Daten-Backbone, Platzmangel und Fehlertoleranz

Der Autor: Tobias Meyer ist freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

Wohin sich Bordnetze in Zukunft entwickeln werden

Laut Johannes Meisenzahl, Leiter Entwicklung physisches Bordnetz bei BMW, hat sich die Komplexität des Bordnetzes in den letzten zehn Jahren verdoppelt: „Wir schätzen, dass in zwei Jahren noch einmal alles um den Faktor zwei komplexer wird.“ Das hänge auch damit zusammen, dass im Bordnetz nur „Middle out“ entwickelt wird, da verschiedene ältere Systeme mit durchgezogen werden müssten: Aktuell stecken daher bis zu neun verschiedene Netze in einem Fahrzeug. Das erschwere die Entwicklung des idealen Bordnetzes. Laut Udo Hornfeck, Vice President Global R&D bei der Leoni Bordnetz-Systeme GmbH, müsse man auch realistisch bleiben: „Niemand will wieder bei Null anfangen.“ Daher würden ältere Systeme auch weiterhin migriert werden.

Im Detail erklärt das Marco Wolf von TE Connectivity: 30 % des Bordnetzes bestehe aus analogen Sensorleitungen, eine Digitalisierung via Bus könnte hier sofort großes Einsparpotential bieten. Doch ein geeignetes Protokoll fehlt bisher. Der bekannte digitale CAN-Bus könne eigentlich alles übernehmen, er ist aber teuer, zudem die meisten Sensoren analoge Signale liefern und so auf einen zusätzlichen AD-Wandler angewiesen wären – bei 150 Sensoren im Fahrzeug sprenge das schnell den Kostenrahmen. Das gleiche gelte für FlexRay und MOST. Der abgespeckte LIN-Bus dagegen sei für viele Sensoren schon zu langsam. Das SENT-Protokoll hat ein besseres Signal, erlaubt aber nur zwei Partner an einer Leitung. PSI5 und DSI3 gingen prinzipiell auch für alles, brauchen aber viel Strom, erwärmen sich selbst und könnten daher nicht in Temperaturzonen wie Motor oder Abgasanlage eingesetzt werden. Die ernüchternde Bilanz von Wolf: „Die heutigen Busse sind samt und sonders nicht an die Erfordernisse der Sensorwelt angepasst.“ Es sei daher absolut sinnvoll, die heutige Lücke zwischen CAN und LIN zu schließen.

Sensoren an einen Bus zu koppeln mache laut Wolf auch aus Kostengründen Sinn: In einem Doppelkupplungsgetriebe sitzen sechs Sensoren (2x Drehzahl, 4x Position). Diese sind über einen öldichten 12-poligen Stecker mit der Außenwelt verbunden. Hier zählt die Anzahl der Pins, ein Busstecker könnte alle Sensoren gleichzeitig – und somit günstiger da weniger Pins – aus dem Getriebe nach außen übertragen.

Die BMW-Experten berichteten zudem von ihrer Erfahrung, dass Optimierungen im Materialeinsatz die Gewichtszunahme kaum kompensieren können: Vor einigen Jahren wog ein Kabelbaum noch 28 kg, heute liegt man bei 47 kg, das liege auch an der stetig steigenden Leistungsaufnahme der ECUs, was höhere Leitungsquerschnitte erfordert. Gleichzeitig reduzieren sich die Bauräume – bei steigendem Bedarf. Zunehmende elektrische Energiebedarfe stressen das Bordnetz zusätzlich.

Christian Bauer, zuständig für die Frühe Phase E/E Package, Elektrologik und Architektur bei BMW, will Bordnetze daher auch in andere Bereiche integrieren, beispielsweise könne man die Lenkradheizung auch für die Hands-off-Kontrolle nutzen, so würden keine zwei separaten Datenleitungen benötigt.

Ein wichtiges Thema sei daher auch im Bordnetz die Simulation: Routingtrassen, Energieflüsse und Bauräume ließen sich so effizienter gestalten. Auch Dräxlmaier sieht die Simulation künftig als essential an: „Die Bordnetzsimulation von Hochvolt-Leitungen wird einen wesentlichen Stellenwert in der Entwicklung einnehmen“, sagt Oliver Druhm, Teamleiter Konzeptentwicklung Bordnetze bei Dräxlmaier. Denn die HV-Technik wird immer mehr Bereiche übernehmen, etwa die Wankstabilität. So entstehen neue Produkte mit anderen Anforderungen: Der HV-Verteiler muss nicht nur schraubfest, sondern auch EMV-fest sein.

Auch an der Architektur im Bordnetz soll sich grundlegendes ändern. Sensor und Aktor könnten laut Druhm künftig an der gleichen Bus-Leitung hängen, statt jeweils eine eigene ECU-Verbindung zu beanspruchen. Das Datennetz wird sich daher hin zu einem Daten-Backbone (Automotive Ethernet) entwickeln, da fast alle Systeme Zugriff auf alle Daten benötigen. Dadurch sollen Skalierbarkeit, Individualisierung und hohe Datenraten Realität werden. Als großes Thema sieht Druhm – und viele seiner Kollegen – die Entwicklung von Fail safe hin zu Fail operational im Bordnetz. Vor allem hinsichtlich dem Trend Autonomes Fahren arbeiten viele Entwickler an Ideen, wie das Bordnetz auch im Fehlerfall funktionstüchtig bleiben kann. Denn wirklich Fail safe kann kein System sein, das liege laut Druhm „einfach in der Natur“.

Ähnlich sieht das auch Udo Hornfeck von Leoni: Um Fail operational bei Autonomen Fahranwendungen wie Parken und Staupilot vernünftig zu implementieren, müsse lediglich die Bremse redundant ausgelegt werden. Ein kompletter Highway-Pilot wird aber schon schwieriger, denn hier kommt die Lenkung hinzu. Hier bedeuten fünf Sekunden 180 Meter Strecke, in einer typischen Zwei-Kilometer-Kurve muss das Auto hier acht Meter versetzen. Fällt die Lenkung also aus, kann eine Kollision über mehrere Spuren verursacht werden. Also muss auch ein zweiter Aktuator für die Lenkung verbaut werden, der im Fehlerfall auch Blitzschnell zugeschaltet werden muss. Fällt jedoch die Energieversorgung aus, sei die Lösung durch eine zweite Batterie nicht so einfach zu realisieren.

Achim Henkel, Gruppenleiter Forschung und Vorausentwicklung Antriebsstrang und Elektrische Systeme bei der Robert Bosch GmbH, sieht eine Möglichkeit ohne teure Redundanz-Systeme. Sie besteht darin, dass man Fehler kapselt. Dafür könne man eine Netztopologie entwickeln, die es erlaubt, fehlerhafte Elemente, deren Störung man nicht sofort eliminieren kann, einfach abkoppelt. Denn so könne man die Fehlerauswirkung reduzieren, indem man das Problem erkennt, lokalisiert und dann kapselt und so kontrolliert degradiert. Denn in der Theorie klingen 2-kanalige Lenkung, Bremse etc. samt zweier getrennter Energiespeicher unproblematisch, wenn es aber wie von BMW-Experte Meisenzahl erwähnt um Platz und Gewicht geht, wird das eine der künftigen Herausforderungen des Bordnetzes sein. Zudem sei eine Redundanz wie etwa in Flugzeugen laut Henkel gar nicht nötig: „Das Auto steht schon auf vier Rädern“, es müsse ja nur zu stehen kommen, was sich auch ohne teure Doppelsysteme realisieren ließe.

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