© Poramet - stock.adobe.com

Alle Welt redet über Elektroautos. Und tatsächlich: Im Januar 2020 erreichten batterieelektrische Fahrzeuge und Plug-in-Hybride laut Kraftfahrtbundesamt einen Marktanteil von 6,5 Prozent. Damit einhergehend nehmen Hochvoltsysteme in der Diskussion über das Bordnetz der Zukunft breiten Raum ein. Dabei wird übersehen, wie wichtig das 12-Volt-Bordnetz auch in Zukunft ist und wie dringend für diese Spannungsebene innovative Ideen benötigt werden. Denn grundsätzlich steigt die Anzahl an Funktionen in künftigen Fahrzeugen auch unabhängig vom Antrieb weiter an. Wer es nicht schafft, die daraus resultierende Komplexität zu managen, wird die hohen Qualitätsanforderungen des Marktes nicht erfüllen können.

Um geeignete von ungeeigneten Lösungspfaden zu unterscheiden, haben wir von intedis – als Gemeinschaftsunternehmen des Bordnetzspezialisten LEONI und des Elektronikzulieferers Hella – kürzlich eine umfangreiche Studie durchgeführt. Dafür wurden 34 mögliche Bordnetzarchitekturen für Fahrzeuge der Mittel- und der Luxusklasse zunächst hinsichtlich ihrer Zukunftsfähigkeit untersucht. Diese Bordnetzarchitekturen stammen aus Fahrzeugbenchmarks bereits existierender Fahrzeuge, Veröffentlichungen von Herstellern und Zulieferern, sowie eigener Ideen mit dem Potenzial auf einen Markteintritt. Es waren drei entscheidende Kriterien, die wir definiert haben: Erstens musste die Architektur grundsätzlich in der Lage sein, eine robuste Energieversorgung zu gewährleisten. Mit Hilfe eines Simulationsmodells, das die Leistungsaufnahme aller Verbraucher berücksichtigt, wurden unter anderem Extremsituationen, wie ein Kaltstart oder ein Kurzschluss nach Masse, bei einer großen Anzahl eingeschalteter Verbraucher durchgespielt. Zweitens wurden anhand einer Fehlerbaumanalyse die potenziellen Auswirkungen einzelner Fehler betrachtet. Drittens haben wir die funktionale Realisierung auf logischer Ebene analysiert. Rund die Hälfte aller theoretisch möglichen Bordnetz-Architekturen überstand diesen Selektionsprozess übrigens nicht.

Drei Reaktionsmuster auf die steigende Komplexität im Fahrzeug

Jene Architekturen, die als grundsätzlich zukunftsfähig einzuschätzen sind, wurden daraufhin näher untersucht: Wie lassen sich die Energiemanagementfunktionen möglichst geschickt auf die Energiemanagementkomponenten verteilen? Hierbei kristallisierten sich drei Ansätze heraus. Am nächsten an der Gegenwart sind jene Lösungen, die zusätzliche Funktionen im Wesentlichen über zusätzliche Hardware abbilden, mithin also relativ wenige Funktionen je Hardware-Einheit aufweisen. Es handelt sich um einen vermeintlich risiko-aversen Ansatz, weil er eine hohe Varianz an Modellen und Ausstattungsvarianten und die Weiternutzung bestehender Komponenten erlaubt. Dennoch ist dieses Vorgehen nicht frei von Risiko, denn die Komplexität steckt im Gesamtsystem und verlangt von den OEMs daher ein hohes Maß an Integrationskompetenz. Auf der entgegengesetzten Seite des Spektrums steht die Idee, eine größtmögliche Funktionsintegration zu betreiben und im Extremfall nur noch wenige Komponenten zu benötigen, um die komplette Produktpalette – einschließlich der 48-Volt- und der Hochvolt-Teilbordnetze – abzudecken. In diesem Fall wandert die gesamte Komplexität in die Komponenten, was einerseits zwar die Integration und Validierung auf Fahrzeugebene vereinfachen sollte, andererseits für den OEM auch ein verstärktes Ausfallrisiko darstellt.

Haben Sie Fragen?

Haben Sie Fragen?

Wir helfen Ihnen gerne weiter und freuen uns auf Ihre Anfrage.

Die meisten Premiumhersteller gehen daher einen dritten, eher evolutionären Weg. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass ohnehin schon komplexe Bausteine weitestgehend standardisiert werden, ein Vorgehen, welches schon deshalb sinnvoll ist, weil der Entwicklungsaufwand für zum Beispiel Hochvoltkomponenten deutlich höher ist als für Komponenten auf niedrigen Spannungsebenen. Eine deutliche OEM- und Fahrzeug-spezifische Auslegung ist hingegen auf der 12-Volt-Ebene möglich, wobei auf die Energieverteilung eine besonders hohe Anzahl an Funktionen entfällt. Eine breite Modellpalette bedingt auch hier eine hohe Varianz, die in den zentralen Energieverteilungskomponenten abgebildet werden muss. Die Ergebnisse dieser Analyse sind in einer sehr komprimierten Form in der folgenden Grafik dargestellt; für verschiedene Architekturen wurden die Energiemanagementfunktionen nach diesen drei Ansätzen auf die daraus resultierenden Komponenten verteilt und Funktionsinhalte je Komponente dargestellt.

Funktionsinhalte von Energiemanagementkomponenten in verschiedenen Architekturen nach einem risiko-aversen, einem evolutionären sowie einem maximal-integrierendem Ansatz

In der Diskussion mit den Bordnetzspezialisten von LEONI waren wir uns einig: Die Umsetzung eines solchen evolutionären Architekturansatzes in ein reales Fahrzeug sollte unserer Meinung nach zweistufig erfolgen: Alle für die Fahrdynamik relevanten Verbraucher, wie Bremse und Lenkung, aber auch alle Hochlastverbraucher müssen rein elektronisch abgesichert werden. Damit können die Anforderungen an das Automotive Safety Integrity Level (ASIL) nach ISO 26262 erreicht werden. Dies sollte direkt in einem Vorschaltgerät erfolgen, eine zweite Ebene übernimmt dann die Leistungsverteilung für alle anderen Verbraucher; sie ist mit der ersten Ebene so gekoppelt, dass Rückwirkungsfreiheit im Bordnetz sichergestellt ist. Die für ein solches intelligentes Leistungsmanagement notwendigen Komponenten können von LEONI kurzfristig als Funktionsprototyp zur Verfügung gestellt werden.

Von der logischen Komponente zur physischen Umsetzung: intelligente Absicherung und Leistungsverteilung von LEONI

Ich bin überzeugt: Alle Voraussetzungen sind schon heute gegeben, um zukunftssichere Bordnetz-Architekturen auf die Straße zu bringen. Das „Einfach-dazu-Packen“ neuer Komponenten, um neue Funktionen zu implementieren, wird der steigenden Komplexität genauso wenig gerecht, wie ein vollständiges Verschieben der Komplexität in die Komponenten und damit zu den Zulieferern. Daher ist es sinnvoll, sich gemeinsam auf den Weg zu machen und eine für den jeweiligen Anwendungsfall passende Lösung zu suchen. Eine Möglichkeit hierfür bietet der Internationale Fachkongress „Bordnetze im Automobil“, auf dem Lars Nilsson von LEONI und ich im September 2020 gemeinsam zu diesem Thema referieren.

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Bitte haben Sie Verständnis dafür, dass Ihr Kommentar vor einer Freischaltung erst geprüft werden muss. Es besteht kein Recht auf Publikation.