Bild 1: Zur Umsetzung der Steuerelektronik in der ECU  kommt  konventionelle Technologie mit standardisierten Leistungselektronikbauteilen zum Einsatz, wobei die Elektronik bauraumoptimiert im Verbund des mechatronischen  Antriebssystems verbaut ist. Durc

Bild 1: Zur Umsetzung der Steuerelektronik in der ECU kommt konventionelle Technologie mit standardisierten Leistungselektronikbauteilen zum Einsatz, wobei die Elektronik bauraumoptimiert im Verbund des mechatronischen Antriebssystems verbaut ist. DurcTTTech/Ovalo

Mechatronische Antriebssysteme für den Einsatz in der Automobilindustrie müssen heutige Anforderungen an Kompaktheit, Genauigkeit, Drehmomentkapazität sowie die Vorgaben zur Einstufung der Sicherheitskritikalität erfüllen. Präzisionsgetriebebauteile aus hochfestem und flexiblem Stahl gefertigt, kombiniert mit maßgeschneiderten Elektromotoren sowie spezifischer Leistungs-Steuerelektronik mit entsprechenden Regelalgorithmen, müssen diesen aktuellen Bedürfnissen im Automotive-Bereich nachkommen und entsprechend umsetzen. Funktionalität und Integration spielen dabei ebenfalls eine bedeutende Rolle. Hohe Erwartungen an die Robustheit, bei gesteigerter Leistungsfähigkeit der Elektronik im sicherheitsrelevanten Bereich der Fahrdynamik- und Fahrerassistenzsysteme, erhöhen die Notwendigkeit der strikten Einhaltung von Maßnahmen im Hinblick auf Prozesskonformität, Qualitätssicherung, Fertigung und Entwicklung.

Die Entwicklung und der Einsatz von komplexen Strukturen aus Aktuatorik, Sensorik, mechanischen, elektromechanischen und elektronischen Steuereinheiten ermöglichen durch ihre Sensibilität den Einsatz als Hochstromverbraucher im Fahrwerk. Dies ermöglicht eine Beeinflussung der Fahrdynamik im Komfortbereich sowie einen Einsatz als Assistenzsystem für die nächsten Generationen von Premium-Fahrzeugen. Im Speziellen müssen die elektrischen/elektronischen Steuereinheiten vom Konzeptentwurf bis zur Serienreife den hohen Anforderungen der Prozessvorgabe und den Richtlinien der ISO 26262 – Funktionale Sicherheit im Automobil – entsprechen, um hier ein Auftreten von Fehlfunktionen einzuschränken beziehungsweise zu vermeiden.

48 V für Systeme bis 12 kW

Komfortsysteme benötigen immer höhere Leistungen, die auch geschaltet werden müssen. Die Einführung einer neuen Bordnetz-Generation  mit einer neuen Spannungsebene bei 48 V schafft hier Abhilfe. Während das standardisierte 12-V-Bordnetz bei Leistungen von 3000 W seine Belastungsgrenze erreicht, stehen den Hochstromverbrauchern im 48-V-Bordnetz Leistungen bis 12 kW bei geringeren Strömen (Strombeläge) zur Verfügung. Aufgrund der höheren Spannungslage solcher Fahrzeuge ist naturgemäß die Reduzierung der parasitären Störaussendung für diese Komponenten ein wichtiges Thema im Bereich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Zu den Herausforderungen beim effektiven Einsatz des Mehrspannungsbordnetzes gehören hierbei unter anderem das Finden der zukünftigen Architektur, die Optimierung der Energieverteilung, die Steigerung der Kosten- und Energieeffizienz sowie das Erkennen der Einflüsse der 48-V-Welt auf die 12-V-Welt. Ein wesentlicher und notwendiger Schritt in Richtung Industrialisierung wird demnach der Einsatz neuer und optimierter Technologien in Hinblick auf Leichtbauweise, Miniaturisierung und Bauraumoptimierung sein – und zwar sowohl für die Vernetzungsstruktur und die Kontaktierungen als auch für die mechatronischen und E/E-Komponenten selbst.

Durch  die frühe Berücksichtigung (im Entwicklungszyklus beziehungsweise im Design der ersten Prototypen und Vorserien-Muster) lässt sich während des Einsatzes der entsprechenden Komponenten und Materialien frühzeitig ein hoher Reifegrad der Produkte erreichen. Hierbei gilt es, die  operativen Umgebungstemperaturen genauso zu beachten wie die Lebensdauer-Anforderungen, die sich beispielsweise in der Temperaturwechselfestigkeit zeigen. Da die mechatronischen Systeme kompakt sein müssen, kommt es zur Entwicklung elektronischer Steuerungen mit hohen Integrationsdichten bei erhöhter abgefragter elektrischer Leistung und gleichzeitiger Steigerung der Robustheit. Ebenso ergeben sich aufgrund der rauen Bedingungen im automobilen Umfeld hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit.

Regularien und Standards wie Autosar und ISO 26262 prägen in der Steuergeräteentwicklung die komplexen Entwicklungsprozesse zur Erreichung und Absicherung einer hohen Produktqualität. Bewertungen nach Reifegradmodellen wie Automotive SPICE ermöglichen eine Beurteilung und Einstufung der Umsetzungsgüte der Entwicklungsmethodik für eingebettete komplexe Automotive-Systeme. Zur Realisierung von Steuergeräten kommen dabei grundsätzlich moderne „automotive grade high-end“ Prozessorarchitekturen zum Einsatz, die entsprechend den Anforderungen an Performance und funktionale Sicherheit ausgewählt werden. Die Steuergeräte erhalten eine entsprechende Ausstattung als Autosar-Lösung mit Autosar 4.0 und 3.x-Basissoftware-Komponenten, während gleichzeitig die Implementation sicherheitsrelevanter Funktionen nach ISO 26262 erfolgt.

Zur Implementierung sicherheitsrelevanter Funktionen nach ISO 26262 kommen TTTech Automotives flexibel einsetz- und konfigurierbare Bausteine nach diesem Standard als „Safety Elements out of Context“ (SEooCs) zur Anwendung. Diese wurden entsprechend den Vorgaben für den höchsten „Automotive Safety Integrity Level“ (ASIL) D entwickelt. Somit wird auf ein rückwirkungsfreies Zusammenspiel von nach QM-Richtlinien (nicht sicherheitskritischer) und unterschiedlichen ASI-Level entwickelter Software eingegangen. Alle Software-Komponenten sind nach den ISO-26262-Vorgaben entsprechend dem höchsten Level umgesetzt und erfüllen die Autosar-Anforderungen bis zu Autosar 4.0.

Entwicklungspartnerschaft: TTTech Automotive und Ovalo

Um diese Themen bestmöglich zu adressieren und den Anforderungen an ein mechatronisches Gesamtsystem gerecht zu werden, bilden TTTech Automotive und Ovalo mit ihrer Entwicklungspartnerschaft eine lückenlose Symbiose zwischen Elektronik und Mechanik. Das langjährige Know-how von TTTech Automotive im Bereich der Funktionalen Sicherheit bietet in Kombination mit Ovalos Kernkompetenz im Bereich der mechatronischen Antriebssysteme entsprechend vielfältige Möglichkeiten.

Mechatronische Systeme

Mechatronische Antriebssysteme für den Einsatz in der Automobilindustrie müssen heutige Anforderungen an Kompaktheit, Genauigkeit, Drehmomentkapazität sowie die Vorgaben zur Einstufung der Sicherheitskritikalität erfüllen.

Bild 2: Kompaktes, hochuntersetzendes Präzisionsgetriebe auf der Basis von Ellipsenbewegung mit dem innenverzahnten Hohlrad.

Bild 2: Kompaktes, hochuntersetzendes Präzisionsgetriebe auf der Basis von Ellipsenbewegung mit dem innenverzahnten Hohlrad.TTTech/Ovalo

Präzisionsgetriebebauteile aus hochfestem und flexiblem Stahl gefertigt, kombiniert mit maßgeschneiderten Elektromotoren sowie spezifischer Leistungs-Steuerelektronik mit entsprechenden Regelalgorithmen, müssen diesen aktuellen Bedürfnissen im Automotive-Bereich nachkommen und entsprechend umsetzen. Funktionalität und Integration spielen dabei ebenfalls eine bedeutende Rolle. Als Getriebeprinzip eines Präzisionsgetriebebauteils innerhalb solcher mechatronischer Systeme empfiehlt sich dabei unter anderem Folgendes:

Getriebeprinzip

Der elliptische Wellen-Generator verformt über das Kugellager den Flextopf. Der Flextopf wiederum befindet sich in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse mit dem innenverzahnten Hohlrad im Eingriff. Durch die Drehbewegung des Wellen-Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit auch der Eingriffsbereich der Zähne. Da der Flextopf zwei Zähne weniger als das Hohlrad besitzt, vollzieht sich nach einer halben Umdrehung des Wellen-Generators eine Relativbewegung zwischen Flextopf und Hohlrad um einen Zahn und nach einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne.

Flexible und dauerfeste Bauteile aus Stahl schaffen ein kompaktes, in hohem Maße untersetzendes Präzisionsgetriebe. Die Vorteile dieser Getriebe sind unter anderem die Spielfreiheit, exzellente Positionier- und Wiederholgenauigkeit, kleine Abmessungen und geringes Gewicht, hohe Drehmomentkapazität, hohe Untersetzung in einer Stufe, hohe Wirkungsgrade, hohe Torsionssteifigkeit, zentrale Hohlwelle sowie hohe Zuverlässigkeit.

Modellbasierte Funktionsentwicklung

Für solche Systeme bieten sich modellbasierte Software-Entwicklungsmethoden an. Dadurch lässt sich bereits in frühen Entwicklungsstadien die Spezifikation der Softwarefunktion durch Simulation auf Fehlerfreiheit und Vollständigkeit überprüfen.

Bei der Modellbildung und Simulation mechatronischer Systeme empfiehlt sich eine bewährte methodische Vorgehensweise, bei der das betrachtete System durch ein physikalisches Ersatzmodell abgebildet und mathematisch beschrieben wird. Das dynamische und statische Verhalten dieses Modells wird durch eine gezielte Parameteridentifikation mit dem realen Systemverhalten abgeglichen.

Beispielanwendung: Integriertes Lenküberlagerungssystem

Die Ovalo-Überlagerungslenkung verfügt über eine hochintegrierte 12-V-Anbau-ECU. Das Ergebnis ist eine kompakte, leistungsfähige elektromechanische Einheit, die sich durch dauerhafte Spielfreiheit und Hohlwellendurchtrieb auszeichnet. Zum Einsatz kommt ein bürstenloser Elektromotor von Ovalo in Verbindung mit eigens entwickeltem Hohlwellen-Rotorlagesensor. Die Basis-Software und Hardware der Anbau-ECU entwickelte Ovalo im Entwicklungsverbund mit TTTech Automotive nach ASIL-D, so dass die Software die Kriterien der ISO 26262 erfüllt.

Dynamische Überwachung von Lenkwinkelabweichungen

Beim Lenken eines Fahrzeugs mit einem Überlagerungslenksystem werden ein vom Fahrer eingegebener Lenkwinkel sowie ein weiterer Winkel (Zusatzlenkwinkel) ermittelt. Bei diesem wird nach Maßgabe des eingegebenen Lenkwinkels und des Zusatzlenkwinkels mittels eines Überlagerungsaktuators ein resultierender Lenkwinkel eingestellt.

Dabei gehört die dynamische Überwachung von Lenkwinkelabweichungen zu den wesentlichen Aufgaben des Steuergeräts. Insbesondere aus Sicherheitsgründen ist es zweckmäßig, Lenksysteme zur Winkelüberlagerung mit einer Verriegelungsvorrichtung auszurüsten, um das Überlagerungssystem, falls nötig, deaktivieren zu können. Das System wird dadurch in den sicheren Zustand „Lenken ohne Überlagerung“ überführt.

Zielkonflikte vermeiden

Hierbei entsteht allerdings ein Zielkonflikt: Zum einen müssen unkontrollierte Bewegungen des Aktuators und somit unzulässig hohe Regelabweichungen unter allen Umständen und in kürzester Zeit zum Übergang in den sicheren Zustand führen. Auf der anderen Seite sind insbesondere bei schnellen Lenkbewegungen des Fahrers kurzzeitige große Regelabweichungen aufgrund der begrenzten Aktuatordynamik prinzipbedingt unvermeidbar. Aus diesem Grund ist eine entsprechend intelligente Überwachung des Regelfehlers notwendig, die zwischen einem dynamischen Regelfehler und einer fehlerbedingten unkontrollierten Bewegung des Aktuators unterscheiden kann.

Bild 3: Beobachterbasiertes Toleranzband (Rot) für den zu überwachenden Regelfehler (Blau). Eine Verletzung der Fehlergrenzen führt zum Übergang in den sicheren Zustand. Durch die exakte Vorausberechnung der zulässigen Fehlergrenzen für die Abweichung des

Bild 3: Beobachterbasiertes Toleranzband (Rot) für den zu überwachenden Regelfehler (Blau). Eine Verletzung der Fehlergrenzen führt zum Übergang in den sicheren Zustand. Durch die exakte Vorausberechnung der zulässigen Fehlergrenzen für die Abweichung desTTTech/Ovalo

Die Lösung liegt hier in einer modellbasierten Vorhersage des Regelfehlers auf Basis eines dynamischen Beobachters, der in der Lage ist, auf Basis des aktuellen Systemzustandes und einer gewünschten Sollbewegung, ein Toleranzband für einen zulässigen Regelfehler zu erzeugen. Auf diese Weise lässt sich zwischen einer im Rahmen der Aktuatordynamik zulässigen Regelabweichung und einer unkontrollierten Aktuatorbewegung unterscheiden.

Diese Konfiguration erzielt den besonderen Vorteil, dass auch im laufenden Fahrbetrieb eine – vorzugsweise fortlaufende und/oder regelmäßige – Überwachung der Überlagerungsfunktion der Lenkung erfolgen kann. Darüber hinaus greifen die Algorithmen auch dann, wenn keine sicherheitsrelevante Situation vorliegt, und sie lösen eine Verriegelung aus, wenn absehbar ist, dass ein für den Fahrer ungewöhnliches Lenkgefühl auftreten könnte oder auftritt.

Vollaktive Fahrwerkregelsysteme

Der Markt fordert heute von Fahrwerken moderner Kraftfahrzeuge Fahrsicherheit auf höchstem Niveau sowie größtmöglichen Komfort und ein optimales dynamisches Fahrverhalten. Um diese Bandbreite der Kundenwünsche zu erfüllen, ist der Einsatz geregelter Aktuatoren zielführend.

Vollaktive Fahrwerksysteme beeinflussen nachweislich die Fahrdynamik, und damit auch Sicherheit und Komfort, äußerst positiv. Mittels radselektiver Ansteuerung lassen sich Nick-, Wank- und Hubbewegungen zielgerichtet beeinflussen beziehungsweise gänzlich eliminieren. Speziell in Kombination mit Preview-Systemen zur Erfassung der Umfeld-Topologie können neue entscheidende Potenziale des Komforts und der Sicherheit eröffnet werden. Sicherheitskritische Fahrmanöver können nachweislich vermieden beziehungsweise entschärft werden.

Eines der Sicherheitsziele besteht darin, dass am Fahrwerksaktuator kein fehlerhaftes Drehmoment gestellt werden darf. Dazu sind mehrere Überwachungsmechanismen notwendig. Für die Überwachung von Sensorgrößen ist insbesondere bei sicherheitskritischen Systemen ein diversitärer Ansatz sinnvoll. Dabei erfolgt eine Berechnung des eigentlichen Messsignals zusätzlich aus anderen unabhängigen Messgrößen. Eine zu große Abweichung zwischen diesen beiden Größen deutet auf eine Fehlfunktion einer beteiligten Messgröße hin, wodurch sich das System rechtzeitig in den sicheren Zustand überführen lässt. Im Beispiel des Wankstabilisators erfolgte dies für die Überwachung des Stabilisator-Drehmomentes. Hierbei wurde das Drehmoment zum einen über eine messtechnisch erfasste Relativverdrehung des Stabilisators ermittelt. Zum anderen kam zur Plausibilisierung dieses gemessenen Drehmoments ein dynamischer Beobachter zum Einsatz, der auf Basis eines Modells des Stabilisators sowie auf Basis des gemessenen Rotorlagewinkels und den im Fahrwerk vorhandenen Höhenstandssensoren das resultierende Drehmoment im Stabilisator berechnet. Somit besteht die Möglichkeit, eine Bestückung mit redundanten Drehmomentsensoren zu vermeiden und dennoch die Systemsicherheit zu gewährleisten.

Auf einen Blick

ISO 26262 für die Lenkung
TTTech Automotive und Ovalo haben gemeinsam eine Überlagerungslenkung entwickelt, die den ISO-26262-Vorgaben entsprechend dem höchsten Level entspricht, wobei die Software die Autosar-Anforderungen bis zu Autosar 4.0 erfüllt.