Forschungsschwerpunkt
Optimierung der Bordnetz-Architektur von Kraftfahrzeugen in frühen Entwurfsphasen
In heutigen Kraftfahrzeugen ist der Kabelbaum eines der wichtigsten und gleichzeitig teuersten Elemente. Er verbindet alle Fahrzeugkomponenten mit ihren Steuer- bzw. Recheneinheiten und sichert so den zuverlässigen Daten- und Energiefluss im gesamten Fahrzeug. Mit steigender Anzahl an Komfort- und Sicherheitsfunktionen nehmen auch Komplexität und Gewicht des Kabelbaums zu. Es werden daher Möglichkeiten gesucht, diesen Eigenschaften schon während des Entwurfs zu optimieren.
Die konventionelle Domänenarchitektur sieht für jede Funktion ein oder mehrere Steuergeräte vor. Das Ziel der neuartigen Zonenarchitektur ist nun die Unterteilung des Fahrzeugs in Zonen, in denen jeweils alle Steuergeräte durch einen zentralen Zonencontroller (zonal control unit, ZCU) ersetzt werden. Das Ziel besteht darin, die Komplexität zu reduzieren und Kabel einzusparen. Insbesondere für die Zonenarchitektur ist dabei die Anzahl der Zonen entscheidend für Aufbau, Komplexität und Kosten des Bordnetzes. Der Vergleich verschiedener Architekturvarianten soll daher möglichst früh im Entwurfsprozess erfolgen, um unter anderem die ideale Anzahl an Zonen zu ermitteln. Dazu wird der zusätzliche Entwurfsschritt des Architekturvergleichs bzw. der Architekturoptimierung eingeführt, der in der folgenden Übersicht in den bisherigen Entwurfsprozess eingeordnet wird.
Architekturvergleich und -optimierung
Ziel des Architekturvergleichs ist die schnelle und automatisierte Generierung von Architekturvarianten und deren Kabelbäumen, insbesondere für Zonenarchitekturen. Dies wird als mehrstufiger Prozess realisiert, der im folgenden Bild dargestellt ist. Am Anfang stehen die 3D-Daten des Fahrzeugs, wobei die für die Positionierung von Komponenten möglichen Punkte und die Führung von Kabeln möglichen Wege in Form eines Graphen modelliert werden. Zusammen mit den für die Architektur vorgesehenen Komponenten werden diese Daten der zonalen Partitionierung unterzogen. Ergebnis dessen ist die Einteilung des Fahrzeugs in die vorgesehene Anzahl an Zonen einerseits und die Positionierung der Zonencontroller in den Zonen andererseits. Im Anschluss daran erfolgt das Routing, wobei jeder zu verdrahtenden Verbindung des Bordnetzes ein konkreter Verlauf im Fahrzeug zugewiesen wird unter Beachtung der vorhandenen Bauräume. Das Ergebnis ist ein Kabelbaum, der anhand verschiedener ermittelter Kennzahlen bewertet werden kann. Dazu zählen Gesamtkabellänge, durchschnittliche Kabellänge, maximale Kabellänge und Gesamtkabelgewicht sowie Kosten für die Kabel und die Zonencontroller.
Aranea als Werkzeug zum Architekturvergleich
Am Institut wird die Software Aranea entwickelt, die das automatisierte Durchführen des Architekturvergleichs ermöglicht. Eingangsdaten sind 3D-Daten bzw. ein Graph der möglichen Verlegewege sowie die Liste der im Fahrzeug zu platzierenden Komponenten. Die Daten können dabei unter anderem im industriell genutzten Format KBL oder in Form der Featureliste des frei verfügbaren Fahrzeugmodells OpenBoardNet geladen werden. Ergebnisse sind verschiedene Architekturvarianten inklusive Zoneneinteilung, resultierendem Kabelbaum sowie relevanten Kennzahlen, um Vergleiche zu ermöglichen.
Nachdem die Eingangsdaten in Aranea geladen wurden, können die Parameter für den Architekturvergleich festgelegt werden. Dazu zählen die Zonenanzahl (oder auch ein Bereich an Zonenanzahlen, über den iteriert werden soll) oder verschiedene Optimierungsparameter, über die beispielsweise kürzere Kabel oder eine kostengünstigere Architektur bevorzugt werden sollen. Anschließend erfolgen automatisiert die zonale Partitionierung und das Routing für jede geforderte Architekturvariante (siehe vorheriges Bild) und die Kennzahlen der erzeugten Varianten werden in einer Tabelle gegenübergestellt. Durch die farbliche Hervorhebung lassen sich geeignete Varianten schnell erkennen. Durch Auswahl einer Variante in der Tabelle werden für diese die erstellte Zonenarchitektur und der Kabelbaum angezeigt.
Ergebnisse
Unter Nutzung von Aranea konnte gezeigt werden, dass sich durch den Einsatz von Zonenarchitekturen den Kabelbaum deutlich verändert. Die Gesamtkabellänge sinkt mit Erhöhung der Zonenanzahl und erreicht bei 10 Zonen bereits 42 % der Kabellänge einer vergleichbaren Domänenarchitektur. Die maximale und mittlere Kabellänge sinken ebenfalls mit größerer Zonenanzahl und erreichen bei 10 Zonen 21 % (maximale Länge) und 27 % (mittlere Länge) der Domänenarchitektur. Durch die kürzere Gesamtkabellänge sinken vor allem Kosten und Fertigungsaufwand, durch die kürzere maximale Kabellänge wird eine stärkere Automatisierung der Kabelbaumfertigung ermöglicht. Mit steigender Zonenanzahl sinken entsprechend die Kosten für Kabel, allerdings steigen die Kosten für Zonencontroller. Je nach Anwendung muss daher ein Ausgleich zwischen diesen beiden sowie weiteren relevanten Werten gefunden werden, was durch den Einsatz von Aranea schnell und automatisiert möglich ist.
Förderung
Die auf dieser Seite vorgestellten Ergebnisse entstanden im Rahmen des Projekts MANNHEIM-KI4BoardNet, das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert wurde.
Veröffentlichungen
- P. Näke, F. Stein, A. Krinke, J. Lienig "Efficient Architecture Evaluation and Generation of Automotive Wiring Harnesses", in Proc. of the IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Singapur, S. 1-5, November 2025 [pdf, DOI].
- P. Näke: "Aranea – Optimale Verdrahtung zum Architekturvergleich von Kfz-Bordnetzen", Vortrag, Layout-Fachgruppentreffen: Automotive EDA, Erfurt, 22. September, 2025 [pdf].