Die Entwicklung der Automobilelektronik

Die Vielzahl, Komplexität und Funktionalität der heutigen Kraftfahrzeugelektronik ist in den letzten Jahren sprunghaft gewachsen. Das Flaggschiff der Entwicklung von der Automobilelektronik ist zweifellos das Tesla-Auto. Aber auch für diejenigen von uns, die sich keinen Tesla leisten können: Diese Technologie wird immer stärker in Neuwagen der Mittel- und unteren Mittelklasse eingesetzt. Dieser Artikel beschreibt die, mit dieser Technologie verbundene Designumgebung, ihren Einsatz und auf welche Weise diese Technologie im Tesla integriert wurde.

Viel Technik, viele Funktionen

Immer häufiger wird über den breiten Einsatz selbstfahrender Fahrzeuge in den kommenden Jahren diskutiert. Doch auch, wenn wir auf diese Innovation noch ein wenig warten müssen, findet sich in der heutigen Kfz-Technik bereits ein hohes Maß an Funktionalität. Es liegt auf der Hand, dass diese Technologie nicht ohne Herausforderungen bleibt, wenn es darum geht, was seitens der Produktentwicklung benötigt wird. Zu den besonderen Merkmalen der Automobilelektronik gehören:

• vergleichbare Anforderungen an die Signal-Integrität wie alle anderen komplexen, leistungsfähigen Elektronikprodukte;
• Sie muss in einem Temperaturbereich von -60 °C bis +135 °C arbeiten und das 20 Jahre lang.
• Sie muss viele Jahre lang Schock und Vibrationen aushalten.
• Stetiger Kostendruck;
• Zuverlässigkeit ist fast so wichtig wie die Kosten und könnte diese schon bald als Schlüsselfaktor übertreffen.
• Steigender Bedarf an Netzwerken mit relativ hoher Bandbreite.
• Sie muss über ein breites Frequenzspektrum (vom Audiobereich bis 70 GHz Radar (z.  B. Stoßstangenradar) arbeiten – einschließlich GPS, Bluetooth und drahtloses Ethernet. (Beispiel: Tesla kommuniziert ständig mit Mobilfunkmasten und meldet dem Hersteller alle möglichen Informationen darüber, wo sich ein Fahrzeug befindet und wie es sich verhält.)
• Die Ergänzung von Autopilot-Funktionen schafft eine weitere Ebene und Quantität von Anforderungen.
• Fahrzeuge beinhalten ein sehr breites Spektrum an Elektronik von beinahe jedem Produkt, das man sich vorstellen kann. Sie dürften der in Flugzeugen enthaltenen Elektronik gleichkommen.
• Die Kenntnisse der Konstrukteure müssen von sehr, sehr hohen Strömen in Verbindung mit Batterien, Motoren und Generatoren bis zu 70-GHz-Radargeräten reichen.
• PCBs reichen von einlagigen Flex-Schaltungen bis hin zu 12-lagigen Leiterplatten.

Lee Ritchey, Gründer und Präsident von Speeding Edge, stellt fest: „Wir erwarten heute, dass ein Auto 20 Jahre lang ohne Ausfälle fährt. Wenn etwas nach zehn Jahren versagt, sind wir irritiert. Im Zuge dieser Zuverlässigkeit erwarten wir, dass wir unser Auto niemals reparieren müssen.“

Kommunikation ist alles für die Weiterentwicklung der Automobilelektronik

Es liegt auf der Hand, dass alle die Produkte in einem Auto, die heute miteinander vernetzt sind, eine geeignete Kommunikationsmethodik erfordern. Die ursprüngliche Technologie war der Controller-Area-Network-(CAN)-Bus. Dieser Bus ermöglicht es vielen verschiedenen Mikrocontrollern und verschiedenen Gerätetypen, in Echtzeit zu kommunizieren, ohne dass ein Host-Computer erforderlich ist. Sobald Sie ein Zugangsgerät an das Bordnetz anschließen, scannt es alle Objekte im CAN-Netzwerk. Das CAN-Netzwerk arbeitet – je nach Klasse – mit verschiedenen Geschwindigkeiten: Klasse C mit 1 Mbps; Klasse B mit 125 kbps und Klasse A mit 10 kbps. Ritchey bemerkt: „CAN war ausreichend, Die Funktion Ihres Bremssystems sicherzustellen. In den meisten modernen Fahrzeugen ist der CAN-Bus jedoch durch ein Ethernet-Netzwerk ersetzt: Dies ermöglicht einen wesentlich höheren Datenzugriff und stellt die benötigte Bandbreite zur Verfügung, um anspruchsvollen Elektronikkomponenten zu betreiben. Denken Sie z. B. an die verschiedenen Kameras, die heute in den Autos installiert sind.“

Der technische Aufwand kann je nach Automarke und Modell von „normal“ bis „sehr anspruchsvoll“ sein. Es ist gar nicht so lange her (verglichen mit der Produktlebensdauer), seit GPS-Navigationssysteme für Fahrzeuge angeboten werden. Ursprünglich waren sie als Add-Ons oft nur für die teureren Automarken und -modelle erhältlich – zu horrenden Preisen. Heute ist die GPS-Technik allgegenwärtig, auch auf unseren mobilen Geräten. Es dürfte schwierig sein, ein Auto zu finden, das nicht serienmäßig oder zumindest als preisgünstiges Zusatzgerät mit GPS ausgestattet ist. Bei Fahrzeugen der Luxusklasse hat die darin enthaltene Technik einen ähnlichen Reifeprozess durchlaufen wie das Moore‘sche Gesetz. Mit jedem neuen Modelljahr stehen immer neuere Technologien zur Verfügung.

An der Spitze der Innovations-Pyramide der Automobilbranche steht der Tesla. Ritchey stellt fest: „Es gibt nichts Komplexeres als einen Tesla. Und weil dies so ist, verfügt er über ein Echtzeit-Bug-Reporting. Im Tesla gibt es etwa 10 Kameras mit unglaublich umfangreicher Bildverarbeitung. Ein Beispiel: Hält man hinter einem Fahrzeug, an dessen Heck ein Fahrrad montiert ist, erkennt der Tesla, dass es sich um ein Fahrrad auf einem Heckträger handelt und nicht um ein frei stehendes Fahrrad auf der Fahrbahn. Der Tesla erkennt den Unterschied zwischen einem Motorrad und einer Gehhilfe. Er zeigt ein Bild auf dem Display und Sie können alles sehen. Das hat nichts mit dem Autopiloten zu tun, sondern mit Bildverarbeitung – was manche KI nennen. Es erkennt die Objekte eins nach dem anderen und entscheidet, was damit zu tun ist.“

„Ich hatte die Gelegenheit, mit einem Tesla auf einer Langstrecke von Santa Rosa zum Grand Canyon zu reisen“, fährt Ritchey fort. „Erst dachte ich, der Wagen findet mittels Radar heraus, was vor ihm liegt; stattdessen nutzt er Kameras. Ist der Autopilot eingeschaltet, erlaubt Ihnen das Auto nicht, die Spur zu wechseln, wenn die Kameras anzeigen, dass sich etwas auf der anderen Fahrbahn befindet. All diese Ortsinformationen werden auf der Grundlage der Kamerabilder ermittelt, die gerade verarbeitet werden. Die Bilder selbst werden nicht auf dem Display angezeigt, sondern was sich auf Ihrer Fahrspur und den benachbarten Fahrstreifen befindet. Fährt beispielsweise ein Sattelzug voraus, zeigt das Display das Bild eines LKWs.“

Trotz des Autopiloten hat der Tesla keineswegs die Fähigkeit zum Selbstfahren. Ritchey bemerkt: „Der Tesla hat zwar einen Autopiloten, aber man muss die Hände am Steuer haben, sonst ist die Hölle los! Wenn Sie für eine bestimmte Zeit die Hände vom Lenkrad nehmen, zieht der Autopilot das Auto auf den Seitenstreifen. Er hat jede Menge Alarmfunktionen, die viel Krach machen. Wenn Sie darauf aber nicht reagieren, hält er am Straßenrand an und bleibt dort stehen.“

Bei aller Raffinesse der Technik sind die Möglichkeiten des Teslas nicht grenzenlos. Ritchey erklärt: „Bei manchen Fahrbahnmarkierungen kommt der Tesla durcheinander. Das System zentriert sich z. B. automatisch zwischen zwei Linien, die er erfasst. Mündet eine Fahrspur von der Seite ein, verlässt es die Fahrspur, in der es sich befindet. Verschwindet die Fahrbahnmarkierung, dann versagt er. Deshalb wird so viel Mühe darauf verwandt, die Straßenmarkierungen zu malen.“

„Und“, fügt Ritchey hinzu, „trotz Ethernet, das mit 5 Mbps arbeitet, ist das Fahrzeug auf lokale Mobilfunkanlagen angewiesen. Alles im Tesla hängt von den Mobilfunkmasten ab. Er arbeitet nicht satellitengebunden. Folglich funktionieren einige der Dinge im Auto nicht, wenn keine Mobiltelefonverbindung besteht – das Reporting zum Beispiel.“

Reisen von A nach B

Eine der Herausforderungen von Elektrofahrzeugen ist deren Reichweite. Meistens hängt die Reiseroute über lange Strecken von der Lage der Ladestationen ab. Zwar nimmt die Zahl der Ladestationen ständig zu, aber sie befinden sich nicht immer auf Ihrer gewünschten Route.

Beim Tesla bemerkte Ritchey, dass die Fahrt – aufgrund des Netzes an Ladestationen – ein wenig abseits der ausgetretenen Pfade verlaufen könnte: „Auf unserer Fahrt von Santa Rosa zum Grand Canyon bestimmte die Automobiltechnik im Tesla die günstigste Route. Damit man weiß, wo die Ladestationen sind, werden sie auf der Karte angezeigt, mit einem Hinweis, wo man als Nächstes anhalten sollte. Wir haben uns nie weiter als 150 Meilen von einer Ladestation entfernt. Die Hälfte aller Ladestationen an jedem unserer Haltepunkte waren Schnellladestationen. Sie benötigen für eine volle Ladung 45 Minuten. Und ganz bewusst liegen sie alle in der Nähe einer Gaststätte, wo wir hätten Mittagessen können.“

„Wenn Sie Ihr Fahrzeug an eine Ladestation anschließen,“ so Ritchey, „weiß diese Station, welches Fahrzeug aufgeladen wird. Es gibt nämlich ein bereits eingerichtetes Benutzerkonto. Tesla belastet dann automatisch Ihre Kreditkarte, wenn Sie Ihr Fahrzeug betanken. Mit den Ladekosten eingerechnet kamen wir auf unserer Reise auf Betriebskosten, die bei einem Verbrenner einem Verbrauch von 100 Meilen pro Gallone (etwa 2,4 Liter auf 100 km) entspricht.

So weit sind wir gekommen

Bei all dem neuen „Schnickschnack“, den die Auto-Technik heute bietet, gibt es immer noch einige gegebene Tatsachen. Dazu gehören:

• Wir erwarten, auch bei -40 °C das Auto noch starten zu können. Umgekehrt können Sie Ihr Auto anlassen, wenn es 120° wärmer ist. (In der Wüste kann die Temperatur im Fahrzeuginnenraum an die 120 °C betragen.)
• An der Konstruktion der Automobilelektronik moderner Fahrzeuge sind etwa zehn Fachgebiete beteiligt.
• Wie schon erwähnt, gibt es eine Fülle von PCB-Anwendungen in jedem Auto, von einlagigen Flex-Schaltungen bis hin zu 12-lagigen Leiterplatten. Alle LED-Lampen sind zum Beispiel ein- oder zweilagige Leiterplatten. 
• In dem Maße, wie die technischen Entwicklungen voranschreiten und kostengünstiger werden, werden einige Komponenten Standard, um Fahrzeuge versichern zu können. Ritchey sagt: „Ich nehme an, dass Kollisionswarnung und Rückfahrkameras zu solchen Komponenten gehören werden. Sind sie nicht vorhanden, werden die Versicherungsprämien höher ausfallen.“

Was liegt vor uns in der Zukunft der Automobilelektronik?

Ritchey erklärt: „Seit Jahren haben wir Halbleiter für jede Menge High-Tech-Zeugs. Aber es sind die Verbindungen, die versagen werden. Ich kann mich nicht erinnern, wann ich das letzte Mal etwas repariert habe, das keine Verbindungsfehler aufwies. Silizium versagt dagegen selten.“

„Die gute Nachricht ist: Wir gehen den Ausfällen aus dem Weg, indem wir Verbindungen vermeiden und alles in einen Chip integrieren“, so Ritchey weiter. „Die Drähte, die einen Computer mit einem anderen verbinden, sind so ziemlich die einzige noch verbleibende Fehlerstelle. Die Arbeit, die im Bereich der Kfz -Steckverbinder geleistet wird, ist meines Erachtens besser als das, was in einem Laptop steckt, denn diese müssen eine Vielzahl von Umweltbedingungen aushalten. In den Anfängen der ICs verkauften wir nicht an Automobilfirmen, weil ihre Anforderungen zu hoch waren. Die Gehäuse waren nicht sehr zuverlässig, und die ICs funktionierten bei bestimmten Betriebstemperaturen nicht. Mit jeder Generation der Halbleitertechnologie wächst auch die Anzahl der Funktionen, die in die Automobilelektronik einfließen.“

Zusammenfassung

Die Komplexität und Vielfalt der in heutigen Automobilelektronik ist etwas alltäglich geworden. Werden alle Umwelt- und Betriebsanforderungen innerhalb eines Kraftfahrzeugs berücksichtigt, nehmen Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit dieser Technologien immer weiter zu. Dabei wird die Spitzenelektronik von heute zum Mainstream von morgen, insbesondere, wenn es um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Fahrzeugen der nächsten Generation geht. Aus Konstruktionssicht wird die frühzeitige Berücksichtigung aller Betriebsanforderungen in der Produktentwicklungsphase sicherstellen, dass die Technik von Anfang an (und dauerhaft) richtig funktioniert.

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