Cleveres Management großer Datenströme Alles im Fluss

Bussysteme: Datentransport clever und schnell

Um die Vielfalt an Vernetzungen zwischen Baugruppen und Steuergeräten zu bewältigen, kommen Busse zum Einsatz. Der Verkabelungsaufwand ist deutlich geringer als bei Einzelverbindungen, sie sind einfach aufgebaut, jedes Gerät wird über eine Stichleitung nur einmal an eine gemeinsame Hauptdatenleitung angeschlossen. Dadurch verringern sich nicht nur die Kosten, sondern auch das Fahrzeuggewicht und der Bedarf an Bauraum.

Bussysteme haben einen gemeinsamen Übertragungsweg von Daten zwischen verschiedenen beteiligten Stationen – auch bidirektional. Dabei wird geregelt, dass in dem Augenblick, in dem Daten zwischen zwei Teilnehmern fließen, der Rest ruht, um Störungen zu vermeiden. Bei einer Daisy-Chain-Anordnung sind Komponenten, hauptsächlich die Batteriezellen bei E-Fahrzeugen, in Serie angeordnet. Dafür eignet sich aber kein Standard-Bus, weil das Spannungs­niveau der Zellen zu unterschiedlich ist. Ebenso werden hier die Daten sequenziell übertragen, also von einer Station zur nächsten.

Die Vorteile sind offensichtlich: Busse erlauben hohe Datenraten, zum Beispiel für Diagnoseanwendungen sowie multimediale und interaktive Funktionen. Zudem erleichtern sie die Vernetzung und Integration zahlreicher Steuergeräte und damit auch den Anschluss zusätzlicher Komponenten. Ein weiteres Plus ist, dass redundante Leitungen die Ausfall- und Störsicherheit erhöhen – ein Faktor, der besonders beim automatisierten Fahren, aber auch für die Elektromobilität und allgemein vernetzte Fahrzeuge eine große Rolle spielt. Außerdem ist ein einfaches Updaten neuer Software während der Montage und zur Wartung möglich. Weil verschiedene Teilnehmer über eine gemeinsame Leitung kommunizieren, muss ein Zugriffsverfahren, das Protokoll, zum Beispiel CAN, den Datenfluss regulieren.

Vielfalt: Jeder Bus hat seine Aufgabe

Mit der Zeit entwickelten sich verschiedene Busarten und Protokolle (Vereinbarungen) für die kabelbasierte Datenübertragung, die unterschiedliche Eigenschaften haben. Dabei bringen die Entwicklungen der Automobilindustrie in Richtung Elektromobilität und automatisiertes Fahren neue Herausforderungen mit sich.

Der CAN-Bus wurde für die Vernetzung einer größeren Anzahl von Steuergeräten entwickelt. Er ist ein bewährter serieller Bus, der nach dem Multi-Master-System funktioniert, verbindet also mehrere gleichberechtigte Steuergeräte. Aktive Komponenten werden als »Master«, passive als »Slaves« bezeichnet. Weitere Vorzüge des CAN-Bus sind geringe Kosten und Echtzeitfähigkeit. Am besten eignet er sich für Diagnoseanwendungen sowie multimediale und interaktive Funktionen. 2012 wurde die bestehende Controller Area Network-Technologie zum CAN-FD (FD, flexible Datenrate) weiterentwickelt. Die Übertragung von 8-Byte-Nutzdaten beim CAN erweiterte sich auf bis zu 64 Byte.

  • Mit dem LIN-Bus lassen sich kostengünstig Sensoren und Aktoren in Fahrzeugnetzwerke integrieren, auch mit kleinen Subnetzen. Er eignet sich für einfachere Anwendungen, Diebstahlsicherung oder Scheinwerferelektronik.
  • FlexRay ist ein an sicherheitskritische Anwendungen angepasstes Bus­system. Es ist redundant konzipiert und ermöglicht ein deterministisches Zeitverhalten, das Zeitintervall für die Aufgaben wie die Motorsteuerung ist also vorgegeben. FlexRay passt zu hohen Datenraten.
  • MOST vereinfacht mit seinen speziellen Kommunikationsmechanismen und hohen Datenraten die Integra­tion von Infotainment-Steuergeräten für Multimedia-Anwendungen ins Fahrzeug.
  • Den höchsten Aufschwung aller Vernetzungssysteme in der Automobilindustrie nimmt zurzeit das Automotive Ethernet (Bild 3).

Nicht nur für die Vernetzung der Automobilelektronik allgemein, wie für die fahrzeuginterne Kommunikation, Messen, Kalibrieren und Diagnose, ist es bestens geeignet. Ebenso hat dieses Kommunikationsnetzwerk für die Entwicklungen in der Elektromobilität, hier beispielsweise die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und den Ladestationen, aber auch für Assistenz- und Sicherheitssysteme beim autonomen Fahren, deutliche Vorteile. Dank seiner skalierbaren und offenen Architektur mit hoher Bandbreite ist es stark in­tegrierfähig und flexibel. Bei Fahrer­assistenz- und Infotainment­anwen­dungen zeigt es niedrige Latenzzeiten, die für die Echtzeitübertragung bedeutend ist. Dabei erfüllt das Automotive Ethernet die aktuellen Sicherheitsanforderungen.

Kabel: hohe Anforderungen an Aufbau und Qualität

Speziell bei Elektro- und Hybridfahrzeugen gibt es ganz bestimmte Risiken unerwünschter elektromagnetischer Wechselwirkungen, die gefährliche Störungen der Elektronik verursachen können. Sie entstehen vor allem durch die hohe Dichte von vernetzten Steuergeräten, parallel verlaufende Strom- und Datenkabel in Ladeleitungen, aber auch bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom im Inverter für den Elektromotor. Damit sie nicht Funktionen beeinträchtigen oder gar zu deren Ausfall führen, müssen Datenübertragungskabel besondere Anforderungen und Qualitätskriterien erfüllen. Dazu gehören unter anderem eine gute Schirmung und ein besonders symmetrischer Aufbau [6].

Standards, Normen, Vereinbarungen

ISO 19642: neuer globaler Standard für Fahrzeugleitungen, Übernahme der Normen ISO 6722-1 (Anforderungen und Testmethoden für Kupferleitungen), ISO 6722-2 (Anforderungen und Testmethoden für Aluminiumleitungen) und ISO 14 572
(Anforderungen und Testmethoden für mehradrige und geschirmte Leitungen), neu dazu Teile für Hochvolt-Leitungen.
IEC 61851-1:2017: Electric Vehicle Conductive Charging System – General Requirements.
ISO/IEC 15118: Ladekommunikation zwischen Ladestation und Ladesteuergerät.
One Pair EtherNet Alliance Special Interest Group (OPEN Alliance SIG): gemeinnützige Interessengruppe, die sich hauptsächlich aus der Automobilindustrie und Technologieanbietern zusammensetzt, um eine breite Akzeptanz der Ethernet-basierten Kommunikation als Standard für Automotive-Netzwerkanwendungen zu fördern.
AUTomotive Open System ARchitecture (AUTOSAR): weltweite Entwicklungspartnerschaft von Automobilherstellern, Zulieferern, Unternehmen aus der Elek­tronik-, Halbleiter- und Software-Industrie, offene und standardisierte Software-Architektur für elektronische Steuergeräte; spielt in Hinsicht auf Kostenreduzierung, Qualitätsverbesserung und Wiederverwendbarkeit eine wichtige Rolle.

 

Leitungen mit diesen Eigenschaften hat der Kabelhersteller Leoni für die Datenübertragung in Fahrzeugen und spe­ziell für die bidirektionale Datenkommunikation durch das Automotive Ethernet entwickelt: drei Typen der Leoni-Dacar-Serie mit zahlreichen möglichen Varianten. Die Twisted-Pair-Modelle werden für EMV-sensible Bauräume mit einer Schirmung versehen, die einen wirksamen Schutz gegen elektromagnetische Einflüsse bietet. Bei Surround-View-Kamerasystemen sind sie bereits serienmäßig im Einsatz. Künftig werden sie eine wichtige Rolle bei der Vernetzung von Komponenten für V2X-Kommunikation auch von elektrischen und autonomen Fahrzeugen spielen.

Ziele, Zukunft und Entwicklungen

Die Herausforderungen für die Zukunft der Datenübertragung in Elektro- und Hybridfahrzeugen sind vielfältig. Für Vernetzung, Elektromobilität und automatisiertes Fahren werden die Entwicklungen noch weiter in Richtung immer höhere Datenraten und daran angepasste, leistungsfähig Busse, effektives und effizientes Datenmanagement, komplexere Kommunikationssteuerung, Verbesserung der EMV sowie platz- und gewichtsparende Kabelsysteme gehen.

 

Literatur + Links:

[1] https://www.evafahrzeugtechnik.de/kernkompetenzen/elektromobilitaet/leistungselektronik.html
[2] https://www.querom.de/leistungselektronik-im-elektroauto/
[3] https://www.drive-e.org/wp-content/uploads/vortraege_2010/15_Fr_Maerz_Leistungselektronik.pdf
[4] https://www.bosch-mobility-solutions.de/de/produkte-und-services/pkw-und-leichte-nutzfahrzeuge/antriebssysteme/elektroantrieb/vehicle-control-unit/
[5] Volker Zwillich, Elektromagnetische Verträglichkeit und Signalintegrität hochbitratiger Datenbussysteme im Kraftfahrzeug; Promotion.
[6] https://cuvillier.de/de/shop/publications/1001-elektromagnetische-vertraglichkeit-und-signalintegritat-hochbitratiger-datenbussysteme-im-kraftfahrzeug; ISBN 978 3 86955 094 7

 

 

Andrea Gerber

arbeitet als Referentin für technische Kommunikation und technische Redaktion bei der Leoni Kabel in Roth bei Nürnberg. Die Naturwissenschaftlerin ist auch Journalistin mit Weiterbildung zur technischen Redakteurin.