Kerntechnologien und Lösungen für die Implementierung von automotive by-wire-Systemen

Seit langem wird die Automobilindustrie von mechanischer und hydraulischer Technik dominiert. Von Federungs- und Kühlsystemen bis hin zu Motoren und Steuerungssystemen nutzen die meisten Fahrzeugsysteme mechanische und hydraulische Steuerung und Betrieb. Diese Situation ändert sich jedoch nun: Getrieben von den Trends der Automobilintelligenz, Elektrifizierung und Emissionsvorschriften revolutionieren Automobilentwickler das Automobilfeld, indem sie mechanisch-hydraulische Systeme in elektromechanische Systeme umwandeln. Die Automobilindustrie legt zunehmend Wert auf die Entwicklung der nächsten Generation von "X-by-Wire"-Systemen, die gegenüber herkömmlichen mechanisch-hydraulischen Systemen eine überlegene Unterstützung für neue Automobilfunktionen bieten können. Dieser Artikel stellt die Kerntechnologien für By-Wire-Systeme im Automobilbereich sowie die dazugehörigen Lösungen vor, die von Melexis eingeführt wurden.

Das Automobildesign bewegt sich in Richtung Elektrifizierung und Intelligenz

Obwohl das Automobildesign traditionell von mechanischer Steuerung dominiert wurde, werden mit den Entwicklungstrends der Automobil-Elektrifizierung und -Intelligenz elektronische Komponenten umfassend in Automobildesignsysteme integriert. Obwohl elektronische Komponenten seit den 1930er Jahren in Automobilen eingeführt wurden, wurden sie hauptsächlich in Anlassern, Beleuchtungssystemen und optionalen Radios verwendet, und die mechanischen Eigenschaften von Automobilen änderten sich insgesamt nicht. In den letzten Jahrzehnten hat sich jedoch der Anwendungsbereich elektronischer Systeme in Automobilen kontinuierlich erweitert. Zahlreiche mechanische Pumpen und Vakuumsteuerungssysteme wurden durch Magnetspulen, Halbleiterrelais und Piezokeramiken ersetzt.
 
Auf der anderen Seite haben elektronische Sensoren und Anzeigen längst mechanische Rückmeldesysteme wie mechanische Messgeräte ersetzt. Dennoch dominieren in Kernfunktionen wie Lenkung und Bremsen nach wie vor mechanische und hydraulische Systeme, wobei elektronische Komponenten nur eine unterstützende Rolle spielen. Diese Transformation zielt darauf ab, die Funktionalität und Sicherheit zu verbessern, die Präzision zu erhöhen, die Integration zu vereinfachen, die Gesamtsystemkomplexität zu verringern sowie Emissionen und Energieverbrauch zu reduzieren.
 
By-wire-Systeme stellen einen weiteren bedeutenden Wandel in Automobilsteuerungssystemen dar. By-wire-Systeme ersetzen traditionelle mechanische Verbindungen durch elektronische Steuermechanismen. Dies markiert einen signifikanten Wandel im Automobildesign und -betrieb, bei dem grundlegende Funktionen wie Gas, Bremsen und Lenkung nicht mehr auf physische Verbindungen wie Lenksäulen, Kabel oder Hydraulikleitungen angewiesen sind. Stattdessen übernehmen Sensoren, elektrische Aktuatoren und Steuereinheiten diese Funktionen.
 
Am Beispiel des Throttle-by-wire-Systems verwendet es Positionssensoren, um die Position des Gaspedals zu messen, und überträgt Signale an das Motorsteuergerät (ECU) zur elektronischen Leistungsanpassung, wodurch die mechanische Verbindung zwischen Gaspedal und Drosselklappe ersetzt wird. Obwohl das Fehlen einer mechanischen Verbindung bei einigen Bedenken hervorrufen mag, wurde dieses Konzept erfolgreich validiert.

By-Wire-Systeme bieten viele Vorteile in Bezug auf Steuerung, Effizienz, Sicherheitsmerkmale usw.

By-Wire-Systeme bieten zahlreiche Vorteile, darunter präzisere Steuerung, höhere Effizienz, verbesserte Sicherheitsfunktionen und Kompatibilität mit aufkommenden Technologien wie dem autonomen Fahren. Sie stehen jedoch auch vor einer Reihe einzigartiger Herausforderungen, wie der Sicherstellung von Zuverlässigkeit und der Erfüllung fortschrittlicher Integrations- und Redundanzanforderungen. Obwohl der By-Wire-Betrieb in Fahrzeugen bereits weit verbreitet ist und elektronische Steuerung in Drosselklappen, Motoren und einigen Getriebesystemen eingesetzt wird, war die Transformation von zwei Hauptfahrzeugsystemen bisher vergleichsweise langsam: Brems- und Lenksysteme. Diese Situation ändert sich jedoch schnell.   Brake-by-Wire-Systeme verwenden Sensoren, um die Position oder den Druck des Bremspedals zu überwachen und die Bremskraft durch Antrieb elektrohydraulischer oder elektromechanischer Bremsaktuatoren (Bremssättel) zu steuern. Brake-by-Wire-Systeme ermöglichen eine nahtlose Integration von Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS) und autonomen Fahrfunktionen und fördern gleichzeitig regeneratives Bremsen bei Elektrofahrzeugen (EVs). Diese Funktion erlaubt es dem Antriebsstrangmotor des Fahrzeugs, eine Bremskraft zu erzeugen, indem der Stromfluss umgekehrt wird, um die Batterie während des Abbremsens aufzuladen.   Steer-by-Wire-Systeme entfernen vollständig die mechanische Lenksäule, die das Lenkrad direkt mit den Rädern verbindet. Stattdessen verlässt sich das System auf elektronische Sensoren, um Lenkinputs zu erkennen und sie an die Aktuatoren zu übermitteln, die die Räder antreiben. Im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Lenksystemen bieten Steer-by-Wire-Systeme zahlreiche Vorteile. Sie vereinfachen die Integration fortschrittlicher Funktionen (wie Spurhalteassistent, Kollisionsvermeidung, variable Lenkradübersetzungen und autonome Fahrfähigkeiten), während bestimmte Einschränkungen beim Verpackungsdesign reduziert werden und die Anwendung von Radnabenmotoren ermöglicht wird (was bei einer typischen Lenkzahnstange schwer umsetzbar ist). Darüber hinaus eröffnen Steer-by-Wire-Systeme durch den Wegfall der physischen Lenksäule neue Möglichkeiten für innovatives Fahrzeugdesign, wodurch der Innenraum optimiert und die Designoptionen erweitert werden können.

"Trockene" Brems- und Lenksysteme eliminieren damit verbundene Emissionen und Wartungsanforderungen

Andererseits erfordern hydraulische Systeme, da sie anfällig für Verunreinigungen und Leckagen des Hydrauliköls sind, regelmäßige Wartung und den Austausch von Flüssigkeiten, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Der Einsatz von Brake-by-Wire- und Steer-by-Wire-Systemen in Kombination mit rein elektromechanischen Aktuatoren kann hydraulische Unterstützung vollständig eliminieren. Dies stellt ein neues Paradigma in der Automobilindustrie dar, ermöglicht "trockene" Brems- und Lenksysteme, reduziert die Menge an Flüssigkeiten im Fahrzeug und eliminiert damit verbundene Emissionen und Wartungsanforderungen.   Dank der Brake-by-Wire-Technologie können Bremsmomente schneller angelegt und gelöst werden. In Kombination mit präzisen Geschwindigkeits-Sensoren und automobilen Intelligenzsystemen können Brems- und Reifenverschleißemissionen auf verschiedene Weise minimiert werden: Maximierung der Nutzung von regenerativem Bremsen, Optimierung des Bremsmoments zur Minimierung des Reifenverschleißes sowie vollständige Vermeidung gleichzeitiger Nutzung von Gaspedal und Bremse.   In sicherheitskritischen Systemen müssen elektronische Komponenten mehrere wichtige technische Anforderungen erfüllen. Diese Komponenten müssen inhärente Genauigkeit, Zuverlässigkeit sowie die Fähigkeit besitzen, rauen Bedingungen in Fahrzeugen standzuhalten, wie z. B. Vibrationen, Temperaturschwankungen und elektromagnetische Störungen (EMI). Sensoren müssen außerdem leicht zu integrieren sein und mit anderen Sensortypen zusammenarbeiten können, da heterogene Redundanz zu einem Kernelement der funktionalen Sicherheitsarchitektur von By-Wire-Systemen geworden ist, um einen ausfallsicheren Betrieb zu gewährleisten.   Im Vergleich zu einem herkömmlichen Bremssystem erfordert ein Brake-by-Wire-System eine Sensorik an mehr Stellen und eine höhere Redundanz an jeder Position im System, da eine mechanische Backup-Funktion fehlt. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, werden in der Regel mehrere Sensor-Kanäle eingesetzt, sodass Sensorintegration und Flexibilität wichtige Überlegungen für die Ingenieursentwicklung sind. Systemsteuerung und -feedback erfolgen durch Sensoren zur Erfassung der Bremspedalposition und -kraft sowie durch zusätzliche Sensoren, die an den Bremssätteln und Flüssigkeitskreisläufen installiert sind. Aufgrund der Temperaturbereiche, Vibration und Geräusche (EMI) Herausforderungen in diesen Fahrzeugbereichen sind Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Sensoren an jedem Punkt des Systems entscheidend, was den Einsatz redundanter, hochwertiger Sensoren erforderlich macht.   In einem Steer-by-Wire-System sind zusätzliche Sensoren erforderlich, um die Position der Zahnstange zu erfassen und zu überprüfen, ob deren Bewegung mit dem Bedarf übereinstimmt, der vom Lenkwinkelsensor angezeigt wird. Ebenso ist Zuverlässigkeit entscheidend, sodass mehrere Sensortechnologien eingesetzt werden, um einen heterogenen redundanten Systembetrieb zu gewährleisten.

Hochmoderne magnetische und induktive Sensoren für By-Wire-Systeme

Melexis unterhält eine langfristige Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie und bietet seit Langem verschiedene Sensortechnologien an. Die Produktpalette umfasst fortschrittliche magnetische und induktive Sensoren, die speziell für die nächste Generation von By-Wire-Systemen entwickelt wurden. Die magnetischen Sensoren von Melexis, wie der MLX90423, MLX90424 und MLX90427, nutzen die firmeneigene Triaxis®-Technologie von Melexis und sind für fortschrittliche Anwendungen wie Brake-by-Wire und Steer-by-Wire im Automobilbereich konzipiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hall-Sensoren, die nur die magnetische Flussdichte senkrecht zur Oberfläche des Hallelements erfassen, können Triaxis®-Sensoren dank des integrierten magnetischen Konzentrators (IMC) die drei magnetischen Flusskomponenten (XYZ) erfassen. Diese Technologie ermöglicht es den Sensoren, die absolute Position eines sich bewegenden Magneten, sei es eine Rotations- oder Linearbewegung, präzise zu erfassen.   Die Triaxis®-Sensoren von Melexis, wie der MLX90423 und MLX90427, entsprechen dem ISO-26262-ASIL-C-Standard und können Streufelder bis zu 5 mT widerstehen, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Elektrofahrzeuge oder Systeme in der Nähe anderer magnetischer Sensoren macht. Sie sind zudem in TSSOP-16-Dual-Die-Gehäusen erhältlich, die eine zusätzliche eingebaute Redundanz bieten und die Implementierung von ASIL-D-Systemen unterstützen. Produkte wie der MLX90424 integrieren zwei Triaxis® MLX90423-Sensoren und einen MLX92292-Niedrigleistungs-Latch- und Schalt-Wake-Up-Sensor in einem einzigen Gehäuse und bieten so die ultimative Sensorlösung für Brake-by-Wire-Anwendungen.   Zusätzlich zu den Sensorelementen bieten Triaxis®-Sensoren eine Reihe von Schlüsselfunktionen, die die Entwicklung fortschrittlicher By-Wire-Systeme weiter vereinfachen. Mehrere Ausgangsmodi (Analog, SPI, PWM und SENT einschließlich der SPC-Funktion in Chips wie MLX90377 und MLX90376) unterstützen Anwendungen mit Multi-Sensor-Bus-Architekturen und gewährleisten die Kompatibilität mit verschiedenen Systemkonfigurationen, was eine nahtlose Integration in verschiedene Automobilplattformen ermöglicht.   Darüber hinaus ermöglicht ein Gateway (Eingangspin) in Chips wie dem MLX90372 dem Sensor, Signale von externen Quellen wie Drucksensoren, Kraftsensor-Widerständen oder NTC-Temperatursensoren zu integrieren. Diese Funktion verbessert die Integrationsmöglichkeiten, verringert die Anzahl der Leitungen und vereinfacht das Systemdesign.   Darüber hinaus sind die induktiven Sensorschips von Melexis (wie der MLX90513) gegen magnetische Streufelder (ISO 11452-8) unempfindlich, sodass sie in Umgebungen mit hoher elektromagnetischer Störung (EMI) eingesetzt und in Kombination mit magnetischen Sensoren wie dem MLX90423 oder MLX90427 verwendet werden können. Dies macht sie ideal für die heterogenen Setups, die von sicherheitskritischen By-Wire-Systemen gefordert werden.   Der MLX90513 wurde für Automobil- und Industrieanwendungen entwickelt und nutzt die über 15-jährige Erfahrung von Melexis in der Entwicklung von Induktivsensoren. Es handelt sich um eine robuste Schnittstelle, die in der Lage ist, die absolute Position von Rotations- und Linearbewegungen zu erfassen. Induktive Sensoren arbeiten durch induktive Kopplung zwischen einer Senderwicklung, einem Zielstück und drei Empfängerwicklungen. Wenn der LC-Oszillator auf dem Chip ein elektromagnetisches Feld durch die Senderwicklung erzeugt, induziert dieses Feld in den drei Empfängerwicklungen eine Spannung, die von der Position des Zielstücks (Rotors) abhängt.   Die interne Signalverarbeitungseinheit des MLX90513 erfasst und verarbeitet diese drei Signale und liefert präzise Positionsinformationen mit einem maximalen Fehler von ±0,1 % des vollen Skalenbereichs. Die Empfängerwicklungen sind relativ zueinander positioniert, entsprechend der Anzahl der Pole auf dem Metallzielstück (Rotor) darüber. Typischerweise sind diese Wicklungen als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgeführt, was ein einfaches, individuelles Design und eine elegante Integration in Brake-by-Wire- und Steer-by-Wire-Systeme ermöglicht.   Ähnlich wie magnetische Sensoren entspricht auch der MLX90513 dem ISO-26262-ASIL-C-Standard und bietet vier Ausgangsmodi (SENT/SPC, PWM und Analog), um Multi-Sensor-Bus-Setups zu unterstützen und eine nahtlose Integration mit Automobilplattformen zu fördern.   Die Sensoren von Melexis bieten beispiellose Genauigkeit, einen breiten Betriebstemperaturbereich (-40 °C bis 160 °C) und eine hervorragende Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und magnetischen Streufeldern, was herausragende Leistung selbst in den anspruchsvollsten Automobilumgebungen gewährleistet. Neben den technischen Fähigkeiten vereinfachen die Lösungen von Melexis durch Funktionen wie eingebaute Redundanz (z. B. TSSOP-16-Dual-Die-Gehäuse für ASIL-D-Systeme), mehrere Ausgangsmodi (Analog, SPI, PWM, SENT, SPC) und die Möglichkeit zur Integration externer Signale über Eingangspins die Gestaltung komplexer Systeme. Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglicht es Automobil-OEMs und Tier-1-Zulieferern, Entwicklungszyklen zu vereinfachen und die Gesamtkomplexität und -kosten des Systems zu reduzieren.

Fazit

Die Automobilindustrie durchläuft tiefgreifende Veränderungen, wobei Steer-by-Wire- und Brake-by-Wire-Technologien zu den Grundpfeilern der nächsten Fahrzeuggeneration werden. Diese sicherheitskritischen Systeme bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen mechanischen und hydraulischen Systemen, da sie erweiterte Funktionalität, überlegene Kontrolle ermöglichen und wichtige Schritte in Richtung einer nachhaltigeren, saubereren und intelligenteren Mobilitätszukunft gehen. Der erfolgreiche Einsatz dieser fortschrittlichen Systeme beruht jedoch auf hochpräzisen, zuverlässigen und intelligent integrierten Sensorlösungen. Die in diesem Artikel vorgestellten Melexis Triaxis®-Magnetsensoren und streufeldresistenten Induktionssensoren sind darauf ausgelegt, den strengen Anforderungen von By-Wire-Anwendungen im Automobilbereich zu entsprechen. Diese hochwertigen Positionssensoren sind nicht nur Komponenten; sie sind entscheidende Elemente, die die Sicherheit, Leistung und das innovative Design zukünftiger Fahrzeuge gewährleisten.