Bild 1: Entwurf des Steuergerätenetzwerks in PREEvision.

Bild 1: Entwurf des Steuergerätenetzwerks in PREEvision. Vector Informatik

Der Entwurf und die Optimierung moderner Elektrik-/Elektronik-Architekturen ist heute mehr denn je eine Aufgabe für Spezialisten. Sie müssen zahlreiche Entwurfskriterien berücksichtigen und sich mit neuen Anforderungen und Trends auseinandersetzen. Dazu gehören etwa die Einführung von Domänenrechnern, der Einsatz von Ethernet zur Onboard-Kommunikation, die Verwendung von Connectivity-Gateways und nicht zuletzt auch steigende Sicherheitsanforderungen im Sinne von funktionaler Sicherheit und Informationssicherheit. Um diese komplexen Aufgaben zu meistern, sind modellbasierte Entwicklungswerkzeuge wie PREEvision mit vielfältigen Engineering-Funktionen nötig.

Viele Funktionen, die vom Elektrik/Elektronik-System (E/E) moderner Fahrzeuge bereitgestellt werden, können nach wie vor den klassischen Domänen Antriebsstrang, Fahrwerk, Karosserie oder Multi-Media zugeordnet werden. Durch das Vordringen neuer Technologien in das Fahrzeug gewinnen Domänen wie Fahrerassistenz und Konnektivität (Car2x/V2x) jedoch massiv an Bedeutung: Hier entstehen völlig neue Funktionen, die nicht mehr nur auf das Fahrzeug beschränkt sind, sondern auch im „Backend“ außerhalb des Fahrzeugs bereitgestellt werden. Ein derartig komplexes Funktions- und Steuergerätenetzwerk lässt sich wesentlich einfacher beherrschen, wenn bereits im Entwurfsstadium fundierte Designentscheidungen getroffen werden können (Bild 1).

Komplexe Netzwerke in den Griff bekommen

Bild 2: Optimierungsziele einer E/E-Architektur.

Bild 2: Optimierungsziele einer E/E-Architektur. Vector Informatik

Die meisten E/E-Funktionen sind Steuerungs-, Regelungs-, Überwachungs- und Diagnosefunktionen. Sie interagieren mit den mechanischen Fahrzeugkomponenten über Sensoren und Aktuatoren. Da die Sensoren und Aktuatoren an verschiedenen geometrischen Orten im Fahrzeug installiert sind, sind E/E-Systeme natürlicherweise geometrisch verteilte Systeme. Viele Funktionen sind innerhalb einer Domäne, aber auch über Domänengrenzen hinweg miteinander vernetzt.

Besonders die Fahrerassistenzfunktionen sind mit den Funktionen der Antriebs-, Lenkungs- und Bremssysteme eng verknüpft. Deshalb stellt die Verteilung und Zuordnung der Funktionen auf das Steuergerätenetzwerk einen großen Freiheitsgrad beim Entwurf dar – und ist damit eine wichtige Designentscheidung. Nahezu alle Bewertungskriterien einer E/E-Architektur werden durch den Entwurf des Steuergerätenetzwerks und durch die Zuordnung der Funktionen zu den Steuergeräten direkt oder indirekt beeinflusst.

Die sich daraus ergebenden Anforderungen an den Leitungssatz oder die Onboard-Kommunikation sind wichtige Kriterien, die bereits frühzeitig im Entwurfsprozess zu berücksichtigen sind. Und es gibt viele weitere: Zum einen müssen die Designkriterien um Offboard-Kommunikationsanforderungen erweitert werden. Zum anderen liefern Fahrerassistenzsysteme mit Kameras und Radarsensoren ein Umgebungsmodell des Fahrzeugs. Hier wird zunehmend Ethernet-Technologie eingesetzt, um die nötigen Übertragungsleistungen in der Onboard-Kommunikation zu realisieren. Etabliert sich Ethernet wie erwartet als zukünftiger Standard, der mit CAN, LIN und Flexray kombiniert eingesetzt wird, ergeben sich enorme technische Konsequenzen für die E/E-Architektur: Die Vernetzung ist nicht mehr auf das Fahrzeug beschränkt, sondern schließt auch außerhalb des Fahrzeugs bereitgestellte Funktionen ein. Dies wiederum wird zu steigenden Security-Anforderungen an die E/E-Architektur führen, denn das Fahrzeug ist drahtlos „over the air“ mit Kommunikationsteilnehmern und Diensten verbunden.

Der Trend zum automatisierten Fahren, der steigende Safety-Anforderungen nach sich zieht, ist eine weitere Herausforderung. Ebenso die wachsende Anzahl von Fahrzeugvarianten und die damit verbundene Zunahme der Bedeutung von Produktlinien-, Varianten- und Plattformansätzen. Und auch die weithin akzeptierte Plattform Autosar für die klassischen Domänen unterliegt dem Wandel: Für die neuen Domänen wird aktuell die Autosar Adaptive Platform diskutiert.

Die am besten geeignete E/E-Architektur finden

Bild 3: Leitungssatzdesign in PREEvision.

Bild 3: Leitungssatzdesign in PREEvision. Vector Informatik

Wie lassen sich alle diese Aspekte beim Architekturentwurf zusammenführen? Wie kann die dafür am besten geeignete E/E-Architektur definiert werden? Offensichtlich ist, dass das komplette System betrachtet werden muss – nur einen Teil davon zu entwerfen und zu optimieren, führt auch nur zu einem lokalen Optimum. Außerdem muss die Machbarkeit neuer Konzepte frühzeitig bewertet werden, um Risiken in der späteren Serienentwicklung zu reduzieren. Und zuletzt müssen auch die Optimierungsziele einer „guten“ Architektur definiert sein (Bild 2).

Da sind zunächst die von den Zielen des Gesamtfahrzeugs abgeleiteten „harten“ Ziele, wie Kostenschranken, Gewichtsvorgaben, Bauraum- und Geometrievorgaben und maximal zulässige elektrische Verbrauchswerte. Diese Ziele beeinflussen die Hardware-Komponenten der E/E-Architektur sowie den Leitungssatz (Bild 3). Die Architekturoptimierung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es gibt eine weitere Gruppe von Zielen, die von den implementierten Fahrzeugfunktionen abgeleitet werden. Darunter fallen Echtzeitanforderungen an Busse und Steuergeräte und alle Diagnose- und Serviceanforderungen. Auch Buslastbeschränkungen sowie Safety- und Security-Anforderungen zählen dazu. Schließlich werden E/E-Architekturen nicht nur für ein einzelnes Fahrzeug entworfen – vielmehr muss ein Portfolio von Fahrzeugen, Fahrzeugvarianten und Fahrzeugoptionen durch eine E/E-Architektur unterstützt werden. Die dafür nötige, weitere Zielkategorie der Produktlinienanforderungen berücksichtigt deshalb:

  • Varianten und Optionen,
  • erwartete Stückzahlen und Ausstattungsraten,
  • funktionsorientierte Dekomposition oder komponentenorientierte Wiederverwendung und
  • Baukästen mit dedizierten Verwendungsstrategien für Komponenten und Subsysteme.

Hier ist die Lösung immer ein Kompromiss zwischen zwei Extremen: Auf der einen Seite stehen spezielle E/E-Komponenten für eine bestimmte Variante mit geringen Produktionsstückzahlen. Dem gegenüber stehen generelle E/E-Komponenten für mehrere Varianten mit hohen Produktionsstückzahlen, aber entsprechenden Zusatzkosten für gegebenenfalls nicht benötigte Funktionalität. Die Festlegung der „besten“ E/E-Architektur ist daher ein nicht-triviales, mehrdimensionales Optimierungsproblem.

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