Bordnetze

Architektur – Kabelsatzdesign – Automatisierung

Nachbericht

Trends und Entwicklungen im Bordnetz
 

Der nachfolgende Text ist wie folgt gegliedert:

• Kooperationsforum -Treffpunkt der E/E-Architektur- Community
• Roadmap für das physische Bordnetz
• Miniaturisierung, kleinere Kabelquerschnitte und alternative Leitungsmaterialien
• Status Arbeitskreis „automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign“
• Steckerbaukasten für automatisierte Fertigung
• Neue Tools und Technologien für das Bordnetz

Rund 80 Prozent der zukünftigen Innovationen im Automobil werden auf Elektronik beruhen. Die Weiterentwicklungen von Komfort- und Sicherheitsfunktionen sowie von neuen Antriebstechniken bedingen somit auch immer leistungsfähigere Architekturen des automobilen Bordnetzes. Dieses ist ein hervorragendes Beispiel für den Verdichtungsprozess von Innovationen.

Treffpunkt der E/E-Architektur-Community

Das Bordnetz eines Mittelklassefahrzeugs umfasst heute bereits eine Kabellänge von über 2 km, besteht aus mehr als 600 Steckern und hat ein Gewicht von bis zu 60 Kilogramm – und es wächst weiter.
Ob Datentransfer von Steuereinheiten oder Infotainment - die steigende Funktionalität innerhalb von Sicherheits- und Komfortsystemen sowie alternative Antriebskonzepte lassen die Leistungsanforderungen an das automobile Bordnetz wachsen. Die größte technologische Herausforderung ist es, zukünftig die Komplexität der Elektrik/Elektronik vom Entwicklungsprozess bis zur Serie im Fahrzeug zu beherrschen.
Der Trend geht hier zu Systemlösungen, zur weiteren Gewichtsreduktion sowie der Standardisierung von Komponenten und Fertigungsprozessen. Wurde das Bordnetz bislang meist nur additiv erweitert, so ist zukünftig auch an grundlegend neue Architekturen des Bordnetzes zu denken.

Um diese Themen zu diskutieren trafen sich rund 250 Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft am 23.11.2009 im futuristischen Ambiente des BMW Museums in München zum 12. Kooperationsforum Bordnetze. Das Forum wurde von der Bayern Innovativ im Rahmen der Netzwerke BAIKA, BAIKEM und des Clusters Automotive konzipiert und organisiert. Als Partner brachten sich BMW und der Verband der Automobilindustrie VDA ein. Auf der begleitenden Fachausstellung zeigten 13 Zulieferer Beispiele ihrer Entwicklungs- und Fertigungskompetenzen.

Die Einführung in das Kooperationsforum gab Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH sowie Sprecher des Clusters Automotive. Ausgangspunkt des Forums war der breit angelegte Kongress Zulieferer Innovativ 1999. Hier wurde die separate Weiterführung und Vertiefung des Themas Bordnetze mit einem jährlichen Kooperationstreffen beschlossen. Beim Forum 2008 kam es auf Initiative der Firma Delphi zu einem Herauslösen des Themenkreises „automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign“. Das Management des Arbeitskreises mit 40 Firmen aus dem gesamten Spektrum der Wertschöpfungskette obliegt der Bayern Innovativ GmbH. Im Fokus stehen konkrete Maßnahmenkataloge für die gesamte Zulieferer-Kette in vier Themenbereichen.
Dieser Arbeitskreis ist exemplarisch hinsichtlich des Zusammenführens von Zielvorstellungen und ein wesentlicher Schritt aus der Industrie heraus, die Automatisierung und weitere Standards sowie den weiteren Ausbau des Bordnetzes bis hin zu neuen Architekturansätzen zu ermöglichen.

Mit Hinweis auf aktuelle Trends im Bordnetz-Bereich konnte sich der Themenbogen des Tages sehr gut wieder finden: Strategie und Roadmap des OEM, Miniaturisierung in Stecker und Kabelsatz, Automatisierung und zukünftige Architektur-Auslegung – das waren und sind die Kernthemen.

Roadmap für das Physische Bordnetz

Den technischen Einstieg präsentierte Hans-Joachim Wetzel, Leiter Vernetzung Physisches Bordnetz, BMW AG, München. Ausgehend von einer Standortbestimmung des physischen Bordnetzes zeigte er notwendige Veränderungen im Bordnetz auf und spannte dabei einen Themenbogen über die anschließenden Vorträge.
Der Kabelbaum hat das höchste Gewicht und die höchsten Kosten aller E/E-Komponenten. Derzeit bestimmen Faktoren wie Rohstoffpreise, Energieeffizienz, Multispannungen oder Lohnkosten die „Produktcharakteristika“ des Bordnetzes. Der Automatisierungsgrad ist architekturbedingt sehr niedrig und die Fertigung erfolgt überwiegend in Niedriglohnländern. Ständige, späte Änderungen erfordern ein komplexes cost-engineering, da auch die Durchgängigkeit der Daten zwischen Konzept und Serieneinführung unzureichend ist.

Dem kann nur entgegengewirkt werden, wenn die Bordnetzentwicklung bereits in der Frühphase der Fahrzeugkonzeption eingebunden wird und das Bordnetz als Gesamtsystem eine gestaltende Rolle übernimmt. Es ergeben sich dann vielfach Stellhebel, um das Bordnetz hinsichtlich Kosten, Qualität, Gewicht, Logistik und Fertigungsaufwand zu optimieren. Vorraussetzung hierfür ist aber auch ein Überdenken der Architektur und der OEM-Baukästen, die derzeit die Teileauswahl bestimmen. Herr Wetzel regte an, gemeinsam mit mehreren Herstellern und Tier1-Zulieferern hierfür eine Zielvision und Roadmap für das Bordnetz aufzustellen. „Dies sei auch dadurch möglich, dass die grundlegende E/E-Infrastruktur nicht mehr OEM-differenzierend sein müsse“. Um hier entsprechende Standards anzusetzen sei das Zusammenwirken von mehreren OEMs und Tier1-Zulieferern notwendig.

Folgende Aspekte sollen eingehen:

• Grundsätzliches Überdenken der derzeitigen Bordnetzarchitektur
• Festlegung und eventuell auch Neuentwicklung von Standard-Komponenten, die eine automatisierte Fertigung erlauben.
• Gemeinsame Technologieentwicklungen für weitere Miniaturisierung, die Verarbeitung niedrigerer Kabelquerschnitte oder den Einsatz alternativer Materialien wie Aluminium
• Einführung eines gemeinsamen Datenformates von der Konzeption bis zur Fertigung. Favorisiert wird hier derzeit das Format VEC (vehicle electric container).
• Integration neuer Technologien wie Ethernet, Powerline-Kommunikation oder elektronischer Schalter als Sicherungen

Der Übergang in eine neue Architektur soll fließend erfolgen; so soll das Konzept zuerst für neue Bereiche, wie z. B. für Infotainment eingesetzt werden.

Miniaturisierung, kleinere Kabelquerschnitte und alternative Leitungsmaterialien

Auch für den Konfektionär stehen neue Technologieentwicklungen für die Fertigung im Brennpunkt, wie Norbert Sickau, Lisa Dräxlmaier GmbH, Vilsbiburg, erläuterte. Anhand der Vorstellung des prinzipiellen Ablaufs einer Leitungssatzfertigung, von der Kabelschneiderei, über Vorkonfektion und Modulbau bis zur Montage, stellte er den derzeitigen Automatisierungsgrad dar. So werden vor allem in der Kabelschneiderei und der Vorkonfektion Voll- und Halbautomaten eingesetzt, während die weitere Montage im Wesentlichen auf Handarbeit beruht.

An Hand von Beispielen zeigte er den Bedarf an neuen Fertigungsprozessen für die derzeit bestehende automatisierte Montage auf. Für kleine Kabelquerschnitte von 0,13 mm² ist die Überwachung der Crimpkraft bei der Kontaktmontage nicht mehr ausreichend für eine zuverlässige  Qualitätskontrolle. Hier bestehe noch Optimierungsbedarf für die Kontaktsysteme, so Sickau. Ähnliches gilt für die Verarbeitung von Aluminiumleitungen. Da hier ein Crimpen des Kontaktes nicht möglich ist, müssen aufwändigere Schweißprozesse in die Automaten der Kabelschneiderei und Vorkonfektion integriert werden. Gleichzeitig muss auch die Verarbeitung verschiedener Materialien auf einem Automaten möglich sein. Hier ist vor allem der Maschinenbau gefordert. Durch die gestiegene Komplexität des Bordnetzes steht aber auch die Erweiterung der Automatisierung zunehmend im Fokus, vor allem für den Bereich der Modulkonfektion.

Produktinnovation aus der Steckerentwicklung stellte Dr. Thomas Ginsberg, Director Product Engineering, von der Tyco Electronics AMP, Bensheim, unter den Aspekten Motivation, Herausforderung, Lösung und Implementierung vor. Beispiele sind der NanoMQS-Stecker für weitere Miniaturisierung im Signalleitungsbereich. An Hand dieser Stecker-Familie machte er aber auch deutlich, dass effiziente Neuentwicklungen nur unter Einbeziehung sowohl aller involvierten Abteilungen eines Automobilherstellers als auch der gesamten Zuliefererkette möglich seien. Die Anforderungen aus dem OEM-Baukasten müssen an die Rahmenbedingungen der Komponentenfertigung wie auch der späteren, automatisierten Montage angepasst werden, um eine hohe Kosteneffizienz der Gesamtlösung zu erreichen. Letzen Endes wären anwendungsgerechte, offene Standards, die allen Beteiligten einen Nutzen bringen, die Ideallösung, wie Ginsberg betonte.

Status Arbeitskreis „automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign“

Automatisierung ist ein zentrales Thema und stand im Fokus der Beiträge von OEM,  Kabelsatzkonfektionär und Steckerlieferanten. Dr. Andreas Böhm, Projektmanager, Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg, informierte dann über den Status des aktuell laufenden Arbeitskreises „automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign“, der im Rahmen des Clusters Automotive gemanagt wird:

Die weitere Automatisierung der Bordnetzfertigung ist ein wichtiger Aspekt für Zuverlässigkeit, Qualität und Kostenreduktion und eine essenzielle Voraussetzung, um die Kabelbaum-produktion auch wieder verstärkt in Deutschland anzugehen.
Im Arbeitskreis werden mit Vertretern der gesamten Kabelsatz-Wertschöpfungskette vier Themenfelder erarbeitet, die aus unterschiedlichen Blickwinkeln Kriterien und Hindernisse für eine automatisierte Bordnetzfertigung darstellen. Aus den bisherigen Ergebnissen wird ein erhöhter Bedarf an Standardisierung und Variantenreduzierung deutlich, welcher nur in enger Abstimmung von Architekturentwicklung, Bordnetz- und Komponentendesign erfüllt werden kann.

Steckerbaukasten für automatisierte Fertigung

Ob die Einführung weiterer Standards eine notwendige Bedingung für höhere Automatisierbarkeit ist, war auch Gegenstand der Podiumsdiskussion „Steckerbaukasten-System - Hindernisse und Erfolge in der Standardisierung“, bei der Vertreter von BMW, S-Y Systems Technologies Europe, Tyco Electronics AMP, Komax und Robert Bosch ihre Standpunkte vertraten. Die Potenziale als auch die möglichen Grenzen einer Standardisierung wurden diskutiert und die unterschiedlichen Interessenlagen vorgestellt, hinter der jeweils ein entsprechendes Geschäftsmodell der einzelnen Firmen steht. Klar ist: Weitere Standardisierung mit einer Reduzierung von Varianten muss eine Win-Win-Situation für alle Beteiligten ergeben. Das Interesse an  einer Guideline, wie sie aktuell im Rahmen des Arbeitskreises „automatisierungsgerechtes Bordnetzdesign“ erarbeitet wird, wurde klar signalisiert. Ebenso bestand Einigkeit, dass die gesamte Kabelbaum-Wertschöpfungskette wesentlich früher in Konzeption und Entwicklung eines Automobils eingebunden werden muss.

Neue Tools und Technologien für das Bordnetz

Qualität und Standard sind ebenfalls bedeutende Faktoren für den Kabelsatz-Entwicklungs-prozess. Vom ersten Entwurf über die Konstruktion bis zur automatischen Erstellung von Fertigungsunterlagen für die Kabelbaum-Konfektionäre soll der Prozess des Bordnetz-Designs vereinheitlicht werden. Wie eine stringente Toolkette eine optimierte E/E-Architektur und eine höhere Qualität des Kabelbaumes schon während der Entwicklung ermöglicht, präsentierte Josef Biermeier, Geschäftsführer der COMSA Computer u. Software GmbH, München. Er setzt dabei auf die Entwicklung hochspezialisierter Module, die von unterschiedlichsten Herstellern angeboten werden können und über eine universelle Schnittstelle den Datenaustausch ermöglichen. Auch er favorisiert dabei das Format VEC (vehicle electric container). Eine wesentliche Voraussetzung für dieses Konzept ist die konsistente Datenhaltung über alle Anwendungen, gerade auch hinsichtlich des Änderungsmanagements während der Kabelsatzentwicklung.

Einen neuen Aspekt im Energiemanagement des automobilen Bordnetzes bildet die Auslegung elektronischer Schalt- und Sicherungsfunktionen, deren Potenzial und Herausforderungen Rolf Wagemann, Leiter Power Distribution bei der Intedis GmbH & Co. KG, Würzburg, darstellte. Basis sind Halbleiterbauelemente aus der Leistungselektronik. Mit einer integrierten Diagnose der Lastcharakteristik und der Temperaturverläufe können Ströme gezielt begrenzt werden, was die Verwendung kleinerer Kabelquerschnitte ermöglicht und damit das Gewicht des Bordnetzes erniedrigt. Gleichzeitig kann die Funktion einer „reversiblen Schmelzsicherung“ dargestellt werden, die beim Wiedereinschalten den vorher gespeicherten Funktionszustand wieder herstellt. Der zentrale Sicherungskasten wird damit überflüssig. Die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu heutigen Lösungen kann aber nur über eine Betrachtung der notwendigen Änderungen und Einsparungen im gesamten Bordnetz dargestellt werden. Eine reine Substitution bestehender Komponenten wäre hier nicht zielführend.

Abschließend zeigte Prof. Dr.-Ing Jörg F. Wollert von der Hochschule Bochum die technischen Möglichkeiten von Ethernetnetzwerken auf. Eines ist jetzt schon klar: die Datenraten im Automobil folgen ebenfalls dem Moor´schen Gesetz und verzehnfachen sich alle 7 Jahre. Damit ist absehbar, dass herkömmliche Bussysteme im Automobil bald an ihre Grenzen stoßen werden. Hier biete sich das Ethernet als bewährte und skalierbare Technologie für hohe Datenraten an. Zudem wurde die Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit in der Industrieautomation bereits in vielen Anwendungsbereichen demonstriert. Mit dem zunehmenden Angebot von Automotive-zertifizierten Bausteinen steht einer Einführung im Automobil eigentlich nichts im Wege. Zu klären bleibt, ob auch ungeschirmte, twisted pair-Leitungen verwendet werden können, was die Kosten wesentlich begrenzen würde. Hier wäre eventuell ein paralleler, redundanter Datentransfer eine Möglichkeit, um elektromagnetische Einstrahlungen auszuschließen. Prof. Wollert ist überzeugt: Ethernet gibt es bald im Automobil nicht nur für Mutimedia.

Aus den Rückmeldungen der Teilnehmer wurde klar, dass das Cluster Automotive mit dem Arbeitskreis „automatisierungsgerechtes Bordnetz-Design“ die Interessen der Branche getroffen hat und ein wichtiges Thema vorantreiben kann. Die Cluster-Manager konnten hier Ihre fachlichen Kompetenzen erfolgreich in die Initiierung und Begleitung des Projektes einbringen.

Die Dynamik der Bordnetzentwicklung lässt bereits heute ein spannendes und vielfältiges „Kooperationsforum Bordnetze 2010“ erwarten.



Ansprechpartner:
Dr. Andreas Böhm
Dr. Rupert Tkotz