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Elektronik im Fahrzeug – mehr als nur Bits und Bytes Neue Funktionalitäten, Eigenschaften und zusätzliche Features bestimmen den Innovationsgrad heutiger Fahrzeuge. Die steigende Anzahl und Vernetzung dieser Funktionen im Fahrzeug, die Erhöhung der Produktqualität und der Systemstabilität sowie die Reduktion von Prototypen und deren Kosten sind die aktuellen Herausforderungen in der Fahrzeugindustrie. Der Bereich E/E am VIRTUAL VEHICLE stellt sich diesen Herausforderungen. Heutige Fahrzeuge sind ein Paradebeispiel an hochvernetzten Systemen, die über verschiedenste Kommunikationswege (CAN, FlexRay, Ethernet) Informationen zeitgerecht, sicher und zuverlässig zwischen Steuergeräten, Sensoren und Aktuatoren austauschen müssen. Gerade im Wettbewerb der Automobilhersteller werden Innovationsfähigkeit im Elektronikbereich und Beherrschung der Systemkomplexität zu zentralen Erfolgsfaktoren. Die ständig steigende Anzahl der Funktionen erstreckt sich mehr und mehr über alle Funktionsbereiche. Konzentrierte sich die Funktionserweiterung in der Vergangenheit vorwiegend auf die Bereiche Karosserieelektronik und Infotainment, erfordern neue Sicherheits- und Komfortfunktionen wie Keyless-Entry, Fahrwerkregelsysteme, Vernetzung von Infotainment-Komponenten, neue Fahrerassistenzsysteme und der rasante Anstieg der Elektrifizierung des Antriebsstranges und der beteiligten Nebenaggregate, eine stärkerer Vernetzung aller Funktionsbereiche. Die funktionalen Anforderungen werden - bedingt Abbildung 1: Forschungslandschaft des Bereiches E/E am VIRTUAL VEHICLE Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF 4 magazine Nr. 11, I-2012 durch die große Funktionsspanne zwischen Basis- und Premiumausstattung differieren sie stark - durch Anforderungen hinsichtlich Qualität, Diagnostizierbarkeit, Testbarkeit sowie Methoden und Prozessen zu Fahrzeug-übergreifenden Elektroniksystemen ergänzt. Der Bereich E/E am VIRTUAL VEHICLE erforscht und entwickelt neue Methoden und Werkzeuge, um die Fahrzeugindustrie in einer Vielzahl von Problemstellungen – durchgängiger Entwurf eingebetteter Systeme, aktive und funktionale Sicherheit (ISO 26262), Echtzeitmodellierung und Echtzeitkopplung, moderne Regelstrategien, „Restfahrzeugsimulation“, Komponentenmodelle mit verbesserter Prognosefähigkeit (z.B. Zellalterung, elektrifiziertes Getriebe, Kupplung, Sensoren, Aktuatoren) – zu unterstützen. Abbildung 1 zeigt einen Überblick über die Bandbreite der Themen, die im Bereich E/E mit renommierten nationalen und internationalen Industriepartnern und Universitätsinstituten untersucht und erarbeitet werden. Sicherheit rückt in den Mittelpunkt Neue Aufgabenstellungen im Bereich der alternativen Antriebe, der funktionalen Sicherheit von eingebetteten Systemen und der integralen Sicherheit erhöhen die Komplexität der Systemauslegung. Der Bereich E/E am VIR- TUAL VEHICLE setzt entsprechende Akzente in der Erarbeitung von Methoden, Prozessen, Simulations- und Testumgebungen für heutige und zukünftige aktive Sicherheitssysteme, Hochvoltsysteme in alternativen Antriebskonfigurationen und zur Erfüllung funktionaler Sicherheitsvorgaben in der Entwicklung von intelligenten eingebetteten Systemen mit Bezug auf das Gesamtfahrzeug. Abbildung 2 zeigt eine mögliche Klassifizierung der Thematik „Sicherheit im Fahrzeug“ ausgehend von den etablierten Begriffen der aktiven und passiven Fahrzeugsicherheit. Die integrale Sicherheit ist ein interdisziplinäres Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Dies zeigt sich an der Vielfalt notwendiger Methoden und Werkzeugen zur Auslegung und Integration solcher Systeme: Mechanik, numerische Methoden, Sensorik und Aktuatorik, Signalverarbeitung und Echtzeitregelung, mechanische/elektrische/elektronische Integration, Embedded Software sind nur einige der beteiligten Wissensfelder. Die Einführung des Sicherheitsstandards ISO 26262 im Jahr 2011 unterstreicht die enorme Wichtigkeit der funktionalen Sicherheit im Bereich Software und Elektronik im Fahrzeug. Die ISO 26262 ermöglicht die Entwicklung von elektronischen Systemen, die das Auftreten von sicherheitskritischen Fehlern verhindern sollen. Speziell bei Lenksystemen,
Abbildung 2: Klassifizierung der Sicherheit in zukünftigen Fahrzeugen Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF Rückhalte- oder Fahrzeugstabilitätssystemen könnten solche Fehler fatale Folgen haben. Modellbasierte Methodik – nicht nur auf die Software-Entwicklung beschränkt! In den letzten Jahren fand ein Paradigmenwechsel von traditionellen Entwicklungsmethoden zu modellbasierten Ansätzen in der Entwicklung von E/E Systemen statt. Diese unterstützen die ganzheitliche Sichtweise auf die Wertschöpfungskette unter Berücksichtigung aller Phasen des Entwicklungsprozesses (Anforderungen, Konzept, Datenmodelle, Entwicklung, funktionale Absicherung, Produktion) und deren Optimierung. Modellbasierten Methoden unterstützen die gesamtheitliche, domänenübergreifende Modellierung komplexer Systeme bestehend aus elektrischen / elektronischen / mechatronischen Komponenten, Sensoren, Analog/Digital Umsetzung, Steuerungs- und Regelungsalgorithmen und dem (sicherheitskritisches) Kommunikationsnetzwerk (Abbildung 3). Auf diese Weise lässt sich das Design validieren, simulieren und optimieren – und jede Einzelfunktion auf ihre Anforderungen hin überprüfen sowie mit Test- und Verifikationsstrategien verknüpfen. Damit kann bereits in der frühen Phase sichergestellt werden, dass z.B. Regelungssysteme die gestellten Anforderungen an z.B. Regelgenauigkeit, Timings oder Regeldynamik auch wirklich erfüllen. In Zukunft werden Innovationen nur über hochvernetzte und komplexe Systeme zu realisieren sein. In modernen Fahrzeugen des Premiumsegments sind bereits ca. 60–80 Steuergeräte unterschiedlicher Zulieferer beteiligt, die über eine zweistellige Anzahl von Bussystemen miteinander kommunizieren. Innovationen kommen bereits heute zu 80-90% aus der Elektronik. 2015 sollen bis zu 40% der gesamten Kosten eines Fahrzeugs durch das E/E System verursacht werden. Software im Antriebsstrang Gerade in der Entwicklung elektrifizierter und/ oder alternativer Antriebskonfigurationen spielen eingebettete Systeme, modellbasierte Software-Entwicklung und funktionale Sicherheit eine entscheidende Rolle. Eingebettete Systeme und damit der Bereich E/E übernehmen zunehmend die funktionale Integrationsrolle in der Fahrzeugentwicklung. Abbildung 4 zeigt, dass die Interaktion und Kommunikation elektrifizierter Antriebsstrangkomponenten nicht nur über eine mechanische Kopplung erfolgt, sondern in die Kommunikationsarchitektur eingebettet ist (z.B. über CAN). Die in den Steuergeräten (xCU) abgebildeten Funktionalitäten unterliegen einer ständig steigenden Komplexität. Dies begründet sich darin, dass die etablierten Steuergerätefunktionen stark erweitert und darüber hinaus vollständig neue Funktionalitäten im Zusammenspiel mit anderen Steuergeräten im Verbund (siehe Abbildung 4) realisiert werden. Durch letzteres ergeben sich zahlreiche Abhängigkeiten, so dass heute ein komplexes Gesamtsystem nur mit verteilten Funktionen realisierbar ist. Darüber hinaus ergibt sich durch die unterschiedlichen Antriebsstrangtopologien und Kommunikationsarchitekturen in den verschiedenen Märkten der Welt die Notwendigkeit, Funktionen so zu gestalten, dass diese wiederverwendbar und skalierbar sind. Der Forschungsbereich E/E und Embedded Software erforscht und implementiert neue Methoden, Prozesse und Werkzeuge, um die zunehmende Komplexität sicherheitskritischer Systeme speziell in der Funktionsentwicklung alternativer Antriebe auch zukünftig beherrschen zu können. Der „HiL Boom“ – Kombination von Simulation und Versuch Obwohl in vielen Bereichen Gesamtfahrzeugprototypen aktuell noch nicht wegzudenken sind, dienen immer mehr Ersatzversuche bzw. sogenannte hybride Umgebungen (Kombination von Simulation und Versuch: hardware-inthe-loop, HiL) als Basis für den Gesamtfahrzeugversuch und -absicherung. HiL Systeme finden sich inzwischen in vielen Bereichen, z.B. Antriebsstrang, Infotainment, aktive Sicherheit, Thermalsysteme, Fahrwerk, Verbrauch oder bei Szenario-basierten Testläufen. Die Reduktion der Anzahl von Prototypen speziell in der Entwicklung von Derivaten und von alternativen Antriebskonzepten wird als die Herausforderung in den nächsten 5 – 10 Jahren bei allen Automobilherstellern gesehen. magazine Nr. 11, I-2012 5
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