Sensoren für neue Mobilität

Mar 25, 2023

Da sich Automobilhersteller vom Verbrennungsmotor (ICE) hin zu hybriden und batteriebetriebenen Designs (xEVs) bewegen, erweitert sich der Einsatzbereich von Sensoren in diesen Designs. Laut IHS Markit wird die Zahl der unterschiedlichen xEV-Modelle bis 2030 voraussichtlich von derzeit etwa 335 auf 800 steigen. Gesetzgebung, staatliche Anreize und verbesserte Ladeinfrastrukturen sorgen für zusätzliche Impulse. Automobilhersteller müssen innerhalb relativ kurzer Zeit Industriepartnerschaften aufbauen, um diese neuen Sensortechnologien erfolgreich in ihre Designs zu integrieren. Das einheitliche Sensorportfolio von TDK bietet eine umfassende Suite von Sensoren, die perfekt für Automobilanwendungen geeignet sind. Das Portfolio umfasst sowohl die traditionellen ICE- als auch die erweiterten xEV-Anforderungen. Diese beinhalten:

Innerhalb eines Fahrzeugs gibt es geschlossene Rückkopplungsmechanismen zur Überwachung und Steuerung mechanischer, elektronischer oder elektromechanischer Prozesse. Der Sensor oder eine Kombination von Sensoren erzeugt den Input für solche Systeme und liefert Daten über den Prozess, den er überwacht. Diese Daten können beispielsweise bei Rädern, Achsen und Motoren in Form von Rotationsdaten vorliegen. Andere Rückkopplungssysteme innerhalb eines Fahrzeugs steuern Temperatur, Stromfluss und Druck. Dabei liefern einzelne oder Kombinationen von Sensoren (Sensorfusion) die relevanten Messdaten.

TMR-Sensoren Tunnelmagnetowiderstandssensoren (TMR) finden in einem Fahrzeug vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie können verwendet werden, um Lenkraddrehmoment oder -winkel, Motor-/Achsposition, „eCaliper“-Bremssysteme und Scheibenwischerbetätigung zu erkennen. Die TMR-Sensoren der TAS-Serie zeichnen sich durch hohe Ausgangsleistung, geringen Stromverbrauch, gute Winkelgenauigkeit und geringe Temperaturdrift aus. Das TMR-Element besteht aus drei Schichten: einer festen magnetischen Schicht und einer freien Schicht, getrennt durch eine Barriereschicht (aus einem dünnen Isolator). Die Magnetisierung der freien Schicht ändert sich mit dem äußeren Magnetfeld, dem sie ausgesetzt ist. Wenn das Magnetfeld der beiden Schichten ausgerichtet ist, ist der elektrische Widerstand des Elements gering. Umgekehrt ist der Widerstand hoch, wenn das Magnetfeld der beiden Schichten entgegengesetzt ist.

Hall-Sensoren Hall-Sensoren erfassen die resultierenden Spannungsunterschiede, die innerhalb eines Halbleiters fließen, wenn senkrecht dazu ein Magnetfeld angelegt wird. Auf diese Weise vergleicht der Hall-Schalter die gemessene Magnetfeldstärke mit einem vordefinierten oder im Sensor programmierbaren Wert. Sobald dieser Wert (der Schaltpunkt) überschritten wird, ändert sich der Ausgang des Sensors. TDK bietet innerhalb seiner Hall-Schalterfamilien sowohl programmierbare als auch feste Optionen an. Hall-Schalter können in Kombination mit einem Permanentmagneten verwendet werden, um Variablen wie Rotation, Geschwindigkeit, Abstand, Druck, Winkel und Flüssigkeitsstände indirekt zu messen. Die 3D-HAL®-Pixelzellentechnologie von TDK ist das Herzstück der HAL 39xy-Direktwinkelsensoren für die mehrdimensionale Magnetfeldmessung. Diese Sensoren messen Magnetfelder genau und sind gleichzeitig unempfindlich gegenüber Streufeldern. Das einzigartige Konzept basiert auf einer Reihe von Hall-Platten. Die programmierbaren 3D-Positionssensoren HAL 3930 verfügen beispielsweise über eine integrierte PWM/SENT- oder SPI-Schnittstelle.

Das Wärmemanagement von Batterien, Ladekreisen und Antriebsstrangkomponenten in xEVs ist ein Paradebeispiel für den erweiterten Bereich, in dem Sensoren eine zentrale Rolle spielen. Für die maximale Reichweite von Elektrofahrzeugen müssen die kritischen Komponenten des Antriebsstrangs in unterschiedlichen Temperaturbereichen arbeiten. Die Batterie benötigt deutlich niedrigere Temperaturen als der Wechselrichter, während die Magnete im Motor bei Hitze ihre Kraft verlieren. Zur Kühlung leiten bis zu acht LIN-Bus-gesteuerte elektronische Ventile die Kühlflüssigkeit zu diesen Komponenten. Diese Ventile können von den eingebetteten Motorcontrollern HVC 4223F zusammen mit den 3D-Positionssensoren HAL 3930 gesteuert werden. Während der HVC 4223F die Stellmotoren direkt antreibt, liefert HAL 3900 eine Positionsrückmeldung, um den Regelkreis zu schließen.

Temperatursensoren Temperatursensoren müssen genau analysieren und schnell auf Schwankungen in diesen Bereichen reagieren, um ein thermisches Durchgehen und eine daraus resultierende Brandgefahr zu vermeiden. Die hohen Ströme, die beim Fahren oder Laden eines BEV fließen, können so groß sein, dass sich ein leichter Anstieg des Kontaktwiderstands innerhalb eines Steckers in einem verheerenden Temperaturanstieg darin äußern kann (Pv = I2 R). TDK hat einen Temperatursensor entwickelt, der direkt im Stecker zwischen Fahrzeugbatterie und Wechselrichter montiert wird. Dieser Hotspot ist der Bereich, der sich bei hohem Stromfluss am wahrscheinlichsten erwärmt.

Die Sensoren der Serien NTCG und B57xxxV5 sind in einem robusten und vielseitigen Gehäuse untergebracht, das als Teil des Steckverbinderkerns konzipiert ist. Der Sensor verfügt über ein Element mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC), das in einer Keramikhülle montiert ist und eine hohe Betriebstemperatur und eine hohe elektrische Isolierung bietet. Durch diese Positionierung des Sensors wird die Geschwindigkeit optimiert, mit der er Temperaturschwankungen erkennen kann. Dies wiederum ermöglicht es den Lade- oder Antriebskreisen, schnell zu reagieren und Temperaturanstiege abzumildern, indem die durch sie fließenden Ströme begrenzt werden.

Drucksensor Drucksensoren wie die C43/C44-Serie, die den Druck innerhalb der Lithium-Ionen-Zellen messen, sind ein ebenso wichtiges Merkmal des xEV-Batteriemanagementsystems (BMS). Sie überwachen den Arbeitsdruck und melden abnormale Druckanstiege an das BMS. Die Reaktionszeiten solcher Sensoren ermöglichen eine schnellere Erkennung und Meldung von Druckanstiegen innerhalb einer Zelle, die durch ein thermisches Ereignis verursacht werden, als bei Temperatursensoren allein.

Zusätzlich zu den gewaltigen Veränderungen im Fahrzeugdesign, die der Übergang zur Elektromobilität mit sich bringt, entwickeln sich fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) in Bezug auf Zuverlässigkeit und Funktionalität weiter, während sie auf ein höheres Maß an Fahrautonomie hinarbeiten. Sensoren sind für die Integrität solcher Systeme von entscheidender Bedeutung und arbeiten oft in Kombination (Sensorfusion); Sie geben dem System einen zuverlässigen, genauen und umfassenden Überblick über die Umgebung eines Fahrzeugs. Diese Systeme unterliegen Fahrzeugvibrationen und ihre Ausgänge profitieren von einer elektronischen Stabilisierung. Durch den Einsatz einer Trägheitsmesseinheit (IMU) wie dem IAM-20680 werden Fremdschwingungen im System kompensiert und die Ergebnisse entsprechend verbessert. Durch die Verbesserung der Qualität der von den verschiedenen Sensorelementen, LIDAR, Radar und Kameras erzeugten Bilder kann die Genauigkeit des Systems erhöht werden. IMUs liefern außerdem genaue Standortdaten für V2V-Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Systeme und -Infrastrukturen. Darüber hinaus verbessert der Einsatz von IMUs die Positionierungssysteme bei Koppelnavigation, beispielsweise bei Fahrten unter einem Tunnel oder in einer dicht besiedelten Stadt. Hier sind herkömmliche GPS/GNSS-Signale möglicherweise nicht verfügbar oder unzuverlässig.

Der Einsatz von Sensoren und Elektronik im Cockpit dient der Verbesserung des Komforts und der Sicherheit der Insassen. Die Sitze können automatisch an unterschiedliche Fahrer angepasst werden, die Scheibenwischer schalten sich automatisch ein, wenn es regnet, und die Lichter gehen an, wenn es dunkel ist oder sich das Auto in einem Tunnel befindet. Die hochwertige IMU stabilisiert visuelle Bilder von Rückfahrkameras und verbessert so das Fahrerlebnis sowie die Genauigkeit des ADAS. Alle diese fortschrittlichen sensorbasierten Systeme dienen dazu, die Konzentration des Fahrers zu verbessern, indem sie Ablenkungen begrenzen.

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) zwischen Fahrer und Maschine verändert sich. Sprachbefehle, Gestensteuerung und haptische Reaktionen sind Teil dieser neuen Schnittstelle im digitalen Cockpit. Während wir uns auf ein höheres Maß an Autonomie zubewegen, sind neue Technologien Vorreiter bei alternativen Benachrichtigungs- und Kontrollmechanismen im Innenraum. TDK bietet in seiner SmartAutomotive™-Reihe eine Reihe von MEMS-Bewegungssensoren und -Mikrofonen an, die speziell für den Automobilmarkt entwickelt und getestet wurden. MEMS-Mikrofone eliminieren Straßenlärm durch Road-noise Active Noise Control (RANC) und verbessern die Zuverlässigkeit sprachaktivierter Systeme.

Piezoaktoren, PowerHap™, vermitteln dem Fahrer taktile Empfindungen, auch bekannt als haptisches Feedback, eine Technologie, die zunehmend in Fahrzeug-Touchdisplays eingesetzt wird. Es erhöht den Eindruck von Realismus bei der Nutzung von Infotainment-Funktionen wie digitalen Tasten und anderen Bedienelementen und sorgt so für eine zuverlässigere Bedienbarkeit. Neben der Touch-Technologie, bei der der Fahrer durch den Blick auf das Display abgelenkt werden kann, gibt es eine Gestensteuerung mittels Ultraschallsensoren.

Reifendruckmanagementsysteme sind kein neues Merkmal im Automobildesign. Allerdings sind über den reinen Druck hinaus noch viel mehr Informationen darüber verfügbar, „wo der Gummi auf die Straße trifft“. Das TDK InWheelSense™ ist eine neue, skalierbare Technologie, die viele Parameter „auf dem Rad“ und „außerhalb des Rades“ genau messen kann. Reifenwandtemperatur, Straßenoberflächenbedingungen und Radausrichtungsbedingungen sind nur einige Möglichkeiten. Diese skalierbare, piezobetriebene Sensorplattform liefert Daten an das Fahrzeug oder an mit der Cloud verbundene Dienste, was mit zunehmender Fahrautonomie immer wichtiger wird.

Die Rolle, die elektronische Geräte und Sensoren im modernen Fahrzeugdesign spielen, nimmt rasant zu. Elektrofahrzeuge benötigen eine reaktionsfähige Strom- und Temperaturregelung in ihren Lade- und Antriebskreisen, was neue Möglichkeiten für den Einsatz von Sensoren eröffnet.

TDK bietet eine vollständige Palette von Sensoren für Automobilanwendungen in Kombination mit umfassendem Fachwissen, um Automobilherstellern und Tier-1-Zulieferern bei der Implementierung Anleitung und Unterstützung zu bieten. TDK strebt den Aufbau konstruktiver Partnerschaften an und begrüßt diesbezügliche Anfragen von denjenigen, die die Leistung aktueller Sensoranwendungen verbessern oder Sensoren für neue Anwendungen entwickeln möchten oder beides.