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Elektronik in der Fahrzeugtechnik - Hardware, Software, Systeme und Projektmanagement
Vorwort
5
Vorwort zur 2. Auflage
6
Inhaltsverzeichnis
7
1 Einleitung
11
2 Bordelektrik
14
2.1 Bordnetz
14
2.1.1 Leitungen und Kabelbäume
15
2.1.2 Verdrahtungspläne
17
2.1.3 Steckverbinder
18
2.1.4 Sicherungen
19
2.2 Energiespeicher
20
2.2.1 Bleiakkumulatoren
22
2.2.2 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
23
2.2.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren
23
2.2.4 Li-Ionen-Akkumulatoren
23
2.2.5 Natrium-Schwefel-Akkumulatoren
24
2.2.6 Kondensatoren als Energiespeicher
24
2.2.7 Brennstoffzellen
26
2.2.8 Weitere Energiespeicher
28
2.3 Mehrspannungs-Bordnetz
28
2.4 Energiemanagement
30
3 Hybridantriebe und elektrische Antriebe
32
3.1 Elektrische Maschinen
32
3.1.1 Gleichstrommaschinen
33
3.1.2 Synchronmaschinen
35
3.1.3 Asynchronmaschinen
36
3.1.4 Umrichter
37
3.2 Lichtmaschine
38
3.3 Starter
41
3.4 Starter-Generatoren
42
3.5 Hybridfahrzeuge
43
3.6 Elektrofahrzeuge
46
3.6.1 Brennstoffzellen-Fahrzeuge
48
3.6.2 Fahrzeuge mit Aufladung am öffentlichen Netz
48
3.6.3 Solarfahrzeuge
49
4 Beispiel Elektronische Dieselsteuerung (EDC)
50
4.1 Aufgaben
51
4.2 Einspritzung
51
4.2.1 Winkeluhr
52
4.2.2 Berechnung der Einspritzmenge
55
4.2.3 Berechnung des Spritzbeginns
56
4.2.4 Ansteuerung des Einspritzsystems
57
4.2.5 Ansteuerung der Injektoren
58
4.2.5.1 Injektoren mit Magnetventil
58
4.2.5.2 Piezo-Injektoren
61
4.2.6 Regelung des Raildrucks
64
4.3 Drehzahlregelung
65
4.4 Regelung des Luftsystems
66
4.4.1 Abgasrückführung
67
4.4.1.1 Sensorik
70
4.4.1.2 Aktorik
71
4.4.2 Aufladung
72
4.4.2.1 Sensorik
72
4.4.2.2 Aktorik
73
4.5 Abgasnachbehandlung
74
4.5.1 Partikelfilter
75
4.5.1.1 Ladungserkennung
75
4.5.1.2 Regeneration
76
4.5.2 Stickoxid-Filter
77
4.5.2.1 Speicherkatalysator
77
4.5.2.2 Selektive katalytische Reduktion
77
4.5.3 Lambda-Sonde
79
4.5.4 NOX-Sonde
80
4.5.5 Ruß-Sensoren
81
4.6 Thermomanagement
81
5 Bussysteme
84
5.1 Zuordnung von Funktionen zu Geräten
84
5.2 Kfz-Elektronik als LAN
86
5.3 CAN-Bus
89
5.3.1 Physikalische Schicht des CAN
91
5.3.1.1 Spannungspegel und Störsicherheit
91
5.3.1.2 Wellenwiderstand und Abschluss
93
5.3.1.3 Verbindung von Steuergeräten
94
5.3.1.4 Zeitlicher Ablauf und Synchronisation
96
5.3.1.4.1 Zulässige Oszillatortoleranzen
98
5.3.1.4.2 Berechnungsbeispiel zur Synchronisation
99
5.3.2 Sicherungsschicht des CAN
101
5.3.2.1 Medium Access Control
102
5.3.2.2 Logic Link Control
105
5.3.2.3 Fehlerbehandlung
106
5.3.2.3.1 Fehlererkennung
106
5.3.2.3.2 Fehlermeldung durch Error Frames
107
5.3.2.3.3 Begrenzung von Fehlerfolgen
107
5.3.3 Beispiele für aufgesetzte Protokollschichten
109
5.3.3.1 J1939
109
5.3.3.2 Transportprotokolle
109
5.3.3.3 Bosch MCNet
109
5.4 Weitere Bussysteme
110
5.4.1 LIN
110
5.4.2 Zeitgesteuerte Bussysteme (Byteflight, TTCAN, TTP, FlexRay)
112
5.4.2.1 Byteflight
113
5.4.2.2 TTCAN
113
5.4.2.3 TTP
114
5.4.2.4 FlexRay
114
5.4.3 Busse für Rückhaltesysteme
116
5.4.4 Busse für Multimedia-Anwendungen
117
5.4.4.1 MOST
117
5.4.4.2 IDB1394
118
5.4.5 Drahtlose Netze
118
5.5 Praktisches Vorgehen
119
6 Hardware
122
6.1 Steuergeräteschaltungen
122
6.1.1 Rechnerkern
123
6.1.1.1 Mikrocontroller
125
6.1.1.2 Speicher
126
6.1.1.3 Spannungsversorgung des Rechnerkerns
128
6.1.1.4 Takterzeugung
128
6.1.1.5 Überwachung
129
6.1.1.6 Interne Busse
129
6.1.1.7 Programmierbare Logik, ASIC und ASSP
130
6.1.2 Sensorik
133
6.1.3 Auswertung von Sensorsignalen
136
6.1.3.1 Schaltende Sensoren
136
6.1.3.2 Ohmsche Sensoren
137
6.1.3.3 Kapazitive und induktive Sensoren
138
6.1.3.4 Aktive Sensoren
139
6.1.3.5 Analog-/Digitalwandlung
139
6.1.3.5.1 Zubehör für AD-Wandler
141
6.1.3.6 Sensoren mit integrierter Elektronik
141
6.1.4 Ansteuerung der Aktoren
143
6.1.4.1 Digital-/Analog-Wandlung
144
6.1.4.2 Leistungshalbleiter
146
6.1.4.3 Ansteuerschaltungen
147
6.1.4.4 Endstufenüberwachung
152
6.1.5 Spannungswandler
153
6.2 Elektromagnetische Verträglichkeit
155
6.2.1 Störquellen und Störsenken
156
6.2.2 Kopplungsmechanismen
157
6.2.2.1 Kopplung über Felder
157
6.2.2.1.1 Kapazitive Kopplung
157
6.2.2.1.2 Induktive Kopplung
158
6.2.2.1.3 Elektromagnetische Kopplung
159
6.2.2.2 Kopplung über Leitungen
159
6.2.2.3 Elektrostatische Entladungen
161
6.2.3 EMV-Normen und Gesetzgebung
162
6.2.3.1 Abstrahlung/Einstrahlung
163
6.2.3.1.1 Normen zur Störaussendung
163
6.2.3.1.2 Normen zur Einstrahlfestigkeit
164
6.2.3.2 Leitungsgeführte Störungen
165
6.2.3.2.1 DIN 40839, ISO 7637, ISO 16750-2
165
6.2.3.2.2 AGN/E 01/2000
168
6.2.3.3 Elektrostatische Entladungen
169
6.2.4 Maßnahmen zur Sicherstellung der EMV
169
6.2.4.1 Spannungsversorgung und Massung
169
6.2.4.2 Verdrillung, Abschirmung und Verlegung von Leitungen
170
6.2.4.3 Abschirmung von Geräten
170
6.2.4.4 Signalübertragung
172
6.2.4.5 Filterung und Schutz vor Überspannungen
172
6.2.5 Simulation in der EMV
173
6.2.6 EMV-Mess- und Prüftechnik
174
6.2.6.1 Nachbildung und Messung feldgeführter Störungen
174
6.2.6.2 Nachbildung und Messung leitungsgeführter Störungen
177
6.3 Mechanische Anforderungen
177
6.4 Thermische Anforderungen
178
6.5 Chemische Anforderungen und Dichtigkeit
183
6.6 Anforderungen an den Umweltschutz
184
6.7 Akustische Anforderungen
185
6.8 Aufbau- und Verbindungstechnik
186
7 Software
188
7.1 Architektur der Steuergeräte-Software
188
7.2 Echtzeit-Betriebssysteme
191
7.2.1 Aufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems
191
7.2.1.1 Zuteilung von Rechenzeit
191
7.2.1.2 Hardwareabstraktion
193
7.2.1.3 Programmierschnittstelle
193
7.2.1.4 Software-Überwachung
193
7.2.2 OSEK/VDX
194
7.2.2.1 OSEK OS/OSTime
195
7.2.2.2 OSEK COM
196
7.2.2.3 OSEK NM
196
7.2.2.4 Weitere Merkmale
197
7.2.3 AUTOSAR
197
7.3 Steuer- und regelungstechnische Funktionen der Software
199
7.3.1 Steuerungen
199
7.3.2 PI- und PID-Regler
201
7.3.3 Modellbasierte Regler
205
7.3.3.1 Zustandsregler
209
7.3.3.2 Beobachter
210
7.3.3.3 Prädiktoren
211
7.4 Diagnosefunktionen der Software
211
7.4.1 Erkennung und Behandlung von Fehlern
213
7.4.2 Entprellung und Heilung von Fehlern
214
7.4.3 Fehlerspeicher-Management
215
7.4.4 Kommunikation zwischen Steuergerät und Tester
215
7.4.5 On-Board-Diagnose (OBD)
221
7.4.6 Programmierung über die Diagnose-Schnittstelle
224
7.4.7 ODX
225
7.5 Entwicklung der Anwendungs-Software
226
7.5.1 Programmierung
226
7.5.1.1 Modellbasierte Softwareentwicklung
227
7.5.1.2 Konfigurationsmanagement
228
7.5.2 Bypass
229
7.5.3 Datensatz und Applikation
229
7.5.3.1 Design of Experiments (DoE)
232
7.5.3.2 Applikationsprotokolle
232
7.5.3.2.1 CCP
233
7.5.3.2.2 XCP
233
7.5.3.3 Label-Datenbanken
234
7.5.4 Softwaretests
235
7.5.4.1 Modultest
236
7.5.4.2 Integrationstest
237
7.5.4.3 Systemtest
238
7.5.4.3.1 Hardware in the Loop
239
7.5.4.4 Akzeptanztest
242
7.5.5 Flash-Programmierung
242
8 Projekte, Prozesse und Produkte
246
8.1 Besonderheiten der Kfz-Branche
246
8.2 Stufen der Elektronik-Entwicklung
248
8.3 Projekte und Prozesse
250
8.4 Projekte in der Praxis
252
8.5 Projektphasen
253
8.5.1 Akquisitionsphase
253
8.5.1.1 Kostenschätzung
255
8.5.2 Planungsphase
256
8.5.2.1 Teambildung
256
8.5.2.2 Terminplanung
257
8.5.2.3 Kostenplanung
259
8.5.2.4 Vorgehensmodelle
259
8.5.2.4.1 Wasserfallmodell/Sashimi-Modell
260
8.5.2.4.2 V-Modell/V-Modell XT
261
8.5.2.4.3 Nebenläufiges Modell
263
8.5.2.4.4 Objektorientiertes Modell
263
8.5.2.4.5 Spiralmodell
264
8.5.2.4.6 Prototypenmodell
264
8.5.2.4.7 Evolutionäres Modell
265
8.5.2.4.8 Inkrementelles Modell
265
8.5.2.4.9 Timebox
266
8.5.2.4.10 Agile Modelle
266
8.5.2.4.11 Open Source
268
8.5.2.4.12 Vergleich der Vorgehensmodelle
268
8.5.2.5 Anforderungen und Spezifikation
268
8.5.2.6 Projekthandbuch
272
8.5.3 Entwicklungsphase
272
8.5.3.1 Änderungsmanagement
274
8.6 Product Lifecycle Management
276
8.7 Architekturbasierte Entwicklung
277
8.8 Serienbetreuung
278
8.8.1 Serienbetreuung durch die Entwicklung
278
8.8.2 Produktion
278
8.8.3 Service
280
8.9 Qualität
281
8.9.1 Qualitätsmanagement
283
8.9.1.1 Qualitätsregelkreis im Großen: Kontinuierlicher Verbesserungsprozess
286
8.9.1.2 Qualitätsregelkreis im Kleinen: Reviews
286
8.9.2 Qualitätsstandards
287
8.9.2.1 ISO 9000
288
8.9.2.2 ISO/TS16949
289
8.9.2.3 Reifegrade von Prozessen
289
8.9.2.3.1 CMM(I)
290
8.9.2.3.2 SPICE
291
9 Sicherheit und Zuverlässigkeit
292
9.1 Ausfälle elektronischer Systeme
293
9.1.1 Alterung und Ausfall elektronischer Bauelemente
295
9.1.1.1 Alterung passiver Bauelemente
296
9.1.1.2 Alterung aktiver Bauelemente
297
9.1.1.3 Alterung elektromechanischer Bauelemente
298
9.1.1.4 Alterung von Sensoren
299
9.1.1.5 Alterung von Aktoren
300
9.2 Ausfälle von Software
300
9.3 Methoden zur Analyse von Sicherheit und Zuverlässigkeit
301
9.3.1 FMEA
301
9.3.2 Fehlerbaumanalyse
303
9.3.3 Ereignisfolgenanalyse
305
9.4 Verbesserungsmaßnahmen
306
9.4.1 Qualifizierung von Bauelementen
306
9.4.2 Überwachung und Diagnose
307
9.4.3 Komplexität und Redundanz
307
10 Anwendungen
310
10.1 Funktionsentwicklung am Beispiel Klimaregelung
310
10.1.1 Prinzip der Klimaregelung
310
10.1.2 Struktur der Klimaregelung (Beispiel)
311
10.1.3 Funktionsentwicklung im Klimasteuergerät (Beispiel)
312
10.2 Systeme im Antriebsstrang
314
10.2.1 Motorsteuergeräte (Otto)
315
10.2.1.1 Zündung
315
10.2.1.2 Lambda-Regelung
317
10.2.2 Steuergeräte für variable Nockenwellen
317
10.2.3 Getriebesteuergeräte
320
10.2.4 Kupplungssteuergeräte
321
10.2.5 Elektronische Differenzialsperre
321
10.3 Systeme für die Fahrdynamik und die aktive Sicherheit
322
10.3.1 Längsdynamik und Bremsen
323
10.3.1.1 Schlupfregelung
323
10.3.1.2 Geschwindigkeits- und Abstandsregelung
324
10.3.1.3 Bremsassistenten und Brake-by-Wire
325
10.3.1.4 Parkbremse und Anfahrhilfe
327
10.3.2 Querdynamik, Lenkung und ESP
327
10.3.2.1 Lenksysteme
327
10.3.2.2 ESP
327
10.3.2.3 Sturzregelung
330
10.3.3 Vertikaldynamik
330
10.3.4 Reifenüberwachung
332
10.4 Systeme für die passive Sicherheit
333
10.4.1 Airbag
333
10.4.2 Gurtstraffer
335
10.4.3 Fußgängerschutz
335
10.5 Fahrerassistenz- und Informationssysteme
335
10.5.1 Spurhalte- und Spurwechselassistenten
335
10.5.2 Einparkhilfen
336
10.5.3 Navigationssysteme
336
10.5.4 Telematik
339
10.5.5 Scheibenreinigungssysteme
342
10.5.6 Beleuchtung
342
10.5.7 Nachtsichtsysteme
344
10.6 Mensch-Maschine-Schnittstelle
345
10.7 Komfortsysteme
348
10.8 Unterhaltungselektronik
349
10.9 Diebstahlschutz
350
11 Selbstbau und Tuning
352
12 Zukunftstechnologien im Fahrzeug
354
12.1 Adaptronik
354
12.1.1 Beispiel Motorlagerung
355
12.1.2 Beispiel Strukturversteifung mit Memory-Metallen
357
12.2 Nanotechnologie
357
12.3 Photonik
357
12.4 Weitere Zukunftsentwicklungen
358
A Abkürzungen
359
B Symbole in Formeln und Naturkonstanten
366
C Literaturverzeichnis
368
Sachwortverzeichnis
386
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