Optimierung des Bordnetzes Das Ende des Kabelsalats

Kosten- und Gewichtseinsparung mithilfe einer 3D-ECAD-Umgebung und einem Optimierungs-Prozess werden die Bordnetzsysteme sehr komplex.
Kosten- und Gewichtseinsparung mithilfe einer 3D-ECAD-Umgebung und einem Optimierungs-Prozess werden die Bordnetzsysteme sehr komplex.

Bordnetzsysteme sind sehr komplex und bieten viel Spielraum für die Kosten- und Gewichtseinsparung. Hierbei kann ein Werkzeug, das auf die dafür nötigen Optimierungs-Prozesse zugeschnitten ist, recht gute Dienste leisten – ein Beispiel ist das E3.WiringSystemLab von Zuken.

Das Bordnetz ist heutzutage eine überaus komplexe Komponente in den modernen Fahrzeugen. Es funktioniert als »Nervensystem« zur Signalverteilung zwischen den Steuergeräten und Sensoren und gleichzeitig als Versorgungssystem, das die elektrischen Systeme mit Energie versorgt. Somit ist es kein Wunder, dass die rasante Zunahme an Elektronik im Fahrzeug auch zu einem bedeutenden Zuwachs im Kabelsatz-Bereich geführt hat – und das trotz des Einsatzes von vielen Bussystemen wie Ethernet oder CAN. Als Resultat findet man in heutigen Mittel- und Oberklasse-Fahrzeugen bis zu 3000 einzelne Leitungen und hunderte von Steckern, was das physikalische Bordnetz zu einem der teuersten und schwersten Komponenten im Fahrzeug macht.

Noch eine weitere Besonderheit trägt dazu bei, dass der Bordnetz-Bereich eine hohe Komplexität mit sich bringt: Bekanntlich haben die Autokäufer heute immer mehr Möglichkeiten, sich die Fahrzeugausstattung individuell zusammenzustellen. Diese Auswahl und Abwahl von Ausstattungsoptionen führt letztlich auch dazu, dass die Kabelsätze als Unikat gefertigt und an das Montageband geliefert werden. Genannt wird dieses Prinzip »kundenspezifischer Kabelsatz« (KSK) und es bringt neben logistischen Herausforderungen auch schwierige Aufgabenstellungen im Entwicklungsprozess mit sich. Denn das Bordnetz muss so entwickelt und auch validiert werden, dass selbst beliebige Kombinationen von optionalen Modulen immer zueinander passen und sicher funktionieren.

Alles in allem stellt die Optimierung eines komplexen Bordnetz-Systems eine recht große Herausforderung dar, speziell auch unter dem Druck, Gewichtsreduzierungs- und Kostensenkungspotentiale wirklich bestmöglich ausschöpfen zu müssen. Das Grundprinzip des heute meist praktizierten Entwicklungsprozesses für das Bordnetz kann wie in Bild 1 skizziert werden.

Die logische Basis stellt der Stromlaufplan dar, in dem alle zu realisierenden Verbindungen definiert und spezifiziert werden. Die geometrische Implementierung im Fahrzeug erfolgt innerhalb der MCAD-Welt und damit in den etablierten Systemen wie Siemens NX oder CATIA. Der elektrisch relevante Extrakt aus beiden Welten – nämlich die Verbindungsinformationen als Drahtliste und die Kabelsatzgeometrie als Topologieliste – werden dann in einem Engineering-Tool »verheiratet« – also kombiniert – und mit allen Informationen ergänzt, die letztlich das Produkt »Kabelsatz« eindeutig beschreiben. Hierzu gehört das Hinzufügen von Zubehörteilen wie Fixierungen oder Bandierungen, die Spezifikation von Fertigungsaspekten und Toleranzen und vor allem die Modularisierung in KSK-Logistikmodule.

Heute ist dieser Prozess die in einer Serienentwicklung etablierte Vorgehensweise und wird in der Regel auch in einer engen Kooperation zwischen OEM und den Tier1-Partnern angewandt. Speziell der Bereich des Kabelsatz-Engineerings liegt dabei meist komplett in der Hand der Zulieferer. Die OEMs bekommen meistens nur die Ergebnisse des Engineeringprozesses als Ergebnisdaten in den standardisierten Formaten KBL oder HCV zurück.

So gut diese Aufgabenteilung auch für den Serienprozess funktioniert, stellt sie doch für einen Optimierungsansatz eine große Herausforderung dar: Will ein OEM sein Bordnetz optimieren – sei es noch vor SOP oder zum Beispiel später im Rahmen eines Facelifts – so stellt sich das Problem, dass er als OEM häufig weder die benötigten Daten noch ein geeignetes Werkzeug zur Verfügung hat, um die Änderungen durchführen und schnell bewerten zu können. Außerdem ist der eben genannte Prozess auf die Abbildung einer Serienentwicklung mit hohen Dokumentations-Anforderungen ausgelegt und nicht auf eine schnelle Beantwortung von Optimierungsideen im Sinne einer »What-If«-Vorgehensweise.

Wollte man beispielsweise erproben, welchen Effekt das Einbringen einer zusätzlichen Querung in der Kabelsatztopologie im Hinblick auf Bündeldurchmesser, Gewichte und Kosten ergibt, so müsste man einen großen Change-Request aufmachen. Mit erheblichem Aufwand müsste die Änderung zum Beispiel in dem CATIA-Modell durchgeführt und der gesamte Dokumentationsprozess erneut durchlaufen werden, bis es nach einem Zeitaufwand von mehreren Wochen möglich ist, die gewünschten Aussagen zu erhalten.

Vor diesem Hintergrund haben sich in der Vergangenheit einige 2D-basierende Topologie-Werkzeuge etabliert, die die Unterstützung eines »What-If«-Prozesses versprechen. Allerdings müssen diese Tools mit der Darstellung der Topologie kämpfen: Entweder muss diese als 2D-Skizze manuell erstellt werden oder man lädt Extrakte aus der MCAD-Welt und muss diese dann mit viel Aufwand »flach klopfen«. Beide Vorgehensweisen erfordern letztlich einen enormen Vorbereitungsaufwand, der eine Bewertung und Validierung von Optimierungsideen meist unmöglich macht.
Mit dem neuen Tool E3.WiringSystemLab (Bild 2) setzt Zuken genau an diesem Schwachpunkt bestehender Werkzeuge an und kann damit eine Reduzierung der Rüstzeit realisieren.

Der entscheidende Schritt ist dabei die Realisierung einer 3D-Umgebung für den Bordnetz-Ingenieur. Dadurch ist es möglich, die aus MCAD übernommenen Strukturen 1:1 zu verwenden, und jeglicher Aufwand für »Flattening« – Abflachen – wird vermieden. Zusätzlich bietet die 3D-Umgebung einen deutlich höheren Realitätsbezug als die abstrakte 2D-Skizze eines Topologieplans. Für eine typische Bordnetz-Optimierung sind folgende Schritte notwendig.

Daten-Import

Die Vorbereitung der erforderlichen Daten spielt, wie bereits erwähnt, eine entscheidende Rolle für die Gesamt-Effizienz. Das Tool E3.WiringSystemLab unterstützt dazu Import-Möglichkeiten mittels der standardisierten Formate KBL und VEC sowie vereinfachte Excel-Listen und zwar sowohl für den Import der Konnektivität als auch der Topologie.

Damit kann das Werkzeug einfach in beliebige Prozessketten integriert werden – unabhängig von den dort eingesetzten Werkzeugen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Verbindungsinformationen über Standardformate wie KBL direkt aus dem Schaltplan-Design im System E3.cable auszulesen, womit jeglicher Export und Import entfällt. Auch für den 3D-Bereich gibt es eine zusätzliche Lösung: Mittels eines Vorprozessors können die relevanten Topologie-Daten direkt aus den nativen MCAD-Daten ausgelesen werden, ohne dass dafür ein Autorensystem wie CATIA oder Siemens NX zur Verfügung stehen muss.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, Teil-Topologien zusammenfügen zu können. Hintergrund ist, dass es in der Regel kein MCAD-Modell (Bild 3) gibt, in dem die gesamte Fahrzeug-Topologie abgebildet ist. Daher muss der Import-Prozess in der Lage sein, aus einer Vielzahl kleiner Topologie-Dateien letztlich eine Gesamt-Topologie zu generieren, die gegebenenfalls noch in Kabelsätze segmentiert ist.

 

Es hat sich außerdem als hilfreich erwiesen, die Topologie nach dem Importieren auf Kohärenz zu überprüfen, um sicherzustellen, dass man von jedem Punkt der Topologie zu jeden anderen routen kann. Aus verschiedenen Gründen kommt es nämlich immer wieder vor, dass im MCAD-Modell Segmente nicht wirklich miteinander verbunden sind, sondern nur »annähernd«. Hier hilft eine integrierte »Heilungs-Funktion« (Bild 4), indem die eng nebeneinander liegenden Knoten verschmolzen werden. Diese und ähnliche Hilfsfunktionen unterstützen den Anwender, innerhalb kürzester Zeit ein konsistentes Referenz-Design aufzubauen.

Topologische Optimierungen

Ausgehend vom Referenz-Design kann der Anwender nun Optimierungsideen einbringen und ausprobieren. Dabei gibt es folgende Ansätze, wie eine Optimierung erfolgen kann: Die Applikation E3.WiringSystemLab unterstützt das schnelle Ausführen der Operationen direkt im 3D-Modell (Bild 5). Neue Bündelwege können durch zwei Klicks – am Anfangs- und Endpunkt – erzeugt und mittels Zwischenpunkten als 3D-Splines beschrieben werden. Dabei wurde darauf geachtet, dass sich die Bedienung an gängigen Office-Applikationen wie MS PowerPoint orientiert und auch für den gelegentlichen Anwender sofort problemlos erschließt.

So kann ein Um-Platzieren einer Komponente durch ein intuitives »Drag & Drop« ausgeführt werden. Das Aufteilen in unterschiedliche Kabelsätze lässt sich innerhalb von wenigen Sekunden durch Markieren des Trennstellen-Knotens und Vergabe eines neuen Kabelsatznamens erreichen. Somit kann der Anwender sehr schnell neue Ideen für eine Topologie-Optimierung einbringen und diese anschließend bewerten.