Ganz gleich, womit sie angetrieben werden: Fahrzeuge sind heutzutage vollgepackt mit „Elektronik“. Elektrische und elektronische Komponenten in Autos sind inzwischen sehr umfangreich und nehmen von Jahr zu Jahr weiter zu. Dazu zählen Antriebsstränge, Fahrerassistenzsysteme (FAS), Komfort-, Unterhaltungs- und Navigationssysteme, Sicherheitssysteme und vieles mehr.

Daneben gibt es ein weniger sichtbares, aber ebenso wichtiges elektromechanisches Bauteil in Fahrzeugen: Elektromotoren. Reine Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge (EF und HF) haben Traktionsmotoren für den Antrieb, im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (VBM). Allerdings sind in allen Arten von Fahrzeugen inzwischen zahlreiche Elektromotoren für verschiedene Funktionen verbaut.

Wie viele Elektromotoren gibt es in einem Fahrzeug? Das ist unterschiedlich. Ein Mittelklassefahrzeug hat typischerweise etwa 40 Elektromotoren (ohne Traktionsmotoren), während in Fahrzeugen der Premiumklasse bis zu doppelt so viele verbaut sein können.

Elektromotoren werden für Wasser- und Kraftstoffpumpen, adaptive Fahrwerkssteuerungen, Gebläse, Kompressoren, Servolenkungen, Scheibenwischer, Fensterheber und vieles mehr verwendet (Abbildung 1). Die technischen Daten variieren nicht nur je nach Ausstattungsniveau des Fahrzeugs, sondern auch je nach Art des Antriebsstrangs. So wird beispielsweise die Kraftstoffpumpe in einem Elektrofahrzeug nicht benötigt.

Natürlich werden Typ, Größe, Geschwindigkeit/Drehmoment und Betrieb jedes dieser Motoren je nach Einbauort und Applikation optimiert. Diese werden in drei Hauptkategorien unterteilt (Abbildung 2):

1. Motoren für Leistungsanwendungen
2. Komfortmotoren
3. Volumenmotoren

Kein einziger Motortyp kann alle Anforderungen erfüllen, selbst wenn seine Größe an die Anforderungen der mechanischen Ausgangsleistung angepasst wird. Neben den verschiedenen Traktionsmotoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen werden in Fahrzeugen verschiedene Motortypen eingesetzt, darunter DC-Motoren mit und ohne Bürsten sowie Asynchronmotoren. Die Wahl hängt von Faktoren wie Lasttyp, Arbeitszyklus, verfügbarem Platz und anderen Überlegungen ab.

Die Vergangenheit weist nicht immer in die Gegenwart

Die ersten Fahrzeuge mit Benzinmotor, die um 1900 aufkamen, hatten weder Elektromotoren noch Batterien. Sie wurden von Hand angekurbelt und arbeiteten mit einem Magnetzünder – einem einfachen Generator mit niedrigem Wirkungsgrad, der mit Permanentmagneten und einer beweglichen Spule ausgestattet war und periodische Wechselstromimpulse zur Erzeugung von Zündfunken an eine Schaltung lieferte.

Der erste Elektromotor in einem Fahrzeug war der elektrische Anlasser, der 1912 von Cadillac eingeführt und schnell von fast allen Autoherstellern übernommen wurde. Er arbeitete mit einer einfachen 6-V-Batterie und blieb viele Jahre lang der einzige Elektromotor in Fahrzeugen. Später wurde aufgrund von zusätzlichen Funktionen wie dem Autoradio in den 1930er-Jahren und elektrischen Fensterhebern in den 1950er- und 1960er-Jahren eine Erhöhung der Spannung der Batterie auf 12 V erforderlich, aber die Anzahl der Motoren blieb im einstelligen Bereich. Viele Funktionen, wie der Kompressor der Klimaanlage und die Servolenkung, wurden über einen an der Motorwelle befestigten Nebenantriebsriemen angetrieben, während andere mit Luftdruck oder Unterdruck aus dem Motor des Fahrzeugs arbeiteten.

Diese Motoren waren über eine Punkt-zu-Punkt-Verkabelung mit dem Subsystem der Batterie verbunden und wurden über einen Ein-/Aus-Schalter gesteuert. Mit zunehmender Anzahl der Motoren und ihrer Lasten wurden der Verkabelungsaufwand sowie der Platz- und Gewichtsbedarf zu einer Herausforderung für das Design, um nicht zu sagen, zu einer untragbaren Belastung.

Heutige Motoren sind dagegen nicht mehr auf diese einfache, direkte, aber letztlich doch sehr aufwendige Weise angeschlossen. Stattdessen verfügt jeder über einen Motorsteuerungs-IC und einen Halbleiter-Leistungsschalter. Dieser Schalter ist in der Regel ein in den Steuerungs-IC integrierter Silizium-MOSFET für kleinere Motoren oder ein separates diskretes Bauteil für größere Motoren. Je nach Funktion des Motors kann auch ein Positionsrückmeldesensor für das Antriebsmanagement verwendet werden, das von einer einfachen Anordnung aus Steuerung und Treiber bis hin zu komplexen prozessorgesteuerten Systemen reicht.

Elektrische Fensterheber als anschauliches Beispiel

Seit den Tagen der manuell betriebenen Autofenster, Außenspiegel und Türschlösser haben wir in nur wenigen Jahrzehnten erhebliche Fortschritte gemacht. Heute werden diese Funktionen alle elektrisch und ohne manuelles Reservesystem betrieben. Die Entwicklung und Bereitstellung einer kontrollierten Stromversorgung für die verschiedenen Motoren und Mechanismen in modernen, komplexen Türsystemen – und deren Zubehör – ist eine große Herausforderung für die Entwickler.

Am Beispiel eines Fensters im Fahrzeug wird die Entwicklung der Elektromotoren in Fahrzeugen deutlich. Vor fünfzig Jahren wurden alle Fahrzeugfenster manuell über ein mechanisches Gestänge und eine einfache handbetriebene Drehkurbel bedient, die von den Konstrukteuren als „Fensterheber“ bezeichnet wurde. Jeder Insasse musste sein Fenster eigenhändig mit seiner Armkraft als Energiequelle betätigen (Abbildung 3), wobei der Fahrer des Fahrzeugs immer nur das Fenster neben sich öffnen oder schließen konnte und nicht alle vier Fenster gleichzeitig.

Wenn Ihre Fensterkurbel kaputt ging, konnten Sie in jedem Fachgeschäft für Autozubehör leicht Ersatz bekommen. Auch dekorative Kurbeln aus dem Zubehörhandel waren beliebt.

Elektrische Fensterheber wurden erstmals in den 1940er-Jahren eingeführt, wobei zunächst ein elektrisch gesteuertes Hydrauliksystem zum Antrieb des Fensterreglers verwendet wurde, der die Bewegung des Fensters steuert. Diese Hydrauliksysteme waren notwendig, da die Elektromotor-Technologie noch nicht weit genug entwickelt war, um in den Türen eingesetzt zu werden.

In den 1960er-Jahren wurden die Cadillac Fleetwood-Modelle dann serienmäßig mit Fenstern ausgestattet, die vollständig von Elektromotoren betrieben wurden. Innerhalb von etwa einem Jahrzehnt wurden elektrische Fensterheber zu einer gängigen Ausstattung in den meisten Autos und wurden schnell angenommen. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts entwickelten sich Fahrzeugtüren zu komplexen elektromechanischen Systemen, bei denen alle Funktionen elektronisch gesteuert wurden, wodurch mechanische Reservesysteme überflüssig wurden. Es gab eine Übergangszeit, in der sowohl elektrische als auch mechanische Steuerungen verwendet wurden, um auf Kundenanliegen einzugehen und Sicherheit zu bieten.

Eine Zeit lang wurden im Wesentlichen zwei Mechanismen für den Fensterheber verwendet: mit Kabel und mit Getriebe.^[1] Unabhängig von der verwendeten mechanischen Konstruktion hatten beide Systeme einen gemeinsamen elektrischen Aspekt. Ungeregelte 12-V-DC-Leistung floss über einzelne Steuerschalter für jedes Fenster direkt von der Autobatterie zum Motor. Durch dieses „Komfortfunktion“ des Fahrzeugs wurden jedoch die Herausforderungen durch dickere Kabelbäume und ihre Verlegung im gesamten Fahrzeug noch verstärkt.

Durch die Umstellung auf netzwerkbasierte Systeme mit geringer Leistung wie CAN-Bus (Controller Area Network), LIN-Bus (Local Interconnect Network) oder andere Systeme im Fahrzeug konnte das Problem der Kabelbäume glücklicherweise gelöst werden. Jetzt wird eine ungeschaltete 12-V-Stromversorgung an eine Regler-Motorsteuerung in der Tür geleitet. Gleichzeitig kann ein vernetzter Schalter mit dünneren Kabeln mit der Motorsteuerung kommunizieren, um die Bewegung des Fensters zu steuern und seine Leistung zu überwachen.

Was jedoch als einfache netzwerkfreundliche Motorsteuerung für Fensterheber begann, entwickelte sich bald zu einer intelligenten, prozessorbasierten Steuerung mit fortschrittlichen Leistungen. Die verbesserte Netzwerkschnittstelle für Fensterheber und die Motorsteuerungs-IC erfordern eine komplexere Energieverwaltung und -regelung, und hier kommt ein Power-Management-IC (PMIC) ins Spiel.

Dieser hochentwickelte Motor-IC muss überwacht und verwaltet werden. Der Leistungs- und Steuerungs-IC muss einen Selbsttest enthalten, um übermäßige Leistungsschwankungen oder andere Probleme sofort zu erkennen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, bevor der Motor oder die dazugehörigen Bauteile beschädigt werden. Applikationsspezifische Fenster-Motor-ICs und Leistungs- und Steuerungs-ICs integrieren diese notwendigen Funktionen in einem einzigen Smart-IC.

Fazit

Die umfassende Einführung erschwinglicher und leistungsstarker Elektromotoren in Fahrzeugen, die jeweils auf eine stark lokalisierte Funktion zugeschnitten sind und für diese gesteuert werden, ist ein bedeutender Fortschritt in den Bereichen Werkstoffe, Motordesign, Elektronik und Produktion. Heute sind Funktionen wie elektrische Fensterheber, die mittlerweile zum Standard in modernen Fahrzeugen gehören, für uns selbstverständlich. Während Elektromotoren früher groß, schwer, ineffizient und schwer zu steuern waren, sind sie heute zu kompakten Einheiten mit hohem Wirkungsgrad geworden. Dank dieser Weiterentwicklung können Konstrukteure diese Motoren bedenkenlos einsetzen, um Designprobleme zu lösen oder neue Merkmale in Autos zu integrieren.

Quellen

[1] https://www.samarins.com/glossary/window-regulator.html.