Cleveres Management großer Datenströme Alles im Fluss

Für eine reibungslose Kommunikation der elektronischen Systeme im Auto sorgen die Bussysteme. Das ist für Elektrofahrzeuge besonders wichtig.
Für eine reibungslose Kommunikation der elektronischen Systeme im Auto sorgen die Bussysteme. Das ist für Elektrofahrzeuge besonders wichtig.

Elektronische Systeme im Fahrzeug sind sehr komplex – viele verteilte Hardware- und Software-Komponenten müssen zusammenwirken, um unterschiedliche Funktionen zu realisieren. Für eine reibungslose Kommunikation im Auto sind Bussysteme nötig. Das trifft vor allem für das Zusammenspiel im E-Auto zu.

Netzwerke durchziehen Fahrzeuge, Systeme kommunizieren, Daten fließen. Weil die Anzahl der verbundenen Komponenten in den letzten Jahren stark gewachsen ist, wären nach und nach Tausende von Kabel für den Datentransport nötig geworden. Die Lösung sind Bussysteme, über die Daten zwischen mehreren Funktionseinheiten über einen gemeinsamen Übertragungsweg transportiert werden. Als Kommunikationsstandard macht zunehmend das Automotive Ethernet das Rennen, doch je nach Zweck kommen nach wie vor CAN, CAN-FD, aber auch LIN, MOST oder FlexRay zum Einsatz.

 

Datenübertragung und Steuergeräte: Wo, wohin, wofür?

Wer kennt sie nicht, die Erlebnisse in der Werkstatt: Das Fahrzeug ist defekt, aber es ist nicht sofort erkennbar, wo der Fehler liegt. Der Mechatroniker schließt ein Gerät an, die Diagnose läuft, das Display zeigt Werte, die auf eine ganz bestimmte Störung schließen lassen.

Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) ermöglichen diese Kommunika­tion. Sie steuern und regeln als Embedded Systems die verschiedenen elek­tronischen Funktionen im Fahrzeug: externe Diagnosewerkzeuge, die laufend Fehlermeldungen abfragen, Fahrerassistenzsysteme, Infotainment, Vernetzung zwischen Fahrzeugen und zu Straßen- und Kommunikationsinfrastruktur, aber auch einfachere Anwendungen, wie Diebstahlsicherung, Wegfahrsperren, Scheinwerferelektronik und verschiedene Bedienelemente.

Über ihre Verbindung durch Systembusse tauschen sie an zahlreichen Schnittstellen vielfältige Informationen aus. Mit immer höheren Ansprüchen an Komfort und Sicherheit steigt die Rechenleistung der Steuergeräte. Ebenso wächst die Kommunikation zwischen ihnen an und damit die Datenübertragungsrate. Während der bisherige Standard noch im Mbit/s-Bereich lag, geht der Trend deutlich über 1 Gbit/s hin zu Multi-Gigabit. Vernetzte Steuergeräte spielen unter anderem in der Forschung einiger Fraunhofer-Institute eine große Rolle und die Industrie arbeitet an zahlreichen Innovationen.

Spezialfall Elektro- und Hybridfahrzeuge

Während einerseits ein großer Teil der Datenkommunikation bei Fahrzeugen aller Antriebsarten ähnlich ist, haben andererseits Elektro- und Hybridfahrzeuge (Bild 1) aufgrund ihres völlig anders aufgebauten Antriebsstrangs markante Besonderheiten. So managen Steuergeräte in diesen Fällen die Energieströme zwischen Batterie, Antrieb und Nebenverbrauchern. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden die nicht-antriebsbezogenen Funktionen unabhängig vom Antriebsmotor mit Energie versorgt, manche mit Hochspannung und etliche davon mit einer zusätzlichen Niedervolt-Batterie.

Die Motorsteuerung übernimmt der Controller als Teil der Leistungselektronik, er steuert, regelt und überwacht die Motorfunktionen. Beim Losfahren und Beschleunigen geht über das Pedal ein Signal an den Controller. Durch die Koordination mit dem Akku wird dem Motor eine zunehmende Strommenge zugeführt. Der Controller kommuniziert laufend mit der Fahrzeugsteuerung und empfängt von ihr die Fahrbefehle sowie umfangreichen Input weiterer Steuergeräte.
Die Aufgaben der Leistungselektronik als einer zentralen Komponente des elektrischen Antriebsstrangs von Elektro- und Hybridfahrzeugen sind also die Ansteuerung des Motors, die Kommunikation mit der Fahrzeugsteuerung sowie die Diagnose des Antriebs.

Zu dieser wichtigen Einheit gehören ebenso der Wechselrichter und der Spannungsregler. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung in Wechselspannung um, die der Elektromotor benötigt. Im umgekehrten Ablauf wird der Akku wieder aufgeladen. Für die Versorgung der Bordnetzkomponenten, die eine niedrigere Gleichspannung brauchen, wie Infotainmentsysteme, Servolenkung oder Beleuchtung, transformiert der Spannungsregler die Gleichspannung aus dem Hochvolt-Akku in den Niedervolt-Bereich.

Die gesamte Buskommunikation zwischen einzelnen elektronischen Kom­po­nenten und Schnittstellen des Antriebsstrangs von Elektro- und Hy­bridfahrzeugen steuern zentrale Steuergeräte (Vehicle Control Units, VCU [4]). Sie ermöglichen eine differenzierte Koordination von Systemkomponenten. Beispiele sind die Steuerung des Umrichters und des Batteriemanagementsystems, die Ladesteuerung, die Motorsteuerung sowie die aktive und passive Rekuperation, also die Energierückgewinnung beim Bremsen. Bei Hybridfahrzeugen kontrolliert die VCU die Wahl zwischen Verbrennungs-, rein elektrischem und Hybridfahrmodus.

Eine weitere zentral wichtige Steuerkomponente in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben ist das Batteriemanagementsystem (BMS). Es überwacht und steuert Lade- und Entladezustand – durch das Balancing werden die Ladezustände der einzelnen Zellen ausgeglichen –, Spannung und Temperatur bis zu jeder einzelnen Batteriezelle, betreibt laufend Diagnose, ermittelt aber auch die geschätzte Reichweite des Fahrzeugs. So bewirkt das BMS, dass der Akku in seinen Grenzen bleibt und keine schädlichen Überladungen oder Temperaturen erreicht. Damit trägt es entscheidend zur längeren Haltbarkeit der Batterie bei.

Um die Stromkapazitäten zu erweitern, lassen sich über CAN-Bus-Gateways mehrere Batteriepacks zu einer großen virtuellen Batterie zusammenschließen. Auch diese großen Pakete kontrolliert das BMS. Die Steuergeräte können Mikrocontroller sein, also Ein-Chip-Systeme mit Prozessor und Peripheriefunktionen.

Kommunikation zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug

Sobald ein Elektroauto an der Ladestation mit Stecker und Ladekabel verbunden wird, startet ein komplexer Vorgang (Bild 2). Ab jetzt fließt nicht nur Strom, sondern auch eine Menge an Daten, die Auskunft über den Zustand des Akkus und seinen Ladebedarf oder die vorhandenen Stromressourcen geben. Wichtige Informationen braucht das Ladesystem auch zu Art und Dauer des Ladevorgangs, also ob schnell sehr viel oder langsamer weniger Energie transportiert werden soll.

Damit Elektro- und Hybridfahrzeuge mit der Ladestation zuverlässig kommunizieren können, brauchen sie eine Schnittstelle. Diese steckt im Lade-Controller, der, meist über Ethernet, den Leistungszweig der Stromsäule steuert, das Ladekabel überprüft und mit dem Fahrzeug kommuniziert. Dieser Informationsaustausch ist wesentlich für einen sicheren Ladevorgang. Bricht er ab, wird das Laden beendet. Für die Sicherheit spielt auch die elektromagnetische Verträglichkeit eine wichtige Rolle [5]. Die Kabel müssen so gebaut sein, dass die elektromagnetische Strahlung auf ein Minimum reduziert wird, damit keine Störungen in ihrem Umfeld entstehen.

Ohne Datenübertragung wäre auch das Abwickeln der Bezahlvorgänge an der Ladesäule nicht möglich. Wie kann der Benutzer identifiziert werden und wie viel Strom wurde geladen? Eine Kon­trollleitung läuft in demselben Kabel wie die Ladeleitung und ist mit dem Ladestecker verbunden. Durch die Nähe der beiden Leitungen zueinander wäre durch die hohen Ladeströme auch hier ohne besondere Vorkehrungen mit Störungen zu rechnen.