Automobilelektronik

Das Antiblockiersystem (ABS) von Bosch ging 1978 in Serie. Es war das erste elektronisch geregelte Vierrad-Antiblockiersystem für Personenwagen. Auf der Leiterplatte sind Siemens n-Kanal-MOSFET-Steuerschaltungen integriert (ASICs). Die Entwicklungszeit betrug neun Jahre.

Automobilelektronik umfasst den gesamten Bereich der Elektronik im Kraftfahrzeug und ist ein Teilbereich der Fahrzeugtechnik. Generell spricht man von der Hardware (Mechanik ausgenommen, bis auf die Gerätegehäuse, Befestigung oder Kühltechnik), unterteilt in die drei Bereiche: (1) Elektrik, (2) Elektronik, und (3) die Software bzw. programmierbare Anteile. Abgekürzt: E/E/SW. Diese Anteile sind dem Teilgebiet der eingebetteten Systeme zuzuordnen, wenn ein komplexes Elektroniksystem oder Gerät vorliegt. Die Elektrik und Elektronik umfasst dabei einen Spannungsbereich von (pauschal) bis zu 1.000 V sowie Frequenzen von wenigen Hertz bis in den Gigahertzbereich. Die grundlegende Spannungsversorgung in Automobilen sind Netze mit DC 12 V und 48 V, sowie 400 V und 800 V bei Elektrofahrzeugen (vgl. Hochvoltsystem).

Neben der Automobilelektronik sind die Softwaretechnik und Mechatronik Disziplinen, die in diesem Umfeld (Automobilbau) zum Tragen kommen. Die Entwicklung von Fahrzeugelektronik findet heute im Rahmen des Automotive System Engineering und V-Modells statt.

Entstehungsgeschichte

Die Entwicklung der Automobilelektronik hat seit den 1980er Jahren zusammen mit dem massenhaften Aufkommen der Halbleiterprodukte und Zunahme der Leistung der Mikroprozessoren bzw. Mikrocontroller eine rasante Entwicklung genommen. Seit etwa den 2010er Jahren sind in einem kommerziellen Fahrzeug hunderte bis tausende Halbleiterbauteile integriert. Softwaregesteuerte Geräte sind mit Millionen Zeilen Code programmiert.

Entwicklungablauf

Alle zu entwickelnden (später produzierenden) Bauteile, Geräte oder Systeme unterliegen speziellen Anforderungen, die den Normen der Automobilindustrie genügen müssen (vgl. VDA oder ISO/IEC/IEEE). Dies gilt sowohl für Stecker, Kabel, Einzelbauteile (Widerstand, Spule, Kondensator), Halbleiterprodukte (Transistoren usw.) als auch für vollwertige Geräte oder Systeme eines Herstellers (auch Zulieferers). Zu den klassischen E/E-Komponenten zählen die Automobil-Sensoren und Aktuatoren. Hinzu kommen auch die Softwareanteile, die übergeordnet durch Softwarearchitekturen wie AUTOSAR modelliert und ausgelegt werden. Man spricht daher auch von einer E/E/SW-Entwicklung. Es sei angemerkt, dass auch der Begriff E/E/PE für programmierbare Elektronik (PE) genutzt wird. Die IEC 61508 nutzt diese Abkürzung offiziell.

Bekannte Geräte sind die Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Drehmoment-, Klopfsensoren. Auch Mikrosysteme (MEMS) werden als Teil der Baugruppen, z. B. im Airbagsystem, integriert. In Elektrofahrzeugen spielen Leistungselektronik und Leistungshalbleiter eine entscheidende Rolle. Zu den elektro- und mechanischen Fahrzeugsystemen zählen u. a. die Servolenkung, Abgassystem (vgl. Abgasreinigung), die Navigationssysteme, Mediageräte (früher: Radio oder CD-Spieler), moderne LED-Scheinwerfer usw. Ein Hauptfokus der Automobilelektronikentwicklung liegt jedoch auf der Motorsteuerung (einschließlich Elektromotoren, Inverter, Batteriemanagementsysteme für Elektroautos, Hybride und batterieelektrische Fahrzeuge – als System auch bekannt als E-Achsen) und dem Antriebsstrang (auch Getriebe).

Aufgrund der Vielzahl der elektronisch geregelten bzw. gesteuerten Teilkomponenten besitzen gewöhnliche Fahrzeuge bereits mehrere Steuergeräte, die miteinander kommunizieren. Dabei kommen Kommunikationsprotokolle wie CAN, LIN, FlexRay oder auch Automotive Ethernet (IEEE 802.3) zum Einsatz. Alle diese Standards werden seit Jahrzehnten für Fahrzeuge angepasst und optimiert. Im Falle des autonomen Fahrens (AD) kommen weitere Datenschnittstellen hinzu, z. B. 5G oder 6G-Kapazitäten. Die Mobilfunksysteme spielen außerdem eine Rolle bei dem elektronischen eCall-System, welches 2018 Vorschrift wurde. Dies ist nur eines von vielen Elektronikgeräten, die Autos sicherer, komfortabler und moderner machen.

Test und Qualität

Die Qualitätssicherung, Messtechnik, Diagnose und das Testen (V&V) der Funktionen der E/E/SW-Komponenten oder auch der elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) spielen bei der Entwicklung eine entscheidende Rolle, siehe hierzu auch Verifikation und Validierung (V&V). Hier wird genau unterschieden zwischen Unit-, Komponenten- oder Modultests, Integrationstests, Softwarequalität und Systemtests. In Fahrzeugen jeglicher Art spielen spezielle Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit und funktionale Sicherheit (vgl. ISO 26262) der Systeme und des Systems „Fahrzeug“ eine überragende Rolle. Elektronikgeräte werden außerdem in „Umwelttests“ auf IP-Schutzarten geprüft. Die Messmittel (Messtechnik) wird selbst überprüft und kalibriert.

Dafür gibt es eigene Interessensgemeinschaften wie die Association for Standardization of Automation and Measuring Systems (ASAM), welche Normen oder Standards spezifiziert. An die Elektronik im Fahrzeug werden besondere Ansprüche bezüglich Robustheit, Temperaturbereich, Schwingungs- und Stoßfestigkeit sowie Zuverlässigkeit gestellt, oder zusammengefasst, die Sicherheit und Qualität. Ein Großteil der Technologie eines Automobils ist reguliert, das heißt, sie wird durch Normen und Richtlinien sowie entsprechende Abnahmen und Prüfungen überprüft. Vorgaben kommen z. B. von der International Automotive Task Force (IATF). Die Basis der Qualität, was jedes Unternehmen (egal ob Zulieferer oder Endausrüster) im Zusammenhang mit Automobilelektronik erfüllen sollte, ist ein Qualitätsmanagementsystem (QMS) nach ISO 9001.

Automobilelektroniksysteme

Im Zentrum der Entwicklung der Automobilelektronik stehen häufig die Steuergeräte, welche im Fahrzeug verteilt und mittels CAN-Bus o.a. Kommunikationsprotokollen verbunden sind. Zentral sind dabei die Motorsteuergeräte, die sowohl bei Verbrennungsmotoren als auch bei Elektrofahrzeugen die Kontrolle, Steuerung und Regelung übernehmen.

Beispiele elektronischer Anwendungen im Fahrzeug

• Airbag (Elektronik erkennt eine Kollision und löst den Airbag aus)
• Alarmanlage
• Antiblockiersystem (ABS) und Fahrdynamikregelung (ESC/ESP)
• Body Control Unit (BCU) und andere Systeme wie elektronische Schlüssel
• Drive-by-Wire-Systeme (elektronisches Gaspedal)
• Fahrerassistenzsysteme (passive Sicherheit)
  • Lidar
  • Radar
  • Einparkhilfe
• Kombiinstrument (dient zur Anzeige der Daten im Auto)
• Kommunikationssysteme (Car2Car, Car2x, eCall, uvm.)
• Motorsteuerung mit Ansteuerung der Zündanlage oder des Einspritzsystems
• Multimediageräte (Navigationssystem, Radio u. a.)
• Sämtliche Systeme aus der Elektromobilität

Hochentwickelte Fahrzeuge

Bei Fahrzeugen der neuesten Generation (ab 2020er Jahre) kommen leistungsstarke Recheneinheiten (Hochleistungssteuergeräte bzw. Fahrzeugcomputer) zum Einsatz, z. B. die Media Control Unit (MCU) bei Tesla. Als Teil der Entwicklung spricht man von Software-definierten Fahrzeugen, welche auf neuartigen E/E-Architekturen und Chip-Technologien aufbauen. In Einzelfällen kommen sogenannte „KI-Beschleuniger“ zum Einsatz, welche eine hochkomplexe Sensordatenfusion durch autonome bzw. intelligente Kapazitäten unterstützen. (Diese Technologien sind jedoch noch nicht der Standard in jedem gewöhnlichen Fahrzeug, da die Entwicklung künstlicher neuronaler Netze (KNN) selbst noch Teil der Forschung und Entwicklung (F&E) ist. Ein Anwendungsbeispiel sind die „Robotaxis“.)

In hochwertigen Fahrzeugen sind gewöhnliche Kombiinstrumente mittlerweile durch hochauflösende LCD-Displays bzw. Touchdisplays abgelöst worden. Autoelektronik ist eine Basistechnologie moderner Fahrzeuge. Die Steigerung oder Weiterentwicklung führt zu hochkomplexen Fahrzeugtechnologien, wie dem autonomen Fahren (AD). Des Weiteren spielt bei den hochentwickelten und mit dem Internet verbundenen Elektroniksystemen auch die Cybersecurity eine wichtige Rolle, vgl. auch die Norm SAE J3061.

Markt

Die Autoindustrie ist seit vielen Jahren ein Hauptabnehmer der sich rasant entwickelnden Produkte der Halbleiterindustrie. Man schätzt (Stand 2025) den Markt für Automobil-Halbleiterprodukte auf etwa 74,4 Milliarden US-Dollar (2024: 69,9 Mrd. USD).

Siehe auch

• Automotive Electronics Council (AEC)
• Avionik (Luft- und Raumfahrttechnik)
• ASPICE (vgl. ISO/IEC 15504)
• Consumer Electronics Show (CES)
• FMEA
• Internationale Automobil-Ausstellung (IAA)
• Motor & Equipment Manufacturers Association (MEMA)
• OSEK (eines der vielen Echtzeit-Betriebssysteme für Steuergeräte)
• Qualitäts Management Center (QMC)
• Society of Automotive Engineers (SAE)
• Unbemannte Systeme

Literatur

Fachzeitschriften

• ATZ/MTZ
• Automobil Elektronik
• Hanser Automotive

Fachbücher

• Ronald K. Jurgen (Hrsg.): Automotive Electronics Handbook. McGraw-Hill, New York, NY 1995, ISBN 0-07-033189-8 (englisch, Online). 
• V. A. W. Hillier: Hillier’s Fundamentals of Automotive Electronics. Nelson Thornes, Cheltenham, UK 1996, ISBN 0-7487-2695-0 (englisch, Online). 
• Konrad Reif (Hrsg.): Bosch Autoelektrik und Autoelektronik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1274-2, doi:10.1007/978-3-8348-9902-6. 
• Konrad Reif: Automobilelektronik: Eine Einführung für Ingenieure. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-05047-4, doi:10.1007/978-3-658-05048-1 (englisch). 
• Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall: Bussysteme in der Fahrzeugtechnik: Protokolle, Standards und Softwarearchitektur. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-02418-5, doi:10.1007/978-3-658-02419-2. 
• Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics: Systems and Components, Networking and Hybrid Drive. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-658-01783-5, doi:10.1007/978-3-658-01784-2. 
• Fabian Wolf: Fahrzeuginformatik: Eine Einführung in die Software- und Elektronikentwicklung aus der Praxis der Automobilindustrie. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-21223-0, doi:10.1007/978-3-658-21224-7. 
• Helmut Tschöke, Peter Gutzmer, Thomas Pfund (Hrsg.): Elektrifizierung des Antriebsstrangs: Grundlagen - vom Mikro-Hybrid zum vollelektrischen Antrieb. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2019, ISBN 978-3-662-60355-0, doi:10.1007/978-3-662-60356-7. 
• Philipp Kranabitl, Matthias Bajzek, Martin Atzwanger, Dorith Schenk, Hannes Hick: Automotive Powertrain Development Process. In: Hannes Hick, Klaus Küpper, Helfried Sorger (Hrsg.): Systems Engineering for Automotive Powertrain Development (= Powertrain). Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-319-99628-8, S. 383–402, doi:10.1007/978-3-319-99629-5_25 (englisch). 
• Kai Borgeest: Elektronik in der Fahrzeugtechnik: Hardware, Software, Systeme und Projektmanagement. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2021, ISBN 978-3-658-23663-2, doi:10.1007/978-3-658-23664-9. 
• Uwe Winkelhake: Die digitale Transformation der Automobilindustrie: Treiber - Roadmap - Praxis. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2024, ISBN 978-3-662-68793-2, doi:10.1007/978-3-662-68794-9 (englisch). 
• Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 30. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2024, ISBN 978-3-658-44233-0, doi:10.1007/978-3-658-44233-0. 
• Martin Doppelbauer: Grundlagen der Elektromobilität: Technik, Praxis, Energie und Umwelt. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2025, ISBN 978-3-658-44827-1, doi:10.1007/978-3-658-44828-8.