Vorlesung Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive

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1 Vorlesung Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik, Professur Softwaretechnologie WS 2008/2009 Dr. rer. nat. Bernhard Hohlfeld 1

2 Embedded Software-Engineering im Bereich Automotive Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik, Professur Softwaretechnologie WS 2008/2009 Vorlesungszeiten 6 Blöcke à 3 h bis Dezember 2008 entspricht 18 Zeitstunden Exkursion à 4,5 h insgesamt 22,5 h oder 2 SWS Termine Montag, 14:50 16:20, 16:40 18: , , , , , Ersatztermine: , Exkursion: , Raum E09 Dozent Dr. rer. nat. Bernhard Hohlfeld bernhard.hohlfeld@daad-alumni.de 2

3 Exkursionen Werksbesichtigung Gläserne Fabrik in Dresden (Montage Volkswagen Phaeton) Termin , 9:30 Kosten: 45 EURO für die Gruppe Teilnehmer: max. 25 Personen Anmeldung bis per an Name, Vorname, -adresse Anmeldungen werden in der Reihenfolge des Eingangs berücksichtigt Halbleiter-Entwicklung und Fertigung für Automotive in Dresden ( Angefragte Termine: , Absage durch Infineon Porsche Leipzig Lehrstuhl KFZ-Elektronik / Prof. Bäker KFZ-Zulieferer im Raum Dresden Über Prof. Bäker? Digades (Zittau) 3

4 Inhalt und Zeitplan 1. Motivation und Überblick (20.10.) 2. Grundlagen Fahrzeugentwicklung, KFZ-Elektronik und Software bis 3. Historische Entwicklung von Hardware und Software im KFZ (20.10.) 3. Übersicht Automotive Elektrik/Elektronik-Entwicklung (E/E) 4. Protokolle und Bussysteme 5. Betriebssysteme und standardisierte Systemarchitekturen 6. Verfahren für die Embedded Software Entwicklung 7. Unterstützungsprozesse für die Embedded Software Entwicklung 8. Wichtige Normen/Standards/Empfehlungen für die Embedded Software Entwicklung 4

5 2. Grundlagen Fahrzeugentwicklung, KFZ-Elektronik und Software 1. Wichtige Grundbegriffe, Wirtschaftliche Situation und Bestandsaufnahme Automotive Markt (20.10.) 2. Hersteller (OEM) und Zulieferer-Landschaft (20.10.) 3. Historische Entwicklung von Hardware und Software im KFZ (20.10.) 4. Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 5. Anwendungsdomänen 6. Trends in der Fahrzeugentwicklung 5

6 4. Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 6

7 4. Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 7

8 Phasen der Fahrzeugentwicklung (Schematisch) Anstösse Kundenwünsche Technischer Fortschritt Wettbewerbsdruck Gesetzliche Bestimmungen T-50 Strategiephase T-36 Produktkonzept-Phase T-18 Produktentwicklung Produktion T=0 Strategie Konzeption Prozessentwicklung Entwicklung 8

9 Ideenfindung T-50 T-36 Strategiephase Innovationsfelder Produktportfolio Konzeptphase Gesamtfahrzeug Konzeptheft Markt Kunde Wettbewerber Gesetzgeber Lieferant Carry-over Parts Neu-Teile Vernetzung 9

10 Ideenfindung: Treiber und Methoden 10

11 4.Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 11

12 Entwicklungsablauf: Erfolgsfaktoren Theorie Lastenheft Projektbearbeitung: Management und Engineering A-Muster B-Muster C-Muster: keine funktionale Änderung SOP (Start of Production) Praxis C-Muster erhebliche funktionale Erweiterung in Software Risiken Nachbesserung nach SOP SOP-Verzögerung Rückrufaktionen 12

13 Entwicklungsablauf: Prototypen und Erprobung A-Muster Einbaudummy Emulierte Systeme Bedingt funktionsfähig B-Muster Bedingt funktionsfähig Nicht alle Funktionen implementiert C-Muster Entspricht Bauform und Funktionen Kleinserienteile D-Muster Erste Serienteile unabgestimmt 13

14 Entwicklungsablauf: Erfolgsfaktoren Konzeption Entwicklung Produktion Produktentwicklung Prozessentwicklung Lieferantenauswahl 14

15 Phasen der Fahrzeugentwicklung Konzeption Entwicklung Produktion Lastenhefterstellung Konstruktion Konstruktion Prototypen erstellen Serienwerkzeugerstellung Teilefreigabe Design Freeze Prozessfreigabe Werkzeugfreigabe Erstmusterfreigabe Prozessfreigabe Testen Konstruktion Prototyp 1 Erprobung 1 Prototyp 2 Prototypenfreigabe Prototypenfreigabe Prototypenfreigabe Erprobung 2 Prototyp 3 Erprobung 3 15

16 Phasen der Fahrzeugentwicklung Entwicklung Nachweis Konzepttauglichkeit 100% Konzeptbestimmende Technologien früh im Prozess validieren Neue Technologien Komplexe Module Langläufer-Entwicklungen Bekannte Technologien im Laufe der Entwicklung validieren Varianten bekannter Lösungen Bauteilanforderungen koordinieren zwischen verschiedenen Abteilungen verschiedenen Zulieferern Vorteile Absichern Risiko-Bereiche Projektstart beschleunigen Konzeption Entwicklung Produktion

17 Phasen der Fahrzeugentwicklung Entwicklung: Design Freeze Lastenheft verabschiedet Vertragsgrundlage Produktkonstruktion abgeschlossen Serienwerkzeug-Freigabe Änderungsmanagement wird gestartet Konzeption Entwicklung Produktion

18 Phasen der Fahrzeugentwicklung Entwicklung: Prototypen-Vorserie Prototypenbereitstellung Montagekonzepte realitätsnah erproben Entwicklung: Null-Serie Zulieferer: Erstmusterabnahme inklusive Erstmusterprüfbericht (EMPB) Start Prozessfreigabe OEM: Abgestimmte serienwerkzeugfallende Teile 100% Serien-Montageprozess Prozessabläufe verabschiedet Serientaktzeiten noch nicht erreicht Konzeption Entwicklung Produktion

19 Phasen der Fahrzeugentwicklung Entwicklung: SOP Job #1 Übergabe der Produktverantwortung von Entwicklung an Produktion Erste Produktionsmonate: Fehlerbehebung Bandanlauf (stufenweise Umstellung oder Neuanlauf) Lagerproduktion (Lieferung an viele Händler gleichzeitig) Pressevorstellung Händlereinführung Serienproduktion: 3-6 Jahre Modellpflege / Facelift Bauteiloptimierung / Fehlerbehebung Konzeption Entwicklung Produktion T=0 19

20 4.Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 20

21 Qualitätsstandards ISO 9000 Darstellung eines QM-Systems Branchenneutral QS 9000 Höhere Forderungen Kundenzufriedenheit Kaizen Ergebnisorientiert Interdisziplinäre Teamarbeit Kunden-Lieferanten VDA 6.1 Forderungen als Fragen mehr Elemente als ISO 9000 / QS 9000 Reihenfolge geändert ISO/TS Weltweit Weiterentwicklung des ISO 9001 zwingende Qualifikation der Automobilzulieferer 21

22 Qualitätssicherung: Standards und Methoden 22

23 Qualitätssicherung: Standards und Methoden Übung FMEA? R.B.Shaw R.Frost 23

24 Qualitätssicherung: Standards und Methoden 24

25 4.Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 25

26 Fahrzeugentwicklung: Produktion Montagemethoden Großserien Modular Fließbandproduktion bei OEM Kleinserien Outsourcing Beispiele: Mercedes E500 bei Porsche, Porsche in Finnland Veredelte Fahrzeuge Outsourcing Beispiel: AMG Maßgeschneiderte Fahrzeuge Manufaktur Beispiele: Maybach in Sindelfingen, Phaeton in Dresden 26

27 Fahrzeugentwicklung: Produktion Zulieferer / Supplier Park 27

28 4.Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 28

29 Rechtliche Aspekte Letter Of Intent Zusammenfassung der Verhandlungspositionen Keine strikte Bindungswirkung aber: vorvertragliches Vertrauensverhältnis ( 311 BGB) NDA / IP Einkaufsbedingungen AGB des OEM und des Zulieferers nicht ohne Widerspruch Empfehlung des VDA QSV Qualitätssicherung Dokumentation ( D-Kennzeichnung ) Bei Dissens: allgemeine gesetzliche Regelung (evtl. UN-Kaufrecht) Lieferbedingungen JIT-Lieferungen Einzelheiten geregelt im Einzelvertrag (i.d.r. in der QSV) Einbauanweisungen: Teil der Lieferung 29

30 Rechtliche Aspekte Garantie ( 443 BGB) 24 Monate nach Kauf Hemmung der Verjährung maximal 5 Jahre nach Lieferung an OEM Gewährleistung frei von Sachmangel heißt ( 434 BGB): vereinbarte Beschaffenheit bei Gefahrenübergang bzw. geeignet für vorausgesetzte Verwendung bzw. geeignet für gewöhnliche Verwendung, üblich bei ähnlichen Sachen Toleranzbereich Nachbesserung Neulieferung Risiken Einschätzung ohne ausreichende Daten nicht im Preis kalkuliert 30

31 Rechtliche Aspekte Rückrufaktionen Der Zulieferer ist grundsätzlich verpflichtet, sein Produkt auf dem Markt zu beobachten und gegebenenfalls Gefahrabwendungsmaßnahmen zu ergreifen Primäre Produktbeobachtungs- und Rückrufverantwortung beim OEM. Sekundärpflicht des Zulieferers wird zur Primärpflicht, wenn OEM trotz Gefahr für Leib und Leben ablehnt. GVO (Gruppenfreistellungsverordnung) Verstärkung des Wettbewerbs, Unabhängigkeit von OEM Vertrieb von Fahrzeugen Autoteilen Wartungsdienstleistungen Zugang für unabhängige Marktbeteiligte zu technischen Informationen zu Autoteilen 31

32 Rechtliche Aspekte Altfahrzeug-Gesetz Hersteller: muss Rücklagen bilden muss Altfahrzeuge unentgeltlich zurücknehmen Letzthalter muss Fahrzeug bei anerkannter Rücknahmestelle überlassen ab 2006: Wiederverwendung und Verwertung mindestens 85 Gewichts-% ab 2015 Wiederverwendung und Verwertung mindestens 95 Gewichts-% 32

33 4.Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 33

34 Logistik 34

35 Logistik 35

36 4.Fahrzeugentwicklung: Von der Idee bis zur Markteinführung 1. Ideenfindung 2. Entwicklungsablauf 3. Qualitätssicherung 4. Produktion 5. Rechtliche Aspekte 6. Logistik 7. Vertrieb und Marketing 36

37 Marktanteilprognose Neuwagenhandel in Deutschland (in Mrd. Euro bzw. %) 37

38 5.Anwendungsdomänen 38

39 Automotive Markt: Anforderungen An ein modernes Automobil werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt! Unterschiedliche Anforderungen erfordern unterschiedliche Lösungen! 39

40 Fahrzeugsysteme 40

41 Elektronische Systeme im Fahrzeug Anwendungsdomänen und elektronische Subsysteme (in diesem Abschnitt nach Schäuffele / Zurawka: Automotive Software Engineering) Antriebsstrang (Powertrain) Fahrwerk (Chassis) Karosserie (Body) Multi-Media (Telematics) Auch andere Klassifizierungen gebräuchlich (Beispiel Mercedes-Benz Technik transparent) Aktive Sicherheit Passive Sicherheit Karosserie Fahrwerk Innenraumtechnik Elektronik Motoren/Getriebe 41

42 Antriebsstrang 42

43 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs (I) Aggregate und Komponenten des Antriebsstrangs Antrieb Verbrennungsmotor Elektromotor Hybridantrieb Brennstoffzelle Kupplung Getriebe Schaltgetriebe Automatikgetriebe Verteilergetriebe Vorderachsgetriebe Hinterachsgetriebe Antriebs- und Gelenkwellen 43

44 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs (II) Nebenaggregate Starter Generator Beispiele für elektronische Systeme des Antriebsstrangs Motorsteuergeräte Getriebesteuergeräte (nach Schäuffele / Zurawka: Automotive Software Engineering) 44

45 Fahrwerk 45

46 Elektronische Systeme des Fahrwerks (I) Komponenten des Fahrwerks Achsen und Räder Bremsen Federung und Dämpfung Lenkung 46

47 Elektronische Systeme des Fahrwerks (II) Beispiele für elektronische Systeme des Fahrwerks Antiblockiersystem (ABS) Elektronische Bremskraftverteilung (EBV) Fahrdynamikregelung / Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Feststellbremse Reifendrucküberwachung Luftfederung Wankstabilisierung Servolenkung Überlagerungslenkung Bremse Elektrohydraulisch Elektromechanisch X-By-Wire Brake-By-Wire Steer-By-Wire, 47

48 Elektronische Systeme des Fahrwerks (III) Einige der elektronische Systeme des Fahrwerks wie z.b. Antiblockiersystem (ABS) Elektronische Bremskraftverteilung (EBV) Fahrdynamikregelung / Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) werden auch als Aktive Sicherheitssysteme bezeichnet Aktive Sicherheit Ziel: Vermeidung von Unfällen 48

49 Karosserie 49

50 Elektronische Systeme der Karosserie (I) Komfortsysteme Fahrzeugzugangssystem Zentralverriegelung Funkschlüssel Diebstahlwarnanlage Fensterheber Heckklappe Cabrioverdeck Wischer und Regensensoren Spiegel Verstellung Abblendung Heizung Lenkradverstellung 50

51 Elektronische Systeme der Karosserie (II) Komfortsysteme Heizung und Klimatisierung des Innenraums Beleuchtung des Innenraums Fahrzeugscheinwerfer Steuerung Reinigung Einparkhilfen Passive Sicherheitssysteme Rückhaltesysteme (z.b. Gurtstraffer) Airbagsteuerung incl. Sitzbelegungserkennung Aktive Sicherheitsüberrollbügel Passive Sicherheit Ziel: Minderung der Unfallfolgen 51

52 Multi-Media-Systeme / Telematik 52

53 Multi-Media-Systeme / Telematik Kombiinstrument Tuner Antennen Verstärker Audiosystem (Kassette) CD MP3 (Datenträger: USB, HD,..; ipod) Videosystem Navigationssystem Telefon Sprachbedienung Internetzugang 53

54 Domänanübergreifende Systeme Beispiel Adaptive-Cruise-Control-System (ACC) / Abstandsregeltempomat Weiterentwicklung des klassischen Tempomaten Sensor (z.b. Radar) Abstand Relativgeschwindigkeit vorausfahrender Fahrzeuge Steuerung der Längsdynamik durch gezieltes Beschleunigen und Verzögern zum Einhalten eines konstanten Abstands Steuergeräte Motorsteuergerät (Antriebsstang) Getriebesteuergerät (Antriebsstrang) ESP-Steuergerät (Fahrwerk) 54

55 Adaptive Cruise Control (Quelle MAN) 55

56 Adaptive Cruise Control (Quelle MAN) Sicherheit und Bedienkomfort durch abstandsabhängige Fahrgeschwindigkeitsregelung Geschwindigkeit wird häufig unterschätzt und der Abstand zum Vordermann leicht überschätzt. Das ACC-System ist in der Lage, sowohl die Fahrgeschwindigkeit als auch den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug im Rahmen der getroffenen Voreinstellungen selbstständig anzupassen. Es kann ab einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h genutzt werden. Der hauptsächliche Einsatzbereich liegt jedoch bei Fahrten auf Schnellstraßen und Autobahnen. Funktion und Bedienung Der ACC-Radarsensor mit ca. 150 Meter Sichtweite erkennt den Abstand und die Relativgeschwindigkeit der vorausfahrenden Fahrzeuge auf der eigenen Fahrspur. Das ACC-Steuergerät errechnet aus den Sensordaten, dem eigenen Spurverlauf, der Eigengeschwindigkeit und den Fahreraktionen die beste Annäherungsstrategie und steuert das Motormoment und das Bremsenmanagement (Dauer- und Betriebsbremse) an. Die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs wird aktiv geregelt und dadurch der Abstand zum Vorausfahrenden eingehalten. Die Bedienung des ACC erfolgt wie bisher über den Tempomathebel. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Sollabstand nach Fahrerwunsch einzustellen, voreingestellt ist der in Deutschland gesetzlich vorgeschriebene Mindestabstand von 50 Metern. Der Fahrer behält die volle Verantwortung über das Fahrzeug und hat jederzeit die Möglichkeit das ACC-System mit dem Gaspedal zu übersteuern. Bei Betätigung des Bremspedals / Retarderhebels schaltet sich das System ab. 56

57 6.Trends in der Fahrzeugentwicklung 1. Überblick 2. Innovationsgebiete 3. Entwicklungsmethodik 4. Produktionsmethodik 5. Service 57

58 6.Trends in der Fahrzeugentwicklung 1. Überblick 2. Innovationsgebiete 3. Entwicklungsmethodik 4. Produktionsmethodik 5. Service 58

59 Generelle Evolutionsgebiete 59

60 Einsparpotential Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 60

61 6.Trends in der Fahrzeugentwicklung 1. Überblick 2. Innovationsgebiete 3. Entwicklungsmethodik 4. Produktionsmethodik 5. Service 61

62 Innovationen in den einzelnen Domänen Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 62

63 Evolution der Wertanteile im Automobil Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 63

64 Beispiel Sicherheit Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 64

65 Beispiel Antrieb: Hybride Antriebe und alternative Kraftstoffe Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 65

66 Beispiel Brennstoffzelle Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 66

67 Beispiel Werkstoffe: Stahl bleibt Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 67

68 Beispiel Werkstoffe: Gewichtsreduzierung Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 68

69 6.Trends in der Fahrzeugentwicklung 1. Überblick 2. Innovationsgebiete 3. Entwicklungsmethodik 4. Produktionsmethodik 5. Service 69

70 Bauteilauslegung: Integration 70

71 6.Trends in der Fahrzeugentwicklung 1. Überblick 2. Innovationsgebiete 3. Entwicklungsmethodik 4. Produktionsmethodik 5. Service 71

72 Bewältigung der Modellvielfalt Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 72

73 Modulare Karosserie Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 73

74 6.Trends in der Fahrzeugentwicklung 1. Überblick 2. Innovationsgebiete 3. Entwicklungsmethodik 4. Produktionsmethodik 5. Service 74

75 Unzufriedenheit mit Dienstleistung 75

76 Traditionelle Händler unter Druck 76

77 Wo wurde dieses Fahrzeug aufgenommen? 77