Wir befinden uns an einem historischen, spürbaren Wendepunkt in der Automobilindustrie. Auf die Automobilhersteller steht ein enormer Druck zur Innovation und Neudefinition der Fahrzeugnutzung. Sie müssen nicht nur die Nachfrage der Verbraucher befriedigen, sondern auch mit den sich ändernden Sicherheits- und Umweltvorschriften Schritt halten. Infolgedessen erhöhen Automobilhersteller die Anzahl der Sensoren, die in und um Fahrzeuge herum verwendet werden, um ihren Kunden mehr Sicherheit und Funktionalität zu bieten Sensor Hersteller, bisherige Technologien zu miniaturisieren und zu verbessern.
In diesem Artikel werde ich drei wichtige Trends hervorheben, die die Anzahl der in Fahrzeugen verwendeten Sensoren in den nächsten 10 Jahren deutlich erhöhen werden: Weiterentwicklungen bei Infotainmentsystemen, zusätzliche Sicherheits- und autonome Fahrfunktionen sowie eine zunehmende Elektrifizierung.
Trend Nr. 1: Infotainment-Systeme werden immer fortschrittlicher
Die Rate der Technologie Die Akzeptanz der neuesten Infotainmentfunktionen und -trends in Fahrzeugen nimmt exponentiell zu. Das Benutzererlebnis wird viel mehr als nur ein Antrieb.
Wie in gezeigt Figure 1, die Anzahl der in einem typischen Fahrzeug verwendeten Displays nimmt zu – von rekonfigurierbaren Kombiinstrumenten über Mittelkonsolen bis hin zur Passagierunterhaltung. Gleichzeitig steigt auch die Darstellungsqualität dank größerer Bildschirme mit feinerer Auflösung und höherer Helligkeit. Auch E-Spiegel für die Rück- und Seitenansicht werden immer häufiger eingesetzt, ebenso wie kabellose Lademodule und zusätzliche Media-Hubs. Autos fühlen sich allmählich wie nahtlose Erweiterungen von Smartphones an, wobei Verbraucher ästhetisch klare Touch-Oberflächendesigns erwarten, was zu zusätzlichen integrierten Schaltkreisen (ICs) wie Induktivität-zu-Digital führt Konverter (LDC)-Sensoren, die eine „Force Touch“-Funktion auf Oberflächen ermöglichen, die keine Bildschirme sind, mit der Fähigkeit, die ausgeübte Kraft zu erkennen.
Abbildung 1: Moderne, funktionsreiche Infotainment- und Clustersysteme (Quelle: Texas Instruments)
LDC-Sensoren wie der LDC3114-Q1 von Texas Instruments (TI) ermöglichen eine nahtlose Benutzeroberfläche (UI) mit Touch-on-Metall-, Kunststoff- oder Glasoberflächen für die Benutzeroberfläche um die Mittelkonsole.
Darüber hinaus ermöglichen 3D-Hall-Effekt-Sensoren wie der TMAG5170-Q1 von TI die Positionserkennung in E-Shiftern (Gangschalthebeln) und die Infotainment-Steuerung von Joysticks und Knöpfen, die oft mit Touch- und UI-Funktionen rund um die Mittelkonsole kombiniert werden.
Die Unterstützung all dieser neuen Funktionen und Displays erfordert zusätzliche ICs in kleineren Formfaktoren, was zur Miniaturisierung von ICs und gedruckten Schaltung Platinen (PCBs) bei gleichzeitig noch größerer Funktionalität. Die Herausforderung besteht darin, dass, wenn Sie die Größe verringern Modulen die Leiterplatten beherbergt und gleichzeitig die Verarbeitungsanforderungen erhöht, haben Sie das perfekte Rezept für höhere Betriebstemperaturen. Dies ist in erster Linie auf einen höheren Stromverbrauch aufgrund der höheren Verarbeitungsleistung und eine Verringerung des Luftstroms aufgrund kleinerer Formfaktoren zurückzuführen – beides wird durch die Umwelt verstärkt, da Infotainmentsysteme häufig den Großteil ihrer Lebensdauer dem Sonnenlicht ausgesetzt sind.
Da Temperatursensoren eine so wichtige Rolle bei der Vermeidung von Schäden an Schaltkreisen durch Überhitzung spielen, erhöhen Automobilhersteller die Anzahl der auf einer typischen Leiterplatte verwendeten Temperatursensoren und legen bei der Produktauswahl Priorität auf Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Die Platzierung von Temperatursensoren in System-Hot-Spots wie dem Mikrocontroller, der Stromversorgung oder der LED-Hintergrundbeleuchtung trägt dazu bei, dass diese Komponenten innerhalb ihrer empfohlenen Betriebsbedingungen bleiben, wodurch das Infotainmentsystem die von den Verbrauchern erwartete Leistung und Zuverlässigkeit liefert.
Die Suche nach dem richtigen Temperatursensor kann angesichts der Tausenden von verfügbaren Optionen schwierig sein. Einer, der die Bank nicht sprengen wird und der zuverlässiger ist als herkömmliche Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten, ist der lineare Thermistor TMP61-Q1 von TI. Die erhöhte Genauigkeit des TMP61-Q1 trägt dazu bei, die Sicherheitsmargen für Temperaturfehler zu minimieren, um Fehlauslösungen zu vermeiden. Dies ermöglicht es Regelsystemen, näher an den thermischen Grenzen zu arbeiten und nur bei Bedarf zu drosseln oder abzuschalten.
In den nächsten Jahren können Sie nicht nur mit einer Zunahme der Anzahl von Sensorprodukten rechnen, sondern auch mit einer höheren Genauigkeit und Integration in Infotainment-Systeme, mit dem Ziel, zusätzliche Benutzererfahrungsfunktionen und eine unterhaltsamere Fahrt zu ermöglichen.
Trend Nr. 2: Zusätzliche Sicherheits- und autonome Fahrfunktionen
Nicht alle Autos sind gleich, insbesondere wenn sie auf bestimmte Märkte zugeschnitten sind. Aber behördliche Vorschriften schließen die Lücke bei den Standard-Sicherheitsmerkmalen, um die Verbrauchersicherheit zu gewährleisten. Im Jahr 2019 hat die indische Regierung beispielsweise die Installation von aktiven und passiven Sicherheitsfunktionen in allen in ihrem Land verkauften Fahrzeugmodellen vorgeschrieben. Um diese Sicherheitsfunktionen bei Low- und Mid-Tier-Modellen hinzuzufügen, müssen Autohersteller mehr Sensoren hinzufügen, um die Umgebung innerhalb und um ein Fahrzeug herum zu erfassen.
Ein gutes Beispiel für diesen Trend finden Sie bei den Rückfahrkameras. Sie waren vor 10 Jahren nur bei Luxusmodellen erhältlich, sind aber heute ein Standard-Sicherheitsmerkmal für die meisten Neufahrzeuge; ohne es ist schwer ein neues Auto zu finden. Ein weiteres Beispiel sind Fahrerüberwachungssysteme, die ebenfalls immer beliebter werden. Wenn sich die Geschichte also wiederholt, wäre ich nicht überrascht, wenn fortschrittlichere Sicherheitsfunktionen weit verbreitet sind.
Fortschrittliche Sicherheitsfunktionen sind Teil von Fahrerassistenzsystemen (ADAS). Ursprünglich für Tempomaten bekannt, haben sich ADAS zu viel mehr entwickelt und die Sensoren an Fahrzeugen auf eine ganz neue Ebene gehoben, um Funktionen wie die Überwachung im Fahrerhaus, die Erkennung des toten Winkels, die Spurverlassenswarnung, die Einparkhilfe – sogar die neuesten autonomen Fahrtechnik an.
Figure 2 zeigt die verschiedenen Ebenen des autonomen Fahrens und ihre entsprechenden Eigenschaften. Obwohl es viele Hindernisse gibt, um die Autonomie der Stufe 5 zu erreichen, arbeiten die Autohersteller daran, dies zu verwirklichen.
Abbildung 2 Stufen des automatisierten Fahrens (Quelle Texas Instruments)
Autonome Fahrfunktionen können ohne Kameras und Ultraschall-, Radar- oder LiDAR-Sensoren am Rand zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs nicht existieren. Da immer mehr Autohersteller darum kämpfen, ein höheres Niveau des autonomen Fahrens zu erreichen, ist eine Zunahme der Anzahl von Sensoren unvermeidlich. Aber wo willst du sie hinstellen?
Hier kommt die Miniaturisierung ins Spiel – wo Gehäusegröße und Integration glänzen. Heutige High-End-Fahrzeuge verfügen beispielsweise über ein Multi-Chip-Single-Radar-System. Angesichts der Verwendung mehrerer diskreter Komponenten sind diese Radarsysteme groß und sperrig, wenn sie kleiner, leistungsschwächer und kostengünstiger sein müssen. TI bietet Millimeterwellen-Radarsensorlösungen (mmWave) für Automobile wie den AWR1843 von TI an, bei denen die Verarbeitung mit dem Front-End zusammen angeordnet ist, um die Größe und den Formfaktor von Radarsystemen um 50 % zu reduzieren. TI bietet auch ein höheres Maß an Integration mit Antenne-auf-Gehäuse-mm-Wellenrad-Radargeräten wie dem AWR1843AOP von TI, die die effiziente Montage mehrerer Radarsysteme um ein Fahrzeug herum ermöglichen.
Gefragt sind nicht nur datenintensive Sensoren; viel kleinere Bausteinsensoren werden die Sicherheit und Langzeitleistung rechenintensiver Prozessoren für Sensorfusion und künstliche Intelligenz gewährleisten. Wenn ein Prozessor überhitzt, zu viel Strom verbraucht oder einer hohen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, kann sich seine Leistung verschlechtern oder vollständig ausfallen, wodurch die ADAS-Funktionalität beeinträchtigt wird. Temperatur-, Strom- und sogar Feuchtigkeitssensoren wie der HDC3020-Q1 halten diese Prozessoren und andere ADAS-Komponenten wie LiDAR-Sensoren innerhalb ihrer spezifizierten Betriebsbedingungen, um Schäden zu vermeiden.
ADAS haben strengere Sicherheitsanforderungen auf Systemebene als andere Automobilsysteme, da Fahrzeuge mit zunehmender Intelligenz auch komplexer werden. Die zunehmende Komplexität wirft Sicherheitsbedenken auf, insbesondere da das autonome Fahren zum Mainstream wird. Die Bewertungen des Automotive Safety Integrity Level (ASIL) legen Anforderungen zur Risikominimierung fest und gewährleisten bei der Entwicklung dieser Systeme Standard-Sicherheitsverfahren. Daher müssen viele Teilsysteme im gesamten Fahrzeug eine funktionale Sicherheit auf Systemebene aufweisen.
Eine häufige Anforderung in der funktionalen Sicherheit ist Redundanz. Um die Redundanzanforderungen zu erfüllen, übernehmen Automobilhersteller schnell Sensoren für sicherheitskritische Steuerungssysteme, wodurch die Anzahl der Sensoren weiter vervielfacht wird. Sensorhersteller wie TI haben diesen Trend erkannt und konzentrierten sich darauf, Ingenieuren das Auffinden und Verwenden von Sensoren zu erleichtern, sei es in Designs, die auf funktionale Sicherheitsstandards ausgerichtet sind, oder in wettbewerbsdifferenzierten, sichereren Systemen.
Trend Nr. 3: Die Elektrifizierung nimmt zu
Autohersteller setzen auf Elektrofahrzeuge (EVs). Warum Elektroautos? Nun, eine ruhige Fahrt und ein sofortiges Drehmoment sind nicht die einzigen Gründe, warum sie an Traktion gewinnen; Es gibt eine viel größere Kraft im Zusammenhang mit den Zielen der Regierung, den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren.
Viele Länder haben Zieldaten und Zusagen in Bezug auf den Verkauf von Elektrofahrzeugen angekündigt. Südkorea kündigte beispielsweise das Zieldatum 2050 an, klimaneutral zu werden, mit entsprechenden Plänen, die Zahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen bis 3 durch eine Ausweitung der Steuervorteile für Elektrofahrzeuge und spezifische EV-Kaufziele für Mietwagen auf fast 2025 Millionen zu erhöhen . Die Einzelheiten der Zielvorgaben der einzelnen Länder können unterschiedlich sein, aber das gemeinsame Ziel besteht darin, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) im Laufe der Zeit mit Vorschriften und Anreizen wie Steuererleichterungen oder Subventionen auslaufen zu lassen.
Wie wirkt sich die erhöhte Produktion von Elektrofahrzeugen auf die Nachfrage nach Sensoren aus? Im Vergleich zu ICE-Fahrzeugen haben Elektrofahrzeuge erhöhte Anforderungen an Spannung, Strom-, Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung, da große Subsysteme wie das Onboard-Ladegerät, der DC/DC-Wandler, die Wechselrichter und das Batteriemanagementsystem (BMS) alle mit hohen Spannungen oder Strömen umgehen. Jedes dieser Systeme erfordert eine genaue Überwachung, um die Gefahr von Stromstößen, thermischem Durchgehen und sogar Korrosion oder Kurzschlüssen durch Feuchtigkeitsaustritt zu minimieren.
Die hohe Sensorgenauigkeit in diesen Systemen könnte zu kürzeren Ladezeiten von Elektrofahrzeugen und einer noch längeren Batterielebensdauer führen. Genauere Temperaturmesswerte können beispielsweise die Fehlerspannen verringern, wodurch ein falsches Auslösen von Regelsystemen verhindert und ein Betrieb näher an den thermischen Grenzen, Drosselung oder Abschaltung nur bei Bedarf ermöglicht wird. Die Gesamtgenauigkeit bei der Verwendung von Temperatursensoren hängt vom Sensor und den umgebenden Komponenten, den verwendeten Layouttechniken und den Wärmeleitungspfaden ab. Daher ist es wichtig, die Best Practices bei der Verwendung von oberflächenmontierten Temperatursensoren zu berücksichtigen.
Der Temperatursensor TMP126-Q1 von TI hilft Systemen, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, um das Risiko thermischer Schäden zu verringern, mit einem Temperaturanstiegsalarm, der schnelle Temperaturänderungen erkennt, bevor sie gefährliche Werte erreichen, und das Risiko eines thermischen Durchgehens verringert. Sensoren wie der TMP126-Q1 sind nicht nur genau, sondern dank der geringen Sensordrift des Siliziummaterials auch zuverlässig. In BMS mit hohen Ladeströmen ist es wichtig, die Genauigkeit der Stromerfassung aufrechtzuerhalten, um den Ladezustand einer Batteriezelle richtig zu kennen. Die Verwendung genauer und driftarmer Stromsensoren wie INA229-Q1 von TI kann dazu beitragen, die Effizienz der EV-Batterie über Zeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten.
Fazit
Sensoren werden im Laufe der Zeit nur weiter zunehmen, da Infotainmentsysteme fortschrittlicher werden, sich Sicherheits- und autonome Fahrfunktionen ausbreiten und Elektrofahrzeuge ihren Marktanteil erhöhen. Um Automobilingenieuren bei der Optimierung ihrer Konstruktionen zu helfen, Halbleiter Hersteller bieten kleinere, genauere und energieeffizientere Sensoren an. Bei so vielen verfügbaren Sensoren kann die Produktauswahl überwältigend sein. Es ist wichtig zu bestimmen, welche Kriterien am wichtigsten sind – die Konzentration auf Parameter wie Genauigkeit, Drift und Größe ist eine großartige Möglichkeit, Ihre Optionen einzugrenzen.
Über den Autor
Bryan Padilla ist Produktmarketing-Ingenieur bei Texas Instruments. Er hat ein lebenslanges Interesse am Automobilmarkt und einen professionellen Fokus auf Sensortechnologien.
über Texas Instruments