Automobilsensorik gewinnt in dem Maße an Bedeutung, in dem die Steuer- und Regelqualität von Funktionen und Systemen in Fahrzeugen weiter gesteigert werden soll. Als Treiber wirken sich hier drei große weltweite Trends aus, die meist unter dem Slogan „Safe, Green and Connected“ firmieren. Gemeint sind Fahrzeuge, die möglichst unfallfrei fahren, die mit einem Minimum an (fossilen) Energieträgern auskommen und dabei möglichst geringe Emissionen verursachen sowie Fahrzeuge, die ihren Nutzern den Zugriff auf Internet-gestützte Dienste, Informationen und Apps geben.
Bild 1: Die aktuellen Einsatzgebiete für TE-Sensoren im Fahrzeug reichen von sicherheitsrelevanten Systemen über den Abgasstrang, Chassis-Anwendungen bis zu elektrischen Traktionsmaschinen in (H)EVs.TE Connectivity
Die genannten Trends gelten für praktisch alle Fahrzeugkategorien, auch wenn Nutzfahrzeuge wie Lkw, Busse sowie Bau- und Landmaschinen stärker unter dem Primat der Produktivität und Verfügbarkeit stehen als das bei Pkw der Fall ist. Für Sensoren bilden Fahrzeuge eine raue Einsatzumgebung, in der sie vielfältigen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Je nach Fahrzeugtyp kann es für eine Sensortechnologie anspruchsvoll sein, die geforderten Genauigkeits- und Lebensdauerwerte zu erreichen. Deshalb spielt Applikationserfahrung im Fahrzeug eine große Rolle, um eine bestimmte Sensortechnologie optimal einzusetzen.
Ingenieursdenken als Voraussetzung
Vor gut 15 Jahren stieg TE Connectivity mit seinem Unternehmensbereich Transportation Solutions in den Bereich der Sensoranwendungen im Fahrzeug ein; inzwischen ist das Unternehmen einer der großen Komplettanbieter für Fahrzeugsensoren. Die TE-Ingenieure standen damals vor der Herausforderung, eine möglichst verschleißfreie, hochgradig zuverlässige und genaue Lösung für die Erfassung von Positionen in schwierigen Einsatzumgebungen im Fahrzeug zu entwickeln. Zu den angefragten Anwendungen gehörte die Getriebesensorik. Berührungslos arbeitende Sensoren auf Magnetbasis boten als vollständig kapselbare Einheiten ohne physische Interaktion mit dem Zielsystem erhebliche Vorteile. Allerdings gab es auch Hürden: In einem Automatikgetriebe etwa sind jede Menge Komponenten aus ferromagnetischen Werkstoffen auf engstem Raum verbaut. Wer dort Sensoren auf Magnetbasis verwenden will, muss seine Technologie sehr genau kennen und muss bereit sein, sich tief in die Einsatzumgebung einzuarbeiten.
Bild 2: Sensortechnologie-Portfolio.TE Connectivity
Berührungsloser Positionserfassung
So ermöglicht beispielsweise der Multi Coil Resolver (MCR), der im Rahmen der Kommutation elektrischer Antriebsmaschinen zum Einsatz kommt, die exakte Erfassung der Rotorlage in Serienfahrzeugen mit Elektromotor. Der 2014 neu vorgestellte Singe Coil Resolver (SCR) erfasst die Rotorlage jetzt auch in nassen Anwendungen, also bei E-Maschinen, die im Getriebe integriert sind.
Mit der PLCD-Sensorik (Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement) gibt es einen speziellen Sensortyp, der bis heute eine äußerst robuste Lösung zur Erfassung längerer Verfahrwege eines Aktors unter schwierigen Umgebungsbedingungen bietet. Inzwischen lösen andere Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren die PLCD-Sensoren in manchen Anwendungen allmählich wieder ab. So dient der auf 3D-Hall-Technologie basierende „All Gear Position“-Sensor vorrangig zur Erkennung der Neutralposition des Getriebes. Gleichzeitig kann dieser Sensor jedoch viel mehr: Wegen seines mehrdimensionalen Messverfahrens liefert der Gangerkennungs-Sensor über die aktuell benötigte Funktionalität hinaus bei Bedarf Daten. So ist mit einem einzigen dieser 3D-Hallsensoren die Erkennung aller Gänge einschließlich des Rückwärtsgangs möglich. Die Information über den jeweils eingelegten Gang lässt sich für das Motormanagement nutzen. Beispiele dafür sind automatisierte Schaltgetriebe sowie Schaltpunktempfehlungen an den Fahrer im Rahmen von Downspeeding-Konzepten zur Verringerung des CO2-Ausstoßes. Das Beispiel zeigt, dass das Potenzial für den Sensoreinsatz im Fahrzeug noch längst nicht ausgeschöpft ist. Gleichzeitig gilt es, gerade wegen der steigenden Sensorzahl im Fahrzeug kostengünstige Systeme zu entwickeln.
Sensoren im Fahrzeug
TE Sensor Solutions als Teil von TE Connectivity hat viele verschiedene Fahrzeug-Sensorlösungen im Programm und deckt die gesamte Kette von der Auslegung des Sensors über die Umsetzung des Konzeptes sowie den Musteraufbau bis zur Serienherstellung ab. Da solche Sensoren grundsätzlich an die individuelle Applikation angepasst werden, unterstützt das Unternehmen seine Kunden beim Design-In, wobei es in der Lage ist, Mustertypen dank der frei gegebenen Basistechnologien kurzfristig zu liefern. TE Connectivity kann als Komplettanbieter vom getesteten Sensor über das Packaging bis zum Stecker und zu (Spezial-)Kabeln alles aus einer Hand liefern. In seinem Test Competence Center für Automobilkomponenten kann das Unternehmen am Standort Bensheim die Sensoren unter widrigen Umweltbedingungen testen und analysieren.
Messung von Druck, Feuchte und anderen Größen
In diversen Bereichen des Fahrzeugs benötigen die Steuergeräte auch Informationen über den Druck von Medien. So hat das US-amerikanische Unternehmen AST (American Sensor Technologies), das mittlerweile zu TE gehört, beispielsweise eine Hochdruckmesstechnik entwickelt, die sich zur Druckmessung von Wasserstoff für Brennstoffzellen eignet. Alle namhaften Hersteller von Brennstoffzellen nutzen bereits diese spezielle Sensorik. Im Bereich der allgemeinen Nieder-, Mittel oder Hochdruckmessung ist die Erfassung exakter Druckwerte in Einsatzgebieten wie Bremse, Abgastrakt, Getriebe sowie bei der Benzindirekteinspritzung (GDI) gefragt.
Die in Serie befindliche Feuchtemessung liefert ein gutes Beispiel für ein System, das gleichzeitig Effizienz und Sicherheit steigert: Zum einen erfordert es weniger Energie, ein Beschlagen der Frontscheibe durch eine bedarfsgerechte Umluftregelung zu verhindern, als Kondenswasser wieder zu verdunsten. Zum anderen ist eine durchgängig gute Sicht ein Beitrag zur Fahrsicherheit. Derselbe Sensor eignet sich im Übrigen auch zur Messung der Feuchte in der Ansaugluft. Im Nutzfahrzeug und im Pkw ist das bereits umgesetzt. Um eine mögliche Kondensation zu erkennen und zu beherrschen, kommt diese Technologie auch in neuen Batteriesystemen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zum Einsatz. Bei Brennstoffzellen ließe sich derselbe Sensor zur Überwachung der Membran nutzen.
Bild 3: Urea-Sensorik als Teil der Abgas-Nachbehandlung in Nutzfahrzeugen.TE Connectivity
Im Nutzfahrzeug spielen Sensoren bereits eine große Rolle im Abgasstrang, weil die strengen Emissionsgrenzwerte der Euro VI Norm (seit 2013) beispielsweise eine Abgasnachbehandlung durch Selektive Katalytische Reduktion (SCR) erfordern, um die NOx-Vorgaben zu erfüllen. Die Urea-Sensorik von TE Sensor Solutions deckt dabei die Messung von Füllstand im Ad-Blue-Tank, Harnstoffqualität (mittels Ultraschall und optischer Messung) sowie Druck ab (Bild 3). Abgeleitet aus dieser Kompetenz wird TE ab Ende 2015 auch Pkw-Lösungen zur Verfügung stellen.
Bild 4: Kompetenzkette für Sensorlösungen.TE Connectivity
Durchgängige Lösungen aus einer Hand
In einem Punkt nimmt TE Sensor Solutions im Markt für Sensorik eine Sonderposition ein: Da TE Connectivity auch im Bereich Verbindungstechnik aktiv ist, kann TE Sensor Solutions nicht „nur“ die reine Sensortechnik anbieten, sondern eine komplette Lösung von der Kerntechnologie im Sensor über das Gehäuse (auch als Sensormodul mit mehreren Sensoren), die elektrische Schnittstelle bis hin zur Verbindungstechnologie anbieten (Bild 4). Diese durchgehende Kompetenz von der einzelnen Messzelle bis hin zum kompletten Funktionsmodul hebt TE Sensor Solutions von anderen Anbietern ab und erklärt die zunehmend starke Position im Weltmarkt. Im Hinblick auf die rauen Einsatzumgebungen in Fahrzeugen aller Art (etwa Vibration) ermöglicht eine solche durchgehend optimierte Lösung aus einer Hand durchaus Vorteile bei der Zuverlässigkeit.
Michael Ludwig
(av)
