Auf dem Weg zum rollenden Computer
Mit zonaler Architektur zum softwaredefinierten Fahrzeug
Autonome und vernetzte Fahrzeuge sind der nächste Schritt in der Evolution des Automobils. Um sie zu verwirklichen, setzen viele Hersteller auf eine neue Anordnung der Automobilelektronik, die sogenannte zonale oder Zonenarchitektur: Anstatt Fahrzeuge hardwareorientiert nach Funktionen zu elektronifizieren (Domänenarchitektur), werden Zonen gebildet, die sich nach der Position im Fahrzeug richten. Der Vorteil: weniger Verkabelung und weniger Steuergeräte (ECUs) sowie höhere Standardisierung. Aktuelle Fahrzeuge in alter Architektur enthalten bis zu 120 verschiedene ECUs; der Kabelbaum ist inzwischen das zweitschwerste Bauteil nach dem Motor.
Weniger Kabel
Die Clusterung von Funktionen in Zonen reduziert den Geräte- und Verkabelungsaufwand und bereitet zugleich den Weg zum softwaredefinierten und vernetzten Fahrzeug (SDN: software-defined networking). In der zonenbasierten Architektur – die laut der Unternehmensberatung S&P im Jahr 2024 bereits in geschätzten 38 Prozent der weltweit gebauten Fahrzeuge zu finden war – ist ein Zentralcomputer mit leistungsstarken Zonen-Controllern verbunden, die Sensorik und Aktuatorik steuern. Vorreiter sind vor allem die Elektrofahrzeughersteller.
Um ein solches Netzwerk betreiben zu können, sind viel Rechenleistung, hohe Bandbreiten und geringe Latenz erforderlich. Für das autonome Fahren werden außerdem echtzeitfähige Netzwerktechnologien wie Automotive Ethernet TSN (Time Sensitive Networking nach IEEE 802.1AS-2020) benötigt. Auf Feldbusebene kommen ebenfalls weiter- oder neuentwickelte Standards wie CAN FD und CAN XL, LIN (Local Interconnect Network) und PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) zum Einsatz.
Mehr Standardisierung
Zonale Architekturen befördern die Standardisierung von Fahrzeugen, so dass sich neue Module und Funktionen einfacher integrieren lassen und (kürzere) Kabelbäume automatisiert hergestellt werden können. Außerdem können beim softwaredefinierten Fahrzeug Firmware-Updates und weitere Softwareaktualisierungen zukünftig „over-the-air“ (OTA), also per Funk vorgenommen werden – eine hohe funktionale Sicherheit nach ISO 26262 vorausgesetzt.
Hardwareseitig sind vor allem leistungsfähige Zonen-Controller bzw. -Gateways (Edge Computing) erforderlich, die mit hochintegrierten Schaltkreisen arbeiten (SoC: System-on-Chip). Außerdem werden ein eigenes Betriebssystem sowie sogenannte Middleware benötigt. Middleware ist Software, die in der Lage ist, zwischen verschiedenen Anwendungen beziehungsweise Systemen – zum Beispiel Kameras, Sensorik und Antriebsstrang – zu vermitteln und den Datenaustausch zwischen ihnen zu organisieren.
Ganz gleich, wie die konkrete Auslegung ausfällt – es gibt, gerade in der Übergangsphase, auch Mischformen zwischen Domänen- und Zonenarchitektur –, die beteiligten Kabelbäume müssen intensiv getestet werden. Denn je komplexer die eingebauten Funktionen werden und je stärker diese untereinander vernetzt sind, desto folgenreicher sind Störungen.
Kabelbaum-Tests sind deshalb umfangreich und vielfältig – und hier kommt die Expertise von INGUN ins Spiel: Das Geschäftsfeld Wire Harness stellt passende Lösungen für verschiedene Szenarien und Anforderungen bereit.
Folgende Tests werden typischerweise durchgeführt:
- Anwesenheitstest: Zur Prüfung, ob Bauteile vorhanden oder korrekt positioniert sind, werden häufig Schaltkontaktstifte (SKS) eingesetzt, die je nach Szenario das gewünschte Feedback geben (Schalter, Signalgeber etc.). SKS (engl. switch probes) sind in vielen verschiedenen Rastern sowie als Öffner oder Schließer verfügbar.
- Durchgangsprüfung (Verbindungstest): Die Prüfung des elektrischen Durchgangs kann mit gesteckten Kontaktstiften erfolgen, wird jedoch häufig mit Schraubkontaktstiften durchgeführt. Sie gewährleisten den sicheren Halt des Kontaktstifts in der Kontaktsteckhülse während des Tests – empfehlenswert besonders bei Anwendungen mit Vibrationen oder ungewollten Quer- und Längskräften.
- Positionstest: Bei diesem Test wird geprüft, ob die Kontaktterminals im Stecker richtig positioniert sind. Zum Einsatz kommen hier sogenannte Tellerkontaktstifte, auch T-Kopf-Stifte oder Tellernadeln genannt. Sie sind in vielen verschiedenen Varianten erhältlich.
- Verrasttest: Bei der Verrastprüfung wird zusätzlich gecheckt, ob die Kontaktterminals im Steckverbinder eingerastet sind, um den elektrischen Kontakt dauerhaft herzustellen. INGUN bietet hier spezielle Verrastnadeln (engl. push back probes), die ein ungewolltes Herausrutschen der Kontakt-Terminals feststellen können.
- Prüfung von Kabelschuhen: Die Kontaktierung von Steckverbindern mit geometrisch eindeutig ausgerichteten Kontaktterminals – wie Kabelschuhen – erfordert besondere Sorgfalt. Um Beschädigungen zu vermeiden, muss der Kabelschuh stirnseitig kontaktiert werden, ohne dass der Stift eindringt. Verdrehgesicherte Kontaktstifte von INGUN gewährleisten diese exakte Ausrichtung und eine schonende, zuverlässige Prüfung.
- Prüfung an koaxialen und Daten-Steckverbindern: Koaxiale Steckverbinder wie FAKRA besitzen einen Signalleiter und einen schirmenden Außenleiter. Bei der Durchgangsprüfung muss die Leitfähigkeit beider Leiter gesichert sein – ohne Kurzschluss. Die Hochspannungsprüfung (Hipot-Test) überprüft zusätzlich die Isolation, um Fehler oder Produktionsmängel frühzeitig zu erkennen. Diese Verfahren gelten auch für Datensteckverbinder wie H-MTD. Für die Prüfung werden spezielle Dipolstifte eingesetzt, optional auch für Hochspannungen bis mehrere Kilovolt.
- Dichtigkeitsprüfung: Beim Einsatz von Kabelbäumen im Außenbereich, etwa im Motorraum, ist ein sicherer Schutz vor Wasser, Staub und Umwelteinflüssen entscheidend. Dies wird durch Abdichtungen wie Bandmaterial, Kabeldurchführungen (Grommets) oder speziell abgedichtete Steckverbinder erreicht. Die Dichtigkeitsprüfung (Leckagetest) überprüft deren Wirksamkeit, indem über Prüfstifte in luftdichten Hülsen ein Über- oder Unterdruck erzeugt wird. Je nach Ausführung sind die Hülsen geschlossen oder besitzen eine Bohrung, die später verlötet wird.
Die zonale Architektur bringt die Automobilindustrie näher an das softwaredefinierte Fahrzeug heran – mit reduziertem Verkabelungsaufwand und standardisierten Schnittstellen. Damit die neuen Konzepte zuverlässig umgesetzt werden können, müssen jedoch auch die grundlegenden Elemente wie Kabelbäume höchsten Qualitätsstandards entsprechen. Umfangreiche, präzise Tests stellen sicher, dass Sicherheit, Konnektivität und Langlebigkeit gewährleistet sind. INGUN bietet hierfür ein breites Portfolio an Prüftechnologien, das Hersteller in allen Phasen der Transformation unterstützt – vom klassischen Domänen- bis zum modernen Zonenfahrzeug. So wird die Vision des rollenden Computers Schritt für Schritt Realität.