Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik (eBook)

Schaltungstechnik

Manfred Krüger (Autor)

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2020 | 4. Auflage
320 Seiten
Carl Hanser Fachbuchverlag
978-3-446-46361-5 (ISBN)

Infos

Die Entwicklung in der Kraftfahrzeugelektronik schreitet schnell voran. Die inzwischen in den Vordergrund gerückten Themen sind unter anderem: Elektromobilität, autonomes Fahren, Hybridisierung, Internetvernetzung und Sicherheit gegenüber kriminellen Angriffen von außen auf die Fahrzeuge. Das vorliegende Buch bietet einen fundierten Einstieg in das Grundlagenwissen zur Hardware und hardwarenahen Software. Themenschwerpunkte sind: - elektrische Anforderungen, - elektromagnetische Verträglichkeit, - Modularisierung und Realisierung von Kraftfahrzeugelektronik, - Einbindung von Mikrocontrollern, - Datenkommunikation in Kraftfahrzeugen, - Spezialthemen bei der Entwicklung, wie z.B. Schutz vor Störspannungen, Verpolung, End-of-Line-Programmierung und Aktuator-Ansteuerung. Die vierte Auflage wurde um die Themen 48-V-Spannungsebene im Hybridbereich und Kommunikation mittels Ethernet ergänzt. Zusätzlich enthält das Buch zahlreiche konkrete Hinweise zur Realisierung von Schaltungen mit allgemeinen Beispielen. Diese können als Anregung zur Lösung individueller Aufgaben in der Kraftfahrzeugelektronik dienen. Ein Tabellenwerk mit den wichtigsten, ständig während einer Entwicklung benötigten Informationen schließt sich an. Das Lehrbuch richtet sich an Studierende der Fahrzeugelektronik, Fahrzeugtechnik und ähnlicher Studienrichtungen sowie Entwickler und technisches Vertriebspersonal der Automobilelektronik.

Prof. Dr.-Ing. Manfred Krüger lehrt an der Fachhochschule Dortmund, Fachbereich Informations- und Elektrotechnik, im Institut für Mikrosensorik und Fahrzeugelektronik und ist u.a. mit Forschung und Entwicklung auf den Gebieten Fahrzeugelektronik und Mikrocontroller befasst. Er ist Mitglied im VDI und VDE.

Inhalt

Inhalt 10
1 Einleitung: Grundlagen der Schaltungstechnik für Kfz-Elektronik 16
2 Elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen 20
2.1 Elektronische Systeme im Motorraum 21
2.2 Elektronische Systeme innerhalb der Fahrgastzelle 21
2.3 Infotainment-Systeme 22
2.4 Fahrerassistenzsysteme 22
2.5 Weitere Systeme 23
2.6 Kommunikation mit externen Systemen außerhalb des Fahrzeuges (Telematik) 24
2.6.1 Telematik-Infotainment-/Büro-Bereich 25
2.6.2 Telematik-Navigationsbereich 25
2.6.3 Telematik-Fahrsituationsbereich 26
2.6.4 Telematik-Servicebereich 27
2.6.5 Telematik-Inkasso-Bereich 27
3 Umgebungsanforderungen im Kraftfahrzeug und die Auswirkungen auf die Elektronik 29
3.1 Allgemeine Bemerkungen 29
3.2 Definition von Umwelteinflüssen für Kraftfahrzeugelektronik 31
3.3 Elektrische Anforderungen, Lastsituationen 34
3.3.1 Allgemeines 35
3.3.2 Betrieb an einer Gleichspannung 36
3.3.3 Betrieb bei Überspannung 36
3.3.4 Start mit erhöhter Spannung (Jump Start, nur 12-V-Systeme) 37
3.3.5 Überlagerte Schwingung (Voltage Ripple Test, Bordnetzwelligkeits-Test) 37
3.3.6 Langsamer Spannungseinbruch bzw. Spannungsanstieg 39
3.3.7 Schneller Spannungseinbruch 39
3.3.8 Der RESET-Test 41
3.3.9 Verpolung 42
3.3.10 Offene Last 43
3.3.11 Kurzschluss 44
3.3.12 Lastprüfung 44
3.3.13 Schleichender Kurzschluss 46
3.4 Das 48-Volt-Bordnetz 46
4 Elektromagnetische Verträglichkeit in der Kfz-Elektronik 49
4.1 Allgemeines zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) 49
4.2 EMC-Anforderungen an die Kraftfahrzeugelektronik 52
4.2.1 Leitungsgebundene Störaussendung im Zeitbereich 53
4.2.1.1 Impuls 1: Abschalten einer Induktivität 54
4.2.1.2 Impuls 2: Abschalten eines Kollektormotors 55
4.2.1.3 Impuls 3: Allgemeine Schaltvorgänge 56
4.2.1.4 Impuls 4: Der Anlassvorgang 59
4.2.1.5 Impuls 5: Lastabwurf (Load-Dump) 60
4.2.2 Leitungsgebundene Störfestigkeit im Zeitbereich 62
4.2.3 Allgemeine Betrachtung für die Anforderungen im Frequenzbereich 63
4.2.4 Störaussendungen im Frequenzbereich 63
4.2.5 Störfestigkeit im Frequenzbereich 67
4.3 Elektrostatische Entladung (ESD) 68
4.4 EMC-Prüfeinrichtungen in der Kraftfahrzeugtechnik 71
4.4.1 Überprüfung leitungsgebundener Störimpulse im Zeitbereich 71
4.4.1.1 Leitungsgebundene Störaussendung 71
4.4.1.2 Störfestigkeit bei den Impulsen 1, 2, 4, 5 (Impulsgenerator) 72
4.4.1.3 Störfestigkeit bei den Impulsen 3?a und 3?b (Koppelzange) 72
4.4.2 ESD-Prüfeinrichtung 74
4.4.3 Überprüfung gestrahlter Störaussendungen/Störfestigkeit 74
4.4.3.1 TEM-Zelle (transversal-elektromagnetische Welle) 75
4.4.3.2 Strip-Line 77
4.4.3.3 Absorberhalle/Absorberraum 78
4.4.4 Überprüfung leitungsgebundener Störabstrahlung/Störfestigkeit (Strom-Einkopplungszange) 80
4.5 Verhalten von Bauelementen unter EMC-Einfluss 82
4.5.1 Energiereiche Störimpulse auf Leitungen 82
4.5.2 Gestrahlte Störeinflüsse 84
4.6 Verbesserung des EMC-Verhaltens in einer Kfz-Elektronik 85
5 Weitergehende Anforderungen an Kraftfahrzeugelektronik 88
5.1 Mechanische Anforderungen 88
5.1.1 Mechanische Schwingung 89
5.1.2 Mechanischer Stoß 90
5.1.3 Freier Fall 90
5.2 Klimatische Anforderungen 91
5.2.1 Temperatur-Wechselprüfung 91
5.2.2 Temperatur-Schockprüfung 93
5.2.3 Klimaprüfung 94
5.2.4 Salznebel-Prüfung 95
5.2.5 Dichtigkeit gegen Wasser und Staub 96
5.3 Chemische Anforderungen 98
6 Grundlegende Methoden, Berechnungen u. Sichtweisen für die Entwicklung von Kraftfahrzeugelektronik 100
6.1 Entwicklungsphasen 100
6.2 Musterphasen 103
6.3 Schritte für die Entwicklung einer Kraftfahrzeugelektronik 104
6.3.1 Strukturierung nach der Top-Down-Methode 104
6.3.2 Schnittstellendefinition im Hardwarebereich 105
6.3.3 Entwicklung einer Schaltung 107
6.3.4 Anwendung von Simulationswerkzeugen 108
6.3.5 Worst-Case-Rechnung 109
7 Modularisierung und Realisation von Kraftfahrzeugelektronik 118
7.1 Grundsätzlicher Aufbau der Kraftfahrzeugelektronik 118
7.2 Stromversorgung 121
7.2.1 Standard-Spannungsregler 121
7.2.2 Ersatzschaltbild unter HF-Gesichtspunkten 122
7.2.3 Spannungsregler für den Kraftfahrzeugeinsatz 124
7.2.4 Beispiel einer kraftfahrzeugtauglichen Spannungsversorgung 125
7.3 Funktionserzeugung 128
7.3.1 Fest verdrahtete Logik (diskrete Hardware) 129
7.3.2 Verwendung eines applikationsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC, integrierte Hardware) 130
7.3.3 Verwendung eines programmierbaren Steuerwerkes (Firmware) 131
7.3.4 Verwendung eines Mikrocontrollers (µC, Software) 133
7.4 Sensorik 133
7.4.1 Digitaler Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung 134
7.4.2 Digitaler Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung 139
7.4.3 Analoger Eingang mit Verbindung zur Betriebsspannung 140
7.4.4 Analoger Eingang ohne Verbindung zur Betriebsspannung 142
7.5 Aktuatorik 145
7.5.1 Leistungsklassen (14-Volt-Bordnetz) 145
7.5.2 Realisation 145
7.5.3 Ansteuerung der Aktuatorik 146
7.5.4 Grundfunktionen 147
7.5.5 Analoge Leistungsregelung: Pulsweiten-Modulation (PWM) 148
7.5.6 Erzeugung der Diagnoseinformationen 153
7.5.7 Dynamische Abschaltvorgänge der Aktuatorik 157
7.5.8 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: Low-Side-Schalter 161
7.5.8.1 Low-Side-Schalter mit Standard-MOS-Power-Transistor 161
7.5.8.2 Verbesserung des Kurzschluss- und Überlastverhaltens durch Verwendung eines selbstschützenden Transistors 162
7.5.8.3 Low-Side-Schalter mit einem Logic-Level-MOS-Power-Transistor 163
7.5.9 Laststufen zur Ansteuerung der Aktuatorik: High-Side-Schalter 165
7.5.9.1 Einführung 165
7.5.9.2 High-Side-Schalter unter Verwendung einer Ladungspumpe 167
7.5.9.3 High-Side-Schalter für den getakteten Betrieb (PWM) 170
7.5.9.4 Verwendung eines N-Kanal-CMOS-Power-Transistors mit integrierter Elektronik zur Ansteuerung 173
7.6 Kommunikation und Diagnose 175
7.7 Schnittstelle zur Anzeige 176
7.7.1 Ansteuerung einzelner Anzeigeelemente 176
7.7.2 Anschluss von Displays 178
8 Mikrocontroller in der Kraftfahrzeugelektronik 180
8.1 Mikrocontroller: Hardware 181
8.1.1 Grundstruktur eines Mikrocontrollers 181
8.1.2 Verwendung eines Mikrocontrollers (Prinzip) 183
8.1.3 Startphase eines Mikrocontrollers 185
8.2 Mikrocontroller: Grundlegende Überlegungen zur Software 187
8.2.1 Dynamische Softwaregrundstruktur 188
8.2.2 Erzeugung eines Watch-Dog-Signals 190
8.2.3 Verarbeitung digitaler Signale 193
8.2.4 Verarbeitung analoger Signale 196
8.2.5 Betriebssysteme für Mikrocontroller 198
8.2.6 Verarbeitung relativ langsamer Ereignisse 200
8.3 Entwicklungswerkzeuge 201
8.3.1 Ausführungsformen eines Mikrocontrollers 201
8.3.2 Assembler/Compiler/IDE 203
8.3.3 Überprüfung eines Mikrocontroller-Programms durch Einsatz eines Softwaresimulators 206
8.3.4 In-Circuit-Emulator unter Verwendung des Original-Mikrocontrollers (In-Circuit-Debugger (ICD)) 207
8.3.5 In-Circuit-Emulator (ICE) unter Verwendung eines Bond-Out-Chips 209
8.3.6 Kombinationsmethoden (Hardware in the Loop) 211
8.3.7 Prüfung von Softwarefunktionen 212
8.4 Einbindung eines Mikrocontrollers in eine EMC-kritische Umgebung 214
8.4.1 Hauptoszillator 214
8.4.2 Versorgungsleitungen 216
8.4.3 Ein-/Ausgangsleitungen 217
8.4.4 Verwendung externer Speicher 217
8.4.5 Layout der Leiterkarte 218
9 Diagnoseschnittstelle und Kommunikation in Fahrzeugen 221
9.1 Diagnoseschnittstelle 223
9.1.1 K-(L)-Line 224
9.1.2 Diagnose-CAN 230
9.2 Kommunikation mit anderen Systemen innerhalb des Fahrzeuges 231
9.2.1 Controller Area Network (CAN) 232
9.2.2 Local Interconnect Network (LIN-Bus) 237
9.2.3 Zeitsynchrone Sicherheitskommunikation 238
9.2.3.1 FlexRay-Bus 239
9.2.3.2 Physikalische Bitübertragung beim FlexRay 242
9.3 Kommunikation im Entertainment-Bereich innerhalb des Fahrzeuges (MOST-Bus) 243
9.4 Ethernet im Fahrzeug 245
9.5 Zusammenfassung und Ausblick 249
9.5.1 Übersicht über die Kommunikationsformen 249
9.5.2 Ausblick auf die Zukunft 250
10 Spezialthemen der Kfz-Hardwareentwicklung 252
10.1 Verpolschutz 252
10.1.1 Die Verpolschutzdiode 252
10.1.2 Verpolschutz durch Abschmelzen einer Sicherung 253
10.1.3 Inverser Betrieb eines N-Kanal-MOS-Power-Transistors 255
10.1.4 Verpolung bei einem N-Kanal-MOS-Power-Transistor 257
10.1.5 Verpolschutz durch einen invers betriebenen N-Kanal-MOS-Power-Transistor 260
10.1.6 Verpolschutzrelais 263
10.2 Grundsätzlicher Einfluss der nicht elektrischen Umgebungs­bedingungen auf die Elektronik 266
10.2.1 Temperatur 266
10.2.2 Feuchtigkeit und Staub 269
10.2.3 Mechanische Einflüsse 270
10.3 End-of-Line (EOL)-Programmierung 270
10.3.1 Verschiedene Abgleichverfahren 271
10.3.1.1 Abgleich durch Verwendung eines Potentiometers 271
10.3.1.2 Abgleich durch eine Auswahlkette 271
10.3.1.3 Abgleich auf voll elektronischem Wege unter Verwendung des Mikrocontrollers 272
10.3.2 Prinzip der End-of-Line-Programmierung 272
10.3.3 Beispiel für den Abgleich eines analogen Einganges eines Mikrocontrollers 272
10.3.4 Korrektur des Temperaturverhaltens einer Kraftfahrzeugelektronik 276
10.4 Informationsgehalte der Datenblätter elektronischer Bauelemente 277
10.4.1 Deckblatt 277
10.4.2 Typenaufschlüsselung 277
10.4.3 Elektrische Daten 277
10.4.4 Mechanische Daten 277
10.4.5 Statistische Angaben 278
10.4.6 Logistik 278
10.4.7 Absolute Maximal-Werte (Absolut Maximum Ratings) 278
10.4.8 Elektrische Eigenschaften (Electrical Characteristics) 278
10.5 Einige statistische Begriffe 280
10.5.1 Maßzahlen 280
10.5.2 Ausfallraten über die Lebensdauer eines elektronischen Systems 282
10.6 Serienbegleitende Prüfungen 283
10.6.1 Die Eingangsinspektion 283
10.6.2 In-Circuit-Test (ICT) 283
10.6.3 Endkontrolle bzw. Endprüfung 284
10.6.4 Stichprobe 284
10.6.5 Run-In 285
10.6.6 Burn-In 285
10.6.7 Serienbegleitende Requalifikation 286
11 Tabellen und Übersichten 287
11.1 Beispielhafter Entwicklungsablaufplan für eine ­Komponente (­Kraftfahrzeugelektronik) 287
11.2 Musterphasen (Beispiel) 289
11.3 IP-Code-Bestandteile nach DIN 40?050-9 291
11.4 Widerstandsreihen 293
11.5 Wichtige Klemmenbezeichnungen 295
11.6 Elektronische Bauteileabkürzungen 298
11.7 ISO 7637, Schärfegrade, Übersicht 299
11.8 Tabelle der ASCII-Codierung 300
Verwendete Fachbegriffe 301
Literatur 305
Index 310

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 6.4.2020
• Zusatzinfo: s/w
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Schlagworte: automobilelektronik grundlagen • fahrzeugelektronik buch • fahrzeugelektronik grundlagen • fahrzeugtechnik lehrbuch • mechatronik fachwissen • mechatronik grundlagen • telematik auto • telematik fahrzeug
• ISBN-10: 3-446-46361-5 / 3446463615
• ISBN-13: 978-3-446-46361-5 / 9783446463615