Verkabelung autonomer Fahrzeuge

Jul 26, 2023

Autohersteller und Zulieferer bemühen sich um die Entwicklung automatisierter Fahrtechnologien. Foto mit freundlicher Genehmigung von Torc Robotics Inc.

Zu den Schlüsselkomponenten, die automatisiertes Fahren ermöglichen, gehören Kameras, Lidar und Radar. Illustration mit freundlicher Genehmigung der University of Michigan

Mit der Entwicklung automatisierter Autos wird die Nachfrage nach Kabelbäumen steigen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Delphi Automotive

Sensoren und Aktoren rund um automatisierte Autos sammeln und tauschen ständig Echtzeitinformationen aus. Abbildung mit freundlicher Genehmigung der Audi AG

Die Automobilindustrie erlebt den größten Wandel in ihrer 130-jährigen Geschichte. Autohersteller und Zulieferer auf der ganzen Welt bemühen sich darum, autonome Fahrzeuge zu entwickeln. Und sie stehen zunehmend unter dem Druck von Außenstehenden, von Technologiegiganten aus dem Silicon Valley bis hin zu Startup-Unternehmern.

Inmitten des ganzen Trubels um die fahrerlose Technologie steckt der gute alte Kabelbaum. Kabel, Leitungen und elektrische Systeme der nächsten Generation werden eine Schlüsselrolle für den Erfolg und die Sicherheit selbstfahrender Autos und Lastwagen spielen. Und der Trend zur zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wird die Automobilingenieure noch mehr unter Druck setzen.

Tatsächlich ist eine der größten Herausforderungen bei der Einführung automatisierter Autos nicht der Motor oder der Antriebsstrang, sondern Kabel und Verkabelung. Denn neu entstehende elektrische Systeme müssen enorme Datenmengen schnell und zuverlässig verarbeiten.

Signale von Bordsensoren, anderen Fahrzeugen, straßenbasierter Infrastruktur und Satelliten werden an einen Hochleistungscomputer gestreamt. Dieser Computer wiederum wird Signale an Brems-, Lenk- und andere Steuersysteme übertragen.

Da leistungsstarke elektrische Systeme Fahrzeuge betreiben, werden Kabel und Kabelbäume wichtiger denn je.

„Der Kabelbaum wird bleiben“, behauptet Don Price, kooperativer Forschungsleiter für die Anwendungspartnerschaft für elektrische Verkabelungskomponenten beim United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), einem kooperativen technischen Konsortium, das FCA Automotive und Ford Motor Co. betreut. und General Motors Co.

„Die Nachfrage nach Kabelbäumen wird mit der Entwicklung automatisierter Autos steigen“, sagt Price, ein ehemaliger Ford-Ingenieur. „Sie werden weiterhin das physische Rückgrat der gesamten Punkt-zu-Punkt-Kommunikation im Auto sein.“

„Einige Leute denken, dass das nicht der Fall sein wird, weil so viel über drahtlose Systeme geredet wird“, fügt Price hinzu. „Wireless-Technologie wird nur für die Kommunikation außerhalb des Autos gelten, beispielsweise für Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Netzwerke.“

Der Wettlauf um die Entwicklung „automatisierter“ Fahrtechnologie ist im Gange, was laut der Society of Automotive Engineers (SAE) der bevorzugte Begriff ist – nicht autonom, fahrerlos oder selbstfahrend.

Letzten Monat hat das US-Repräsentantenhaus einstimmig einen Gesetzentwurf (HR 3388) verabschiedet, der die Entwicklung automatisierter Autos vorantreiben soll. Die wegweisende Gesetzgebung wird es Unternehmen ermöglichen, diese Fahrzeuge schneller auf öffentlichen Straßen einzusetzen und Staaten daran hindern, ihre Verbreitung zu verlangsamen. Dem Gesetz zufolge können Autohersteller in den nächsten Jahren Hunderttausende automatisierte Autos auf Amerikas Straßen bringen.

Automatisierte Autos standen auch im Mittelpunkt der jüngsten Automobilausstellung in Frankfurt. Audi stellte den Aicon vor, während Daimler den EQ vorstellte und Renault den Symbioz auf den Markt brachte. Alle drei Konzeptautos geben einen Ausblick darauf, wohin sich die Branche in nicht allzu ferner Zukunft entwickeln wird.

Einige der faszinierendsten Fahrzeuge, die letzten Monat in Frankfurt im Rampenlicht standen, waren vollelektrische Antriebe. So verfügt der Audi Aicon über vier Elektromotoren und ein 800-Volt-Ladesystem.

„Elektrofahrzeuge verfügen über eine Architektur, die sich gut für automatisierte Fahranwendungen eignet“, sagt Nick Smith, Business Development Director bei Mentor Automotive, einem Geschäftsbereich von Siemens, der Hardware und Designtools in den Bereichen Automobilkonnektivität, Elektrifizierung und Fahrzeugarchitektur bereitstellt.

Anfang des Jahres brachte Mentor die DRS360-Plattform auf den Markt, ein Tool zum Entwurf elektrischer und elektronischer Systeme für automatisierte Fahranwendungen.

„Selbstfahrende Autos werden auf ein komplexes Netzwerk fortschrittlicher Sicherheitssysteme angewiesen sein, darunter Aktoren, Mikroprozessoren und Tausende von Sensoren“, erklärt Smith. „Elektrifizierte Antriebsstränge sorgen für zusätzliche Komplexität. Ingenieure müssen automatisierte elektrische Systeme für Autos für Hochspannungsanwendungen entwerfen.“

Im nächsten Jahrzehnt werden immer mehr Elektroautos auf die Straße kommen. Die Nissan-Renault-Mitsubishi-Allianz plant, bis 2022 zwölf reine Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen. Volkswagen gibt an, dass alle 300 Modelle seiner Produktpalette bis 2030 über Elektroversionen verfügen werden. Und Volvo kündigt an, bis Ende 2030 die Produktion von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren einzustellen dieses Jahrzehnt.

Auch viele Tier-1-Zulieferer bereiten sich auf das Zeitalter automatisierter Autos vor. Sie investieren in Unternehmen, die sich auf Technologien der nächsten Generation spezialisiert haben, etwa Lidar, ein auf Laserlicht basierendes Sensorsystem, das in Kombination mit Kameras und Radar automatisiertes Fahren ermöglicht. Delphi Automotive geht eine Partnerschaft mit Innoviz Technologies ein, während Magneti Marelli kürzlich eine Beteiligung an LeddarTech erworben hat.

Zu den weiteren Komponenten, die das automatisierte Fahren Wirklichkeit werden lassen, gehören leistungsstarke Computerplattformen, robuste Betätigungssysteme, Wärmebildkameras, Ultraschallsensoren und Infrarotsensoren.

„Wie ein Fahrzeug auf eine Situation reagiert, hängt davon ab, was es über seine Sensoren sieht und hört“, sagt Glen De Vos, Chief Technology Officer bei Delphi Automotive. „Es sind drei grundlegende Arten von Wahrnehmungstechnologien erforderlich: Vision (Kameras), Lidar und Radar.

„Jeder Sensor hat seine Stärken“, erklärt De Vos. „Radar wird nicht vom Wetter beeinflusst. Lidar liefert sehr genaue Entfernungs- und Entfernungsinformationen. Vision sorgt für Genauigkeit bei der Objektklassifizierung.“

„Durch die Kombination aller drei kann das System einen umfassenden Überblick über die Umgebung des Fahrzeugs generieren und so für zusätzliche Sicherheit und Vertrauen sorgen“, betont De Vos.

Automobilingenieure arbeiten daran, mehrere Stufen der Autonomie zu erreichen. Ihr langfristiges Ziel ist es, weit über die heutigen Fahrzeuge hinauszugehen, die mit vielen Arten fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme wie adaptiver Geschwindigkeitsregelung, Antiblockiersystem und Spurverlassenswarnung ausgestattet sind.

Der nächste Schritt besteht darin, dem Fahrer die Möglichkeit zu geben, je nach Verkehrs- und Umweltbedingungen die Kontrolle über sicherheitskritische Funktionen eines Fahrzeugs abzugeben.

Die SAE hat sechs Stufen automatisierter Fahrsysteme festgelegt, die von keiner Automatisierung (Stufe 0) bis zur vollständigen Fahrautomatisierung (Stufe 5) reichen.

Level 3 bezieht sich auf hochautomatisiertes Fahren, bei dem der Fahrer das Fahrzeug auf Wunsch weiterhin übernehmen kann. Automatisierung der Stufe 4 bedeutet, dass ein Auto die meisten Fahrsituationen selbst bewältigen kann. Der heilige Gral ist Level 5 – vollständige Automatisierung in jeder Fahrsituation.

Autohersteller ringen um das Angeberrecht. Audi behauptet beispielsweise, dass seine Luxuslimousine A8 aus dem Jahr 2018 das weltweit erste Serienauto mit Autonomie der Stufe 3 sei. Das Unternehmen plant, bis 2020 ein Level-4-Auto zur Verfügung zu haben.

Andere Autohersteller gehen vorsichtiger vor. Beispielsweise will Honda bis zum Jahr 2020 Fahrzeuge auf den Markt bringen, die Level 3 auf Autobahnen fahren können. Es wird nicht damit gerechnet, dass Autos mit Level 4-Fähigkeit vor 2025 verfügbar sein werden.

Nach Angaben des Center for Automotive Research werden die meisten Fahrzeuge der Stufe 5 bis 2030 im Handel erhältlich sein, etwa zehn Jahre nachdem Fahrzeuge der Stufe 4 erstmals auf die Straße kamen.

Manche Vorhersagen sind sogar noch mutiger. RethinkX, ein Think Tank aus dem Silicon Valley, prognostiziert, dass es innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu „einer der schnellsten, tiefgreifendsten und folgenreichsten Verkehrsunterbrechungen in der Geschichte“ kommen wird. Die ernüchternde Realität ist jedoch, dass noch viele regulatorische, rechtliche und infrastrukturelle Hürden zu überwinden sind, um mit der automatisierten Fahrtechnologie Schritt zu halten.

Unabhängig davon, wann automatisierte Autos in Serie produziert werden, ist eines sicher: Die elektrische Konnektivität wird von entscheidender Bedeutung sein. Automobilingenieure müssen zunächst einen Weg finden, dafür zu sorgen, dass alle Komponenten innerhalb einer Architektur, die viel höhere elektrische Lasten bewältigen kann, einwandfrei funktionieren.

„Level-5-Systeme benötigen mindestens 40 bis 50 Teraflops Rechenleistung, das ist das Zwanzigfache dessen, was heutige Fahrzeuge haben“, sagt De Vos. „Innerhalb weniger Jahre müssen wir Informationen zehnmal schneller als heute übertragen. Es wird einen großen Wandel geben, der zu einem komplexeren Kabelbaum führen wird.“

„Die für das automatisierte Fahren erforderlichen Sensoren erfordern eine viel höhere Auflösung und liefern deutlich mehr Daten“, ergänzt Sam Abuelsamid, Senior Analyst bei Navigant Research. „Zum Beispiel liefert ein Radgeschwindigkeitssensor, der für Antiblockierbremsen verwendet wird, einen einzelnen digitalen Datenpunkt mit einer Auflösung von nicht mehr als 256 Bit. Andererseits liefert ein Lidar-Sensor typischerweise 300.000 oder mehr Punkte pro Sekunde.“

„Viel entscheidender ist auch die Signalzuverlässigkeit für automatisierte Fahrzeuge“, erklärt Abuelsamid. „Wenn bei herkömmlichen Systemen eine elektrische Verbindung ausfällt, wird das Subsystem möglicherweise deaktiviert, aber der Fahrer hat immer noch die volle Kontrolle. Bei einem automatisierten Auto trifft das möglicherweise nicht mehr zu, wenn es keine Bedienelemente für die menschlichen Insassen gibt.“

„Da wir uns zu automatisierten Fahrzeugen weiterentwickeln, benötigen wir deutlich mehr Datenbandbreite innerhalb des Fahrzeugnetzwerks, was wahrscheinlich eine Ethernet-Konnektivität erforderlich machen wird“, warnt Abuelsamid. „Die Verkabelung und Verbindungen müssen entweder wesentlich robuster und zuverlässiger sein oder über zusätzliche Redundanz verfügen.“

„Aufgrund der höheren Datengeschwindigkeiten und höheren Bandbreiten werden in automatisierten Autos mehr Koaxialkabel und Twisted-Pair-Kabel verwendet“, sagt Price von USCAR. „Einige Schätzungen gehen von mehr als 40 Koaxialkabeln pro Fahrzeug allein für die Verwendung mit Antennen, Kameras und Ethernet-Verbindungen aus. Das wird eine enorme Änderung im Montageprozess erfordern.“

Eine ungeschirmte Twisted-Pair-Verkabelung hat den Vorteil, dass sie Widerstand gegen elektromagnetische Leitfähigkeit ohne teure, schwere Abschirmung bietet.

„Es ermöglicht einen engeren Biegeradius für ein verbessertes Kabelmanagement in Systemen mit hoher Dichte“, erklärt Pete Doyon, Vizepräsident des Produktmanagements bei Schleuniger Inc., das Kabelverarbeitungsgeräte an viele Unternehmen liefert, die automatisierte Antriebssysteme entwickeln, darunter auch neue Player wie z als Uber.

„Das Twisted-Pair-Design trägt außerdem dazu bei, Terminierungsprobleme drastisch zu reduzieren“, fügt Doyon hinzu. „Die Kabel sind von Natur aus symmetrisch und bieten eine höhere mechanische Zuverlässigkeit als Parallelpaarprodukte.“

„Automatisierte Autos werden auch die Gesamtkomplexität der Kabelbäume erhöhen“, betont Doyon. „Die Datenmenge, die generiert wird, wird phänomenal sein, damit Bordcomputersysteme in Sekundenbruchteilen Entscheidungen über Leben und Tod treffen können. Daten- und Signalleitungen werden zu einem wichtigeren Teil des Puzzles.“

Laut Doyon benötigen viele Geräte mehr als einen einzigen Draht. Aufgrund der Leistungsanforderungen werden sie mit Mehrleiterkabeln verbunden. Dadurch erhöhen sich die Gesamtgröße und das Gewicht der Kabelbäume.

„Anstatt ein Dutzend kleinerer Kabelbäume zu haben, die alle zusammengesteckt werden, verwendet die Automobilindustrie jetzt viel größere Kabelbäume“, sagt Doyon. „Supergroße Kabelbäume verringern die Anzahl der benötigten Steckverbinder und Klemmen.“

Bei automatisierten Fahrsystemen ist ein Scheitern keine Option. Wenn eine Komponente nicht mehr funktioniert oder nur zeitweise funktioniert, kann dies zu einem tödlichen Unfall führen. Infolgedessen werden frühe Generationen automatisierter Autos über redundante Systeme verfügen.

„Auf diese Weise wird ein Ausfall nicht zu einem katastrophalen Vorfall führen“, sagt Doyon. „Das bedeutet jedoch auch, dass es mehr Drähte und Stromkreise geben wird, was zu Gewichts- und Platzproblemen führen wird.“

„Gewicht und Bauraum sind die wichtigsten Anforderungen unserer Kunden“, sagt Bernd Buhmann, Senior Vice President Marketing bei der Leoni AG, einem führenden Anbieter von Kfz-Kabelbäumen. „Bei autonomen Autos ist es wichtiger, das benötigte Gewicht und den benötigten Platz zu begrenzen, um alle neuen Funktionen integrieren zu können.

„Autonome Autos erzeugen mehr Daten und brauchen mehr Daten“, erklärt Buhmann. „Das Auto muss auf diese Themen reagieren können. Diese Autos benötigen redundante Stromversorgungen und müssen viel mehr Sensoren im Fahrzeug anschließen.“

„Für die Daten- und Stromverteilung werden intelligentere Geräte benötigt, die neue elektronische Komponenten zum Absichern und Schalten von Strom nutzen“, fügt Buhmann hinzu. „Methoden zur Berechnung der Ausfallraten für sicherheitskritische Anwendungen sind noch nicht vorhanden und müssen entwickelt werden.“

„Heutzutage haben viele Drähte, die für Automobilanwendungen verwendet werden, eine Stärke von 26 Gauge“, sagt Doyon. „Viele Menschen schneiden, abisolieren und crimpen Drähte dieser Größe problemlos. Aber wir sehen jetzt zunehmendes Interesse an kleineren 28-Gauge-Drähten, insbesondere für Signal- und Datenanwendungen.

„Leider sind kleine Anschlüsse für Automobilanwendungen mit Drähten dieser Größe noch nicht verfügbar“, betont Doyon. „Man muss das Ende des Drahtes in der Mitte falten, um einen größeren Querschnitt zu erhalten, damit er in eine größere Klemme passt.“

Mit dem Aufkommen automatisierter Autos wird auch die Nachfrage nach Aluminiumdraht zur Lösung von Leichtbauproblemen steigen.

„Viele Autohersteller sind bereits auf Aluminium für große Kabel umgestiegen, die für Batterien und andere Anwendungen verwendet werden, die eine Stärke von mehr als 10 erfordern“, sagt Doyon. „Kleinere Aluminiumdrahtstärken bringen jedoch zahlreiche Herausforderungen mit sich, wie zum Beispiel Sprödigkeit und Oxidationsprobleme nach dem Abisolieren.“

„Aluminium ist sehr weich, duktil und formbar“, fügt Doyon hinzu. „Es neigt dazu, sich zu entspannen, was die Verarbeitung erschwert.

„In der Automobilindustrie werden jedoch viele Forschungs- und Entwicklungsbemühungen betrieben“, bemerkt Doyon. „Wir arbeiten derzeit mit vielen Kabelbaumlieferanten zusammen, um Aluminium zu einer praktikablen Option für den Einsatz in automatisierten Autos zu machen.“