Was ist Automobilelektronik?

Automobilelektronik ist ein Fahrzeugsystem, das elektrische Signale und Leistung verarbeitet und modifiziert, um Funktionen im Fahrzeug zu überwachen, zu steuern und auszuführen. Moderne Autos nutzen ein komplexes Netzwerk miteinander verbundener elektronischer Systeme, um Sicherheit, Effizienz, Leistung, Komfort und Benutzererlebnis zu verbessern. Die heutigen Personenkraftwagen können bis zu 100 elektronische Module haben, Elektro- oder Hybridfahrzeuge sogar über 200. Elektronische Geräte in Kraftfahrzeugen werden mit Fortschritten in der Elektrofahrzeugtechnik, autonomem Fahren und verbesserter Konnektivität noch zunehmen. Dies wird die Ingenieur*innen, die diese Fahrzeuge konstruieren und bauen, vor neue Herausforderungen stellen.

Der Stromverbrauch in Fahrzeugen begann in den Anfangstagen mit elektrischen Scheinwerfern, gefolgt von Elektromotoren zum Starten des Fahrzeugs oder zum Bewegen der Scheibenwischer. Die Entwicklung diskreter Halbleiter wie Transistoren und Dioden ermöglichte es Automobilherstellern, Lichtmaschinen und einfache elektronische Kraftstoffeinspritzung hinzuzufügen, um die Effizienz zu steigern.

Als die Industrie dann integrierte Schaltungen einführte, wurden in den 1980er Jahren elektronische Steuergeräte (ECU, Electronic Control Unit) mit mehreren Chips für eine bessere Motorsteuerung, Antiblockiersystem (ABS) und elektronische Stabilitätskontrolle (ESC, Electronic Stability Control) hinzugefügt. Im 21. Jahrhundert greifen Automobilhersteller verstärkt auf die Automobilelektronik zurück, indem sie Autos in Computer auf Rädern verwandeln und sich zu softwaredefinierten Fahrzeugen hin orientieren.

Fünf Branchentrends treiben die zunehmende Bedeutung von Automobilelektroniksystemen in Fahrzeugen voran:

1. Sicherheit: Regierungen, Verbraucher und die Automobilindustrie selbst treiben die Erwartungen an die Sicherheit weiter an. Sensoren in Kombination mit intelligenten Systemen können Sicherheitsrisiken viel schneller und effektiver erkennen und darauf reagieren als der Mensch. Hersteller müssen diese Funktionen integrieren, um den wachsenden Standards gerecht zu werden und die Nachfrage der Verbraucher zu befriedigen.
2. Effizienz: Auch die Anforderungen an die Effizienzsteigerung sind im Laufe der Zeit gestiegen, darunter strengere Emissionsvorschriften. Hersteller und Zulieferer haben alle Teile des Antriebsstrangs mit elektronischen Systemen zur Überwachung und Steuerung in Echtzeit ausgestattet, um die Reichweite zu verbessern und Schadstoffe zu reduzieren und dabei die Leistung aufrechtzuerhalten.
3. Benutzererlebnis: Da Elektronik jeden Aspekt des Lebens verändert hat, erwarten Fahrer und Passagiere die gleiche Konnektivität, Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität wie bei Unterhaltungselektronik.
4. Elektrifizierung: Der Wechsel von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen kann die Anzahl der elektronischen Module in einem Auto verdoppeln. Gleichzeitig erhöht die hohe Spannung elektrischer Antriebsstränge die Komplexität und die funktionale Sicherheit von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb.
5. Autonomes Fahren: Der rasante Fortschritt von halbautonomen zu vollständig autonomen Fahrzeugen erhöht auch die Abhängigkeit von der Elektronik im Automobilbereich. Gängige Funktionen für autonomes Fahren wie die adaptive Geschwindigkeitsregelung kombinieren Sensoren, Berechnungen und Motorsteuerung, um Fahreraufgaben zu automatisieren. Mit zunehmender Automatisierung durch die Hersteller wird die Fahrzeugelektronik zunehmen.

Die verschiedenen elektronischen Systeme in Fahrzeugen bestehen aus mehreren elektronischen Komponenten und den Verbindungen zwischen ihnen. Jede Komponente hat ihre eigenen individuellen Anforderungen in Bezug auf Konstruktion, Betrieb und Wartung.

Hier finden Sie eine Liste der gängigsten Typen von Automobilelektronik-Komponenten:

• Sensoren: Sensoren messen physikalische Werte und melden sie an andere Systeme. Sie können Werte innerhalb oder außerhalb von Fahrzeugen messen, einschließlich Druck, Geschwindigkeit, Position, Temperatur, Strömung und Nähe. Ausgefeiltere Sensoren wie Radar, Ultraschallgeräte, Kameras und Lidar (Light Detection And Ranging) können auch Entfernung, Form, Azimut und Höhenposition eines Ziels erfassen. Die Eingaben von all diesen Sensoren können in KI-Systeme (künstliche Intelligenz) eingespeist werden, die dann Sensorfusion nutzen können, um dem Fahrzeug eine bessere Lageerfassung zu ermöglichen.
• Aktoren: Im Laufe der Zeit haben Automobilhersteller viele mechanische Verbindungen durch Stellglieder, Geräte wie Magnetventile und Motoren ersetzt, die ein elektrisches Signal in eine Kraft umwandeln, die ein mechanisches Objekt bewegt. Das kann einfach das Öffnen und Schließen einer Entlüftung in der Klimaanlage sein oder etwas Ausgeklügeltes wie das Schalten der Gänge im Getriebe.
• ECUs: ECUs erfassen und verarbeiten Sensordaten und Fahrereingaben, um verschiedene Funktionen im Fahrzeug zu steuern. Wie Computer verwenden ECUs Software und Firmware, um das Fahrzeug zu bedienen.
• Leistungselektronik: Leistungselektronik bezieht sich auf Steuermodule, Netzteile, Stromwandler und Kabelbäume, die hohe Spannungen führen. Sie liefert Strom an Systeme mit höherem Bedarf, wie den Anlasser, elektrische Heizungen oder Elektromotoren, und steuert den Ladezustand der Batterie.
• Kommunikationsnetzwerke: Alle diese Module und ihre Teilsysteme kommunizieren über kabelgebundene Netzwerke mit Protokollen wie CAN-Bus, LIN, FlexRay und Ethernet. Darüber hinaus bieten Kommunikationsnetzwerke drahtlose V2X-Konnektivität (Vehicle to Everything) für Smartphones, das Internet, GPS, Infrastruktur oder andere Fahrzeuge. Diese Gruppierung von Komponenten wird manchmal als Telematik bezeichnet.
• Benutzeroberflächenkomponenten: Fahrer und Mitfahrer interagieren mit Fahrzeugen über Benutzeroberflächenkomponenten, darunter Tasten, Infotainment-Systeme, Head-up-Displays, Armaturenbrettkomponenten und Anzeigebildschirme.

Eine Möglichkeit für die Branche, den Überblick über die wachsende Zahl elektronischer Systeme in Fahrzeugen zu behalten, besteht darin, sie nach ihrer Funktion zu klassifizieren.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der Standardklassifizierungen und der häufigsten Komponenten in jeder Kategorie:

Ein Antriebsstrang besteht aus Systemen in einem Fahrzeug, die Drehmoment auf die Räder übertragen. Vom Kraftstofftank über das Auspuffrohr bis hin zu den Batterien und Motoren eines Elektrofahrzeugs verbraucht der Antriebsstrang die meiste Energie. Daher konzentrieren sich die meisten Elektronikkomponenten in dieser Klassifizierung auf Kraftstoffeffizienz, Fahrzeugleistung oder Emissionsreduzierung.

Einige der gängigeren Elektronikmodule in Verbrennungsmotor-Antriebssträngen sind:

• Elektronische Kraftstoffregelung
• Emissionskontrolleinrichtungen
• Motorsteuergeräte
• Motorsteuerung
• Motorsensoren
• Getriebesteuerung

Neben vielen dieser Komponenten verwenden Hybrid- und Elektrofahrzeuge Leistungselektronikmodule, darunter:

• Batteriemanagementsysteme
• Batterietemperaturregelung
• Antriebsmotoren
• Ladeelektronik
• Wechselrichter und Spannungsregler

Sicherheitssysteme

Konstruktionsteams können die zunehmenden Sensor- und Edge-Computing-Funktionen in Steuergeräten nutzen, um die Fahrzeugsicherheit zu verbessern und die Modulkomplexität zu erhöhen.

Zu den gängigeren Sicherheitssystemen gehören:

• Airbags
• Antiblockiersysteme
• Antriebsschlupfregelung (ASR)
• Rückfahrkameras
• Spurwechselassistenten
• Auffahrwarnung und Abstandshilfen
• Notbremsassistenten
• Berganfahrassistenten (HSA)
• Spurhalteassistenten
• Reifendrucküberwachung
• Traktionskontrollsysteme (TCS)

Infotainmentsystem

Die elektronischen Geräte, die Mitfahrern Informationen oder Unterhaltung bieten, werden als Infotainment-Systeme eingestuft. Dazu gehören:

• Breitband-Konnektivität
• Entertainment-Systeme
• Kombiinstrumente
• Navigationssysteme
• Smartphone-Konnektivität
• Lautsprecher und Mikrofone
• Benutzeroberflächengeräte
• Fahrzeugdiagnostik
• Einrichtung von Fahrzeugfunktionen

Fahrgestellelektronik

Automobilelektronik-Systeme, die nicht zu den vorherigen Kategorien gehören, werden als Fahrgestellelektronik bezeichnet. Durch die zunehmende Automatisierung und Integration verschwimmen jedoch die Grenzen zwischen Sicherheit und Fahrgestellelektronik.

Module der Fahrgestellelektronik sind u. a.:

• Adaptive Scheinwerfer
• Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS)
• Innenraumbeleuchtung
• Klimaregelung
• Elektronische Bremskraftverstärkung
• Elektronische Servolenkung
• Schlüsselloser Zugang
• Beleuchtungssysteme
• Aufhängungssteuerung

Ingenieur*innen können während des gesamten Konstruktionsprozesses Simulationstools einsetzen, um die immer komplexer werdenden Herausforderungen der Automobilelektronik zu bewältigen. Teams können es kaum erwarten, ihre Ideen an Prototypen zu testen und zu überprüfen, ob elektronische Systeme robust genug für die thermischen, strukturellen und elektromagnetischen Lasten sind.

Originalgerätehersteller (OEM, Original Equipment Manufacturer) und ihre Zulieferer wenden Simulationen für jede Komponente, jedes Modul und jede Baugruppe in elektrischen Anlagen von Fahrzeugen an. Diese virtuelle Erstellung von Prototypen steigert die Leistung, reduziert Gewährleistungsansprüche, stellt Sicherheit sicher, senkt Kosten und bringt neue Konstruktionen schneller auf den Markt.

Die meisten Simulationsaufgaben fallen unter einen der folgenden vier Bereiche:

1. Funktionalität

Die erste Anwendung für die Simulation besteht darin, Ingenieur*innen in der Kfz-Konstruktion zu helfen, die Funktionalität ihrer Komponenten auszuprobieren. Die Reaktion jedes Moduls kann virtuell entwickelt und getestet werden, während Komponenten, Teilsysteme und Systeme konstruiert werden. Ingenieur*innen verwenden ein Tool wie den fortschrittlichen Solver für elektromagnetische Felder Ansys Maxwell, um elektromechanische Geräte wie Motoren und Stellglieder oder Leistungselektroniksysteme, einschließlich Transformatoren und Spannungsregler, auszulegen. Entwickler*innen optischer Systeme erfüllen die Anforderungen an die Linsen in lichtbasierten Sensoren mit optischen Simulationsplattformen wie der Software Ansys Zemax OpticStudio zur Auslegung und Analyse optischer Systeme. Oder Innenarchitekt*innen können das Erscheinungsbild der Innenraumbeleuchtung mit einem Produkt wie der CAD-integrierten Software Ansys Speos für optische und Beleuchtungssimulation erkunden.

2. Optimierung

Sobald sie die funktionalen Anforderungen eines elektronischen Geräts für eine Automobilanwendung erfüllt haben, müssen Ingenieur*innen die Konstruktion optimieren. Dabei verbessern sie die Effizienz, reduzieren Emissionen und maximieren die Leistung.

Sie können ein Tool mit Funktionen wie die modellbasierte Entwicklungsumgebung Ansys SCADE Suite für kritische eingebettete Software verwenden, um die Firmware für ein ECU zu verändern. Oder vielleicht nutzen sie die elektromagnetische Hochfrequenz-Simulationssoftware Ansys HFSS, um eine Antenne für GPS-Anwendungen auszulegen und zu optimieren. Diese Antenne kann dann mit einer Plattform zur Digital Mission Simulation wie der Software Ansys Systems Tool Kit (STK) für Digital Mission Engineering gekoppelt werden, um sicherzustellen, dass die GPS-Antenne im Infotainment-System unter einer Vielzahl von Fahrsituationen das bestmögliche Signal empfängt.

Sobald jedes Modul optimiert ist, können Ingenieur*innen eine umfassende Optimierungsplattform wie die Software Ansys OptiSLang zur Prozessintegration und Konstruktionsoptimierung einsetzen, um ihre Ziele schnell und effizient zu erreichen.

3. Verlässlichkeit

Einer der wichtigsten Aspekte der Automobilkonstruktion ist die Zuverlässigkeit. Besitzer erwarten, dass ihre Fahrzeuge auch bei hohem Kilometerstand noch ordnungsgemäß funktionieren. Aber Hitze, Vibrationen, Stöße und elektromagnetisches Rauschen in Autos machen das Erreichen dieser aggressiven Robustheitsziele schwierig. Deshalb verwenden Ingenieurteams Tools zur strukturellen, thermischen und elektromagnetischen Simulation, um ihre Automobilelektronik-Systeme strengen virtuellen Prüfungen zu unterziehen.

Sie könnten die Software Ansys Mechanical für Finite-Elemente-Analyse zur thermischen, strukturellen und Vibrationsbeurteilung einsetzen, um sicherzustellen, dass alle Komponenten zusammen mit den physischen und elektrischen Anschlüssen die Lebensdaueranforderungen des Fahrzeugs erfüllen und dauerhaft funktionieren. Oder sie können für die Leiterplatten und die Pakete integrierter Schaltungen in Steuergeräten ein Simulationstool nutzen, das sich auf Elektronik konzentriert, wie die Simulationssoftware Ansys Icepak für Elektronikkühlung und die Software Ansys Sherlock für Zuverlässigkeitsprognosen.

4. Interferenz

Elektromagnetische Störungen (EMS) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) stellen eine immer größere Herausforderung für die Automobilelektronik dar, insbesondere wenn Fahrzeuge mit Hochspannungsanlagen ausgestattet sind, wie sie in Elektrofahrzeugen zu finden sind. Die Zahl der Hochfrequenzkomponenten und der digitalen Hochgeschwindigkeitssignale, die von einem Modul zum anderen übertragen werden, die Spannung elektrischer Batteriesysteme und der Einsatz von Antennen nehmen zu. Ingenieur*innen verwenden Tools wie die Software Ansys SIwave zur Simulation von Elektromagnetismus bei Leiterplatten und Paketen, um Probleme mit Signalen und Energieintegrität bei Leiterplatten in einem ECU zu lösen, oder die Software Ansys EMC Plus zur Modellierung und Simulation von Elektromagnetismus, um zu untersuchen, wie Hochfrequenzwellen zwischen Kabeln und Drähten interagieren. Sie können sie sogar verwenden, um zu modellieren, wie ein Blitzschlag die Elektroniksysteme in einem Auto beeinflusst.

Zugehörige Ressourcen