Henning Wallentowitz/Konrad Reif (Hrsg.)

HandbuchKraftfahrzeugelektronik

Aus dem ProgrammKraftfahrzeugtechnik

vieweg

Handbuch Verbrennungsmotorherausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer

Lexikon Motorentechnikherausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer

Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnikherausgegeben von H.-H. Braess und U. Seiffert

Bremsenhandbuchherausgegeben von B. Breuer und K. H. Bill

Nutzfahrzeugtechnikherausgegeben von E. Hoepke und S. Breuer

Aerodynamik des Automobilsherausgegeben von W.-H. Hucho

Verbrennungsmotorenvon E. Köhler und R. Flierl

Automobilelektronikherausgegeben von K. Reif

Automotive Software Engineeringvon J. Schäuffele und T. Zurawka

Motorkolbenvon S. Zima

Bussysteme in der Fahrzeugtechnikvon W. Zimmermann und R. Schmidgall

Die BOSCH-Fachbuchreihe• Ottomotor-Management• Dieselmotor-Management• Autoelektrik/Autoelektronik• Sicherheits- und Komfortsysteme• Fachwörterbuch Kraftfahrzeugtechnik• Kraftfahrtechnisches Taschenbuchherausgegeben von ROBERT BOSCH GmbH

Henning Wallentowitz/Konrad Reif (Hrsg.)

HandbuchKraftfahrzeug-elektronikGrundlagen, Komponenten,Systeme, Anwendungen

Mit 750 Abbildungen und zahlreichen Tabellen

ATZ/MTZ-Fachbuch

1. Auflage September 2006

Alle Rechte vorbehalten© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006

Lektorat: Ewald Schmitt

Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.www.vieweg.de

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. JedeVerwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohneZustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere fürVervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche-rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.deSatz und Technische Redaktion: Klementz publishing services, GundelfingenDruck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, HeusenstammGedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.Printed in Germany

ISBN-10 3-528-03971-XISBN-13 978-3-528-03971-4

Bibliografische Information Der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.

Das Werk entstand mit freundlicher Unterstützung von Siemens VDO.

Vorwort

Die Kraftfahrzeugelektronik hat sich zu einer eigenständigen Ingenieurdisziplin innerhalb der Fahrzeugtechnik entwickelt. Sie ist damit gleichzeitig ein wichtiges Gebiet innerhalb des Maschinenbaus. Die Inhalte der Kraft-fahrzeugelektronik sind elektrotechnischer, elektronischer und regelungstechnischer Natur. In die klassische Aufteilung der Elektrotechnik in: Antriebstechnik, Automatisierungstechnik, Energietechnik, Hochfrequenztech-nik usw. lässt sie sich nicht so recht einordnen, vielmehr weist sie mit vielen dieser Gebiete erhebliche Über-schneidungen auf. Dazu kommt, dass die Kraftfahrzeugelektronik inhaltlich stark im Wandel begriffen ist und die Inhalte weitgehend durch die Fahrzeughersteller und die Zulieferunternehmen geprägt werden.

Eine geschlossene und umfassende Darstellung der Kraftfahrzeugelektronik ist daher ein konsequenter und logi-scher Schritt. Das Handbuch Kraftfahrzeugelektronik soll helfen, einen prinzipiellen Überblick, in einigen Fällen auch einen tiefen Einblick, über das umfangreiche, manchmal auch unübersichtlich erscheinende Gebiet zu ge-winnen. Für die meisten der heute im Kraftfahrzeug wichtigen elektronischen Systeme wird der Stand der Tech-nik beschrieben. Die Herausgeber sind sich bewusst, dass die Auswahl der behandelten Themen einer gewissen Subjektivität unterliegt und dass eine vollständige Abdeckung des Gebietes mit einem Buch im vorliegenden Umfang nicht möglich ist. Nach unserer Erfahrung decken die ausgewählten Kapitel jedoch den wesentlichen Umfang ab, den Fahrzeugtechniker und Elektroniker zu diesem Gebiet kennen sollten.

Für die thematische Gliederung der Kraftfahrzeugelektronik bieten sich zwei grundverschiedene Herangehens-weisen an: Die fahrzeugtechnische Gliederung in Subsysteme z.B. Antrieb, Fahrwerk, Beleuchtung usw. und die thematische, systemübergreifende Gliederung in Sensorik, Software, Diagnose usw. Beide Gliederungssystemati-ken sind allgemein gebräuchlich. Daher wurden auch beide im vorliegenden Buch nebeneinander eingesetzt. Zunächst wird die Steuerung und Regelung von Motor, Antrieb und Fahrwerk dargestellt. Die Elektronik in Fahrerassistenzsystemen, Telematik, Infotainment und Multimedia zeigt, welche Funktionen erst durch die Elekt-ronik möglich wurden. Beiträge zu Fahrzeugbeleuchtung, Bordnetz, Diagnose und Softwareentwicklung für die elektronischen Steuerungen runden das Informationsangebot ab.

Damit eignet sich das Handbuch für Ingenieure mit dem Aufgabengebiet Kraftfahrzeugtechnik bei Fahrzeugher-stellern und Zulieferern, die sich mit Aufbau und Funktion moderner Fahrzeugsysteme und -steuerungen beschäfti-gen. Den Softwareentwicklern in der Kfz-Industrie bietet es den nötigen Einblick in die Funktion der Fahrzeugele-mente, für die Steuerungen erstellt werden. Den Kfz-Meistern, Kfz-Technikern und den Mitarbeitern der Kfz-Werk-stätten wird Hintergrundwissen aus erster Hand geboten; Studierende an Universitäten und Fachhochschulen können es während ihres Studiums einsetzen.

Besonderer Dank gilt der Firma Siemens VDO für die fachliche und materielle Unterstützung bei der Entstehung des Werkes, ohne die das Handbuch so nicht hätte realisiert werden können.

Die Beiträge von mehr als 100 Autoren aus Industrie, Forschung und Hochschule haben es möglich gemacht, dass das Buch entstehen konnte. Den Autoren sei für die termingerechte Ablieferung der hoch aktuellen Informa-tionen besonderer Dank ausgesprochen. Außerdem möchten wir uns bei den Firmen Audi AG, BMW AG, Hella KgaA Hueck & Co. und Robert Bosch GmbH bedanken, die umfangreiches Bildmaterial zur Verfügung gestellt haben. Die vielen Helfer sollen an dieser Stelle ebenfalls erwähnt werden, ohne deren zuverlässige Hilfe die Herausgabe nicht möglich gewesen wäre. Besonders danken wir Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Borgeest, Herrn Dipl.-Ing. (FH) Franz Gretzmeier, Herrn Dr.-Ing. R. Hagel, Herrn Dr.-Ing. H. Rosmanith, Herrn Dr.-Ing. K. Weinzierl und Herrn Prof. Dr.-Ing. W. Zimmermann für die fachliche Diskussion und Mithilfe in der Endphase der Buch-entstehung.

Der Herausgeber Reif dankt seiner Ehefrau, Dipl.-Inf. Evelyn Reif und seinen Kindern Gerold, Karla und Ri-chard, die sehr viel Geduld und Verständnis gezeigt haben.

VI Vorwort

Der Herausgeber Wallentowitz dankt seinen Mitarbeitern am Institut für Kraftfahrwesen der RWTH, die sich bei der Konzeption des Buches eingebracht haben sowie Frau Kathrin Noreikat aus der Forschungsgesellschaft Kraftfahrwe-sen mbH Aachen (fka), die vor allem die organisatorischen und koordinierenden Arbeiten übernommen hat, sowie dem Kollegen Prof. Reif, der die Hauptlast bei der Entstehung des Buches getragen hat.

Zuletzt sei dem Verlag für die Anregung zu diesem Handbuch, das große Engagement in Lektorat und Druckvor-lagenherstellung sowie für die Aufnahme in die renommierte Reihe ATZ/MTZ-Fachbuch gedankt.

Aachen Henning WallentowitzFriedrichshafen Konrad ReifIm September 2006

Autorenverzeichnis

Dr. Heinz-Bernhard Abel Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Babenhausen [8]

Dr.-Ing. Mihiar Ayoubi BMW Group, München [3.2]

Dr. Claus Baumgartner Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.3]

Joachim Baumgartner Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [6.1]

Dr.-Ing. Bernward Bayer Continental Automotive Systems Division, Frankfurt/M. [3.2.6]

Dipl.-Math. Michael Beine dSPACE GmbH, Paderborn [17.3]

Lutz Berentroth Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Dr. Jürgen Bielefeld BMW Group, München [4.1]

Dipl.-Ing. Christian Billig BMW Group, München [3.2]

Dipl.-Ing. Otmar Bitsche DaimlerChrysler AG, Sindelfingen [4.5]

OStD Siegfried Blüml Leiter Carl-Benz-Schule BBS Technik, Koblenz [Anhang A]

Dr. Heinrich-Jochen Blume Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Babenhausen [8]

Prof. Dr.-Ing. Kai Borgeest FH Aschaffenburg [13.2]

Dipl.-Ing. Gerhard Brösicke BMW Group, München [3.2]

Dr.-Ing. Gregor Büdding Brose Schließsysteme GmbH & Co. KG, Wuppertal [14]

Ulrich Deml Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.3]

Dr.-Ing. Hans-Theo Dorißen Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt [11.1]

Dr.-Ing. Klaus Dürkopp Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt [11.1]

Dipl.-Ing. Martin Eckmann dSPACE GmbH, Paderborn [17.2]

Prof. Dr.-Ing. Klaus Feldmann Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen [14]

Dr. Tobias Flämig-Vetter imh-Institut für Motorenbau Prof. Huber GmbH, Stuttgart [14]

Patrick Friba Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Wetzlar [10.3]

VIII Autorenverzeichnis

Dr. Jürgen Fritsch Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Horst Gering Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [4.6]

Dirk Geyer Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Dr. Davor Gospodari TRIMERICS GmbH, Filderstadt [15]

Dr. Hans-Michael Graf Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [4.6]

Olaf Graupner Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Dipl.-Ing. Franz Gretzmeier Freiburg [2.5, 4.3]

Dr. Günter Gutmann ZSW, Ulm (ausgeschieden) [4.5]

Dr. Heinz-Dieter Heitzer TRW Automotive, Düsseldorf [3.2.5]

Dipl.-Ing. Eugen Herb BMW Group, München [3.2]

Dipl.-Ing. Thomas Heurung Mentor Graphics (Deutschland) GmbH, München [4.7]

Gerwin Höreth Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.3]

Dipl.-Ing. Robert Hupfer Webasto Roof Systems, Inc., Rochester Hills, MI, USA [7]

Dr. Hans-Ulrich Huss DaimlerChrysler AG, Kirchheim/Teck-Nabern [2.7]

Dipl.-Ing. Henning Irle Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt [11.1]

Dr. Michael Kaesbauer Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Dr.-Ing. Bernhard Kirsch Thomas Magnete GmbH, Herdorf [12]

Dipl.-Ing. Joachim Klesing Webasto AG Fahrzeugtechnik, Stockdorf [7, 14]

Dipl.-Ing. Wolfram Klimars EMC Test NRW GmbH electromagnetic compatibility, [15] Dortmund

Dipl.-Ing. Mathias Klumpf Audi AG, Neckarsulm [14.3.3]

Prof. Dr.-Ing. Peter M. Knoll Robert Bosch GmbH, Leonberg[9.1]

Dipl.-Ing. Susanne Köhl dSPACE GmbH, Paderborn [17.4]

Dr. Ulrich Köhler Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt [11.1]

Dr. Philip Köhn BMW Group, München [3.2]

Autorenverzeichnis IX

Dipl.-Ing. Benjamin Konrad Audi AG, Neckarsulm [14.3.3]

Dipl.-Ing. Alexander Lämmle ContiTemic microelectronic GmbH, Ingolstadt [13]

Dr.-Ing. Klaus Lamberg dSPACE GmbH, Paderborn [17.5]

Dr. Arnold Lamm DaimlerChrysler AG, Kirchheim/Teck-Nabern [2.7]

Dipl.-Ing. Michael Langfermann Brose Schließsysteme GmbH & Co. KG, Wuppertal [14]

Dr.-Ing. Heinz Leffler BMW Group, München [3.2]

Dipl.-Ing. Thomas Lorenz Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt [11.1]

Dipl.-Ing. Christoph Marscholik Softing AG, Haar [16]

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Marwitz DaimlerChrysler AG, Stuttgart [3.3, 9.2]

Dr. Georg Mentzel Siemens VDO Automotive AG, Regensburg [14]

Dipl.-Ing. Frank Mertens dSPACE GmbH, Paderborn [17.2]

Dr.-Ing. Dieter Metzner Infineon Technologies AG, München [14]

Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Helmut E. Mößmer BMW M GmbH, Garching [4.9]

Dr. Christian Mohrdieck DaimlerChrysler AG, Kirchheim/Teck-Nabern [2.7]

Jörg Molz Borg Warner, Ketsch [2.2]

Dipl.-Ing. Ingo Nickeleit Agilent Technologies Deutschland GmbH, Böblingen [4.7]

Dr. Oliver Niggemann dSPACE GmbH, Paderborn [17.1]

Prof. Karl-Ernst Noreikat DaimlerChrysler Corp., Troy, MI, USA [2.6]

Dr. Michael Ostertag Siemens AG, Industrial Solutions & Services, München [9.3]

Dr.-Ing. Rainer Otterbach dSPACE GmbH, Paderborn [17.1]

Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Pflug DaimlerChrysler AG, Stuttgart [3.3, 9.2]

Wolfgang Piesch Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [6.2]

Dipl.-Ing. Markus Plöger dSPACE GmbH, Paderborn [17.4]

Dr. Gotthard Rainer AVL List GmbH, Graz [2.8]

X Autorenverzeichnis

Dr. Matthias Rebhan Siemens AG, München [11.2]

Dr. Günter Reichart BMW Group, München[4.1]

Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif BA Ravensburg, Friedrichshafen [1, 3.1, 3.2, 14]

Rainer Riecke Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.3]

Dr.-Ing. Peter E. Rieth Continental Automotive Systems Division, Frankfurt/M. [3.2.6]

Prof. Dr.-Ing. Georg Rill FH Regensburg, Regensburg [3.4]

Dipl.-Ing. Bernd Rösch Softing AG, Haar [16]

Dipl.-Ing. Andre Rolfsmeier dSPACE GmbH, Paderborn [17.6]

Christoph Roth Siemens AG, Industrial Solutions & Services, München [9.3]

Dr. Gerhard Ruck ZF Lenksysteme GmbH, Schwäbisch Gmünd [3.2.3, 3.2.4]

Dr. Heinz Schäfer Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Würzburg [4.4]

Christoph Schikora Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.2]

Dr. Willibert Schleuter Audi AG, Ingolstadt [4.8]

Dipl.-Ing. Bernhard Schmittner Continental Automotive Systems Division, Frankfurt/M. [3.2.6]

Dr.-Ing. Mark Schnabel BMW Group, München [3.2]

Dr. Dirk Schneider Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Klaus Schönke Siemens AG, Siemens VDO Automotive, München [10.1]

Harry Schüle Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Dr.-Ing. Frank Schütte dSPACE GbmH, Paderborn [17.2]

Dipl.-Math. (FH) Marcus Schupfner Siemens VDO Automotive AG, Regensburg [10.2]

Dipl.-Ing. Josef Schwarz ZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen [2.4]

Wolfgang Sitter Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [10.3]

Karl Smirra Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.2]

Prof. Dr.-Ing. Gernot Spiegelberg Siemens VDO Automotive AG, Regensburg [3.3, 9.2]

Autorenverzeichnis XI

Dipl.-Ing. Markus Steffelbauer Softing AG, Haar [16]

Dr. Michael Straßberger BMW Group, München [3.2]

Dipl.-Inf. Joachim Stroop dSPACE GmbH, Paderborn[17.1]

Dipl.-Ing. Peter Subke Softing AG, Ratingen [4.2]

Stefan Treinies Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.1]

Dipl.-Ing. Gunnar Urbschat DaimlerChrysler Corp., Troy, MI, USA [2.6]

Univ. Prof. Dr.-Ing. Henning Wallentowitz RWTH Aachen, Institut für Kraftfahrwesen [1, 3.1]

Dipl.-Ing. MEng Lothar Weichenberger Autoliv B.V. & Co KG, Dachau [13]

Christian Weinzierl Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg [2.3]

Prof. Dr. Burkard Wördenweber Visteon Deutschland GmbH, Kerpen [5]

Dipl.-Ing.Manfred Zuber Audi AG, Ingolstadt [4.8]

Firmen- und Institutionenverzeichnis

Firmen

Agilent Technologies Deutschland GmbH, Böblingen Dipl.-Ing. Ingo Nickeleit

Audi AG, Ingolstadt Dipl.-Ing. Mathias Klumpf Dipl.-Ing. Benjamin Konrad Dr. Willibert Schleuter Dipl.-Ing. Manfred Zuber

Autoliv B.V. & Co.KG, Dachau Dipl.-Ing. MEng Lothar Weichenberger

AVL List GmbH Dr. Gotthard Rainer

BMW Group, München Dr.-Ing. Mihiar Ayoubi Dr. Jürgen Bielefeld Dipl.-Ing. Christian Billig Dipl.-Ing. Gerhard Brösicke Dipl.-Ing. Eugen Herb Dr.-Ing. Philip Köhn Dr.-Ing. Heinz Leffler Dr. Günter Reichart Dr.-Ing. Mark Schnabel

Dr. Michael Straßberger

BMW M GmbH, Garching Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Helmut E. Mößmer

Borg Warner, Ketsch Jörg Molz

Robert Bosch GmbH, Leonberg Prof. Dr.-Ing. Peter Knoll

Brose Schließsysteme GmbH & Co. KG, Wuppertal Dr.-Ing. Gregor Büdding Dipl.-Ing. Michael Langfermann

Continental Automotive Systems Division, Frankfurt/M. Dr.-Ing. Bernward Bayer Dr.-Ing. Peter Rieth Dipl.-Ing. Bernhard Schmittner

ContiTemic microelectronic GmbH, Ingolstadt Dipl.-Ing. Alexander Lämmle Dipl.-Ing. MEng Lothar Weichenberger (ausgeschieden)

DaimlerChrysler AG, Kirchheim/Teck-Nabern Dr. Hans-Ulrich Huss Dr. Arnold Lamm Dr. Christian Mohrdieck

DaimlerChrysler AG, Sindelfingen Dipl.-Ing. Otmar Bitsche

DaimlerChrysler AG, Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Hartmut MarwitzProf. Dr.-Ing. Hans-Christian Pflug

DaimlerChrysler Corp., Troy, MI, USA Prof. Karl-Ernst Noreikat Dipl.-Ing. Gunnar Urbschat

Firmen- und Institutionenverzeichnis XIII

dSPACE GmbH, Paderborn Dipl.-Math. Michael Beine Dipl.-Ing. Martin Eckmann Dipl.-Ing. Susanne Köhl Dr.-Ing. Klaus Lamberg Dipl.-Ing. Frank Mertens Dr. Oliver Niggemann Dr.-Ing. Rainer Otterbach Dipl.-Ing. Markus Plöger Dipl.-Ing. Andre Rolfsmeier Dr.-Ing. Frank Schütte Dipl.-Inf. Joachim Stroop

EMC Test NRW GmbH electromagnetic compatibility, Dipl.-Ing. Wolfram Klimars Dortmund

Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt Dr.-Ing. Hans-Theo Dorißen Dr.-Ing. Klaus Dürkopp

Dipl.-Ing. Henning Irle Dr. Ulrich Köhler Dipl.-Ing. Thomas Lorenz

imh-Institut für Motorenbau Prof. Huber GmbH, Dr. Tobias Flämig-Vetter Stuttgart

Infineon Technologies AG, München Dr.-Ing. Dieter Metzner

Mentor Graphics (Deutschland) GmbH, München Dipl.-Ing. Thomas Heurung

Siemens AG, München Dr. Matthias Rebhan

Siemens AG, Industrial Solutions & Services, München Dr. Michael Ostertag Christoph Roth

Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Babenhausen Dr. Heinz-Bernhard Abel Dr. Heinrich-Jochen Blume

Siemens AG, Siemens VDO Automotive, München Klaus Schönke

Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg Dr. Claus Baumgartner Joachim Baumgartner Lutz Berentroth Ulrich Deml Dr. Jürgen Fritsch Horst Gering Dirk Geyer Dr. Hans-Michael Graf Olaf Graupner Gerwin Höreth Dr. Michael Kaesbauer Dr. Georg Mentzel Wolfgang Piesch Rainer Riecke Christoph Schikora Dr. Dirk Schneider Harry Schüle

Dipl.-Math. (FH) Marcus Schupfner Wolfgang Sitter Karl Smirra

XIV Firmen- und Institutionenverzeichnis

Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Regensburg Prof. Dr.-Ing. Gernot Spiegelberg Stefan Treinies Christian Weinzierl

Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Wetzlar Patrick Friba

Siemens AG, Siemens VDO Automotive, Würzburg Dr. Heinz Schäfer

Softing AG, Haar Dipl.-Ing. Christoph Marscholik Dipl.-Ing. Bernd Rösch Dipl.-Ing. Markus Steffelbauer

Softing AG, Ratingen Dipl.-Ing. Peter Subke

Thomas Magnete GmbH, Herdorf Dr.-Ing. Bernhard Kirsch

TRIMERICS GmbH, Filderstadt Dr. Davor Gospodari

TRW Automotive, Düsseldorf Dr. Heinz-Dieter Heitzer

Visteon Deutschland GmbH, Kerpen Prof. Dr. Burkard Wördenweber

Webasto AG Fahrzeugtechnik, Stockdorf Dipl.-Ing. Joachim Klesing

Webasto Roof Systems, Inc., Rochester Hills, MI, USA Dipl.-Ing. Robert Hupfer

ZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen Dipl.-Ing. Josef Schwarz

ZF Lenksysteme, Schwäbisch Gmünd Dr. Gerhard Ruck

ZSW, Ulm Dr. Günter Gutmann

Schulen und Hochschulen

Berufsakademie Ravensburg, Friedrichshafen Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Carl-Benz-Schule BBS Technik, Koblenz OStD Siegfried Blüml

FH Aschaffenburg, Labor für Fahrzeugmechatronik Prof. Dr.-Ing. Kai Borgeest

FH Regensburg, Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Georg Rill

Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, Prof. Dr.-Ing. Klaus Feldmann Erlangen, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

RWTH Aachen, Institut für Kraftfahrwesen Univ. Prof. Dr.-Ing. Henning Wallentowitz

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung................................................................................................................................................... 1

2 Motor und Antriebsstrang ....................................................................................................................... 5 2.1 Motormanagement .......................................................................................................................... 5 2.1.1 Anforderungen .................................................................................................................. 5 2.1.1.1 Emissionen, Verbrauch und Fahrbarkeit ............................................................ 5 2.1.1.2 Brennverfahren und Einspritzverfahren ............................................................. 7 2.1.1.2.1 Systeme für die Direkteinspritzung.................................................. 7 2.1.1.2.2 Saugrohreinspritzung ....................................................................... 8 2.1.1.3 Belastung............................................................................................................ 8 2.1.2 Funktionen ......................................................................................................................... 8 2.1.2.1 Übersicht Motorsteuerungsfunktionen ............................................................... 8 2.1.2.2 Drehmomentbasierte Funktionsstruktur ............................................................ 9 2.1.2.2.1 Drehmomentenmodell...................................................................... 10 2.1.2.2.2 Fahrbarkeitsfunktionen .................................................................... 12 2.1.2.2.3 Drehzahlregelung............................................................................. 13 2.1.2.2.4 Verbrennungsartumschaltung .......................................................... 14 2.1.2.3 Füllungssteuerung .............................................................................................. 15 2.1.2.3.1 Saugrohrmodell................................................................................ 15 2.1.2.3.2 Ladedruckregelung .......................................................................... 16 2.1.2.3.3 Abgasrückführung ........................................................................... 17 2.1.2.3.4 Weitere Aktoren zur Füllungssteuerung........................................... 17 2.1.2.4 Zündung ............................................................................................................. 18 2.1.2.4.1 Ermittlung des Sollwerts für den Zündzeitpunkt.............................. 18 2.1.2.4.2 Klopfregelung .................................................................................. 19 2.1.2.4.3 Schnittstelle zur Basis-Software ...................................................... 19 2.1.2.5 Einspritzung ....................................................................................................... 19 2.1.2.5.1 Ottomotor mit Direkteinspritzung.................................................... 19 2.1.2.5.2 Ottomotor mit Saugrohreinspritzung ............................................... 21 2.1.2.5.3 Dieselmotor...................................................................................... 21 2.1.2.6 Abgasnachbehandlung ....................................................................................... 23 2.1.2.6.1 Betriebsartenmanager für die Abgasnachbehandlung ...................... 24 2.1.2.7 On-Board-Diagnose ........................................................................................... 25 2.1.2.8 E-Gas-Überwachungskonzept ............................................................................ 26 2.1.2.9 Sonderformen..................................................................................................... 27 2.2 Getriebesteuerung ........................................................................................................................... 29 2.2.1 Getriebekonzepte ............................................................................................................... 29 2.2.1.1 Manuelle Schaltgetriebe ..................................................................................... 30 2.2.1.2 Automatisierte Schaltgetriebe ............................................................................ 30 2.2.1.3 Automatische Getriebe ....................................................................................... 31 2.2.1.4 Stufenlose Automatikgetriebe ............................................................................ 32 2.2.1.5 Doppelkupplungsgetriebe................................................................................... 33 2.2.1.6 Allrad-Antrieb .................................................................................................... 33 2.2.1.7 Hybridantriebe.................................................................................................... 33 2.2.2 Funktionen und Software ................................................................................................... 33 2.2.2.1 Funktionsübersicht ............................................................................................. 33 2.2.2.2 Fahrstrategie....................................................................................................... 33 2.2.2.3 Fahrfunktionen ................................................................................................... 36 2.2.2.4 Aktorfunktionen ................................................................................................. 37 2.2.2.5 Basisfunktionen.................................................................................................. 38 2.2.2.6 Einbindung in den Antriebsstrang ...................................................................... 38

XVI Inhaltsverzeichnis

2.3 Steuerungen für Motor und Getriebe............................................................................................... 39 2.3.1 Konzeptionelle Gemeinsamkeiten bei Motor- und Getriebesteuerungen ........................... 39 2.3.1.1 Gehäuse- und Aufbautechnik ............................................................................. 39 2.3.1.1.1 Umgebungsanforderungen ............................................................... 39 2.3.1.1.2 Stand-alone-Lösungen ..................................................................... 41 2.3.1.1.3 Verbindungstechnik ......................................................................... 43 2.3.1.2 Elektronikkonzepte............................................................................................. 43 2.3.1.2.1 Grundstruktur................................................................................... 43 2.3.1.2.2 Elektronische Bauelemente und Schaltungen .................................. 45 2.3.2 Besonderheiten der Motorsteuergeräte-Hardware.............................................................. 46 2.3.2.1 Zündung ............................................................................................................ 46 2.3.2.2 Klopfsignalauswertung....................................................................................... 47 2.3.2.3 Ansteuerung magnetventilbetätigter Injektoren in der Direkteinspritzung ......... 48 2.3.2.4 Ansteuerung piezogetriebener Injektoren in der Direkteinspritzung ................. 48 2.3.3 Besonderheiten der Getriebeelektronik .............................................................................. 49 2.3.3.1 Integrierte Steuerungen ...................................................................................... 49 2.3.3.2 Elektronik für Getriebesteuerungen.................................................................... 51 2.3.3.2.1 Stromregler für elektromagnetische Ventile .................................... 51 2.3.4 Software............................................................................................................................. 52 2.3.4.1 Funktionale Anforderungen................................................................................ 52 2.3.4.2 Nicht-funktionale Anforderungen ...................................................................... 52 2.3.4.3 Software-Architektur.......................................................................................... 53 2.3.4.4 Infrastrukturelle Software .................................................................................. 55 2.3.4.4.1 Betriebssystem................................................................................. 55 2.3.4.4.2 Signalaufbereitung ........................................................................... 56 2.3.4.4.3 Signalausgabe .................................................................................. 56 2.3.4.4.4 Diagnose-Funktionen....................................................................... 57 2.4 Getriebesteuerung im Nutzfahrzeug................................................................................................ 58 2.4.1 Übersicht über Nutzfahrzeuggetriebe................................................................................. 58 2.4.1.1 Lastschalt-Automatgetriebe................................................................................ 58 2.4.1.2 Automatische Getriebe ....................................................................................... 59 2.4.1.3 Integrierte Getriebebremse ................................................................................. 59 2.4.2 Automatisierungstechnologien für automatische Getriebe ................................................. 59 2.4.2.1 Elektromotorische Steuerung für automatische Getriebe ................................... 59 2.4.2.2 Elektrohydraulische Steuerung für automatische Getriebe................................. 60 2.4.2.3 Elektropneumatische Steuerung für automatische Getriebe ............................... 60 2.4.3 Elektronische Steuerung..................................................................................................... 61 2.4.3.1 Systemanforderungen......................................................................................... 61 2.4.3.2 Inegrierter Getriebesteller................................................................................... 61 2.4.3.3 Integrierter Kupplungssteller.............................................................................. 62 2.4.3.4 Aufbau der Elektronik ........................................................................................ 62 2.4.4 Funktionen ......................................................................................................................... 63 2.4.4.1 Kupplungsregelung ............................................................................................ 63 2.4.4.2 Schaltablaufsteuerung ........................................................................................ 64 2.4.4.3 Fahrstrategie....................................................................................................... 64 2.4.4.4 Sonstige Funktionen........................................................................................... 65 2.4.5 Steuerungssoftware ............................................................................................................ 65 2.4.5.1 Software-Struktur ............................................................................................... 65 2.4.5.2 Software-Konfiguration und Applikation........................................................... 65 2.4.6 Systemintegration im Fahrzeugnetzwerk ........................................................................... 65 2.4.6.1 Systemschnittstelle im CAN-Systemverbund..................................................... 65 2.5 Fahrzeug-Starter.............................................................................................................................. 66 2.5.1 Einleitung........................................................................................................................... 66 2.5.2 Elektromotorische Grundlagen .......................................................................................... 67 2.5.3 Schaltungsarten .................................................................................................................. 68 2.5.4 Starter für Personenkraftwagen.......................................................................................... 70 2.5.5 Starter für Nutzfahrzeuge................................................................................................... 74

Inhaltsverzeichnis XVII

2.5.6 Schraubtrieb-Starter der Motorradtechnik.......................................................................... 76 2.5.7 Startsteuerungen................................................................................................................. 76 2.6 Hybridantriebe ................................................................................................................................ 77 2.6.1 Motivation zur Entwicklung von Hybridantrieben............................................................. 77 2.6.2 Hybride Antriebsstrukturen................................................................................................ 80 2.6.3 Schlüsselkomponenten....................................................................................................... 82 2.6.4 Betriebsstrategie................................................................................................................. 84 2.6.5 Antriebsintegration ............................................................................................................ 86 2.6.6 Fahrzeugbeispiele .............................................................................................................. 87 2.6.7 Bewertung.......................................................................................................................... 88 2.7 Brennstoffzellen .............................................................................................................................. 89 2.7.1 Einführung ......................................................................................................................... 89 2.7.1.1 Umfeld und Motivation ...................................................................................... 89 2.7.1.2 Historie der Brennstoffzelle ............................................................................... 90 2.7.1.3 Eigenschaften und Grundprinzipien ................................................................... 90 2.7.2 Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle................................................................... 91 2.7.2.1 Aufbau und Funktionsweise ............................................................................... 91 2.7.2.2 Technischer Stand und Herausforderungen........................................................ 92 2.7.2.2.1 Lebensdauer..................................................................................... 92 2.7.2.2.2 Kaltstarteigenschaften von Brennstoffzellen-Stacks ........................ 93 2.7.2.2.3 Kosten.............................................................................................. 93 2.7.3 Brennstoffzellensystem und -antrieb.................................................................................. 94 2.7.3.1 Kraftstoffe, Kraftstoffaufbereitung und Kraftstoffspeicher ................................ 94 2.7.3.1.1 Kraftstoffe........................................................................................ 94 2.7.3.1.2 Kraftstoffaufbereitung...................................................................... 95 2.7.3.1.3 Mobile Wasserstoffspeicher............................................................. 95 2.7.3.2 Aufbau eines Brennstoffzellensystems............................................................... 97 2.7.3.3 Antriebsstrangkomponenten und Hybridisierung ............................................... 99 2.7.4 Brennstoffzellenfahrzeuge ................................................................................................. 99 2.7.4.1 Rückblick und aktueller Stand............................................................................ 99 2.7.4.2 Antriebsstrang Personenkraftwagen ................................................................... 100 2.7.4.3 Antriebsstrang Nutzfahrzeuge ........................................................................... 101 2.7.5 Ausblick............................................................................................................................. 103 2.8 Simulation und Modellbildung in der Motorentechnik.................................................................... 103 2.8.1 Motorenentwicklungsprozess............................................................................................. 104 2.8.2 Baugruppen des Motors ..................................................................................................... 105 2.8.3 Berechnungsmethoden und Berechnungsaufgaben ............................................................ 105 2.8.3.1 Strukturanalyse................................................................................................... 105 2.8.3.2 System Performance Modeling .......................................................................... 105 2.8.3.3 Beispiele für thermofluiddynamische Berechnungen ......................................... 109 2.8.4 Optimierung ....................................................................................................................... 110

3 Fahrwerksysteme ...................................................................................................................................... 112 3.1 Physikalische Grundlagen zur Fahrdynamik-Regelung................................................................... 112 3.2 Fahrdynamik-Regelung für Personenkraftwagen ............................................................................ 115 3.2.1 Antriebs- und Bremsregelsysteme...................................................................................... 116 3.2.1.1 Brems- und Antriebsmomentenregelung............................................................ 116 3.2.1.2 Momentenverteilung bei Allradantrieben........................................................... 124 3.2.1.3 Elektromechanische Feststellbremse .................................................................. 126 3.2.2 Achsregelsysteme .............................................................................................................. 129 3.2.2.1 Wankstabilisierung............................................................................................. 129 3.2.2.2 Elektronisch geregelte Dämpfer ......................................................................... 132 3.2.2.3 Geregelte Luftfederung ...................................................................................... 133 3.2.3 Lenkungsregelsysteme ....................................................................................................... 134 3.2.3.1 Elektrische Hilfskraftlenkung............................................................................. 134 3.2.3.2 Überlagerungslenkung........................................................................................ 137 3.2.4 Integration von Fahrwerksregelsystemen........................................................................... 142 3.2.5 Steer-by-Wire..................................................................................................................... 145

XVIII Inhaltsverzeichnis

3.2.5.1 Überblick............................................................................................................ 145 3.2.5.2 Ausfallsichere oder fehlertolerante Systemarchitektur ....................................... 146 3.2.5.3 Elektronische und elektronische Architektur des fehlertoleranten Steer-by-Wire-Systems ...................................................................................... 148 3.2.5.4 Fehlertolerante Spannungsversorgung................................................................ 150 3.2.5.5 Steer-by-Wire-Regelkreis................................................................................... 150 3.2.5.6 Steer-by-Wire-Anwendungen............................................................................. 152 3.2.6 Brake-by-Wire ................................................................................................................... 152 3.2.6.1 Überblick............................................................................................................ 152 3.2.6.2 Elektrohydraulisches Bremssystem ................................................................... 152 3.2.6.3 Elektromechanisches Bremssystem.................................................................... 154 3.2.6.3.1 Zielsetzung....................................................................................... 154 3.2.6.3.2 Systemaufbau................................................................................... 154 3.2.6.3.3 Betätigungseinrichtung .................................................................... 154 3.2.6.3.4 Radbremsmodule ............................................................................. 155 3.2.6.3.5 Sensorik ........................................................................................... 156 3.2.6.3.6 Regelkonzepte.................................................................................. 156 3.2.6.3.7 Energieversorgung ........................................................................... 157 3.2.6.4 Hybrid-Bremssystem.......................................................................................... 157 3.2.6.4.1 Motivation ....................................................................................... 157 3.2.6.4.2 Systemaufbau .................................................................................. 157 3.2.6.4.3 Neue Funktionen ............................................................................. 157 3.2.6.4.4 Hinterachs-Aktor ............................................................................. 158 3.3 Fahrdynamikregelung für Nutzfahrzeuge........................................................................................ 160 3.3.1 Nutzfahrzeug-Bremsanlage................................................................................................ 160 3.3.1.1 Einleitung ........................................................................................................... 160 3.3.1.2 Pneumatische Fremdkraftbremsanlage............................................................... 160 3.3.1.2.1 Bremsanlage für Zugfahrzeuge ........................................................ 160 3.3.1.2.2 Bremsanlage für Anhängefahrzeuge ................................................ 160 3.3.1.3 Elektronisch-pneumatische Bremsanlage ........................................................... 162 3.3.1.3.1 Systemkomponenten einer elektronisch-pneumatischen Bremsanlage .................................................................................... 163 3.3.1.4 Differenzschlupfregelung................................................................................... 163 3.3.1.5 Koppelkraftregelung........................................................................................... 164 3.3.1.6 Ausfallsicherheit ................................................................................................ 164 3.3.1.7 Dauerbremsintegration ....................................................................................... 165 3.3.2 Fahrdynamik-Regelung von Sattelzügen ........................................................................... 165 3.3.2.1 Einleitung ........................................................................................................... 165 3.3.2.2 Aufbau und Funktion der elektronischen Fahrdynamik-Regelung ..................... 166 3.3.2.3 Schutz vor Umkippen......................................................................................... 166 3.3.2.4 Ausblick ............................................................................................................. 167 3.4 Simulation von Fahrwerksystemen ................................................................................................. 167 3.4.1 Modellbildung.................................................................................................................... 167 3.4.1.1 Anforderungen ................................................................................................... 167 3.4.1.2 Gesamtfahrzeug.................................................................................................. 167 3.4.2 Reifen ........................................................................................................................... 168 3.4.2.1 Kraftübertragung ................................................................................................ 168 3.4.2.2 Komfort-Modelle ............................................................................................... 168 3.4.2.3 Halbempirische Modelle .................................................................................... 169 3.4.3 Rad- und Achskinematik.................................................................................................... 170 3.4.3.1 Aufgaben............................................................................................................ 170 3.4.3.2 Kinematische Modelle........................................................................................ 170 3.4.3.3 Komfort-Modelle ............................................................................................... 171 3.4.3.4 Allgemeine Modelle ........................................................................................... 171 3.4.3.5 Starrachsen ......................................................................................................... 172 3.4.4 Aufbaufederung ................................................................................................................. 172 3.4.4.1 Grundabstimmung.............................................................................................. 172 3.4.4.2 Nichtlineare Kennlinien ..................................................................................... 173

Inhaltsverzeichnis XIX

3.4.4.3 Dynamische Kraftelemente ................................................................................ 173 3.4.4.4 Mechatronische Bauelemente............................................................................. 174 3.4.5 Lenksystem ........................................................................................................................ 174 3.4.5.1 Minimal-Modell ................................................................................................. 174 3.4.5.2 Komponenten-Modell ........................................................................................ 175 3.4.6 Simulationsumgebung........................................................................................................ 176 3.4.6.1 Fahrbahn ............................................................................................................ 176 3.4.6.2 Fahrer ................................................................................................................. 176

4 Bordnetz und Vernetzung ........................................................................................................................ 179 4.1 Systemarchitekturen im Kraftfahrzeug............................................................................................ 179 4.1.1 Einleitung........................................................................................................................... 179 4.1.2 Definition von Systemdesign und Systemarchitektur......................................................... 180 4.1.3 Gestaltungselemente einer Systemarchitektur.................................................................... 181 4.1.3.1 Das ISO/OSI-Schichtenmodell........................................................................... 181 4.1.3.2 Topologien ......................................................................................................... 181 4.1.3.3 Steuergerätetechnologien ................................................................................... 182 4.1.3.4 Vernetzungstechnologien ................................................................................... 184 4.1.3.5 Kommunikationsrouting..................................................................................... 185 4.1.4 Software-Architekturen...................................................................................................... 185 4.1.5 Systemdesignprozess ......................................................................................................... 187 4.1.5.1 Generelle Vorgehenweise................................................................................... 187 4.1.5.2 Anforderungsmanagement ................................................................................. 190 4.1.5.3 Funktionale Aufteilung und Vernetzung ............................................................ 191 4.1.5.4 Partitionierung der logischen Architektur auf eine technische Architektur ........ 193 4.1.5.5 Vorgaben............................................................................................................ 194 4.1.6 Architekturbewertung ........................................................................................................ 195 4.1.7 Zusammenfassung.............................................................................................................. 195 4.2 Bussysteme, Vernetzung, verteilte Systeme.................................................................................... 196 4.2.1 Grundlagen der Datenkommunikation ............................................................................... 196 4.2.1.1 Einführung in die Datenkommunikation ............................................................ 196 4.2.1.2 Begriffsdefinitionen ........................................................................................... 197 4.2.2 ISO 9141-2 (K-Leitung) .................................................................................................... 202 4.2.3 SAE J1850 ........................................................................................................................ 204 4.2.4 CAN .................................................................................................................................. 204 4.2.4.1 Übersicht ............................................................................................................ 204 4.2.4.2 Physical Layer.................................................................................................... 205 4.2.4.2.1 Highspeed-CAN............................................................................... 205 4.2.4.2.2 Lowspeed-CAN ............................................................................... 206 4.2.4.2.3 Single-Wire-CAN ............................................................................ 207 4.2.4.3 Data Link Layer ................................................................................................. 208 4.2.4.4 Fehlererkennung................................................................................................. 211 4.2.4.5 TTCAN .............................................................................................................. 212 4.2.5 LIN .................................................................................................................................... 212 4.2.5.1 Einführung ......................................................................................................... 212 4.2.5.2 LIN Physical Layer Specification....................................................................... 213 4.2.5.3 LIN Protocol Specification................................................................................. 214 4.2.5.4 LIN Diagnostic and Configuration Specification ............................................... 216 4.2.5.5 LIN Application Programming Interface Specification...................................... 216 4.2.5.6 LIN Node Capability Language Specification ................................................... 217 4.2.5.7 LIN Configuration Language Specification ....................................................... 217 4.2.6 FlexRay und TTP............................................................................................................... 217 4.2.6.1 Einleitung ........................................................................................................... 217 4.2.6.2 FlexRay .............................................................................................................. 217 4.2.6.3 TTP .................................................................................................................... 221 4.2.7 Multimedia-Netzwerke ...................................................................................................... 221 4.2.7.1 Einleitung ........................................................................................................... 221 4.2.7.2 MOST ................................................................................................................ 222

XX Inhaltsverzeichnis

4.2.7.2.1 Übersicht.......................................................................................... 222 4.2.7.2.2 MOST-Devices ................................................................................ 223 4.2.7.2.3 MOST-Frames ................................................................................. 225 4.2.7.2.4 Hardware ......................................................................................... 225 4.2.7.3 IDB-1394 ........................................................................................................... 226 4.2.8 Gateway-Strategien............................................................................................................ 227 4.3 Fahrzeuggeneratoren ....................................................................................................................... 229 4.3.1 Einleitung........................................................................................................................... 229 4.3.2 Aufbau eines Klauenpolgenerators .................................................................................... 229 4.3.3 Generatorbauart-Varianten................................................................................................. 232 4.3.4 Dreiphasenwechselspannung ............................................................................................. 233 4.3.5 Gleichrichtung der Dreiphasenwechselspannung............................................................... 234 4.3.6 Spannungsregelung in herkömmlichen Systemen .............................................................. 236 4.3.7 Spezielle Schutzmaßnahmen.............................................................................................. 239 4.3.8 Generatorsysteme mit Mehrfunktionsregler ....................................................................... 239 4.3.9 Busgesteuertes Generatorsystem........................................................................................ 241 4.3.10 Leistungserhöhung durch Mittelpunktsdioden ................................................................... 242 4.3.11 Spannungsregelung bei Schwungmagnet-Generatoren ...................................................... 243 4.3.12 Diagnosemöglichkeiten der Kfz-Werkstatt ........................................................................ 243 4.4 Starter-Generatorem........................................................................................................................ 244 4.4.1 Der Micro-Hybrid .............................................................................................................. 244 4.4.2 Der Mild-Hybrid ................................................................................................................ 245 4.4.3 Elektrische Antriebe für Starter-Generatoren..................................................................... 246 4.4.3.1 Der indirekte elektrische Antrieb ....................................................................... 246 4.4.3.2 Der direkte elektrische Antrieb........................................................................... 247 4.4.4 Die Elektonik ..................................................................................................................... 248 4.4.5 Anforderngen an elektrische Energiespeicher .................................................................... 249 4.5 Batterien und Energiespeicher......................................................................................................... 249 4.5.1 Überblick: Rolle der Energiespeicher ................................................................................ 249 4.5.2 Bleibatterie......................................................................................................................... 250 4.5.2.1 Elektrochemie des Bleiakkumulators ................................................................. 250 4.5.2.2 Stand der Technik .............................................................................................. 252 4.5.2.3 Aufbau des Bleiakkumulators ............................................................................ 253 4.5.2.4 Bauarten ............................................................................................................. 255 4.5.2.5 Eigenschaften von Bleibatterien......................................................................... 257 4.5.2.6 Entwicklungstendenzen bei Bleiakkumulatoren für Fahrzeuge.......................... 260 4.5.3 Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren ................................................................ 261 4.5.4 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren................................................................................. 263 4.5.4.1 Elektrochemie .................................................................................................... 264 4.5.4.2 Stand der Technik .............................................................................................. 265 4.5.4.3 Zellendesign ....................................................................................................... 265 4.5.4.4 Betriebs- und Alterungsverhalten....................................................................... 269 4.5.5 Lithium-Ionen-Batterien .................................................................................................... 270 4.5.5.1 Elektrochemie .................................................................................................... 271 4.5.5.2 Stand der Technik .............................................................................................. 272 4.5.5.3 Zellenkomponenten............................................................................................ 273 4.5.5.4 Zellendesign ....................................................................................................... 275 4.5.6 Anwendung elektrochemischer Speicher in Kraftfahrzeugen ............................................ 276 4.5.6.1 Bordnetz............................................................................................................. 276 4.5.6.2 Elektrochemische Speichersysteme für Hybridfahrzeuge .................................. 278 4.6 Energiemanagement........................................................................................................................ 281 4.6.1 Übergeordnetes Energiemanagement................................................................................. 283 4.6.2 Elektrisches Energiemanagement....................................................................................... 284 4.6.2.1 Generator-Sensierung......................................................................................... 284 4.6.2.2 Batterie-Sensierung ............................................................................................ 284 4.6.2.2.1 Batteriesensor .................................................................................. 285 4.6.2.2.2 Batteriezustandserkennung .............................................................. 286 4.6.2.3 Umfassende Strategien der elektrischen Energieverteilung................................ 288

Inhaltsverzeichnis XXI

4.7 Simulation von Bordnetzen............................................................................................................. 289 4.7.1 Grundlagen der Bordnetz-Simulation................................................................................. 289 4.7.2 Methodenüberblick ............................................................................................................ 289 4.7.3 Grundlagen von VHDL-AMS............................................................................................ 290 4.7.4 Simulationsaufgaben.......................................................................................................... 293 4.8 42-V-Bordnetz ................................................................................................................................ 301 4.8.1 Energienetz ........................................................................................................................ 303 4.8.1.1 Halbleitertechnologie ......................................................................................... 305 4.8.1.2 Energiespeicherung ............................................................................................ 305 4.8.1.3 Generatoren........................................................................................................ 306 4.8.1.4 Integrierter Startergenerator ............................................................................... 306 4.8.1.5 Energiemanagement ........................................................................................... 307 4.8.1.6 Rekuperation ...................................................................................................... 307 4.8.2 Verbrauchersysteme........................................................................................................... 308 4.8.2.1 Elektrisch beheizbarer Katalysator ..................................................................... 308 4.8.2.2 Frontscheibenheizung......................................................................................... 309 4.9 Entwicklungsprozess und Produktlebenszyklus .............................................................................. 309 4.9.1. Einführung ......................................................................................................................... 309 4.9.2 Produktlebenszyklus .......................................................................................................... 310 4.9.3 Systems Engineering.......................................................................................................... 310 4.9.3.1 Projektmanagement............................................................................................ 311 4.9.3.2 Risikomanagement ............................................................................................. 311 4.9.3.3 Konfigurationsmanagement ............................................................................... 311 4.9.3.4 Änderungsmanagement ...................................................................................... 311 4.9.3.5 Testmanagement ................................................................................................ 312 4.9.3.6 Service-Management und Obsolescence-Management ...................................... 312 4.9.4 Software-Qualitätssicherung .............................................................................................. 312 4.9.4.1 Begriffe und Definitionen .................................................................................. 312 4.9.5 Flaschprozess in der Fahrzeugproduktion .......................................................................... 314

5 Beleuchtung ............................................................................................................................................... 315 5.1 Lichterzeugung und menschliche Wahrnehmung............................................................................ 315 5.1.1 Lichttechnische Größen und Einheiten .............................................................................. 316 5.1.2 Künstliche Lichtquellen ..................................................................................................... 317 5.1.2.1 Temperaturstrahler ............................................................................................. 317 5.1.2.2 Halogen-Glühlampen ......................................................................................... 317 5.1.2.3 Gasentladungslampen......................................................................................... 318 5.1.2.4 Leuchtioden........................................................................................................ 320 5.1.3 Elektrische Versorgung und elektronische Ansteuerung.................................................... 321 5.1.3.1 Vorschaltgeräte für das Betreiben von Lichtquellen........................................... 321 5.1.3.2 Bussysteme zur Lichtsteuerung .......................................................................... 322 5.1.3.3 42-V-Bordnetz.................................................................................................... 322 5.2 Mensch im Verkehr ........................................................................................................................ 322 5.2.1 Objekte im Verkehrsraum ................................................................................................. 323 5.2.1.1 Photometrische Parameter ................................................................................. 323 5.2.1.2 Geometrische Parameter..................................................................................... 324 5.2.1.3 Kinematische Parameter .................................................................................... 324 5.2.2 Sehen, wahrnehmen und erkennen .................................................................................... 324 5.2.2.1 Kontrastempfindung .......................................................................................... 324 5.2.2.2 Unterschiedsempfindlichkeit .............................................................................. 324 5.2.2.3 Sehschärfe .......................................................................................................... 325 5.2.3 Dynamische Phänomene ................................................................................................... 325 5.2.4 Sichtverhältnisse ............................................................................................................... 325 5.2.4.1 Blendung ........................................................................................................... 326 5.2.4.2 Dämmerung und Nacht ...................................................................................... 326 5.2.4.3 Nebel, Regen, Schnee......................................................................................... 326 5.2.4.4 Verkratzte oder unsaubere Windschutzscheiben ............................................... 326

XXII Inhaltsverzeichnis

5.2.5 Fahrzeug, Straße und Verkehr ........................................................................................... 326 5.2.5.1 Straßenbelag....................................................................................................... 328 5.2.5.2 Fahrbahnmarkierungen....................................................................................... 328 5.2.5.3 Verkehrsdichte und Verkehrsentwicklung.......................................................... 328 5.2.6 Gesetzliche Zulassungsvorschriften ................................................................................... 328 5.3. Scheinwerfer .................................................................................................................................. 329 5.3.1 Fahrzeuganbau und Funktion ............................................................................................ 329 5.3.2 Lichttechnischer Aufbau .................................................................................................... 331 5.3.2.1 Reflexionstechnik............................................................................................... 332 5.3.2.2 Projektionssystem .............................................................................................. 333 5.3.2.3 Bi-Xenon und Schwenkmodul ........................................................................... 333 5.3.3 Konstruktiver Aufbau ....................................................................................................... 334 5.3.3.1 Bauformen und -systeme.................................................................................... 334 5.3.3.2 Scheinwerferreinigung ....................................................................................... 336 5.3.3.3 Leuchtweitenregelung ........................................................................................ 336 5.3.3.4 Kurvenlichtsteuerung ......................................................................................... 337 5.3.4 Qualität in Entwicklung und Produktion............................................................................ 337 5.3.5 Tag- und Nachtdesign ........................................................................................................ 338 5.3.6 Adaptives Licht ................................................................................................................. 338 5.3.6.1 Lichtverteilungen ............................................................................................... 338 5.3.6.2 Komponenten ..................................................................................................... 338 5.3.6.3 Lichtsysteme ..................................................................................................... 339 5.3.7 LED-Scheinwerfer ............................................................................................................. 340 5.4 Signalleuchten................................................................................................................................. 341 5.4.1 Vorschriften zu Anbau und Funktionen ............................................................................. 341 5.4.2 Konstruktiver Aufbau ........................................................................................................ 342 5.4.3 Lichttechnische Konzepte .................................................................................................. 343 5.4.3.1 Reflektive Optiken ............................................................................................. 343 5.4.3.2 Lichtbrechende Optiken ..................................................................................... 343 5.4.3.3 Lichtleitoptiken .................................................................................................. 343 5.4.3.4 Mikrooptiken...................................................................................................... 344 5.4.4 Formensprache................................................................................................................... 344 5.4.4.1 Konventionell..................................................................................................... 344 5.4.4.2 Brillant ............................................................................................................... 344 5.4.4.3 Linien-Design..................................................................................................... 344 5.4.4.4 Kontur ................................................................................................................ 345 5.4.4.5 Farbvariationen .................................................................................................. 345 5.4.4.6 Zukünftige Stylingkonzepte ............................................................................... 346 5.4.5 Signale mit höherem Informationsgehalt .......................................................................... 346 5.4.5.1 Adaptives Signalbild .......................................................................................... 346 5.4.5.2 Steuerung ........................................................................................................... 347 5.5 Innenleuchten ................................................................................................................................. 347 5.5.1 Innenlicht auch während der Fahrt..................................................................................... 347 5.5.2 Raumgestaltung mit Licht und Farbe ................................................................................. 349 5.5.2.1 Lichtfarbe ........................................................................................................... 349 5.5.2.2 Farbwiedergabe .................................................................................................. 349 5.5.3 Lichtquellen für den Innenraum......................................................................................... 349 5.5.3.1 Glühlampen ....................................................................................................... 349 5.5.3.2 Leuchtdioden ..................................................................................................... 349 5.5.3.3 Organische Leuchtdioden................................................................................... 350 5.5.3.4 Elektrolumineszenzfolien ................................................................................... 350 5.5.3.5 Leuchtstofflampen ............................................................................................. 350 5.5.4 Komfort durch Beleuchtung............................................................................................... 350 5.5.4.1 Ein- und Ausstiegsbeleuchtung ......................................................................... 350 5.5.4.2 Funktionale Beleuchtung.................................................................................... 351 5.5.4.3 Orientierungsbeleuchtung .................................................................................. 353 5.5.4.4 Ambiente-Beleuchtung ...................................................................................... 353 5.5.5 Inszenierung durch intelligentes Innenlicht ....................................................................... 354

Inhaltsverzeichnis XXIII

6 Sicherheitssysteme .................................................................................................................................... 357 6.1 Passive Sicherheit ........................................................................................................................... 357 6.1.1 Einleitung........................................................................................................................... 357 6.1.2 Die Rückhaltesysteme........................................................................................................ 357 6.1.2.1 Sicherheitsgurt mit Gurtstraffer.......................................................................... 357 6.1.2.2 Fahrer- und Beifahrerairbag ............................................................................... 358 6.1.2.3 Das zentrale Airbag-Steuergerät......................................................................... 360 6.1.2.4 Optimierte Frontairbag- und Gurtsysteme.......................................................... 361 6.1.2.5 Sitzbelegungserkennung und Innenraum-Überwachung .................................... 362 6.1.2.6 Seiten-, Kopf- und Knieairbags .......................................................................... 364 6.1.2.7 Gasgenerator und Zündpille .............................................................................. 365 6.1.3 Das vorausschauende Insassenschutzsystem...................................................................... 366 6.1.4 Überrollsensierung............................................................................................................. 366 6.1.4.1 Der Drehratensensor........................................................................................... 367 6.1.4.2 Überschlagschutz bei offenen Fahrzeugen ......................................................... 367 6.1.5 Fußgängerschutz ................................................................................................................ 367 6.1.5.1 Der Glasfaser-Biegesensor ................................................................................. 368 6.1.5.2 Ausblick ............................................................................................................. 369 6.2 Zugangs- und Fahrberechtigungssysteme........................................................................................ 369 6.2.1 Systemfunktionen .............................................................................................................. 370 6.2.2 Technik .............................................................................................................................. 372 6.2.2.1 System-Architektur im Fahrzeug ....................................................................... 372 6.2.2.2 Komponenten ..................................................................................................... 373 6.2.2.3 Sende- und Empfangstechnik ............................................................................. 376 6.2.2.4 Notlauffunktionen des Systems.......................................................................... 376 6.2.2.5 Gigahertz-Systeme ............................................................................................. 377 6.2.2.6 Biometrische Verfahren ..................................................................................... 378

7 Komfortsysteme ........................................................................................................................................ 381 7.1 Einleitung........................................................................................................................................ 381 7.2 Bewegliche Dachsysteme................................................................................................................ 381 7.2.1 Schiebedächer .................................................................................................................... 381 7.2.1.1 Komponenten und Architektur ........................................................................... 381 7.2.1.2 Einklemmschutz................................................................................................. 383 7.2.2 Cabriosysteme.................................................................................................................... 385 7.2.2.1 Komponenten und Architektur ........................................................................... 385 7.2.2.2 Systementwurf Zustandsautomat........................................................................ 385 7.2.2.3 Fehlertolerante Auslegung des Steuergerätes ..................................................... 387 7.2.2.4 Architektur der Software .................................................................................... 387 7.3 Heiz- und Klimasysteme ................................................................................................................. 388 7.3.1 Stand- und Zuheizsysteme ................................................................................................. 389 7.3.2 Steuergerätefunktionen ...................................................................................................... 389 7.3.2.1 Systemfunktionen............................................................................................... 389 7.3.2.2 Gerätefunktionen................................................................................................ 390 7.3.2.3 Komponentenfunktionen .................................................................................... 390 7.3.2.4 Systemvernetzung .............................................................................................. 391 7.3.2.5 Aufbau und Architektur des Steuergeräts ........................................................... 392 7.3.3 Klimasysteme in Nutzfahrzeugen und Bussen ................................................................... 393

8 Instrumentierung ...................................................................................................................................... 395 8.1 Instrumente mit Zeigerantrieben ..................................................................................................... 396 8.1.1 Drehmagnetquotienten-Messwerk...................................................................................... 397 8.1.2 Schrittmotor-Messwerk...................................................................................................... 397 8.2 Digitale Anzeigegeräte.................................................................................................................... 397 8.2.1 LCD-Aktivmatrix............................................................................................................... 398 8.2.2 Vakuum-Fluoreszenz-Display............................................................................................ 398 8.2.3 Organic Light Emitting Diodes ......................................................................................... 398

XXIV Inhaltsverzeichnis

8.3 Beleuchtung .................................................................................................................................... 399 8.3.1 Lichtquellen ....................................................................................................................... 399 8.3.2 Integration in das Instrument.............................................................................................. 400 8.4 Instrumentierungsaufbau................................................................................................................. 400 8.4.1 Head-up-Display ................................................................................................................ 401 8.4.2 Bordmonitore ..................................................................................................................... 402 8.5 Bedienelemente............................................................................................................................... 402 8.5.1 Zentrale Bedienkonzepte.................................................................................................... 403

9 Fahrerassistenzsysteme und Verkehr...................................................................................................... 405 9.1 Fahrerassistenzsysteme in Personenkraftwagen .............................................................................. 405 9.1.1 Übersicht............................................................................................................................ 405 9.1.1.1 Fahrerinformationssysteme ................................................................................ 405 9.1.1.2 Fahrzeugkommunikationssysteme...................................................................... 405 9.1.1.3 Prädiktive Fahrerassistenzsysteme ..................................................................... 405 9.1.1.4 Systeme zur Fahrzeugstabilisierung ................................................................... 405 9.1.1.5 Systeme zur Erkennung des Fahrerzustands ...................................................... 406 9.1.2 Unfallursachen und daraus abgeleitete Fahrerassistenzsysteme......................................... 406 9.1.3 Kommunikation Fahrzeug-Fahrzeug und Fahrzeug-Infrastruktur ...................................... 408 9.1.4 Sensoren für prädiktive Fahrerassistenzsysteme ................................................................ 408 9.1.4.1 Ultraschallsensoren ............................................................................................ 408 9.1.4.2 Radar .................................................................................................................. 412 9.1.4.2.1 Grundlagen der Radartechnik .......................................................... 412 9.1.4.2.2 Nahbereichsradar 24 GHz................................................................ 412 9.1.4.2.3 Fernbereichsradar 77 GHz ............................................................... 414 9.1.4.2.4 Radar-Signalverarbeitung ................................................................ 417 9.1.4.2.5 Mechanischer Aufbau eines Radargeräts ......................................... 419 9.1.4.2.6 Fahrzeugintegration ........................................................................ 419 9.1.4.3 Video.................................................................................................................. 420 9.1.4.3.1 Grundlagen Videotechnik ............................................................... 420 9.1.4.3.2 Videokamera.................................................................................... 422 9.1.4.3.3 Bildverarbeitung .............................................................................. 422 9.1.4.3.4 Videosystem für Kraftfahrzeuge ...................................................... 423 9.1.5 Rundumsichtsysteme, prädiktive Fahrerassistenzsysteme ................................................. 424 9.1.5.1 Komfortsysteme ................................................................................................. 425 9.1.5.1.1 Einparkhilfe-System und Weiterentwicklungen............................... 425 9.1.5.1.2 Geschwindigkeitsregelung, Limiter ................................................. 426 9.1.5.1.3 Adaptiver Fahrgeschwindigkeitsregler............................................. 427 9.1.5.1.4 Fernbereichs-LIDAR ....................................................................... 432 9.1.5.1.5 Spurwechselassistent........................................................................ 432 9.1.5.1.6 Systeme zur Verbesserung der Nachtsicht ....................................... 433 9.1.5.2 Sicherheitssysteme ............................................................................................. 435 9.1.5.2.1 Prädiktive Sicherheitssysteme.......................................................... 435 9.2 Fahrerassistenzsysteme in Nutzfahrzeugen ..................................................................................... 437 9.2.1 Aktuelle Fahrerassistenzsysteme........................................................................................ 437 9.2.1.1 Rückrollsperre .................................................................................................... 437 9.2.1.2 Bremsassistent.................................................................................................... 438 9.2.1.3 Tempomat, Limiter und Abstandsregeltempomat .............................................. 438 9.2.1.3.1 Antriebs- und Bremstempomat ........................................................ 438 9.2.1.3.2 Limiter ............................................................................................. 439 9.2.1.3.3 Abstandsregeltempomat .................................................................. 439 9.2.1.4 Notbremssystem................................................................................................. 440 9.2.1.5 Spurwächter ....................................................................................................... 440 9.2.1.6 Fahrzeugumfeldüberwachung ............................................................................ 441 9.2.2 In Entwicklung befindliche Fahrerassistenzsysteme .......................................................... 442 9.2.2.1 Stauassistent ....................................................................................................... 442 9.2.2.2 Fahrerzustandserkennung................................................................................... 443

Inhaltsverzeichnis XXV

9.2.2.3 Objekterkennung im toten Winkel ..................................................................... 443 9.2.2.4 Spurassistent mit Lenkeingriff ........................................................................... 443 9.3 Verkehrsleitsysteme ........................................................................................................................ 444 9.3.1 Verkehrsentwicklung ......................................................................................................... 444 9.3.2 Strategien der Verkehrsleitung........................................................................................... 445 9.3.3 Technische Voraussetzungen zur Verkehrsbeeinflussung.................................................. 447 9.3.3.1 Erfassungssysteme für Verkehrsflüsse ............................................................... 447 9.3.3.2 Steuerungssysteme ............................................................................................. 448 9.3.4 Mobilitätsmanagement....................................................................................................... 453 9.3.4.1 INVENT............................................................................................................. 453 9.3.4.2 Mobinet .............................................................................................................. 454 9.3.4.3 Grenzen der Verkehrslenkung............................................................................ 454

10 Telematik ................................................................................................................................................... 457 10.1 Allgemeines .................................................................................................................................... 457 10.1.1 Begriffsbestimmung........................................................................................................... 457 10.1.2 Geschichtliche Entwicklung............................................................................................... 458 10.1.3 Systemarchitektur im Fahrzeug.......................................................................................... 459 10.1.4 Systemarchitektur außerhalb des Fahrzeugs....................................................................... 459 10.1.5 Schwierigkeiten und Herausforderungen ........................................................................... 460 10.1.6 Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine ................................................................... 461 10.1.7 Angebot und Nachfrage .................................................................................................... 462 10.2 Navigation....................................................................................................................................... 462 10.2.1 Geschichte und Marktentwicklung..................................................................................... 462 10.2.2 Funktionsweise und Systemkomponenten ......................................................................... 463 10.2.2.1 Hardware zur Positionsbestimmung................................................................... 464 10.2.2.2 Navigationsdaten................................................................................................ 466 10.2.2.3 Hardware und Software für Navigation und Routenplanung.............................. 468 10.2.2.4 Anzeige und Bedienung ..................................................................................... 474 10.2.3 Navigation Services ........................................................................................................... 476 10.3 Multimedia...................................................................................................................................... 478 10.3.1 Entwicklung und Stand der Technik .................................................................................. 478 10.3.1.1. Audio-Komponenten.......................................................................................... 479 10.3.1.2 Visuelle Komponenten ....................................................................................... 480 10.3.1.3 Kommunikation.................................................................................................. 481 10.3.1.4 Office-Komponenten.......................................................................................... 481 10.3.1.5 Antennen und Empfangseinrichtungen............................................................... 482 10.3.2 Multimedia-Architektur ..................................................................................................... 482 10.3.3 Vernetzung interner Systeme ............................................................................................. 483 10.3.4 Vernetzung externer Systemen........................................................................................... 484 10.3.4.1 Infrarot ............................................................................................................... 484 10.3.4.2 Bluetooth............................................................................................................ 484 10.3.4.3 WLAN................................................................................................................ 486

11 Sensorik ..................................................................................................................................................... 489 11.1 Positions- und Winkelsensorik........................................................................................................ 489 11.1.1 Überblick und Messprinzipien ........................................................................................... 489 11.1.2 Klassifizierung ................................................................................................................... 491 11.1.2.1 Potentiometer ..................................................................................................... 492 11.1.2.2 Optische Sensoren .............................................................................................. 493 11.1.2.3 Hallsensoren....................................................................................................... 495 11.1.2.4 Magnetoresistive Sensoren................................................................................. 496 11.1.2.5 PLCD-Sensoren.................................................................................................. 497 11.1.2.6 Induktive Sensoren............................................................................................. 498 11.1.3 Anwendung........................................................................................................................ 500 11.1.3.1 Auswahl eines Messprinzips .............................................................................. 500 11.1.3.2 Elektrische Schnittstellen ................................................................................... 502 11.1.3.3 Anwendungsbeispiele......................................................................................... 503

XXVI Inhaltsverzeichnis

11.2 Mikrosensoren im Automobil ........................................................................................................ 505 11.2.1 Einleitung........................................................................................................................... 505 11.2.2 Mikrosystemtechnik........................................................................................................... 505 11.2.2.1 Silizium – Ausgangsmaterial der MEMS-Technologie ...................................... 505 11.2.2.2 Fotolithographie ................................................................................................. 506 11.2.2.3 Dünnschichttechnik............................................................................................ 507 11.2.2.4 Bulk- und Oberflächen-Mikromechanik............................................................. 507 11.2.2.5 Wafer-Bonden.................................................................................................... 508 11.2.3 Sensoren im Automobil ..................................................................................................... 509 11.2.3.1 Drucksensoren.................................................................................................... 509 11.2.3.2 Beschleunigungssensoren................................................................................... 510 11.2.3.3 Drehratensensoren.............................................................................................. 511 11.2.3.4 Massenfluss-Sensoren ........................................................................................ 513 11.2.3.5 Reifendrucksensor.............................................................................................. 513 11.2.4 Ausblick............................................................................................................................. 514

12 Elektrische Aktorik................................................................................................................................... 517 12.1 Einleitung........................................................................................................................................ 517 12.2 Kenngrößen von Aktoren ................................................................................................................ 517 12.3 Elektromagnete ............................................................................................................................... 519 12.3.1 Elektrische Relais............................................................................................................... 520 12.3.2 Verriegelungsmagnete ....................................................................................................... 520 12.3.3 Proportionalmagnete für Ventile ........................................................................................ 522 12.4 Pyrotechnische Aktoren .................................................................................................................. 524 12.5 Piezo-Aktoren ................................................................................................................................. 525 12.6 Thermische Aktoren........................................................................................................................ 526 12.6.1 Peltierelemente................................................................................................................... 526 12.6.2 PTC-Heizer ........................................................................................................................ 526 12.6.3 Dehnstoffelemente ............................................................................................................. 527 12.6.4 Bimetall-Schalter ............................................................................................................... 528 12.6.5 Magnetschalter................................................................................................................... 528

13 Elektronik Hardware................................................................................................................................ 529 13.1. Anforderungen ................................................................................................................................ 529 13.1.1 Allgemeine Anforderungen und Methoden........................................................................ 529 13.1.1.1 Qualität und Methoden....................................................................................... 529 13.1.1.2 Zulässige Ausfallraten........................................................................................ 529 13.1.1.3 Qualifikationen................................................................................................... 529 13.1.1.4 Gesetze und Normen .......................................................................................... 530 13.1.2 Umwelteinflüsse ................................................................................................................ 530 13.1.2.1 Fehlerursachen elektrischer Ausfälle.................................................................. 530 13.1.2.2 Umweltbelastungen als Fehlerursachen ............................................................. 530 13.1.2.3 Ablauf von Zuverlässigkeitsprüfungen und Qualifikationen .............................. 531 13.1.2.4 Kennzahlen für Zuverlässigkeitsprüfungen ........................................................ 531 13.1.2.5 IP-Schutzarten .................................................................................................... 532 13.1.3 Sicherheitssystemspezifische Methoden ............................................................................ 532 13.1.3.1 Verwendete Begriffe .......................................................................................... 533 13.1.3.2 Anforderungen an die Spezifikation................................................................... 533 13.1.3.3 Maßnahmen im Entwicklungsprozess ................................................................ 533 13.1.3.4 Einkanalige Systemstrukturen zur Beherrschung von Fehlern ........................... 534 13.1.3.5 Mehrkanalige Systemstrukturen zur Beherrschung von Fehlern ........................ 534 13.1.3.6 Ausführung der Überwachung und Fehlererkennung ......................................... 535 13.2 Bauelemente ................................................................................................................................... 537 13.2.1 Leistungshalbleiter ............................................................................................................ 537 13.2.2 Netzteilkomponenten ........................................................................................................ 537 13.2.2.1 Linearregler ....................................................................................................... 537 13.2.2.2 Schaltwandler..................................................................................................... 537 13.2.2.3 Zusätzliche netzteilintegrierte Funktionen ......................................................... 538

Inhaltsverzeichnis XXVII

13.2.3 Mikrocontroller ................................................................................................................. 538 13.2.3.1 Zeitlicher Werdegang von Mikrocontrollern ...................................................... 539 13.2.3.2 Systemarchitektur .............................................................................................. 539 13.2.3.3 Interne Funktionsblöcke ..................................................................................... 540 13.2.3.4 Peripherie und Busvarianten .............................................................................. 541 13.2.4 Stecker und Kabel ............................................................................................................. 544

14 Mechatronische Systeme .......................................................................................................................... 545 14.1 Einführung und Überblick............................................................................................................... 545 14.2 Mechatronische Systeme im Antrieb............................................................................................... 548 14.2.1 Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie............................................................. 548 14.2.2 Diesel-Einspritzsysteme..................................................................................................... 550 14.2.3 Mechatronische Getriebesteuerungen ................................................................................ 550 14.3 Mechatronische Systeme im Komfortbereich.................................................................................. 553 14.3.1 Integrierte mechatronische Auslegung einer Tür-Zuziehhilfe ............................................ 553 14.3.2 Nutzung mechatronischer Synergiepotentiale bei Dachmodulen ....................................... 560 14.3.3 Hardware-in-the-Loop-Simulation im Komfortbereich...................................................... 563

15 Elektromagnetische Verträglichkeit ........................................................................................................ 569 15.1. Motivation....................................................................................................................................... 569 15.1.1 Entwicklungstendenzen Automobil ................................................................................... 569 15.1.2 EM-Systeme und Funktionen im Automobil...................................................................... 569 15.1.3 Betrachtung der EMV ........................................................................................................ 569 15.2 Allgemeines zur EMV..................................................................................................................... 570 15.2.1 Begriffe und Erläuterungen ............................................................................................... 570 15.2.2 EMV-Komplexität und Schutzziele im Kfz ....................................................................... 571 15.2.3 EMV Planung .................................................................................................................... 572 15.2.4 Störquellen, Störsenken, Kopplungsmechanismen............................................................. 572 15.2.4.1 Galvanische Kopplung ....................................................................................... 572 15.2.4.2 Feldgebundene Kopplung................................................................................... 574 15.2.4.2.1 Induktive Kopplung ......................................................................... 574 15.2.4.2.2 Kapazitive Kopplung ....................................................................... 575 15.2.4.2.3 Wellenbeeinflussung........................................................................ 575 15.2.4.3 Strahlungsbeeinflussung..................................................................................... 575 15.2.4.4 Elektrostatische Entladung ................................................................................. 576 15.2.5 Störmechanismen und Signale .......................................................................................... 576 15.2.6 EMV-Verbesserungsmaßnahmen....................................................................................... 577 15.3 EMV im Fahrzeug........................................................................................................................... 577 15.3.1 Elektronik und Steuergeräte .............................................................................................. 579 15.3.2 Mechatronik ...................................................................................................................... 580 15.3.3 Bordnetz und Kabelbaum .................................................................................................. 581 15.3.4 Karosserie und Massepunkte.............................................................................................. 582 15.3.5 Gehäuse, Koppelelemente und weitere Systeme ................................................................ 582 15.3.6 Antennen............................................................................................................................ 583 15.3.7 Zündanlagen....................................................................................................................... 584 15.4 EMV-Simulation und Feldberechnung............................................................................................ 585 15.4.1 Modellierung und Simulation............................................................................................. 586 15.4.2 Elektromagnetische Felder und Wellen.............................................................................. 586 15.4.3 Numerische Analyse elektromagnetischer Felder .............................................................. 587 15.4.4 Numerische Verfahren ...................................................................................................... 588 15.4.4.1 Numerische Lösung mit Hilfe der FEM ............................................................ 588 15.4.4.2 Numerische Lösung mit Hilfe der BEM ............................................................ 588 15.4.4.3 BEM-FEM-Kopplung ........................................................................................ 588 15.4.5 Methoden und Werkzeuge ................................................................................................ 589 15.5 Messtechnik und Messmethoden .................................................................................................... 589 15.5.1 Komponenten- und Gesamtfahrzeugprüfung ..................................................................... 590

XXVIII Inhaltsverzeichnis

15.5.2 Messplätze und Messräume ............................................................................................................ 591 15.5.2.1 Freifeldmessungen ............................................................................................. 591 15.5.2.2 Geschirmte Kabinen und Absorberhalle ............................................................ 591 15.5.3 Nachbildung des Bordnetzes bei Komponentenmessungen ............................................... 593 15.5.4 Störaussendungsmessungen ............................................................................................... 593 15.5.4.1 Funkentstörung................................................................................................... 593 15.5.4.1.1 Breitbandige und schmalbandige Störungen .................................... 593 15.5.4.1.2 Messempfänger-Detektoren ............................................................. 593 15.5.4.1.3 Fahrzeug-Nahentstörung.................................................................. 594 15.5.4.1.4 Fahrzeug-Fernentstörung ................................................................. 595 15.5.4.1.5 Funkentstörung auf Komponentenebene.......................................... 595 15.5.4.2 Messung der impulsförmigen Störaussendung ................................................... 595 15.5.5 Störfestigkeitsprüfmethoden .............................................................................................. 596 15.5.5.1 Schmalbandige hochfrequente Störquellen außerhalb des Fahrzeugs................. 596 15.5.5.1.1 Antennenmethode ............................................................................ 596 15.5.5.1.2 Stromeinspeisung............................................................................. 597 15.5.5.1.3 TEM-Zelle ....................................................................................... 598 15.5.5.1.4 Stripline ........................................................................................... 600 15.5.5.1.5 Direkte Leistungseinkopplung ......................................................... 602 15.5.5.2 Störfestigkeit gegen Sender im Fahrzeug ........................................................... 602 15.5.5.3 Niederfrequente magnetische Felder .................................................................. 603 15.5.5.4 Elektrostatische Entladungen ............................................................................. 603 15.5.5.5 Kfz-Impulse ...................................................................................................... 604 15.5.5.5.1 Störfestigkeitsprüfung auf Versorgungsleitungen ............................ 604 15.5.5.5.2 Störfestigkeitsprüfung auf Nicht-Versorgungsleitungen .................. 605 15.6 Normen und Richtlinien ................................................................................................................. 605 15.6.1 Gesetzliche Anforderungen für Fahrzeuge ........................................................................ 605 15.6.1.1 Die Kfz-EMV-Richtlinie 72/245/EWG.............................................................. 606 15.6.1.1.1 Das Typgenehmigungsverfahren ..................................................... 606 15.6.1.1.2 Prüfungen im Rahmen der Typgenehmigung................................... 607 15.6.1.1.3 Kennzeichnung ................................................................................ 607 15.6.2 Fahrzeugherstellerspezifische Vorschriften ....................................................................... 608

16 Diagnose..................................................................................................................................................... 609 16.1 Was verbirgt sich hinter dem Begriff Diagnose?............................................................................. 609 16.2 Aufgaben der Diagnose................................................................................................................... 611 16.2.1 Der Steuergerätelebenszyklus ............................................................................................ 611 16.2.2 Heutige Anwendungsfälle der Diagnose ............................................................................ 612 16.2.3 Ein kurzer Blick ins Steuergerät......................................................................................... 613 16.3 Diagnosekommunikation ................................................................................................................ 615 16.3.1 Allgemeine Vorbemerkungen ............................................................................................ 615 16.3.1.1 Onboard-Kommunikation .................................................................................. 615 16.3.1.2 Offboard-Kommunikation ................................................................................. 616 16.3.1.3 Client-Server-Prinzip ......................................................................................... 616 16.3.2 Kommunikationswege im Fahrzeug................................................................................... 616 16.3.3 Grundlagen der Diagnosekommunikation.......................................................................... 617 16.3.3.1 Bestätigte und Rundruf-Kommunikation............................................................ 617 16.3.3.2 Nachrichtenfluss in der Diagnosekommunikation.............................................. 618 16.3.3.3 Adressierungsarten ............................................................................................. 618 16.3.3.3.1 Physikalische Adressierung ............................................................. 619 16.3.3.3.2 Funktionale Adressierung ................................................................ 619 16.3.3.4 Prinzipien der Diagnosekommunikation ............................................................ 620 16.3.3.5 Arten der Diagnosenachrichten .......................................................................... 620 16.3.3.5.1 Anfrage ............................................................................................ 620 16.3.3.5.2 Antworten ........................................................................................ 620 16.3.4 Diagnoseprotokolle und das ISO/OSI-Referenzmodell...................................................... 620 16.3.4.1 Die Schichten des ISO/OSI-Referenzmodelles .................................................. 622 16.3.4.2 Der Header-Mechanismus des ISO/OSI-Referenzmodells ................................. 623

Inhaltsverzeichnis XXIX

16.3.4.3 Protocol Data Unit.............................................................................................. 623 16.3.4.4 Normale und erweiterte Adressierung ................................................................ 623 16.3.4.5 Datensegmentierung........................................................................................... 624 16.3.4.6 Kommunikationsparameter ................................................................................ 625 16.3.4.7 Der Diagnosedienst ........................................................................................... 627 16.3.5 Sicherheit der Diagnosekommunikation ............................................................................ 627 16.3.6 Diagnoseprotokolle ............................................................................................................ 628 16.3.6.1 Historie der Diagnoseprotokolle......................................................................... 628 16.3.6.2 Grundlagen der Keywordprotokolle ................................................................... 629 16.3.6.3 Begriffsklärung für Diagnoseprotokolle nach den ISO-Normen ........................ 629 16.4 Unified Diagnostic Services ........................................................................................................... 632 16.4.1 Motivation.......................................................................................................................... 632 16.4.2 Sub-Function...................................................................................................................... 632 16.4.3 Service-Parameter .............................................................................................................. 633 16.4.4 Diagnosedienste der UDS-Norm........................................................................................ 633 16.4.5 Zustandsautomaten am Beispiel UDS................................................................................ 633 16.4.5.1 Zustandsübergänge zwischen den Sessions........................................................ 634 16.4.6 Standardisierte Fehlercodes ............................................................................................... 635 16.4.7 Beispiel einer Diagnosesitzung mit Unified Diagnostic Services....................................... 635 16.5 On-Board-Diagnose ........................................................................................................................ 636 16.5.1 Historie .............................................................................................................................. 636 16.5.2 OBD-Funktionalität ........................................................................................................... 636 16.5.3 Der OBD-Stecker............................................................................................................... 637 16.6 Datenaustauschformat und erweitertes V-Modell .......................................................................... 638 16.6.1 Was ist ein Datenaustauschformat?.................................................................................... 638 16.6.2 Motivation für einen Datenaustauschstandard.................................................................... 638 16.6.3 Anforderungen an ein standardisiertes Datenaustauschformat ........................................... 639 16.6.4 Diagnoseprozesskette und erweitertes V-Modell ............................................................... 639 16.7 ODX-Überblick............................................................................................................................... 640 16.7.1 Aufgaben............................................................................................................................ 640 16.7.2 Historie des ASAM e.V. .................................................................................................... 640 16.7.2.1 Das ASAM-MCD-System.................................................................................. 640 16.7.3 Datenaustauschformate und -prozesse ............................................................................... 642 16.7.3.1 Datenaustauschformate für normale Kommunikation ........................................ 644 16.7.3.2 Datenaustauschformat für Diagnose................................................................... 644 16.7.4 Bestandteile des Standards ODX ....................................................................................... 646 16.7.4.1 Diagnosedaten.................................................................................................... 646 16.7.4.2 Flashdaten .......................................................................................................... 647 16.7.4.3 Fahrzeuginformationen ...................................................................................... 647 16.7.4.4 Kommunikationsparameter ................................................................................ 648 16.7.4.5 Steuergeräteübergreifende Abläufe .................................................................... 648 16.7.4.6 Redundanzvermeidung durch Vererbung ........................................................... 648 16.7.5 Datenpool und Datenbasis.................................................................................................. 649 16.7.6 Autorensysteme.................................................................................................................. 649 16.7.6.1 Konsistenzprüfungen.......................................................................................... 649 16.7.6.2 MCD-Projekt...................................................................................................... 649

17 Software-Entwicklung .............................................................................................................................. 651 17.1 Entwicklungsprozesse, Methoden und Werkzeuge ......................................................................... 651 17.1.1 Einleitung........................................................................................................................... 651 17.1.2 Prozessstandards und Software-Qualitätsmodelle .............................................................. 651 17.1.3 Modellbasierte Funktionsentwicklung ............................................................................... 654 17.1.4 Software-Komponenten und architekturbasierter Entwurf ................................................. 655 17.2 Rapid Control Prototyping ............................................................................................................. 656 17.2.1 Überblick ........................................................................................................................... 656 17.2.2 Fullpass .............................................................................................................................. 658

XXX Inhaltsverzeichnis

17.2.3 Bypassing........................................................................................................................... 659 17.2.3.1 Hardwartechnische Realisierung ........................................................................ 659 17.2.3.2 Softwaretechnische Realisierung........................................................................ 660 17.2.3.3 Steuergeräteinternes Bypassing.......................................................................... 661 17.2.4 Mischformen von Fullpass und Bypassing......................................................................... 662 17.2.5 RCP in verteilten Systemen ............................................................................................... 662 17.3 Automatische Seriencode-Generierung........................................................................................... 662 17.3.1 Motivation und Nutzen ...................................................................................................... 662 17.3.2 Anforderungen und Werkzeugeigenschaften ..................................................................... 663 17.3.3 Einbindung in den Entwicklungsprozess............................................................................ 664 17.3.4 Unterstützung relevanter Standards.................................................................................... 665 17.3.5 Qualität und Support .......................................................................................................... 667 17.4 Hardware-in-the-Loop-Simulation .................................................................................................. 667 17.4.1 Motivation und Nutzen ...................................................................................................... 667 17.4.2 Rollenverteilung im Test von Steuergeräte-Software......................................................... 668 17.4.3 Komponenten eines HIL-Simulators.................................................................................. 670 17.4.3.1 Hardware............................................................................................................ 670 17.4.3.2 Software ............................................................................................................. 672 17.4.4 Einbindung in den Elektronik-Entwicklungsprozess.......................................................... 673 17.5 Software-Testen .............................................................................................................................. 675 17.5.1 Grundbegriffe des Testens ................................................................................................. 675 17.5.2 Klassifikation der Testmethoden........................................................................................ 675 17.5.3 Funktionales Testen ........................................................................................................... 676 17.5.4 Strukturelles Testen............................................................................................................ 677 17.5.5 Nichtfunktionales Testen ................................................................................................... 677 17.5.6 Formale Verifikation.......................................................................................................... 678 17.5.7 Testen in der Funktionsentwicklung .................................................................................. 678 17.5.8 Test von Steuergeräten....................................................................................................... 678 17.5.9 Testmanagement ................................................................................................................ 679 17.6 Steuergeräte-Applikation ................................................................................................................ 679 17.6.1 Einführung ......................................................................................................................... 679 17.6.2 Applikation von Motorsteuerungen.................................................................................... 680 17.6.3 Software-Stand und Beschreibungsdateien für Steuergeräte .............................................. 680 17.6.4 Mess- und Applikationssysteme......................................................................................... 681 17.6.4.1 Verstellen und Messen ....................................................................................... 681 17.6.4.2 Offline- und Online-Applikation ........................................................................ 682 17.6.4.3 Steuergeräte-Schnittstellen zum Messen und Applizieren.................................. 682 17.6.5 Ausblick in die Zukunft ..................................................................................................... 683

Anhang A Schaltzeichen und Schaltpläne ................................................................................................................. 685 A 1 Einleitung........................................................................................................................................ 685 A 2 Klemmbezeichnungen in der Kfz-Technik nach DIN 72552 .......................................................... 686 A 3 Gerätekennzeichen nach DIN 40719-2 und DIN EN 61346-2 ........................................................ 689 A 4 Schaltsymbole nach DIN EN 60617................................................................................................ 690 A 5 Schaltpläne nach DIN 40719........................................................................................................... 692 A 5.1 Übersichtsschaltplan .......................................................................................................... 692 A 5.2 Anschlussplan .................................................................................................................... 693 A 5.3 Stromlaufplan..................................................................................................................... 694

B EMV-Normenübersicht für Fahrzeuge und Komponenten................................................................... 695

Sachwortverzeichnis ........................................................................................................................................ 697