In-Fahrzeug-Netzwerkarchitekturen Von dezentralen Steuerungen zu zonalen Highspeed-Netzen

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In modernen Fahrzeugen hat der Übergang zu zonalen Architekturen und die Migration zu Automotive Ethernet als Kommunikations-Backbone stattgefunden. Somit stehen softwaredefinierte Funktionen, kontinuierliche Updates und datengetriebene Services bereit und unterstützen die Fahrer.

In-Fahrzeug-Netzwerke (IVNs) bilden heute das Rückgrat der automobilen Elektronikarchitektur. Mit dem Wandel vom mechanisch dominierten Fahrzeug zum softwaredefinierten System steigen die Anforderungen an Kommunikation, Datenverarbeitung und Systemintegration. Besonders im Kontext von Fahrerassistenzsystemen, Elektromobilität und zunehmender Vernetzung kommt der Struktur und Leistungsfähigkeit der Bordnetzarchitektur zentrale Bedeutung zu.

Der Wechsel von Mechanik zu Elektronik

Die erste große Transformation begann gegen Ende des 20. Jahrhunderts: Um Anforderungen an Sicherheit, Komfort und Emissionsverhalten zu erfüllen, hielten elektronische Steuergeräte (ECUs) Einzug in Fahrzeuge. Diese zunächst funktional isolierten Einheiten übernahmen dedizierte Aufgaben wie Motorsteuerung, Getrieberegelung, ABS oder Airbag-Auslösung.

Mit der fortschreitenden Digitalisierung stieg die Anzahl der Steuergeräte signifikant an – in Mittelklassefahrzeugen auf bis zu 70, in Oberklassemodellen sogar auf 150. Diese Entwicklung führte zu einem steigenden Bedarf an effizienter, robuster Kommunikation zwischen den Steuergeräten. Die Einführung des Controller Area Network (CAN), entwickelt von Bosch in den 1980er Jahren, bildete einen Meilenstein für die IVN-Topologie und etablierte sich als dominierendes Protokoll für zeitunkritische Steuerungsaufgaben mit mittlerer Datenrate.

Der Übergang zur Domänenarchitektur

Mit zunehmender Systemkomplexität und wachsender Zahl an ECUs wurden herkömmliche Punkt-zu-Punkt-Verkabelungen hinsichtlich Gewicht, Bauraum und Wartungsaufwand zum Problem. Um die physische und logische Struktur der Netzwerke zu vereinfachen, setzten OEMs auf Domänenarchitekturen: Steuergeräte wurden funktional gebündelt – etwa für Antrieb, Karosserie, Infotainment oder Fahrerassistenz – und innerhalb der jeweiligen Domäne zentral koordiniert. Diese Struktur senkt Leitungslängen und förderte die modulare Integration neuer Funktionen.

Zonenarchitektur: Die nächste Evolutionsstufe

Allerdings stieß die Domänenarchitektur mit der Einführung datenintensiver Systeme wie hochauflösender Kameras, Lidar, Radar und komplexer HMI-Funktionen schnell an ihre Grenzen. Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen und der Verbreitung von ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) explodieren die Datenvolumina im Fahrzeug. Die Antwort auf diese Herausforderung ist die Zonenarchitektur.

In zonalen Systemen werden leistungsstarke, universell einsetzbare Zonen-Controller dezentral in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs platziert – etwa in den vorderen und hinteren Ecken. Diese Controller agieren als lokale Knotenpunkte, an die Sensoren und Aktoren direkt angeschlossen sind. Über Backbone-Verbindungen, etwa auf Basis von Ethernet, kommunizieren die Zonencontroller mit einem zentralen Rechner oder miteinander. Vorteile dieser Struktur sind beispielsweise eine drastische Reduktion der Kabellängen und -gewichte, geringerer Montageaufwand und eine konsolidierte Anzahl an Steuergeräten.

Vom CAN zum Automotive Ethernet

Parallel zur strukturellen Weiterentwicklung schreitet auch die Evolution der Kommunikationsprotokolle voran. Während CAN aufgrund seiner Robustheit und Echtzeitfähigkeit nach wie vor für viele Steuerfunktionen genutzt wird, genügt es den Anforderungen datenintensiver Anwendungen nicht mehr. Die Lücke zwischen Protokollen mit 1 MBit/s (CAN) und solchen mit 100 MBit/s (klassisches Fast Ethernet) wurde lange als problematisch empfunden. Neue Ansätze wie CAN FD, FlexRay und MOST adressierten diesen Bereich teilweise, doch mit zunehmendem Bedarf an Gigabit-Bandbreiten und deterministischer Kommunikation rückt Ethernet in den Fokus.

Automotive Ethernet etabliert sich zunehmend als Rückgrat der IVN-Kommunikation – nicht nur wegen seiner Bandbreite, sondern auch durch die Unterstützung von Echtzeit-Mechanismen wie Time-Sensitive Networking (TSN). Anwendungen wie softwaredefinierte Steuergeräte, Over-the-Air-Updates, hochauflösende Kamerasysteme, Vehicle-to-Everything-Kommunikation (V2X) und Edge-Computing im Fahrzeug benötigen diese Kapazitäten. Ethernet bringt zudem den Vorteil mit, auf etablierten industriellen Standards zu basieren, wodurch Synergieeffekte in Entwicklung und Test entstehen.

Zentralisierung, Datenflut und Echtzeitfähigkeit

Mit dem Wandel zur Zonenarchitektur einher geht ein Trend zur zunehmenden Zentralisierung der Rechenleistung. Anstelle zahlreicher funktionsspezifischer ECUs wird die Systemsteuerung zunehmend auf wenige zentrale Hochleistungsrechner verlagert, die Funktionen softwareseitig realisieren. Diese Software-Defined Vehicles (SDV) benötigen nicht nur eine skalierbare Netzwerkarchitektur, sondern auch Mechanismen zur Trennung sicherheitskritischer von nicht sicherheitskritischen Datenströmen – ein weiteres Argument für TSN und deterministische Ethernet-Kommunikation.

Gleichzeitig steigt die Menge der im Fahrzeug erzeugten und zu verarbeitenden Daten weiter an. Terabytes pro Tag sind bei zukünftigen Fahrzeuggenerationen realistisch, insbesondere im Kontext autonomer Fahrfunktionen, kamerabasierter Sensorik und prädiktiver Wartung. Um diese Datenflut effizient handhaben zu können, müssen IVNs nicht nur hohe Bandbreiten bieten, sondern auch latenzarm, fehlertolerant und zukunftssicher gestaltet sein.

Vom Netzwerk zur Plattform für Fahrzeugintelligenz

Die Evolution der In-Fahrzeug-Netzwerke ist kein reines Thema für die Infrastruktur, sondern ein zentraler Treiber für Weiterentwicklung und Funktionalität im modernen Automobil. Mit der Verlagerung zu zonalen Architekturen und der Migration zu Automotive Ethernet als Kommunikations-Backbone werden Fahrzeuge auf eine Zukunft vorbereitet, in der softwaredefinierte Funktionen, kontinuierliche Updates und datengetriebene Services Standard sein werden.

Für Entwickler bedeutet das nicht nur neue technische Anforderungen, sondern auch tiefgreifende Änderungen im Systemdesign, Test und Absicherung. Die Bordnetzarchitektur wird zur Plattform für Fahrzeugintelligenz – und zur Schlüsseltechnologie für die nächste Generation der Mobilität.

Der Beitrag ist mit Material von Teledyne LeCroy entstanden. (heh)

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