Die Entwicklung der Fahrzeugelektronik: Einführung softwaredefinierter Fahrzeuge und zonaler Architektur

Die Automobilindustrie durchläuft einen grundlegenden Wandel, der durch Fortschritte in der Fahrzeugelektronik vorangetrieben wird. Moderne Fahrzeuge sind heute mit hochentwickelter Technologie und Halbleitern ausgestattet, die mehr Intelligenz, Elektrifizierung und Sicherheit als je zuvor ermöglichen. Diese Entwicklung hat das Konzept der softwaredefinierten Fahrzeuge (Software-Defined Vehicles, SDVs) hervorgebracht, in denen Automobilhersteller Fahrern und Beifahrern gleichermaßen verbesserte Dienste, Personalisierung und Komfort bieten können.

Der Aufstieg der softwaredefinierten Fahrzeuge

Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen, deren Funktionen weitgehend hardwareabhängig sind, stützen sich SDVs in hohem Maße auf Software, um verschiedene Aspekte des Fahrzeugbetriebs zu definieren und zu steuern. Dieser Ansatz ermöglicht Folgendes:

1. Verbesserte Services: Durch „Over-the-Air“-Updates (OTA) können die Hersteller die Fahrzeugleistung kontinuierlich verbessern, neue Funktionen hinzufügen und Fehler beheben, ohne dass ein Besuch beim Fahrzeughändler erforderlich ist.
2. Personalisierung: Der Fahrer kann sein Fahrzeug an seine Vorlieben anpassen, von der Einstellung des Infotainmentsystems bis hin zur Individualisierung von Antriebsmodi und Sicherheitseinstellungen.
3. Komfort: Die Integration von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS), autonomen Fahrfunktionen und nahtloser Konnektivität sorgt für ein komfortables und effizientes Fahrerlebnis.

Die Rolle der zonalen Architektur

Eine wichtige Voraussetzung für softwaredefinierte Fahrzeuge ist die Einführung einer zonalen Architektur. Die herkömmliche Fahrzeugelektronik war nach Funktionen organisiert, mit speziellen elektronischen Steuergeräten (ECUs), die für die Motorsteuerung, die Bremsen und das Infotainment zuständig waren. Dieser funktionale Ansatz führte häufig zu einer komplexen Verkabelung, zu höherem Gewicht und zu höheren Kosten.

Bei einer zonalen Architektur werden die Steuergeräte hingegen auf der Grundlage ihrer physischen Position im Fahrzeug angeordnet. Diese Methode bietet mehrere entscheidende Vorteile:

1. Weniger Kabelbedarf: Durch die Anordnung der Steuergeräte in der Nähe der von ihnen gesteuerten Sensoren und Betätigern reduziert die zonale ‚Architektur die Anzahl der benötigten Kabel erheblich. Dies vereinfacht nicht nur die Elektrik des Fahrzeugs, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit.
2. Gewichtsreduzierung: Weniger Verkabelung führt zu einem leichteren Fahrzeug, was die Kraftstoffeffizienz verbessern und die Emissionen bei Verbrennungsmotoren reduzieren oder die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen kann.
3. Kosteneffizienz: Die vereinfachte Verkabelung und das geringere Gewicht tragen zu niedrigeren Herstellungs- und Betriebskosten bei und machen fortschrittliche Fahrzeugtechnologien leichter zugänglich.

Nutzung bewährter Kommunikationsprotokolle

Die zonale Architektur nutzt etablierte Kommunikationsprotokolle wie Ethernet, CAN (Controller Area Network) und LIN (Local Interconnect Network), um die zunehmende Datenmenge in modernen Fahrzeugen zu bewältigen. Diese Protokolle gewährleisten einen effizienten, zuverlässigen und sicheren Datenaustausch zwischen verschiedenen Steuergeräten und Systemen im Fahrzeug.

• Ethernet: Ethernet ist bekannt für seine hohe Bandbreite und Geschwindigkeit und eignet sich ideal für datenintensive Anwendungen wie ADAS- und Infotainment-Systeme. Texas Instruments bietet verschiedene Ethernet-PHYs an.
• CAN: Mit seiner zuverlässigen Leistung und hohen Fehlertoleranz eignet sich CAN hervorragend für kritische Funktionen wie Motorsteuerung und Sicherheitssysteme. Die 3,3-V-CAN-FD-Transceiver TCAN341x von Texas Instruments sind mit den Anforderungen der physikalischen Schicht der High-Speed-CAN-Technische Daten nach ISO 11898-2:2016 kompatibel. Der TCAN1043A-Q1 Automobil-CAN-FD-Transceiver unterstützt bis zu 8 Mbps.
• LIN: LIN ist eine kostengünstige Lösung für weniger anspruchsvolle Anwendungen, die eine zuverlässige Kommunikation mit minimaler Komplexität bietet. Der Automobil-LIN-Transceiver TLIN1028-Q1/TLIN1028S-Q1 entspricht den LIN 2.2A-Normen ISO/DIS 17987-4.2 und verwendet einen integrierten LDO-Spannungsregler.

Die Verbindung der großen Anzahl von Sensoren, die moderne Funktionen ermöglichen, erfordert zuverlässige Datenumwandlungs- und Übertragungstechnologien. Ein Beispiel ist der AEC-Q100-qualifizierte FPD-Link-Deserialisierer DS90UB9702-Q1 von Texas Instruments. Er bietet einen Vorwärtskanal mit 7,55 Gbps und einen bidirektionalen Steuerkanal mit 47,1875 Mpbs. Diese Kanäle verbinden bis zu vier Rohdatensensoren über ein Koaxial- oder STP-Kabel mit zentralen Verarbeitungseinheiten. In Verbindung mit dem DS90UB971-Q1-Serialisierer empfängt der Deserialisierer Videodaten von Imagern, die ultrahohe Auflösungen (>8 MP/40 fps) oder mehrere Sensoren in verschiedenen Topologien unterstützen.

Geeignete Prozessoren mit ausreichender Rechenleistung sind die SoC-Prozessoren TDA4VE-Q1/TDA4AL-Q1/TDA4VL-Q1 die auf Smart Vision-Kamera-Anwendungen ausgerichtet sind.

Um die nötige Energie an der richtigen Stelle bereitzustellen, verfügt der für Automobilanwendungen ausgelegte Leistungsmanagement-IC TPS6594-Q1 über vier flexible, mehrphasig konfigurierbare Abwärtswandler mit 3,5 A pro Phase und einen zusätzlichen Abwärtswandler mit einer Leistung von 2 A.

Viele der heutigen Fahrzeugfunktionen erfordern eine präzise Motorsteuerung. Dies ist die Stärke des voll integrierten H-Brückentreibers DRV824x-Q1 mit 40 V und 32 A, der für eine große Auswahl von Anwendungen vorgesehen ist. Er kann als einzelner Vollbrückentreiber oder als zwei unabhängige Halbbrückentreiber konfiguriert werden.

Die Zukunft der Fahrzeugelektronik

Mit den fortschreitenden Innovationen in der Automobilindustrie wird sich die Integration fortschrittlicher Elektronik und softwaredefinierter Funktionen immer stärker durchsetzen. Die zonale Architektur wird bei dieser Entwicklung eine zentrale Rolle spielen und intelligentere, effizientere und sicherere Fahrzeuge ermöglichen.

Hersteller und Zulieferer müssen diesen Trends voraus sein und in Forschung und Entwicklung investieren, um das volle Potenzial softwaredefinierter Fahrzeuge auszuschöpfen. Auf diese Weise können sie den Fahrern ein noch nie dagewesenes Maß an Service, Personalisierung und Komfort bieten und die Zukunft des Transportwesens in Zukunft mitgestalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Umstellung der Automobilindustrie auf softwaredefinierte Fahrzeuge und zonale Architekturen ein neues Zeitalter der Fahrzeugelektronik einleitet. Dieser Wandel ermöglicht ein optimiertes Fahrerlebnis und ebnet den Weg für eine besser vernetzte, effizientere und nachhaltigere Zukunft im Straßenverkehr.