Fortschrittliche Sensorsysteme sind das Herzstück automatisierter und autonomer Fahrzeuge. Welche Sensorsysteme das sind und wie sie vor Störungen geschützt werden können, beschreibt dieser Artikel.

Im Zuge der Entwicklung teil- und vollautonomer Fahrzeuge in der Automobilindustrie nimmt die Vielfalt komplexer und hochsensibler elektronikbasierter Systeme deutlich zu. Das Ziel: Die Straßen sollen noch sicherer werden, damit weniger Unfälle passieren und Staus proaktiv entschärft werden können. Damit autonome Fahrzeuge zuverlässig und sicher funktionieren, sind mehrere leistungsstarke, miteinander verbundene Sensoren und Subsysteme erforderlich.

Die elektrisch anspruchsvolle und laute Umgebung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs macht die technischen Herausforderungen noch komplexer. Darüber hinaus besteht ein erhebliches Risiko, dass die verschiedenen Systeme den Betrieb anderer sicherheitskritischer Systeme stören – sei es durch interne Quellen wie EMI, Transienten oder externe Einflüsse wie die C2X-Infrastruktur am Straßenrand.

Fahrerassistenzsysteme bilden die Grundlage für autonomes Fahren und arbeiten im vollautonomen Modus mit fortschrittlichen und komplexen Anwendungen. Im teilautonomen Modus (Stufe 1 bis Stufe 3) warnen sie beispielsweise den Fahrer direkt vor drohenden Situationen. Die verschiedenen Stufen der Fahrzeugautomatisierung sind in Abbildung 1 dargestellt.

In einem autonomen Fahrzeug bestehen die Augen und Ohren des elektronischen Fahrers aus einer Vielzahl unterschiedlicher Sensoren (Abbildung 2). All dies ist mit einem zentralen Computersystem vernetzt, das für die sichere Navigation des Fahrzeugs in jeder Fahrsituation verantwortlich ist.

Die Sensorsysteme umfassen ein weitreichendes HF-Radar zur Detektion von Fahrzeugen, Fußgängern und anderen sich bewegenden Objekten in größerem Abstand vor dem Fahrzeug sowie ein Video-Subsystem mit einem maschinell lernenden Faltungsnetzwerk zur Detektion von Fußgängern, Straßenschilder und Spurabweichungen. Darüber hinaus gibt es ein 360°-Videokamerasystem zur Erfassung der Situation des Fahrzeugs in Bezug auf umliegende bewegte oder stehende Objekte.

Damit das System jederzeit den genauen Standort des Fahrzeugs kennt, muss bei Fahrten in Stadtschluchten oder durch Tunnel ein leistungsfähiges GNSS-Navigationssystem für genaue Positionsbestimmung und Koppelnavigationsfunktionen (Koppelungsfunktionen) zur Verfügung stehen.

Die Anbindung der Subsysteme erfolgt mit akzeptabler Latenz (<5 ms) über die zuverlässigen und robusten Netzwerkprotokolle CAN und Ethernet. Bei Video- und Radar-Subsystemen geht der Trend immer mehr zum maschinellen Lernen, um Objekte direkt am Ort der Detektion zu erkennen und zu klassifizieren, ohne das zentrale System mit zusätzlicher Rechenleistung zu belasten.

Dieser Ansatz reduziert auch den Overhead der Echtzeit-Latenz, ein kritischer Aspekt bei der Entwicklung von Fahrzeugen, die sich mit mehr als 30 m / s, dh 112 km / h, bewegen. Die Latenzzeit beeinträchtigt die schnelle Erkennung und Entscheidungsfindung des Systems und schließt daher den Einsatz von Cloud-Lösungen für alle Echtzeit-Fahraufgaben aus. Ein 4G-Mobilfunknetz hat beispielsweise eine typische Round-Trip-Latenzzeit von 60 ms. Das bedeutet, dass das Fahrzeug mit obiger Geschwindigkeit eine Strecke von 1,8 m zurücklegt. FlexRay und LIN sind zwei weitere Netzwerkprotokolle, die im Automobilbereich weit verbreitet sind.

Für Infotainment- und Videoübertragungsanforderungen im Fahrzeug entwickelt sich HDBaseT zu einem leistungsfähigen Netzwerkprotokoll. HDBaseT vereint die Vorteile von HDMI und Ethernet und überträgt Audio, Video, Ethernet, 100 W Power over Ethernet (PoE), Systemsteuerung und USB über ein einziges Kabel. Dieses Automobilprotokoll ist für den Einsatz in verschiedenen Domänen optimiert. Für den Anschluss von Geräten wird ein einzelnes ungeschirmtes Kabelpaar mit einer Länge von bis zu 15 m empfohlen. Die Integration der verschiedenen Übertragungselemente in einem einzigen Kabel spart zudem erhebliches Kabelgewicht, Montageaufwand und Materialkosten.

Für den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines autonomen Fahrzeugs müssen alle vernetzten und voneinander abhängigen Systeme kontinuierlich und fehlerfrei funktionieren. Wird der Ausfall eines Sensors sichtbar oder erkennt die Subsystemüberwachung eine unzureichende Leistung, muss sofort eine Alarmmeldung an den Zentralrechner gesendet werden, um einen ausfallsicheren Stopp einzuleiten.

Zum Betrieb der elektronischen Sensoren und der dazugehörigen Subsysteme kommen hochentwickelte analoge und digitale Komponenten zum Einsatz. Diese sind anfällig für Störungen durch transiente elektrische Spannungen, elektromagnetische Störungen (EMI) und elektrostatische Entladungen (ESD).

Transienten treten auf Versorgungsschienen durch schnelle dU / dt-Schaltwechsel auf und erzeugen Spannungsspitzen, die ein Vielfaches der Nennversorgungsspannung betragen. Leistungsstarke Elektromotoren und andere induktive Lasten können im Betrieb kurzzeitige Überspannungsspitzen verursachen. Der Antriebsstrang ist bei Elektrofahrzeugen natürlich eine Quelle von Transienten. Aber auch kleinere Motoren, wie zum Beispiel zur Lenkunterstützung,

Komfort- und Karosseriesteuerungen oder die elektrische Feststellbremse können erhebliche Transienten erzeugen. Diese Transienten können entweder über gemeinsame Versorgungsschienen ein Subsystem durchdringen oder in benachbarte Kabel induziert werden, beispielsweise in die Kabel, die die Sensoren mit den Subsystemen verbinden oder die Netzwerkverbindung der Subsysteme mit dem Zentralrechner. Ohne geeignete Schutzmaßnahmen können Transienten dazu führen, dass Mikroprozessoren zurücksetzen oder sich selbst verriegeln. Im Extremfall können sie auch kritische Komponenten physisch beschädigen.

Induzierte EMI können auch ein unvorhersehbares und unregelmäßiges Systemverhalten verursachen und aus einer Vielzahl von Quellen stammen. Dazu gehören Wireless Access Points und Smartphones. Auch hier sind Schutzmaßnahmen erforderlich, um zu verhindern, dass elektromagnetische Störungen erheblichen Ausmaßes den Betrieb eines kritischen Systems stören.

Bei empfindlichen elektronischen Bauteilen ist die statische Entladung extrem wichtig. Darauf muss in der gesamten Lieferkette und bei der Produktion besonders geachtet werden. Aber auch im Endstromkreis muss der Schutz vor elektrostatischen Entladungen gewährleistet sein. Wie Transienten verursachen statische Entladungen massive Spannungsspitzen und können durch elektrische Aufladungen durch Straßenreibung mit Gummireifen oder Körperkontakt mit Materialien entstehen. Fahrzeuge, die in Gebieten mit niedriger Luftfeuchtigkeit verwendet werden, sind ebenfalls anfällig für statische Elektrizität.

Abbildung 3 zeigt die wichtigsten Funktionsblöcke eines ADAS-Kommunikations- und Steuerungs-Subsystems einschließlich der zu verwendenden Schutzmodule.

Jede Kommunikationsverbindung (2, 3, 4 und 5) erfordert einen Transienten- und ESD-Schutz, der den elektrischen Spezifikationen und Datenraten des jeweiligen Protokolls entspricht. Das schnellste Protokoll ist Ethernet. Seine Datenübertragungsrate liegt typischerweise im Bereich von 100 Mbit/s bis 10 Gbit/s. Für differentielle High-Speed-Ethernet-Schnittstellen gehört der Einsatz von Polymer-ESD-Entstörern wie der AEC-Q200-qualifizierten AXGD-Xtreme-Guard-Serie von Littelfuse zu den empfohlenen Schutzmaßnahmen gegen ESD und transiente Überspannungen.

Abbildung 4 zeigt, wo eine Komponente der AXGD-Serie in der Ethernet-Verbindung von einem differentiellen Twisted Pair zum Ethernet-PHY angeordnet ist. Mit einer schnellen Reaktionszeit und der Fähigkeit, 50-A-Transienten bis zu 30 kV zu absorbieren, schützt die AXGD-Serie ein Differentialpaar in einer einzigen Komponente. Der ESD-Schutz hat mit seinem besonders geringen Kapazitätswert auch keinen Einfluss auf Ethernet-Datenübertragungsraten von bis zu 1 Gbit/s.

Für die CAN-Transceiver-Schnittstelle werden Diodenarrays zum Schutz vor schnellen Transienten und ESD empfohlen. Abbildung 5 zeigt die Verwendung eines Diodenarrays der Serie AQ24CANA von Littelfuse.

Ein weiteres Beispiel für eine auf Zenerdioden basierende Transient Voltage Suppression (TVS)-Diode ist die 600-W-TVS-Diode von Littelfuse der SZ1SMB-Serie. Die Serie SZ1SMB wird vorzugsweise in Netzteilen wie Pos. 1 in Bild 3 eingesetzt und bietet vielfältige Anschlussmöglichkeiten, eine schnelle Reaktionszeit und kann hohe Überspannungsspitzen absorbieren.

Bei der Auswahl von transienten und ESD-Komponenten zum Schutz elektronischer Systeme im Automobilbereich sollte man sich mit den geltenden internationalen Normen vertraut machen. Die drei wichtigsten ISO-Normen sind ISO7637-2, ISO16750-2 und ISO10605:2008. Neben diesen Normen hat das Automotive Electronics Council (AEC) eine Reihe von Qualitätsnormen entwickelt, die die mechanischen, elektrischen und umweltbedingten Belastungskriterien für Komponenten in Fahrzeugelektroniksystemen. Zu den relevanten Standards zählen AEC-Q101 für diskrete Bauelemente wie Halbleiter und Dioden und AEC-Q200 für passive Bauelemente wie Kondensatoren, Widerstände und Induktivitäten.

Autonome Fahrzeuge könnten den Verkehr deutlich entlasten und unsere Straßen für Fahrer, Passagiere und Fußgänger sicherer machen. Der Schutz der elektronischen Systeme autonomer Fahrzeuge vor den Auswirkungen von Transienten, elektromagnetischen Störungen (EMI) und elektrostatischen Entladungen (ESD) ist entscheidend, um einen kontinuierlichen, zuverlässigen und fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten.

Mark Patrick ist Technical Marketing Manager für EMEA bei Mouser Electronics und für die Erstellung und den Vertrieb technischer Inhalte in der Region verantwortlich. Bevor er das technische Marketingteam leitete, war Patrick Teil des EMEA-Lieferantenmarketingteams und spielte eine wichtige Rolle beim Aufbau und der Entwicklung von Beziehungen zu Fertigungspartnern. Vor seiner Tätigkeit bei Mouser arbeitete Patrick acht Jahre lang für Texas Instruments im Anwendungssupport und im technischen Vertrieb. Im Herzen ist er Ingenieur mit einer Leidenschaft für alte Synthesizer und Motorräder. Er scheut sich auch nicht, diese selbst zu reparieren. Patrick hat einen Abschluss in Elektrotechnik an der Coventry University.

Was ist mit der Embedded-Branche?

Interviews, Use Cases, Tipps & Tools für den digitalen Einstieg in die Fertigungsindustrie

Aktuelle Berichte zum Thema Industrie 4.0 finden Sie hier

© 2021 WEKA FACHMEDIEN GmbH. Alle Rechte vorbehalten.