Fortschritt und Entwicklung von Verbindungstechnologien

Jedes moderne Auto steckt voller Elektronik. Immer beliebter werdende Ausstattungsmerkmale – wie das Fahrzeug-Infotainment, der integrierte Smartphone-Anschluss oder moderne Navigations- und Fahrerassistenzsysteme – schrauben die Anforderungen an Bandbreite und Konnektivität immer weiter nach oben.

Marke gegen Luxus

Noch vor zehn Jahren machten die Kosten für die Elektronik im Auto im Durchschnitt etwa 20 % der Gesamtfertigungskosten eines Fahrzeugs aus. Inzwischen ist dieser Anteil auf 30 bis 35 % gestiegen, in manchen Fällen sogar noch mehr. Kfz-Hersteller wissen, wie wichtig die Elektronik ist, um sich einerseits vom Wettbewerb zu differenzieren und andererseits auf Kundenbedürfnisse einzugehen. Denn mittlerweile erwarten die Autokäufer hochwertige Infotainment- sowie Sicherheits- und sonstige Funktionen als Teil der Standardausstattung eines Fahrzeuges. Eine im Consumer Reports veröffentlichte Studie stellte fest, dass die Markentreue beim Konsumenten nicht mehr so gewichtig ist, wie mittlerweile die serienmäßige Luxusausstattung. Autofahrern von heute ist Luxus also wichtiger, als die Marke an sich. Einen immer größer werdenden Einfluss auf die Kaufentscheidung haben Zuverlässigkeit und Bedienerfreundlichkeit eines Systems. Zu komplizierte Infotainment-Systeme waren 2014 die von Fahrzeugbesitzern am häufigsten genannten Negativfaktoren.

Entsprechend der Veränderung des Kaufverhaltens und der steigenden Erwartungshaltung der Kunden passen die Autohersteller die Elektronik an und entwickeln neue Technologien. Konventionelle Verdrahtungstechnologien mit Anschlussklemmen, Drähten, Crimp- und Steckverbindungen, Dichtungen oder Kabelbaummontagen können sehr umständlich sein und Gewicht, Kosten und Komplexität eines Fahrzeugs in die Höhe treiben, ohne dass sie eine entsprechende Wertsteigerung erreichen. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Kfz-Steckverbinder und Kabel tragen zur Vereinfachung von Designs im Zeitalter des digitalen Fahrzeugs bei. Neue Stecker-Technologien sparen Platz und senken die Gesamtkosten moderner Kfz-Elektronik.

Bild 1: Die fünf Ebenen der Weiterentwicklung in der Verbindungstechnologie im digitalen Zeitalter.Molex

Die Ebenen der automobilen Weiterentwicklung

Im Automobilbau gibt es in der Entwicklung der Steckverbindertechnologien fünf ausgeprägte Ebenen (Bild 1). Jede dieser Ebenen beinhaltet spezielle Herausforderungen und Probleme im Hinblick auf konventionellere Verbindungslösungen vergangener Technologiegenerationen. Die erste Ebene ist das traditionelle Crimp-and-Poke-Verfahren. Steckverbinderlösungen mit und ohne Dichtungen unterstützen die Übertragung von Signalen und Spannungen. Eine Reihe von Anschlusskontakten mit Stiftgrößen von 0,50 mm, 0,64 mm, 1,2 mm, 1,5 mm und 2,8 mm ermöglichen es, unterschiedliche Anforderungen von Herstellern und Anwendungen zu erfüllen. Codierungsmöglichkeiten, Kontaktpositionssicherung (TPA) und Gehäuseverriegelung (CPA) mit sekundären Verriegelungen sorgen für einen sicheren Halt.

Im Laufe der Zeit musste die interne Vernetzung im Fahrzeug immer höhere Bandbreiten bereitstellen. Daher setzten die Hersteller von CAN, Flexray, MOST-Bus, Ethernet und andere Technologien auf immer schnellere Netzwerke. Die dazu nötigen Twisted-Pair-Kabel brachten aber neue Komplexität für Investitionen und Infrastruktur im Bereich Stecker und Kabelbaum mit sich.

Twisted-Pair-Technologie

Während sie in der Anfangsphase nur die angeschlossenen Drähte verdrillten, verbesserten die Hersteller ihre Prozesse und gingen über auf hochautomatisierte Ausrüstung, die eine präzise Verdrillung und Platzierung von Spleissverbindungen entlang des Kabels ermöglichte. Obwohl sie damit die Twisted-Pair-Technologie erheblich verbesserten, konnten sie die Leistungsfähigkeit nur um eine Ebene steigern. Twisted-Pair-Technologien waren im Wesentlichen eine Kombination der gleichen Kabel- und Verbindungssysteme, wie sie auf der ersten Ebene zum Einsatz kamen.

Mit geschirmten Kabeln lassen sich einige Probleme der vierten Ebene addressieren. Das ursprünglich für AM/FM-Antennenanwendungen entwickelte Koax-Kabel steht auf dieser Ebene im Mittelpunkt. Heutzutage haben geschirmte Twisted-Pair-Drähte eine besondere Bedeutung erlangt, und zwar für die differentielle Signalübertragung in der USB-Technologie. USB ist die über Ladesysteme hinaus inzwischen zu einer wichtigen Schnittstelle für die Interaktion zwischen elektronischen Geräten und Fahrzeug geworden. Es bot die benötigten Datenpfade für die Übertragung von gespeicherten Audio-Dateien, Hörbüchern und sonstigen Formen des mobilen Entertainments für Fahrer und Fahrgäste. Als bisher schnellster Datenbus für Fahrzeuge ermöglichte USB Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 480 MBit/s. Dazu war eine Abschirmung nötig, die traditionelle Stecker der ersten Ebene aber nicht leisteten.

Serdes-Technologie

Noch während USB im Infotainment für Aufsehen sorgte, schaffte die Serdes-Technologie (Serializer/Deserializer) ihren Durchbruch in der Automobiltechnik. Die üblicherweise in PCs und Verbraucherelektronik eingesetzte Konsolidierung der RGB-Drähte (Rot, Grün, Blau) ermöglichte verbesserte Konsolenanzeigen für integrierte GPS-Navigation sowie verbesserte Video-Entertainment-Funktionalität für die Fahrgäste auf dem Rücksitz.

Bild 2: Hier zu sehen ist der HS-Auto-Link-Steckverbinder von Molex.Molex

Anschlüsse mit geschirmten Twisted-Pair-Verbindungen ermöglichten höher aufgelöste Stack-Displays, Rückfahrkameras, digitale Kombiinstrumente, Head-Up-Displays und Zugang zu erweiterten Komfortfunktionen eines Customer Convenience Port (CCP) über digitale Media-Hubs für leistungsstarke Audio- und Video-Funktionen. Die Anzahl der Adern von geschirmten Twisted-Pair-Verbindungen lässt sich für Kfz-Steckverbinder mit höheren Pinzahlen erhöhen. Mit einer besseren Schirmung und zusätzlichen Pins erfüllen zum Beispiel die robusten fünfpoligen HS-Autolink-Komponenten von Molex auch strenge mechanische Anforderungen im Automobilbau. Das USCAR-30-konforme System unterstützt USB-2.0-Anforderungen für eine OEM-Systemzertifizierung.

Früher oder später werden Kupfer- und Schirmungskosten bei konventionellen Kabelbäumen zu einem grundlegenden Hindernis. Der Übergang auf optische Systeme auf der 5. Ebene ist jedoch ein technologischer Schritt, der gut bedacht werden will. Manche Entwickler in der Branche favorisieren polymere optische Fasern (POF), was zwar Kosten und Komplexität steigert, aber die technologische Kluft zwischen konventionellen Kupferprodukten und Faseroptik überwindet. Künftige Technologien werden unter Umständen auf POF-Lösungen und weiteren Fortschritten aufbauen und neue Möglichkeiten für optische Fasern und Transceiver eröffnen.

Digitale Inhalte im Fahrzeug steigen weiter

Nichts deutet derzeit darauf hin, dass sich das Wachstum der digitalen Inhalte im Fahrzeug verlangsamt oder dass sich der Trend gar umkehrt. Eine nicht definierte dritte Ebene zeigt die Branche in einem Zustand des technologischen Umbruchs. In hohem Maße gemanagte Twisted-Pair-Verbindungen legen nahe, dass frühere Verfahren nicht ausreichend sind, um die Anforderungen von Verbindungssegmenten mit höheren Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Das nachträgliche Verdrillen von Aderpaaren bringt ungleichmäßige Verdrillungen ein, die bei Systemen der zweiten Ebene nicht geduldet werden können. Verbesserungen an vorverdrillten Drähten mit Kabelschirmung treiben unter Umständen Kosten und Komplexität für Kfz-Verbindungssysteme in die Höhe. Eine durchgängige Lösung mit Glasfaser, Kabel und Steckverbinder würde kostenaufwendige Schirmungen vermeiden, erfordert allerdings einen Abgleich um die physikalischen und elektrischen Anforderungen zu erfüllen. Organisationen wie die IEEE und andere Branchenorganisationen beschäftigen sich derzeit mit der Entwicklung von Ethernet-Standards, die möglicherweise den optimalen Weg für eine künftige Weiterentwicklung aufzeigen.

(jck)