Mobilität
Wie Fahrzeugarchitekturen sich durch Sensoren verändern
Ein moderner nicht-elektrischer Pkw hat zwischen 60 und 100 Sensoren. Je mehr, desto smarter kann ein Auto fahren – und desto teurer wird es. Ingenieure stehen vor der Herausforderung, diese Sensoren effizient und kostengünstig in neue Fahrzeugarchitekturen zu integrieren.
Der Artikel liefert unter anderem Antworten auf folgende Fragen:
- Welche Informationen liefern Sensoren in modernen Fahrzeugen?
- Wie beeinflussen Sensoren die Fahrfähigkeiten von Autos?
- Wie viele Sensoren hat ein durchschnittliches Personenkraftfahrzeug?
- Wie verändert sich die Architektur von Fahrzeugen durch Sensoren?
- Welche Herausforderungen gibt es bei der Integration von Sensoren in Fahrzeugsysteme?
- In welchen Bereichen schaffen Sensoren Mehrwert?
- Wie unterstützen Sensoren die Effizienz von Elektrofahrzeugen?
- Welche Rolle spielen Sensoren in der Entwicklung von Elektrofahrzeugen?
- Wie beeinflusst die Kombination von Sensoren das Fahrerlebnis?
- Welche Rolle spielt die Zusammenarbeit zwischen Systemarchitekten und Herstellern in der Sensortechnologie?
Die Anzahl von Sensoren in einem Fahrzeug ist höher als sich der durchschnittliche Besitzer vorstellen kann. Über diese erhalten Autofahrer zahlreiche Einblicke in ihren vierrädrigen Gefährten. Neben offensichtlichen Informationen auf dem Armaturenbrett wie Reifendruck, Kraftstoffstand und Motortemperatur, werden in modernen Fahrzeugen auch Angaben über die Motorkomponenten anzeigt. Diese erhalten nicht nur den Betriebszustand aufrecht. Sie geben beispielsweise auch Aufschluss über die Raddrehzahl, welche die Antriebstechnik oder das Antiblockiersystem steuert, sowie über die Innen- und Außentemperatur für einen komfortabel temperierten Innenraum.
Je mehr Sensoren ein Auto hat, desto smarter kann es fahren – vorausgesetzt, es ist in der Lage, die von den Sensoren gelieferten Informationen zu sammeln, zu analysieren und zu verarbeiten. Ein modernes, nicht-elektrisches Personenkraftfahrzeug hat zwischen 60 und 100 Sensoren1, davon 15 bis 30 für die Motorsteuerung. Bei einem Lkw steigt diese Zahl auf durchschnittlich 400 Sensoren2 an, von denen bis zu 70 für den Motor bestimmt sind. Bei anspruchsvolleren Elektrofahrzeugen, insbesondere bei solchen, die teilautonomes Fahren ermöglichen, kann sich diese Zahl auf das Zwei- oder Dreifache erhöhen.
Änderungen in der Art und Weise, wie Hersteller Fahrzeugsysteme konzipieren, ermöglichen es, mehr Sensoren einzusetzen, um Autos sicherer, zuverlässiger, effizienter und komfortabler als je zuvor zu machen. Experten erwarten, dass sich die durchschnittliche Anzahl der Sensoren in einem Luxusauto im kommenden Jahr verdoppeln3 wird. Mehr Sensoren haben aber auch ihren Preis. Um einen Ausgleich zwischen anspruchsvollen Funktionen und angemessenen Preisen und Gewinnspannen für die Automobilhersteller zu schaffen, müssen die Ingenieure herausfinden, wie sie diese Sensoren effizient und kostengünstig in neue Fahrzeugarchitekturen integrieren können.
Dynamische Änderungen in den Fahrzeugarchitekturen
Der Ersatz mechanischer Instrumente zur Überwachung von Systemen durch Sensoren ging zunächst damit einher, dass diese Sensoren von einem einzigen, zentralen „Gehirn“ im Fahrzeug gesteuert wurden: dem Steuergerät, das die Regelung, Steuerung und Überwachung des Motors regelt (ECU, Engine Control Unit). Als die Hersteller mehr Funktionen und Leistungen im gesamten Fahrzeug einführten, begannen sie, Subsysteme mit eigener Rechenleistung zu entwickeln, um diese zu steuern. Heute sind die Komponenten zunehmend über standardisierte Netzwerke miteinander verbunden, ähnlich wie bei jedem anderen elektronischen Gerät.
Das Aufkommen einer homogeneren, busbasierten Architektur stellt für die Komponenteningenieure sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance dar: Diese Art von System könnte viel mehr Sensoren unterstützen, die eine breite Palette wertvoller Anwendungen bieten könnten. Um diese Sensoren jedoch so zu verpacken, dass sie die sich entwickelnden Anforderungen dieser neuen Architekturen effizient und wirtschaftlich erfüllen, ist ein ausgefeiltes Verständnis des Marktes und ein proaktiver, kooperativer Ansatz bei der Zusammenarbeit mit den Herstellern erforderlich.
Neue Herausforderungen annehmen
Sensoren schaffen einen Mehrwert, der deren Investitionskosten in einer Reihe von Schlüsselbereichen kompensiert, zum Beispiel bei der Performance und Effizienzanalyse von Primärsystemen. Effizienz steht auch im Kontext von Elektrofahrzeugen im Fokus. Hier stehen die Hersteller vor der primären Herausforderung, ihre Reichweite zu erhöhen. Führende Unternehmen arbeiten an Sensortechnologien, die in drei Schlüsselbereichen der Elektrofahrzeug-Industrie einsetzbar sind:
- Vor einem Jahrzehnt sind Drehmomentsensoren, die eine genaue und detaillierte Erfassung der Motorposition ermöglichen, nur in militärischen Anwendungen oder in der Luft- und Raumfahrt zu finden gewesen. Heute ermöglichen diese Sensoren den Herstellern, leistungsstärkere und reaktionsschnellere Motoren schnell auf den Pkw-Markt zu bringen.
- Weitere wichtige Bereiche sind die Ausstattung und Leistungsfähigkeit der Akkus sowie die Stromsensorik. Die 12-Volt-Batteriesysteme, die in der Vergangenheit Fahrzeuge angetrieben haben, erfordern nicht die gleiche Feinsteuerung wie die größeren, komplexeren Batteriesysteme, die für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Die in diesen alten Systemen verwendeten Sensoren lassen sich nicht ohne Weiteres an neuere Architekturen anpassen. Die Komponentenhersteller müssen dafür neue Systeme zur Überwachung der Lade- und Entladezyklen der Batterien sowie einen Überspannungsschutz entwickeln
- Die regenerativen Bremssysteme in Elektrofahrzeugen erfordern neue Sensoren zur Überwachung des Bremsdrucks und der Bremsposition. Sie ermöglichen, den Bremsvorgang sicher und schnell umzusetzen.
Integration neuer Komponenten in komplexe Systeme
Da der Markt für Elektrofahrzeuge beständig Fahrt aufnimmt, werden die Systemanforderungen an die Komponentenhersteller immer mehr standardisiert, um dem Tempo mit hohen Qualitätsstandards der Komponenten gerecht zu werden. Zu dieser agilen Dynamik tritt eine weitere Anforderung: Um sich als innovativer Vorreiter zu etablieren, wettbewerbsfähig zu bleiben und zugleich hohen Qualitätsstandards zu genügen, müssen die Ingenieure in der Lage sein, Lösungen zu entwickeln, die Marktentwicklungen vorwegnehmen und den Herstellern helfen, herauszufinden, was realisierbar ist. Dieser Prozess erfordert ein fundiertes Verständnis von Materialien und Fertigungsmöglichkeiten. Praktikable Lösungen müssen zuverlässig genug sein, um hohen Temperaturen und Vibrationen standzuhalten, und sie müssen sich nahtlos in die anderen Systeme des Fahrzeugs integrieren lassen.
Die heutigen Sensoren müssen auch detailliertere Informationen liefern. Die zunehmend für das autonome Fahren genutzten bildverarbeitungsbasierten Technologien erfordern eine hohe Bandbreite und schnelle Reaktionszeiten, um Sicherheit und Schnelligkeit zu gewährleisten. Diese Anforderungen verändern die Datenübertragungsprotokolle, die im gesamten Fahrzeug zum Einsatz kommen. Gleichzeitig müssen die Komponentenhersteller den Stromverbrauch in den Subsystemen eines Fahrzeugs minimieren, um dessen Reichweite zu erhalten - eine Herausforderung, die in der Zeit, in der alle Fahrzeuge auf der Straße bei jedem Motorstart ihre Batterie aufluden, eine viel geringere Priorität hatte.
Bei der Entwicklung von Sensoranwendungen, die sich in die komplexen Systeme einer neuen Fahrzeuggeneration integrieren lassen, kommt den Systemarchitekten, die wissen, welche Anwendungen die Sensoren letztendlich unterstützen müssen und wie sie sich in die sich verändernden Fahrzeugkonzepte einfügen, eine Schlüsselrolle zu. Parallel ist es unabdingbar, dass die Experten, die für die Entwicklung der Produktlinien verantwortlich sind, Hand in Hand mit den Herstellern arbeiten. Nur so kann ein bereichsübergreifendes Verständnis für die Kerntechnologie, die den Produkten zugrunde liegen wird, geschaffen werden. Der gemeinsame Austausch lässt innovatives Potential entstehen, das dann zu Lösungen führt, von denen die Kunden vielleicht noch gar nicht wissen, dass sie sie brauchen.
Sensorentwicklung für das Fahrerlebnis von morgen
Während sich die Sensortechnologie an sich in den vergangenen Jahrzehnten nicht dramatisch verändert hat, mussten die Komponentenhersteller Lösungen entwickeln, die diese Sensortechnologien auf hochintegrierte Weise miteinander verbinden und so eine innovative Lösung für den Fahrer bieten. Und die Zukunft dieser Technologie bleibt dynamisch – denn: Die nächste Generation von Fahrzeugen wird sich durch die Erfahrungswerte von Fahrern und Mitfahrenden unterscheiden. Sensoren werden bei dieser Entwicklung eine Schlüsselrolle spielen, indem sie Merkmale und Funktionen auf einer Fahrzeugplattform bereitstellen, die auf die spezifischen Bedürfnisse von Fahrern und Mitfahrern zugeschnitten werden können.
Einige dieser Lösungen beinhalten kombinierte Sensoren, die mehrere Arten von Funktionen in ein einziges Gerät integrieren, das eine bestimmte Funktion kosteneffizienter bereitstellt. So kann beispielsweise ein Modul, das Licht-, Sonnen- und Kondensationssensoren kombiniert, die Scheibenwischer und Entfrostereinstellungen automatisieren. Der Effekt: Die Windschutzscheibe bleibt frei, ohne dass der Fahrer etwas unternehmen muss. In vielen Fällen könnten diese Lösungen darin bestehen, dass das Bauteil selbst komplexer und intelligenter wird. Dies resultiert darin, dass das Teilsystem, in dem das Bauteil eingebaut ist, von einem Teil der Rechenlast befreit wird.
Durch die Kombination von Sensorik und Elektronik auf einem einzigen Chip entstehen im Zusammenspiel mit intelligenter Technik immer kostengünstigere und leistungsfähigere Lösungen. Sie treiben die Innovation auf dem Markt voran. Je vielseitiger diese Lösungen werden, desto intelligenter, sicherer, komfortabler und zuverlässiger wird die nächste Generation von Autos sein.
Lamar Ricks, Senior Director und Chief Technology Officer for Transportation Sensors im Sensor-Segment von TE Connectivity
1 https://autochimps.com/car-sensors/
2 https://www.fleetmaintenance.com/equipment/battery-and-electrical/article/21073153/how-sensors-can-streamline-vehicle-maintenance
3 https://www.fierceelectronics.com/components/ekg-monitoring-will-be-pulse-your-car
