Ein Funke genügt – und schon kommt es derzeit nicht nur blitzschnell zum Waldbrand. Auch mein durch mangelnden Regen äußerst trockener Rasen stand Mitte Juni dank einer glühenden Zigarettenkippe eines Spaziergängers plötzlich in Flammen.

Ein Funke genügt – und schon kommt es derzeit nicht nur blitzschnell zum Waldbrand.

Nur durch die tatkräftige Unterstützung meiner über mir wohnenden Nachbarn kamen alle glücklicherweise lediglich mit einem Schrecken davon. Lediglich ein kleines Beispiel dafür, dass die Folgen des Klimawandels vermehrt vor unserer Haustür zu erleben sein werden. Es sollte uns somit allen deutlich sein, dass ein »Weiter so« keine Option mehr ist.

Doch wo ansetzen? »Der Verkehr ist für etwa ein Drittel des weltweiten Energieverbrauchs und etwa ein Fünftel der CO2-Emissionen verantwortlich und damit eine der Hauptursachen der Klimakrise«, erläuterte Univ.-Prof. Dr. Bernhard Geringer, Vorsitzender des Österreichischen Vereins für Kraftfahrzeugtechnik, anlässlich des 44. Wiener Motorensymposiums Ende April in Wien.  HANSER automotive war vor Ort und fasst das Geschehen für Sie im Schwerpunkt Elektromobilität (ab S. 32) zusammen.

 Heilsbringer, um nicht nur Kohlen- dioxidemissionen zu eliminieren, sollen batterie- elektrische Fahrzeuge sein. Doch ein simpler Austausch Stromer für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ist mit Sicherheit nicht die (allzu simple) Lösung für die Klimakrise, sondern nur ein Baustein. Um den Verkehr in Deutschland klimafreundlich zu gestalten und die Ziele für die Emissionen des Sektors zu erreichen, müssen verschiedene Hebel gleichzeitig in Bewegung gesetzt werden. Ein klimaverträglicher Verkehr wird die Mobilität grundsätzlich verändern und diese Änderungen erfordern ein Umdenken in der Automobilindustrie, in der Politik und bei den Endverbrauchern.

Doch genau an dieser Stelle hakt es. Denn das Umdenken ist hin und wieder auch mit Verzicht verbunden. Natürlich sind viele Menschen der Ansicht, dass man etwas für den Klimaschutz tun müsste. Aber den eigenen Komfort einschränken und auf etwas verzichten, was als persönliches Recht angesehen wird? Schwierig, wenn ich alleine an das Thema generelles Tempolimit auf deutschen Autobahnen denke.

Darüber hinaus sind der öffentliche Personennahverkehr und das Fahrrad für eine nachhaltige Mobilität unabdingbar. Dafür bedarf es einer funktionierenden Infrastruktur für Busse, Straßen- und U-Bahnen sowie den Rad- und Fußverkehr. Wichtig – er muss für die Menschen attraktiv, preisgünstig, schnell, sicher und bequem sein. Nur so wird es funktionieren, dass das liebste Kind der Deutschen einmal öfter stehen gelassen wird.

Stefanie Eckardt, Chefredakteurin <a href="mailto:stefanie.eckardt@hanser.de">stefanie.eckardt@hanser.de</a>

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Editorial - Hauptartikel

Eckardt, Stefanie

»KPIT bringt als  Software-Integrator Power in das Mobility Ecosystem«

Im Zuge der Transformation hin zu Software-definierten Fahrzeugen prägen verschiedene Markttreiber die Automobilindustrie. Im Interview mit HANSER  automotive erläutert Anup Sable, CTO von KPIT Technologies, die Bedeutung und Rolle des Unternehmens bei der Gestaltung dieser Zukunft.

Im Zuge der Transformation hin zu Software-definierten Fahrzeugen prägen verschiedene Markttreiber die Automobilindustrie. Im Interview mit HANSER automotive erläutert Anup Sable, CTO von KPIT Technologies, die Bedeutung und Rolle des Unternehmens bei der Gestaltung dieser Zukunft.

Das indisch-multinationale Unternehmen KPIT Technologies mit Hauptsitz in Pune, Maharashtra, will als Software-Integrationspartner für die Automobilindustrie dazu beitragen, Mobilität sauber, intelligent und sicher zu gestalten. Mit Entwicklungszentren in Europa, den USA, Japan, China, Thailand und Indien arbeitet KPIT mit Unternehmen der Automobil- und Mobilitätsbranche zusammen und ist dort präsent, wo sich das Ökosystem ändert.

Was sind die Hauptziele und Markttreiber hinter Software-definierten Fahrzeugen?

Automobilhersteller haben das Potenzial, bis 2030 mit Luxuserlebnissen Umsätze in Milliardenhöhe zu generieren. Durch die Konnektivität, Elektrifizierung und Personalisierung strebt man zukünftig nach vollständiger Fahrzeugautonomie. Darüber hinaus erfordert die Marktdifferenzierung eine kontinuierliche Aktualisierung der Benutzererfahrung durch Software-Updates. Die daraus resultierenden Möglichkeiten zur Monetarisierung von Daten treiben OEMs an, auf Software-definierte Fahrzeuge umzusteigen. Weil die Komplexität der Software exponenziell zunimmt, ist eine Trennung von Hardware und Software für den Erfolg von Software-definierten Fahrzeugen unabdingbar geworden. Zentrale rechenbasierte zonale Architektur, die Verwendung von Ethernet als Rückgrat für die Kommunikation und die Middleware, welche die Komplexität der Bereitstellung vom Feature-Entwicklungsteam abstrahiert, haben für alle OEMs höchste Priorität.

Vor welchen Herausforderungen stehen Automobilhersteller und welche Faktoren sind entscheidend für die Realisierung von Software-definierten Fahrzeugen?

Die Entwicklung eines Software-definierten Fahrzeugs muss im Wesentlichen folgende Ziele erreichen:

1) Software-Funktionen sollten einfach zu entwickeln und zu testen sein.

2) Es soll möglich sein, die zu einem bestimmten Zeitpunkt entwickelten Funktionen zu einem späteren Zeitpunkt auf verschiedenen verfügbaren Hardware-Optionen einzusetzen.

Um diese Ziele zu erreichen, ist ein neuer Ansatz für die Architektur erforderlich, der sich auf zentrale Rechenprozessoren konzentriert, die über Zonal Computer mit dem Rest des Fahrzeugs verbunden sind. Auch wenn die zentralrechnerbasierte Architektur eine einfache und schnelle Funktionsentwicklung verspricht, gibt es noch einiges zu tun, um entscheidende Ziele zu erreichen: Die Funktionsentwicklung sollte einfach und skalierbar sein. Es sollte möglich sein, diese effektiv auf der Architektur bereitzustellen, ohne die Integrität der Software und Hardware bezüglich der Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu beeinträchtigen.

Um das zu erreichen, sind folgende Schritte seitens des OEM notwendig:

1) Definieren einer datenorientierten Architektur, um die effektive Nutzung von Hochgeschwindigkeits-Ethernet zu unterstützen,

2) Harmonisieren der Kommunikations- und Software-Architektur, und

3) Rationalisierung der Signal- und Servicestrategie.

Das Nichterreichen der oben genannten Punkte wäre für die Verwirklichung der Ziele von Software-definierten Fahrzeugen kontraproduktiv. Das gesamte Konzept der Central-Compute-Netzwerkarchitektur ist neu in diesen Fahrzeugen und erfordert die entsprechende Technologie zur Validierung der Architekturkonzepte. Mehr als 30 solcher Systembereiche müssen in einem frühen Stadium der Architekturdefinition berücksichtigt und überprüft werden, damit die richtigen Architekturentscheidungen getroffen werden können.

Es ist auch wichtig, die zugrunde liegende Software-Plattform zu berücksichtigen, die offen und skalierbar sein muss, um Multi-Domain-Anwendungscode zu hosten, der in aktuellen Fahrzeugen mehr als 150 Millionen Codezeilen umfassen wird. Die Plattform muss die „Einfachheit der Entwicklung“ von der „Komplexität der Bereitstellung“ trennen. Der Schwerpunkt sollte darauf liegen, ein nahtloses Entwicklungserlebnis für Funktions-/Anwendungsentwickler zu schaffen und die Komplexität der Software-Integration zu verringern. Die Interoperabilität von Algorithmen und Daten erfordert das Hosten der Anwendungsentwicklung im gemischten Modus. Beispielsweise interagieren Service-oriented-, Signal-oriented-, Controls-, State-machine und Streaming -Anwendungen nahtlos auf einer Multiprozessorarchitektur. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist die Wiederverwendung bestehender Software- und Testinfrastruktur und deren Ausrichtung auf Software-definierte Fahrzeuge. Tausende Anwendungen müssen als Software unverändert wiederverwendet, aber möglicherweise auf verschiedenen verfügbaren Hardware-Optionen neu umverteilt werden. In jedem Fall benötigen Automobilhersteller eine durchdachte Strategie und einen Plan, um die Migration von Anwendungen zu Software-definierten Fahrzeugen mit minimalem Aufwand für Software, Tools und andere für die Entwicklung erforderliche Infrastruktur beschleunigen zu können. Schließlich müssen OEMs eine Entwicklungsautomatisierungsstrategie unter Verwendung von CI/CD sowie virtueller und physischer Validierung formulieren. Die Erstellung einer frühzeitigen Roadmap für die Umsetzung auf Programm- und Fahrzeugebene ist das Gebot der Stunde. Ein besonderer Fokus muss auf der virtuellen Entwicklung und Validierung liegen, indem die richtigen Rollen innerhalb der Organisation geschaffen werden, damit ihre Vorteile über Softwareteams hinweg bei OEMs genutzt werden können, um einen schnelleren Entwicklungszyklus auf globaler Ebene erreichen zu können.

Wie stellt KPIT die bestmöglichen Lösungen in diesem Kontext sicher?

Wir sind ein unabhängiger Software-Integrationspartner, und wollen dazu beitragen, eine saubere, intelligente und sichere Mobilität zu entwickeln. Über 12.000 Automobil-Enthusiasten weltweit sind auf Systemarchitekturberatung und -validierung, eingebettete Software, Middleware, künstliche Intelligenz und digitale Lösungen spezialisiert. KPIT hat seine interne Organisation in drei Schlüsselbereiche strukturiert, um sich auf die Entwicklung von Software-definierten Fahrzeugen auszurichten. Der erste Bereich umfasst Architekturberatung und Middleware, die OEMs bei der Plattformentwicklung, -integration und dem virtuellen Engineering unterstützen. Der zweite Bereich umfasst die Domänenentwicklung, -migration und -integration für autonomes Fahren, Elektrifizierung und Karosserieelektronik. Und nicht zuletzt Cloud-basierte Connected Services, um beim Aufbau eines digitalen Cockpits mit Upgrade-fähigen Services und vorausschauender Diagnose zu unterstützen. Weil Software-definierte Fahrzeuge eine erhebliche Überschneidung zwischen diesen drei Bereichen erfordern, arbeiten wir auch untereinander zwischen diesen Bereichen zusammen, um die Bandbreite und Tiefe unseres Angebots für unsere Kunden zu erweitern.

Infolgedessen haben wir durch diese Zusammenarbeit mehr als 75 Plattformen, Tools und Beschleuniger in verschiedenen Bereichen entwickelt. Ich möchte zwei neue Lösungen besonders hervorheben. Erstens ein Ansatz für die Migration von Legacy-Systemen, der die Leistung der Plattform in Bezug auf Ressourcennutzung um ein Vielfaches verbessert. Ein weiteres Beispiel ist eine skalierbare, virtuelle Entwicklungsumgebung, die in DevOps integriert ist, um die „Linksverschiebung“ des V-Zyklus mit kontinuierlicher Sichtbarkeit der Software-Qualität zu glätten. Die integrierte virtuelle Strategie trägt dazu bei, mehr als 90 Prozent der Tests in einer virtuellen Umgebung zu ermöglichen, was zusammen mit einem robusten Partnernetzwerk erreicht wurde. Gleichzeitig steht sie über die Cloud 10.000+ Ingenieuren zur Verfügung.

Wie ergänzt die kürzliche Übernahme von Technica Engineering die Expertise von KPIT?

Technica ist auf Systemarchitektur, Prototyping und Systemvalidierung spezialisiert. Diese Produkte sind speziell für zentral- und zonalrechnerbasierte Architekturen konzipiert. Die Lösungen von Technica passen nahtlos zu den Middleware- und Softwareintegrationsfähigkeiten von KPIT. KPIT und Technica können gemeinsam ein integraler Bestandteil der OEM-Reise von Pre-SOP bis Post-SOP sein und Automobilherstellern dabei helfen, erhebliche Programmrisiken durch das kombinierte Wissen, das wir einbringen, zu mindern. Wir unterstützen dabei, den Entwurf der E/E-Architektur bereits in der Pre-SOP-Phase durchzuarbeiten, wodurch die Grundlage dafür gelegt wird, den SOP um mindestens ein Jahr vorzuverlegen.

Technica kann das Programm auch beschleunigen und Risiken reduzieren, indem es Hardware-Prototypen während der Architektur-PoC-Phase entwickelt, was für die frühe Validierung des Architekturkonzepts von wesentlicher Bedeutung ist und Automobilherstellern dabei hilft, seinen Weg zum Erreichen von Sample B zu beschleunigen. Das unterstreicht auch die Expertise von Technica, den OEM in der Systemvalidierungsphase zu unterstützen. Technica kann auch als Systemintegrationspartner fungieren, während die OEM-Entwicklung mit einem Tier-1-Zulieferer weitergeht. Technica bietet eine sehr komplementäre Ergänzung zu den KPIT-Angeboten am oberen Punkt des V-Modells, sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite und verschafft den OEMs somit einen integrierten Vorteil.

Wie arbeitet KPIT mit Automobilherstellern und anderen Partnern im Ökosystem zusammen, um diese Komplexität zu bewältigen?

Wir konzentrieren uns darauf, die Risiken in den SDV-Programmen der OEMs zu reduzieren indem wir proaktiv mit verschiedenen Partnern im Ökosystem von der Chip- bis zur Cloud-Ebene zusammenarbeiten und technische Probleme identifizieren, die vor den kritischen Zeitplänen für die SOP angegangen werden könnten.

KPIT beschleunigt die Implementierung von Next-Generation-Technologien für die Mobilität der Zukunft und arbeitet an sechs großen Programmen für Software-definierte Fahrzeuge mit OEMs zusammen. Beispielsweise hat die Renault Group, KPIT als strategischen Software-Skalierungspartner für die gemeinsame Entwicklung ihrer SDV-Programme vom Entwurf bis zur SOP-Implementierung im Jahr 2026 ausgewählt. Darüber hinaus arbeitet KPIT mit Honda zusammen, um dessen Reise zur Software-definierten Mobilität durch Software-Integration und gemeinsame Verantwortung für die Plattform- und Feature-Entwicklung zu realisieren. Wir bieten die Skalierbarkeit, die diese Programme erfordern, zudem eine globale Präsenz an Talenten, Fachkenntnisse in Lösungen und Beschleunigern sowie Risikominderung durch Partnerschaften und agile Methodik.

Wir konzentrieren uns auch auf die potenziell zu erwartenden Probleme, weil sich Software-definierte Fahrzeuge über die Fahrzeuggrenzen hinaus auf Funktionen erstreckt, die in die Cloud übergehen. (eck)

Die Transformation hin zu Software-definierten Fahrzeugen prägen verschiedene Markttreiber.

KPIT Technologies

Entwicklungs-Tools | Mobility Ecosystem | Engineering

Software-definiertes Fahrzeug | KPIT | Anup Sable 

ist Chief Technology Officer und Vorstandsmitglied von KPIT. In seinem aktuellen Verantwortungsbereich steuert er die Technologieausrichtung des Unternehmens. Er verantwortet auch die Entwicklung der Bereiche Middleware und Virtualisierung, die in Zukunft ein wichtiger Wachstumstreiber sein werden und die Position von KPIT als vertrauenswürdigen Software- und Integrationspartner in der Automobil- und Mobilitätsbranche stärken werden. Anup Sable ist seit 1994 bei KPIT. Im Unternehmen leitete er globale Teams, zu denen die Elektrifizierung von Fahrzeugen, digitales Cockpit, autonomes Fahren, AUTOSAR und Diagnose gehören.

»Wir wollen dazu beitragen, eine saubere,  intelligente und sichere Mobilität zu entwickeln.«

Anup Sable, CTO und Vorstandsmitglied von KPIT

Software / Betriebssysteme / KI

Elektronik

Kfz-Elektronik

Entwicklungs-Tools

Effektive Strategie zur Entwicklung sicherer und verlässlicher Systeme

Die Anforderungen an die E/E-Architektur im Fahrzeug bewirken einen Wandel von unabhängigen Steuergeräten hin zu einer multizonalen Architektur für hochkomplexe Fahrzeugfunktionen. In diesem Zusammenhang ist es entscheidend, Standards für die funktionale Sicherheit und die Safety of the Intended Functionality (SOTIF) einzuhalten.

Die Anforderungen an die E/E-Architektur im Fahrzeug bewirken einen Wandel vzu einer multizonalen Architektur für hochkomplexe Fahrzeugfunktionen. Daher ist es entscheidend, Standards für die funktionale Sicherheit und die Safety of the Intended Functionality (SOTIF) einzuhalten.

Nora Harlammert und Jann-Eve Stavesand

Automobilhersteller und Zulieferer unterliegen zur Erhaltung der Typgenehmigung (Homologation) zahlreichen Regularien und Standards, um das Nichtvorhandensein eines unangemessenen Risikos entlang des Produktentwicklungsprozesses nachzuweisen.

Intelligente Umgebungssensoren und komplexe Wirkketten führen zu einem Paradigmenwechsel in der Absicherung neuer Systeme. Eine signifikante Erhöhung der Aufwände im Absicherungsprozess ist eindeutig ersichtlich. Um dem Rechnung zu tragen, ist nicht nur die Anzahl der Tests zu erhöhen, sondern eine ganzheitliche Betrachtung der Entwicklungs- sowie Verifikations- und Validierungsprozesse (V&V-Prozesse) erforderlich. Grundlegend und zentral für eine Entwicklung verlässlicher Systeme sind der datengetriebene Entwicklungsprozess und die enge Verbindung zu virtuellen Prüfmethoden, um verlässlich und effizient den Homologationsprozess durchlaufen zu können.

Dafür muss eine geeignete und umfassende Teststrategie gewählt werden, die den Einsatz von Simulation als zentrales Element nutzbar macht und Messdaten konsequent in der Simulation nutzt – nicht nur um das zu entwickelnde System abzusichern, sondern auch um sicherzustellen, dass die virtuellen Prüfmethoden ihren Zweck erfüllen können. Simulation ist nicht nur ein Werkzeug für eine effiziente Entwicklung, sondern für die Homologation unabdingbar, um bekannte Risiken und neue Gefährdungen in (noch) ungelernten Fahrszenarien ganzheitlich abzusichern und somit das Nichtvorhandensein eines unangemessenen Risikos nachzuweisen.

Nachweis für ein hinreichend sicheres System

Diverse Standards und Regularien bilden die Rahmbedingungen und müssen während der Entwicklung berücksichtigt werden. Standards für (Functional) Safety, Cyber Security und Anforderungen an den Prozess müssen erfüllt werden (Bild 1), um dem Vorsorgeprinzip entsprechend nachzuweisen, dass alle notwendigen Maßnahmen ergriffen worden sind, damit ein System so sicher wie möglich ist, bevor es auf der Straße zugelassen wird. Zusätzlich basiert die Sicherheitsargumentation auf der Idee der Positiven Risikobilanz, die besagt, dass das zu prüfende System (System under Test, SUT) auf die Straße darf, wenn es nachweislich mindestens so gut abschneidet wie ein aufmerksamer menschlicher Fahrer.

Der Bereich Safety wird durch die ISO 26262 und die ISO 21448 – Safety of the Intended Functionality (SOTIF) adressiert. Die ISO 26262 stellt das Nichtvorhandensein eines unangemessenen Risikos resultierend aus einem Fehlverhalten des Systems sicher. Darunter fallen sporadische Hardware-Ausfälle und technisch verschuldete Fehler auf Systemebene.

Eine sicherheitskritische Anwendung muss die Integrität der Umgebung gewährleisten. Die funktionale Einschränkung der Fahrfunktion hinsichtlich realer Anwendungsfälle und spezifischen Bedingungen, unter denen das System funktionieren soll (Operational Design Domain, ODD), werden im Kontext der ISO 26262 nicht berücksichtigt. Wird beispielsweise ein System mit einem Kamerasensor entwickelt, ist es möglich, dass die Sensorik technisch betrachtet, einwandfrei funktioniert, jedoch nicht in der Lage ist, ein Objekt in einem bestimmten Szenario zu erkennen. Die Berücksichtigung realer Anwendungsfälle und potenzieller Fehlanwendungen motivierte daher zur Veröffentlichung der ISO 21448, die komplementär zur ISO 26262 wirkt.

Das System und seine Funktionalität sind auf einen konkreten Anwendungsfall ausgelegt, der mehrere Szenarien adressiert. Die Szenarien können Auslöser (Trigger) enthalten, die zu einer funktionalen Einschränkung und somit zu einem gefährlichen Verhalten führen (Bild 2).

Mit ansteigendem Automatisierungsgrad werden die Trigger zunehmend komplexer und schwieriger zu erkennen. Die SOTIF beinhaltet eine Risikobewertung von Szenarien, die im realen Anwendungsfall zu einer Gefährdung führen können. Zusätzlich wird die Wahrscheinlichkeit betrachtet, wann ein Szenario potenziell gefährlich ist. Es ergeben sich die folgenden vier Bereiche:

<ul><li>Bereich 1: bekannte und sichere Szenarien</li><li>Bereich 2: bekannte und unsichere Szenarien</li><li>Bereich 3: unbekannte und unsichere Szenarien</li><li>Bereich 4: unbekannte und sichere Szenarien</li></ul>

Die SOTIF-Aktivitäten zielen darauf ab, potenziell unsichere Szenarien (Bereich 2 und Bereich 3) systematisch zu identifizieren und iterativ zu bewerten (Bild 3). Die bekannten Risiken (Bereich 2) werden durch Kombinationen geeigneter Testumgebungen und Testmethoden, wie anforderungsbasiertes Testen evaluiert (Verifizierung). Durch technische Maßnahmen im Systemdesign werden die Restrisiken im Sinne der Positiven Risikobilanz reduziert und erneut bewertet, um den Sicherheitsnachweis zu erbringen, dass das durch das Szenario verursachte Restrisiko hinreichend niedrig ist. Unsichere und unbekannte Szenarien werden durch Simulation und virtuelle Testverfahren, wie szenario-basiertes Testen identifiziert (Validierung). Die nun unsicheren, aber bekannten Risiken werden im Anschluss verifiziert.

Es resultiert eine Reduzierung des Restrisikos aus Bereich 2 und Bereich 3, während sich der Bereich der sicheren und bekannten Szenarien vergrößert und somit das Vertrauen in das Erreichen der SOTIF erhöht wird.

Verifizierung des zu erwartenden Verhaltens

Die Grundlagen für ein Best-Practice-Verfahren für die Entwicklung von ADAS/AD-Funktionen, das rechtliche und technische Anforderung erfüllt, bildet der ASAM Test Specification Study Group Report. Geeignete Testmethoden und -umgebungen werden unter Berücksichtigung konkreter Anwendungsfälle in einer Testmatrix angeführt.

Laut der ASAM-Testmatrix besteht eine Möglichkeit zum Testen der bekannten und unsicheren Szenarien im anforderungsbasierten Testen in einer Software-in-the-Loop-Simulation (SiL-Simulation). Diese Szenarien stellen auf Basis der Akzeptanzkriterien die Anforderungen an das System, unter denen es sicher agieren muss. Anhand der Anforderungen werden die Testspezifikationen erstellt. Darunter fällt die Spezifikation von Szenario, Testfall und Parameter.

In der SiL-Simulation wird ein virtuelles Steuergerät in eine PC-basierten Simulationsplattform integriert. Durch anforderungsbasiertes Testen kann somit die Reaktion des Systems auf ein bestimmtes Szenario überprüft werden. Darüber hinaus stellt anforderungsbasiertes Testen ein Werkzeug dar, mit dem die Effektivität der technischen Maßnahme im Systemdesign bewertet werden kann.

Das übergeordnete Ziel der Validierung liegt in der Reduzierung unbekannter Gefährdungen innerhalb der ODD. Eine mögliche Methodik bildet szenario-basiertes Testen in einer SiL-Simulationsumgebung.

Die grundlegende Idee des szenario-basierten Testens besteht im Sinne der positiven Risikobilanz in einem Vergleich des zu testenden Systems mit dem Verhalten eines menschlichen Fahrers. Durch das Integrieren von Daten aus der realen Welt in den Validierungsprozess werden abstrakte Szenarien generiert, die eine virtuelle Umgebung darstellen. Die abstrakten Szenarien werden anschließend verwendet, um logische und konkrete Szenarien für die Simulation zu generieren. Schnittstellen zum Fahrzeug sowie Kartenmaterial werden ebenfalls virtualisiert und in den Testaufbau integriert.

Durch eine intelligente Teststeuerung werden Parameterräume beliebig abgetastet, um potenziell gefährliche Szenarien zu identifizieren. Parallel werden Daten aus Realfahrten herangezogen, um die Repräsentativität der Testergebnisse in der ODD zu bewerten. Somit können unbekannte Risiken kontinuierlich identifiziert und reduziert werden (Bild 4), was die Gesamtsicherheit an das System erhöht.

Fazit: Wie sieht der optimale V&V-Prozess aus?

Um eine effektive V&V-Strategie zu definieren, müssen die übergeordneten Ziele der SOTIF Aktivitäten adressiert werden:

<ul><li>Was ist das Validierungsziel?</li><li>Wie können Trigger-Events und funktionale Einschränkungen identifiziert und evaluiert werden?</li><li>Ist die Evaluierung der potenziell gefährlichen Szenarien ausreichend?</li><li>Werden die relevanten Szenarien hinreichend abgedeckt?</li><li>Welche Methoden unterstützt die Nachweiserbringung?</li><li>Werden geeignete Verifikations- und Validierungsmethoden gewählt?</li></ul>

Für die Beantwortung dieser Fragen existiert keine Musterlösung, sondern die Fragen sind unter Berücksichtigung des SUTs für ein konkretes Testziel durch die Kombination ausgewählter Testumgebungen und Testmethoden auf einem bestimmten Testlevel zu beantworten.

Es gilt Risiken, die sich aus einem gefährlichen Verhalten ergeben, systematisch zu identifizieren und zu bewerten. Mit zunehmenden Automatisierungsgrad wird das Erkennen und Bewerten von Bedingungen, die zu einem potenziell gefährlichen Verhalten führen, zunehmend komplexer, sodass mehrere Analysetechniken in Verbindung mit Realtestfahrten erforderlich sind, um gefährdende Szenarien zu ermitteln. Eine Möglichkeit, um die Auswirkung möglicher Trigger auf das System zu untersuchen besteht beispielsweise in der Durchführung einer System-Schwächen-Analyse. Diese zielt darauf ab, für jedes identifizierte Systemelement und der dazugehörigen funktionalen Einschränkung und dem Trigger eine Risikoanalyse durchzuführen, um Maßnahmen zur Verbesserung der SOTIF zu definieren, ihre Wirksamkeit zu prüfen und das Restrisiko mit einer angemessenen Begründung zu bewerten.

Darüber hinaus muss der SOTIF Verifizierungs- und Validierungsprozess in die übergeordnete Freigabestrategie integriert werden.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ist es möglich, eine SOTIF Freigabeargumentation zu erbringen, die idealerweise in einen digitalen Homologationsprozess implementiert wird. Dadurch werden die theoretischen Rahmbedingungen für einen Prozess gesetzt, der es ermöglicht, dass komplexe autonome Systeme auf sich stets ändernde Fahrumgebungen reagieren können.

dSPACE Consulting unterstützt auf Grundlage der ISO 26262 und der ISO/PAS 21448 dabei, Teststrategien für szenario- und anforderungsbasierte Designs mit professioneller Risikoanalyse zu erarbeiten und diese nahtlos in etablierte Entwicklungsprozesse zu integrieren. (eck)

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Nora Harlammert ist Consultant bei dSpace Consulting. Jann-Eve Stavesand ist Leiter dSpace Consulting.

Bild 1: Zusammenspiel von Safety, Security und Prozess 

Bild 2: Wirkkette potenziell gefährlicher Szenarien (vereinfacht dargestellt) 

Bild 3: Verifizierung und Validierung in der SOTIF 

Bild 4: Reduzierung der unbekannten Risiken 

Jann-Eve Stavesand ist Leiter dSpace Consulting.

 Nora Harlammert ist Consultant bei dSpace Consulting.

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Entwicklungs-Tools | SOTIF | ISO 26262 | Cybersecurity 

ISO 21448 | Safety & Security | dSpace 

Safety / Security

Breitband-Operationsverstärker für Elektrofahrzeuge

Operationsverstärker kommen in vielen Bereichen eines Elektrofahrzeugs vor – beispielsweise in Batteriemanagementsystemen, Traktionswechselrichtern oder On-Board-Chargern. Für die schnelle und exakte Erfassung von Strömen bietet STMicroelectronics die TSV79x-Familie an.

Operationsverstärker kommen in vielen Bereichen eines Elektrofahrzeugs vor. Für die schnelle und exakte Erfassung von Strömen bietet STMicroelectronics die TSV79x-Familie an.

Im Jahr 2023 werden weltweit voraussichtlich mehr als 15 Millionen Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) oder reine batterieelektrische Fahrzeuge (EV) hergestellt werden. Bis zum Ende dieses Jahrzehnts wird sich diese Zahl auf mehr als 40 Millionen Elektrofahrzeuge erhöhen, was einem Anteil von über 40 Prozent an der gesamten Automobilproduktion entspricht.

Sowohl bei PHEV als auch bei EV wird der elektrische Antriebsstrang aus Hochspannungs-Batterien mit beispielsweise 400 oder 800 V gespeist. In vielen speziellen Verbrauchern wie etwa Bordladegeräten (On-Board Chargers, OBC), Batteriemanagement-Systemen (BMS), Hochspannungs-DC/DC-Wandlern, Traktionswechselrichtern und elektrischen Klimakompressoren kommen hohe, sich schnell ändernde Ströme vor, deren Frequenz ebenfalls steigt, weil die neuen Systeme immer leistungsfähiger und effizienter werden und der Fokus immer mehr auf die Steigerung des Integrationsgrads gerichtet wird, um die Gesamtabmessungen der Systeme zu reduzieren.

Vorkehrungen für eine Überwachung der Ströme treffen

Die Ströme können beim Hochfahren der Systeme bis zu einige tausend Ampere betragen, und auch bei bestimmten Schaltvorgängen sind Spitzen von einigen hundert Ampere möglich. Kritisch kann hier die Steilheit der Stromflanken sein. Das Überwachen dieser Ströme ist wichtig, um die Leistungsfähigkeit zu gewährleisten und Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Bei der Entwicklung solcher Systeme gilt es daher, sich Gedanken über die Erfassung der Ströme zu machen und Vorkehrungen für eine umfassende Überwachung der Ströme an verschiedenen Punkten zu treffen. In bestimmten Fällen werden die Ströme mithilfe magnetischer Halleffekt-Stromsensoren überwacht.

Insbesondere bei der Überwachung low-seitiger Ströme erfolgt die Messung oftmals aber auch mit Operationsverstärkern, an die ein externer Shunt-Widerstand angeschlossen wird.

Der Spannungsabfall an einem solchen Shunt-Widerstand, den man in die Verbindung zwischen Verbraucher und Masse einschleift, wird mithilfe des Operationsverstärkers intensiviert, und das resultierende Signal wird anschließend einem diskreten oder in einen Mikrocontroller integrierten A/D-Wandler (ADC) zugeführt, damit der Mikrocontroller den Stromfluss im Shunt-Widerstand berechnen kann.

Vorteilhaft an einer solchen Architektur sind das einfache Design sowie die Tatsache, dass wegen der geringen Drifts über den gesamten Temperaturbereich eine hohe Genauigkeit erzielt wird. Darüber hinaus zeichnet sich eine solche Lösung durch große Linearität und ein sehr geringes Rauschen aus. Wichtig ist die Verwendung eines Operationsverstärkers, der durch hohe Genauigkeit – d. h. einen niedrigen Offset – gekennzeichnet ist, denn so kann der Widerstandswert des Shunt-Widerstands niedrig gehalten werden, was nicht nur die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung minimiert, sondern dem System auch ein Maximum an Energieeffizienz verleiht.

In einem OBC etwa werden in der Regel die Ströme in allen Phasen überwacht – und zwar sowohl AC-seitig, wenn das Laden zu Hause oder an einer Ladestation aus dem öffentlichen Wechselspannungsnetz erfolgt, als auch DC-seitig. Natürlich kann auch eingangsseitig Gleichstrom fließen, wie etwa bei Schnellladestationen mit Leistungen von einigen hundert Kilowatt (Bild 1).

Eine Strommessung ist auch bei DC/DC-Wandlern erforderlich – ganz unabhängig davon, ob es sich um eine Ausführung mit zwei oder drei Zweigen, eine B6-Brücke, eine T-Topologie oder eine andere Architektur handelt. Im Hochspannungsteil erfolgt die Strommessung üblicherweise low-seitig (Bild 2).

In einem Traktionswechselrichter liefert die Stromüberwachung in jeder der drei Phasen, die den Motor bestromen, die Eingangsinformation für den Kommutierungsalgorithmus, der für eine effiziente Ansteuerung des Motors (beispielsweise per Vektorregelung) mit geringer Drehmoment-Welligkeit und niedrigem Rauschen zuständig ist.

Wichtig ist die Stromüberwachung in allen diesen Anwendungen auch zu Diagnosezwecken und aus Sicherheitsgründen. Zu hohe Ströme können nämlich nicht nur das System überhitzen, die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen und bestimmte Bauelemente beschädigen, sondern langfristig auch Gefahren wie das Entstehen eines Brandes oder das Explodieren der Batterie heraufbeschwören. Das ist auch der Grund dafür, die Überwachung an mehreren Stellen vorzunehmen, um für Redundanz zu sorgen und durch Diversitätskonzepte die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Bei der Entwicklung von Systemen dieser Art ist zu überlegen, wie solche Stromänderungen von der Signalaufbereitungs-Kette schnell erfasst werden können. Kommt es hier auch nur zu einer geringen Verzögerung können Ströme im zwei- oder gar dreistelligen Amperebereich fließen, bevor sie von der Stromüberwachung erfasst und dem Haupt-Controller gemeldet werden können. Mit seiner TSV79x-Familie bietet STMicroelectronics eine Lösung für diese Aufgabe an.

Bei der Verarbeitung schneller Signale mit steilen Flanken kommt es bei Operationsverstärkern auf zwei Parameter an, nämlich die Bandbreite und die Anstiegsrate.

Das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt eines Operationsverstärkers ist das Produkt aus Anwendungsverstärkung und Bandbreite. Eine Anwendung spezifiziert die Verstärkung und je nach ausgewähltem Operationsverstärker wird die maximale Bandbreite festgelegt. Bauelemente, die in Hochspannungs-Elektrifizierungssystemen im Automobilbereich zum Einsatz kommen sollen, sollten in ihren Bandbreiteneigenschaften idealerweise über dem Normalmaß liegen. Die TSV79x-Familie, deren Verstärkungs-Bandbreitenprodukt 50 MHz beträgt, bietet also perfekte Voraussetzungen, da sie dank hoher Verstärkungs- und Reaktionsgeschwindigkeit für hochfrequente Signale mit steilen Flanken geeignet ist.

Die Anstiegsgeschwindigkeit sagt aus, wie schnell ein Operationsverstärker die Spannung an seinem Ausgang verändern kann. Eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit ist somit notwendig, um rasch auf steile Änderungen des Eingangssignals infolge plötzlicher Stromänderungen, wie Stromspitzen beim Einschalten eines Verbrauchers, reagieren zu können. Diese schnelle Reaktion gewährleistet ebenfalls die rasche Detektierung von Überströmen. Mit ihrer Anstiegsgeschwindigkeit von 30 V/µs bringt die TSV79x-Serie (Bild 3) die für den Automotive-Markt erforderliche Leistungsfähigkeit mit.

Die 50 µV (bei 25 °C) betragende Offsetspannung der TSV79x-Operationsverstärker und ihre Temperaturstabilität (maximale Drift: 5 µV/°C) sorgen ferner dafür, dass die Systeme keine End-of-Line-Kalibrierung benötigen, was sowohl Zeit als auch Kosten spart. Ein geringer Offset ist entscheidend für eine präzise Stromerfassung, und die TSV79x-Serie setzt hier den Performance-Richtwert für breitbandige Operationsverstärker. Einen besonderen Stellenwert hat dies, wenn auch niedrige Ströme gemessen werden müssen, wie es beispielsweise bei geringer Last oder bei der Detektierung etwaiger Leckströme der Fall ist.

Dank ihres Versorgungsspannungsbereichs von 2,2 bis 5,5 V kann die TSV79x-Familie aus den gleichen Quellen versorgt werden wie digitale Low-Voltage-ICs – z. B. der Host-Mikrocontroller des jeweiligen Systems. Auch der Betrieb an einer weitgehend entladenen Batterie ist möglich, sodass sich die Laufzeiten des Equipments entsprechend verlängern. Die Operationsverstärker-Familie ist bei Eins-Verstärkung stabil und besitzt Ein- und Ausgänge mit Rail-to-Rail-Eigenschaften, sodass sie sich für eine Vielzahl von Designtopologien und vereinfachte Schaltungsdesigns anbietet.

Der Temperaturbereich ist mit –40 bis +125 °C angegeben, mit absoluten Maximalwerten für die Sperrschichttemperatur von bis zu +150 °C. Die Lagertemperatur darf –65 bis +150 °C betragen. Hinsichtlich der elektrostatischen Entladungen verkraftet die TSV79x-Familie bis zu 4 kV nach dem Human Body Model (HBM) bzw. 1 kV nach dem Charged Device Model (CDM). (eck)

Llorenç Vallmajo Ribas ist Senior Manager Technical Marketing bei STMicroelectronics.

Bild 1: Stromüberwachung mit Operationsverstärkern in einem OBC

Bild 2: Stromüberwachung mit Operationsverstärkern in einem Hochspannungs-DC/DC-Wandler 

Bild 3: TSV79x-Familie für die Erfassung von Strömen: Die drei Schaubilder wurden bei Vcc = 5 V aufgezeichnet. Links: Positive Anstiegsgeschwindigkeit; Mitte: Sprungantwort bei einem Low-High-Spannungssprung von 1 V; rechts: Eingangs-Offsetspannung als Funktion der Temperatur

 Llorenç Vallmajo Ribas ist Senior Manager Technical Marketing bei STMicroelectronics. 

STMicroelectronics

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Elektromobilität | STMicroelectronics | Operationsverstärker

Elektromobilität

Mobilität

Elektronische Bauelemente

Hochauflösende Scheinwerfermodule der nächsten Generation

Digital gesteuertes Licht kann nicht nur den Gegenverkehr präzise ausblenden, sondern ermöglicht auch zahlreiche Informations- und Kommunikationsfunktionen und hilft damit, die Verkehrssicherheit zu erhöhen. Dieser Artikel beleuchtet zwei aktuelle Technologien von ZKW: mirrorZ, basierend auf digitaler Lichtverarbeitung und microZ, ein Mikro-LED-Modul mit mehreren tausend Pixeln.

Digital gesteuertes Licht ermöglicht zahlreiche Informations- und Kommunikationsfunktionen und hilft damit, die Verkehrssicherheit zu erhöhen. Dieser Artikel beleuchtet die zwei aktuellen Technologien mirrorZ und microZ von ZKW.

Die fortschreitende Digitalisierung im Fahrzeug erfordern neue Lichtfunktionen, die über die reine Beleuchtung hinausgehen. Dazu zählen eine automatisch angepasste Lichtverteilung, Fahrerassistenz durch gezielte Beleuchtung oder die Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern. Basis für diese Funktionen schaffen hochauflösende Projektionstechnologien, die aus der Unterhaltungselektronik stammen – darunter LCD mit Flüssigkristallen in einer transmissiven Anordnung als Bildelement und die LCoS-Technologie, die reflektierende Flüssigkristallelemente einsetzt. Laser Scanning wird ebenfalls erprobt. Zwei Technologien, die sich für den anspruchsvollen Einsatz im Automobilbereich besonders gut eignen, sind DLP von Texas Instruments und Mikro-LED.

Hochauflösende Scheinwerfer-Technologien

HD-Technologie bietet Lichtprojektionen, um visuelle Informationen für Fahrer und andere Verkehrsteilnehmer auf der Straße anzuzeigen und zu animieren (Bild 1). Diese Funktionen sind besonders für teilautomatisiertes oder autonomes Fahren interessant. Durch projizierte Symbole lassen sich sowohl Fahrer:in als auch andere Verkehrsteilnehmer informieren und Unfallrisiken, beispielsweise beim Fahrspurwechsel, minimieren. HD-Technologie ermöglicht auch einen fließenden Übergang der Segmentabdunkelung mithilfe von Graustufenfunktionen. Der zentrale hochauflösende Bereich wird durch ein Pixel-Matrix-Modul sowie ein Vorfeldmodul zur Ergänzung der Grundbeleuchtung unterstützt. Insgesamt ermöglicht diese Technologie neue Features und Styling-Möglichkeiten und ein brillantes, einprägsames Erscheinungsbild.

mirrorZ: Bildgebung mit digitaler Lichtverarbeitung

Das auf DLP basierende mirrorZ-Konzept setzt auf ein lichtformendes MEMS-Kernelement mit vielen Mikrospiegeln, die gekippt und in zwei Endpositionen gehalten werden können. Das Licht wird – je nach Position der Mikrospiegel – entweder durch die Abbildungsoptik geleitet oder in einen Absorber gelenkt. So baut der DMD-Chip ein Bild auf und projiziert es durch die Optik auf die Straße. Durch die schnellen Kippbewegungen der Spiegel – mit mehreren kHz Frequenz – lassen sich Zwischenwerte (Graustufen) darstellen und sehr schnelle Bildfolgen erzeugen. Der DMD-Chip selbst ist zwar ein äußerst kompaktes Bauteil, das umgebende komplexe System stellt aber hohe Anforderungen an die Lichtquelle. Diese muss einerseits genügend Licht zur Verfügung stellen, andererseits darf sie eine bestimmte Größe nicht überschreiten, um ausreichend hohen Kontrast ohne Leistungseinbußen zu ermöglichen.

Das mirrorZ-Modul verwendet den DMD-Baustein der zweiten Generation von Texas Instruments mit adressierbaren 1,3 Megapixel (Spiegel). Das Modul wird mit Hochleistungs-LEDs betrieben und umfasst Steuereinheit, LED-Treiber und Kühlsystem. Die Steuerplatine enthält die üblichen Repeater aus dem Fahrzeugbus und berechnet das entsprechende DLP-Bild mithilfe einer Grafik-Engine. Das DLP-Modul bietet ein aussagekräftiges Sichtfeld in horizontaler und vertikaler Richtung und unterstützt dynamische Funktionen im Abblend- und Fernlicht. Die Hauptbeleuchtungsfunktionen und der Abblendlichtknick werden durch die Überschneidung der Lichtverteilungen von DLP-, Pixel-HB-Element und Vorfeldmodul erreicht.

Mit der hohen Auflösung des mirrorZ-Moduls (Bild 2) ist es möglich, präzise Tunnel bei entgegenkommenden oder vorausfahrenden Fahrzeugen zu projizieren. Durch die hohe vertikale Auflösung verschwindet der von herkömmlichen Pixel-Systemen bekannte vertikale Schatten vor einem Fahrzeug. Das Modul bietet neue Beleuchtungsfunktionen, wie präzises und sanftes Dimmen von Schildern, vorausschauendes AFS-Frontlicht auf der Grundlage interaktiver Karten- und Umgebungsdaten, Projektion von Warnhinweisen, Leitstrahl und Markierung von Fußgängern. Grenzen für mirrorZ setzen derzeit das Bussystem der Netzwerkkamera, das Steuergerät und die Einstellungstoleranzen.

Das microZ-Modul besteht aus einer Pixel-LED und einer Abbildungsoptik mit einigen Linsen, wie bei Videoprojektoren oder Kameras, um die optische Effizienz zu erreichen und auch auftretende Aberrationen wie Verzerrung, Astigmatismus und Koma zu kompensieren. Solche Objektive, die ein hochwertiges Projektionsbild liefern, können aufgrund verschiedener Parameter kostspielig sein.

<ul><li>Linsengeometrie (Oberflächenkrümmung, Dicke, ...)</li><li>Linsenmaterial (Glas oder Kunststoff)</li><li>Toleranzen der Linsenoberfläche (hohe oder niedrige Präzision)</li><li>Objektivaufbau (Designkonzept)</li></ul>

Ziel sind eine angemessene Leistung (optischer Wirkungsgrad) und Qualität (Kontrast auf der Bildebene) als Kompromiss für geringe Kosten zu finden.

Der wichtigste Unterschied zwischen DMD- und LED-basierten Technologien, ist, dass es bei DMD das Übersprechen zwischen den Pixeln auf der LED-Fläche durch die Einkopplung des Lichts in die Phosphorschicht und das Erreichen anderer benachbarter Pixel nicht gibt. Das ist ein entscheidender Faktor, der bei einer LED-Lichtquelle direkten Einfluss auf den Pixel-zu-Pixel-Kontrast am Bild hat. Die beste Optik kann nur den gleichen Kontrast wie die LED-Fläche auf die Bildebene bringen. Das bedeutet, dass bei gleicher Optik das mirrorZ-Modul eine bessere Bildqualität als microZ-Modul aufweist.

Merkmale der Linsengeometrie wie Oberflächenkrümmung (sphärisch oder asphärisch) oder Dicke werden hauptsächlich durch die Designziele bestimmt, die zur gewünschten optischen Leistung und/oder Bildqualität führen. Eines dieser Designziele ist die Modulationsübertragungsfunktion (MTF), also die Fähigkeit eines optischen Elements, die Details eines Objekts abzubilden. Die Bestimmung der gewünschten MTF-Werte erfordert ein Verständnis der Beziehung zwischen Bildqualität und MTF der Optik, die die LED abbildet, die auch einen Kontrastwert für ihre Pixel hat.

Weil HD-Module sowohl für Fernlicht als auch Bodenprojektionssymbole (Bild 3) zum Einsatz kommen, muss die Bestimmung der MTF-Werte so erfolgen, dass sowohl die gesetzlichen Anforderungen erfüllt werden und als auch ein angemessener Kontrastwert für die projizierten Symbole auf der Straße erreicht wird.

Die Wahl des Materials ist ein wichtiger Faktor, der sich auf Funktionalität, Kosten und Masse des Systems auswirkt. Beispielsweise erhöht beim microZ-Modul eine Verringerung des Abstands zwischen erster Linse und LED die Effizienz des Systems. Um aber thermische Effekte zu vermeiden, muss für die erste Linse Glasmaterial anstatt preisgünstigen, leichten Kunststoffs verwendet werden. Daher ist es sinnvoll, Glas- und Kunststoffmaterialien zu kombinieren, um einen optimalen Kompromiss zwischen Funktionalität des Systems und Kosten zu erreichen. Beim Einsatz von Kunststoffen in einem Objektiv müssen Faktoren wie Schmelzpunkt, Transparenz und Kompatibilität mit Antireflexionsbeschichtungen beachtet werden. Wichtigster Faktor sind thermischen Effekte, die sich meist negativ auf die Qualität der Optik auswirken. Optimale Lösung ist ein athermalisiertes optisches Design, das robust gegenüber thermischen Effekten ist (Bild 4).

Ein weiterer wichtiger Faktor, der sich spürbar auf die Qualität einer Optik auswirkt, ist die Toleranz der Linsenoberflächen. Dezentrierung, Neigung und Rauigkeit der Oberflächen sowie Peak-to-Valley (PV)-Wert sind die wichtigsten Parameter. Ziel ist es, einen Kompromiss zwischen definierten Toleranzwerten und Herstellungskosten zu finden – etwa mittels einer Toleranzanalyse während des Optikdesigns. Ein wichtiger Punkt ist auch die Wahl der Toleranz- und MTF-Werte für die Produktion der Abbildungsoptik. Wenn eine nur geringe MTF-Abweichung zugelassen wird, ist viel Ausschuss zu kalkulieren. Lockert man jedoch die Toleranz und MTF-Abweichung, verringern sich Ausschuss und Produktionskosten.

Die Montage spielt auch eine wichtige Rolle für die Abbildungsqualität des Systems, weil jede Dezentrierung oder Verkippung der Linsen zu einer erheblichen Änderung der MTF-Werte der Optik führt. Der Montageprozesse kann auf zwei Arten erfolgen: Bei der Barrel-Montage haben die Linsen feste Positionen in einem tonnenförmigen Linsenhalter und werden nacheinander im Montageprozess befestigt. Dabei gibt es keinen Platz für eine Qualitätskontrolle. Der Vorteil liegt in den niedrigeren Kosten der Montagemaschinen. Allerdings müssen Toleranzen der Linsenoberflächen und -halter exakt definiert werden, um Ungenauigkeiten zu verringern. Bei der einstellbaren Montage haben die Linsen keine festen Positionen im Rahmen. Sie werden mittels Überwachung der Bildqualität eines projizierten Referenzbildes auf einem Sensor in den Rahmen eingesetzt. Diese Methode liefert eine bessere Abbildungsqualität, allerdings steigen die Kosten durch aufwendige, automatisierte Stationen am Fließband.

In Zukunft werden Scheinwerfersysteme mit automatischer, variabler Gesamtlichtverteilung einen großen Teil des Beleuchtungsmarktes abdecken. Die Beleuchtung wird mit den Fahrzeugsensoren vernetzt sein, um einen fließenden Übergang von Beleuchtungs- zu Informations- und Assistenztools zu schaffen. Leistungsfähige HD-Technologien wie mirrorZ und microZ schaffen dafür die Basis und zeichnen den Weg vor. (eck)

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Dipl. Ing. Gerald Böhm ist Group Senior Manager Advanced Technology / Technology Relationship Management ZKW Group.

Bild 1: Vergleich zwischen Standardauflösung und  hochauflösendem adaptivem Fahrlicht 

Bild 3: microZ- Projektion zur Kollisionswarnung 

Bild 4: MTF-Kurve in Abhängigkeit von der Temperatur vor und nach dem Athermalisierungsprozess

Dipl. Ing. Gerald Böhm ist Group Senior Manager Advanced Technology / Technology Relationship Management ZKW Group.

Hochauflösende Scheinwerfermodule | adaptives Fahrlicht Licht als Informations- und Kommunikationstools 

Digital gesteuertes Licht | LED | DLP | ZKW

KFZ-Regelsysteme (Motor, Fahrwerk, Komfort, Licht, Getriebe)

LED-Technologie als Differenzierungsmerkmal

Die Zukunft der intelligenten  Fahrzeugbeleuchtung

Mit dem fortschreitenden Übergang zum E-Auto befindet sich die Automobilindustrie in der wohl schwerwiegendsten Umstellung, die sie in ihrer 120-jährigen Geschichte erlebt hat. Darüber hinaus findet ein weiterer richtungsweisender Wandel in der Branche statt: Die Fahrzeuge werden erheblich intelligenter.

Neben dem fortschreitenden Übergang zum E-Auto findet ein weiterer richtungsweisender Wandel in der Automobilbranche statt: Die Fahrzeuge werden erheblich intelligenter.

Das Aufkommen intelligenter Automotive-Systeme geschieht nicht von heute auf morgen. Geräte wie  Satellitennavigation, proaktive Fahrer- assistenten und die automatische Aktivierung der Scheinwerfer bieten schon seit einiger Zeit ein gewisses Maß an Fahrzeugintelligenz, vor allem im Premiumsegment. Das zunehmende Vertrauen der Verbraucher in die Technik und die kontinuierlichen Bemühungen um mehr Sicherheit im Straßenverkehr haben diesen Fortschritt nur noch weiter vorangetrieben. Doch so „intelligent“ diese Systeme auch bereits sein mögen – im Vergleich zur nächsten Generation sind sie noch sehr einfach: Ein besonderer Aspekt eines Fahrzeugs, der einen beispiellosen Wandel durchmacht, ist die Beleuchtung.

Leuchtdioden (LEDs) stehen seit Mitte der 2000er Jahre an der Spitze der Entwicklung von Fahrzeugbeleuchtungen. Damals begannen Vorreiter mit der Einführung dieser Technik in ihren Premiummodellen. Seitdem haben sich LEDs in traditionellen Anwendungen wie Außen- und Innenraumbeleuchtung verbreitet, wobei auch preisgünstige Fahrzeugmodelle von den Leistungsvorteilen profitieren.

Eine von TrendForce im Jahr 2022 [1] durchgeführte Studie kam zu dem Ergebnis, dass LEDs inzwischen in über 60 Prozent der neuen Pkw und in 90 Prozent der neuen Elektrofahrzeuge (EV) zum Einsatz kommen. Und obwohl die meisten Neufahrzeuge inzwischen mit LED-Beleuchtung ausgestattet sind, verfügen nur 3,2 Prozent über intelligente Scheinwerfer mit adaptivem Fernlicht. Diese Statistik verdeutlicht, dass LED-Scheinwerfer zwar immer häufiger eingesetzt werden, aber in den meisten Fällen anstelle von herkömmlichen Glühlampen, ohne dass weitere intelligente Funktionen implementiert wurden.

Die Bandbreite der Anwendungen und die zukünftige Landschaft der Fahrzeugbeleuchtung ändern sich jedoch schnell, weil neue LED-basierte Beleuchtungslösungen intelligentere Sicherheits- und Komfortfunktionen bieten. Diese Entwicklungen können für die Hersteller ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal darstellen, um die innere und äußere Ästhetik ihrer Fahrzeuge zu verbessern. Verglichen mit der Komplexität, die mit dem Design der Fahrzeugform verbunden ist, um es ästhetisch ansprechender zu machen, könnten die individuelle Anpassung und der auffällige Charakter von LED-Lösungen eine weitaus effizientere Möglichkeit darstellen, die visuelle Identität zu verbessern.

Die Möglichkeit, über die einfache statische Beleuchtung hinauszugehen und komplexere dynamische Systeme einzuführen, ist etwas, das viele führende Fahrzeugmarken gerade erforschen. RGB-Ambiente-LEDs erfreuen sich bereits großer Beliebtheit und ermöglichen den Nutzern, den Farbton und die Intensität der Beleuchtung im Innenraum nach ihren Vorstellungen zu konfigurieren. Das ist jedoch nur der Anfang, denn die Hersteller gehen noch weiter, indem sie anspruchsvolle Animationen in neue Fahrzeugmodelle integrieren (Bild 1).

Obwohl die dynamische Fahrzeugbeleuchtung noch neu ist, gibt es bereits sowohl auf der Straße als auch in der Entwicklung verschiedene Anwendungen. Diese verfolgen zwei klare Ziele: Erhöhung der Sicherheit durch bessere Sichtbarkeit oder verbesserte Ästhetik und individuelle Anpassung durch den Nutzer.

Bei den wichtigsten Anwendungen haben dynamische LEDs bereits zu einer verbesserten Sichtbarkeit der primären Außenbeleuchtung geführt. Systeme wie sequenzielle Blinker, Tagfahrlicht, adaptive Scheinwerfer und dynamische Bremslichter sorgen durch Animation (oder intelligente Änderung der Intensität) für eine bessere Sichtbarkeit des Fahrzeugs. Bei den Blinkern ist der Unterschied zwischen einer einfachen blinkenden Glühlampe und einem animierten sequenziellen LED-Band ein Beispiel dafür, wie eine dynamische Beleuchtung die Sichtbarkeit der Fortbewegung eines Fahrzeugs verbessert. Die Nachfrage nach intelligenter Beleuchtung geht jedoch über die rein höhere Sicherheit hinaus. Viele Implementierungen zielen auf die Ästhetik und die Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug ab.

In der Automobilindustrie kann ein Feature, das ein Fahrzeug von anderen unterscheidet, einen enormen Einfluss auf den Umsatz haben. Das gilt vor allem in überfüllten Marktbereichen, in denen die Verbraucher eine große Auswahl an Optionen haben. Durch den Einsatz von LEDs, die nicht nur für die Beleuchtung der Umgebung, sondern auch für dynamische Animationen zur Begrüßung und visuelles Feedback von Bedienelementen eingesetzt werden, lässt sich das Design des Fahrzeuginnenraums gegenüber den Modellen der Konkurrenz deutlich positiv unterscheiden.

Zu den aktuellen Anwendungen gehören bereits animierte RGB-Beleuchtungen des Innenraums, des Armaturenbretts und der Innenverkleidung. Zukünftig könnte die dynamische Beleuchtung des Armaturenbretts eingehende Anrufe, Verkehrswarnungen oder die Einstellung der Klimaanlage im Fahrzeug anzeigen. Durch LEDs für die Rückmeldung ist es für den Fahrer einfacher, sich auf die Straße zu konzentrieren. Beim automatisierten Fahren können auch interne Warnleuchten den Fahrer mit auffälligen Animationen darüber informieren, dass er die Kontrolle über das Fahrzeug wieder übernehmen muss.

Anforderungen an animierte Beleuchtungstechnik

Verbesserte LED-Systeme in Fahrzeugen und der zusätzliche Bedarf an visuellen Animationen führen unweigerlich zu komplexerer Elektronik. Kombiniert man das mit den aktuellen Entwicklungen in den Bereichen Fahrerassistenz und Infotainment, wird deutlich, wie sehr die bordeigenen Netzwerke unter Druck stehen. Die alten Kommunikationsprotokolle CAN und LIN, auf denen sich viele Fahrzeuge immer noch stützen, werden den heutigen Anforderungen der Industrie nicht mehr gerecht.

Für LED-Leuchten, die RGB-Farben darstellen und fortschrittliche Animationen unterstützen, wären die Anzahl der Dioden und die Häufigkeit der Aktualisierungen viel zu groß, als dass die alten Protokolle sie effektiv steuern könnten. Bestehende CAN-Netzwerke würden die Anzahl der Lichter und die Komplexität der Animationen begrenzen, während LIN-Netzwerke nur für Anwendungen mit geringer Geschwindigkeit geeignet sind. In beiden Fällen wäre die visuelle Wirkung der LEDs stark beeinträchtigt. Das Kernproblem für die Hersteller besteht darin, dass zukünftige Fahrzeuge viel zu viele Leuchtdioden enthalten werden, die ihre Farbe zu häufig wechseln, als dass die bestehenden Systeme das unterstützen könnten.

Wie in jedem aufstrebenden Markt wächst die Zahl der Unternehmen, die RGB-LED-Produkte für den Einsatz in Fahrzeugen herstellen, rasant. Das stellt eine zusätzliche Herausforderung dar, weil die verschiedenen Systeme unterschiedliche Integrationsanforderungen haben. Die Entwicklung einer Lösung, die flexibel genug ist, um nahtlos mit der Vielzahl von LED- und Karosserie-Steuermodulen zusammenzuarbeiten und gleichzeitig den rauen Umgebungsbedingungen in einem Auto standzuhalten, stellt eine enorme Herausforderung dar.

Das CAN-FD-Protokoll bietet zwar eine erhebliche Leistungssteigerung. Leider ist es aufgrund seiner Architektur und seiner Implementierungsanforderungen derzeit zu teuer, um es in der gesamten Produktpalette vieler Hersteller einzusetzen. Das würde dynamische LEDs auf Luxusfahrzeuge beschränken. Für die meisten Automobilhersteller besteht das Ziel jedoch darin, fortschrittliche LED- Matrizen in den meisten Modellen einzusetzen.

Um die Herausforderungen intelligenter Beleuchtung zu bewältigen hat Melexis ein eigenes, lizenzfreies Protokoll speziell für diesen Zweck entwickelt. Unter dem Namen Melexis Light Bus, kurz MeLiBu, kombiniert es das zugängliche Protokoll und die Hardware-Architektur von LIN mit der Zuverlässigkeit der CAN-Kommunikation. Das Ergebnis ist ein schnelles, robustes Netzwerk, das die Anforderungen animierter High-Density-LED-Anwendungen erfüllt.

Außerdem kam es darauf an, dass die Beleuchtungslösung kosteneffizient und kompakt ist. Melexis reduzierte die Systemkomplexität durch eine differenzierte Busstruktur, wobei alle Treiber als Commander für die Bus-Kommunikation fungieren können. Jede einzelne MeLiBu-Multipoint-Steuereinheit (MCU) ist in der Lage, sich über den Kabelbaum mit mehreren LED-Modulen zu verbinden. Das ermöglicht eine verzögerungsfreie Kommunikation mit mehr als 1000 LEDs in einem Bussegment. Um den rauen Umgebungen moderner Fahrzeuge gerecht zu werden, bieten die Controller hohe ESD- und EMV-Robustheit, sind konform nach ISO 11898 (CAN-FD-PHY-Standard) und ISO 26262 (funktionale Sicherheit).

Mehrere Hersteller haben MeLiBu bereits validiert (Bild 2) und implementiert, die ersten Modelle sind bereits auf der Straße. (eck)

<a href="http://www.melexis.com" target="_blank">www.melexis.com</a>

Michael Bender ist Senior Product Line Manager Embedded Lighting bei Melexis.

[1] <a href="https://www.trendforce.com/presscenter/news/20220706–11289.html" target="_blank">https://www.trendforce.com/presscenter/news/20220706–11289.html</a>

Bild 1: Mögliche Anwendungen für animierte Fahrzeugbeleuchtung

Bild 2: Demofahrzeug von Renault und Melexis mit dynamischer Beleuchtung

Michael Bender ist Senior Product Line Manager Embedded Lighting bei Melexis.

Melexis

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