Evolution und Trends in der E/E

Bild 1: Anstieg der Systemkomplexität im Fahrzeug.Vector Consulting Services GmbH

Kaum eine Branche wächst so schnell und setzt so viele Akzente wie die Automobiltechnik. Dabei ist die Elektronik der wichtigste Innovations- und Wachstumsfaktor. Die Benutzer-Erfahrung und damit der Marktwert des Fahrzeugs werden maßgeblich durch elektronische Funktionen getrieben. Gleichzeitig sind die hohen ökologischen und wirtschaftlichen Erwartungen der Märkte und Kunden ohne Elektronik nicht darstellbar. 

Seit den achtziger Jahren hält die Elektronik einen rasanten Einzug ins Kraftfahrzeug. Waren es anfangs spezielle Funktionen wie Motorsteuergeräte, Airbag und das ABS, sind es heute vernetzte Sicherheits- und Infotainment-Funktionen, die die Komplexität stetig antreiben.  Dieses rasche Wachstum von Elektronik führte in den 1980er Jahre anfangs zu vielen Insellösungen, die ohne durchgängige Architekturen und Vernetzung auskamen. Im Laufe der 1990er Jahre begann eine Konsolidierung, die geprägt war von einer ganzheitlichen Entwicklung von Elektrik- und Elektronik-Strukturen sowie der zugehörigen Vernetzungstopologie.

Mit ihrer Vernetzung bekam die Elektronik nicht nur ihren unbestrittenen Platz im Fahrzeug, sondern wirkte sich auch zunehmend auf alle Funktionen im Fahrzeug aus (Bild 1). Schnell war auch in Design und Marketing klar, dass die Elektronik innovative und kreative Lösungen und Benutzer-Erfahrungen erlaubte. Viele Funktionen waren nur mit Hilfe von Elektronik sinnvoll umzusetzen. So wandelte sich das Bild der Elektronik von zunächst untergeordneter Bedeutung hin zum Schlüssel für neue interessante und zukunftsweisende Funktionen. Von den Anfängen mit wenigen Busteilnehmern in den achtziger Jahren hat diese Entwicklung heute zu mehr als 100 Busteilnehmern geführt (Bild 2). In diesen elektronischen Systemen steckt Software mit einem Gesamtumfang von bis zu knapp 100 Millionen Programmzeilen. Der Beitrag der Elektronik zur Wertschöpfung des Fahrzeugs beträgt heute nach konservativer Schätzung 30 Prozent. Die aktuell rasante Entwicklung hin zu neuen Antriebskonzepten, innovativen Assistenzfunktionen, systemübergreifenden Sicherheitsfunktionen sowie Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern wird Funktionalität und Komplexität der Elektronik auch in Zukunft weiter erhöhen.

Es ist zu erwarten, dass zukünftige innovative Funktionalitäten wie Fahrerassistenzsysteme und Systeme zur Verbrauchsminderung aber auch neue Basistechnologien wie Elektro- und Hybridantriebe sowie wachsende Kommunikationsanforderungen wie bei Car2X die Grenze des technisch Machbaren weiter verschieben. Vector Consulting Services hat fünf Trends herausgearbeitet, die für die Elektronik-Entwicklung wichtig sind, nämlich die kontrollierte Wiederverwendung und Autosar, Elektromobilität und Kompetenzen, die Vernetzung, Sicherheit und Qualität sowie die modellbasierte Entwicklung und Architektur.

Kontrollierte Wiederverwendung und Autosar

Wiederverwendung ist angesichts der hohen Innovationsgeschwindigkeit und Variantenvielfalt im globalen Geschäft heute keine Kür mehr, sondern Pflicht. Doch sie erfolgt nach wie vor eher ad-hoc und nicht geplant. Wiederverwendung beginnt ganz vorne bei der Produktstrategie, im Roadmapping und in der Abstimmung von Anforderungen.

Bild 2: Anzahl Steuergeräte im Fahrzeug (obere Linie) und deren Stromverbrauch (untere Linie).Vector Consulting Services GmbH

Mit der zunehmenden Verbreitung von  Autosar setzen sich definierte Schnittstellen und Beschreibungssprachen  schrittweise durch. Die sich entwickelnde Autosar-Spezifikation muss allerdings varianten- und versionsübergreifend unterstützt werden, was derzeit zu wachsender Komplexität bei OEMs und Zuliefern führt. Autosar-Austauschformate kommen nicht flächendeckend zum Einsatz. Ebenso steckt der Austausch oder die Beistellung von Software-Komponenten auf der Anwendungsebene, die nach dem Autosar-Standard entwickelt wurden, noch in den Kinderschuhen.

Der Grund liegt zum einen auf Seiten der Fahrzeughersteller oft in der fehlenden Infrastruktur, mit der die Daten verwaltet und erzeugt werden können. Zum anderen befinden sich die zur weiteren Verarbeitung erforderlichen Werkzeugketten noch nicht lange am Markt oder sind teilweise noch im Entwicklungsstadium. Der Aufbau einer auf Autosar ausgerichteten Infrastruktur und Werkzeuglandschaft ist jedoch die Voraussetzung für die flächendeckende Verbreitung des Autosar-Standards in diesem Bereich.

Die Prinzipien des Product Line Engineering (PLE), mit denen Produktplattformen am Marktbedarf ausgerichtet und ein hohes Maß an Wiederverwendung einzelner Komponenten erreicht wird, kommen schrittweise für die so genannte Baukastenentwicklung zum Einsatz. Häufig werden in der Praxis nur magere 20 bis 30 Prozent Wiederverwendung erreicht, so die Erfahrungen von Vector Consulting Services. Oftmals behindern organisch gewachsene Produktarchitekturen, unpassende Organisationsformen sowie ein schwaches Produktmanagement die Umsetzung. Doch wer die bekannten und reifen PLE-Prinzipien verinnerlicht, lässt die Wettbewerber hinter sich: Signifikante Einsparung von Entwicklungs- und Testkosten, höhere Qualität sowie höhere Stückzahlen beim Einkauf von Bauteilen machen das Effizienzpotenzial deutlich.

Elektromobilität und Kompetenzen

Der Elektromotor ist der Verbrennungsmaschine in Wirkungsgrad und Drehmomentverlauf überlegen, so dass sein Einsatz gepaart mit Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen technisch und ökologisch sinnvoll ist. Allerdings sind für einen breiten Einsatz im Bereich der Energiespeicherung noch erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig.

Zukünftige Batterietechnologien werden die Situation verbessern. Jedoch sind bei der Batterie keine sprunghaften Änderungen zu erwarten. Das erklärt die Entwicklung von Fahrzeugen mit Range-Extendern und Hybridantrieben, die das Beste aus beiden Welten verbinden. Die Nachteile sind höhere Komplexität und wachsende Kosten.

Die Elektrifizierung des Antriebstrangs bringt auch neue Anforderungen an die Kompetenzen in den Entwicklungsabteilungen mit sich. Beispiele sind die Umsetzung von gemischten Spannungssystemen im Hochvolt- und Niedervoltbereich, die Anforderungen an die Sicherheit des Fahrzeugs insbesondere bei der Wartung und nach Unfällen sowie die Vernetzung von Fahrzeug und Ladeinfrastruktur der Energieversorgungsunternehmen. Der ­Ausbau dieser Kompetenzen ist essenziell für den zukünftigen Markterfolg des einzelnen Unternehmens im Bereich der Elektromobilität.

Vernetzung

Neben den etablierten Bussystemen wie CAN, LIN und Flexray dient auch das Ethernet zur Vernetzung im Fahrzeug, aktuell beispielsweise bei hohen Datenraten in Kamerasystemen, Infotainment etc. Ein auf den automobilen Einsatz ausgerichteter Physical-Layer ist vorgesehen, mit dem sich weitere Anwendungsgebiete erschließen lassen. Zum Einsatz kommen soll ein 100-Mbit-Vollduplex-Ethernet, das über eine ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitung betrieben werden kann. Diese Lösung ist im Vergleich zu MOST wesentlich kostengünstiger in der Verkabelung, besitzt im Vergleich zu Flexray eine höhere Bandbreite und ist von der Software-Seite aus einfacher zu bedienen.

Als potenzielle Applikationen sind die Vernetzung von Kameras und Sensoren mit hohen Datenraten, ein Multi-Media-Bus oder ein Backbone mit hoher Bandbreite vorstellbar. Hier gilt es, dem Technologietrend zu folgen, um nicht den Anschluss zu verlieren. Das im Ethernet verwendete Internet-Protokoll erlaubt die einfache Anbindung der Fahrzeugelektronik an Geräte der Unterhaltungselektronik und an das Internet. Damit sind neue Assistenzlösungen und zunehmend autonomes Fahren vorstellbar. Derzeit entwickeln beispielsweise Flottenbetreiber neue Geschäftsmodelle. Allerdings wird dadurch die bisher determinierte Welt der proprietären Systeme verlassen – und OEMs und Zulieferer müssen sich schnell darauf einstellen.

Mit zunehmend offenen Schnittstellen für USB, Handy und Consumer-Geräte sowie der Nutzung von Ethernet und Car2X-Kommunikation steigen die Anforderungen an die Informationssicherheit. Funktionale Sicherheit braucht Informationssicherheit und damit auch durchgängige Konzepte zur Abhärtung sowie für Test und Nachweisbarkeit. Vector-Werkzeuge zum Design und für den Test der Vernetzung sowie die Beratungsdienstleistungen von Vector unterstützen OEMs und Zulieferer weltweit bei diesem Übergang zu sicheren Vernetzungskonzepten.

Sicherheit und Qualität

In einem Punkt sind sich die Kunden einig: Qualität ist für die heimische Industrie überlebensnotwendig. Der Wettbewerb aus Niedriglohnländern wächst, aber wer sich auf einen Preiskampf auf Kosten der Qualität einlässt, wird vom  Markt verschwinden. Branchenübergreifend wachsen die Ansprüche an Funktionssicherheit, Verfügbarkeit, Benutzbarkeit und Informationssicherheit. Dazu sind qualitätssichernde Maßnahmen in der Entwicklung umzusetzen und die Einhaltung von Normen und Standards nachzuweisen.

Bild 3: Durchgängige Architekturmodellierung am Beispiel PREEvision.Vector Consulting Services GmbH

Mit der Verabschiedung des Standards ISO 26262 zur funktionalen Sicherheit ist eine weitere Richtlinie geschaffen, die als Stand der Technik in entsprechenden Entwicklungen zur Anwendung kommen muss. Doch welche Maßnahmen sind gleichermaßen wirksam und kostengünstig? Wie lassen sich neue Normen wie ISO 26262 schlank umsetzen? Funktionale Sicherheit bietet die Chance zur grundlegenden Verbesserung der Entwicklungsprozesse.

Vector Consulting Services hat bei den meisten Kunden Kosteneinspar-Potenziale in der Qualitätskontrolle und -sicherung von fünf bis zehn Prozent der Entwicklungskosten identifiziert, beispielsweise mit mehr Durchgängigkeit und einer systematischen Teststrategie. Durch Einführung eines „Engineering Data Backbones“ lassen sich der Standardentwicklungsprozess und die Verwaltung der Entwicklungsergebnisse zum Beispiel so gestalten, dass die Aufbereitung notwendiger Informationen für die speziellen Analysen verhältnismäßig geringen zusätzlichen Aufwand erfordert.

Modellbasierte Entwicklung und Architektur

Die Entwicklung von neuen Elektronik-Architekturen erfordert aufgrund der in den letzten Jahren stetig steigenden Funktionalität und Komplexität den Einsatz von effizienten Methoden und geeigneten Entwicklungswerkzeugen. Ohne durchgängige modellbasierte Methoden und Tools läuft in der Entwicklung bis in zwei, drei Jahren nichts mehr. Das wiederum erfordert eine durchgängige Systemmodellierung, die hierarchisch Funktionen, Architektur, Umsetzung und Abhängigkeiten darstellt (Bild 3). Nur durch eine weitere Optimierung der Elektronik-Architekturen wird es möglich sein, zukünftig wettbewerbsfähige Fahrzeuge zu entwickeln.

Entscheidend im Entwicklungsprozess ist die frühzeitige Analyse von Architekturkennzeichen wie Sicherheit, Performanz, Wiederverwendbarkeit, Änderbarkeit, sowie der Systemkosten. Eine große wirtschaftliche Bedeutung hat außerdem die Nutzbarkeit einer E/E-Architektur für eine Produktlinienentwicklung mit effizientem Variantenmanagement. Aktuelle Baukastenkonzepte zielen in diese Richtung.

Das Arbeiten auf höherer Abstraktionsebene und die Automatisierung vieler Tätigkeiten werden Produktivität und Qualität positiv beeinflussen. Die von Vector Consulting Services befragten Unternehmen sind sich bei den Zielen einig: Komplexität beherrschen sowie Funktionen in verschiedenen Varianten und Versionen geplant wiederzuverwenden, um damit Kosten zu sparen, die Produktqualität zu verbessern und die Entwicklungszeit zu verkürzen. Agile Entwicklungstechniken werden zunehmend genutzt und müssen mit den Anforderungen nach hoher Qualität kombiniert werden.

Als größtes Hindernis sehen sie die Lernkurve und Durchgängigkeit. Systems-Engineering fristet nach wie vor ein Schattendasein und ist von der Anwendungsentwicklung zu stark abgekoppelt. Roadmaps werden nur für Teilsysteme erstellt, und Varianten schaffen nach wie vor eine überwältigende Komplexität. Der Business-Case ist dabei klar: Mit einem Modellierungsgrad ab 30 % sinken Fehlerraten und Entwicklungskosten in signifikantem Umfang.

Fazit

Elektronik, Software und IT sind die wesentlichen Innovationstreiber im Fahrzeug. Die Produkte und Lösungen müssen zunehmenden Qualitätsanforderungen genügen, aber auch kosteneffizient entwickelt werden, leicht anpassbar sein und die Vorteile moderner Plattformen effektiv ausnutzen. Gleichzeitig drängen ständig neue Mitbewerber mit neuen Lösungen auf den Markt, und die Technologielandschaft wird zunehmend unübersichtlich.  Unternehmen, die in dieser Periode des Umbruchs und Wachstums stagnieren, werden zurückfallen. Schnell, wirksam und trotzdem flexibel zu agieren ist daher eine klare Priorität für Entwicklungs-Teams und Business-Units.  Die Fokussierung auf die fünf von Vector Consulting Services herausgearbeiteten Trends liefert einen wesentlichen Beitrag zum zukünftigen Erfolg.

(av)