Elektroautos: Sicherheit & Sensorik im Fokus

Ökologische Erwägungen und das weltweite Streben nach Nachhaltigkeit sind die Kräfte, die in erster Linie die Abkehr vom Verbrennungsmotor vorantreiben. Die Europäische Union zum Beispiel hat ehrgeizige Ziele für den Verkauf emissionsfreier Kraftfahrzeuge gesetzt und plant das Verbot von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bis zum Jahr 2035.

Dennoch ist der Industrie bewusst, dass die Akzeptanz seitens der Kunden davon abhängt, Bedenken hinsichtlich der Reichweite, der Verfügbarkeit der nötigen Ladeinfrastruktur, der langen Ladezeiten und der Fahrzeugkosten Rechnung zu tragen.

Warum ist Ladeinfrastruktur der Schlüssel zum Durchbruch?

Mit der Zahl der Elektrofahrzeuge (EVs) wächst auch der Bedarf an einer robusten Infrastruktur. Innovationen bei den Ladetechnologien, wie etwa ultraschnelle Ladestationen und die Smart-Grid-Integration, sind entscheidend dafür, die Zweckmäßigkeit für die Anwender zu verbessern und die Ladezeiten zu verkürzen. Fortschritte in diesen Bereichen sind entscheidend dafür, das Vertrauen der Konsumenten in die Elektromobilität zu stärken.

Welche Rolle spielt ADAS für autonomes Fahren?

Ein weiterer kritischer Aspekt ist die Sicherheit. Die Industrie konzentriert sich hier auf Fahrassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) und Techniken für das autonome Fahren. Die digitale Technik der EVs vereinfacht die Einführung von „By-Wire“-Techniken, die die bisherigen mechanischen Komponenten in Lenk- und Bremssystemen ersetzen. Diese Elektrifizierung wiederum ebnet mithilfe einer präzisen und intelligenten Fahrzeugsteuerung den Weg zu verbesserten ADAS-Fähigkeiten.

Regelwerke spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Fahrsicherheit. Die General Safety Regulation der EU etwa verlangt Ausstattungsmerkmale wie zum Beispiel Notbremsassistent (Autonomous Emergency Braking, AEB) und intelligente Geschwindigkeitsassistenz (Intelligent Speed Assistance, ISA). Ähnliche Regelwerke in den USA, Japan und China treiben ebenfalls die Einführung dieser kritischen Sicherheitselemente voran.

Automatisierungsstufen nach Definition der Society of Automotive Engineers

 Für die Weiterentwicklung der Fahrassistenzsysteme und autonomen Fahrtechniken werden verschiedene Automatisierungsstufen nach Definition der Society of Automotive Engineers (SAE) durchlaufen. Viele OEMs bieten derzeit Fahrzeuge gemäß Stufe 2 an, jedoch steigern Fortschritte im Bereich der Sicherheitssysteme kontinuierlich die Fahrzeugsicherheit und die Zufriedenheit der Benutzer.

Mercedes und BMW sind gegenwärtig in ganz Europa die einzigen OEMs, die ein Stufe-3-Fahrzeug anbieten. Unter bestimmten Umständen, also ohne wetterbedingte Sichtbehinderungen, bei Tageslicht, Geschwindigkeiten bis 60 km/h und in Stausituationen bietet der in EQS-Limousinen und der S-Klasse angebotene Drive Pilot von Mercedes die Möglichkeit, das Lenkrad loszulassen und die Aufmerksamkeit vom Verkehrsgeschehen abzuwenden. BMW wiederum ist der weltweit erste Hersteller, der die Zulassung für ein kombiniertes Fahrassistenzsystem gemäß den Autonomiestufen 2 und 3 erhalten hat. Diese Funktionen werden in der neuen 7er-Reihe des Unternehmens kombiniert und bieten mehr Komfort auf Kurzstrecken und langen Autobahnfahrten

Ungeachtet dessen geben die Konsumenten einer breiteren Palette von ADAS-Funktionen oftmals den Vorzug gegenüber der vollständigen Fahrzeugautonomie. Eine Umfrage von S&P Global ergab, dass die vollständige Selbstfahr-Autonomie auf der Liste der gewünschten Sicherheitsfunktionen ganz unten landete, noch hinter teilautonomen Funktionen wie dem automatischen Autobahnfahren oder dem ferngesteuerten Parken.

Die Automobilindustrie verlangt nach Lösungen, die die Funktionalität erhöhen, ohne zu viel Kosten oder Komplexität mit sich zu bringen. Dazu gehören beispielsweise Fortschritte in der MEMS-Technologie für eine verbesserte Fahrzeugwahrnehmung, mehr Innenraumsicherheit durch Radarmodule sowie Ultraschallsensoren für die Näherungserkennung. Integrationsbedingte Herausforderungen, wie etwa die Notwendigkeit kompakter Designs und eines effizienten Power-Managements, werden mit Technologien wie etwa Power over Coaxial (PoC) und schnellen Bordnetzwerken (In-Vehicle Networks, IVNs) berücksichtigt.

Wie tragen MEMS-Sensoren zur Fahrzeugsicherheit bei?

Exakte Wahrnehmungsfähigkeiten sind insbesondere dann von entscheidender Bedeutung für den intelligenten Fahrzeugbetrieb, wenn autonome Fahrzeuge auf ländlichen Straßen unterwegs sind. Für einen sicheren Betrieb gilt es hier, die Umgebung wahrzunehmen und präzise mit ihr zu interagieren. Hochentwickelte Drehgeber und Beschleunigungssensoren auf MEMS-Basis haben entscheidend zum Erfolg autonomer Fahrzeuge beigetragen.

Die vorige Generation der MEMS-Lösungen von Murata, die sechs Freiheitsgrade (Degrees of Freedom, DoF) bietet, ermöglichte 90 % aller in Kalifornien autonom gefahrenen Meilen. Auf dieser Grundlage setzt der neue Sensor SCH1633-D01 neue Maßstäbe in Sachen Leistungsfähigkeit, Kosteneffektivität und einfache Integration. Seine SafeSPI-2.0-Schnittstelle mit 20bit-Datenframe, datentauglichem Timestamp-Index und SYNC-Funktionen gestattet die Integration in unterschiedliche Subsysteme wie etwa GNSS, Chassissteuerung und Fahrzeuglageerfassung für eine präzise Ausrichtung von Kameras und Scheinwerfern.

Standards, Normen und internationale Vorgaben

Gleichzeitig wird hierdurch die Einhaltung technischer Vorschriften wie etwa der Scheinwerfer-Regelwerke der UNECE sichergestellt. Diese legen strikte Normen für Fahrzeugbeleuchtungen, insbesondere aber für adaptive Fahrlichtsysteme (Adaptive Driving Beam, ADB) fest. Systeme diese Art passen den Lichtaustritt aus den Scheinwerfern automatisch so an, dass die Blendung entgegenkommender Fahrzeuge minimiert wird, während für das eigene Fahrzeug optimale Sichtbedingungen gewährleistet werden. Ziel dieser Vorschriften ist eine Verbesserung der Verkehrssicherheit durch weniger blendungsbedingte Unfälle und die Schaffung klarer Performance-Standards für die ADB-Technik, die auf leistungsfähige Positionssensoren angewiesen ist, um für die stets korrekte Ausrichtung der Scheinwerfer zu sorgen.

Eine umfassende Sensorik im Fahrzeuginnenraum ist von kritischer Bedeutung für die Aktivierung von Sicherheitssystemen und die Überwachung der Insassen – insbesondere, wenn Fahrer möglicherweise die Kontrolle über das Fahrzeug wiedergewinnen müssen. Radarmodule, wie sie beispielsweise Murata mit seinem Typ 1VM anbietet, können Distanzen, Winkel und Geschwindigkeiten messen und lebendige Personen im Fahrzeug detektieren.

Radartechnologie statt Kameraüberwachung

Das Radarmodul sendet ein frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal aus, um Bewegungen im Fahrzeuginnern zu erkennen, darunter auch die minimalen Bewegungen durch die Atmung der Insassen. Mit einer integrierten CPU, die Daten mehrerer Sender und Empfänger verarbeitet, detektiert das System die Personen, unterschiedet dabei zwischen Erwachsenen und Kindern und identifiziert deren Sitzpositionen im Fahrgastraum.

Im Unterschied zu Kameras, die in der Industrie Bedenken wegen möglicher Verletzungen der Privatsphäre geweckt haben, geben diese Radarmodule OEMs die Möglichkeit, die Kinder-Präsenzerkennungsvorgaben gemäß Euro NCAP zu erfüllen. Wird ein Kind in einem verschlossenen Fahrzeug erkannt, ermöglicht das System die Implementierung wirkungsvoller Funktionen, zu denen das Auslösen der Alarmanlage, das Öffnen der Fenster oder das Einschalten der Klimaanlage gehört, um unnötige Todesfälle zu vermeiden. Diese Technik geht jedoch über das reine Detektieren von Kindern hinaus, erlaubt das intelligente Auslösen von Sicherheitseinrichtungen wie etwa Airbags und Gurtwarnern und schafft auch die Voraussetzungen für die Gestensteuerung und die Fahrgastüberwachung in autonom fahrenden Taxis.

Wie hilft Sensorfusion bei begrenztem Bauraum?

Die Verbesserung der Wahrnehmungsfunktionen von Fahrzeugen ist entscheidend zur Steigerung der Sicherheit. Sie bringt jedoch insbesondere dann Herausforderungen mit sich, wenn die zugehörige Technik im begrenzten Einbauraum von Autos untergebracht werden muss. Das Miniaturisieren der Bauteile stellt hier eine entscheidende Strategie dar und ist ein wichtiger Tätigkeitsschwerpunkt für ein führendes Elektronikunternehmen.

Welche Vorteile bietet PoC in modernen Bordnetzwerken?

Die Ausstattung moderner Autos mit immer mehr Fahrassistenzsystemen führt dazu, dass mehr Bildsensoren verbaut werden, wodurch auch der Verkabelungsaufwand steigt. Um hier Abhilfe zu schaffen, setzen viele Mobilitätshersteller, darunter sowohl OEMs als auch Tier-1-Zulieferer, auf die PoC-Technik (Power over Coaxial). Hierbei wird für die Signalübertragung und die Stromversorgung dieselbe Leitung benutzt, sodass die Zahl der für die Kameras benötigten Kabel sinkt.

Zum Implementieren der PoC-Technik ist sender- und empfängerseitig sowie in der Stromversorgung je eine „Bias-T“-Schaltung erforderlich (Bild 1). Sie dient dazu, das hochfrequente Signal von der DC-Stromversorgung zu separieren, indem eine Induktivität die Videosignale ausfiltert und ein Kondensator die Versorgungsspannung blockiert.

Die richtige Kombination von Induktivitäten auszuwählen, kann aufwändig sein. Um diesen Prozess zu vereinfachen, hat Murata das Bias-T Inductor Selection Tool (BIST) entwickelt (Bild 2).

Es hilft beim schnellen Bestimmen der bestgeeigneten Kombination aus leistungsfähigen, kompakten Induktivitäten und Ferritperlen, was keine besonderen Vorkenntnisse voraussetzt und eine deutliche Arbeits- und Zeitersparnis bewirkt.

Unterstützung für schnelle Bordnetzwerke

Automobilhersteller sind auf zuverlässige und effiziente zonale Architekturen auf Ethernet-Basis angewiesen, um die High-Speed-Bordnetzwerke (In-Vehicle Networks, IVNs) zu entwickeln, die von zentraler Bedeutung für die Sicherheitssysteme intelligenter Mobilitätslösungen sind. Von Murata gibt es eine ganze Reihe von Produkten, die den Anforderungen von CAN/CAN-FD, Vehicle-Mounted Ethernet und anderen Standards genügen.

Diese Produkte sind nicht nur kompakt, sondern zeichnen sich auch durch eine hervorragende Störunterdrückung aus. Murata war eines der ersten Unternehmen, die miniaturisierte Gleichtaktdrosseln (Common Mode Choke Coils, CMCCs) einführten, und bietet inzwischen eine Serie speziell für Mobilitätsanwendungen an. Dazu gehören Bauteile für CAN-FD-Signalleitungen (DLW32SH510XF2 oder DLW32SH101XF2) und 1000Base-T1 Ethernet (DLW32MH101XT2), die damit die Infrastruktur der nächsten Generation von Fahrzeugsicherheitssystemen unterstützen.

Herausforderungen an die Ladeinfrastruktur

Die derzeitige Ladeinfrastruktur steht vor mehreren Herausforderungen. Dazu zählen die begrenzte Verfügbarkeit von Ladestationen, die langen Ladezeiten und die regional unterschiedlichen Standards. Diese Aspekte sind allesamt entscheidende Hindernisse für die allgemeine Verbreitung von Elektrofahrzeugen, denn die Anwender wünschen sich einen komfortablen, schnellen und verlässlichen Zugang zu den Ladeeinrichtungen.

Einer in den USA durchgeführten Studie war zu entnehmen, dass 25 % der EV-Besitzer von erheblichen Einschränkungen betroffen waren. Dabei waren nicht funktionierende oder defekte Ladestationen ein immerwährendes Problem, das oft auf Schwierigkeiten mit der Netzwerk-Kommunikation zurückzuführen war.

Im Vereinigten Königreich beträgt die Verfügbarkeit schneller und ultraschneller Ladestationen lediglich 20 %, was den Erwartungen privater und gewerblicher Nutzer gleichermaßen widerspricht.

Wenn EVs erfolgreich in das allgemeine Verkehrswesen integriert werden sollen, geht es nicht ohne effiziente und zuverlässige Ladelösungen. Fortschrittliche Ladetechnologien wie etwa Ultraschnelllader, kabellose Ladesysteme und die Einbindung in das Smart Grid sind notwendig, um die Zweckmäßigkeit für die Anwender zu verbessern, die Ladezeiten zu verkürzen und die Energieeffizienz zu steigern. Diese Innovationen sind der Schlüssel dafür, die aktuellen Herausforderungen zu überwinden, bei den Konsumenten ein Vertrauen in die Elektromobilität aufzubauen und damit den Umstieg zu einer nachhaltigen, elektrifizierten Verkehrsinfrastruktur zu erleichtern.

Die von Murata angebotenen Gleichspannungswandler für Gatetreiber sind mit ihrer hohen Isolationsspannung und ihrer Orientierung an den dv/dt-Vorgaben auf die Belange der modernen EV-Ladeinfrastruktur zugeschnitten. Sie dienen dazu, die high- und low-seitigen Schaltungen von Invertern zu speisen, und werden mit einer ganzen Spanne von Ausgangsspannungen angeboten, die für verschiedene Gatetreiber optimiert sind (z. B. für MOS-, IGBT-, SiC- und GaN-Technologien). Sämtliche Module sind für den industriellen Temperaturbereich ausgelegt, in ihrer EMI-Beständigkeit und Konstruktion robust konzipiert und tragen zur Verfügbarkeit künftiger Ladestationen für EVs und kleinere Mobilitätslösungen bei.

Was bringt die Zukunft der Fahrzeug-Konnektivität?

Die Konnektivität ist ein weiterer entscheidender Aspekt der Ladeinfrastruktur, denn sie stellt sicher, dass Stationen betriebsfähig bleiben und den Anwendern wichtige Informationen sowie eine nahtlose Integration in ihre Geräte geboten werden. Zu den von Murata angebotenen Konnektivitätslösungen gehört das LTE Cat-M1/NB-IoT-Modul vom Typ 1SC (LBAD00XX1SC), das eine weltweite 3GPP-Zertifizierung besitzt. Abgesehen von Langstrecken-Kommunikationslösungen bietet Murata auch Unterstützung für die neuesten Wireless-Protokolle, darunter Kurzstrecken-Module für Wi-Fi 6 und Bluetooth, die eine lokale Smartphone- und V2I-Kommunikation (Vehicle to Infrastructure) ermöglichen.

Angesichts des Strebens der Industrie nach stärker vernetzten und immer intelligenteren Fahrzeugen ist zu erwarten, dass auch die Nachfrage nach Bauelementen wie etwa Keramik-Vielschichtkondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) zunehmen wird. Diese Bauteile sind entscheidend für den stabilen Betrieb von Halbleiterchips und die Funktionalität kritischer Schaltungen im Fahrzeug.

Fazit

Fortschritte bei den Elektrofahrzeugen und der zugehörigen Ladeinfrastruktur treiben zusammen mit der Fokussierung auf Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit die Weiterentwicklung moderner Mobilitätslösungen voran. Vor diesem Hintergrund kommt es für OEMs auf die Verwendung zielgerichteter Lösungen an, die sich am Markt orientieren und auf die verkehrsspezifischen Herausforderungen abgestimmt sind.

Zum vielfältigen Produkt-Portfolio von Murata gehören unter anderem Sensoren, Kommunikationsmodule, Stromversorgungen und Kondensatoren. All diese Produkte sind für überragende Zuverlässigkeit, Miniaturisierung und Energieeffizienz konzipiert und erfüllen damit kritische Anforderungen für das Design der nächsten Generation von Mobilitätslösungen. (bs)