Entwickler müssen immer einige Jahre vorausdenken. Beim Bordnetz sehen wir, dass die anrollende Datenflut für das automatisierte und vernetzte Fahren völlig neue E/E-Architekturen erfordert. Dafür braucht es ‑ neben intelligenten Architekturkonzepten und Hochleistungsrechnern ‑ auch Kabel und Stecker, die die geforderte Bandbreite bereitstellen.

Für viele Herausforderungen künftiger Bordnetze arbeiten wir bei Leoni schon an den passenden Antworten. Etwa an neuen Simulationsansätzen für einen schnelleren Bordnetzentwurf, an intelligenten Leistungsverteilern für mehr Spannungsstabilität und Verfügbarkeit oder – gemeinsam mit Valeo ‑ an leistungsstarken Zonenrechnern. Seit drei Jahren entwickeln wir gemeinsam mit unserem Partner Rosenberger  eine neue Generation von Datenverbindungen viel höherer Bandbreite. Mit ihnen können die Automobilhersteller künftig zonale Architekturen schrittweise auf Basis vorhandener Architekturen realisieren.

Leoni und Rosenberger entwickeln Kabel und Konnektoren für die Aufgaben von morgen.
Leoni und Rosenberger entwickeln Kabel und Konnektoren für die Aufgaben von morgen.

Doch warum sind zonale Architekturen so gefragt? Ganz einfach: Die bisherigen Bordnetzkonzepte stoßen aufgrund von Größe, Gewicht, Preis und Komplexität an ihre Grenzen. Für die ständig steigende Anzahl an Sensoren, Aktoren und softwaregestützten Funktionen – etwa zum automatisierten und autonomen Fahren – ist deshalb eine radikal andere Denkweise erforderlich. Multifunktionalität, Modularität, sowie ausreichend Systemreserven für zukünftige Updates und Erweiterungen werden zu Schlüsselfaktoren.

Die Zonenarchitektur wird übersichtlicher als heutige Architekturen, erfordert aber Datenleitungen mit viel mehr Bandbreite.
Die Zonenarchitektur wird übersichtlicher als heutige Architekturen, erfordert aber Datenleitungen mit viel mehr Bandbreite.

Leichter, flexibler, leistungsfähiger

Bei der zonalen Architektur bilden wenige Hochleistungsrechner das „Gehirn“ des Fahrzeugs, in dem alle wesentlichen Rechenaufgaben und Entscheidungen stattfinden. Um dieses „Gehirn“ herum werden mehrere Zonenrechner gruppiert, die an der Peripherie untergeordnete Aufgaben ausführen: sie übernehmen beispielsweise die Leistungsverteilung in ihrem Bereich, sammeln alle Daten der Sensorik ein und schicken sie gebündelt und zeitlich strukturiert an die Hochleistungsrechner weiter. Berechnungen zeigen, dass zonale Architekturen leistungsfähiger, flexibler, aber dabei um bis zu ein  20% leichter sind als heutige Bordnetzarchitekturen. Die Gewichtsreduktion kommt zustande, weil zum Großteil auf direkte physische Verbindungen zwischen Sensorik und Rechner verzichtet wird, zugunsten einer gebündelten Datenübertragung via Zonenrechner.

Was sich in der Theorie logisch anhört, hat in der Praxis einige Konsequenzen. Zum einen wünschen die Automobilhersteller einen gleitenden Übergang hin zu zonalen Architekturen, was eine Standardisierung und Rückwärtskompatibilität der neuen Netzwerke und Elektronikbausteine mit heutigen Architekturen voraussetzt.

Zum anderen benötigt der Datentransport von mehreren Sensoren in einer Leitung gebündelt zum Zentralrechner eine sehr hohe Bandbreite. Wir haben ausgerechnet, dass zwischen einem Zonenrechner und einem Zentralrechner die Bandbreite mindestens 25 Gbit/s betragen sollte, um eine latenzfreie Datenübertragung zu gewährleisten. Zwischen zwei Zentralrechnern können sehr schnell bis zu 50 Gbit/s Bandbreite erforderlich sein.

Bordnetz muss leistungsfähiger werden

Dazu ein Blick in den heutigen Alltag: Mit aktuellen Bordnetzstrukturen können derzeit hauptsächlich die Datenverkehre der Domänen Body und Komfort in einem Zonenrechner gesammelt und gebündelt an den Zentralrechner weitergeleitet werden. Aufwendigere und sicherheitskritische Funktionalitäten ‑ wie etwa für die Rückhaltesysteme und die Fahrdynamikregelung ‑ müssen weiterhin in separaten Kabelsträngen als Bypass am Zonenrechner vorbei direkt mit dem Zentralrechner verbunden werden. Die Bandbreite heutiger Kabelverbindungen lassen nur die Übertragung der Bildrohdaten von zwei Kameras zu.

Diese Einschränkungen haben zur Folge, dass die Umstellung von heutigen Architekturen auf ein zonales Layout nur selten die gewünschte Nutzen-Kosten-Balance aufweist. Die unvermeidbar erforderlichen hohen Datenraten lassen sich jedoch mit Automotive Ethernet realisieren, das ohnehin bereits in der Fahrzeugwelt weit verbreitet ist. Leistungsfähige Prozessoren für die Zentralrechner und Zonenrechner sind ebenfalls vorhanden. Was noch fehlt sind die passenden physischen Verbindungen zwischen den Elektronikbausteinen.

Leoni und Rosenberger: Gewusst wie

Hier setzt das von Leoni und Rosenberger vor drei Jahren gemeinsam gestartete Projekt an. Ziel sind Konnektoren und Kabel, die eine so hohe Bandbreite bereitstellen, dass die Umgebungsdaten vieler Sensoren und Kameras gebündelt an die zentralen Hochleistungsrechner geschickt werden – zuverlässig und ohne Latenzzeiten. Gleichzeitig werden die neuen Konnektoren standardisiert und kompatibel zu bisherigen Systemen sein, damit sukzessiv immer weitere Teile herkömmlicher E/E-Architekturen auf ein zonales Layout umgestellt werden können.

Das Projektlayout sieht vor, dass Leoni sich hauptsächlich um die Definition und Spezifikation der Anforderungen aus Sicht eines Bordnetz-Entwicklers kümmert. Rosenberger übernimmt schwerpunktmäßig die Entwicklung der Konnektoren. Geplant ist eine ganze Palette aus Konnektoren und Kabel Kombinatorik für leistungsfähige Gesamtsysteme in verschiedenen Anwendungsbereichen.

Aktuell stehen erste Muster bereits zur Verfügung, die derzeit umfangreichen Belastungstests unterzogen werden: etwa bezüglich Dauerhaltbarkeit, Alterung, Biegefestigkeit, Erschütterung, etc. Denn die Kabel und Steckverbinder werden in rauen Umgebungen, wie etwa in Türen, Stoßfängern oder im Motorraum, zum Einsatz kommen.

In umfangreichen Testreihen – hier Biegetests – wird die Eignung der neuen Kabel und Stecker für Zonenarchitekturen validiert.
In umfangreichen Testreihen – hier Biegetests – wird die Eignung der neuen Kabel und Stecker für Zonenarchitekturen validiert.

Einiges geklärt, anderes auf dem Weg

Die Forderung nach Rückwärtskompatibilität bedeutet, dass wir weiterhin auf das Übertragungsmedium Kupfer und bei den Übertragungsprotokollen auf eine neutrale Lösung setzen, auch wenn wir in der Branche eine Präferenz in Richtung Ethernet sehen. Der Werkstoff Kupfer zählt keineswegs zum „alten Eisen“, im Gegenteil: mit ihm lassen sich unserer Meinung nach Bandbreiten von weit mehr als 50 Gbit/s realisieren, er schneidet bei Nachhaltigkeitsanalysen gut ab und er bereitet – anders als Lichtwellenleiter – keinen hohen Aufwand bei der Rückwärtskompatibilität.

Bei den Eigenschaftstests der Kabel haben sich hingegen noch keine eindeutigen Präferenzen herausgeschält. Sind nur kurze Strecken zu verbinden und ist ein hoher Automatisierungsgrad gefragt, wären Shielded Twisted Pair-, Shielded Differential Pair-, oder Shielded Parallel Pair-Kabel praktikable Lösungen. Bei hohen Performanceanforderungen und großen Kabellängen, etwa im Lkw, wären Koaxialkabel in Erwägung zu ziehen. Sie sind aber mit höheren Kosten verbunden und können nur separat verlegt werden. Die letztendlich gewählte Kabelvariante wird immer vom Einsatzzweck abhängen, es können in einem Datenbordnetz durchaus verschiedene Kabelvarianten zum Einsatz kommen.

Während die entwickelten Kabel- und Steckervarianten bei vielen elektrischen Phänomenen unproblematische Eigenschaften zeigen, bedarf es bei der elektromagnetischen Verträglichkeit im realen Fahrzeug, sowie bei einigen mechanischen Eigenschaften noch tiefergehender Forschung und Tests. Wichtig ist uns Projektverantwortlichen, dass die automatisierte Konfektion der Kabel und Stecker sowie die automatisierte Montage bei der neuen Breitband-Ethernet-Netzwerkgeneration gebührend berücksichtigt ist.

Schon in wenigen Jahren sollen Kabel und Konnektoren für vielfältige Architekturvarianten zur Verfügung stehen.
Schon in wenigen Jahren sollen Kabel und Konnektoren für vielfältige Architekturvarianten zur Verfügung stehen.

Haben Sie Fragen?

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Die Roadmap steht

Eventuell ab 2027 könnten die ersten Konnektoren und Kabel aus der Entwicklungskooperation Leoni-Rosenberger in Serienprojekten eingesetzt werden. Bis dahin müssen parallel erst einmal die begleitenden Normen definiert sein, damit die Chipset-Hersteller ihre Produkte danach designen können. Realistisch scheint, dass die von Leoni und Rosenberger auf den Weg gebrachten Konnektoren und Kabel ab 2027/8 eine wichtige Rolle spielen, wenn die zweite Generation von Zonenarchitekturen in Serie gehen wird. Leoni jedenfalls hat im Projekt sein Know-how zum Architekturentwurf deutlich erweitert, sodass man zusammen mit den Kunden maßgeschneiderte Zonenarchitekturen mit hoher Bandbreite für die Bedürfnisse von morgen entwerfen kann.

Mehr dazu erfahren Sie am 21. Juni 2022 auf dem 10. internationalen Fachkongress Bordnetze im Automobil in Ludwigsburg, wo Johannes Schmid und ich in unserem gemeinsamen Vortrag mehr Einblicke in das gemeinsame Entwicklungsprojekt teilen.

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