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Übertragung leicht gemacht

Energieverwaltung und Datenübertragung mit Zonen-Controllern

Mit Zonen-Controllern lassen sich Energieverwaltung und Datenübertragung im Fahrzeug optimieren.
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Mit Zonen-Controllern lassen sich die Energieverwaltung und die Datenübertragung im Fahrzeug optimieren. Die Fahrzeugarchitektur wird simpler, neue Funktionen sind einfacher integrierbar. Das ist wichtig, um aktuelle und künftige Herausforderungen im Fahrzeugdesign lösen zu können

Die Anzahl der elektronischen Steuergeräte in Fahrzeugen und die Komplexität der erforderlichen Verkabelung nehmen weiter zu. Auch die Menge an Sensoren und die damit verbundene Rechenleistung zur Unterstützung aktiver Sicherheitsfunktionen steigen stetig an. Zusätzlich, bedingt durch den aktuellen Trend zu Fahrzeugen mit Hybrid- und reinen E-Antrieben, erhöhen sich die Anforderungen an deren elektrische Leistungsfähigkeit.

Zonen-Controller helfen bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Sie dienen als Knotenpunkte für die Energieverteilung und Datenverbindung zu Sensoren, Aktoren und Peripheriegeräten. Daneben können sie Funktionen von externen Baugruppen in ihrer Nähe aufnehmen und so dazu beitragen, die Anzahl von Steuergeräten zu reduzieren. Durch eine strategische Platzierung der Zonen-Controller werden die Komplexität und die Kosten der Verkabelung verringert und die Integration moderner Fahrzeugtechnologien unterstützt.

Intelligente Energieverteilung

Ein Beispiel hierfür ist die intelligente Energieverteilung auf Halbleiterbasis in den Zonen-Controllern, mit der sich eine zentrale Verwaltung optimieren lässt (Bild 1). Das System kann etwa bei geringer Batterieleistung einzelne Funktionen temporär ausschalten, um Energie zu sparen. Dieser Ansatz ermöglicht außerdem die vorausschauende Wartung: Das Fahrzeug erkennt Komponentenschäden frühzeitig, bevor sie zu Ausfällen führen, und leitet die notwendigen Informationen an das zentrale System weiter.

 Eine intelligente Energieverteilung ermöglicht ein kompakteres Design, da sperrige Sicherungskästen entfallen
Bild 1. Eine intelligente Energieverteilung ermöglicht ein kompakteres Design, da sperrige Sicherungskästen entfallen.
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Zusätzlich lassen sich die Anzahl und das Gewicht von Kabeln reduzieren. Bisher mussten Leitungen oftmals mit einem um bis zu 30 Prozent größeren Durchmesser als physikalisch erforderlich ausgelegt werden, um genügend Toleranz für Spitzenlasten zu bieten. Die intelligente Energieverteilung auf Halbleiterbasis reduziert den notwendigen Drahtquerschnitt signifikant, da temporär eine höhere Spitzenlast zugelassen werden kann.

Integration neuer Funktionen

Aufgrund der hohen Anzahl an elektronischen Komponenten ergibt das Hinzufügen zusätzlicher Steuergeräte für neue Funktionen in bestehenden Architekturen aktuell keinen Sinn mehr. Jedes neue Steuergerät benötigt seine eigenen Strom- und Datenverbindungen. Auch hier helfen Zonen-Controller, da sie die elektrische Infrastruktur eines Fahrzeugs in überschaubare Segmente unterteilen und neue Funktionen direkt aufnehmen können.

Fahrzeughersteller können in bestehenden und neuen Fahrzeugarchitekturen durch das Hinzufügen von Zonen-Controllern das Management sämtlicher Komponenten vereinfachen und Bauraum sparen. Dabei spielt der Zonen-Controller eine zentrale Rolle: Mit ihm lassen sich die Verarbeitung der Daten aus verschiedenartigen Sensoren, Peripheriegeräten und Aktoren konsolidieren und die Funktionalität bestimmter Basisfunktionen des Fahrzeugs integrieren.

Separation der I/O-Funktionen

In modernen Fahrzeugarchitekturen sind alle Sensoren, Peripheriegeräte und Aktoren meist direkt mit einem sogenannten Domain Controller verbunden. Die Datenleitungen von aktuellen Radarsystemen, Kameras, Lidar und Ultraschallsensoren führen dann direkt von ihrem Bauraum im Fahrzeug zu den entsprechenden Domain Controllern.

. In einer Zonen-orientierten Architektur werden die meisten Sensoren und Peripheriegeräte mit dem nächstgelegenen Zonen-Controller verbunden. So wird auch die I/O-Funktion von den Rechnerbaugruppen losgelöst
Bild 2. In einer Zonen-orientierten Architektur werden die meisten Sensoren und Peripheriegeräte mit dem nächstgelegenen Zonen-Controller verbunden. So wird auch die I/O-Funktion von den Rechnerbaugruppen losgelöst.
© Aptiv

In einer Zonen-orientierten Architektur werden die meisten Sensoren und Peripheriegeräte mit dem nächstgelegenen Zonen-Controller verbunden. Die I/O-Funktion wird von den Rechnerbaugruppen losgelöst. So können dort lokal Datentransformationen der Sensordaten durchgeführt und die Daten der Sensoren auf allgemeingültige Schnittstellen normiert werden. Daneben werden die Daten sämtlicher Baugruppen aggregiert und somit wird Bandbreite auf Bussystemen eingespart. Der Zonen-Controller übernimmt in diesem Fall die Funktion eines lokalen Gateways für alle angeschlossenen Baugruppen (Bild 2).

48-V-Architekturen

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Zonen-Controllers besteht bei einer Migration zu einer einheitlichen 48-V-Stromversorgung für alle Systeme im Fahrzeug neben dem Antrieb. Dadurch lassen sich in Fahrzeugen die meisten elektrischen Komponenten effizienter betreiben als in reinen 12-V-Systemen, wie sie heute in fast allen Fahrzeugen anzutreffen sind. Ein reines 48-V-System verringert den Energieverlust auf elektrischen Leitungen und ermöglicht auch die Versorgung von Komponenten mit sehr hohem Leistungsbedarf, wie zum Beispiel des elektrischen Klimakompressors, der in Elektrofahrzeugen benötigt wird.

In sogenannten Mild-Hybrid-Fahrzeugen verwenden Fahrzeugkonstrukteure zwei getrennte Systeme zur Stromversorgung: ein 12-V-System für konventionelle Komponenten und ein 48-V-System für wenige Verbraucher mit sehr hohem Bedarf an Leistung. In diesen Fahrzeugen ist ein zentraler Spannungskonverter verbaut, der von 48 V nach 12 V und umgekehrt wandelt und der mehr als 1 kW Systemleistung bieten muss.

Zonen-Controller rationalisieren auch diese Infrastruktur. Mit ihrer Hilfe benötigt das Fahrzeug lediglich eine auf 48 V basierende Energieerzeugung und -verteilung. Die Zonen-Controller verteilen die Energie in der Zone an reine 48-V-Komponenten und beinhalten einen lokalen Spannungswandler für bestehende 12-V-Baugruppen. So kann über die Zeit eine sanfte Migration zu reinen 48-V-Komponenten stattfinden.

Eine Investition in die Zukunft

Zonen-Controller vereinfachen und rationalisieren die Architektur in jedem Fahrzeug. Ein solcher Ansatz unterstützt die Integration moderner Technologien durch eine optimierte Energieverwaltung und Datenübertragung. Außerdem können OEMs hierdurch nicht nur Kosten- und Gewichtseinsparungen umsetzen, es entsteht auch die notwendige Grundlage für hochautomatisierte Fahrzeuge. Damit sind die Hersteller für künftige Herausforderungen in der Branche gewappnet.

 

 

Der Autor

 

 

 

Martin-Bornemann von Aptiv
Martin-Bornemann von Aptiv.
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Martin Bornemann

ist Director Systems in der Mobility Architecture Group von Aptiv. Er verantwortet im CTO-Büro die Hardware- und Systemaspekte von Aptivs Smart Vehicle Architecture (SVA). Inzwischen ist Bornemann seit mehr als 20 Jahren bei Aptiv und hatte Positionen in den Bereichen Innovationsmanagement, Projektmanagement und Hardwareentwicklung inne. Vor seiner Tätigkeit bei Aptiv entwarf er Telekommunikationsgeräte für Ericsson und forschte im Bereich Wireless LAN für Bosch.


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