(Bild: Alfred Vollmer)
Herr Schäfer, wie laufen die Geschäfte bei Aptiv?
Christian Schäfer: Die Geschäfte laufen gut. Wir haben seit letztem Jahr ungefähr 300 neue Mitarbeiter allein an unserem europäischen Headquarter in Wuppertal eingestellt. Durch den Wandel von Delphi zu Aptiv haben wir uns als Systemanbieter noch stärker auf Architekturen konzentriert. Da sind wir eines der ganz wenigen Unternehmen am Markt, wenn nicht gar die einzigen, die wirklich von den Steckverbindern über den Leitungssatz, die Steuergeräte, die Server, die Software bis hin zur Cloud-Connectivity ein Systemverständnis haben und dieses bei der Entwicklung der einzelnen Komponenten nutzen. In den Gesprächen mit den Automobilherstellern merken wir, dass dieser Ansatz, eine Architektur ganzheitlich zu entwickeln, genau deren Anforderungen entspricht.
Bereits seit über zwei Jahren beschäftigen wir uns mit diesem holistischen Ansatz, den wir Smart Vehicle Architecture nennen – und zwar aus zwei Motivationsgründen heraus. Zum einen wird das Bordnetz immer komplexer und immer schwerer; in punkto Komplexität sind wir mittlerweile an einem Punkt, an dem wir mit dem bisher verfolgten, evolutionären Ansatz nicht mehr weiterkommen. Parallel dazu wird der Softwareanteil immer größer, sodass wir Hardware und Software voneinander abstrahieren müssen.
Christian Schäfer (Aptiv): „Wir arbeiten bei der Architektur wirklich in alle Richtungen; da bleibt kein Stein mehr auf dem anderen.“ Alfred Vollmer
Was ist das smarte in der Smart Vehicle Architecture?
Christian Schäfer: Das Smarte daran ist, dass wir einen revolutionären Ansatz gewählt haben, der eben die gerade angesprochenen Probleme löst. Bisher verlief alles evolutionär, indem immer neue Funktion hinzukamen, und dann wurden diese Funktionen in andere Steuergeräte aufintegriert, was zu immer komplexeren Body-Computern führte. Heute sind wir trotz dieser partiellen Aufintegration bei über 100 Steuergeräten in einem Premium-Fahrzeug. Wenn jetzt auch noch die ganze Sensorik beziehungsweise Aktuatorik für das automatisierte Fahren hinzukommt und ab Level 3 dann sowohl bei der Energieversorgung als auch bei der Datentopologie noch eine Redundanz erforderlich ist, können wir das nicht einfach verdoppeln; das geht schon allein aus Kostengründen nicht; aber auch in punkto Masse und Bauraum ist die Verdopplung nicht möglich. Früher wurden die Autos immer größer, ein klassisches Beispiel dafür liefert ein Blick auf die Evolution des Volkswagen Golf vom Golf 1 bis zum Golf 7. Nun ist aufgrund des Verkehrsraums eine signifikante Vergrößerung der Fahrzeuge nicht mehr zu erwarten. Weil ein evolutionärer Ansatz nicht funktioniert, benötigen wir ab Level 3 einen revolutionären Ansatz. Schon heute ist das Bordnetz nach Chassis und Verbrennungsmotor das drittteuerste Teil im Fahrzeug, obwohl wir zur Fertigung – insbesondere beim Leitungssatz – immer weiter in die Best-Cost-Countries gegangen sind.
Bisher ist die Bordnetzfertigung nur etwa zu 5 % automatisiert, aber die Smart Vehicle Architecture wollen wir so designen, dass ein deutlich größerer Automatisierungsgrad in der Leitungssatzfertigung möglich ist.
Welchen Ansatz verfolgen Sie bei der Smart Vehicle Architecture?
Christian Schäfer: Wir haben einen zonalen Ansatz, bei dem in einem Fahrzeug vier Power Data Center an den Ecken des Fahrzeugs beziehungsweise bei besser ausgestatteten Fahrzeugen zusätzlich noch zwei im Bereich der B-Säule vorhanden sind. Diese kurz PDC genannten zonalen Steuergeräte versorgen alle Sensoren und Aktuatoren in der Nachbarschaft mit Energie sowie mit einem zentralen Datenanschluss. Die PDCs selbst sind über eine Ringarchitektur miteinander verbunden. Dadurch bekommt jedes Element Energie – selbst wenn ein Segment defekt ist. Das ist in mehrerlei Hinsicht günstiger als eine ansonsten erforderliche Doppelsterntopologie. So lässt sich der große Hauptleitungssatz, der heute teilweise 2.500 Leitungen enthält, in kleinere Zonen aufteilen. Wenn die maximale Leitungslänge dieser Zonen ungefähr unter 2,5 m maximaler Leitungslänge bleibt, lässt sich alles deutlich besser automatisieren. Der Ansatz besteht somit darin, 2025+ möglichst viel automatisch zu fertigen, teilweise auch schon mit der Elektronik vorzukonfektionieren, so dass wir komplette Segmente haben, die dann auch der OEM schon vorgefertigt in sein Chassis legen kann, um damit deutlich Manpower zu sparen: bei uns in der Fertigung genauso wie auch beim Automobilhersteller.
Wie sieht das konkret aus?
Christian Schäfer: Prinzipiell bieten sich zwei Lösungen an: Der erste Ansatz nutzt einen Standardkabelsatz sowie bei Bedarf zusätzliche Add-Ons als Overlay-Leitungssatz. Der zweite Ansatz nutzt eine Backbone-Architektur, bei der auch Flach- und Aluminiumleiter zum Einsatz kommen können, die ebenfalls die Versorgung der PDCs übernimmt. Von da aus gibt es individuelle, von der maximalen Ausdehnung begrenzte Leitungssätze für die Zonen.
Hauptsächlich die europäischen OEMs setzen derzeit auf den KSK, also den kundenspezifischen Kabelbaum, bei dem für jedes Fahrzeug, für jede Bestellung individuell der Leitungssatz gefertigt wird, aber es kann auch durchaus sein, dass man davon abgeht.
Welche neuen Fertigungsverfahren werden wir dabei sehen?
Christian Schäfer: Ganz neu kommen da additive Fertigungsverfahren, also 3D-Druck, ins Spiel, wo bei Aptiv bereits Vorentwicklungsprojekte für das Bordnetz laufen, oder auch die Renaissance von Technologien in Verbindung mit entsprechenden Neuerungen, die aufgrund des KSKs bislang nicht praktikabel waren.
Wie steht es um das Thema Daten beim Power Data Center?
Christian Schäfer: Ein Power Data Center ist kein Standard Smart Electrical Center, über das wir mit den Kunden seit zehn Jahren sprechen und bei dem Halbleiter die Schmelzsicherung sowie die Relais ersetzen. Letzteres hat sich aber bislang nicht durchgesetzt, weil FETs einfach viel teurer sind als Schmelzsicherungen. Außerdem war bisher die Not noch nicht groß genug, um die Einführung quasi zu erzwingen. Andererseits denken die Kunden auch oft in Silos.Wir haben einige Studien mit OEMs durchgeführt und ihnen vorgerechnet, dass Smart Electrical Centers sich rechnen, weil sich Einsparungen beim Energiemanagement ergeben, weil Lasten sich viel besser kontrollieren lassen und die Diagnosefunktionalität hinzukommt.
Die Denkweise in Silos rührt daher, dass es jeweils einen eigenen Einkäufer für Stromverteiler, Steuergeräte, die Aktuatoren, den Leitungssatz etc. gibt. Diese Einkäufer betrachten stets nur ihren individuellen Bereich, aber wenige haben bisher die große Rechnung aufgemacht oder konnten damit zumindest nicht überzeugen. Auf Grund der funktionalen Sicherheit ist die Diagnose im Fahrzeug ab Level 3 aber zwingend notwendig, um bei Bedarf auf einen redundanten Pfad umschalten zu können. Smart Fusing wird von den meisten als Mittel der Wahl gesehen – und dann kann man die ganzen anderen Vorteile mitnutzen.
Weil sich die Sicherungskennlinien konfigurieren lassen, können die Leitungsquerschnitte dann deutlich kleiner ausfallen. Die Entwickler müssen somit nicht mehr wie bisher die Sicherung nach dem Anlaufstrom oder Lastspitzen auslegen, sondern sie passen diese dem typischen Verhalten des Verbrauchers an.
„Ohne OTA-Updates läuft in Zukunft gar nichts mehr, und deshalb ist auch das zentrale Gateway mit Firewall ... besonders wichtig.“ Alfred Vollmer
Im Centralized I/O des PDCs laufen die ganzen von den Sensoren kommenden Daten zusammen. Das PDC komprimiert sie gegebenenfalls verlustfrei und leitet sie an die zentralen Recheneinheiten weiter, von denen zwei Stück im Fahrzeug die AD-Funktionen und die User-Experience übernehmen. Hinzu kommt das zentrale Gateway inklusive Firewall als Schnittstelle zur Cloud und ein zentrales Steuergerät für den Bereich Powertrain.
Die Sensoren könnten Rohdaten verschicken, und die zentrale Vorverarbeitung dann im jeweiligen Power Data Center erfolgen. So lassen sich kostengünstige Satellitensensoren nutzen und die Datenvorverarbeitung gebündelt abarbeiten. Die Vorstufe hierzu ist eine Sattelitenarchitektur, zum Beispiel die von uns mitentwickelte zFAS-Architektur im Audi A8, wo die Datenverarbeitung in einem Modul erfolgt und nicht mehr in den Sensoren alleine.
Wie verändert sich dabei die Masse?
Christian Schäfer: Erste interne Studien zeigen, dass wir die Masse im Vergleich zur konventionellen Architektur um etwa 15 % senken können. Nur mit unserer gleichzeitigen Betrachtung der Elektronik und des Bordnetzes können wir diese Gewichtseinsparung erreichen. Die alte Denkweise, zuerst die Elektronik zu definieren und dann ein bis eineinhalb Jahre später das Bordnetz in die Entwicklung mit einzubeziehen, funktioniert nicht mehr. Jetzt ist ein ganzheitlicher Ansatz gefragt, denn nur so können wir signifikante Vorteile in punkto Kosten, Gewicht und Bauraum erzielen.
Wie unterstützt das Bordnetz die neue Software-Architektur?
Christian Schäfer: Ohne OTA-Updates läuft in Zukunft gar nichts mehr, und deshalb ist auch das zentrale Gateway mit der Firewall als Abgrenzung zur Außenwelt besonders wichtig. Durch die Abstrahierung der Entwicklung von HW und SW ist es das Ziel, die SW während des Betriebs des Fahrzeugs zu aktualisieren oder aber, zum Beispiel bei der Modellpflege, die Hardware durch eine leistungsfähigere zu ersetzen. Damit im letzten Fall und im Gegensatz zu heute nicht massive Anpassungen im Bordnetz notwendig sind, sollten möglichst wenige diskrete Daten- und Signalverbindungen exstieren, sondern die Daten gesammelt über eine Hochgeschwindigkeitsdatenleitung zwischen den Steuergeräten ausgetauscht werden.
Aptiv bietet eine End-to-End-Lösung, aber wie stellen Sie sicher, dass die OEMs dabei dennoch Hardware und Software verschiedener Anbieter einsetzen können?
Christian Schäfer Wir können die ganze Architektur entwickeln, und die OEMs sehen diesen Vorteil auch, aber wir gehen natürlich nicht davon aus, dass der OEM komplett alles an uns vergeben würde. Da wir das Gesamtkonzept erstellen, hoffen wir, einen möglichst großen Anteil des Fahrzeugs bekommen, aber diese Abstrahierung von Hardware und Software bietet ja gerade die Möglichkeiten, zum Beispiel Applikationssoftware anderer Partner einzusetzen.
Hardware wird schon fast eine Art Commodity; wie gehen Sie dabei mit den Schnittstellen um?
Christian Schäfer: Wir planen die Gründung einer Open Server Alliance, an der OEMs, Halbleiterzulieferer und einige Tier-1s sich beteiligen. Dort sollen derartige Standards festgelegt werden, aber bisher gibt es da noch keine Lösung. Erste Gespräche zur Open Server Alliance laufen bereits, aber der offizielle Starttermin steht noch nicht fest. Die Open Server Plattform soll eine Struktur schaffen, in der innerhalb eines Servers verschiedene virtuelle Maschinen existieren, in denen die einzelnen frei konfigurierbaren Applikationen parallel laufen.
Welche neuen Anforderungen ergeben sich denn auf Seiten der Halbleiter?
Christian Schäfer: Neben den schon erwähnten Leistungsschaltern mit konfigurierbarer Sicherungskennlinie benötigen wir für die Server Prozessoren mit deutlich höherer Leistungsfähigkeit, insbesondere, wenn Machine Learning und Deep Learning hinzukommen. Diese Prozessoren müssen darüber hinaus hohe Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllen.
Christian Schäfer (links, hier im Gespräch mit AUTOMOBIL-ELEKTRONIK-Chefredakteur Alfred Vollmer): „Die alte Denkweise, zuerst die Elektronik zu definieren und dann ein bis eineinhalb Jahre später das Bordnetz in die Entwicklung mit einzubeziehen, funktioniert nicht mehr. Jetzt ist ein ganzheitlicher Ansatz gefragt, denn nur so können wir signifikante Vorteile in punkto Kosten, Gewicht und Bauraum erzielen.“ Alfred Vollmer
Ein weiteres Problem, was bisher oft unterschätzt wurde, ist die heute noch sehr hohe Verlustleistung dieser Chips. Wir werden mit der derzeitigen Halbleitertechnologie um eine Wasserkühlung, die aus Gründen der funktionalen Sicherheit ebenfalls eine Rückfallebene haben muss, für die Server nicht umhinkommen. Die bislang in den angedachten Einbauorten nicht vorhandene Flüssigkeitskühlung kostet Geld und Bauraum. Insofern warten wir auf Technologien, die die nötige Rechenleistung bei deutlich weniger Abwärme erreichen.
Ein dritter Punkt ist die hohe Summe der Datenraten der notwendigen Sensorik, die aufgrund der zunehmenden Auflösung der einzelnen Sensoren immer weiter steigt. Bisher sind wir bei Testchips je nach Technologie im Bereich von 4 bis zu 10 GBit/s angelangt. Dies reicht bei Weitem nicht, um die in den Zonen gesammelten und unbearbeiteten Daten über eine Hochgeschwindigkeitsdatenleitung zu den Servern zu senden. Für den Rückfallpfad gilt ähnliches. Um also von den heute oft dedizierten Datenverbindungen zwischen einem Sensor und dem Verarbeitenden Steuergerät auf einen durchgängigen zonalen Ansatz zu wechseln, muss die Bandbreite noch erheblich steigen.
Wo wird die Technologie des automatisierten Fahrens denn zuerst installiert werden?
Christian Schäfer: Wahrscheinlich wird automatisiertes Fahren zunächst in People-Movern zum Einsatz kommen. Zu Beginn sind die Sensortechnologie und die Server zu teuer, als dass damit eine breite Markteinführung im Individualverkehr realisierbar wäre. Das Prinzip der austauschbaren Aufbauten auf einer Skateboard-Plattform, so wie wir es vor einigen Jahren bereits mit einigen Partnern in einem gemeinsamen Förderprojekt aufgebaut haben, scheint bei den OEMs auf großes Interesse zu stoßen. Wir sind bereits in recht konkreten Gesprächen für Pilotprojekte mit People-Movern.
Wie sieht der Zeitplan zur Einführung der neuen Architektur aus?
Christian Schäfer: Die Einführung der Smart Vehicle Architecture erfolgt in zwei Stufen. Etwa 2023/2024 planen wir die Power Data Center als Weiterentwicklung der heutigen Satellitenarchitektur einführen. Im nächsten Schritt folgt dann nach 2025 die Smart Vehicle Architecture mit den zentralen und Server-basierten Recheneinheiten.
Inwiefern ist es in diesem Zusammenhang denn von Vorteil, auch Steckverbinder im Programm zu haben?
Christian Schäfer: Wir haben das Know-how für die Steckverbinder und arbeiten auch an ganz neuen Lösungen. Derzeit laufen zum Beispiel viele Vorentwicklungsprojekte im Bereich additiver Fertigung, so dass wir keine Werkzeuge mehr benötigen, die entformbar sein müssen. Dadurch ergeben sich geometrisch ganz neue Möglichkeiten, die auch einen technologischen Mehrwert mit sich bringen. Desweiteren entwickeln wir komplett neue Bordnetzlösungen, wie beispielsweise ein Power-Data-Backbone für unsere Smart Vehicle Architecture. Mit unserem Steckverbinder-Know-how können wir hier gleich von Anfang an die passende Lösung mitentwickeln. Gerade bei Hybridsteckern, also Daten plus Power über eine Verbindung, ergeben sich viele Synergien – und zwar nicht nur in punkto Bauraum. Wir arbeiten bei der Architektur wirklich in alle Richtungen; da bleibt kein Stein mehr auf dem anderen.
Welche Trends sehen Sie im Bereich Elektrofahrzeuge?
Christian Schäfer: Der elektrische Antriebsstrang wird stärker integriert. So wandern die Inverter in den Antrieb mit hinein, und auch der AC-DC-Charger wird dort mit integriert. Essentiell sind für die breite Akzeptanz hohe Reichweiten, sehr kurze Ladezeiten und günstigerebeziehungsweise länger haltbare Batterien. Heute sind wir bei bis zu 800 V Batteriespannung und bis zu 135 kW Ladeleistung; 150 kW sind geplant. Inwieweit sich diese Werte weiter verändern, wird im Wesentlichen von der Batterietechnologe abhängen.
Welche Bedeutung hat der Automobil-Elektronik Kongress in Ludwigsburg für Sie?
Christian Schäfer: Das ist aus meiner Sicht einer der wichtigsten Kongresse weltweit, der für uns zum Standardrepertoire gehört. Das Netzwerken ist unvergleichlich, denn in Ludwigsburg trifft sich das Who is Who der Automobilbranche. Zudem ist die Qualität der Vorträge sehr hoch. Aus meiner Sicht gibt es bezüglich der Automobilelektronik weltweit keinen vergleichbaren Kongress.
