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E-Book

Automobil-Sensorik

Ausgewählte Sensorprinzipien und deren automobile Anwendung

Verlag	Springer Vieweg
Erscheinungsjahr	2016
Seitenanzahl	366 Seiten
ISBN	9783662489444
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	89,99 EUR

Die Sensorik nimmt im Automobil einen bedeutenden und wachsenden Stellenwert ein. Im Zuge der rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik sind immer genauere und robustere Sensorinformationen unabdingbar. Diese Informationen werden in komplexen Regelalgorithmen der Fahrzeugelektronik insbesondere zur Motorsteuerung, Fahrstabilität, Sicherheits- und Komforterhöhung genutzt. Zur Generierung dieser Informationen gewinnen neben der Optimierung bekannter Sensorprinzipien zunehmend auch neue Sensorkonzepte und -technologien an Bedeutung. Die resultierenden Sensorsysteme unterliegen neben hohen technischen Anforderungen auch immer höheren Ansprüchen hinsichtlich Kosten, Miniaturisierung, Qualität und Zuverlässigkeit.

In diesem Fachbuch sind Sensorprinzipien und -technologien beschrieben, die den Trend aktueller Sensorentwicklungen für spezielle Fahrzeug-Anwendungsgebiete widerspiegeln. Der Schwerpunkt dieser Ausgabe liegt auf Sensorsystemen, die ihren Einsatz im Bereich der Batterie-Zellüberwachung, Klimatisierung, Bedienfunktionen, Abgasregelungen, Motorsteuerungen und Fahrwerksdynamik im Automobil finden.

Der Herausgeber

Dr.-Ing. Thomas Tille studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Berlin und promovierte an der Technischen Universität München auf dem Gebiet Integrierter Sensorauswerteschaltungen. Seit mehreren Jahren ist er im Bereich der Elektronik- und Sensorikentwicklung der BMW AG tätig.

Dr. Tille ist zudem Dozent für Mikroelektronik an der Technischen Universität München und leitet darüber hinaus Tagungen im Bereich Automobil-Sensorik.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort	5
Inhaltsübersicht	7
Inhaltsverzeichnis	10
Kapitel 1Integrierte Zell-Sensorik in Lithium-Ionen-Akkus für Elektround Hybridfahrzeuge	19
1.1 Einleitung	19
1.2 Stand der Technik	20
1.2.1 Batteriemanagementsysteme	20
1.2.2 Zustandsgrößen und Sensoren in Li-Ionen Zellen	21
1.3 Integrierte Druckund Temperatursensorik	32
1.3.1 Integrierte Drucksensoren auf Flexprint-Platinen	32
1.3.2 Passivierung der Flexprintsensoren	33
1.3.3 Optimierte Sensorik: Druck und Temperaturmessung	34
1.3.4 Zellintegration	35
1.3.5 Messergebnisse	35
1.4 Zusammenfassung	37
Literatur	38
Kapitel 2Batterie-Zellensensoren mit drahtloser Kommunikation und verteilter Signalverarbeitung	43
2.1 Einleitung	43
2.1.1 Batteriemanagement: Stand der Technik	43
2.1.2 Zellensensoren für jede Zelle	44
2.1.3 Systemaufbau Batteriemanagement	46
2.2 Der Zellensensor	47
2.2.1 Modulare Funktionen des Zellensensors	47
2.2.2 Funksynchronisierte Messung	48
2.2.3 Erfassung von hochdynamischen Ereignissen	50
2.2.4 Wake-Up-Funktion	50
2.2.5 Ladungsbalancierung	51
2.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Batteriezustandsbestimmung	52
2.3.1 Anregung im Ladeund Entladebetrieb	53
2.3.2 Verteilte Signalverarbeitung im Frequenzbereich	55
2.3.3 Ersparnis durch verteilte Signalverarbeitung	56
2.4 Anwendung und Erprobung	57
2.4.1 Erprobung der Sensormodule	57
2.4.2 Erprobung der Impedanzspektroskopie	58
2.5 Zusammenfassung und Ausblick	59
Literatur	60
Kapitel 3Chemoresistive CO2-Sensoren basierend auf Seltenerdoxycarbonat-beladenem Zinndioxid	62
3.1 Einleitung	62
3.2 Messverfahren	64
3.2.1 Sensoraufbau	64
3.2.2 Messaufbau für Widerstandsmessungen	65
3.2.3 Messaufbau für Operando-Austrittsarbeitsmessungen	65
3.3 Widerstandsmessungen	67
3.1.1Temperaturabhängigkeit von La2O2CO3	67
3.3.2 Temperaturabhängigkeit von La2O2CO3 beladenem SnO2	67
3.4 Austrittsarbeitsmessungen	69
3.4.1 Ergebnisse der Austrittsarbeitsübertragung	69
3.4.2 Funktionsweise der Austrittsarbeitsübertragung	71
3.5 Zusammenfassung	73
Literatur	73
Kapitel 4Photoakustischer Low-Cost CO2-Sensor für Automobilanwendungen	76
4.1 Einleitung	76
4.2 Messmethodik	79
4.2.1 Theorie der Photoakustik	80
4.2.2 Konzept des photoakustischen Sensorsystems	81
4.3 Sensorsystem	82
4.3.1 Mechanischer Aufbau und Komponenten	82
4.3.2 Energieversorgung im Automobil	87
4.4 Messergebnisse	87
4.4.1 Charakterisierung im Labor	87
4.4.2 Kalibration	90
4.5 Zusammenfassung und Ausblick	91
Literatur	92
Kapitel 5NDIR- und photoakustische VOC/CO2-Sensoren zur Detektion der Luftqualität	94
5.1 Einleitung	94
5.2 Ausgewählte Gassensormessprinzipien zur Detektion von CO	95
5.2.1 Funktionsprinzip optischer Gassensoren	95
5.2.2 NDIR-Messprinzip zur Detektion von CO	96
5.2.3 Photoakustisches Messprinzip zur Detektion von CO	97
5.2.4 Metalloxid-Gassensorelemente zur Detektion von VOCs	98
5.3 VOC/CO2-Sensorsysteme im Vergleich	99
5.3.1 Aufbauvarianten und Funktion	99
5.3.2 Vergleichende Laborunteruntersuchungen von NDIRund photoakustischem VOC/CO2-Sensor	102
5.3.3 Praxistests	106
5.4 Applikationspotenzial im Automotive-Bereich	109
5.5 Zusammenfassung und Ausblick	110
Literatur	111
Kapitel 6Mikrowellengestützte Systeme zur Zustandserkennung von Abgaskatalysatoren und Abgaskltern im Überblick	112
6.1 Einleitung	112
6.2 Prinzip der mikrowellenbasierten Katalysator-Zustandserkennung	114
6.3 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beim Dreiwegekatalysator	115
6.4 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beim NH3-SCR-Katalysator	120
6.5 Mikrowellenbasierte Katalysator-Zustandserkennung beimNOx-Speicherkatalysator	124
6.6 Mikrowellenbasierte Zustandserkennung beim Diesel-Partikelfilter	124
6.7 Zusammenfassung	125
Literatur	126
Kapitel 7Miniaturisierte Systeme zur mikrowellenbasierten Katalysatorüberwachung	130
7.1 Einleitung	130
7.2 Kommunikationssystembasierter Ansatz	131
7.2.1 Beschreibung des Messprinzips	131
7.2.2 Experimentelle Verifikation	133
7.3 Reflektometer	139
7.3.1 Prinzip und Aufbau	139
7.3.2 Systemeigenschaften	140
7.3.3 Systemleistung	143
7.4 Zusammenfassung	144
Literatur	145
Kapitel 8Touch-Sensor-System für Dekor-integrierte HMI-Anwendungen im Automobil	146
8.1 Einleitung	146
8.2 Sensorprinzip	147
8.2.1 Optischer Touch-Sensor	148
8.2.2 Kapazitiver Touch-Sensor	148
8.3 Sensorsystem	154
8.3.1 Sensormodul	154
8.3.2 3D-Funktionsoberfläche	161
8.3.3 Performance	161
8.4 Anwendung	163
8.4.1 Dekor-Integration	164
8.4.2 Human-Machine-Interface	165
8.5 Zusammenfassung	166
Literatur	166
Kapitel 93D-Gestenerkennung für Multi-Touch Displays	168
9.1 Einleitung	168
9.1.1 Anwendungsgebiete	169
9.2 Systeme zur Gestenerkennung	170
9.3 Kapazitive Gestenerkennung	172
9.3.1 E-Feld Sensorik	173
9.3.2 Fazit	175
9.4 Systemcharakterisierung	175
9.5 Gestenerkennungssystem GestIC	177
9.5.1 Signalverarbeitung GestIC	179
9.5.2 Rohdaten und Gesten	179
9.5.3 Statistische Klassifikation	181
9.5.4 GestIC-Gestenportfolio	183
9.6 2D-Multitouch, 3D-Gestenerkennung für Displays	184
9.6.1 Technische Herausforderung	184
9.6.2 2D-Multitouch-Erkennung	185
9.6.3 2D/3D-Displays	185
9.7 Zusammenfassung und Ausblick	186
Literatur	187
Kapitel 10Materialintegrierte Sensorik für Fahrzeug-Leichtbautechnik	188
10.1 Einleitung	188
10.2 Sensoren in Entwicklung und Produktion	190
10.2.1 Fremdkörpereffekt	191
10.2.2 Fließfrontüberwachung	193
10.2.3 Überwachung des Aushärtungsprozesses	199
10.3 Structural Health Monitoring	201
10.3.1 Optische Verfahren	202
10.3.2 Dielektrische Verfahren	203
10.3.3 Akustische Verfahren	203
10.4 Drahtlose Übertragung	204
10.5 Zusammenfassung	206
Literatur	207
Kapitel 11MEMS Mobility-Sensoren für Bewegungserkennung	214
11.1 Einleitung	214
11.1.1 MEMS-Sensoren im Automobil	215
11.1.2 MEMS-Sensoren in Konsumelektronik	215
11.2 Anforderungen für MEMS im Automobil und in der Konsumelektronik	215
11.2.1 Marktanforderungen für Automobil-MEMS	216
11.2.2 Marktanforderungen für Konsumelektronik-MEMS	216
11.2.3 Zusammenfassung der unterschiedlichen Marktanforderungen	217
11.3 Mobility-Sensoren Konzept	217
11.3.1 AEC-Q100 Qualifizierung	218
11.3.2 Erweiterte Produktverfügbarkeit / erweitertes Endmessen	218
11.4 Vorstellung Mobility-Sensoren	219
11.4.1 MEMS-Inertialsensor SMI130	219
11.4.2 SMG130	221
11.4.3 SMA130	221
11.5 Mögliche Automobil-Anwendungen	223
11.5.1 Bank-Angle-Sensierung	223
11.5.2 Alarmanlagen in Fahrzeugen	224
11.5.3 Navigation	224
11.5.4 Remote-Keyless-Entry-Systeme	225
11.5.5 eCall	225
11.6 Software	226
11.6.1 Software für Konsumelektronikund Automobil-Sensoren	226
11.6.2 Software für Mobility-Sensoren	226
11.6.3 Linuxund Android-Softwarestruktur mit Mobility-Sensoren	226
11.6.4 Ausblick für Software Anwendungen	227
11.7 Zusammenfassung	228
Literatur	228
Kapitel 12Hoch performante Rotorlage-Sensorik für bürstenlose E-Maschinen in Hybridantrieben	229
12.1 Einleitung	229
12.2 Rotorpositionssensor	231
12.2.1 Methoden zur Erfassung der Rotorposition	231
12.3 In die Welle integriertes Sensorsystem	238
12.3.1 Aufbau	238
12.3.2 Optimierung bezüglich Genauigkeit	239
12.3.3 Systemuntersuchung: Genauigkeit	241
12.3.4 Systemuntersuchung: Störfeldrobustheit	242
12.4 Rotorlage-Sensorik unter dem Aspekt funktionaler Sicherheit	244
12.5 Zusammenfassung	245
Literatur	246
Kapitel 13Hochintegrierte Rotorlage-Sensoren für Elektro-Motoren	247
13.1 Einleitung	247
13.2 Technologien zur Rotorlage-Erfassung	253
13.2.1 Resolver	253
13.2.2 Wirbelstrom-Sensoren (Eddy-Current-Sensoren)	255
13.2.3 Magnetische Sensoren	256
13.2.4 360°-AMR-Encoder	259
13.3 Vergleich auf Systemniveau	262
13.3.1 Integration	262
13.3.2 Magnetische Störfestigkeit	265
13.3.3 Kosten	266
13.3.4 Messgenauigkeit	266
13.4 Zusammenfassung und Ausblick	274
Literatur	275
Kapitel 14Magnetoresistive Sensoren für Weg-, Winkel-, Stromund Feldmessung im Automobil	276
14.1 Einleitung	276
14.2 Anforderungen an Sensoren im Automobil	277
14.3 Grundlagen magnetoresistiver Sensortechnologie	278
14.3.1 AMR-Effekt	280
14.3.2 GMR-Effekt	284
14.3.3 TMR-Effekt	285
14.4 Signalverarbeitung bei MR-Sensoren	286
14.5 Vorteile und Nutzen von MR-Sensoren	288
14.6 Anwendungsbeispiele	291
14.6.1 Raddrehzahlsensor	291
14.6.2 Drehmomentsensor für elektrische Lenkung	293
14.6.3 Motorkommutierungssensor für Aktivlenkung	295
14.6.4 Zahnsensormodul für Ventilwegmessung	297
14.6.5 Geschwindigkeitssensor für E-Kompressor	300
14.6.6 Winkelsensor für vollvariables Ventilsteuerungssystem	301
14.6.7 Stromsensor für E-Sportwagen Umrichter	302
14.6.8 Stromsensor für induktives Ladesystem für E-Fahrzeuge	305
14.7 Zusammenfassung	307
Literatur	307
Kapitel 15Streufeld-immune Schaltkreise für magnetische Positionssensoren	311
15.1 Einleitung	311
15.2 Positionssensoren im Automobil	312
15.2.1 Überblick	312
15.2.2 Einfluss von Streufeldern auf magnetische Positionssensoren	314
15.3 Messergebnisse	326
15.4 Zusammenfassung	328
Literatur	328
Kapitel 16Induktiver Drehzahlsensor für Turbolader	329
16.1 Einleitung	329
16.2 Sensor-Technologie	330
16.2.1 Funktionsprinzip	330
16.2.2 Aufbau	333
16.3 Vorteile der Turboladerdrehzahl-Erfassung	334
16.3.1 Luftsystem von Verbrennungsmotoren	334
16.3.2 Üblicher Überdrehzahlschutz / Toleranzeinfluss	337
16.3.3 Erhöhung der Höhenreserve	340
16.3.4 Erhöhung Drehmoment/Leistung und Downsizing-Potential	341
16.3.5 Erweiterte Nutzung des Verdichterkennfeldes	343
16.3.6 Ersatz anderer Sensoren	344
16.4 Zusammenfassung	345
Literatur	346
Kapitel 17Piezoelektrische MEMS-Sensoren zur Viskositätsund Dichtebestimmung von technischen Flüssigkeiten	347
17.1 Einleitung	347
17.2 MEMS-Resonatoren in viskosen Flüssigkeiten	348
17.3 Piezoelektrischer Effekt in MEMS-Resonatoren	350
17.4 Herstellung der MEMS Sensoren	357
17.5 Messungen in hochviskosen Flüssigkeiten	358
17.6 Zusammenfassung und Ausblick	364
Literatur	364

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