Die Schlüsselfaktoren im Überblick

Fortschrittliche E/E-Architekturen smart entwickeln

5. November 2021, 9:00 Uhr | Autor: Brendan Morris, Redaktion: Irina Hübner

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Leistungsmodi des Fahrzeugs

Moderne Fahrzeuge verfügen oft über mehrere Leistungsmodi, die steuern, welche Komponenten angetrieben werden oder aktiv sind. Bei einem Fahrzeug mit einem herkömmlichen Schlüssel gibt es in der Regel vier Stellungen am Zündschloss, was vier bis sechs Leistungsmodi entspricht, von ausgeschaltet und gesperrt bis zum Anlassen (Tabelle 1).

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Eine typische Zusammenfassung der Leistungsmodi für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb
Tabelle 1. Eine typische Zusammenfassung der Leistungsmodi für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb.
© Siemens EDA

Steuergeräte müssen immer dann aktiviert werden, wenn eine auf ihnen implementierte Funktion benötigt wird. Daher können die Funktionen, die auf einem Steuergerät enthalten sind, beeinflussen, wann das Steuergerät mit Strom versorgt oder eingeschaltet werden muss und somit auch die Anforderungen an die Lebensdauer des Steuergeräts bestimmen. Wenn eine Funktion während des Ladevorgangs eines Elektrofahrzeugs benötigt wird, muss das Steuergerät, das die Ladefunktion enthält, bis zu zehnmal länger zuverlässig arbeiten als ein Steuergerät, das nur während der Fahrt verwendet wird. Dieser Zeitraum verlängert sich weiter, wenn Service- und Diagnosefunktionen wie zum Beispiel Updates der Fahrzeugsoftware betrachtet werden.

Prozessor-, Netzwerk- und Gateway-Lasten

Die relative Auslastung jedes Steuergeräteprozessors, Netzwerks oder Netzwerkzweigs sowie der Gateways zwischen den Netzwerken ist eine weitere kritische architektonische Überlegung. Da die Funktionen bestimmten Steuergeräten zugeordnet sind, belasten die zugehörigen Signale die mit dem Steuergerät verbundenen Netzwerke zusätzlich. Existieren keine direkten Verbindungen zwischen den jeweiligen Quellen und Zielen der Signale, wird ein Gateway für die Verbindung benötigt.

Jedes neue Gateway erhöht die Last und die Häufigkeit der Signale, die gesendet werden, um eine bestimmte Zeitplanung zu liefern. In einer funktionsorientierten Domänenarchitektur kann es erforderlich sein, Signale für Status- und Modusinformationen über das Netzwerk-Backbone zu leiten, was zwei Gateways zur Folge hat. Verbindungen zwischen verschiedenen Netzwerken sind unerwünscht, da sie den Cybersicherheitsfunktionen die Verteidigung des Gesamtsystems erschweren, da hierdurch zusätzliche Wege für böswillige Angreifer zur Verfügung stehen.

Ein Designtool, das Analysen unterschiedlicher Funktionsverteilungen ermöglicht, um die Folgen jeder Zuordnung vorherzusagen, kann eine erhebliche Menge Zeit sparen und von Beginn an korrekte Architekturen unterstützen. Bei funktionalen Zuordnungen zu Steuergeräten ist es entscheidend, die spezifische Art der Verarbeitung für jedes Steuergerät zu berücksichtigen. Die für die Hauptverarbeitung zuständigen Steuergeräte in jeder Domäne haben unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Echtzeit- und Sicherheitsanforderungen und der Hardwareausstattung (Tabelle 2).

Beispiele für typische ECU-Verarbeitungstypen nach Funktionsdomäne
Tabelle 2. Beispiele für typische ECU-Verarbeitungstypen nach Funktionsdomäne.
© Siemens EDA

Wenn während eines Updates Funktionen zu einer Architektur hinzugefügt werden, müssen diese aufgeteilt und Steuergeräten, die für den jeweiligen Funktionstyp geeignet sind, zugewiesen werden.

Harte Echtzeitprozesse sind äußerst zeitkritisch und müssen innerhalb eines kleinen Zeitfensters mit einer reproduzierbaren Verarbeitungszeit ausgeführt werden. Dieser Vorgang kann bei hoher Frequenz geplant und beispielsweise durch den Kurbelwinkel des Motors oder die Position des Motorrotors ausgelöst werden. Beispiele reichen von der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei Benzin- und Dieselmotoren mit Direkteinspritzung bis hin zur Steuerung aktiver Federungskomponenten, Stabilisatoren, Koppelstangen und Dämpfer.

Typische Karosseriefunktionen wie das Absenken eines Fensters können für eine zufriedenstellende Benutzererfahrung innerhalb von zehn Millisekunden reagieren. Bestimmte Funktionen können jedoch eine ASIL und eine harte Echtzeitanforderung in diese Karosseriefunktionen einführen. Mit einer Einklemmschutzfunktion (zum Beispiel Verhinderung des automatischen Schließens des Fensters bei Erkennung eines Kinderarms) umfasst die Funktion Fensterbedienung sicherheitsrelevante Funktionen. Daher ist es notwendig, die automatische Fensterfunktion in Teilen der Architektur mit ausreichender Integrität und Zeitplanung zu integrieren. Im Allgemeinen sind die Karosseriefunktionen stark verteilt und greifen auf Sensoren und Aktoren zu, die um die Fahrgastkabine herum angebracht sind, um anspruchsvolle Komfortfunktionen zu ermöglichen.

Wiederverwendung von Architekturkomponenten

Die Wiederverwendung von Fahrzeugmerkmalen, Funktionen und Systemen ist heutzutage unerlässlich. Die Optimierung der Elektro- und Elektronikarchitektur (E/E) und ein effektives Systemdesign sind entscheidend für die Maximierung der Wiederverwendbarkeit, die Reduzierung der Anzahl der Fahrzeugvarianten und die Verbesserung der Fähigkeit, das richtige Fahrzeug pünktlich zu liefern.

Wenn eine neue oder aktualisierte Fahrzeuglinie entwickelt wird, gibt es Einschränkungen bei der Wiederverwendung von Fahrzeugkomponenten. Einige Einschränkungen sind absolut, während andere im Verhältnis zu den damit verbundenen Kosten bewertet werden müssen. Üblicherweise bieten Steuergeräte von Tier-1-Zulieferern nur begrenzte Möglichkeiten, um Funktionen hinzuzufügen, es sei denn, der Zulieferer ist mit der Entwicklung solcher Funktionen beauftragt. OEMs übernehmen zunehmend mehr Verantwortung bei der Entwicklung von Steuergeräten, Softwaremodellen und sogar vollständiger Software. Heute reicht dies bis hin zur Hardware für strategische Module und zum Chipdesign.

Tools zur Planung und Prüfung

Die Automobilunternehmen stehen vor zahlreichen, vielfältigen und zunehmend komplexen Herausforderungen. E/E-Systemarchitekten sehen sich bei der Entwicklung, Aktualisierung und Optimierung von Fahrzeugarchitekturen mit zahlreichen Entscheidungen und Kompromissen konfrontiert. Daher ist es notwendig, fortschrittliche Tools wie zum Beispiel Capital Systems Architect von Siemens Digital Industries Software zu verwenden, um die Architektur anhand einer Reihe von Regeln und Richtlinien zu planen und zu überprüfen, die von den Ingenieuren definiert wurden. Mit erweiterbaren Regeln können Systemarchitekten Zuweisungen und Zuordnungen auf der Grundlage der definierten Regeln automatisieren. Metriken ermöglichen die Abwägung zwischen topologischen Änderungen, funktionalen Zuordnungen und Signalzuweisungen, um eine frühe Optimierung der E/E-Architektur zu ermöglichen, bevor die detaillierte Entwurfsarbeit beginnt.

 

Der Autor

Morris Brendan von Siemens EDA
Morris Brendan von Siemens EDA.
© Siemens EDA

Brendan Morris

ist Senior Technical Marketing Engineer bei Siemens Digital Industries Software. Morris hat den größten Teil seiner Karriere in der Automobilindustrie verbracht, zunächst bei Tier-1- Zulieferern, aber hauptsächlich bei OEMs wie Jaguar Land Rover (JLR), McLaren Automotive und Rivian. Er arbeitete an allen Teilen des Produktlebenszyklus, von der Forschung bis hin zur Serienqualität und dem laufenden Änderungs-Engineering. Sein Schwerpunkt lag hauptsächlich in den Bereichen Antriebsstrang und Elektrik. Er leitete Projekte, die eine Reihe von Technologien einschließlich E/E-Architekturen abdeckten. Er vertrat JLR im AUTOSAR WP-A2 Com Work Package, hat einen M. Eng-Abschluss in Automotive Engineering von der Loughborough University und ist, obwohl er in Großbritannien ansässig ist, oft in verschiedenen großen Automotive-Entwicklungszentren rund um den Globus anzutreffen.


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