Warum zonale E/E-Architekturen nicht alles vereinfachen

Zonale E/E-Architekturen gelten als wichtige Grundlage für das Software Defined Vehicle. Sie sollen Steuergeräte konsolidieren, Kabelwege verkürzen und Rechenleistung stärker bündeln. Damit sinkt an einigen Stellen der Hardware- und Integrationsaufwand. Gleichzeitig entstehen jedoch neue Anforderungen an Ausfallsicherheit, Energieversorgung, funktionale Sicherheit und Kommunikation. Im Fokus steht dabei die physische E/E-Architektur – also die Hardwarebasis, auf der Softwareplattformen, Funktionen und Updates aufsetzen. Dort zeigt sich, dass das häufig gezeichnete Schema aus wenigen Zonencontrollern und Zentralrechnern die Realität nur teilweise abbildet.

Was ist eine zonale E/E-Architektur?

Klassische Fahrzeugarchitekturen sind stark nach Funktionen beziehungsweise Domänen wie Antrieb, Chassis, Karosserie oder Infotainment gegliedert. Bei einer zonalen Architektur gewinnt dagegen die räumliche Position einer Komponente an Bedeutung: Sensoren und Aktoren werden mit nahe gelegenen Zonencontrollern verbunden, die wiederum an leistungsfähigere Rechner und das zentrale Datennetz angebunden sind. Dadurch können lange Leitungswege entfallen, Funktionen auf weniger Recheneinheiten zusammengeführt und Hardware stärker standardisiert werden. Gleichzeitig entsteht die technische Grundlage dafür, Fahrzeugfunktionen stärker über Software zu entwickeln und über den Lebenszyklus zu verändern.

Warum gibt es nicht "Die Eine" zonale Architektur?

Wie viele Zonen ein Fahrzeug besitzt, welche Aufgaben der jeweilige Zonencontroller übernimmt und wo die Rechenleistung sitzt, unterscheidet sich zwischen Herstellern und Plattformen erheblich. Auch Rüdiger Ostermann von TE Connectivity sieht kein einheitliches Zielbild. Wie die Architektur konkret aufgebaut sei, unterscheide sich von Hersteller zu Hersteller. Neben der gewünschten Differenzierung spielen dabei historisch gewachsene Bordnetz- und Fahrzeugkonzepte eine Rolle.

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Auch aktuelle Entwicklungen sprechen eher für Mischformen. Martin Schleicher erwartet vor allem hybride zonal-zentrale Modelle, bei denen bestehende E/E-Strukturen schrittweise um Zonenkonzepte ergänzt werden. Plattformzyklen und vorhandene Architekturen sorgen dafür, dass die Hersteller unterschiedliche Wege einschlagen. „Zonale Architektur“ beschreibt damit eher ein Prinzip als einen festen Bauplan. Zentraler Compute, Zonencontroller, bestehende Domänen und lokale Netze können innerhalb eines Fahrzeugs nebeneinander existieren.

Was wird durch die Zonenarchitektur einfacher?

Ein zentrales Ziel der zonalen Architektur ist es, den Integrationsaufwand im Fahrzeug zu reduzieren. Besonders deutlich wird das im Bordnetz. Werden Sensoren und Aktoren zunächst an nahe gelegene Zonencontroller angebunden, müssen weniger Einzelleitungen durch große Teile des Fahrzeugs geführt werden. Gleichzeitig können Funktionen aus zahlreichen spezialisierten Steuergeräten auf leistungsfähigere Recheneinheiten wandern.

Für den Kabelbaum hat diese Aufteilung weitere Folgen. Kleinere Teilkabelbäume und einfachere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen schaffen bessere Voraussetzungen für eine automatisierte Fertigung. „Wenn Sie das aufteilen, dann wird das deutlich einfacher“, sagt Ostermann mit Blick auf die automatisierte Leitungssatzfertigung.

Auch Betrieb und Diagnose können einfacher werden: Weniger Steuergeräte, Schnittstellen und lange Leitungsverbindungen bedeuten potenziell weniger einzelne Komponenten, die diagnostiziert und über den Fahrzeuglebenszyklus gepflegt werden müssen. Doch je mehr Funktionen wenige zentrale Komponenten übernehmen, desto größer können zugleich die Auswirkungen eines einzelnen Ausfalls werden. Genau hier beginnt die Kehrseite der Vereinfachung.

Redundanz: Die neue Kehrseite der Zentralisierung

Ein Beispiel, an dem die neue Systemkomplexität besonders deutlich wird, ist die Redundanz. Sie gehört zu den grundlegenden Prinzipien sicherheitskritischer Systeme: Fällt eine Komponente oder ein Übertragungsweg aus, muss für entsprechend kritische Funktionen eine Rückfallebene verfügbar sein. Mit stärker zentralisierten Architekturen steigt die Bedeutung dieses Prinzips, weil einzelne Rechner, Kommunikationswege und Versorgungen mehr Aufgaben bündeln. „Wir brauchen Redundanz für die Systeme – nicht nur bei den Daten, sondern auch bei der Stromversorgung“, gibt Ostermann zu bedenken.

Damit entsteht ein Zielkonflikt. Die Zahl verteilter Steuergeräte kann sinken, während die Absicherung zentraler Funktionen zusätzliche Hardware erfordert. Redundanz bedeutet dabei keineswegs zwangsläufig, eine komplette Architektur zweimal aufzubauen. Je nach Sicherheitsanforderung reichen die Konzepte von redundanten Rechenkernen und Lockstep-Verfahren innerhalb eines Systems bis zu getrennten Rechnern und unabhängigen Versorgungs- oder Kommunikationspfaden.

Auf der anderen Seite kann Zentralisierung Rückfallebenen gezielter planbar machen. Überwachungs- und Diagnosefunktionen lassen sich auf wenigen Plattformen bündeln. Wie groß der zusätzliche Aufwand tatsächlich ausfällt, hängt deshalb stark von Funktion, Sicherheitsziel und Architektur ab.

Auch Volkswagen sieht hier einen Zielkonflikt. Melanie Sohnemann, Leiterin für Bordnetzkomponenten und Energieverteilung, erwartet durch SDVs weiter steigende Anforderungen an das Bordnetz. Zonale Architekturen und eine höhere Funktionsdichte würden heutige Leitungs- und Steckverbinderkonzepte an Grenzen bringen, während Kosten, Gewicht und Entwicklungszeit gleichzeitig sinken sollen.

Zeitkritische Daten brauchen oft direkte Pfade

Auch bei der Datenkommunikation setzt die Zentralisierung keine einheitliche Topologie voraus. Das vereinfachte Architekturdiagramm zeigt meist Sensoren, die zunächst ihren Zonencontroller erreichen und ihre Daten von dort zum Zentralrechner übertragen. Für zeitkritische Anwendungen kann ein direkter Datenpfad günstiger sein. Ostermann nennt Kameras als Beispiel. Zusätzliche Verbindungs- und Verarbeitungsschritte können die Ende-zu-Ende-Latenz beeinflussen. Bei Fahrerassistenzsystemen kann es deshalb sinnvoll sein, Kameradaten möglichst direkt zur zuständigen Recheneinheit zu führen.

Das Prinzip gilt auch für andere zeitkritische Sensoren. Kameras, Radar oder Lidar können je nach Architektur direkt mit einem Zentralrechner verbunden werden. Gleichzeitig bleiben CAN und LIN auf der lokalen Ebene sinnvoll, während Automotive Ethernet das schnelle Backbone bildet. Eine zonale Architektur ergibt deshalb kein vollkommen gleichförmiges Netz. Lokale Bussysteme, zonale Verbindungen, Ethernet-Backbones und direkte Hochgeschwindigkeitspfade können parallel eingesetzt werden.

Latenz wird zum entscheidenden Architekturkriterium

Je mehr Funktionen über zentrale Rechner laufen, desto wichtiger wird die Betrachtung der Latenz. Maßgeblich ist die gesamte Wirkkette vom Sensor über Kommunikation und Verarbeitung bis zum Aktor. Die Übertragungsrate bildet dabei nur einen Teil der Anforderungen ab. Jeder zusätzliche Verarbeitungsschritt kann weitere Verzögerung verursachen.

Besonders relevant wird das bei geschlossenen Regelkreisen. Brake-by-Wire oder hochdynamische Fahrwerksfunktionen stellen erheblich strengere Anforderungen an Reaktionszeiten als Komfortfunktionen, Diagnose oder Infotainment.

Damit muss für jede Funktion entschieden werden, wie viel Verarbeitung zentral erfolgen kann und welche Aufgaben näher am Sensor oder Aktor bleiben sollten. Ein schnellerer Zentralrechner allein löst diese Frage nicht. Architekturentscheidungen betreffen immer die gesamte Wirkkette einschließlich Netzwerk, Scheduling und lokaler Verarbeitung.

Was entscheidet über eine gute zonale Architektur?

Zonale Architekturen können Steuergeräte konsolidieren, Kabelwege verkürzen, Varianten reduzieren und Software auf stärker standardisierten Plattformen bündeln. Gleichzeitig verschiebt sich der Engineering-Aufwand: Redundanz muss gezielt ausgelegt, Energieversorgung abgesichert, Kommunikationslatenz beherrscht und die zentrale Infrastruktur gegen Cyberangriffe geschützt werden. Die technische Architektur dürfte deshalb aus mehreren Ebenen bestehen – mit lokalen Netzen und Rechenressourcen, Zonencontrollern, direkten Datenpfaden sowie zentralen Compute-Plattformen. Welche Funktion auf welcher Ebene liegt, entscheiden Safety, Security, Latenz, Bandbreite, Energiebedarf und Kosten. Der eigentliche Wettbewerbsvorteil entsteht zunehmend durch die Fähigkeit, diese Zielkonflikte gemeinsam zu beherrschen. Die Zonenarchitektur liefert dafür das Gerüst. Wie gut es funktioniert, entscheidet sich bei der konkreten Systemintegration.