Welche Bedeutung das Ethernet für die Nutzfahrzeug-Branche hat

Das CAN-Bus-Protokoll stößt schnell an seine Grenzen, da im industriellen und gewerblichen Transportwesen die Anforderungen an die automatisierten Funktionen und an die Datenkonnektivität weiter zunehmen. Um bei den Megatrends mitzuhalten, die diese Anforderungen vorantreiben – zum Beispiel im Hinblick auf umweltfreundliche, sichere, vernetzte und produktive Fahrzeuge und Maschinen –, müssen sich die Konstrukteure nun überlegen, wie sie Ethernet-Systeme in ihre Entwicklungen integrieren, damit die Kundenanforderungen in naher und ferner Zukunft umfassend erfüllt werden können.

Branchenübergreifende Trends

Die Entwickler von Industrie- und Nutzfahrzeugen arbeiten an der nächsten Generation von Lkws, Bussen und Geländefahrzeugen, damit diese sicherer, umweltfreundlicher, vernetzter und produktiver werden. Um dies zu erreichen, werden automatisierte Funktionen eingesetzt, die bisher nur für Pkws entwickelt wurden, um die Produktivität zu steigern und die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) zu senken.

Für Anwendungen, bei denen Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und hohe Vibrationen gängig sind, sind die abgedichteten MCON-Ethernet-Steckverbinder geeignet. TE Connectivity

Bei den neuen Schwerlastfahrzeugen werden Fahrerassistenz-, Automatisierungs- und Infotainment-Funktionen zu Standardanforderungen, ebenso wie 360-Grad-Kamerasysteme, die Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V) beziehungsweise zwischen dem Fahrzeug und der Infrastruktur (V2I) sowie eine Vielzahl unerlässlicher Sicherheitsmerkmale. Derzeit befindet sich die Branche auf Stufe 2 – der Teilautomatisierung. Wir gehen davon aus, dass der Markt in vier bis fünf Jahren Stufe 4 der Automatisierung erreicht haben wird und dass die meisten Neufahrzeuge dann über einen hohen Automatisierungsgrad verfügen. Man wird die funktionale Sicherheit nicht nur in der Konstruktion, sondern auch als Teil des Entwicklungs- und Qualitätsmanagementprozesses integrieren müssen, um die ISO-Norm 26262 und zukünftige Standards zu erfüllen.

Die Nutzfahrzeuge der Zukunft werden mehr über ihre Umgebung und den Streckenverlauf wissen. Sie senden Feedback an eine Homebase, das analysiert und entsprechend genutzt werden kann, um die Leistung und Produktivität zu verbessern. Diese Technologien (wie auch die unten genannten) sorgen für mehr Fahrerzufriedenheit, eine erhöhte Produktivität und geringere Gesamtbetriebskosten der Fahrzeughalter; darüber hinaus liefern sie den Herstellern ein deutlich besseres Leistungsfeedback.

Die folgenden neuen Trends der nächsten Seite sind nur einige Beispiele, die am Markt zu beobachten sind.

Lkws und Busse

Für Lkws und Busse sind Sicherheit, Produktivität und Nachhaltigkeit im Betrieb drei Trends, die bei neuen Fahrzeugkonzepten zu berücksichtigen sind. Aufgrund toter Winkel für die Fahrer dieser Fahrzeuge kann es zu Unfällen mit Radfahrern, Fußgängern und anderen Fahrzeugen kommen. So wurden beispielsweise in Deutschland und weltweit Fußgänger oder Radfahrer wegen der toten Winkel von schweren Lastfahrzeugen beim Rechtsabbiegen erfasst. Bald könnte es in Deutschland und anderen Ländern verbindliche Regelungen geben, die in schweren Lastfahrzeugen Sensoren und Kameras vorschreiben, damit eine hochentwickelte Totwinkelerkennung sowie Alarmmeldungen solche Unfälle vermeiden helfen.

Telemetrie erleichtert die Online-Frachtdisposition und -Routenplanung und optimiert das Fahrverhalten, was zu mehr Sicherheit und Produktivität führt. Die vorausschauende Geschwindigkeitsregelung bestimmt je nach Straßenbedingungen die ideale Geschwindigkeit der Fahrzeuge. Dies spart Kraftstoff und gibt dem Fahrer ohne Unterbrechung mehr produktive Zeit auf der Straße. Durch die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation wird ein Fahrzeug-Platooning für mehrere Fahrer möglich: Das erhöht die Sicherheit und senkt den Kraftstoffverbrauch. Die Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation ist für neuartige Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance System, ADAS) und letztendlich für das vollständig autonome Fahren unerlässlich. Alle diese Funktionen sind auf ein Netzwerk von Sensoren und Datenverbindungen mit Hochgeschwindigkeit und geringer Latenz angewiesen.

Offroad-Bau- und Förderfahrzeuge

Offroad-Fahrzeuge haben aufgrund ihrer Größe und Form beim Rückwärtsfahren oder beim Fahren über Gräben, Löcher oder unebenes Gelände die meisten Unfälle beziehungsweise kippen am häufigsten dabei um. Die 360-Grad-Kamerasysteme von heute sind für den Fahrer eine wesentliche Hilfe, damit er in unterschiedlichem Gelände sicher manövrieren kann, was die Arbeitsplatzsicherheit erhöht. Unter dem Aspekt der Produktivität möchten Hersteller ihren Kunden mehr Technologien anbieten, mit deren Hilfe die Maschinen zuverlässig und effizient betrieben werden können. Die Herausforderung besteht in einer Optimierung der Konnektivität, sodass relevante Informationen aus der Umgebung in Echtzeit aufgenommen werden; gleichzeitig müssen die Systeme Schmutz, Chemikalien, Wasser, hohe Vibrationen und Temperaturschocks aushalten können. Mit fortschreitender technischer Entwicklung wird diese Datenkonnektivität bei Bau- und Bergbaumaschinen genutzt werden, sodass diese intelligenter und automatisierter werden und viele Bediener schließlich in die Lage versetzen, aus der Ferne und in völliger Sicherheit zu arbeiten.

Ein weiteres wertvolles Instrument, das in puncto Zuverlässigkeit, Produktivität und Kosten hilfreich ist, ist die präventive Diagnose. Aufgrund erweiterter Funktionen lässt sich vorhersagen, wann eine Komponente versagen könnte oder ersetzt werden muss, und zwar noch bevor das Fahrzeug oder die Maschine ausfällt. Dies ist bei Offroad-Baufahrzeugen und Landmaschinen besonders nützlich, bei denen eine plötzliche und anhaltende Arbeitsunterbrechung teuer werden könnte.

Landwirtschaftliche Fahrzeuge und Maschinen

Produktivität und Nachhaltigkeit sind in der Landwirtschaft zwei sehr wichtige Trends, insbesondere angesichts des Drucks auf die Landwirte, die Auswirkungen ihrer Arbeit auf lokale Ressourcen (wie Wasserversorgung und Luftqualität) zu minimieren. Aufgrund der Fortschritte bei der Konnektivität und Automatisierung von Landmaschinen werden Precision Farming und Smart Farming möglich und optimiert, wodurch man diesen zentralen Herausforderungen begegnen kann. So können beispielsweise die Behandlung von Unkraut und die Anwendung von Pestiziden präzisiert werden, damit die Landwirte eine möglichst hohe Ernte erzielen, ohne angrenzende Ländereien, Bauernhöfe oder die Trinkwasserversorgung zu beeinträchtigen.

Wenn man in die Zukunft denkt, können für landwirtschaftliche Maschinen Sensoren, Daten und Konnektivität genutzt werden, um Wetterverhältnisse zu verstehen und auf einem Feld Saatgut, Bewässerung, Pestizide und Ernte bis auf die letzte Sekunde und Pflanze anzupassen und zu berechnen. Die Hersteller von Landmaschinen müssen Fahrzeuge produzieren, die jede Pflanze auf dem Feld erkennen, identifizieren und für diese Managemententscheidungen treffen können, damit im Endeffekt die Kosten sinken und die Nachhaltigkeit verbessert wird.

Hochentwickelte Netzwerke sind gefragt

Alle diese Trends und Technologien erfordern eine hochentwickelte Netzwerkinfrastruktur, die den gestiegenen Datenanforderungen für die gesamte Kommunikation innerhalb eines Fahrzeugs, zwischen verschiedenen Fahrzeugen oder zwischen dem Fahrzeug und einem anderen Standort (beispielsweise einem Depot, einer Leitstelle oder sogar dem Hersteller) gerecht werden kann. Dieses Netzwerk muss Daten mit Hochgeschwindigkeit bei geringer Latenz übertragen und dabei unter rauen Umweltbedingungen arbeiten können. Bisher bildeten CAN-Bus-Architekturen das Rückgrat im Netzwerk eines Fahrzeugs. Konstrukteure suchen nach Wegen, um mehr automatisierte Sicherheits- und Produktivitätsfunktionen zu integrieren. Die für die erweiterten Fahrzeuganwendungen erforderliche Datenbandbreite ist zu groß, als dass sie nur von CAN-Systemen bedient werden könnte. Der Übergang zu Ethernet-Systemen hat begonnen. Zunächst findet er in Bereichen statt, in denen eine höhere Bandbreite und mehr Leistung nötig sind. Auf längere Sicht wird das CAN-Konzept ersetzt werden, da die Automatisierung einen immer höheren Stellenwert einnimmt und in das gesamte System mehr Leistung und Bandbreite integriert werden muss.

Derzeit handelt es sich bei den meisten Sensor- und Verbindungssystemen in Fahrzeugen mit Fahrerassistenzsystemen um dedizierte Systeme. Eine Funktion oder Anwendung (wie beispielsweise die adaptive Geschwindigkeitsregelung) verfügt über Sensoren für Radar/Lidar und Anschlüsse, die in eine elektronische Steuerung (Electronic Control Unit, ECU) einfließen. Da in diesen Fahrzeugen die automatisierten Funktionen zunehmen, wird die Sensor-Fusion, bei der Daten mehrerer Sensoren kombiniert und analysiert werden können, beim Sammeln genauerer Informationen über Position und Umwelt immer wichtiger. Während Sensoren in Personenkraftwagen beispielsweise für das Erkennen von Hindernissen auf ausgebauten Straßen benötigt werden, braucht man in den Bereichen Bau, Bergbau und Landwirtschaft Sensoren, die auch Materialeigenschaften erfassen können. Fährt ein Mähdrescher zum Ernten über ein Feld und erkennt dabei ein Hindernis, das wie ein Stock aussieht, muss die Maschine wissen, ob es sich hier um einen leichten Stecken handelt, den sie problemlos zerkleinern kann, oder um ein Stahlrohr, das sie möglicherweise beschädigen und aufgrund der dann notwendigen Reparatur außer Betrieb setzen könnte. In diesem Fall muss sie entsprechende Maßnahmen einleiten. Damit dies präzise und schnell geschieht, ist zusätzliche Rechenleistung erforderlich.

In diesem Modell mit Sicherung sind die Sensoren im Fahrzeug über mehrere oder alle Anwendungen miteinander verbunden und führen zu einer Steuerung. Die höhere Datenmenge, die verarbeitet wird, verlangt mehr Bandbreite und damit Stecker und Kabel, die höhere Geschwindigkeiten bewältigen, sowie ein Ethernet-Netzwerk, das Datenmengen von bis zu einem Gigabit pro Sekunde verarbeiten kann, damit die Informationen zuverlässig übertragen werden.

Der Wandel hin zu diesen Technologien und automatisierten Funktionen stellt Ingenieure bei der Entwicklung von Fahrzeugen vor die ganz neue Herausforderung, dass diese zuverlässig Leistung erbringen und auch unter härtesten Bedingungen dauerhaft funktionieren müssen.

Thema der nächsten Seite: Neue Steckverbindertechnologien und -lösungen

Der HDSCS-Ethernet-Steckverbinder ist ein robuster, extrem belastbarer Thermoplast-Steckverbinder in Kombination mit dem neuen Matenet-Verbindungssystem. TE Connectivity

Da Entwickler von Industrie- und Nutzfahrzeugen die Verbindungssysteme und -netze in ihren Fahrzeugen aufrüsten wollen, können viele Hochgeschwindigkeits-Datenanwendungen mit der in den letzten Jahren für den Einsatz in der Automobilindustrie entwickelten Verbindungstechnik konzipiert werden. Allerdings sind Umgebungen und Herausforderungen, denen Nutzfahrzeuge standhalten müssen, oft viel härter als jene, denen Pkws und leichte Nutzfahrzeuge begegnen. Für Anwendungen, bei denen Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und hohe Vibrationen gängig sind, lassen sich neue Steckverbinder wie der abgedichtete MCON- und HDSCS-Ethernet-Steckverbinder von TE verwenden. MCON-Steckverbinder können bei Anwendungen eingesetzt werden, die eine Datenkonnektivität von bis zu 100 Megabyte pro Sekunde verlangen, während der HDSCS-Steckverbinder für die Übertragung von bis zu einem Gigabit pro Sekunde verwendet werden kann.

Die neue abgedichtete Ethernet-Technologie der MCON-Steckverbinder ermöglicht in rauen Umgebungen die Wartung der Nutzfahrzeuge vor Ort. Sie bieten robuste Vollduplex-Draht-an-Draht-Verbindungen für Multifunktionsanzeigen, Telematik, Telemetrieeinheiten, Infotainment-Module, Mediumzugriffssteuerungen, externe Kameras und Sensormodule. Dies sind einige der Vorteile der MCON-Steckverbinder:

• Ein optimales, hochwertiges Design trägt dazu bei, die Fertigungs- und Wartungskosten zu senken.
• Eine Technologie mit mehreren Kontaktpunkten sorgt für höhere Zuverlässigkeit.
• Die integrierte Sekundär-Verriegelungsfunktion ist so konzipiert, dass die Kontakte fest sitzen.
• Modulare Anwendungen mit zwei Codierungen und mehreren Plattenstärken sind möglich.
• Erstausrüster (Original Equipment Manufacturer, OEM) können die bestehende Lieferkette der Kabelbaumhersteller nutzen.

Der abgedichtete MCON- Ethernet-Steckverbinder ermöglicht in rauen Umgebungen die Wartung der Nutzfahrzeuge vor Ort. TE Connectivity

Der HDSCS-Ethernet-Steckverbinder ist ein robuster, extrem belastbarer Thermoplast-Steckverbinder in Kombination mit dem neuen Matenet-Verbindungssystem (eigene Schreibweise: MATEnet) von TE. Dieser Draht-an-Draht- und Draht-an-Gerät-Steckverbinder wurde für die bei Nutzfahrzeugen bestehenden Anforderungen an Zuverlässigkeit und Qualität entwickelt und bietet Flexibilität, um mit ungeschirmten oder abgeschirmten verdrillten Kabelpaaren mehrere hybride Schnittstellen und Skalierbarkeit herzustellen. Dies sind einige der Vorteile der HDSCS-Steckverbinder:

• Optimierungen zur Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit beim Einsatz und zur Senkung der Fertigungs- und Wartungskosten
• Die Verbindung ist mit der integrierten Sekundär-Verriegelungsfunktion gesichert, damit die Kontakte fest sitzen.
• Klare Handhabung, geringe Steckkraft mit zuverlässigem Schließmechanismus, der in vorgesperrter Position geliefert wird.
• Entwickelt für die modulare Anwendung im Hinblick auf Kabel-an-Kabel und Kabel-an-Leiterplatte, mit mehreren möglichen Montageoptionen: fliegende, gedichtete Flansch- und Leiterplattenmontage

Beide Lösungen lassen sich an praktisch jede Anwendung für raue Umgebungen anpassen, darunter: Radar, Lidar, Kameras, Telematikeinheiten, On-Board-Diagnose, Head-up-Displays, Kombiinstrumente, Infotainment-Anwendungen und Ethernet-Architektur.

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