Lars Nilsson      #ELECTRONICS #AUTONOMOUS DRIVING #POWER DISTRIBUTION

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Elektronik: Managen statt schalten – Was leistet Elektronik im Bordnetz der Zukunft?

15. OKT 2019

Ein älterer Kollege berichtete mir kürzlich davon, wie er bei seinem ersten Auto in den 1980er Jahren nach dem Ausfall eines Fahrtrichtungsanzeigers – vulgo Blinkers – anhielt und in Ermangelung eines Schaltplans oder eines Messgeräts jede einzelne Flachstecksicherung zog, bis der Übeltäter gefunden war. Ersatzsicherungen führte er stets im Handschuhfach mit sich, so war der Schaden rasch behoben. Das Auto fuhr mit einem kleinen Benzinmotor und intelligent war an Bord allein der Fahrer. Schauen wir statt in die Vergangenheit in die Zukunft, nicht weit, nur wenige Jahre, dann wird es für viele Menschen selbstverständlich sein, auf definierten Strecken, bestimmten Autobahnabschnitten etwa, die Hände vom Lenkrad zu lassen. „Level 2+“ heißt diese Stufe des automatisierten Fahrens, die in vielen Klassen in den kommenden Jahren zumindest als Sonderausstattung verfügbar sein wird. Zudem dient der Strom an Bord immer häufiger nicht nur dazu, die Komfort- und Sicherheitsausstattung mit Energie zu versorgen, sondern er wird in Hybrid- und reinen Elektrofahrzeugen zu dem Energieträger, auf dem der Vortrieb beruht. Ob Strom fließt oder nicht, bekommt also eine existenzielle Bedeutung – ganz abgesehen davon, dass in Hochvoltsystemen für den Antrieb auch die Absicherung gegen ungewollten Stromfluss eine hohe Relevanz für Leib und Leben hat.

Vor diesem Hintergrund nehme ich das Bordnetzforum von „Bayern innovativ“ Ende Oktober 2019 zum Anlass, um folgende Thesen zu diskutieren: Das Auto der Zukunft ist ohne elektronisches Energiemanagement im Bordnetz nicht zu realisieren. Dabei geht es nicht nur um den physischen Ersatz von passiven elektromechanischen Sicherungen und Relais durch aktiv steuerbare Halbleiter-basierte Sicherungen, sondern auch darum, das gesamte Energiemanagement an Bord als System auszulegen. Folgende Punkte sind mir dabei wichtig:

Energie steuern statt abschalten

Je höher das Level für das automatisierte Fahren, desto länger muss ein Fahrzeug auch ohne Eingriff des Fahrers in einem sicheren Zustand gehalten werden beziehungsweise desto schneller dorthin geführt werden, sobald ein Fehler auftritt. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein elektrischer Fehler auftritt, steigt mit der Anzahl der Sensoren, die zum Einsatz kommen. Reichen für Level 2+ noch rund zehn Sensoren, so sind es bei einem Level 4-Fahrzeug, das hochautomatisiertes Fahren ohne Fahrerüberwachung über längere Strecken erlaubt, bereits etwa 22, für vollautonomes, sprich fahrerloses Fahren gar bis zu 25 Sensoren. Diese Sensoren und die entsprechenden Aktuatoren müssen zuverlässig mit Energie versorgt werden. Eine Redundanz in der Stromversorgung ist nur dann sinnvoll, wenn sie hinreichend schnell elektronisch geschaltet werden kann. Zudem ermöglicht ein elektronisches Energiemanagement vielfache Diagnosemöglichkeiten.

Mit dem Automatisierungsgrad steigen die Anzahl der Sensoren und der Bedarf an einer redundanten Energieversorgung

Energiemanagement braucht Systemkompetenz

Als Entwicklungspartner der Automobilhersteller führen wir regelmäßig Gesamtfahrzeugmessungen und -benchmarks durch. In diesem Rahmen haben wir unter anderem auch mehrfach Fahrzeuge untersucht, die über einen sogenannten „Autopiloten“ verfügen. Auf Basis dieser Messungen hat LEONI ein Test-Set entwickelt, mit dessen Hilfe die Stabilität des Energie-Bordnetzes und das Systemverhalten auf Fahrzeugebene überprüft werden können. Über gezielte Fehlerinjektion können die Schwachstellen sicherheitsrelevanter Funktionen und der zugehörigen Energie- und Datenversorgung entdeckt und behoben werden. Diese Systematik eignet sich, um die Verfügbarkeit redundanter und sicherheitsrelevanter Systeme wie Lenkung und Bremse entsprechend zu prüfen.

Die Erkenntnisse zeigen, wie wichtig das Systemverständnis für das gesamte Bordnetz ist, wenn Energieflüsse über Software geschaltet werden sollen. LEONI hat daher – über das Bordnetz-Know-how hinaus – in den vergangenen Jahren gezielt Kompetenz in Software-Entwicklung und Funktionaler Sicherheit aufgebaut.

Gesamtfahrzeugmessungen durch LEONI-Spezialisten dienen dazu, das Systemverhalten in Fehlerfällen abzusichern

Intelligentes Energiemanagement ist reif für die Straße

Grundsätzlich ist die Idee, Stromflüsse über Halbleiter zu schalten, nichts Neues mehr – jede moderne Leistungselektronik funktioniert so. Im ersten Ansatz hatten wir daher eine auf Relais basierende Leistungsverteilung mit elektronischen Bausteinen nachgebaut. Mittlerweile haben wir diese Lösung um eine elektronische Steuerung erweitert, die über LIN oder CAN FD den Informationsaustausch mit anderen Fahrzeugsteuergeräten ermöglicht. Zum Umfang der einbaufertigen LEONI-Lösung gehören auch Gehäuse und Steckeraufnahmen. Wir haben unser intelligentes Energiemanagement bereits zahlreichen internen Tests unterzogen und bereiten mit einem externen Partner im Bereich der SMD-Bestückung die Serienfertigung vor. Anders formuliert: Wir stehen damit für eine Serienentwicklung zur Verfügung und nehmen bereits an den ersten Ausschreibungen von namhaften Automobilherstellern teil.

Die Evolutionsstufen von LEONI Leistungsverteilern von elektromechanisch bis intelligent (mit Controller und Software)

Komplexitätsreduzierung ist Teil der Lösung

Auch wenn ich davon überzeugt bin, dass Elektronik-Know-how für die Auslegung künftiger Bordnetze entscheidend ist, so gibt es doch einen weiteren wichtigen Aspekt: Eine Fortschreibung der „gewachsenen“ Strukturen von Fahrzeugbordnetzen, die heute bereits innerhalb einer Modellreihe Varianzen von bis zu 10³⁰ aufweisen, ist nicht zielführend. Daher werden künftige Bordnetze von sogenannten „zonalen Architekturen“ geprägt sein. Statt eines großen Fahrzeugkabelsatzes, der unzählige einzelne Aktuatoren, Sensoren und Steuergeräte miteinander verbindet, kommen dabei mehrere über das Fahrzeug verteilte Kabelsatzmodule zum Einsatz, die jeweils sternförmig von einem leistungsfähigen Rechner abgehen. Die Vereinfachung im Aufbau des Bordnetzes erleichtert zudem eine hochautomatisierte Produktion dieser Kabelsätze, was einerseits die Qualität weiter steigert und andererseits für das Erreichen der funktionalen Sicherheitsziele für das hoch-automatisierte Fahren von Vorteil ist.

Zonale Architektur: wichtiges Merkmal im Bordnetz der Zukunft

Auch für den Hochvolt-Kabelsatz in elektrifizierten Fahrzeugen geht der Trend in Richtung Vereinfachung. Hier werden schon heute und zukünftig noch mehr elektronische Komponenten zusammengelegt, was die Komplexität des HV-Kabelsatzes reduziert. Für LEONI kommen in künftigen Bordnetzen allerdings zusätzliche Umfänge dazu, da wir im Hochvolt-Bereich in Zukunft neben der Batterie-Verkabelung auch elektronische Lösungen anbieten wollen.

Die beste Lösung für eine konkrete Fahrzeug-Baureihe entsteht im Dialog. Als Systempartner für alle Aspekte des Bordnetzes stehen wir dafür gerne zur Verfügung!