Skalierbar, flexibel, langlebig: Ansprüche an E/E-Architekturen im Auto

Heute sind die meisten Fahrzeugfunktionen entweder elektronisch unterstützt oder lassen sich von elektronischen Komponenten und der zugrunde liegenden elektrischen und elektronischen (E/E-) Architektur steuern. Motorsteuerung, Bremsen, Lenkung, Infotainment und andere Komfort- und Bequemlichkeitsfunktionen hängen von den elektrischen und elektronischen Systemen ab. Hinzu kommt, dass eingebettete Software inzwischen eine führende Rolle bei der Funktionalität von Fahrzeugen spielt. Aktuelle Autos enthalten Millionen von Codezeilen, ohne die Anwendungen wie fortschrittlichstes Infotainment oder passive Sicherheitssysteme bis hin zur automatischen Türverriegelung undenkbar wären.

Systeme integrieren

Bild 1: Heutige Autos haben ein komplexes System aus elektronischen Steuergeräten (ECUs), Sensoren, Aktuatoren und Kabeln, welche alles miteinander verbinden. Mentor

Die stetige Weiterentwicklung der Fahrzeugfunktionen hat zur Folge, dass immer mehr bislang unverbundene Teilsysteme miteinander in Berührung kommen. Ursprünglich unabhängig voneinander entwickelte Systeme müssen sich zunehmend integrieren und in Abhängigkeit zueinander stehen, um neue Funktionalitäten zu ermöglichen. Für die Entwicklung des Tempomaten in den späten 1950er Jahren integrierten die Entwickler erstmals elektrische und mechanische Systeme in einem Fahrzeug. Seitdem wurde die Technologie der Geschwindigkeitssteuerung immer weiter verfeinert. Adaptive Geschwindigkeitsregelungssysteme ermöglichen es heutigen Autos, je nach Bedarf zu verlangsamen oder zu beschleunigen, um einen vom Fahrer bestimmten Abstand zum Vordermann einzuhalten. Außerdem können automatisierte Notbremssysteme ein Fahrzeug auch selbständig zum Stillstand bringen, wenn zum Beispiel der Fahrer abgelenkt ist.

Das Ergebnis dieses Innovations- und Integrationsfortschritts ist ein äußerst komplexes System aus elektronischen Steuergeräten (ECUs), Sensoren, Aktuatoren und Kabeln, welche alles miteinander verbinden (Bild 1). Die Größe und Komplexität dieser Architekturen stellen neue Herausforderungen für Automobil-OEMs und ihre Zulieferer dar. Diese Herausforderungen sind umso komplexer, je ausgefeilter die Fahrzeugtechnologie ist, insbesondere in Hinblick auf das automatisierte Fahren. Die zugrundeliegende E/E-Architektur ist in diesem Bereich von überragender Bedeutung.

Trotz dieser Herausforderungen investieren die Automobilunternehmen in die Weiterentwicklung ihrer E/E-Architekturen, weil diese neue Geschäftsmodelle ermöglichen und neue Einnahmequellen erschließen. Die Lieferanten von Kabelbäumen erweitern ihr Angebot und fertigen Fahrzeugkabelbäume in neuen Ausführungen. Weiterhin bieten Systemintegrationsanbieter Komplettlösungspakete für die Implementierung von Fahrzeugteilsystemen an, die sie basierend auf den vom jeweiligen OEM definierten Einschränkungen und Anforderungen entwickeln.

OEMs müssen investieren

Mittlerweile tätigen auch die OEMs große Investitionen, um Schlüsselbereiche der Entwicklung, wie zum Beispiel Software, in ihr Haus zurückzuholen. Volkswagen kündigte vor kurzem die Gründung einer neuen Software-Entwicklungseinheit an, die einheitliche Softwarefunktionen für alle Marken des Unternehmens schaffen und mehr als 5000 Software-Experten und -Ingenieure zusammenführen soll. Mit eigenen Softwareteams können OEMs mit routinemäßigen Software-Updates zur Steigerung der Systemleistung und Behebung latenter Probleme die Zufriedenheit der Kunden verbessern. Der OEM kann zusätzlich völlig neue Funktionalitäten anbieten, die der Kunde erwerben kann, um die Lebensdauer seines Fahrzeugs zu verlängern oder dessen Leistung und Wert zu steigern.

Inmitten der großen technologischen Veränderungen müssen die etablierten OEMs Innovationsarbeit leisten und sich über ihre E/E-Architektur abheben. Das bedeutet, dass sie Architekturen schaffen müssen, die über Fahrzeugplattformen hinweg skalierbar sind, sich an zukünftige Technologien flexibel anpassen lassen und sich im Langzeiteinsatz bewähren. Es bedeutet auch, gegen Mitbewerber durch attraktive und fortschrittliche Fahrzeugplattformen zu bestehen. Um in dem vom heutigen Markt geforderten Tempo zu innovieren, müssen OEMs allerdings ihre Designprozesse weiterentwickeln, um domänenübergreifend zu integrieren, Designaufgaben zu automatisieren und eine robuste Datenkohärenz zu gewährleisten.

Der Branchenwandel schafft neue Herausforderungen

Bild 2: Elektronikhardware, Netzwerkkommunikation, Softwareanwendungen und die Verkabelung bilden zusammen die Fahrzeugarchitektur. Mentor

Automobilhersteller und ihre Zulieferer müssen bei der Anpassung an neue Verbraucherwünsche und fortschreitende Technologien verschiedene Herausforderungen bewältigen. Die Kunden wünschen sich mehr Freiheit bei der individuellen Ausgestaltung ihrer Fahrzeuge durch optionale Ausstattungen. OEMs setzen dem die kundenindividuelle Massenfertigung entgegen, da ihr Geschäft immer noch von der Herstellung und dem Verkauf großer Mengen von Fahrzeugen abhängt. Gleichzeitig versuchen OEMs, Materialstücklisten (BOM) über Fahrzeugplattformen hinweg zu verwenden, um die Kosten bei der Konstruktion und Fertigung zu senken, was im Widerspruch zur Anpassung an kundenspezifische Wünsche steht. Je mehr potenzielle Fahrzeugkonfigurationen existieren, umso teurer ist die Herstellung jedes einzelnen Autos. Außerdem ist es immer schwieriger, architektonische Komponenten wie die korrekte Version des Steuergeräts oder der Software sowie die entsprechenden Anschlüsse und Verbindungen über die gesamte Fahrzeugplattform hinweg zu verfolgen und zu koordinieren, um die funktionale Konnektivität zwischen den Geräten zu ermöglichen.

Viele, wenn nicht sogar die meisten, der von den Anwendern gewünschten Funktionen sind elektronischer Art: Infotainment, ADAS und sogar die Schnittstelle zur Klimaanlage mit einem Steuergerät, auf dem eingebettete Software läuft. Angesichts der großen Menge hochentwickelter Elektronik ist die typische Automobilzulieferer-Pipeline heute viel breiter und tiefer als früher. Längere und mehr verzweigte Lieferanten-Pipelines können jedoch den Zeitaufwand für die Kaskadierung und Umsetzung von Designänderungen erheblich vergrößern. Es ist schon jetzt eine zentrale Herausforderung, zwischen allen Teams erfolgreich miteinander zu kommunizieren, so dass Auswirkungen von Änderungen auf einen Arbeitsbereich sofort ersichtlich sind. Die vertragliche Zusammenarbeit mit zusätzlichen Lieferanten und die Erweiterung des Lieferantenspektrums, um die gewünschten Funktionen zur Verfügung stellen zu können, verschärfen dieses Problem nur noch.

Eine Verkürzung des Umsetzungszyklus für Änderungen erlaubt es OEMs, neue Fahrzeuge schneller auf den Markt zu bringen, was ein entscheidender Wettbewerbsvorteil für Unternehmen ist, die in einem hart umkämpften Markt agieren. Einige Hersteller versuchen, die Entwicklungszyklen zu verkürzen, indem sie Bereiche zurück ins Haus holen, die bisher weitgehend bei den Zulieferern angesiedelt waren.

Neue Anwendungen brauchen neue Ansätze

Die E/E-Architektur muss verschiedene Bereiche bündeln: Elektronikhardware, Netzwerkkommunikation, Softwareanwendungen und die Verkabelung bilden zusammen die Fahrzeugarchitektur (Bild 2). Gegenwärtig agieren diese Bereiche, ohne über die Aktivitäten, Beschränkungen und Ziele der anderen Bereiche umfassend informiert zu sein. Dies kann zu erheblichen Problemen führen, sobald diese Bereiche interagieren müssen. Zum Beispiel können mehrere Teams eines OEMs Softwareanwendungen für das zentrale ADAS-Steuergerät im Fahrzeug entwickeln. Diese Teams sind nach Funktionen organisiert und arbeiten unabhängig voneinander. Es gibt beispielsweise jeweils ein eigenes Team für den Spurhalteassistenten, die aktive Geschwindigkeitsregelung und so weiter. Um flexibel genug auf zukünftige Aktualisierungen reagieren zu können, ist die Prozessorauslastung für dieses Steuergerät durch eine Beschränkung auf etwa 75 Prozent begrenzt. Sobald nun alle Teams ihre Software auf das Steuergerät laden, wird sowohl die Auslastungsgrenze als auch die Leistungsfähigkeit des Prozessors überschritten. Dies konnte geschehen, weil alle Teams ihre Implementierungen unabhängig voneinander entwickelt haben und die Gesamtbelastung des Steuergeräts erst dann offensichtlich wurde, als der Entwicklungsprozess einen kritischen Punkt bereits überschritten hatte.

Bild 3: Angesichts der großen Menge hochentwickelter Elektronik ist die typische Automobilzuliefererpipeline heute viel breiter und tiefer als früher. Mentor

Automobilhersteller und ihre Zulieferer müssen eine neue Konzeptionsmethodik entwickeln, um die Interaktionen zwischen den einzelnen Bereichen in einem immer komplexer werdenden Umfeld erfolgreich steuern zu können. Um diesen Anforderungen besser Rechnung zu tragen, haben mehrere große Autohersteller bereits größere Umstrukturierungen vorgenommen, unter anderem Ford, Fiat-Chrysler und Daimler. Diese Methodik muss eine enge bereichsübergreifende Integration, eine leistungsstarke Entwurfsautomatisierung und eine umfassende Datenkohärenz sicherstellen. Eine solche Methodik bietet jedem Bereich einen Kontext auf Systemebene, den er während der bereichsspezifischen technischen Bearbeitung nutzen kann. Mithilfe eines Kontexts auf Systemebene können Ingenieure Designalternativen bewerten, Probleme beseitigen und zu qualitativ hochwertigeren Entwürfen in kürzerer Zeit gelangen.

Die Herausforderungen für die Branche sind allerdings nicht nur auf technologische Neuerungen beschränkt. Das bedeutet, die Strategie zur Bewältigung der umfassenden und vielfältigen Herausforderungen der Mobilitätsbranche muss über neue Design- und Konstruktionslösungen hinausgehen. Sowohl große OEMs als auch ihre Zulieferer erkennen, dass nur Veränderungen ihres Organisations- und Geschäftsmodells den Grundstein für den zukünftigen Erfolg legen können (Bild 3). Die OEMs investieren zunehmend in ihre Softwarekompetenz, während langjährige Automobilzulieferer ihr Dienstleistungsangebot auf die gesamte Bandbreite der Komponentenentwicklung vom Design bis zur Fertigung ausbauen. Das geht sogar so weit, dass einige Zulieferer automatisierte Shuttle- und Paketzustellplattformen vorgestellt haben. Allgemein gesprochen besteht die wirkliche Herausforderung darin, eine neue Technologie nach ihrer Validierung skalierbar und profitabel zu machen.

Der kontinuierliche Ausbau der automobilen E/E-Architektur hat dazu geführt, dass im Bereich der Fahrzeugtechnik ihre Auslegung zunehmend anspruchsvoller und kritischer geworden ist. Alle Aspekte der E/E-Architektur spielen eine wichtige Rolle bei sämtlichen zentralen Fahrzeugfunktionen. Infolgedessen sind alle Elemente, von Geräten wie Sensoren und Steuergeräten bis hin zu den Netzwerken und der Verkabelung, immer ausgefeilter geworden, damit sie diesen gestiegenen Anforderungen entsprechen können. Die Steuergeräte sind leistungsstärker geworden, um die von größeren Sensorarrays eingehenden Daten mit immer leistungsfähigerer Software verarbeiten zu können. Zugleich müssen die Fahrzeugnetzwerke die Kommunikation in diesem komplexen System aus Sensoren und Steuergeräten verwalten.

(aok)