1 Elektronik im Fahrzeug

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1 1 Elektronik im Fahrzeug 1.1 Historische Entwicklung der Elektronik im Fahrzeug In den sechziger Jahren bestand die elektrische Ausrüstung von Kraftfahrzeugen aus elektrischen Komponenten wie Kabeln, Steckverbindern, Schaltern, Lampen, dem Zündverteiler, Zündspulen und Zündkerzen. Erst nach 1970 kamen elektronische Bauteile (Halbleiter und Logikbausteine) hinzu. Das erste ABS-System von BOSCH (1978) bestand noch aus einer maßgeschneiderten Lösung mit integrierten Bausteinen, doch folgte bald der Einsatz von Mikroprozessoren (z. B. INTEL 8051) und damit die Umsetzung von Funktionen mit Software. Dabei unterscheidet sich die Software-Entwicklung für diese Systeme, die auch als Embedded Systems (eingebettete Systeme) bezeichnet werden, grundsätzlich von der Software-Entwicklung für PCs, da in der Regel spezielle, echtzeitfähige Betriebssysteme (z. B. OSEK 1 ) verwendet werden und weder Festplatten, noch eine Tastatur oder ein Monitor zur Verfügung stehen. In Abhängigkeit vom Funktionsumfang und der Leistungsfähigkeit der Hardware können eingebettete Systeme auch ganz ohne Betriebssystem realisiert werden. Speziell in diesem Fall muss dann die Software der Hardware auf den Leib geschneidert werden. Elektronische Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) sind mikroprozessorbasierte Module, die nach dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) arbeiten. Sie setzen Eingangssignale in Ausgangssignale um und realisieren so spezielle Funktionen, z. B. das Steuern des Zündzeitpunktes beim Motor, das Wechseln von Gängen beim Automatikgetriebe oder das automatische Abblenden der Scheinwerfer bei Gegenverkehr. Bei der Spezifikation eines Fahrzeugs steht die Beschreibung von Funktionen an erster Stelle. Es wird beschrieben, was zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen gesteuert und geregelt werden soll. Die Beschreibung der Funktionen erfolgt zunächst unabhängig von der Realisierung. Erst im zweiten Schritt wird entschieden, wie diese Funktionen umgesetzt werden. Je nach Komplexität einer Funktion steht eine Umsetzung mit mechanischen, hydraulischen, elektrischen oder elektronischen Komponenten zur Wahl. In der Regel werden gemischte Kombinationen (z. B. elektrohydraulische Bremse) eingesetzt. Die Forderung nach niedrigen Stückkosten, kleinen Abmessungen und geringem Gewicht, sowie hoher Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit führte im Laufe der Jahre zu einer Verlagerung der Entwicklungsaufwendungen von der Hardware zur Software. Bild 1.1 zeigt die historische Entwicklung des ABS-Steuergerätes von Continental Automotive Systems. Trotz der Zunahme des Funktionsumfangs (z. B. durch die Integration von ESP) wurden in wenigen Jahren zudem die Abmessungen und das Gewicht der Hardware deutlich reduziert. 1. Siehe Glossar

2 2 1 Elektronik im Fahrzeug Bild 1.1: Reduzierung der Abmessungen und des Gewichts am Beispiel elektronischer Bremssysteme (Foto: Continental AG) In der Regel werden moderne Oberklassefahrzeuge als Technologieträger zur Entwicklung und Einführung neuer Technologien und Funktionen verwendet. Heute liegt die Anzahl der Steuergeräte in einem dieser Fahrzeuge im oberen, zweistelligen Bereich. Mit zunehmender Stückzahl und den damit verbundenen sinkenden Preisen finden diese Funktionen dann auch in anderen Fahrzeugklassen Anwendung. So gehören heute Funktionen wie ABS, ASR oder auch elektrische Fensterheber zur Serienausstattung. Trotz der vielfältigen technischen Möglichkeiten, die der Einsatz elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug bietet, sollte stets der Nutzen für den Kunden im Vordergrund stehen. Wichtige Nutzenargumente für den Einsatz elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug sind: Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Reduzierung der Schadstoffemissionen Reduzierung der Geräuschentwicklung Erhöhung des Komforts Erhöhung der Sicherheit In den ersten Jahren wurde jedem Steuergerät eine festgelegte Funktion oder Funktionsgruppe zugewiesen. Durch die zunehmende Leistungsfähigkeit der Mikroelektronik besteht heute jedoch die Möglichkeit, mehrere Funktionsgruppen auf ein- und derselben Hardware zu realisieren. Darüber hinaus können Funktionen auch auf mehrere Steuergeräte verteilt werden. Beispiele für verteilte Funktionen finden sich in Systemen mit Sicherheitsrelevanz, in der Wegfahrsperre oder in der gesetzlich vorgeschriebenen On-Board Diagnose (OBD) zur Überwachung des Abgasverhaltens.

3 1.1 Historische Entwicklung der Elektronik im Fahrzeug 3 Mit zunehmender Komplexität der Funktionen und der damit verbundenen Zunahme der Steuergeräteanzahl stieg zwangsläufig auch die Zahl benötigter Eingangssignale. Es gibt eine Vielzahl an Eingangssignalen, die nicht nur von einer, sondern von mehreren Funktionen benötigt werden. So wird zum Beispiel das simple Eingangsignal der Rückwärtsgang ist eingelegt nicht nur vom Getriebesteuergerät, sondern auch vom Lichtsteuergerät für den Rückfahrscheinwerfer, vom Motorsteuergerät und vom ABS verwendet, aber auch für Sonderfunktionen, wie das Umschalten der Klimaanlage auf Umluft, damit die eigenen Abgase beim Rückwärtsfahren nicht in den Innenraum gelangen. Onboard-Kommunikation Nicht nur aus Kostengesichtspunkten, sondern auch aus Gründen der Datenkonsistenz ist es sinnvoll, dass Eingangsinformationen nur einmal erfasst und dann allen Funktionen zur Verfügung gestellt werden. Da die bis dahin bekannten Systeme zum Austausch von Daten zwischen Steuergeräten für den Einsatz in Fahrzeugen nicht geeignet waren, entwickelten die Fahrzeughersteller Anfang der achtziger Jahre eigene, serielle Bussysteme (z. B. ABUS oder VAN), und BOSCH begann mit der Entwicklung des CAN, der heute als Standard für die Datenkommunikation im Fahrzeug gilt. Ein Vorteil der Einführung der digitalen, seriellen Datenkommunikation liegt nicht nur in der Einsparung von Sensoren, sondern vielmehr in der Realisierbarkeit komplexer Funktionen durch Software, da nicht nur Eingangssignale von Sensoren, sondern alle für die jeweilige Funktion benötigten Daten systemweit zur Verfügung gestellt werden können, z. B. auch Ergebnisse komplexer Berechnungen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabenstellung, den Kosten, der Datenrate, der Sicherheitsrelevanz und dem Determinismus wurde im Laufe der Jahre eine Vielzahl an seriellen Bussystemen entwickelt, von denen sich heute SAE J1850, CAN, LIN, MOST, IDB-1394 und FlexRay als Standard für die Datenkommunikation im Fahrzeug weitgehend etabliert haben. Diese Art der Kommunikation wird auch als in-vehicle-communication oder Onboard-Kommunikation bezeichnet. Da die in einem Fahrzeug verfügbaren Daten auch von Steuergeräten benötigt werden, die physikalisch zu unterschiedlichen Bussystemen gehören, wurden ab 1990 Mechanismen entwickelt, um verschiedene Bussysteme physikalisch und logisch miteinander zu verbinden. Die Verbindung verschiedener Bussysteme (Vernetzung) im Fahrzeug wird mit Gateways realisiert. So hat zum Beispiel der Phaeton der Volkswagen AG mehr als 60 Steuergeräte, die über drei Bussysteme kommunizieren, wobei mehr als 3800 Meter Kabel mit 2100 Einzelleitungen 2500 Signale übertragen. Allein der Kabelbaum wiegt 85 kg.

4 4 1 Elektronik im Fahrzeug Offboard-Kommunikation OBD (On-Board Diagnose, siehe auch Abschnitt 8.13) wird als Funktion des Fahrzeugs aus Umweltschutzgründen vom Gesetzgeber vorgeschrieben. 2 Das OBD-System eines Fahrzeugs überwacht alle Komponenten, die am Schadstoffemissionsverhalten des Fahrzeugs beteiligt sind. Bei Auftreten eines Fehlers wird dieser in einem Fehlerspeicher abgelegt. Um den Fehlerspeicher auslesen zu können, schreibt der Gesetzgeber eine standardisierte Schnittstelle zum Anschluss eines externen Testsystems, dem sogenannten OBD Scan Tool, vor. Die Kommunikation der Steuergeräte eines Fahrzeugs mit einem externen Tester wird auch als Offboard-Kommunikation bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen Onboard- und Offboard-Kommunikation besteht darin, dass bei der Offboard-Kommunikation ein spezielles Diagnoseprotokoll verwendet wird, weshalb die Offboard-Kommunikation auch als Diagnosekommunikation bezeichnet wird. Die Zunahme elektronischer Systeme in Fahrzeugen stellt auch die Werkstätten vor immer neue Herausforderungen. Der Servicetechniker muss in die Lage versetzt werden, durch den Anschluss externer Testsysteme Fehler zu finden und zu beheben. So macht nicht nur die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Diagnoseschnittstelle für das OBD-System die Einführung geeigneter Protokolle für die Kommunikation der Steuergeräte mit externen Testsystemen notwendig. Im Laufe der Jahre wurden die Diagnoseprotokolle immer wieder überarbeitet und erweitert, so dass die Offboard-Kommunikation heute in der gesamten Prozesskette eingesetzt wird, zum Beispiel bei der Re-Programmierung der Steuergeräte-Software durch Flash-Download Funktionsprüfung von Steuergeräte-Hardware und -Software Befüllung von Bremsanlagen in der Fahrzeugmontage 1.2 ECU-Hardware Bild 1.2 zeigt das Blockschaltbild eines elektronischen Steuergerätes. Die Hardware besteht aus Eingangsstufen (z. B. Analog-Digital-Wandlern), Ausgangsstufen (z. B. Leistungstransistoren), einer Schnittstelle für die Datenkommunikation und einem Mikrocontroller. Der Mikrocontroller besteht aus einem Prozessorkern (CPU = Central Processing Unit), Speicherbausteinen für die Software (z. B. ROM = Read Only Memory und EEPROM = Electrically Erasable Programmable ROM) und einem Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory). Elektronische Steuergeräte setzen Eingangssignale (Istwerte von Sensoren) in Ausgangssignale (Sollwerte für Stellglieder) um. Bei geschlossenen Regelkreisen durch Rückführung von Ausgangssignalen an Eingänge kann ein Steuergerät auch Regelungsfunktionen besitzen. 2. USA: EPA = Environmental Protection Agency, Europa: EU

5 1.2 ECU-Hardware 5 Bild 1.2: Blockschaltbild eines elektronischen Steuergerätes Eingangssignale, die nicht durch Datenkommunikation übertragen werden, stammen von analogen oder digitalen Sensoren, z. B. Drehzahlsensoren, Luft-Mengen-Messern, Temperatur-Sensoren (Luft, Öl, Kühlflüssigkeit) oder Bedienelementen. Ausgangssignale dienen der Ansteuerung von Stellgliedern (Aktuatoren), z. B. der Kraftstoff-Pumpe, der Einspritzanlage, der Ventile des Bremssystems oder den Stellmotoren für Spiegel, Scheinwerfer und die Klappen der Klimaanlage. Bild 1.3 zeigt beispielhaft die Hardware eines Steuergerätes für die Komfort- und Karosserieelektronik. Sensoren, Stellglieder und die elektronischen Steuergeräte sind elektrische Verbraucher. Elektrische Energie wird in Fahrzeugen vom Generator ( Lichtmaschine ) geliefert, der bei laufendem Motor mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, die Verbraucher versorgt und die Batterie aufladen muss, damit genügend Energie für den nächsten Startvorgang zur Verfügung steht. Im Laufe der Jahre stieg neben dem Aufwand an Verdrahtung und der Anzahl der Steckverbinder auch der Bedarf an elektrischer Leistung. Als Richtwert gilt, dass zum Erzeugen einer elektrischen Leistung von 100 Watt 0,17 Liter Benzin pro 100 km verbraucht werden. Aufgrund des steigenden Leistungsbedarfs der elektrischen Verbraucher wurde die Bordnetzspannung bereits in den 50er Jahren von nominell 6 Volt auf 12 Volt verdoppelt. Ein VW-Käfer verbrauchte 136 Watt. Sein Nachfolger, der heutige New Beetle, benötigt mehr als 2000 Watt.

6 6 1 Elektronik im Fahrzeug Bild 1.3: Hardware eines elektronischen Steuergerätes (Foto: Continental AG) Um den weiter steigenden Leistungsbedarf decken zu können, wurde Ende der neunziger Jahre intensiv an einer zweiten Bordnetzspannung (42 Volt) gearbeitet, doch wurden die Entwicklungsarbeiten Mitte 2004 aufgrund unbeherrschbarer Komplexität 3 eingestellt. Alternativ wird nun an einem intelligenten Powermanagement und an der Brennstoffzelle gearbeitet. Auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) elektronischer Systeme im Fahrzeug stellt besondere Anforderungen an die Entwicklungsingenieure. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist nur dann gewährleistet, wenn die Störfestigkeit des ganzen Fahrzeugs mindestens so hoch ist, dass es unter Einwirkung elektromagnetischer Störungen in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird und wenn die Störemission des Fahrzeugs einen definierten zulässigen Wert nicht überschreitet, d. h. das Fahrzeug selbst darf seine Umgebung nicht in unzulässiger Weise stören. Besonders bei der Datenkommunikation mit hohen Datenraten für sicherheitsrelevante Funktionen kommt der Sicherstellung der EMV große Bedeutung zu. 3. Bekanntgabe von BOSCH und SiemensVDO auf einer Veranstaltung der DaimlerChrysler AG.

7 1.3 Steuergeräte-Software Steuergeräte-Software Viele Funktionen moderner Fahrzeuge sind ohne elektronische Steuergeräte nicht realisierbar. Neben der Umsetzung der Funktionen und der Datenkommunikation mit anderen Steuergeräten und externen Testern ist es Aufgabe der Software, das System zu überwachen und die Funktion dauerhaft sicherzustellen. So werden beispielsweise Mechanismen zur Eigendiagnose implementiert: Sensoren und Aktoren werden überwacht, Kurzschlüsse und Unterbrechungen detektiert, Signale auf Plausibilität geprüft, Toleranzen sowie Langzeitdriften ausgeglichen und Fehler gemeldet. Ein typisches Beispiel für ein Eigendiagnosesystem ist auch das vom Gesetzgeber vorgeschriebene OBD-System, mit dem sichergestellt werden soll, dass die Luftverschmutzung durch das Fahrzeug vorgegebene Grenzwerte über die gesamte Lebensdauer und in allen Betriebszuständen nicht überschreitet. In der EU sollen die OBD-Bestimmungen in Zukunft auf sicherheitsrelevante Komponenten ausgeweitet werden. Mit weiter zunehmender Komplexität der Software sehen sich die Entwickler mit neuen Aufgaben konfrontiert: Um den Schutz gegen Viren, Manipulation und Missbrauch sicherzustellen, gehören in Zukunft Firewalls, Verschlüsselung, Authentifizierung und Digital Rights Management zur Software im Fahrzeug. Auch der quantitative Nachweis der funktionalen Sicherheit wird immer wichtiger. Übergeordnetes Ziel ist die Vermeidung oder die Beherrschung von Fehlern. Auf der Basis von Gefährdungspotentialen und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens gefährlicher Ausfälle werden so genannte Safety Integrity Level (SIL) 4 definiert. Aus dem SIL ergeben sich dann Maßnahmen für die Entwicklung und den Betrieb der Systeme mit sicherheitsrelevanten Funktionen. 1.4 Standardisierung Heute stellt die Beherrschbarkeit der Komplexität elektronischer Systeme und der Software eine besondere Herausforderung für Fahrzeughersteller und Zulieferer dar. Die Beherrschung der Komplexität der Software gelingt nur durch den Einsatz einheitlicher, standardisierter Methoden und einer Qualitätssicherung mit geeigneten Werkzeugen ( Tools ) für die Software-Erstellung und den Test. Standardisierung löst den Zielkonflikt auf, gleichzeitig die Kosten senken und die Qualität steigern zu müssen. So arbeiten die deutschen Fahrzeughersteller Audi, BMW, DaimlerChrysler, Porsche und Volkswagen in der Herstellerinitiative Software (HIS) gemeinsam an der Standardisierung von Software-Modulen für Netzwerke, der Prozessreifegrad-Ermittlung, dem Software-Test, Software-Tools und Methoden zur Programmierung von Steuergeräten. 5 Im Jahr 2003 gaben BMW, DaimlerChrysler, VW, Bosch, Continental und SiemensVDO auf der VDI-Tagung Elektronik im Kraftfahrzeug in Baden-Baden die Gründung einer weiteren Entwicklungspartnerschaft mit der Bezeichnung AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) bekannt. Bild 1.4 zeigt die AUTOSAR-Architektur für Steuergeräte-Software. 4. siehe IEC /EN Weitere Informationen:

8 8 1 Elektronik im Fahrzeug Ziele von AUTOSAR sind die Entwicklung einer standardisierten Software-Architektur und standardisierter Software-Schnittstellen für elektronische Systeme im Fahrzeug, um die Komplexität der Steuergeräte-Software beherrschbar zu machen. Im Einzelnen beschäftigt sich AUTOSAR mit der Modularisierung und der Konfiguration von Software-Komponenten, der Vereinheitlichung von Schnittstellen und der Entwicklung einer Laufzeitumgebung (AUTOSAR Runtime Environment RTE) unterhalb der Applikation. 6 Bild 1.4: AUTOSAR-Architektur für Steuergeräte-Software Auch die japanischen Fahrzeughersteller haben die Vorteile standardisierter Software- Module erkannt und gründeten mit JASPAR (Japan Automotive Software Platform and ARchitecture) eine Kooperation zur gemeinsamen Entwicklung eines internationalen Standards für Steuergeräte-Software. AUTOSAR und JASPAR spezifizieren Softwaremodule unterhalb der Applikation. Diese Module sind für die Elektronik im Fahrzeug essentiell, für die Fahrzeughersteller aber nicht wettbewerbsrelevant. Das ist bei neuen, innovativen Funktionen anders. Trotzdem gibt es auch auf der Applikationsebene zahlreiche Funktionen, die nicht wettbewerbsrelevant sind. So ist beispielsweise die Funktion Fenster öffnen davon unabhängig, ob sie in einem VW-Polo oder in einer Mercedes-Benz S-Klasse implementiert wird. Denkbar ist also auch die Entwicklung markenunabhängiger, standardisierter Applikationsmodule, die wie Hardwarekomponenten als Produkte gekauft und zu einer überlagerten Funktion zusammengesetzt werden. 6. Weitere Informationen:

9 1.5 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Von den ersten elektrischen Komponenten bis zum Netzwerk mit Gateways wurde viel Zeit und Geld in die Entwicklung nicht kompatibler Technologien investiert. Auf der Basis dieser Erfahrungen und insbesondere zur Beherrschung der Komplexität stellen die Fahrzeughersteller jetzt auf standardisierte Technologien um. Das betrifft insbesondere: Steuergeräte-Software (HIS, AUTOSAR) Bussysteme im Fahrzeug (CAN, LIN, MOST, FlexRay) Protokolle für die Offboard-Kommunikation (UDS) Format der Diagnosedaten (ODX) Format der Daten für die Onboard-Kommunikation (FIBEX) Physikalische Verbindung Tester ECU (VCI-Hardware) Logische Verbindung Tester ECU (D-PDU API) Laufzeitsysteme (D-Server) Applikationsschnittstellen (D-Server API)