Vor allem durch das Wachstum in Nordamerika und China verkaufen die OEMs laut einer Untersuchung von IHS Automotive im Jahr 2015 weltweit an die 88 Millionen Kraftfahrzeuge (Autos und Kleinlastwagen). Im Jahr 2020 soll diese Zahl sogar auf 107 Millionen ansteigen. Derzeit sind in jedem Fahrzeug an die 50 bis 100 Sensoren verbaut. Das prognostizierte Wachstum verdoppelt diese Zahl auf 200 Sensoren pro Fahrzeug, was zu einem jährlichen Einsatz von über 21 Milliarden Sensoren in der Automotive-Industrie im Jahr 2020 führt. Sicherheits- und Unterstützungssysteme sind das am schnellsten wachsende Segment im Bereich der Automobilelektronik, und Reifendruckkontrollsysteme (TPMS, Tire Pressure Monitoring Systems) nehmen dabei einen wesentlichen Bestandteil dieses Sensormarktes ein.

Bild 1: Magnus-S-basierte passive Reifendrucksensoren messen den tatsächlichen Luftdruck in jedem Reifen.

Bild 1: Magnus-S-basierte passive Reifendrucksensoren messen den tatsächlichen Luftdruck in jedem Reifen.RF Micron

Heutige TPMS sind zwar ausgereift aber auch komplex, teuer und aufgrund ihrer Batterieabhängigkeit bedenklich. Ein am Reifenventil angebrachter Drucksensor besteht aus mehreren Bauteilen und enthält nicht nur das Sensorelement, sondern auch einen Bewegungssensor, einen Temperatursensor und neben der Batterie auch einen ziemlich leistungsfähigen Prozessor. Die zusätzlichen Bauelemente, die den Batterieverbrauch regeln und den Sensorausgang aufbereiten, erhöhen die Systemkosten.

Aktives TPMS mit passiver Technologie

RF Micron geht einen anderen Weg, wenn es um die Reifendruckkontrolle geht: drahtlos, wartungsfrei, ohne Batterie und kostengünstig. Die Lösung basiert auf dem Magnus S genannten Chip, der passive Sensorik und drahtlose Kommunikation bereitstellt. Auch die Seriennummer des Reifens lässt sich zur Nachverfolgung und für eventuelle Rückrufaktionen mit speichern.

Ein voll funktionsfähiger TPMS-Sensor besteht aus lediglich zwei Bauteilen: dem Magnus-S-Chip und einer Antenne, wobei die Verbindung zwischen Chip und Antenne über zwei elektrische Anschlüsse erfolgt. Andere Bauteile sind nicht erforderlich, außer dem Gehäuse für den Chip und dessen Befestigung am Reifen oder Rad. Der Sensor kommuniziert über herkömmliche Funksignale nach dem UHF-Protokoll gemäß ISO 18000-6C. Das von der Tag-Antenne empfangene Funksignal versorgt den Magnus-S-Chip mit Strom. Jede Änderung des Reifendrucks führt zu einer Impedanzänderung der Antenne. Der Chip erkennt diese Änderung und passt seine Eingangsimpedanz automatisch an. Den Messwert der Eingangsimpedanzänderung überträgt Magnus S als Sensorcode aus dem Reifen. Der Code ändert sich mit der Änderung der Antennenimpedanz, die durch eine Reifendruckänderung auftritt. Der Sensorcode wird an den Funkempfänger geleitet und in eine Reifendruckanzeige auf dem Armaturenbrett umgewandelt.

Sicherheit

Bild 2: TMPS-Architektur im Fahrzeug.

Bild 2: TMPS-Architektur im Fahrzeug.RF Micron

Bei TMPS-Systemen spielt auch die Sicherheit eine wichtige Rolle. Der Ansatz von RF Micron basiert auf der Spezifikation EPC Class-1 Gen2 UHF RFID-Version 1.2.0. Die Umsetzung erfordert zwei integrierte Algorithmen: einen Schlüssel-Austauschalgorithmus (wie Diffie-Hellman) und einen privaten Schlüssel-Entschlüsselungsalgorithmus (wie AES-128). Der Baustein nutzt diese, um die Kommunikationsdaten zu verschlüsseln beziehungsweise zu entschlüsseln. Diese Verschlüsselung bietet die notwendige Sicherheit, sodass nur Berechtigte die Kommunikation zwischen dem Funkempfänger und den TPMS-Sensoren lesen können.

Aktives TPMS ohne Batterie

Dieser neue Sensoransatz erübrigt die vorhandene Batterie, die für einen Wartungsaufwand und betriebliche Einschränkungen sorgt. Um eine möglichst lange Batterielebensdauer zu realisieren, schalten derzeitige TPMS-Lösungen das Sensormodul ab, sobald sich der Reifen nicht mehr bewegt. Damit erhöht sich die Komplexität des Moduls, und eine Reifendruckmessung bei geparktem Fahrzeug ist nicht möglich. Tritt vor Fahrtantritt ein platter Reifen auf, ist sich der Fahrer nicht über diese Situation bewusst, und es kann zu einer Beschädigung des Reifens kommen.

Ein Beitrag auf der Produkttestseite Consumer Reports aus dem Jahr 2013 beschreibt diese Situation folgendermaßen: „Trotz ihrer eindeutigen Sicherheitsvorteile können Reifendruckkontrollsysteme teure Probleme bereiten – für Kunden sowie für Reifenhändler“. Beim Reifenwechsel oder bei der Reparatur kann es leicht zu einer Beschädigung der Systeme kommen, und ihre nicht austauschbaren Batterien führen zu einer schwierigen Wartungsfrage für Kunden: Müssen beim Wechsel der Reifen eines vier Jahre alten Fahrzeugs auch die Reifendrucksensoren gewechselt werden, die eigentlich auf eine Batterielebensdauer von fünf bis sieben Jahren ausgelegt sind? Allerdings müssen bei der Installation neuer Sensoren die Reifen entfernt, wieder aufgezogen und neu ausgewuchtet werden. Ist ein jährliches Aufziehen von Winterreifen erforderlich, führt dies zu zusätzlichen Kosten für den Fahrzeughalter.

UHF: Für mehr als nur TPMS

Eckdaten

Ein neuer Ansatz für aktive Reifendruckkontrollsysteme basiert auf intelligenten passiven Sensoren, die zusammen mit einem HF-Empfänger/Sender ein kostengünstiges, batterieloses und einfach implementierbares System bereitstellen. Der Designansatz schafft eine skalierbare Plattform für weitere Funksensoren im Fahrzeug. Damit lassen sich nicht nur Kabel und Gewicht einsparen; auch eine nahtlose Funktionserweiterung ist möglich, mit der sich die Leistungsfähigkeit erhöht.

Bei der Lösung von RF Micron kommuniziert das Funksystem mit den Reifendrucksensoren auf eine andere Art und Weise als es bei derzeitigen TPMS-Sensoren der Fall ist. Die Fahrzeughersteller müssen daher das Funksystem für herkömmliche TPMS-Sensoren erweitern oder ändern – und zwar für einen Betrieb im UHF-Band. Für die neue Technik kann dies eine Hürde darstellen. Der vorgeschlagene UHF-Transceiver basiert auf einem Protokoll mit offenem Standard, das eine robuste und kostengünstige Lösung bietet. Eine einzige Plattform genügt dann als Hub, um das drahtlose Sensornetzwerk im Fahrzeug beliebig zu erweitern. Die Kosten lassen sich so weiter verringern, indem andere verdrahtete Sensoren durch preisgünstige Magnus-S-Sensoren als Teil eines größeren Funksystems ersetzt werden. So kann der gleiche Chip, der für die TPMS-Sensoren zum Einsatz kommt, auch für Drucksensoren zur Sitzbelegungserkennung verbaut werden. Ein anderer Sensor, der auf dem gleichen Chip basiert, kann zum Beispiel das Eindringen von Wasser in den Fahrzeuginnenraum erkennen.

Erheblicher Kostenvorteil

Für den Verbraucher ergeben sich damit deutliche Vorteile. Der Preis für aktuell erhältliche Reifdrucksensoren beträgt mehr als 40 € pro Stück; dabei sind die Kosten für die Reifendemontage, die Sensorinstallation, die Reifenmontage und das Auswuchten noch nicht mit eingerechnet. Obwohl der Sensor von RF Micron noch nicht im Automotive-Markt eingeführt ist, lässt sich bereits sagen, dass das fertige System nur einen Bruchteil der Kosten herkömmlicher Reifendrucksensoren verursachen wird. Fahrzeughersteller und Tier-1s können die Stückkosten senken, die Montage der Sensoren vereinfachen und die Kundenfreundlichkeit erhöhen. Der langfristige Vorteil ist der Ersatz anderer Sensorfunktionen, die dann mit dem gleichen System kommunizieren, das auch die TPMS-Funktion handhabt.

Wie bei jeder neuen Lösung muss sich deren Nutzen erst erweisen – und das vor allem in sicherheitsrelevanten Kfz-Systemen. Obwohl RF Microns den Sensor für andere Märkte bereits in Serie fertigt, muss der TPMS-Sensor in seiner jetzigen Form erst beweisen, dass er die hohen Anforderungen erfüllt. Eine weitere Produktentwicklung ist erforderlich, um Hürden zu meistern, bevor der Sensor für den kommerziellen Einsatz im Auto bereit ist. Das Material und der Aufbau des Sensors müssen für eine lange Lebensdauer und für die raue Betriebsumgebung im Reifen optimiert und getestet werden, um die umfassenden und strengen Qualifizierungsanforderungen im Automotive-Bereich zu bestehen. Die Entwicklung eines Prototypen in diesem Jahr gibt RF Micron die Zuversicht, dass ein kommerzielles TPMS-System auf Basis von Magnus-S-Sensoren in weniger als vier Jahren zur Verfügung stehen wird.