Zuverlässige Stromversorgung von Fahrzeug-Trackingsystemen

| Autor / Redakteur: Steve Knoth * / Thomas Kuther

Ideal zur Überwachung von Fahrzeugen und Flotten: Trackingsysteme. Aber sie brauchen eine zuverlässige Stromversorgung, auch wenn das Bordnetz ausfällt.
Ideal zur Überwachung von Fahrzeugen und Flotten: Trackingsysteme. Aber sie brauchen eine zuverlässige Stromversorgung, auch wenn das Bordnetz ausfällt. (Bild: Analog Devices)

Der Einsatz von Trackingsystemen in Automobilen und Fahrzeugflotten steigt beständig. Moderne Tracker werden immer kompakter und ihr Funktionsumfang wächst, um eine aktive Datenübertragung in Echtzeit zu ermöglichen. Zudem sind Backup-Fähigkeit und geringere Spannungen zum Versorgen des GPRS-Chipsatzes nötig.

Ein Fahrzeug-Trackingsystem ist ideal zur Überwachung einzelner Fahrzeuge oder einer ganzen Fahrzeugflotte. Ein solches Trackingsystem besteht aus der automatischen Tracking-Hard- und Software für die Datenerfassung (und, falls erforderlich, der Datenübertragung). Der weltweite Markt für das Flottenmanagement hatte in 2015 einen Wert von 8 Mrd. US-$ und es wird erwartet, dass er bis 2022 auf 22 Mrd. US-$ anwächst, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 20% zwischen 2016 und 2023 entspricht (Quelle: Global Market Insights).

Die steigende Nachfrage nach Nutzfahrzeugen in Regionen wie Lateinamerika, dem Mittleren Osten und Afrika ist ebenfalls eine potenzielle Wachstumsmöglichkeit. In den höher entwickelten Regionen wie Europa und Nordamerika wird erwartet, dass die Integration der IoT-Technik (Internet der Dinge) in die Fahrzeuge den Einsatz von Fahrzeug-Trackingsystemen beflügelt, obwohl die hohen Kosten der Integration diesen Fortschritt bisher hemmten. Das Marktvolumen für die Fahrzeugnachverfolgung in der Region Asien-Pazifik soll im Vorhersagezeitraum ebenfalls ein signifikantes Wachstum aufweisen, wobei Japan, Indien und China die primär treibenden Länder sind. Diese neu aufkommenden Märkte haben ein großes Potenzial, insbesondere wegen der vielen Nutzfahrzeuge.

Vergleich: aktive und passive Trackingsysteme

Sowohl aktive als auch passive Trackingsysteme sammeln die Daten auf gleiche Weise und haben dieselbe Genauigkeit. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Typen betrifft die Zeit. Aktive Nachverfolgungssysteme werden auch Echtzeittracker genannt, weil sie die Daten über Satelliten oder ein zellulares Netzwerk übertragen, wodurch sofort angezeigt wird, wo sich das Fahrzeug befindet. Damit kann man seine Bewegungen auf einem Computerbildschirm in Echtzeit darstellen. Dies macht das aktive Nachverfolgen der Fahrzeuge zur besten Wahl für Branchen, die daran interessiert sind, die Effizienz ihrer Auslieferungen zu verbessern und ihre Mitarbeiter zu überwachen, die mit den Fahrzeugen unterwegs sind.

Ein aktiver Tracker besitzt auch die Fähigkeit zur so genannten geografischen Abgrenzung (geo-fence), die man sich als eine Funktion ähnlich einem Kraftfeld vorstellen kann. Sie liefert eine Warnung, wenn das Fahrzeug in eine vordefinierte Zone einfährt oder diese verlässt (Quelle: RMT Corporation). Diese Art von System kann auch dabei helfen, Diebstahl zu verhindern und gestohlene Fahrzeuge wiederzufinden. Natürlich sind deshalb aktive GPS-Trackingsysteme auch teurer als passive und erfordern eine monatliche Gebühr.

Passive Nachverfolgungssysteme sind andererseits preisgünstiger, kleiner und einfacher zu verbergen. Ihr Nachteil ist, dass sie nur eine eingeschränkte Möglichkeit zur Datenspeicherung haben. Sie speichern die Daten im Gerät, ohne sie an einen entfernten Standort zu übertragen. Der Tracker muss vom Fahrzeug entfernt und in einen Computer eingesteckt werden, um seine Informationen anzuzeigen.

Diese Systeme eignen sich gut für Personen, die ihre Fahrstrecke für die Arbeit aufzeichnen oder für Branchen, die daran interessiert sind, den Missbrauch ihrer Fahrzeuge zu unterbinden. Auch werden sie häufig gewählt, um die Aktivitäten von Personen zu überwachen (man denke an Detektive). Passive Fahrzeug-Nachverfolgungssysteme sind eine geeignete Wahl, wenn keine sofortige Rückmeldung notwendig ist und es eine Möglichkeit gibt, die Daten dieser Geräte regelmäßig auszulesen.

Beide Typen von Trackern sind grundsätzlich portabel und haben relativ kleine Ausmaße. Deshalb werden Batterien benötigt aber auch eine Speichermöglichkeit, um die Daten bei einem Stromausfall zu sichern. Wegen der höheren Spannungen und Ströme von Automobilsystemen, die zum Laden der Batterie benötigt werden (üblicherweise eine einzellige Lithium-Ionen-Batterie), ist ein Schaltregler als Ladesystem wünschenswert. Er liefert einen höheren Ladewirkungsgrad verglichen mit einem linearen Batterielade-IC, da weniger Wärme aufgrund der geringeren Verlustleistung erzeugt wird.

Eingebettete Automobilapplikationen haben im allgemeinen Eingangsspannungen bis zu 30 V und manchmal sogar darüber. In diesen GPS-Trackingsystemen wäre ein Ladesystem mit der Spannungswandlung von den typischen 12 V auf die der einzelligen Lithium-Ionen-Batterie (3,7 V typisch) mit zusätzlichem Schutz vor Überspannungen am Eingang (wegen Spannungsspitzen von der Batterie) und eine Art Reservestromversorgung ideal.

Designprobleme bei Batterielade-ICs

Traditionelle Batterieladesysteme mit linearer Topologie werden häufig wegen ihrer kompakten Ausmaße, Einfachheit und moderaten Kosten geschätzt. Die Nachteile der traditionellen linearen Ladesysteme sind eingeschränkte Ein- und Ausgangsspannungsbereiche, ein höherer relativer Stromverbrauch, exzessive Verlustleistung (Wärmeerzeugung), eingeschränkte Ladeabschluss-Algorithmen und ein geringerer relativer Wirkungsgrad. Andererseits sind Schaltregler als Batterieladesysteme eine beliebte Wahl wegen ihrer Topologie, Flexibilität, Ladefähigkeit von Batterien unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, hohem Ladewirkungsgrad, der die Wärmeentwicklung reduziert, um schnelle Ladezeiten zu ermöglichen und wegen ihren weiten Betriebsspannungsbereichen.

Natürlich gibt es wie immer auch Nachteile. Einige davon sind: relativ hohe Kosten, komplizierterer Spulen-basierter Aufbau, potenzielle Rauscherzeugung und größere Ausmaße der Gesamtlösung. Moderne Bleibatterien, drahtloses Laden, Energy Harvesting, Solarzellen, entfernte Sensoren und eingebettete Automobilanwendungen werden aus den bereits erwähnten positiven Gründen vorwiegend mit Schaltreglern geladen.

Traditionell besteht das Power-Management-System für die Reservebatterien des Trackers aus mehreren ICs, einem Hochspannungs-Abwärtswandler und einem Batterieladesystem sowie allen notwendigen diskreten Komponenten – also nicht unbedingt eine kompakte Lösung. Deswegen waren die ersten Nachverfolgungssysteme auch nicht sehr kompakt. Eine typische Anwendung für ein Trackingsystem benutzt die Autobatterie und eine einzellige Lithium-Ionen-Batterie zum Datenspeichern und als Reservestromversorgung.

Warum wird dann eine wesentlich höher integrierte Stromversorgungslösung für Fahrzeug-Trackingsysteme benötigt? Vor allem um die Ausmaße des Trackers selbst zu verringern, denn in diesem Markt ist kleiner gleich besser. Zusätzlich gibt es die Anforderungen für das sichere Laden der Batterie und zum Schutz des ICs vor zu hohen Spannungsspitzen und die Notwendigkeit, im Falle eines Systemstromausfalls eine Reserve zur Verfügung zu haben. Außerdem müssen auch die relativ geringen Spannungspegel zur Versorgung der GPRS-Chipsets (general packet radio service) von ~ 4,45 V generiert werden.

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