AUTOMOTIVE ETHERNET – DER NÄCHSTE SCHRITT IN DER AUTO-EVOLUTION

Autos sind heute schon kleine Rechenzentren auf Rädern. Unter der Haube arbeiten zahlreiche Mikroprozessorsysteme (ECUs, Electronic Controlling Units), die über verschiedene, historisch gewachsene Bussysteme miteinander in Verbindung stehen. Jetzt kommen weitere Prozessoren und Sensoren zur Signalverarbeitung hinzu, etwa im Rahmen der von der EU geforderten Systeme für sicheres Fahren und zum automatisierten Fahren.

Die heutigen (E/E-Architekturen) sind komplex und kostspielig geworden. Doch angesichts der kommenden Anforderungen, bis hin zum autonomen Fahren, sind Zweifel angebracht, ob die herkömmliche Busstruktur im Auto die Anforderungen hinsichtlich Bandbreite, Sicherheit und nicht zuletzt Wirtschaftlichkeit erfüllen kann.

DER ÜBERGANG VOM CAN-BUS ZUM ETHERNET

Der CAN-Bus (Controller Area Network) hat seinen Ursprung in den frühen 80er Jahren und wurde 1991 als fahrzeuginternes Netzwerk für die Motorsteuerungseinheit und die Sensorkommunikation eingesetzt. Später wurde der CAN-Bus mit der Einführung des flexiblen CAN FD (CAN Flexible Datarate) erweitert. Dieses verbesserte Protokoll überwand die ursprünglichen CAN-Grenzen und ermöglichte die schnellere Übertragung von Daten mit bis zu 5 Mbit/s statt der ursprünglichen 1 Mbit/s. Die Datenmenge (Payload) erreichte eine Größe von bis zu 64 Byte im Gegensatz zu den ursprünglichen 8 Byte.

Abgesehen von der für künftige Anforderungen beschränkten Bandbreite sind die Tage des CAN-Bus gezählt, aufgrund mangelnder Kompatibilität zu vielen Systemeinheiten, die aus der IT und TelCo-Industrie kommen. Der nächste logische Technologiesprung ist die Umstellung auf einen Ethernet-Backbone als hauptsächlichen Übertragungsstandard. Für den Übergang bleiben auch CAN-Subsysteme bestehen. Die Verwendung eines Ethernet-Backbones hat viele Vorteile, nicht nur in Bezug auf Geschwindigkeit, sondern auch in Bezug auf Leistung, Funktionalität, Kosten, Sicherheit und Wartbarkeit.

MIT MODULARITÄT DIE CONNECTIVITY erweitern

Ethernet ermöglicht ein modulares Netzwerk mit Plug & Play-Fähigkeit, während beim CAN-Bus das Verbinden und Trennen im laufenden Betrieb nicht möglich ist. Plug & Play ist in der modernen Automobiltechnologie von entscheidender Bedeutung, und ein Ethernet-System ermöglicht das Verbinden/Trennen von Geräten in Echtzeit mit einem vorhandenen Steuergerät, ohne dass das System neu gestartet werden muss.

WESHALB ETHERNET DIE KOMPLEXITÄT REDUZIERT

Ethernet ist die bessere Datenautobahn und ermöglicht es deshalb, das Netzwerk im Auto zu vereinfachen, den Kfz-Kabelbaum kleiner und leichter machen und gleichzeitig den Wartungsaufwand zu reduzieren:

• Ethernet ermöglicht eine Reduzierung der Verkabelung und der Komponenten, weil beispielsweise verschiedene Sicherheitslevels gemäß IEC 61508 auf einem Kabel gleichzeitig realisiert werden können. Beispielsweise können einige Sensordaten kritisch und andere Sensordaten unkritisch sein, aber sie teilen sich dieselbe Leitung.
• Das Netzwerk kann stark vereinfacht werden und wird mehr Funktionalitäten als ein CAN-Bus-basiertes Netzwerk übernehmen können, solange die verschiedenen Sicherheitslevel richtig aufgebaut und verwaltet werden.
• Der Kabelbaum wird bedeutend kleiner, es werden weniger Zeit und Ressourcen für die Installation benötigt, was zu einer Kostenreduzierung führt; auch die Diagnose eines Problems wird erleichtert.
• Die Zuverlässigkeit wird erhöht, da der Kabelbaum dünner und leichter ist, was zu einer geringeren mechanischen Belastung führt.

ETHERNET ERMÖGLICHT NEUE FUNKTIONALITÄT

Die höhere Bandbreite sowie die Protokolleigenschaften von Ethernet bedingen einen reibungsloseren Ablauf von Funktionalitäten im Fahrzeug. Verbesserte Sicht und mehr Sicherheitsfunktionen für den Fahrer sowie eine verbesserte externe Konnektivität führen auch zu einer neuen Dimension der Nutzererfahrung durch kundenspezifische Anpassung und Personalisierung.

OTA-Updates werden bei Fahrzeugen endlich auch in der Praxis eingesetzt werden können. Dies führt zu einer einfacheren und schnelleren Wartung mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie weit weniger kostspielig ist. Der Besuch einer Werkstatt kann oftmals entfallen.

FAZIT

Es entstehen neue Akteure (wie Tesla, Rivian, Nio, Faraday Future und andere), die nicht durch die Altlasten älterer Fahrzeuggenerationen und deren CAN-Busse eingeschränkt sind. Diese Unternehmen nutzen Ethernet vom Start weg.

Als Newcomer auf dem Automarkt versuchen diese Unternehmen ihre Kunden mit fortschrittlichen Anwendungen und einer völlig neuen Benutzererfahrung zu überzeugen. Sie wollen hohe Kundenzufriedenheit durch ein angenehmes (oder zumindest produktives) Fahrerlebnis auf überfüllten Straßen erreichen.

Alle Ingenieure und Entwickler in der gesamten Lieferkette der Autoindustrie müssen den sich ändernden Bedürfnissen der Kunden und den fortschreitenden Trends der Vernetzung im Fahrzeug Rechnung tragen. Die Industrie geht zu einer zonalen, ECU-basierten Architektur als Computerplattform über, was ein zeitgemäßes Bussystem in den Fahrzeugen erfordert.