten;358
20.6;17.6 Zusammenfassung und Ausblick;364
20.7;Literatur;364