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Der Master für alle Fahrzeugfunktionen – VCU-Entwicklung

Sie ist das Großhirn eines modernen Fahrzeugs – nicht nur im BEV. Doch der Funktionsumfang des zentralen Steuergeräts hat sich im E-Auto erheblich erweitert: Über die bloße Antriebssteuerung hinaus wurden weitere Aufgaben integriert – aus dem einstigen Motorsteuergerät, der Engine Control Unit, wird die VCU, die Vehicle Control Unit.

Die Zusammenfassung der Fahrfunktionen in einem übergreifenden Steuergerät ermöglicht es dem Fahrzeugentwickler, die wechselseitige Beeinflussung verschiedener Faktoren zentral zu berücksichtigen. Gleichzeitig erfordert dies jedoch eine präzise individuelle Anpassung der VCU an jede spezifische Fahrzeugapplikation.

ERWEITERTER FUNKTIONSUMFANG DER VEHICLE CONTROL UNIT IN ELEKTRIFIZIERTEN FAHRZEUGEN

In der klassischen Verbrenner-Fahrzeugarchitektur gibt es für die unterschiedlichen Komponenten des Antriebsstranges jeweils einzelne elektronische Steuergeräte: Eines für die Motorsteuerung, eines für die Getriebesteuerung, gegebenenfalls eines für die Verteilergetriebesteuerung – und eventuell noch eines für die Steuerung von Achsdifferenzialsperren. Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs kennt aber diese Aufteilung nicht: Ein separat zu steuerndes Getriebe ist nicht erforderlich, statt des Verteilergetriebes gibt es bei modernen, vollelektrischen Allradkonzepten einen Motor pro Achse – eventuell sogar einen pro Rad. Drehmoment- und Drehzahlregelung vom Anfahren bis zur Höchstgeschwindigkeit werden allein von der Vehicle Control Unit übernommen, ebenso die Drehmomentverteilung zwischen den Antriebsachsen, potenziell sogar zwischen den Rädern einer Achse.

So wird die Vehicle Control Unit zum „Master des Antriebsstrangs“: eine Entwicklung, die speziell für Elektrofahrzeuge notwendig ist. Zwar können lokale Funktionen an Sub-Steuergeräte ausgelagert sein, die mit der VCU vernetzt sind – etwa ein Steuergerät für den Inverter der Motorregelung. Der Trend geht allerdings eindeutig dahin, möglichst viele Funktionen in der VCU zusammenzufassen. 

Checklist from Magna regarding Alternative Propulsion Systems for Car Manufacturers

GLEICHE VCU-GRUNDFUNKTIONEN FÜR ALLE ELEKTROFAHRZEUGE

Prinzipiell sind die Funktionen der VCU in allen Elektrofahrzeugen die gleichen. So erscheint der Gedanke naheliegend, eine Art „Universal-Steuergerät“ zu entwickeln, das dann nur durch kleinere Software-Anpassungen oder eine geänderte Parametrierung adaptiert und für eine Vielzahl von Fahrzeugen verwendet werden kann. Prinzipiell ist das auch denkbar. Allerdings ist dabei in Hardware- und Softwareteil zu unterscheiden. MAGNA als Entwicklungsdienstleister stellt sich dabei auf den jeweiligen Kunden ein: Handelt es sich um einen etablierten OEM, der vielleicht schon ein oder mehrere E-Autos in Produktion hat und daher stark daran interessiert ist, möglichst viele Gleichteile zu verwenden, dann wird in jedem Fall versucht werden, ein neues Fahrzeugprojekt zumindest mit der gleichen Hardware umzusetzen und die Adaption auf das jeweilige Fahrzeug rein softwareseitig zu lösen. Der Entwicklungsspielraum wird dadurch geringer. Handelt es sich hingegen um einen Marktneueinsteiger, der vorerst nur ein einziges Fahrzeugprojekt beauftragt, kann eine auf dieses Projekt maßgeschneiderte Lösung gewählt werden.

Dennoch erleichtert die modulare Hardwarearchitektur in jedem Fall die Gleichteilverwendung – beispielsweise bei unterschiedlichen Varianten eines Fahrzeugmodells: Gibt es etwa eine allrad- und eine zweiradgetriebene Version, lässt sich die Antriebssteuerung prinzipiell mit der gleichen Hardware realisieren; es muss lediglich die Software verändert werden, was relativ leicht darstellbar ist.

NEUPROGRAMMIERUNG VERSUS PARAMETRIERUNG

Ähnlich wie mit der VCU-Hardware verhält es sich mit der Programmierung. Je nach Abstimmung mit dem Auftraggeber – also meist dem OEM – werden bei einer Entwicklung genau diejenigen Funktionen bei der Software der VCU hinterlegt, die im Fahrzeug notwendig sind. Die Grundfunktionen der VCU sind zwar prinzipiell immer die Gleichen; je nach Applikation können aber Zusatzfunktionen hinzukommen. Zudem muss die Programmierung auch auf die jeweils verwendeten Komponenten abgestimmt sein: Beispielsweise sind Batterien unterschiedlicher Lieferanten, auch wenn sie immer die gleiche Funktion und eventuell auch gleiche oder ähnliche Spezifikationen haben, doch nicht genau gleich; sie müssen daher von der VCU unterschiedlich angesprochen werden. Auch Inverter unterschiedlicher Hersteller benötigen oft unterschiedliche Steuerung.

Dieses Problem unterschiedlicher Bauteillieferanten stellt sich bei Entwicklungsprojekten im Auftrag „klassischer OEM“, die bereits ein oder mehrere E-Autos in Produktion haben, weniger: Ein OEM wird kaum jemals für unterschiedliche Fahrzeugtypen unterschiedliche Komponenten verwenden. Bei Neueinsteigern in den E-Auto-Markt, der nur einen einzigen Fahrzeugtyp entwickeln möchte, ist es hingegen möglich, dass bisher noch nicht übliche Bauteile zum Einsatz kommen, die bei der Softwareentwicklung zu berücksichtigen sind.

Dennoch ist nicht für jedes neue Projekt immer eine komplett neue Programmierung erforderlich. In vielen Fällen lässt sich die Software schon über die Parametrierung perfekt an die neuen Anforderungen anpassen, was nicht nur die benötigte Zeit für die Software-Entwicklung verkürzt, sondern auch die Entwicklungskosten reduziert.  Ein erfahrener Entwicklungspartner wie MAGNA kann daher seinen Kunden – also den Fahrzeugherstellern – auch im Softwareteil der Vehicle Control Unit flexibel die optimale Lösung seiner spezifischen Anforderungen bieten.

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TREND ZUR INTEGRATION MÖGLICHST VIELER FUNKTIONEN IN EINE ECU

Anstatt einzelne elektronische Electronic Control Units, also ECU, für die unterschiedlichen benötigten Funktionen in einem batterieelektrischen Fahrzeug einzusetzen, wird zunehmend dazu übergegangen, möglichst viele Funktionen in einer einzigen ECU zusammenzufassen: also beispielsweise neben den Fahrfunktionen auch die Ladesteuerung oder die Regelung des Thermomanagements in die VCU zu übernehmen. Man arbeitet hier mit Bereichs- oder Domänencontrollern; über diese werden die einzelnen Funktionen über die zugehörigen Softwarebausteine angesprochen. So können etwa im Bereich des Thermomanagements alle relevanten Pumpen und Ventile direkt von der VCU angesteuert werden.

Bei anderen Funktionen ist es hingegen günstiger, mit Schnittstellen zu anderen ECU zu arbeiten. Beispielsweise gibt es eine Schnittstelle zum Steuergerät der Bremssteuerung, über die von der VCU eine Verzögerung angefordert werden kann. Dennoch gibt es ein eigenständiges Bremsregelsystem im Fahrzeug.

Faktisch stellt die VCU also eine Mischung aus Integration von Funktionen und Schnittstellen zu anderen Systemen dar. Der Trend zur Integration möglichst vieler Funktionen in ein entsprechend leistungsfähiges Steuergerät ist jedoch eindeutig zu erkennen.

UMFASSENDE KOMPETENZ AUF IM BEREICH ANDERER STEUER- UND REGELSYSTEME

In einem modernen Fahrzeug sind faktisch alle Systeme miteinander vernetzt. Ein Entwicklungspartner, der nicht nur im Bereich Vehicle Control Units aktiv ist, sondern auch Erfahrung und Kompetenz in anderen Bereichen mitbringt, kann hier zusätzliches Know-How einbringen. Das betrifft beispielsweise den Bereich der Fahrdynamikregelung und Antriebsmomentenverteilung, die nicht nur je nach Fahrzeugmodell und Modellversion, sondern auch je nach gewähltem Fahrmodus unterschiedlich ausgelegt wird. Faktisch alle modernen Autos – insbesondere alle E-Autos – verfügen über unterschiedliche Fahrmodi, die der Fahrer je nach seinen persönlichen Präferenzen vorwählen kann.

Die unterschiedlichen Modi nehmen nicht nur auf das Motor-Ansprechverhalten und die Charakteristik des Fahrpedals Einfluss, sondern auch auf die Momentenverteilung, auf Höhe und Aufbaukurve der Lenkkräfte, eventuell auch auf Fahrwerksniveau und Dämpferverhalten. Damit sich das Ganze für den Endkunden hinterher harmonisch und befriedigend anfühlt, müssen die Einstellungen der einzelnen Fahrzeugsysteme zueinander passen, also perfekt aufeinander abgestimmt sein. Neben der VCU entscheidet somit auch die übergeordnete Regelungsstrategie des gesamten Antriebsstrangs über das in Bezug auf Effizienz, Sicherheit, Fahrdynamik und Komfort optimierte Fahrverhalten des künftigen E-Autos, um höchste Endkundenzufriedenheit zu erreichen.

MAGNA verfügt als Systempartner über jahrzehntelange Erfahrung in den unterschiedlichsten Bereichen; insofern ist beispielsweise die Umsetzung der Fahrdynamikregelung für Elektrofahrzeuge in der VCU die konsequente Weiterentwicklung des Kern-Know-Hows der Antriebsregelung, das bei MAGNA vorhanden ist. 

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Heidenbauer, Magna

Robert Jeza

Robert Jeza arbeitet derzeit als Leiter der Hardware/Software-Entwicklung bei Magna. Er begann seine Karriere bei Magna im Jahr 2001 als Embedded Software-Entwickler. Im Laufe der Jahre war er in verschiedenen Führungspositionen im Bereich der Embedded Software- und Hardwareentwicklung tätig. Robert hat sein Studium in Technischer Informatik an der Technischen Universität Graz abgeschlossen.

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