Vorlesung Automotive Software-Engineering - TU Dresden ASE SS 2011... · INFORMATIK CONSULTING...

INFORMATIK ▪ CONSULTING ▪ SYSTEMS AG

Vorlesung Automotive Software-Engineering

Technische Universität DresdenFakultät InformatikProfessur Softwaretechnologie

Sommersemester 2011

Dr. rer. nat. Bernhard Hohlfeld

[email protected]

Dr. Bernhard Hohlfeld: Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive, TU Dresden, Fakultät Informatik, Sommersemester 2011 2

Motivation und Überblick

Die Automobilbranche

Das Automobil

Die Automobilherstellung

E/E-Entwicklung

SW-Entwicklung

Normen und

Standards

Beispiele aus der Praxis

Automotive Systems Engineering

Automotive Elektrik/Elektronik-Entwicklung

Ziel: Darstellung einiger Randbedingungen der Elektrik/Elektronik-Entwicklung für eingebettete Systeme speziell im Automobil

Schwerpunkt:ECU oriented Process Steps(mit Rückwirkung auf die System-und SW-orientierten Schritte)

Dr. Bernhard Hohlfeld: Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive, TU Dresden, Fakultät Informatik, Sommersemester 2011

E/E-Entwicklung

3


5. E/E-Entwicklung

1. Halbleitertechnologie

2. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

3. Mechatronik-Entwicklungen im Automobil

4. Kabelbaum und Energiebordnetze

5. Bussysteme im Automobil

4


5. E/E-Entwicklung






5


Halbleitertechnologie

Mehr Funktionen zu geringeren Kosten

Halbeitertechnologie

Für den Automobilhersteller

• Kompaktere und kleinere Baugruppen

• Intelligente Baugruppen

• Geringere Kosten

• Diagnose- und Fehleranalyse

• Reduzierung des Gewichts

• Reduzierung der Verlustleistung

Für den Autofahrer

• Mehr Funktionalität

• Mehr Sicherheit

• Mehr Komfort

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Mehr Funktionen zu geringeren Kosten

Halbeitertechnologie

Für den Automobilhersteller

• Kompaktere und kleinere Baugruppen

• Intelligente Baugruppen

• Geringere Kosten

• Diagnose- und Fehleranalyse

• Reduzierung des Gewichts

• Reduzierung der Verlustleistung

Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs

Für den Autofahrer

• Mehr Funktionalität

• Mehr Sicherheit

• Mehr Komfort

Senkung des Schadstoffausstoßes

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Beispiele für Module

Türsteuerung Fensterheber

Türverriegelung

Kindersicherung

Spiegelheizung

usw.

Mit Halbleitern (HL) Kostenersparnis von 40%

Steigerung der Funktionalität um 140%

Steuerung der Fahrzeugbeleuchtung

Mit Kostenersparnis von 40% gegenüber den auf elektromechanischen Relais basierenden Modulen

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Vorteile eines Moduls (Steuergeräts) mit Halbleitertechnologie Unempfindlichkeit gegen Vibrationen u. Stöße

Komplexe Funktionalität möglich

Geringes Gewicht

Kein Verschleiß von Schaltern

Probleme der HL-Technologie Temperatur

ESD (Electrostatic Discharge)

Teurer als mechanische Schalter (Relais)

Automotive-typische Spannungen problematisch

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Elektrostatische Entladung

Elektrostatische Entladung (engl. electrostatic discharge, kurz ESD) ist ein durch große Potenzialdifferenz in einem elektrisch isolierenden Material entstehender Funke oder Durchschlag, der einen sehr kurzen hohen elektrischen Stromimpuls verursacht.

Ursache der Potenzialdifferenz ist meist eine Aufladung durch Reibungselektrizität.

Produktionsmaschinen für elektrisch isolierende Endloserzeugnisse sowie der Umgang mit isolierenden Schüttgütern erfordert besondere Sicherheitsmaßnahmen gegen elektrostatische Aufladung.

Reibungselektrizität tritt z. B. auch beim Laufen über einen Teppichboden auf, wobei ein Mensch auf ca. 30.000 V aufgeladen werden kann. Auch Bewegen auf einem Stuhl kann Aufladungen erzeugen, Kunststoffgriffe von Werkzeugen können elektrostatische Potentialunterschiede verursachen, die empfindliche Bauteile gefährden.

Symbol für eine ESD-Schutzkomponente(links) und Gefahrenzeichen für ESD-gefährdete Bauteile (rechts)

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5. E/E-Entwicklung






11


5. E/E-Entwicklung

2. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)1. Störfestigkeit und Störemission

2. EMV vernetzter E/E-Systeme

3. Entwicklungsprozess

4. Komponentenprüfungen

5. Fahrzeugprüfungen

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Störfestigkeit und Störemission

Definition von elektromagnetischer Verträglichkeit

Laut dem deutschen Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) (§2.9) ist elektromagnetische Verträglichkeit die Fähigkeit eines Gerätes, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere in dieser Umwelt vorhandene Geräte unannehmbar wären, wobei nach §2.3 des EMVG Geräte alle elektrischen und elktronischen Apparate, Systeme, Anlagen und Netze, die elektrische oder elektronische Bauteile enthalten, sind (engl.: EMC=Electromagnetic Compatibility)

Elektromagnetische Strahlungen werden von jedem elektrischen oder elektronischem Gerät ausgesendet. (Störquellen)

Durch von außen einwirkende elektromagne-tische Störungen kann jedes elektrische oder elektronische Gerät in seiner Funktion beeinträchtigt oder gar beschädigt werden. (Störsenken)

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Extreme Umweltbedingungen (mechanische Beanspruchung, Verbauraum, Temperatur, etc.)

Was hat das mit Softwareentwicklung zu tun?

14


Extreme Umweltbedingungen (mechanische Beanspruchung, Verbauraum, Temperatur, etc.)

Was hat das mit Softwareentwicklung zu tun?

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EMV


Baugruppenverantwortlicher Türe

Ansprechpartner Baugruppenverantwortlicher Karosserie

Baugruppenverantwortlicher Sitze

Baugruppenverantwortlicher Kombi-Instrument

Baugruppenverantwortlicher Blinker

Baugruppenverantwortlicher Mittelkonsole

Baugruppenverantwortlicher Soundsystem

Baugruppenverantwortlicher Seitenairbag

Verantwortlicher Passive Sicherheit

Verantwortlicher EMV

Verantwortlicher Verkabelung

Verantwortlicher Vernetzung

Verantwortlicher Telematik

Zulieferer Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter

Schnittstellen Mechanik

Energie

Information

15















Zulieferer Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter


Energie

Information

15

EMV



Störsenken Funkempfänger

Fernseher

Radio

Consumer-Elektronik

EDV-Anlagen

Sensoren

Motorelektronik

Fahrdynamik

Airbag

Medizinelektronik

Herzschrittmacher

Störquellen Zündanlagen

E-Motoren

Leistungselektronik (z.B. ICE)

Sendeanlagen

UKW-Sender

Mobilfunktelefone

Leuchtstofflampen

Portable Electronic Devices (PED)

Tragbarer CD-Spieler

LapTop

PDA

iPod

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EMV-Prüfung Messung der vom Prüfling ausgesandten elektromagnetischen Störungen

Prüfung der Festigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen bezogen auf den vorgesehenen Einsatzort

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18



19


5. E/E-Entwicklung






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EMV-Bereiche für die Auslegung der elektrischen und elektronischen Systeme für das Kfz (1)

Sender und Empfänger Störeinstrahlung

Keine Funktionsstörungen durch leistungsstarke Rundfunksender

Störausstrahlung

Keine Störung von ortsfestem Funkempfang durch den Betrieb eines Fahrzeugs

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E/E-Komponente

Die Rückwirkung (impulsförmige Signale u.a. Störsignale) durch verschiedene E/E-Komponenten, die im Fahrzeug in enger räumlicher Nähe zueinander eingebaut und aus einem gemeinsamen Bordnetz versorgt werden, darf untereinander nicht zu unzulässigen Fehlfunktionen führen

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Bordnetzelektronik

Da periodisch auftretende Schaltvorgänge und vor allem Taktsignale von µC in den Empfangsgeräten der mobilen Kommunikation Störungen hervorrufen können, muss die Störaussendung der Bordnetzelektronik begrenzt werden

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5. E/E-Entwicklung






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EntwicklungsprozessEMV-Aktivitäten in der Produktentwicklung

Konzeptphase: Klärung und Analyse des Einsatzbereiches und der Einsatzbedingungen

Identifikation der anzuwendenden Normen

Lastenheft: Festlegung der EMV-Anforderungen mit Prüf- und Nachweisbedingungen seitens OEM

Pflichtenheft: Seitens Zulieferers zu erfüllende EMV-Anforderungen

Produktentwicklung EMV-gerechter Entwurf (Baugruppen und Gerät)

Durchführung von Messungen (Komponenten- und Fahrzeugprüfungen)

Zertifizierung

Produktpflege Sicherstellung von EMV bei Änderungen und Bauteilersatz

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EntwicklungsprozessEMV-Aktivitäten in der Produktentwicklung

Konzeptphase: Klärung und Analyse des Einsatzbereiches und der Einsatzbedingungen

Identifikation der anzuwendenden Normen

Lastenheft: Festlegung der EMV-Anforderungen mit Prüf- und Nachweisbedingungen seitens OEM

Pflichtenheft: Seitens Zulieferers zu erfüllende EMV-Anforderungen

Produktentwicklung EMV-gerechter Entwurf (Baugruppen und Gerät)

Durchführung von Messungen (Komponenten- und Fahrzeugprüfungen)

Zertifizierung

Produktpflege Sicherstellung von EMV bei Änderungen und Bauteilersatz

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Gilt sinngemäss auch für andere Aktivitäten in der Produktentwicklung


Konzept Lastenheft Pflichtenheft Produktentwicklung Produktpflege

Anpassung

EMV im Entwicklungsprozess

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Konzept Lastenheft Pflichtenheft Produktentwicklung Produktpflege

Anpassung

EMV im Entwicklungsprozess

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Technische Details, siehe Unterlagen auf der Vorlesungsseite


Entwicklungsprozess

Geräte- und Komponentenentwicklung Festlegung der Prüfnormen gemäß Einsatzspektrum

Definition notwendiger globaler EMV-Massnahmen

Massekonzept

Gehäuseabschirmung

Kabelschirmung

Kabelverlegung

Entstörbauteile

Erstellung von EMV-Lastenhefte

Durchführung entwicklungsbegleitender EMV-Tests

Abnahmeprüfung

X















Zulieferer

Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter


Energie

Information

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Zulieferer

Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter


Energie

Information

27

EMV















Zulieferer

Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter


Energie

Information

27

EMVEMV















Zulieferer

Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter


Energie

Information

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EMVEMVEMV















Zulieferer

Schliesssystem

Scheiben

Fensterheber

Aussenspiegel

Türsteuergerät

Schalter


Energie

Information

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EMVEMVEMVEMV


Entwicklungsprozess

Leiterplattenentwicklung Auswahl EMV-gerechter Elektronikbauteile

EMV-Maßnahmen in der Schaltung

Bauteileplatzierung auf dem Layout

EMV-gerechter Lagenaufbau

EMV-gerechtes Versorgungssystem

EMV-gerechte Leiterplattenentflechtung

Erstellen von EMV-Lastenheften

Durchführung entwicklungsbegleitender EMV-Tests

X


Entwicklungsprozess

Aufbau von EMV-Filtern Netzfilter

Entstörung von induktiven Leistungskomponenten

Begrenzung der Flankensteilheit bei PWM-Signalen (PWM = Pulsweitenmodulation)

Begrenzung der Flankensteilheit von Kommunikations-Bussen

EMV bei Serienprodukten Serienüberwachung

Vorortmessungen

Entstörmaßnahmen

X

Die Pulsweitenmodulation (PWM) (auch Unterschwingungsverfahren) ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrischer Strom) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird das Tastverhältnis bei konstanter Frequenz moduliert. Ein PWM-Signal wird allgemein über einen Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische Größe entspricht dem arithmetischen Mittelwert und damit der mittleren Höhe der Fläche unter der modulierten Größe, mathematisch bestimmt aus dem Integral über eine ganze Zahl von Perioden, geteilt durch die Dauer der Integration (Integralrechnung).PWM ist auch unter Pulsbreitenmodulation (PBM) und Pulsdauermodulation (PDM) bekannt.Ein anschauliches Beispiel für diese Modulationsart ist ein Schalter, mit dem man eine Heizung ständig ein- und ausschaltet. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist, umso höher die mittlere Heizleistung. Die Temperatur der Heizung kann nur vergleichsweise langsam dem Ein- und Ausschaltvorgang folgen und ergibt so das notwendige Tiefpassverhalten zur Demodulation.

PWM-Signal mit einem Tastverhältnis t1 / T = 0,25 = 25 %


Pulsweitenmodulation (PWM)

X


Entwicklungsprozess

Komponentenprüfung Ziel der Komponentenprüfung ist es, eine Vorqualifikation der Komponenten vorzunehmen und zwar bereits zu

einem Zeitpunkt, zu dem noch keine Fahrzeuge verfügbar sind.

Fahrzeugprüfung Entscheidend für eine EMV-Freigabe ist die Fahrzeugprüfung. Zur Fahrzeugprüfung werden nur Komponenten

zugelassen, die sich entsprechend den Vorgaben des Komponentenprüfverfahrens qualifiziert haben.

Freigabe Eine Freigabe erfolgt, wenn sowohl die Komponentenmessungen (Qualifikationsbericht) als auch die

Fahrzeugmessungen positiv abgeschlossen sind.

X


5. E/E-Entwicklung






X


Komponentenprüfungen: Störfestigkeit

Einstrahlung

Der Prüfling wird in der Zelle im Frequenzbereich von 1MHz ... 200MHz eingestrahlt.

X


5. E/E-Entwicklung






X


Fahrzeugprüfungen: Störemission

Funkstörungen

Vom Fahrzeug werden schmal- und breitbandige Störungen ausgesendet

• Meßbereich laut Kraftfahrzeugrichtlinie: 30 Mhz – 1 GHz

• Zunehmende Relevanz größerer Bandbreite: z.B. 30kHz – 3 GHz (BMW GS)

• Quellen breitbandiger Störungen:

• Zündanlage

• Elektrische Antriebe

• Leistungskomponenten und -schalter

• Quellen schmalbandiger Störungen:

• Mikrocontroller

• Netzwerke (CAN)

• Funksysteme (Handy, Bluetooth)

X

Virtuelle Vorlesung – Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – UE3: Störquellen und Antennen© Prof. Dr.-Ing. U. Bochtler

Fachhochschule Aschaffenburg

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0. InhaltIn dieser Vorlesung werden Sie lernen was man unter Störquellen verstehtund wie man sie systematisieren kann. Sie werden damit in der Lage sein,vorhandene Störquellen einer genaueren Analyse zu unterziehen. Weiterhinwerden Sie wissen, wie sich Felder im Raum zueinander Verhalten und wiesie von Antennen in Spannungen umgesetzt werden.

1. Störquellen

1.1 Überblick über Störquellen und wichtigeBegriffe

Jede Art von Störung – sei sie biologisch, mechanisch oder elektro-technisch – basiert auf dem gleichen Prinzip: Ein „Verursacher“ beeinflusstein „Opfer“ in störender bzw. unzulässiger Art und Weise über einenbestimmten Mechanismus. Auf dem Gebiet der elektromagnetischenVerträglichkeit verwendet man für den Störer den Begriff „Störquelle“.

Bevor wir eine Systematisierung dieser Störquellen vornehmen,definieren wir einige Begriffe, die wir zur Beschreibung von Störungenheranziehen können:

! Unter Rauschen versteht man einen nichtperiodischen Vorgang.Dieser ist nur statistisch beschreibbar und Einzelereignisse könnennicht erfasst werden.

! Eine intermittierende Störgröße tritt in Form von nichtperiodischenImpulsen auf. Eine intermittierende Störung ist dem Rauschen sehrähnlich.

Bild 1: Zusammenhang zwischen Störquelle, Kopplung und Störsenke

Bild 2: Schmal- und breitbandige Störer


Fahrzeugprüfungen: Störemission

Messung der Störemission in einem Absorberraum

X


Fahrzeugprüfungen: Störfestigkeit

Einstrahlung

Die Antenneneinstrahlung-Prüfung ist im Frequenzbereich von 20MHz ... 18GHz anwendbar (in begründeten Fällen kann die obere Prüffrequenz bis auf 1GHz herabgesetzt werden)

X


TLS steht für

Flughafen Toulouse-Blagnac in Frankreich (IATA-Code)

Suzuki TL1000 in der S-Version, ein Motorrad von Suzuki

Target Level of Safety, Grenzwerte in der Risikoanalyse

Technische Lieferbedingungen für Streckenstationen (von der Bundesanstalt für Straßenwesen herausgegebene Richtlinie)

Teilleistungsschwäche, z. B. Legasthenie oder Dyskalkulie

Third Level Support im IT-Management

Thread-local storage in der Informatik

Thüringer Landesamt für Statistik

Thüringer Landessternwarte Tautenburg

Times Literary Supplement, eine britische Literaturzeitschrift

Timor Leste, offizieller Name von Osttimor, als Länderkürzel nach ISO 3166

Total Least Squares, eine Erweiterung der Methode der kleinsten Quadrate

Transport Layer Security, ein Protokoll zur Verschlüsselung von Datenübertragungen im Internet

X

Dr. Bernhard Hohlfeld: Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive, TU Dresden, Fakultät Informatik, Sommersemester 2011 X

Dr. Bernhard Hohlfeld: Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive, TU Dresden, Fakultät Informatik, Sommersemester 2011 X

TLS


Straßenfahrzeuge

Straßenfahrzeuge - Fahrzeugprüfverfahren für elektrische Störungen durch schmalbandige gestrahlte elektromagnetische Energie - Teil 2: Störstrahlungsquellen außerhalb des Fahrzeugs (ISO/DIS 11451-2:1999)

Beginn des Projekts 2002-10-01Geplante Dokumentnummer DIN ISO 11451-2Kurzreferat Das Vorhaben beschreibt Verfahren mit einer Störstrahlungsquelle außerhalb des Fahrzeugs zur Prüfung von Personenkraftwagen (PKW) und Nutzfahrzeugen; die spezifizierten Fahrzeugprüfverfahren sind unabhängig vom Antriebssystem des Fahrzeugs (z. B. Ottomotor, Dieselmotor, Elektromotor). Die in diesem Teil der DIN ISO 11451 berücksichtigten elektromagnetischen Störgrößen beschränken sich auf kontinuierliche schmalbandige elektromagnetische Felder. Für die Prüfung werden die Prüfbedingungen, die Prüfeinrichtung (Absoberkammer oder Übertragungsleitungssystem (en: TLS)) sowie die Prüfausrüstung und die Durchführung der Prüfung festgelegt. Festlegungen zur Funktionszustands-Klassifizierung werden im Anhang A gegeben.Zuständiges nationales Arbeitsgremium DKE/UK 767.13 Elektromagnetische Verträglichkeit, Fahrzeuge

X


Straßenfahrzeuge

Straßenfahrzeuge - Fahrzeugprüfverfahren für elektrische Störungen durch schmalbandige gestrahlte elektromagnetische Energie - Teil 2: Störstrahlungsquellen außerhalb des Fahrzeugs (ISO/DIS 11451-2:1999)

Beginn des Projekts 2002-10-01Geplante Dokumentnummer DIN ISO 11451-2Kurzreferat Das Vorhaben beschreibt Verfahren mit einer Störstrahlungsquelle außerhalb des Fahrzeugs zur Prüfung von Personenkraftwagen (PKW) und Nutzfahrzeugen; die spezifizierten Fahrzeugprüfverfahren sind unabhängig vom Antriebssystem des Fahrzeugs (z. B. Ottomotor, Dieselmotor, Elektromotor). Die in diesem Teil der DIN ISO 11451 berücksichtigten elektromagnetischen Störgrößen beschränken sich auf kontinuierliche schmalbandige elektromagnetische Felder. Für die Prüfung werden die Prüfbedingungen, die Prüfeinrichtung (Absoberkammer oder Übertragungsleitungssystem (en: TLS)) sowie die Prüfausrüstung und die Durchführung der Prüfung festgelegt. Festlegungen zur Funktionszustands-Klassifizierung werden im Anhang A gegeben.Zuständiges nationales Arbeitsgremium DKE/UK 767.13 Elektromagnetische Verträglichkeit, Fahrzeuge

X

EMV


Road vehicles

Road vehicles - Vehicle test methods for electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy - Part 2: Off-vehicle radiation source (ISO/DIS 11451-2:1999)Project begin 2002-10-01Planned document number DIN ISO 11451-2Abstract The project specifies off-vehicle radiation source test methods and procedures for testing passenger cars and commercial vehicles regardless of the propulsion system (e.g. spark-ignition engine, diesel engine, electric motor). The electromagnetic disturbances considered in this part of ISO 11451 are limited to continuous narrowband electromagnetic fields. For the test the test conditions, the test equipment (absorber lined shielded enclosure, transmission line system (TLS)) and instrumentation and the test procedure are specified. Requirements concerning the function performance status classification are given in annex A.Responsible Committee DKE/UK 767.13 Elektromagnetische Verträglichkeit, Fahrzeuge

X


Road vehicles

Road vehicles - Vehicle test methods for electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy - Part 2: Off-vehicle radiation source (ISO/DIS 11451-2:1999)Project begin 2002-10-01Planned document number DIN ISO 11451-2Abstract The project specifies off-vehicle radiation source test methods and procedures for testing passenger cars and commercial vehicles regardless of the propulsion system (e.g. spark-ignition engine, diesel engine, electric motor). The electromagnetic disturbances considered in this part of ISO 11451 are limited to continuous narrowband electromagnetic fields. For the test the test conditions, the test equipment (absorber lined shielded enclosure, transmission line system (TLS)) and instrumentation and the test procedure are specified. Requirements concerning the function performance status classification are given in annex A.Responsible Committee DKE/UK 767.13 Elektromagnetische Verträglichkeit, Fahrzeuge

X

EMV


Fahrzeugprüfungen: Störfestigkeit

Elektrostatische Entladung (ESD)

Entladepunkte sind alle vom Benutzer berührbare Stellen des Prüflings selbst und der damit verbundenen Komponenten (z.B. Gehäuse, Stecker, Schalter, Kabel, Diagnoseleitung, etc.)

ESD-Anforderungen

Bei allen Prüfständen muss das Gerät während und nach der Beaufschlagung mit den Prüfparameternalle Funktionen wie vorgegeben erfüllen.

X

Prüfaufbau: ESD-Fahrzeugprüfung nachISO/TR 10605


5. E/E-Entwicklung






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5. E/E-Entwicklung

3. Mechatronik-Entwicklungen im Automobil1. Was ist Mechatronik ?

2. Mechatronik: Komponenten und Anwendungen im Automobil

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Mechatronik

MethodikSpezifikationEntwurfTest

KomponentenSensorenAktoren Mechanische KomponentenInformationsverarbeitende Komponenten

SystemeModellierungSimulationRegelungOptimierung

M eth od ikSys

tem

e

Ko

mp

onenten

M asch in e nb auEle

ktro

tech

nik

Inform

atik

Anwendungen

GrundlagenMathematik InformatikPhysikMechanikElektotechnik

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Teilgebiete der Mechatronik

Sensorik

Informationsverarbeitung

Aktorik

Steuerungstechnik

Regelungstechnik

Simulationstechnik

Robotik

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Mechatronik – Beispiele der einzelnen Teilgebiete

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5. E/E-Entwicklung

3. Mechatronik-Entwicklungen im Automobil1. Was ist Mechatronik ?

2. Mechatronik: Komponenten und Anwendungen im Automobil

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4. Das Automobil

1. Domänen1. Antriebsstrang

2. Fahrwerk

3. Karosserie

4. Multi-Media

5. Domänenübergreifende Systeme

6. Entwicklungen und Verschiebungen

2. x-by-wire: Technologien und Anwendungen1. x-by-wire-Technik

2. x-by-wire-Technik: Elektrische Bremsen

3. x-by-wire heute

4. x-by-wire: Warum eigentlich?

3. Lastkraftwagen (LKW)

4. Landmaschinen

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Mechatronik-Komponenten in der Karosserie

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Mechatronik-Komponenten in der Karosserie

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Mechatronik-Komponenten für KarosserieInterieur und Komfort

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Mechatronik-Komponenten für KarosserieInterieur und Komfort

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Mechatronik-Komponenten für KarosseriePassive Sicherheitssysteme

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Mechatronik-Komponenten für Karosserie Passive Sicherheitssysteme

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Mechatronik-Komponenten für den Antriebsstrang

41


Mechatronik-Komponenten für das Fahrwerk

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Mechatronik-Anwendungen im AutomobilX-by-Wire-Technik

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Throttle-by-Wire: Elektrisches Gaspedal Sensor am Gaspedal erfasst Signal des Fahrers.

Aktor steuert Drosselklappe

Gaszug entfällt

Shift-by-Wire: Elektrische Schaltung Gangwechsel wird durch Aktor im Getriebe

ausgelöst

Schaltgestänge entfällt

Brake-by-Wire: Elektrische Bremse Elektromechanische Bremse wird durch Signal

angesteuert

Bremsleitungen entfallen

Steer-by-Wire: Elektrische Lenkung Lenkwinkelsensor erfasst das Steuersignal des

Fahrers, Räder werden durch Aktor gelenkt

Lenkmechanismus entfällt

Lenkrad kann durch Joystick ersetzt werden


Mechatronik-Anwendungen im Automobil

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Sensorik

Informations-verarbeitung

Aktorik


5. E/E-Entwicklung






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5. E/E-Entwicklung

4. Kabelbaum und Energiebordnetze1. Bordnetz und Kabelbaum

2. 42V-Bordnetz und 2 SpBN

3. Alternative Energieversorgung für E/E-Komponenten

4. Energiebordnetze - Zukunft

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Bordnetz und Kabelbaum

Der Kabelbaum eines modernen Fahrzeugs besteht aus drei funktionalen Gruppen:

1. Elektrische Energieversorgung (Energiebordnetz)

2. Informationstechnische Verbindung zwischen den Systemen (Bussysteme)

3. HF-Verbindungen von den Antennen zu den Endgeräten

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Die Topologie ergibt sich aus Optimierungszielen:

1. Kosten

2. Gewicht

3. Montagefreundlichkeit

4. Betriebssicherheit

Das physikalische Bordnetz zählt zu den aufwändigsten, teuersten und schwersten Komponenten in modernen KFZ.

Beispiel BMW 5er Modelljahr 2003 Länge 7,3 km

Masse 55 kg

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Aus der Kosten- und Gewichtssicht rangiert der Kabelbaum bei modernen PKW auf Platz 3 nach Motor und Karosserie

Das Kabelbaumdesign wird sehr früh im Produktenstehungsprozeß festgelegt. Änderungen sind nur mit sehr großem Aufwand möglich. Modellvarianten werden in der Regel nicht oder nur in kleinen Details (Zündkabelbaum etc.) realisiert.

Der Kabelbaum hat starken Einfluß auf Performance von Leistungskomponenten, Betriebssicherheit von Steuergeräten, Effizienz der Buskommunikation und EMV-Immission z.B. bei Infotainment-Systemen.

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5. E/E-Entwicklung





50


42V-Bordnetz und 2SpBN (2 Spannungsbordnetz)

Gestern Wenige und einfache Systeme

Zündung

Scheibenwischer

Blinker

Licht

Gesamtleistung <100W

Heute Umfangreiche Komfort- und Sicherheitssysteme

Sitzheizung

Sitzverstellung

Aktivlenkung

Verbrauchs/Immisionsreduzierung

Katalysatorheizung

Gesamtleistung >6kW

Morgen x-by-Wire

Throttle-by-Wire: Elektrisches Gaspedal

Shift-by-Wire: Elektrische Schaltung

Brake-by-Wire: Elektrische Bremse

Steer-by-Wire: Elektrische Lenkung

Erweiterung der Komfortfunktionen

Gesamtleistung: ???

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42V-Bordnetz und 2SpBN

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Gründe für 42V-Bordnetz

Leitungsverluste (Strom 1/3, Verluste 1/9) Energieeinsparung

Reduzierte Leitungsquerschnitte Gewichtsersparnis

Möglichkeit für neue Systeme E-Kat

Aktivlenkung

Realisierung bekannter Funktionen als elektrische Systeme Reduktion

TTM

Entwicklungskosten

Erhöhung Gleichteileanteil

Grundlage für hybridelektrische Antriebskonzepte

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Übergang zum 42V-Bordnetz

Abrupter Übergang problematisch: Verfügbarkeit von HL-Komponenten

Gängige Prozesse ergeben Spannungsfestigkeit bis ~48V:

Zu wenig für 42V-BN

Viele Komponenten zu teuer aus Stückzahlgründen

Sicherungen

Steckverbinder

Fremdstart problematisch

Weiche Migration erforderlich 14V/42V-Zweispannungsbordnetz (2SpBN)

Siehe auch:

x-by-wire-Entwicklungen x-by-wire: Warum eigentlich?

54


Basisbordnetz (12V) mit Erweiterung auf 24V

Quelle: [Meitinger]

Siehe auch:Kabelbaum und Energiebordnetze42V-Bordnetz und 2 SpBN

55

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42V-Technologie: Probleme und offene Fragen

Technik Mangelnde Entwicklungserfahrung

EMV

Stabilität

Design

Lichtbogenproblematik

Logistik und Preis Steckverbinder

Sicherungen

Leistungshalbleiter

Logikbausteine

Organisation Ausstattung/Umschulung von Fertigung und Vertrieb/Service

Parallele Fertigung von alter und neuer Technologie

56


5. E/E-Entwicklung





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Alternative Energieversorgung für E-E-Komponenten

58

SOC = engl. Abkürzung für State of Charge = Ladezustand Batterie



59



60



61



62

Vorteile der Brennstoffzelle Strom und Wärme nutzbar

Saubere Abgase

Möglichkeit von langfristig großer elektrischer und thermodynamischer Leistung ohne Motorlauf

Standklima

mobile office

Nachteile der Brennstoffzelle: Kosten

Wasserstoff

Herstellung

Verfügbarkeit

Lagerung (Tankstelle)

Speicherung (Fahrzeug)

Gesamtenergiebilanz betrachten!


5. E/E-Entwicklung





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Energiebordnetze - Zukunft

Kernelemente: 2-Spannungsbordnetz

Li-Polymerbatterien 12V und 36V

Kurbelwellen-Starter-Generator

APU: Brennstoffzelle

Hilfstriebwerk (engl. auxiliary power unit, APU)

Elektromechanische Bremse

„Brake-by-Wire“

Elektrischer Ventiltrieb

„Throttle-by-wire“

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Elektromechanische. Bremse

Kurbelwellen-Starter-Generator

Elektrischer Ventiltrieb

Brennstoffzellen-APU

Batterie 12V

Batterie 36V

Powermanagement

SuperCAPs


Supercap statt Akku: Neue Hochleistungs-Energie-puffer machen Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher (1)

http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht-30605.html

Für den Einbau in den Brennstoffzellen-Bora verbanden die Schweizer Entwickler je 140 Supercaps zu zwei Modulen, die sie unter der Motorhaube und unter dem Rücksitz platzierten. Foto: psi

X


Supercap statt Akku: Neue Hochleistungs-Energie-puffer machen Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher (2)

Supercaps sollen künftige Brennstoffzellenautos wirtschaftlicher machen und deren Fahrleistungen verbessern: Die Hochleistungs-Kondensatoren werden mit überschüssiger Energie oder mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs freiwerdenden Energie aufgeladen. Beim Beschleunigen bringt der Energieschub aus den Supercaps zusätzliche Leistung. Anders als Akkus unterliegen solche Kondensatoren jedoch keinem Verschleiß.

Die Motoren gewöhnlicher Autos mit Verbrennungsmotor sind etwa um den Faktor zwei überdimensioniert: Die maximale Motorleistung wird nur während eines Bruchteils der Betriebszeit benötigt, etwa beim Beschleunigen aus dem Stand oder bei einem Überholmanöver. Den größten Teil der Zeit, beispielsweise beim "Mitschwimmen" im dichten Verkehr oder bei der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Bundesstraße, würde ein Motor mit wesentlich geringerer Leistung völlig ausreichen. Überdimensionierte Motoren sind jedoch nicht nur teurer und schwerer, sie verbrauchen insgesamt auch mehr Kraftstoff, da der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im unteren Bereich seiner Leistungskurve deutlich geringer ist.

X


Porsche-Beispiel, siehe SPIEGEL

X


5. E/E-Entwicklung






65


5. E/E-Entwicklung

5. Bussysteme im Automobil1. Einleitung und Anforderungen

2. Fehlersicherheit und Codierung

3. Zeitverhalten

4. Topologien

5. Protokolle und Bussysteme

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Einleitung und Anforderungen

Früher: Geringer Umfang der E/E-Systeme im Fahrzeug

Übertragung der Informationen über dedizierte Leitungen

Schalter -> SG

Sensor -> SG

SG -> Aktor

SG <-> SG

Heute Ständig steigende Anzahl von Steuergeräten, Sensoren, elektromechanischen Aktuatoren und Bedienelementen

Gestiegener Informationsaustausch zwischen verschiedenen Steuergeräten und Teilsystemen

Verkabelung über einzelne Kabel stößt an Grenzen bzgl. Bauraum, Gewicht, Anschlußzahl und Kosten

Lösung Bussysteme im Automobil

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Dr. Bernhard Hohlfeld: Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive, TU Dresden, Fakultät Informatik, Sommersemester 2011 68

Türsteuerung: Steuergeräte, Aktoren, SensorenStruktur und Vernetzung

Funktion “Tür entriegeln”

Von aussen über Funkschlüssel (1)

Von innen über Schalter (2)

Von innen über Airbagsensor (3)

Funktion “Tür verriegeln”

Von aussen über Funkschlüssel (1)

Von innen über Schalter (4)

Von innen zeitgesteuert (5)

Von innen geschwindigkeitsgesteuert (6)

Komfortfunktionen

Ein- und Ausschalten der Geschwindigkeitsgesteuerung (7)

Anzeige des Verriegelungszustands im Display (8)

–

Schliess-mechanismus

Schlüssel

Airbag-Sensor

Kombi-Instrument

Empfänger

Schalter

TürsteuergerätTSG

Geschw.-Sensor

Multifunktions-lenkrad

HU Display

Ausserdem Kabel fürSpiegel, Blinker, Lautsprecher und Seitenairbag


Einleitung und Anforderungen

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Hardware Layer Topologie, Übertragungsmedium

Transferrate Brutto- und Nettotransferrate

Zeitverhalten Synchron (deterministisch) vs. Asynchron

Fehlererkennung Hamming-Distanz, Busmonitoring, ACK

Ausfallsicherheit Auswirkung ausgefallener oder störender ECUs, Redundanz

Kosten Hardware- und Softwarekosten, Lizenzgebühren


5. E/E-Entwicklung



3. Zeitverhalten

4. Topologien


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Fehlersicherheit und Codierung - Verfahren

Parity: XOR aller Bits der Nachricht wird als Paritybit angehängt

Bandbreitenbedarf: 1 Bit unabhängig von der Wortlänge

Hammingdistanz: 2 -> erkennt nur einfache Fehler

Checksum: Quersumme aller Bits des Wortes wird angehängt

Bandbreitenbedarf: log2(n) Bits

Empfindlich gegen systematische Fehler (Zahlendreher etc.)

Zyklische Codes: Verwendet nichtlineare Eigenschaften bestimmter mathematischer Gruppen (Ideale) zur Optimierung des

Verhältnisses von Hammingdistanz zu Bandbreitenbedarf

Unempfindlich gegen die meisten statistischen und systematischen Fehler

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Fehlersicherheit und Codierung - Anforderungen

Sprache / Telefon Verlust von Datenpaketen Unkritisch

Verzögerung Kritisch

email Verlust von Datenpaketen Kritisch

Verzögerung Unkritisch

Motorsteuerung Verlust von Datenpaketen Kritisch

Verzögerung Kritisch

Steer by Wire Verlust von Datenpaketen Kritisch!!

Verzögerung Kritisch!!

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5. E/E-Entwicklung



3. Zeitverhalten

4. Topologien


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Zeitverhalten - asynchron

Bei inaktivem Bus (idle) kann jeder Teilnehmer durch Senden des dominanten Start-Bit Kommunikation beginnen

Beginnen 2 oder mehr Teilnehmer gleichzeitig einen Sendeversuch, wird über das ID-Feld eine Arbitrierung durchgeführt Flexible Bandbreitennutzung

Versenden von Nachrichten in bestimmter Zeit kann nicht garantiert werden

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Zeitverhalten - synchron

Ein Busmaster synchronisiert alle Teilnehmer durch Senden eines Synchronisationssignals (SYNC-Puls)

Innerhalb eines Zyklus gibt es für bestimmte (hochpriore) Nachrichten-IDs festgelegte Zeitfenster, in denen deren Übertragung garantiert wird.

Freibleibende Zeit kann für asynchrone (niederpriore) Nachrichten genutzt werden Deterministisches Verhalten und flexible Bandbreitennutzung

Bedarf für dedizierten Busmaster, inflexible Struktur für die Auslegung niederpriorer/hochpriorer Nachrichten

75


5. E/E-Entwicklung



3. Zeitverhalten

4. Topologien


76


Bei direkter Verbindung sind für 6 SGe 15 Leitungen und 30 Transceiver notwendig

Keine Probleme mit Deterministik

Datenmanagement im SG sehr aufwändig Anwendung lediglich für Point-to-Point-Verbindung

Nicht benutzbar für große Systeme (Gewicht, Kosten, Datenmanagement)

Topologien - Direkte Verbindung

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SG 1

SG 2

SG 4

SG 3

SG 6

SG 5

Im Ring sind für 6 SGe 6 Leitungen und 12 Single Ended Transceiver notwendig

Protokollstruktur z.B. durch Tokens, gewährleistet hohe Performance, aber Einbrüche der Übertragung bei Verlust des Tokens

Busmaster notwendig, aber Backup durch beliebiges anderes SG möglich

Gewährleistung der Kommunikation bei Ausfall der Transceiver eines SG schwierig Hervorragend für Breitband-Datendienste (Infotainment)

Nicht geeignet für sicherheitskritische Anwendungen


Topologien - Ring

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SG 1

SG 2

SG 4

SG 3

SG 6

SG 5


Beim Bus ist für 6 SGe „eine große Leitung“ und 6 bidirektionale Transceiver notwendig

Aushandlung der Kommunikation über nichtdeterministische Arbitrierung oder aufwändige und bandbreitenintensive Protokolle

Ausfall eines SGes beeinträchtigt Kommunikation nicht

Kostengünstig und (bei niedriger Bandbreite) unkompliziert Einsatz für sicherheitskritische Systeme erfordert spezielles Protokoll

Nettobandbreite ungeeignet für datenintensive Dienste

Topologien - Bus

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SG 1

SG 4

SG 5 SG 3

SG 2SG 6


Im Stern sind für 6 SGe 5 Leitungen und 10 bidirektionale Transceiver notwendig

Zentrales SG kann effektiv Netzmanagement betreiben (Fehlerbehandlung etc.)

Mit zentralem SG steht und fällt das System, ansonsten extrem ausfallsicher!

Protokolle können je nach Anforderung als Point-to-Point oder Bus gefahren werden Je nach Protokoll für alle Anwendungen geeignet

Abhängigkeit von zentralem SG erfordert spezielle Maßnahmen: Ausfallsicherheit

Topologien - Stern

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SG 1

SG 2

SG 3

SG 6

SG 5SG 4


5. E/E-Entwicklung



3. Zeitverhalten

4. Topologien


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siehe Reif, Elektronik

X


Bussysteme im KFZ - ÜberblickQuelle: Vector Informatik GmbH

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CAN Lowspeed Bus

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CAN Highspeed Bus

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Protokolle und Bussysteme: CAN (Controller Area Network)

Entwickelt von Bosch und Intel 1981

ISO/OSI-Standard

Eigenschaften: Bandbreite bis 150 kbit/s, mit Terminierung bis 500 kbit/s (PT-CAN)

Asynchroner Betrieb ohne Busmaster mit Arbitrierung

Variante für Synchronbetrieb: TTCAN (time triggered CAN)

Physical Layer: Bus, twisted pair

Fehlererkennung: CRC-16, d=6

Große Zahl von Systemkomponenten verfügbar (Transceiver, Controller) Geeignet für allgemeine, nichtkritische Anwendungen (Karosserie, Komfortsysteme)

Nicht geeignet für Multimedia, x-by-Wire, Sicherheitssysteme

http://www.can-cia.org/

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LIN Local Interconnect Network

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Protokolle und Bussysteme: LIN (Local Interconnect Bus)

Entwickelt von internationalem OEM-Konsortium

Nichtkommerziell

Eigenschaften: Bandbreite 19.2 kbit/s

Synchroner Master/Slave-Betrieb, optimierbar für P2P

Physical Layer: Bus, twisted pair

Fehlererkennung: inverted mod256-Checksum

Mit gängigen Line Drivers realisierbar: kostengünstig

Flexible, kostengünstige und hinreichend sichere Lösung für alle wenig datenintensiven Kommunikationsdienste und Point2Point-Verbindungen Intelligente Sensoren

Backupleitungen

Diagnoseschnittstellen

http://www.lin-subbus.org/

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MOST

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Protokolle und Bussysteme: MOST (Media Orientated System Transport)

Entwickelt von BMW, DaimlerChrysler, Harman, OASIS seit 1998

ISO/OSI-Standard, frei

Eigenschaften: Bandbreite 24.8 Mbit/s

Asynchroner und synchroner Betrieb mit Busmaster

Physical Layer: Stern, Kette, Ring (in praxi: Ring), Lichtwellenleiter


Geeignet für datenintensive Infotainment-Dienste

Nicht geeignet für x-by-Wire, Sicherheitssysteme

http://www.mostcooperation.com/home/index.html

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FlexRay

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Protokolle und Bussysteme: FlexRay

Entwickelt von BMW, DaimlerChrysler & div. HL-Herstellern seit 1999

Nichtkommerziell, frei

Eigenschaften: Bandbreite bis 10 Mbit/s

Asynchroner und synchroner Betrieb mit Busmaster

Physical Layer: beliebige Topologie, beliebiges Medium

Redundante Systemauslegung möglich


Geeignet für sicherheitskritische Anwendungen (x-by-Wire)

Für Multimedia u.U. Bandbreite zu niedrig

http://www.flexray.com/

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Protokolle und Bussysteme: Beispiele

Audi A2, Modelljahr 2002

Powertrain: Highspeed-CAN

Innenraum/Karosserie: Lowspeed-CAN

Display/MMI: Lowspeed-CAN

Unabhängiger Diagnosebus

Gateway: Kombi Motor-CAN

Innenraum-CAN

Display-CAN

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BMW 7er, Modelljahr 2001 (E65)


Karosserie und Peripherie: Lowspeed-CAN

Infotainment: MOST

Passive Sicherheit: byteflight

Motor: Highspeed-CAN (nicht gezeigt)

Diagnose: K-Line

Backups: K-Line Airbag-Telefon, Blinkerhebel-LSZ,

Gangwahl-EGS, DSC-ABS,...)

Gateways ZGM (byteflight, K-CAN, PT-CAN, Diagnose)

DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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Infotainment: MOST



Diagnose: K-Line




DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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Infotainment: MOST



Diagnose: K-Line




DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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Infotainment: MOST



Diagnose: K-Line




DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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Infotainment: MOST



Diagnose: K-Line




DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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Infotainment: MOST



Diagnose: K-Line




DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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Infotainment: MOST



Diagnose: K-Line




DME (PT-CAN, LoCAN)

MMI (K-CAN, MOST)

Kombi (K-CAN, MOST)

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S. Esch, B. Lang: Elektronik- und Vernetzungsarchitektur mit gesteigerter Leistungsfähigkeit Sonderausgabe von ATZ und MTZ, Juni 2008

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Elektronik- und Vernetzungs-architektur mit gesteigerter Leistungsfähigkeit Den neuen Audi Q5 zeichnet eine hohe Anzahl an unterschiedlichsten elektrischen Funktionen aus. Die gewählte Elek-tronikarchitektur unterstützt sowohl eine kosteneffiziente Basisausstattung als auch die umfangreichen Sonderausstat-tungen. Das verwendete Architekturkonzept ist eine evolutionäre Weiterentwicklung des mit den Fahrzeugen Audi A8 und Audi A3 erstmalig eingeführten zentralen Vernetzungskonzeptes. Die ständig steigende Anzahl der Funktionen er-streckt sich mehr und mehr über alle Funktionsbereiche und Busdomänen. In der Vergangenheit konzentrierten sich die Funktionserweiterungen vorwiegend auf den Bereich der Karosserieelektronik und der Infotainmentsysteme. Im Fahr-zeugprojekt Audi Q5 zeigte sich zusätzlich die Notwendigkeit der stärkeren Vernetzung aller Funktionsbereiche.

AUDI Q5

Audi Q5194

Elektrik/Elektronik | Architektur


Zunahme der vernetzten Funktionen: Beispiel Audi

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1 Einleitung

Neue Komfortfunktionen, wie Keyless-Entry/-Go, innovative Fahrwerkregelsys-teme, Infotainmentkomponenten mit MOST-Vernetzung und der rasante An-stieg der Fahrerassistenzsysteme stellen neue Anforderungen an die Vernetzungs-architektur, Bild 1. Darüber hinaus bietet der Audi Q5 eine hohe Vielzahl an Aus-stattungsvarianten mit einer sehr groß-en Funktionsspanne zwischen den Basis- und den Topausstattungen. Diese funktio-nalen Anforderungen werden durch An-forderungen hinsichtlich Qualität, Test-barkeit, Diagnostizierbarkeit und Defini-tion eines fahrzeugübergreifenden Elek-tronikbaukastens ergänzt. Die Realisie-rung dieser Eigenschaften bedingt eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Vernetzungsarchitektur. Aus diesem Grund gilt der Auswahl und Spezifika-tion der Bussysteme und ihrer Fähig-keiten ein besonderes Augenmerk.

2 Standardisierung ermöglicht fahrzeugübergreifenden Einsatz von Systemen

In der Vergangenheit bestand die ty-pische Fahrzeugvernetzung aus einem oder mehreren Haupt-Bussystemen – in der Regel CAN – und den daran ange-schlossenen Steuergeräten und System-komponenten. Diese Bussysteme wurden

von den Vernetzungsabteilungen der OEMs betreut und im Rahmen der Frei-gabeuntersuchungen auf Einhaltung der Spezifikationen überprüft. Die lokalen Schnittstellen und Verbindungen inner-halb der Systemkomponenten sind dabei von den Systemlieferanten eigenständig entwickelt worden.

Durch die fortschreitende Integration und den gleichzeitigen strikten Einsatz des Baukastengedankens ergeben sich im Audi Q5 besondere Anforderungen. Der fahrzeugübergreifende Einsatz von Haupt- und Subkomponenten erzwingt die Standardisierung der lokalen Schnitt-stellen. Dies ermöglicht zum Beispiel den Einsatz einer elektrischen Schiebe-dachsteuerung (Subkomponente) in mehreren Fahrzeugen. Die Hauptkompo-nente bleibt hierbei auch bei einer me-chanischen Änderung des Schiebedaches unverändert. Zusätzlich können beide Komponenten unabhängig voneinander weiterentwickelt beziehungsweise er-setzt werden.

Aufgrund dieser Vorteile kommen zu-künftig in allen Audi-Fahrzeugbaureihen nur noch standardisierte Schnittstellen zum Einsatz. Die kommerziellen und technischen Anforderungen (Basiskos-ten, Datenübertragungsrate, Kommuni-kationstechnik) bedingen den Einsatz verschiedener Bussysteme:– LIN: 9,6 / 19,2 Kbit/s– CAN: 100 / 500 Kbit/s– MOST: 21 Mbit/s.

Die Autoren

Dipl.-Ing. (FH) Stephan Eschist Leiter der Fahrzeug-vernetzung bei der AUDI AG in Ingolstadt.

Dipl.-Ing. (FH) Bardo Langist zuständig für Fahr-zeugarchitekturen bei der AUDI AG in Ingol-stadt.

Bild 1: Entwicklung der Funktions-umfänge, aufgeteilt nach Fahrzeug-domänen

Sonderausgabe von ATZ und MTZ I Juni 2008 195


Im Infotainment-Bereich vereint der neue Audi Q5 Elemente des Audi A3 (CAN) und des A8 (MOST)

102

2.2 Netzwerkmanagement für CAN-HighspeedAn einem weckfähigen CAN-Highspeed-Bussystem sind die Steuergeräte dauer-haft über die Kl.30 versorgt. Zur Sicher-stellung eines robusten Wakeup-/Sleep-verhaltens ist die Verwendung eines ge-eigneten Netzwerkmanagements not-wendig. Erste Untersuchungen zeigten, dass das im Elektronikbaukasten vorhan-dene OSEK-Netzwerkmanagement nicht eingesetzt werden konnte. Für das neue Managementsystem wurden folgende Prämissen ausgearbeitet:– Weckfähigkeit ohne diskrete Wecklei-

tungen– Konzentration auf notwendige Funk-

tion (Koordination Wakeup/Power-down)

– Verwendung in sowohl interruptba-sierten als auch pollingbasierten Steu-ergeräten

– Unterstützung des busübergreifenden Weckens

– Unterstützung von erweiterten Statu-sinformationen.

Zur Umsetzung der Weckfähigkeit müs-sen spezielle weckfähige CAN-Transcei-ver eingesetzt werden. Durch einen digi-talen Ausgang können diese den Span-nungsregler eines Steuergerätes aktivie-ren. Zur Sicherstellung der Kompatibili-

tät wurden mehrere CAN-Highspeed-Transceiver hinsichtlich Funktion und EMV-Stabilität qualifiziert.

Des Weiteren ist ein einfacher und überschaubarer Software-Mechanismus notwendig. Dieser koordiniert das Auf-wachen beim Empfang von CAN-Bot-schaften, die Aufrechterhaltung der Buskommunikation und das anschlie-ßend gleichzeitige Herunterfahren des Bussystems. Hierzu wurde das neue Netzwerkmanagement High (NM High) entwickelt. Dieses basiert auf einem we-sentlich einfacheren Algorithmus als das aus dem Low-Speed-Bereich bekann-te OSEK-Netzwerkmanagement. Neben den Funktionsvorteilen konnten da-durch erhebliche Ressourceneinspa-rungen beim Speicherbedarf der Stan-dard-Software erzielt werden. Diese Software-Spezifikation wurde von Audi in Autosar eingebracht und darin stan-dardisiert. Die Funktionsweise des NM High ist in Bild 2 dargestellt. Durch die Abbildung der NM-Zustände und der NM-Übergänge in den Datenbytes des NM High ist eine Analyse der einzelnen Steuergeräte während des Fahrzeugbe-triebs sehr einfach möglich. Das kom-plette Verhalten bei Wakeup oder auch Sleep kann damit lückenlos analysiert werden.

3 Vernetzungsarchitektur: Revolution oder Evolution?

Mit dem in den Fahrzeugen Audi A8 und A3 eingeführten zentralen Architektur-konzept steht eine Vernetzungsarchitek-tur zur Verfügung, welche bereits viele Anforderungen erfüllt: sowohl A-Klassen-fahrzeuge (Audi A3), als auch hochausge-stattete C- und D-Klassenfahrzeuge (Audi A6 und A8) lassen sich mit sehr guter Qualität und hoher Kosteneffizienz reali-sieren.

Im Audi A3 kommen ausschließlich Infotainmentsysteme auf Basis der CAN-Bustechnologie zum Einsatz, im Audi A8 kommunizieren die Infotainment-systeme auf Basis der MOST-Technolo-gie, Bild 3. Im Audi Q5 sollten beide Sys-temvarianten, CAN und MOST ermög-licht werden.

Des Weiteren musste das im Audi A8 bereits vorhandene Bussystem für die Fahrerassistenzsysteme eingesetzt wer-den. Zusätzlich wurde ein Konzept zur kostengünstigen Darstellung eines Basis-umfangs analog Audi A3 notwendig. Die Abdeckung dieser Variantenvielfalt er-forderte die Entwicklung einer hochska-lierbaren Architektur. Zu Beginn der Konzeptuntersuchungen standen zwei Architekturansätze zur Auswahl. Eine

Bild 3: Im Infotainment-Bereich vereint der neue Audi Q5-Elemente des Audi A3 (CAN) und des A8 (MOST)

Sonderausgabe von ATZ und MTZ I Juni 2008 197

Im Audi A3 kommen ausschließlich Infotainmentsysteme auf Basis der CAN- Bustechnologie zum Einsatz, im Audi A8 kommunizieren die Infotainmentsysteme auf Basis der MOST-Technologie. Im Audi Q5 sollten beide Systemvarianten, CAN und MOST ermöglicht werden.


Der Audi Q5 zeigt eine Elektronik-Gesamtarchitektur wie im Oberklasse-Segment

Des Weiteren musste das im Audi A8 bereits vorhandene Bussystem für die Fahrerassistenzsysteme eingesetzt werden. Zusätzlich wurde ein Konzept zur kostengünstigen Darstellung eines Basisumfangs analog Audi A3 notwendig. Die Abdeckung dieser Variantenvielfalt erforderte die Entwicklung einer hochskalierbaren Architektur.

103

Möglichkeit war die komplette Neuent-wicklung der Fahrzeugarchitektur, alter-nativ eine Optimierung der vorhande-nen, bewährten, zentralen Fahrzeugar-chitektur. Die Konzeptuntersuchungen wurden durch zusätzliche Analysen er-gänzt, wobei die Schwerpunkte auf den nachfolgenden Themen lagen:– Funktionsverbesserung– Kostenoptimierung– Qualitätssteigerung.

3.1 Integration des EnergiemanagementsDie Integration des Energiemanage-ments stellte sich als eine wesentliche Optimierungsmöglichkeit heraus. Durch die Zusammenlegung von Gateway-Steu-ergerät und Energiemanagement wurde eine deutliche Kosteneinsparung reali-siert. Neben den finanziellen Vorteilen können durch diese Integration deut-liche Verbesserungen hinsichtlich Dia-gnose und Funktionsqualität erzielt wer-den. Durch die Verknüpfung der globa-len Bus- und Steuergerätzustände im

Gateway und der Stromverbrauchswerte des Energiemanagements entstand ein neues Konzept. Dies ermöglicht die zen-trale Überwachung des Fahrzeugzustan-des und liefert detaillierte Informationen zur Fehleranalyse.

3.2 Architekturauslegung über FahrzeuglebenszyklusDurch den Einsatz neuer Funktionen (zum Beispiel Fahrwerkregelsysteme) steigt der Kommunikationsbedarf einer Fahrzeugbaureihe innerhalb des Produk-tionszeitraums stetig an. Die besondere Herausforderung bei der Architekturaus-legung besteht darin, die Funktionen und Steuergeräte so zu verteilen, dass die Kommunikationsbusse noch genügend Reserven für Funktionserweiterungen haben.

Eine detaillierte Analyse der geplanten Fahrwerksregelsysteme ergab einen ho-hen Kommunikationsbedarf zwischen diesen Systemen. Ohne zusätzliche Maß-nahmen wäre der Spielraum für zukünf-

tige Funktionserweiterungen sehr stark eingeschränkt. Durch die Einführung eines CAN-Subbussystems konnten die Spezifikationsgrenzen der Busbelastung eingehalten werden. Durch die evolutio-näre Weiterentwicklung der bestehen-den zentralen Vernetzungsarchitektur ergibt sich eine skalierbare und effizi-ente Gesamtarchitektur, welche sowohl der Kosteneffektivität als auch der Funk-tionsvarianz Rechnung trägt, Bild 4.

Bild 4: Der Audi Q5 zeigt eine Elektronik-Gesamtarchitektur wie im Oberklasse-Segment

AUDI Q5

Audi Q5198

Elektrik/Elektronik | Architektur


Datenkommunikationsbordnetz des BMW F01/F02

Quelle: F. Burgdorf: Eine kunden- und lebenszyklusorientierte Produktfamilienabsicherung für die Automobilindustrie, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 2010.

104

Abbildung 2.3: Datenkommunikationsbordnetz des BMW F01/F02.

Der CAN-Bus bietet durch dessen potentialfreie Übertragung mit Differenzsignalen

über verdrillte Kupferkabel eine störsichere Netzwerkumgebung. Die Datenüber-

tragung funktioniert asynchron und seriell, es entstehen nur verhältnismäßig ge-

ringe Verluste bei der bitweisen Arbitrierung auf Identifier-Basis mit dem Carrier

Sense Multiple Access / Collision Resolution (CSMA/CR)-Verfahren und entspre-

chender Priorisierung. Durch die asynchrone Übertragung ist das Zeitverhalten des

Protokolls nicht garantierbar, weiterhin ist die Datenrate auf maximal 1 MBit/secbegrenzt [Ets01].

Das MOST-Protokoll wurde mit einer maximalen Datenrate von 24, 8 MBit/sec spezi-

ell für die Audio- und Videoübertragung entwickelt. Die Datenübertragung erfolgt

bitseriell und optisch über Glasfaserleitungen. Die verfügbare Bandbreite ist dabei

in einen synchronen, einen asynchronen sowie in einen Kontrollteil aufgeteilt. Der

synchrone Teil dient der eigentlichen Datenübertragung der Teilnehmer in den für

sie vorgegebenen Zeitslots. Der asynchrone Teil ermöglicht zusätzlich eine ereignisge-

steuerte Datenübermittlung, der Kontrollteil ist für entsprechende Kontrollbefehle

reserviert [Grz07]. Bei der BMW Group stellt ein Ring die MOST-Topologie dar, die

Kommunikation erfolgt nach dem Single-Master-Prinzip.

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Vorlesung Automotive Software-Engineering - TU Dresden ASE SS 2011... · INFORMATIK CONSULTING...

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