Zonencontroller als flexible lokale Schaltzentralen im Bordnetz von Morgen

High Performance Computer mögen das Herzstück neuer E/E-Architekturen sein. Eine Abstraktionsebene darunter managen Zonencontroller jedoch den Datenverkehr, die Energieverteilung und vieles mehr. Ohne ihre lokale Intelligenz wird künftig keine zonale Architektur auskommen.

Kundenspezifische Bordnetze haben heute oft mehr als 100 Steuergeräte und mehr als 1000 Einzelleitungen. Und sie werden weiterwachsen: Trends wie die Vernetzung und Digitalisierung, das automatisierte Fahren, der elektrifizierte Antriebsstrang sowie die CO2-Minimierung sorgen für noch mehr Elektronik im Fahrzeug. Doch wie wird dieser zusätzliche elektronische Content integriert, wenn das Bordnetz ohnehin an seinen Komplexitäts- und Fertigungsgrenzen angelangt ist?

Das Zauberwort lautet Vereinfachung: Wir sind auf dem Weg zur sogenannten zonalen Architektur, die den unübersichtlichen „Kabelsalat“ in mundgerechte Häppchen aufteilt. Sprich, künftige Bordnetze werden über wenige leistungsfähige Zentralrechner verfügen, verbunden durch schnelle Datenautobahnen. Um die Hochleistungsrechner herum wird das Bordnetz in mehrere Zonen unterteilt. In diesen Zonen erledigt ein Zonen-Controller selbständig Teilaufgaben – etwa die Leistungsverteilung oder das Datenmanagement von und zu den Sensoren und Aktuatoren. Zonale Architekturen dieser Art werden in den nächsten Jahren in Serie gehen. LEONI hat schon erste Kundenaufträge dafür gewonnen.

Warum sind zonale Architekturen besser? Sie sind klar gegliedert und haben definierte Schnittstellen. Sie bestehen aus weniger Prozessoren und Kabel, die aber deutlich leistungsfähiger sind. Die Kabelsätze der einzelnen Zonen sind deutlich kleiner und einfacher aufgebaut und eignen sich dadurch zunehmend für eine (teil-) automatisierte Fertigung. Der sukzessiv höhere Automatisierungsgrad verbessert die Fertigungsqualität und Dokumentationstiefe der Bordnetze.

Zonencontroller sind die Arbeitsbienen im Bordnetz
Ein Schlüsselelement zonaler Architekturen sind die Zonencontroller. Als mittlere Funktionsebene sind sie die Schnittstelle zwischen softwarebasierten Funktionalitäten und der physikalischen Fahrzeugumgebung und damit eine unverzichtbare Grundlage für das Software-definierte Fahrzeug (SDV) von morgen. Aktuell weisen zonale Ansätze einige wenige Zonencontroller auf. Wir sind uns aber sicher, dass diese Anzahl sukzessive bis auf einen niedrigen zweistelligen Wert wachsen wird.

LEONI hat gemeinsam mit Valeo eine erste Generation von Zonencontrollern entwickelt und mit der Renault-Gruppe bereits einen ersten Serienkunden gewonnen. In der Kooperation mit Valeo verantworten wir die Entwicklung der intelligenten Leistungsverteilung und den Einsatz modularer Stecksysteme mit Fokus auf der Integration verschiedener Signal- und Leistungskontakte. Dabei berücksichtigen wir auch schon eine automatisierte Fertigung der zonalen (Teil-)Kabelsätze. Wir stehen also für die ausfallsichere Energieversorgung des Zonencontrollers ein, die speziell für automatisierte Fahrfunktionen essenziell ist. Zusätzlich entwerfen wir das Thermomanagement des Zonencontrollers und gestalten sein platzsparendes Package und seine Integration auf Fahrzeugebene. Valeo trägt die Gesamtverantwortung für das Projekt, entwickelt den Microcontroller- und Gateway-Anteil und übernimmt die Produktion.

Flexibler Leistungsumfang statt Lösung von der Stange
Nach unseren Schätzungen werden künftig 20 bis 95 Prozent aller Fahrzeugfunktionen über die Zonencontroller geroutet. Das heißt, je nach Fahrzeugklasse, Ausstattungsumfang und E/E-Architektur des konkreten Fahrzeugs hat ein Zonencontroller verschiedene Aufgaben und Anforderungen zu erfüllen. Wir tragen dieser Vielschichtigkeit Rechnung, indem wir das Layout des Zonencontrollers modular und skalierbar ausgelegt haben. Unsere langjährige Bordnetzexpertise befähigt uns, die Hard- und Software der Zonencontroller an ihren Anwendungsfall anzupassen.

Die gewaltigen Rohdatenmengen aus Kamera-, Lidar- und 3D-Radarsensoren zum Beispiel werden heute bevorzugt mit separaten Ethernet-Datenkabeln zu den Hochleistungsrechnern geroutet. Dies ist kostspielig und erhöht den Aufwand in der Bordnetzfertigung. Lösungsstrategie könnten separate Datenleitungen von den Sensoren bis zu den Zonencontrollern sein, ab wo dann alle Sensordaten gebündelt an die Hochleistungsrechner weitergeleitet werden. Dies erscheint bei Lidar- und 3D-Radarsensoren machbar, da sie ohne Verluste komprimiert und praktisch in Echtzeit durch Ethernetleitungen mit 1,5 Gbit/s Bandbreite zu den Hochleistungsrechnern geroutet werden können. Kameradaten hingegen lassen sich nicht so leicht komprimieren, bei mehreren Kameras pro Zonencontroller wären aufwändige 10 Gbit/s-Ethernetkabel und kostspielige Chiptechnologien in den Zonencontrollern erforderlich. Hier sollten die OEMs zusammen mit den Bordnetzspezialisten eine Strategie für konsequentes Datenrouting definieren.

Neue Lösungen sind auch bei der Leistungsverteilung gefragt. E-Antriebe oder Aktoren für Fahrdynamikanwendungen haben einen hohen Leistungsbedarf. Aktuell sind sie meist zentral mit einer gesonderten Vorsicherungsbox abgesichert. Vorteile könnten Zonencontroller mit „intelligenten“ elektronischen Sicherungen bieten, die mehr Freiheiten bei der Leistungsverteilung und dem Fahrzeugpackage ermöglichen. Erwägenswert ist auch eine Anhebung der (Teilbordnetz-)Spannung auf 48 Volt, um genügend Leistung bereitzustellen und die Absicherung zu optimieren.

Intelligenz durch Software plus leistungsfähige Hardware
Weiteres Optimierungspotenzial steckt in den unzähligen Schnittstellen, kleinen (Sub-)Netzwerken sowie den Bypässen für besonders leistungskritisches Datenrouting, die in den ersten zonalen Architekturen noch weiterbestehen. Bei einem stringenten Ansatz würden alle Bypässe und Subnetzwerke entfallen und der Datenverkehr konsequent über die Zonencontroller geleitet. Dies erfordert neu gestaltete Microcontroller und Softwareschichten, sowie deutlich schnellere Schnittstellen. Solche Schnittstellentechniken lassen sich aus der IT-Servertechnik übernehmen, sind allerdings nicht ganz kostengünstig. Wir gehen aber davon aus, dass über eine Automotive-Gesamtarchitektur hinweg ein konsequent designter Routing-Ansatz kosteneffizienter und vor allem weniger komplex sein wird.