Streufeld-Immunität ist für die Magnetfelderkennung unerlässlich

Ein gesteigertes Umweltbewusstsein und Forderungen der Kunden treiben die Automobilindustrie dazu, immer effizientere Fahrzeuge herzustellen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich dabei um die bereits auf der Straße befindlichen Elektrofahrzeuge (EV) oder Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) handelt oder ob es sich nur um Neuerungen oder Erweiterungen in herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor handelt: Moderne Fahrzeuge sind voller Technologie und dieser Trend wird sich auch in Zukunft fortsetzen.

Immer mehr Anwendungen im Fahrzeug steuern Fahrer und Fahrgäste elektrisch. Dazu gehören elektrische Drosselklappen, Ölpumpen, Turbolader und insbesondere der elektrische Antrieb in batteriebetriebenen EVs und HEVs. Diese Änderungen machen Fahrzeuge nicht nur effizienter, sondern auch sauberer und zuverlässiger. Zudem sind sie auch leichter als die bisherigen mechanischen/hydraulischen Lösungen, was sich positiv auf das Gewicht der Fahrzeuge auswirkt. Das wiederum führt dazu, dass die Fahrzeuge weniger fossile Brennstoffe verbrennen oder mit einer einzigen Ladung noch weitere Strecken fahren können.

Eine elektrische Betätigung ist jedoch ohne genaue, wiederholbare und zuverlässige Erfassung/Sensorik nur von geringem Wert. Eine Steuereinheit muss in der Lage sein, die aktuelle Position erfassen zu können, damit sie berechnen kann, wie die gewünschten Position eingestellt werden soll.

Bei der mechanischen Positionserfassung mit Magnettechnik hat es kürzlich einen Durchbruch gegeben. Sie ersetzt resistive und optische Sensoren als bisher bevorzugte Erfassungsmethode. Im Gegensatz zu Drehgebern ist ein Magnetsensor in der Lage, Staub, Schmutz, Fett, Vibrationen und Feuchtigkeit im Fahrzeug und vielen industriellen Anwendungen zu widerstehen. Im Vergleich zu anderen häufig verwendeten Winkel- und Linearsensoren verschleißen Magnetsensoren nicht – ein weiteres wichtiges Merkmal, das eine langfristige Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit garantiert.

Herausforderung Elektrifizierung

Mit zunehmendem Elektro- und Elektronikanteil stellt die Fahrzeugumgebung jedoch eine immer größere Herausforderung für magnetische Sensoren dar. So verbrauchen die Elektromotoren, die EVs und HEVs antreiben, große Mengen an Strom und erzeugen folglich Magnetfelder in den Bereichen um die Kabel herum, die den elektrischen Strom von der Batterie oder dem Generator zum Motor führen. In geringerem Maße können sogar die kleineren Ströme, die erforderlich sind, um Pumpen der elektronischen Servolenkung (EPS), Motoren zum Öffnen/Schließen der Fenster und des Schiebedachs oder eine der elektrisch betätigten Vorrichtungen im Fahrzeug zu betreiben, ein magnetisches Streufeld erzeugen.

Diese Streumagnetfelder können die Genauigkeit der Sensoren beeinträchtigen und in einigen Fällen zu Fehlern am Ausgang führen – mit möglicherweise katastrophalen Folgen. Während ein Schiebedach, das sich nicht richtig schließt, vielleicht eine Unannehmlichkeit ist, ist ein Bremspedal, Gaspedal oder Lenksystem, das nicht genau erfasst wird, potenziell lebensgefährlich.

Um die Auswirkungen auf die Sicherheit zu adressieren, hat die Automobilindustrie Normen erlassen, in denen die Anforderungen an die Sicherheit von Fahrzeugsystemen definiert sind, die durch magnetische Streufelder (und andere Probleme) beeinträchtigt werden können. Zu den wichtigsten Standards zählt die ISO26262, die sich mit funktionaler Sicherheit befasst, und die zahlreichen OEM-Spezifikationen, die sich mit der Immunität gegenüber Magnetfelder befassen.

Herkömmliche Hall-Effekt- und magnetoresistive (MR-)Sensoren reagieren empfindlich auf Streufelder in Fahrzeugen, da sie das Magnetfeld messen, das von einem nahegelegenen Magneten erzeugt wird, der mit dem Messobjekt verbunden ist. Da das durch elektrische Ströme erzeugte Streumagnetfeld groß sein kann, kann der Sensorausgang sehr ungenau sein. Bei Drehgebern kann der Winkelfehler mehr als 10° betragen – was erheblich ist, da sich viele Systeme wie Ventile oder Drosselklappen physisch nur um 90° drehen. Abgesehen von den offensichtlichen Sicherheitsproblemen beim Lenken und Bremsen wäre die Steuereinheit (ECU) einfach nicht in der Lage, den Motor richtig zu steuern.

Zwei mögliche Lösungen

Je nach Ausführung bieten die Sensoren der Triaxis-Serie von Melexis Streufeldimmunität. Melexis

Entwickler, die eine magnetische Erfassung in Fahrzeugen einsetzen wollen, können zwischen zwei Optionen wählen. Die erste bezieht sich auf die Abschirmung der Erfassungsvorrichtung und ihres zugehörigen Magneten gegen die Auswirkungen von Streumagnetfeldern. Dies ist nicht nur komplex und anspruchsvoll, sondern auch teuer, da Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität erforderlich sind. Diese schirmen nicht so sehr ab, da sie das Feld absorbieren und umleiten und damit auch einen Einfluss auf die Erfassung haben können, da das gewünschte Magnetfeld als auch das Streufeld verändert werden. Um dies zu verhindern, ist ein Abstand erforderlich, der die Größe, das Gewicht und die Kosten erhöht – was bei der Entwicklung moderner Automobilelektronik nicht erwünscht ist.

Der andere Ansatz besteht darin, einen Sensor zu verwenden, der von sich aus immun und unempfindlich gegen magnetische Streufelder ist. Die dritte Generation der Triaxis-Magnetsensoren von Melexis bieten einen integrierten Immunitätsmodus für Streufelder, der den durch Streumagnetfelder verursachten Fehler wesentlich reduziert oder sogar beseitigt. Daher lassen sich die Gen-III-Triaxis-Sensoren in unmittelbarer Nähe von stromführenden Leitern oder anderen in der Nähe befindlichen Magneten im Fahrzeug einsetzen.

Der Streufeld-Immunmodus erfordert nur einen einfachen 4-poligen Magneten für Drehbewegungen und einen einfachen 2-poligen Magneten für Linearbewegungen. Bei einem einfachen magnetischen Design verringert sich der Fehler aufgrund von Streufeldern auf einen Winkelfehler unter 0,4°, was für die meisten großen Fahrzeughersteller ein akzeptabler Wert ist. Damit verringert sich der Entwicklungsaufwand, da es nicht mehr notwendig ist, den Sensor von Streumagnetfeld-Quellen fernzuhalten.

Darüber hinaus erübrigt sich eine Abschirmung, wie sie früher erforderlich war, oder sie lässt sich erheblich kleiner auslegen, was zu Einsparungen bei der Systemgröße, dem Gewicht und bei den Kosten führt. Der Streufeld-Immunmodus bietet die gleichen Vorteile wie der Legacy-Modus, einschließlich berührungslose Sensorik, hohe EMV-Robustheit, kleine Gehäuse und die Möglichkeit, ein hohes Niveau an funktionaler Sicherheit (einschließlich ASIL B oder C) zu erzielen.

(prm)