Elektronik: Erkenntnisse und Lösungen für das Bordnetz der Zukunft

Mildhybrid, Plug-In-Hybrid, batterieelektrischer Antrieb, permanente Internetanbindung, sensorgestützte 360-Grad-Umfeldüberwachung und sicherheitsrelevante Assistenzfunktionen sind nur eine kleine Auswahl davon, was derzeit und in naher Zukunft ans Fahrzeug-Bordnetz „andockt“. Einerseits tolle Aussichten für Autofahrer, die nach ihrer persönlichen digitalen Revolution (Smartphone) jetzt auch im Automobil die Vorteile der Digitalisierung nutzen können. Andererseits eine gewaltige Aufgabe für uns Bordnetzspezialisten, die einen lawinenartig wachsenden Datenverkehr und eine fast unübersehbare Funktions- und Variantenvielfalt im Bordnetz abbilden müssen.

Angesichts der Dimensionen dieses Zuwachses ist klar: mit dem bisherigen Bordnetz geht das nicht. Das ist nicht einfach meine persönliche Meinung, sondern beruht auf Fakten. Intedis – ein Gemeinschaftsunternehmen des Bordnetzspezialisten LEONI und des Elektronikspezialisten Hella – hat eine Studie durchgeführt, bei der 34 Bordnetzarchitekturen (von realen Fahrzeugen sowie aus Vorentwicklungsprojekten und Konzeptstudien) gründlich auf ihre Zukunftsfähigkeit hin analysiert wurden. Die Durchführung und die Ergebnisse der obengenannten Studie werden virtuell sowohl beim Bordnetz Kongress (Landshut) am 22.9.2020 als auch beim Fachkongress „Bordnetze im Automobil“ (Ludwigsburg) am 30.9.2020 detailiert präsentiert.

Der Komplexität mit neuem Denken begegnen

Erkenntnis 1: Etwa die Hälfte der Bordnetze erfüllte die künftigen Anforderungen an robuste Energieversorgung, Fehlertoleranz und praxisgerechte Funktionalität nicht. Erkenntnis 2: Die Architekturen lassen sich in drei Kategorien einteilen. Erstens in den risikominimierten Ansatz mit sukzessiver Erweiterung bisheriger Architekturen. Dieses Konzept wird aufgrund des großen Erweiterungsbedarfs wahrscheinlich im „Overkill“ (Bordnetze werden zu komplex, zu teuer, zu schwer) enden.

Sinnvoller erscheint Ansatz 2, eine maßvolle Integration und Allokation von Funktionen in größeren Steuergeräten, um deren Anzahl und somit die Komplexität des Bordnetzes zu reduzieren. Disruptiv wirkt Ansatz 3, eine komplett neue Architektur mit wenigen großen Zentralrechnern, in denen die meisten Funktionen für Daten- und Energieverteilung integriert sind. Ergänzend regeln kleinere Zonencontroller den Datenverkehr und das Energiemanagement in der Fahrzeugperipherie. Ein solches Konzept wird vermutlich der Königsweg raus aus der Komplexitätsfalle sein.

Know-how führt zum Ziel

Das Ziel (über den Zwischenschritt Ansatz 2 hin zu Ansatz 3) ist klar umrissen, aber wie kommt man dort hin? Hier ist Know-how gefragt, wie es LEONI in vielen Jahrzehnten Bordnetzentwicklung gewonnen hat. Das betrifft nicht nur Wissen zur Bordnetzarchitektur, sondern auch zur Elektronikkompetenz und an welcher Stelle der Bordnetzarchitektur und in welcher Form Elektronikkomponenten den besten Nutzen erbringen.

Dieses Gesamtsystemverständnis von LEONI hat zu den intelligenten Komponenten iPDS (Intelligent Power Distribution Switch) und iPDM (Intelligent Power Distribution Module) geführt, die jetzt serienreif sind. Sie sind der ideale Einstieg für eine intensivere Funktionsintegration im Bordnetz.

Unser elektronischer Schalter iPDS gewährleistet die Energieversorgung sicherheitskritischer Funktionen im Fahrzeug und ist somit die Grundlage für automatisiertes und autonomes Fahren. Durch schnelles Abschalten von nicht-sicherheitskritischen Bordnetzteilen bei Ausfällen, Fehlern oder Kurzschlüssen stellt er die Verfügbarkeit von sicherheitsrelevanten Systemen wie etwa der elektrischen Lenk- und Bremsunterstützung sicher. Der intelligente elektronische Stromverteiler iPDM löst diese Aufgabe noch eleganter. Er teilt einer skalierbaren Anzahl von Verbrauchern im Fahrzeug die elektrische Energie zu und kann bei Bedarf angeschlossene Leitungen auch gegen thermische Überlast absichern.

Dank Elektronik lässt sich die gesamte Energieversorgung im Fahrzeug sicher managen und ermöglicht weit mehr intelligente Funktionen als nur das Abschalten von Strom: Etwa Eigendiagnose, Leitungsdiagnose, die Kommunikation mit anderen Steuergeräten per CAN oder LIN, sowie eine nachträgliche Erweiterung des softwaregestützten Funktionsumfangs. Die Wahl zwischen dem LEONI-Betriebssystem und einem Autosar-konformen Betriebssystem bietet weitere Flexibilität, ebenso wie die frei wählbare Anzahl der Ausgänge und der nominalen Lasten. Die reversible Absicherung und ein minimaler Wartungsaufwand ermöglichen mehr Freiheiten im Bauraum. Zumal die Komponenten dank der Elektrifizierung bis zur Hälfte kleiner und leichter sind als herkömmliche Sicherungs- und Relaisboxen.

Produktroadmap für das Komplexitätsmanagement

Intelligente Leistungsverteiler von LEONI bauen auf modularen Standard-Einzelteilen auf, die jeweils entsprechend den Kundenanforderungen ausgewählt werden. Sie entsprechen allen Anforderungen der internationalen OEMs gängigen Standards (etwa ISO 26262 sowie Automotive Spice Level 3) und erfüllen damit die Sicherheitsanforderungen für Automatisiertes Fahren.

Auf unserer Entwicklungs-Roadmap sind iPDS und iPDM logische Zwischenschritte hin zu zonalen Steuergeräten. Diese übernehmen künftig neben der Daten- und Energieverteilung weitere Funktionen für die Sensoren und Aktoren in ihrer näheren Fahrzeugumgebung. Verteilt über die gesamte Fahrzeugperipherie, sind hochintegrierte zonale Steuergeräte die ideale Ergänzung für revolutionäre Architekturkonzepte mit wenigen großen „Superrechnern“. Bei Bedarf ließen sich die zonalen Steuergeräte zu Power Units ausbauen, die zusätzlich einen DC/DC-Wandler und/oder eine kleine Stützbatterie aufweisen und so für eine gewisse Autarkie in den Spannungsebenen (12/24/48 Volt) sorgen könnten.

LEONI bietet eine umfassende Kompetenz hinsichtlich Bordnetz-Architektur, (Thermo-)Simulation, Software/Autosar, Hardware, Functional Safety und der Mitarbeit in maßgeblichen Standardisierungsgremien. Durch diese Gesamtsystemkompetenz in Kombination mit den neuen Elektronikkomponenten können wir bei einer gut abgestimmter Bordnetz-Lösung schätzungsweise bis zu 50 Prozent Bauraum und Gewicht sparen. Und selbst die durch Sicherheitsanforderungen verursachten Mehrkosten der elektronischen Lösungen lassen sich durch geschickte Einsparungen an anderen Orten des Bordnetzes teilweise kompensieren. Gerne entwickeln wir zusammen mit Ihnen die Lösung für ihr zukünftiges Bordnetz. Sprechen Sie mit uns, gerne auch virtuell während des Fachkongresses „Bordnetze im Automobil“, bei dem mein Kollege Dr. Peter Grabs und ich dieses Thema präsentieren werden.