Power-over-Ethernet- und Powerline-Communication-basierte IP-Steuergeräte für Kraftfahrzeuge

Inhaltsverzeichnis

1 Zusammenfassung

2 Einleitung
2.1 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten
2.2 Problemstellung

3 Ziele und Arbeitsprogramm
3.1 Arbeitspaket 1: Architektur festlegen
3.2 Arbeitspaket
3.2.1 Arbeitspaket 2a: Entwicklung Hard- und Software
3.2.2 Arbeitspaket 2b: EMV-Untersuchungen der Komponenten ..
3.3 Arbeitspaket 3: Integration und Inbetriebnahme
3.4 Arbeitspaket
3.4.1 Arbeitspaket 4a: Funktions- und Leistungstests der Steuergerate
3.4.2 Arbeitspaket 4b: EMV-Untersuchungen der Steuergerate
3.5 Arbeitspaket
3.5.1 Arbeitspaket 5a: Integration in ein Fahrzeug
3.5.2 Arbeitspaket 5b: Entwicklung eines Demonstrators
3.6 Arbeitspaket 6: Tests der Steuergerate im Fahrzeug
3.7 Arbeitspaket 7: Konzept zur Integration in AUTOSAR
3.8 Arbeitspaket 8: Auswertung, Beurteilung und Patentierung der Ergebnisse

4 Zeitplan

5 Finanzplan

Quellenverzeichnis

1 Zusammenfassung

Im Rahmen des vom Bundesministerium fur Bildung und Forschung geforderten und am 30. Juni 2012 auslaufenden Verbundprojektes „Sicherheit in Eingebetteten IP-basierten Systemen (SEIS)" werden die prinzipielle Verwendbarkeit von Ethernet und dem Internet Protocol (IP) als Bussystem beziehungsweise als Kommunikati- onsprotokolle in der Automobiltechnik erforscht. Ethernet wird hierbei noch als ein weiteres Bussystem und das IP als ein gemeinsam von allen inklusive der klassischen Automotive-Bussystemen einheitlich verstandenes Protokoll gesehen.

Das Ziel des Forschungsprojektes „Power-over-Ethernet- und Powerline- Communication-basierte IP-Steuergerate fur Kraftfahrzeuge (P[2]IPE)" ist es nun, auf Basis dieser und zusatzlich eigener Vorarbeiten die Machbarkeit eines tatsachlichen „All IP/Ethernet Cars" zur Reduktion der Komplexitat und Kosten der gegenwartigen Elektronikarchitektur zu erforschen. Dabei sollen aufier POE und PLC keine weitere Bussysteme und neben Ethernet und IP keine anderen Kommunikationsprotokolle im Fahrzeug eingesetzt werden. Zusatzlich soll die an die Steuergerate beziehungsweise Electronic Control Units (ECUs) angebundene Peripherie uber diese beiden Bussysteme zur Minimierung des Kabelbaumes in Kraft- fahrzeugen auch mit Energie versorgt werden. Zu letzterem Punkt wurden im Vorfeld entsprechende Vorarbeiten von den auch bereits beim SEIS-Projekt kooperierenden Partnern Hochschule Regensburg, Technische Universitat Ilmenau und Continental Automotive GmbH Regensburg geleistet. Hierbei ist jedoch noch die Erforschung der jeweiligen Vor- und Nachteile der beiden Technologien POE und PLC fur die verschiedenen Einsatzzwecke in der Automobiltechnik offen. Neben der konkreten Umsetzung dieser Ziele und der Beantwortung der Fragestellungen anhand der Erprobung der zu entwickelnden Steuergerate ist im Rahmen des Projektes P[2]IPE auch die Integration dieser Technologien in die Automotive Open System Architecture (AUTOSAR) zu erarbeiten.

Insgesamt ist das Projekt P[2]IPE analog zu SEIS in die Bedarfsfelder Energie, Kommu- nikation und Mobilitat der Hightech-Strategie 2020 einzuordnen.

2 Einleitung

2.1 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

Heutige Kraftfahrzeuge beinhalten 50 bis 70 Steuergerate oder Electronic Control Units (ECUs), welche untereinander vernetzt sind. Als Bussysteme kommen hierbei je nach Funktionsbereich im Fahrzeug wie beispielsweise Antriebsstrang oder Multi­media und Telematik typischerweise das Controller Area Network (CAN), FlexRay™, Local Interconnect Network (LIN) oder Media Oriented Systems Transport (MOST®) zum Einsatz [10, S. 13 ff]. Abhangig vom Funktionsbereich liegen dort spezifische Anforderungen an das jeweilige Bussystem wie Fehlertoleranz, hohe Datenrate, Deter- minismus, Flexibilitat und Sicherheit vor [1]. Eine Architektur aus mehreren Bussyste- men geht dabei allerdings mit einer hohen Komplexitat einher, da deren Verbindung den Einsatz von Gateways zur Adress-, Geschwindigkeits- oder Protokollwandlung notwendig macht [10, S. 7 f.].

Diese Komplexitat und die damit verbundenen Kosten zu reduzieren, ist das Vorha- ben [11] des vom Bundesministerium fur Bildung und Forschung geforderten Ver- bundprojektes^[1]„Sicherheit in Eingebetteten IP-basierten Systemen (SEIS)" [12], an dem sich die Continental Automotive GmbH Regensburg beteiligt. Im Rahmen von Promo- tionen, deren praktische Teile bei Continental durchgefuhrt werden, besteht hierbei auch bereits eine Kooperation zwischen der Fakultat Informatik und Mathematik der Hochschule Regensburg sowie der Fakultat Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universitat Ilmenau.

Ziel des am 30. Juni 2012 auslaufenden Projektes SEIS ist es dabei, als einen ersten Schritt die Verwendbarkeit des Internet Protocol (IP) fur die Kommunikation und Ethernet einerseits als Kommunikationsprotokoll als auch als weiteres Bussystem in der Automobiltechnik zu erforschen. Des Weiteren soll die Einsetzbarkeit des IP, wie in Abbildung 2.1 dargestellt, als gemeinsam von allen eingesetzten Bussystemen ein- heitlich verstandenes Protokoll als Migrationsschritt untersucht werden. Die Vorteile von Ethernet und IP liegen dabei in deren weiten Verbreitung und Standardisierung, wodurch sich anders als bei den anfangs aufgefuhrten Bussystemen eine bereits vor- handene bereite Technologiebasis und daraus resultierende Synergieeffekte nutzen lassen. Nach einer erfolgreichen Qualifizierung von Ethernet und IP als Vernetzungs-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Konzept „All IP/Ethernet Car“ [11]

und Kommunikationstechnologien fur ECUs in Kraftfahrzeugen im Rahmen von SEIS lasst sich dann das langfristige Ziel, eine Architektur rein auf Basis von IP und neben Ethernet allenfalls wenigen weiteren Bussystemen, angehen.

Als Bitubertragungsschicht (Physical Layer) nach dem ISO/IEC 7498-1:1994 [9] Reference-Model hat sich beim SEIS-Projektjedoch bereits nicht die des in IEEE 802.3­2008 [6] normierten Standard-Ethernet, sondern dessen Variante BroadR-Reach® [3] etabliert. Letzteres bietet den entscheidenden Vorteil, dass fur Kommunikation mit 100 Megabits per Second (Mbps) nicht zwei verdrillte Kupferdoppeladern benotigt werden, sondern - wie bei den bestehenden Bussystemen in der Automobiltechnik - nur ein verdrilltes, ungeschirmtes Adernpaar zum Einsatz kommt.

Auf Basis von BroadR-Reach® [3] hat Continental zusammen mit der Hochschule Regensburg, wie in [2] erlautert, eine Variante von Power over Ethernet (POE)^[2] entwi- ckelt. Diese erlaubt zusatzlich zur Kommunikation uber die Kupferdoppelader die gleichzeitige Energieversorgung der Kommunikationspartner von einem zentralen Ethernet-Switch aus. Somit lasst sich durch die Verwendung von POE der Kabelbaum in einem Fahrzeug durch den Wegfall der gesonderten Spannungsversorgung reduzie- ren. Diese schlagt sich nicht zuletzt in dessen Gewicht und somit in den Herstellungs- sowie den Betriebskosten von Fahrzeugen nieder.

Daneben wurde von diesen beiden Forschungspartnern auch das umgekehrte Para- digma, das heifit die zusatzliche Ubertragung von Daten uber Energieversorgungs- leitungen fur den Einsatz in der Automobiltechnik untersucht. Letzteres Konzept wird allgemein als Powerline Communication (PLC) bezeichnet [4, S. 1]. Die dabei entwickelte proprietare Schmalband-PLC-Losung ist zwar niederbitratig aber dennoch konkurrenzfahig zu „Low Speed" CAN und LIN und verwendet ebenfalls Ethernet als Kommunikationsprotokoll. Im Unterschied zu den beiden Letztgenannten dient PLC jedoch auch zur Spannungsversorgung der Kommunikationspartner. Im Vergleich zu POE verwendet PLC hierbei eine Busstruktur, wodurch sich im Vergleich zu ei- ner sternformigen Anbindung der Kommunikationspartner der Kabelbaum in einem Fahrzeug mit PLC potentiell noch weiter reduzieren lasst.

2.2 Problemstellung

Ziel des Forschungsprojektes P[2]IPE ist es, auf Basis der in Abschnitt 2.1 erlauterten Vor- arbeiten im Projekt SEIS, sowie innerhalb der Zusammenarbeit zwischen Continental und der Hochschule Regensburg, IP-ECUs zu entwickeln. Diese Steuergerate sollen in der Lage sein, die Peripherie, das heifit Aktoren und Sensoren, sowohl per POE und als auch uber PLC mittels einer Kupferdoppelader mit Energie zu versorgen und gleichzeitig daruber per Ethernet und IP als Protokolle mit diesen zu kommunizieren. Die Forschung findet dabei im Rahmen von drei kooperativen Promotionen zwischen der Hochschule Regensburg (Prof. Dr. Thomas Waas) und der Technische Universitat Ilmenau (Prof. Dr. Jochen Seitz) statt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sind dabei folgende Problemstellungen zu klaren:

- Lasst sich mit POE und PLC ein tatsachliches „All IP/Ethernet Car" realisieren, welches aufier diesen beiden Bussystemen und den beiden Kommunikationspro- tokollen keine weiteren verwendet?

- Welche Vor- und Nachteile haben die beiden Technologien POE und PLC bei den verschiedenen Einsatzzwecken in der Automobiltechnik?

- Wie lassen sich POE und PLC in die AUTOSAR integrieren?

3 Ziele und Arbeitsprogramm

Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung von Steuergeraten und die Erpro- bung von POE und PLC als Bussysteme fur Kommunikation und Energieversorgung in der Automobiltechnik anhand dieser Gerate. Als Kommunikationsprotokolle werden dabei Ethernet und das Internet Protocol verwendet. Deren jeweilige Einsatzfahigkeit ist mittels der Anbindung, Versorgung und Steuerung der Aktoren und Sensoren in den Turen eines Fahrzeuges, welche zusammen jeweils die dortigen Funktions- einheiten wie Aufienspiegeleinstellung, Fensterheber und Verriegelung bilden, mit diesen Technologien zu untersuchen. Die zu entwickelnde Hard- und Software soll sich dabei sowohl fur die Realisierung der Steuergerate als solche als auch fur die Adaption bestehender Aktoren und Sensoren an POE und PLC eignen. Durch die Anbindung und Versorgung je einer Tur uber POE und PLC an das Steuergerat in einem Testfahrzeug sind im weiteren Verlauf dieses Projektes die jeweiligen Vor- und Nachteile dieser beiden Technologien fur diesen Einsatzzweck herauszuarbeiten.

Der Zeit- und Meilensteinplan zu dem im Folgenden dargestellten Arbeitsprogramm befindet sich in Kapitel 4. Ressourcenangaben im Arbeitsprogramm beziehen sich dabei jeweils auf ganze Personen, das heifit mit der Angabe „ein Wissenschaftler" ist eine Person gemeint und nicht zwei Personen mit jeweils einer halben Stelle.

Die geplante Gesamtdauer des Projektes belauft sich auf 36 Monate.

3.1 Arbeitspaket 1: Architektur festlegen

Dauer: 3 Monate, Ressourcen: 3 Wissenschaftler

Ziel des ersten Arbeitspaketes ist es, die Architektur, die Konzepte und die im weiteren Verlauf fur die Hard- und Software verwendeten Komponenten der Steuergerate sowie die Anbindung der Peripherie zu definieren. Entsprechend wird dieses Arbeitspaket auf die drei Wissenschaftler aufgeteilt. Im Hinblick auf die spatere Integration in ein Fahrzeug ist bei der Hardware die Wahl eines fur den Automotive-Bereich geeigne- ten Mikrocontrollers zu berucksichtigen. Des Weiteren muss hierbei die Moglichkeit zur Anbindung eines BroadR-Reach®-Transceivers fur POE and den Mikrocontrol- ler gegeben sein. Falls zu diesem Zeitpunkt bereits auf dem Markt oder zumindest als Vorserienmuster verfugbar, ist ein zu der Normenfamilie ITU-T G.hnem kon- former PLC-Transceiver zu wahlen.

[...]

^[1]F5rderkennzeichen FKZ 01BV0900 - 01BV0917

^[2]Hierbei handelt es sich nicht um POE nach IEEE 802.3af-2003 [7] oder 802.3at-2009 [8]. Innerhalb dieses Antrages wird mit POE jedoch immer diese Variante (zusammen mit BroadR-Reach1®) bezeichnet.