Trends im Automobilbereich

Vernetztes Auto

Das moderne Fahrzeug mutiert durch rasante Fortschritte in der Elektronik schnell von einem mechanischen Fahrzeug zu einem Mini-Rechenzentrum auf Rädern.

Nach 130 Jahren wird die Pferdestärke durch Rechenleistung ersetzt.

In diesem Artikel skizzieren Sudipto Bose und Joern Hoepfner von Tektronix die Trends, die die Automobilrevolution vorantreiben.

In ihrer 130-jährigen Geschichte hat die Automobilindustrie noch nie eine Revolution erlebt, wie sie sich derzeit vollzieht. Angetrieben von Elektrifizierung, Automatisierung, Konnektivität und Mobilität müssen die Hersteller bisher unbestrittene Praktiken und Technologien neu bewerten: Tatsächlich mutiert das Fundament des Autos von einem mechanischen Gerät zu einem Mini-Datencenter auf Rädern, angetrieben durch die rasanten Fortschritte in der Elektronik.

Allerdings haben sich die Automobile viel länger auf elektronische Steuerungen verlassen, als die meisten Menschen glauben: Das erste elektronische Einspritzsystem, das in Serie ging, war der Chrysler Electrojector, der 1958 in insgesamt 35 Fahrzeugen verbaut wurde. Interessanterweise wurden die meisten dieser frühen Pioniere vor Ort mit 4-Zylinder-Vergasern nachgerüstet, vor allem, weil die frühen elektronischen Systeme zu langsam waren, um mit den Anforderungen der spontanen Kraftstoffdosierung Schritt zu halten.

Moderne elektronische Motormanagementsysteme steuern heute nicht nur Kraftstoffeinspritzung und Zündung, sondern sind sogar in der Lage, den Betriebszyklus zwischen Otto, Miller und Atkinson zu verändern und haben es den Herstellern in jüngster Zeit sogar ermöglicht, die sehr präzise Steuerung des homogenen Ladungskompressionszündungsmotors zu kommerzialisieren.

 

 

ADAS ist der Treiber der Netzwerkanforderungen

Die Branche steht jedoch vor einer neuen Herausforderung für elektronische Systeme, die zum Einen durch die stetige Einführung der Elektrifizierung und fortgeschrittenen Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assist Systems, ADAS) verursacht werden, die sich rasch in Richtung vollautomatischer Betrieb der Stufe 5 entwickeln.

Der Begriff „Automation der Stufe 5“ wird durch den Standard SAE J3016 definiert, der die sechs Automatisierungsstufen wie folgt beschreibt:

Battery-lifeBildquelle: ITS International
Stufe null: Der Mensch hat die volle Kontrolle über das Fahrzeug, einschließlich Lenkung, Bremsen und Gaspedal. Im Wesentlichen die Art und Weise, wie man schon immer fährt.
Stufe eins: Kleine Fahrfunktionen, wie z. B. bremsen, können vom Fahrzeug automatisch ausgeführt werden.
Stufe zwei: Mindestens zwei Funktionen, wie Spurhalteassistent und Tempomat, sind automatisiert. In dieser Phase kann der Fahrer die Hände vom Lenkrad und den Fuß vom Pedal nehmen, muss aber trotzdem jederzeit bereit sein, die Kontrolle zu übernehmen.
Stufe drei: Obwohl der Fahrer auf dieser Stufe immer noch vorhanden ist, braucht die Umgebung nicht mehr von ihm überwacht zu werden, wie in den vorherigen Stufen.
Stufe vier: Nach Angaben des Verkehrsministeriums sind Fahrzeuge auf dieser Stufe „so konzipiert, dass sie alle sicherheitskritischen Fahrfunktionen erfüllen und den Zustand der Fahrbahn während der gesamten Fahrt überwachen“. Dieser Betrieb ist auf bestimmte geografische Gebiete und besondere Umstände, wie Staus oder Autobahnfahrten, beschränkt. Außerhalb dieser Bereiche oder Umstände muss das Fahrzeug in der Lage sein, die Fahrt sicher abzubrechen, d. h. das Fahrzeug zu parken, wenn der Fahrer die Kontrolle nicht wieder übernimmt.
Stufe fünf: Diese Stufe bedeutet, dass das Fahrzeug völlig autonom ist und kein Lenkrad oder allgemeine Bedienelemente benötigt, damit ein Mensch die Kontrolle übernehmen kann.
Laut dem Anwendungsleiter von Tektronix, Joern Hoepfner, „haben wir bereits Systeme der Stufe 3 auf den Markt gebracht“ – er verweist dabei auf Fahrzeuge wie den Audi A8 2018 und fährt fort, dass „Fahrzeuge der Stufe 4 auf öffentlichen Straßen rund um den Globus bereits schnell Testkilometer ansammeln“.

Die Zukunft des Automobils hängt von der Datenübertragung ab

Dirk Schlesinger, Leitender Ingenieur bei TÜV SÜD, einem internationalen Anbieter von Prüf-, Inspektions-, Auditierungs- und Zertifizierungsdiensten, soll gesagt haben, dass „das Auto von morgen ein PC auf Rädern sein wird, aber viel anspruchsvoller“.

Beispielsweise läuft der Ford GT mit einem Programm aus 100 Millionen Zeilen Code, im Vergleich zu Windows 10, das 27–50 Millionen Zeilen ausführbaren Code hat, und erhöht sich auf 100 Millionen Zeilen, wenn Motherboard, Grafikkarte und Anwendungen wie Office enthalten sind.

Doch nicht nur die Rechenleistung zwingt zu einem Umdenken in der Elektronik: ein automatisiertes Fahrzeug könnte mit 50 verschiedenen Sensoren in 15 Sensor-Sets ausgestattet werden, die täglich etwa 4.000 GB oder 4 Terabyte Daten erzeugen:

  • Kameras generieren 20–60 MB/s
  • Radar benötigt ab 10 kB/s
  • Sonarzellen 10–100 kB/s
  • GPS läuft mit 50 kB/s
  • LIDAR liegt zwischen 10 und 70 MB/s

Und all diese Daten müssen über ein Netzwerk kommuniziert werden, das seit 1986 das Controller Area Network (CAN) ist. Ursprünglich war der CAN-Bus so konzipiert, dass er den Kontrollverkehr zwischen Steuergeräten im Fahrzeug mit einer maximalen Busgeschwindigkeit von ca. 1 Mbit/s und Datenpaket-Nutzlasten von bis zu 8 Byte überträgt.

Um mit dem signifikanten Anstieg der Datenmengen Schritt zu halten, hat CAN Protokolländerungen durchlaufen und wurde zu CAN FD (Flexible Data Rate) , wobei die maximale Bitrate auf 15 Mbit/s und die Nutzlast auf etwa 64 Bytes erhöht wurde.

Bei diesen Geschwindigkeiten kann CAN immer noch nicht mit bildgebenden Systemen wie LIDAR und Kameras umgehen. Darüber hinaus müssen die Steuergeräte mehr Daten zwischen den Steuergeräten übertragen, um die Koordination zwischen den Teilsystemen zu gewährleisten. Dies zwingt die Entwickler von Automobilnetzwerken dazu, nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Architektur neu zu bewerten.

Um diese datenintensiven Systeme zu unterstützen, wurden von der Industrie verschiedene Alternativen entwickelt:

  • Vom Konsortium „Media Oriented Systems Transport (MOST)“ mit Sitz in Karlsruhe, Deutschland, wurde der MOST150 entwickelt, der 150 Mbit/s übertragen kann. Diese zusätzliche Bandbreite macht MOST150 auch extrem geeignet für Fahrerassistenztechnologien wie Spurhaltewarnung, Kamerasysteme und adaptiven Tempomat.
  • Ein weiteres System, das nicht explizit für Automobilanwendungen entwickelt wurde, ist das Low Voltage Differential Signaling (LVDS). Es bietet einen Hochgeschwindigkeits-Signalisierungsstandard mit einer Bandbreite von bis zu 655 Mbit/s, bei dem ein verdrilltes Kupferkabelpaar verwendet wird. Diese hohe Geschwindigkeit macht LVDS zu einer attraktiven Option für Fahrzeugkamerahersteller.
  • In jüngster Zeit haben die Hersteller Ethernet als Fahrzeuglösung adaptiert, die Hochleistungsbandbreite in Verbindung mit kostengünstigen ungeschirmten Kabeln mit verdrillten Adernpaaren liefern kann. Die Technologie wurde speziell entwickelt, um die strengen Anforderungen der Automobilindustrie im Fahrzeug zu erfüllen und ist für zahlreiche Anwendungen im Fahrzeug optimiert. Die für Fahrzeuge geeignete Technologie kann eine Hochleistungsbandbreite von 100 Mbps liefern.

Die meisten Fahrzeugkonstruktionen haben mehr als einen dieser Busstandards, je nach spezifischem Subsystem. FlexRay hat enge Latenz- und Zeiteigenschaften, die es ideal für Drive-by-Wire-Anwendungen machen, bei denen eine deterministische Leistung entscheidend ist. SENT kann für die Kommunikation mit Sensoren verwendet werden. Und wir können davon ausgehen, dass CAN und LIN auch weiterhin in Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine bewährte Zuverlässigkeit über Geschwindigkeitsanforderungen siegt. Viele Steuergeräte dienen nicht nur als Controller, sondern auch als Netzwerk-Gateways.

Weil hoch automatisierte und vernetzte Fahrzeuge auf mehr als eine Art von Netzwerkarchitektur angewiesen sein werden, stehen Entwicklungsingenieure unter Druck, mehrere Netzwerktechnologien gleichzeitig zu testen und deren Fehler zu beheben . Und während viele dieser Technologien in einem IT-Rechenzentrum eher zu Hause zu sein scheinen, müssen sie im Fahrzeug über große Temperatur- und Feuchtigkeitsbereiche hinweg einwandfrei funktionieren, Schock und Vibrationen standhalten und die elektromagnetische Verträglichkeit mit anderen Modulen und der Umwelt insgesamt aufrechterhalten.

Leitungsgeführte, gestrahlte und beabsichtigte RF

Die Verwendung eingebetteter Komponenten und die Notwendigkeit, wichtige Informationen im gesamten Fahrzeug zu übertragen, haben dazu geführt, dass die zur Fehlerbehebung und Prüfung dieser Konstruktionen erforderlichen Testabläufe komplizierter geworden sind. Und mit steigender Datenrate nimmt auch die Anzahl von „Glitches“ zu, die das System gefährden könnten. Angesichts von umfangreichen funkenerzeugenden Zündsystemen ist die elektromagnetische Verträglichkeit kein Fremdwort in der Automobilindustrie.
„Die Menge des drahtlosen Datenverkehrs im Fahrzeug wird exponentiell wachsen“, meint Sudipto Bose, General Manager of Automotive Solutions bei Tektronix. „Heute finden wir drahtlose Technologie im Infotainment-Bereich und im Mobilfunk, und dann gibt es V2V oder V2I, die entscheidend sind: Stellen Sie sich vor, dass Sie sich einer Kreuzung nähern, und Ihr Fahrzeug kann mit der Kreuzung oder einem anderen Fahrzeug kommunizieren“, fährt Bose fort.
Die riesige Menge an Elektronik und die kritische Natur der Daten, die durch das Fahrzeug fließen, machen die elektromagnetische Verträglichkeit anspruchsvoller und wichtiger.
„RF ist ein großes Anliegen, denn wenn etwas Interferenzen erzeugt, muss man überlegen, wie man diese abmildern kann“, so Bose. „Führt ein einzelner Ausfall zu einem katastrophalen Gesamtausfall?“ Deshalb sieht er in diesem Bereich einen enormen Testbedarf, „und das ist nicht nur das Testen der Elektronik, sondern manchmal auch der Einsatz des Fahrzeugs in einer Kammer“, führt er aus.

Gemeinsame Mobilität wird neue Standards und Tests erzwingen

Eine weitere Herausforderung für die sich rasant entwickelnde Industrie ist die Mobilität, bei der Carsharing und Mitfahrgelegenheiten eine immer größere Rolle bei der Wahl der Verkehrsmittel spielen. In diesem Modell werden Unternehmen wie Uber, Lyft, Didi in China und NuTonomy in Südostasien den Pendlern selbstfahrende Taxidienste der Stufe 4 und sogar 5 anbieten.

Diese Umstellung auf Mobilität eröffnet OEMs die Möglichkeit, Hardware-Lieferant für aufstrebende On-Demand-Service-Provider zu werden – eine Chance, die Volvo als erster Hersteller wahrnahm und einen Vertrag mit Uber über die Lieferung von 24.000 XC90 mit den wichtigsten autonomen Antriebstechnologien unterzeichnete, die das Unternehmen für die Entwicklung eigener Selbstfahrfunktionen benötigte.
Als standardisierte automatisierte Plattform glaubt Volvo, dass es möglich ist, diese Fahrzeuge an andere Unternehmen zu liefern, die die generischen Systeme an ihre eigenen Anforderungen anpassen würden. Begleitet wird diese weit verbreitete Individualisierung durch das Risiko, dass Hardware/Software/Kommunikationsnetze nicht immer kompatibel sind – was letztlich die Formulierung neuer Standards und Tests zur Sicherstellung der Integrität des Fahrzeugs erforderlich machen würde.
Und da der Charakter des On-Demand-Pendelverkehrs und Konnektivität und Automatisierung zu einer Veränderung des Transportwesens führt, wird das elektrische Energiemanagement eine immer wichtigere Rolle bei der Unterstützung der zahlreichen Bordsysteme spielen. Diese Fahrzeuge können Dualspannungssysteme verwenden, wie z. B. in den 48/12-Volt Mild Hybrid EVs, die derzeit auf den Markt kommen, oder in Hochspannungs-/12-Volt-Systemen, die in Hybriden vorhanden sind.

Elektrisches Energiemanagement stärkt das intelligente Auto

Verständlicherweise wird viel über die Elektrifizierung von Traktionssystemen berichtet. Allerdings wird die elektronische Energieverteilung oft außerachtgelassen. In diesem Szenario hat das 12-Volt-Netzwerk traditionelle Lasten wie Beleuchtung, Zündung, Unterhaltung, Audiosysteme und Elektronikmodule handzuhaben, während die Hochvoltsysteme aktive Fahrwerksysteme, Klimakompressoren sowie regenerative Brems- und Drehmomentunterstützung unterstützen.

Und da Hersteller die Leistung verbessern, die Kosten senken und die Verpackung der Leistungselektronik optimieren wollen, haben die Entwicklungen rund um die Leistungshalbleiter Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) neue Möglichkeiten eröffnet. Zum Beispiel bei DC/DC-Wandlern reduziert die höhere Schaltgeschwindigkeit, die durch diese breitbandigen Technologien ermöglicht wird, die Größe von Induktoren, Transformatoren, Kondensatoren und führt im Allgemeinen zu einer Reduzierung von Gewicht und Größe. All das wird erreicht, während gleichzeitig Umwandlungswirkungsgrade in den oberen 90er-Bereichen erzielt werden.

Wieder einmal sind diese Systeme stärker auf die Computertechnologieindustrie ausgerichtet als auf traditionelle Automobilhersteller, und werden daher schrittweise neue Normen und Testverfahren einführen, um ihre Sicherheit und Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.

Während Pferdestärken also in Autoanzeigen im Jahr 2030 wahrscheinlich nicht mehr angepriesen werden, steht wohl eher die Rechenleistung von Prozessoren mit Namen wie Xeon, Snapdragon und Drive PX im Vordergrund. Es muss hierfür allerdings noch viel Vorbereitungsarbeit geleistet werden. Und das nicht nur bei der Entwicklung und Verfeinerung der Technologie, sondern auch bei der Definition von Standards und der Sicherstellung, dass die Systeme vollständig getestet werden.

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