Weg mit dem Elektronik-Speck!

Was die Elektronik heute leistet

Moderne Autos haben buchstäblich eine lange Leitung: Kilometerlang durchziehen Kabelstränge das gesamte Fahrzeug und verknüpfen Fahrwerk, Motor, Chassis und Innenraum. In den meisten neueren Modellen der Mittel- und Oberklasse überwachen Dutzende von Sensoren alle erdenklichen Parameter – vom Luftdruck im Reifen über die Temperatur im Fußraum bis zum Abstand vom Vorderwagen. Und weit über 50 verteilte Kleinstcomputer – angeschlossen an die automobilen Datenautobahnen – berechnen daraus so unterschiedliche Dinge wie Spiegelpositionen, Schiebedachöffnungswinkel oder die Stellung der Drosselklappe. „ Rollende Rechner” nennt Stephan Wolfsried, der Elektronikchef des Stuttgarter Autobauers DaimlerChrysler, die neuen Modelle.

Tatsache ist: Ohne Elektronik würde sich kein modernes Auto mehr von der Stelle rühren. Und in der Oberklasse sind die Modelle wahre Hightech-Tempel. Den Rekord bei der Vernetzung hält der Maybach – gleich 76 Steuergeräte verrichten im Luxusmodell des Autokonzerns DaimlerChrysler ihren Dienst.

Unabhängig von Modell und Marke ist heute bei vielen neuen Autos eines gleich: Schon vor dem Einsteigen beginnen die kleinen elektronischen Helfer ihre Arbeit. „Keyless entry”, eine im Funksignal des Zündschlüssels codierte Fahreridentifikation, öffnet nicht nur sanft die Tür, sondern fährt auch gleich noch Sitz und Kopfstütze in die richtige Position, schaltet das Licht ein, teilt der Klimaanlage die passende Temperatur mit, aktiviert die Sitzheizung und wählt die Lieblingsstimme fürs Navigationssystem aus. Binnen Sekundenbruchteilen huschen dann Tausende digitale Einsen und Nullen durch die drei bis vier Kilometer langen Datenleitungen. Steuergeräte, die in Ruhephasen stromsparend im Stand-by-Modus schlummern, werden aus dem Schlaf gerissen. Gleichzeitig mit diesen Startvorbereitungen überprüft das System auch noch sich selbst. Denn bis der Fahrer gemütlich hinterm Steuer sitzt und den Schlüssel dreht, muss schließlich alles fertig sein. Wer möchte schon wie zu Hause am Schreibtisch eine halbe Minute warten, bis sein „Computer-Auto” gebootet ist?

Wenn der Motor läuft, flitzen im Takt von weniger als einer Millisekunde Bits und Bytes durch die Datenleitungen der bis zu fünf zentralen „Bus”-Systeme. Schon eine einfache Motorsteuerung wird über den zentralen Drivetrain-Bus pro Sekunde mit bis zu 500 000 Datenpaketen versorgt. Zu jedem Zeitpunkt muss das Herz eines modernen Motors über die Stellung der Kurbelwelle, Drehzahl, angesaugte Luftmenge, Temperatur der Außenluft und des Kühlwassers, Höhe der Batteriespannung und den Restsauerstoffgehalt der Abgase informiert sein. Erst dann berechnet das Steuergerät Treibstoffmenge sowie Einspritz- und Zündzeitpunkt für die einzelnen Zylinder.

Doch allein mit einem funktionierenden Motor ist es längst nicht mehr getan. ACC (Active Cruise Control), ESP (Electronic Stability Program), ABS (Anti-Blockiersystem), Navigationshilfe und allerlei andere Helferlein wachen darüber, dass der Fahrer sicher und komfortabel ans Ziel kommt. Die Liste lässt sich noch lange fortsetzen: Ultraschall-Sensoren oder Kameras helfen beim Einparken, elektronische Parkbremsen rasten automatisch ein, wenn man das Fahrzeug abstellt, Tipptasten wechseln den Gang, Regensensoren schalten die Scheibenwischer, Reifendrucksensoren warnen vor Luftverlust – in vielen Autos ist das alles heute schon Realität. Im neuen 5er von BMW ist sogar das Licht intelligent geworden. Beim Adaptiven Kurvenlicht analysieren Sensoren Geschwindigkeit, Lenkeinschlag und seitliche Drift, ein Rechner sorgt auf der Basis dieser Daten im Takt von Hundertsel Sekunden für die passende Kurvenausleuchtung – indem er die Scheinwerfer nach dem Verlauf der Straße ausrichtet.

Vollständig ist die Liste damit noch nicht: Weiter verfeinerte Motorsteuerungen, neue Automatikgetriebe, aktive Stoßdämpfersysteme, mehrstufige Airbags, Gurtstraffer, intelligente Nackenstützen, Vier-Zonen-Klimaanlagen ließen sich aufzählen. Und, und, und…

Ein modernes Auto, so sehen es zumindest die Hersteller, ist ein Rundum-Sorglospaket – dank teurer Elektronik. Von den gut 60 000 Euro, die für ein schickes Gefährt in der Oberklasse gefordert werden, bezahlt man heutzutage beinahe ein Drittel ausschließlich für Kabel, Computerchips, Sensoren und Software. Gut fünf Gigabyte Programmiercode braucht ein Auto, um einwandfrei zu funktionieren – das entspricht der Datenmenge von acht voll beschriebenen CDs. Und die Stromversorgung der kleinen Helfer in den Türverkleidungen, Radkästen, Armaturenbrettern und Motorabdeckungen schlägt mit ein bis zwei Liter Sprit pro 100 Kilometer zusätzlich beim Verbrauch zu Buche.

Doch die hoch gerüstete Elektronik birgt auch Probleme (bild der wissenschaft 7/2004, „Überzüchtet”). „Die alltäglichen elektronischen Fehler zeigen sich auch schon in den mittleren und unteren Preisklassen”, sagt Helmut Schmaler, Elektronik-Experte beim ADAC im bayrischen Landsberg. Da flackern Lämpchen, das Schiebedach geht bei Regen auf, der Sitz klemmt einen unvermittelt unters Lenkrad. „Häufig blockieren auch einfach nur die Türen”, hat Schmaler festgestellt. Im letzten Sommer hat ein solch kapitulierendes Bordnetz Thailands Finanzminister Suchart Jaovisidha erwischt – und ihn mitten in Bangkok bei glühender Hitze in seinem BMW 520 eingesperrt: Das Fahrzeug stand, weder Türen noch Fenster ließen sich öffnen, und selbst die Klimaanlage verweigerte den Dienst. Erst ein Wachmann konnte den Minister nach einigen Minuten aus seiner misslichen Lage befreien, indem er die Scheibe des Wagens mit einem Hammer zertrümmerte.

Was ist schuld an den Ausfällen? „Je mehr im Auto verbaut ist, umso mehr kann auch kaputtgehen”, sagt Schmaler. Freilich, die einfache Regel ist nur die halbe Wahrheit. Tatsächlich erreicht nicht jedes Steuergerät seine geplante Lebensdauer von 300 000 Kilometern ohne Probleme. Nach eigenen Angaben hat der Elektronik-Zulieferer Bosch die Ausfallquoten für die einzelnen Geräte durch Einführung strenger Qualitätsstandards auf unter 10 Ausfälle pro eine Million Geräte gedrückt.

Der Hauptgrund liegt vielmehr tiefer im kniffligen Zusammenspiel und der Kommunikation der Geräte untereinander. Mit Software-Versionen, die sich nicht vertragen, hatte jeder Autobauer schon zu kämpfen, aber auch Steuergeräte, die als „ sprudelnde Quellen” mit Kauderwelsch-Signalen die Bus-Leitungen überschwemmen, können ein Problem sein. Oder es liegt schlicht daran, dass die einzelnen Mikrocontroller in ihrer Vernetzung einen Zustand einnehmen, den man bei der Entwicklung nicht berücksichtigt hatte. „Jedes einzelne Steuergerät funktioniert gut, aber das Zusammenspiel erfordert eine andere, gesamtheitliche Konfiguration”, formuliert Stephan Wolfsried von DaimlerChrysler das Problem vorsichtig.

Anders gesagt: Jede Schnittstelle mehr potenziert die Fehlermöglichkeiten. Wenn jedes der 60 Geräte lediglich zwei Zustände einnehmen kann, ist die Gesamtzahl der vernetzten Variationsmöglichkeiten mithin 260 – und damit eine Zahl mit 18 Nullen. Und moderne Steuergeräte können weitaus mehr als zwei Funktionen. Immer wieder fordern deshalb Experten „ schnittstellenminimale Systeme”. Doch andererseits lassen sich nur durch Vernetzung Kosten senken, sonst müssten zum Beispiel Sensoren in unabhängigen Teilsystemen mehrfach bereitgestellt werden. Das bedeutet für den Hersteller ein Dilemma, aus dem es lediglich einen Ausweg gibt: so viel wie möglich testen – und zwar bevor die Autos in Serie gehen.

Der Geist „Komplexität” ist bei den Autobauern ohnehin schon längst aus der Flasche. „Sie hat einen Stand erreicht, dessen Beherrschung schwierig ist”, hat man bei einer Problemanalyse beim Zulieferer Bosch festgestellt. Schuld sind vor allem die fehlende Standardisierung sowie die lange und unterschiedlich gewachsenen Strukturen zwischen Zulieferern und Herstellern. So kann es durchaus vorkommen, dass bei jeder Marke – und selbst bei jedem Modell – das Signal für die Geschwindigkeit anders codiert im Datenbus verschickt wird. Das macht die Programmierung anfällig – nicht zuletzt weil bei jedem neuen Modell immerhin die Hälfte der Software neu erfunden werden muss. Die Folge: ein Flickenteppich.

Die Ursprünge der Software-Strukturen stammen dabei meist noch aus einer Zeit, in der jeder Autobauer glaubte, Kunden ließen sich nur durch maximale Individualität und möglichst viele Funktionen gewinnen. Als „Innovationsgeilheit” bezeichnet Wolfsried heute diese Euphorie, die bis vor wenigen Jahren herrschte. Die Sensoren schickten munter die Parameter über das schöne neue Bordnetz, die Programmierung war denkbar leicht. „ Dieser Glaube hat uns in der Anfangszeit der Fahrzeugelektronik eine Flut von Innovatiönchen gebracht”, sagt Stephan Wolfsried. Vom individualisierten Dimmerverhalten der Innenbeleuchtung bis zur fahrtwindabhängigen Öffnung des Schiebedachs – letztlich konnte man beinahe alles einstellen. Nichts schien unmöglich. Aber alles zusammen schadete der Stabilität der Systeme.

Die meisten Hersteller sind heute von diesem Konzept ein Stück abgerückt. Mit der Umsetzung von neuen elektronischen Spielchen ist man vorsichtiger geworden – bei Mercedes steht gar eine elektronische Entrümplung an. „Von den 1200 Funktionen einer S-Klasse entpuppte sich die Hälfte als nicht kundenrelevant”, sagt Wolfsried heute. Die stufenlos programmierbare Nachleuchtzeit der Scheinwerfer etwa oder die individuelle, von der Art der Audioquelle abhängige Klangeinstellung der Sound-Anlage sollen der nächsten Modellpflege zum Opfer fallen – zu Gunsten der Zuverlässigkeit. „Funktionen, die niemand nutzt und die niemandem nutzen, gehören nicht ins Auto”, bringt Wolfsried die neue Philosophie auf den Punkt.

Von der Schwachstromelektrik zum rollenden Rechner

Die Elektronik war schon immer ein bisschen schneller. Während 1967 die Studenten gegen den „Muff unter den Talaren” auf die Straße zogen, räumte die „D-Jetronic” von Bosch unter den Motorhauben mit Althergebrachtem auf. Mit dem ersten elektronischen Einspritzsystem begann der Siegeszug der Fahrzeugelektronik. Noch waren die Regelkreise analog und wurden bis in die neunziger Jahre nur einzeln eingebaut, strikt von der restlichen Bordelektrik getrennt. Doch mit der Zahl der kleinen Helfer stieg auch schnell das Bedürfnis, Daten untereinander auszutauschen. Also vernetzte man die elektronischen Komponenten durch eine Vielzahl von Kabelsträngen miteinander: Brauchte ein Steuergerät eine Information von einem Sensor, wurde zwischen beiden schlicht eine Strippe gezogen.

Die Folge: Dickicht! Anfang der neunziger Jahre waren durch Lambda-Sonden, ABS und Traktionskontrollen die Verdrahtungen im wahrsten Wortsinn zu „Kabel-Bäumen” gewachsen: Oberarmdick schlängelte sich zentnerschweres Kupferkabel unter den Fußmatten hindurch, erhöhte den Verbrauch, und brachte Steuergeräte und Autoentwickler an die Grenze ihrer Möglichkeiten: Den Ingenieuren gingen für ihre Ideen schlicht die Steckplätze aus.

Den Ausweg bot die Digitalisierung. Mitte der achtziger Jahre wurde mit dem von Bosch entwickelten CAN-Bus eine der ersten wirklichen Netzwerkideen fürs Auto marktreife Wirklichkeit. Von nun an huschten alle Signale in Bits und Bytes durch eine zentrale Leitung. Wo immer sie gebraucht wurden, zweigten Steuergeräte in so genannter linearer Architektur von den Bus ab – ähnlich wie Äste von einem Baumstamm. Auf der Datenleitung herrschte dabei Digitaldemokratie: Jeder Mikrocontroller konnte alle Signale auf dem Daten-Bus hören und Informationen, die er für wichtig hielt, an alle anderen senden. Ein Netzwerkprotokoll – oft spöttisch als „Bus-Fahrplan” bezeichnet – regulierte den Datenverkehr und verhinderte das Chaos im Netz. Mit definierten Identifikationssequenzen und Adressen versehen, erreichte jede Information sicher ihr Ziel.

Die unterschiedlichsten Netzwerkprotokolle mit den verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten wurden geboren. Die meisten Firmen setzten nach anfänglichem Zögern auf den CAN, für einfachere Anwendungen entstand der LIN-Bus, die französischen Hersteller spezifizierten den VAN, für Multimediaanwendungen wurde das MOST-Protokoll entwickelt (siehe Kasten rechts: „Das Bus-Alphabet”). Noch immer herrscht heute je nach Marke, Modell und benötigter Datenrate ein oft unübersichtliches Durcheinander verschiedener Protokolle.

Doch obwohl die ersten wirklichen Autonetzwerke noch recht jung sind, hat sich ihre Struktur bereits grundlegend gewandelt. Am Anfang stand die bauraumoptimierte Architektur: Steuergeräte und Netzwerke saßen dort, wo sie gebraucht wurden und wo gerade Platz war. Heute findet man fast ausschließlich die so genannte funktionsoptimierte Architektur. Dabei sind Einheiten, die viel miteinander „reden”, zu Untersystemen und eigenen Netzwerken mit getrennten Datenleitungen zusammengeschlossen. Zentrale Informationen vermittelt ein „Gateway” zwischen den Untersystemen. Die Möglichkeit, dass die riesigen Datenmengen der fehleranfälligen Multimedia-Anwendungen lebenswichtige Funktionen beeinflussen können, wird dadurch minimiert. Fällt im Fond der DVD-Spieler aus, soll er schließlich das für die Sicherheit ungleich wichtigere ESP nicht in Mitleidenschaft ziehen. Bleibt die Frage: Wie kam es zum elektronischen Wettrüsten? Warum bürdete sich die Industrie vor allem in den letzten Jahren immer aufwendigere Elektronik auf, deren Kundennutzen oft nicht zu erkennen ist? Die Antwort ist eindeutig: Auch wenn manche Idee der Entwickler, wie der Multifunktionsknopf „idrive” von BMW, viel Kritik einstecken musste – durch Hightech wurde und wird das Autofahren sicherer. Zudem lässt sich anders als mit mehr Elektronik kaum noch Sprit sparen. „Elektronik ist kein Selbstzweck”, unterstreicht Thomas Scharnhorst, der bei VW für die Autovernetzung zuständig ist.

Die Zahlen sprechen für sich. Obwohl 1970 auf deutschen Straßen lediglich 20 Millionen Fahrzeuge unterwegs waren, starben 21300 Menschen an den Folgen eines Autounfalls. Heute sind es fast 50 Millionen Fahrzeuge, die Zahl der Toten ist jedoch auf weniger als ein Drittel zurückgegangen. Zumindest einen Teil dieses Erfolgs kann sich die Entwicklung der aktiven Sicherheitssysteme wie ABS, ESP oder ACC auf die Fahnen schreiben. Und ohne modernes Motormanagement würden sich die knapp zwei Tonnen schweren Autos von heute nicht mit sieben bis acht Litern Spritverbrauch auf 100 Kilometern begnügen.

Wie Autos bald vernetzt werden

Die Zukunft heisst 90 Prozent. So hoch, schätzen die Analysten von BMW, wird der Anteil der Elektronik an den Innovationen im Automobil in den nächsten Jahren sein. Allerdings: Gimmicks und Spielereien soll es kaum noch geben. „Wir konzentrieren uns auf wichtige neue Grundfunktionen, deren Kundennutzen jedem klar wird” , ergänzt Stephan Wolfsried von DaimlerChrysler. Die mitunter mehrere Hundert Seiten langen Betriebsanleitungen als Beigabe zum neuen Auto sollen bald der Vergangenheit angehören.

Trotzdem: Die Zahl der Elektronik-Komponenten wird weiter zunehmen. „Ohne mehr Elektronik im Auto wären wir in Zukunft aufgeschmissen”, prophezeit auch Ferdinand Dudenhöffer, der als Verkehrsforscher an der Fachhochschule Gelsenkirchen die Entwicklung der Autoelektronik seit vielen Jahren verfolgt. Der Grund sind die Fahrerassistenzsysteme. Denn während sich bei der passiven Sicherheit – etwa bei der Fahrgastzelle, den Airbags und den Gurtstraffern kaum noch etwas optimieren lässt, versprechen sich die Forscher von aktiven Sicherheitssystemen deutliche Verbesserungen.

Dadurch wird die Elektronik viel komplexer – und damit das nicht zu vermehrten Ausfällen führt, ziehen die Hersteller und Zulieferer seit 2003 auch bei den Elektronikstandards an einem Strick. Das Autosar-Konsortium, dem neben den Autobauern Volkswagen, DaimlerChrysler, BMW, Toyota, PSA und Ford auch viele Zulieferer wie Siemens und Bosch angehören, hat sich zum Ziel gesetzt, eine modellunabhängige Netzwerkarchitektur fürs Auto zu entwickeln. Wenn alles klappt, könnte der gemeinsame elektronische Autotraum im Jahr 2008 in Serie gehen.

Kernpunkt ist – neben der industrieweiten Einigung auf einen so genannten Standard Core – ein einziges, allen Marken und Modellen zugrunde liegendes Hardware-Konzept, das unabhängig von der Art der verwendeten Controller und Chips die Funktion der Systeme garantieren soll. Daneben stehen die Definition einheitlicher Software, Netzwerkstrukturen und Schnittstellen zwischen den Steuergeräten sowie gemeinsame Standards für Diagnose-Software und Betriebssysteme auf dem Wunschzettel der Entwickler. „Autosar funktioniert nach dem LegosteinPrinzip”, erklärt Harald Heinike, der Sprecher des Konsortiums. Wie man Lego-Klötzchen ineinander fügt, sollen die Hersteller künftig die Funktion von Schiebedach, Licht und Motorsteuerung in die neue Elektronikarchitektur einklinken können.

„Alle gleich und doch jeder anders” heißt dann das Prinzip, nach dem die Autobauer nur noch über unterschiedliche Funktionen und nicht mehr über unterschiedliche Elektronikkonzepte konkurrieren wollen. Die Vereinheitlichung dürfte es nicht nur den Pannenhelfern einfacher machen, liegen gebliebene Fahrzeuge wieder flott zu kriegen. Auch Programmierer müssten nicht mehr bei jedem neuen Modell von vorne beginnen. Die Wiederverwendbarkeit von Software hat das Konsortium ganz oben auf die Anforderungs-Liste gesetzt. Für die Entwickler bahnt sich noch eine weitere Arbeitserleichterung an: „Der Trend geht zur Auto-Codierung”, sagt Rainer Kallenbach, der Elektronik-Stratege von Bosch. Das heißt: In Zukunft schreibt ein Computer die Programme fürs Auto. Die Ingenieure geben dann nur noch die Funktionen für die Steuergeräte vor, die Umsetzung in den Quellcode – die Computerbefehle, die die Funktionsweise der Software bestimmen – erledigt der Rechner selbst. Lediglich zusammengesetzt werden die Module dann noch von Hand. Derartige Software lässt sich besser wiederverwenden und läuft „sicherer und besser als Software aus Menschenhand”, versichert der Bosch-Experte.

Viele Ideen, die auf der Welle der Elektronik-Euphorie vor zwei Jahren noch durchaus denkbar waren, sind indessen wieder vom Tisch. Zentrale, sternförmige Netzwerke, in denen Berechnungen nur noch von wenigen zentralen Computern ausgeführt und die Aufgaben anschließend von Knoten zu Knoten weiterverteilt werden, wird es in den kommenden zehn Jahren wohl genauso wenig geben wie Systeme mit dem „By-Wire”-Suffix. Diese, so war die Idee, sollten als Brake-by-Wire und Steer-by-Wire eines Tages die komplette Mechanik und Hydraulik von Bremsen und Lenkung durch digitale Elektronik ersetzen.

Zwar hat BMW mit der Aktivlenkung – einem Lenksystem, das sich automatisch der Fahrgeschwindigkeit und den Straßenverhältnissen anpasst und dadurch je nach Strecke ein mehr sportliches oder eher komfortables Lenkgefühl ermöglicht – in seinem aktuellen 5er-Modell eine elektronische Unterstützung der Lenksäule eingeführt, und auch gebremst wird bereits elektrohydraulisch und damit teilweise digital. Doch der Plan, statt der Hydraulik nur noch Sensoren im Bremspedal und Elektromotoren an den Bremsscheiben einzusetzen, ist aus den Lastenheften der Zukunft weitgehend verschwunden. „Das Thema der rein elektromechanischen Bremse stellt sich zur Zeit nicht mehr”, sagt Thomas Scharnhorst von VW. Der Trend geht in die andere Richtung. So plant zum Beispiel Mercedes-Benz, von der Elektrohydraulik wieder auf hydraulische Bremsen umzusteigen. Der Grund für die Kehrtwende ist ein fraglicher Nutzen und die Angst vor neuen technischen Problemen. „Dem Kunden ist es völlig wurscht, ob die Bremse trocken ist oder nicht”, bekräftigt Stephan Wolfsried – Hauptsache, sie funktioniert.

Andere Themen stehen für die Zukunft im Vordergrund – zum Beispiel die Energieversorgung. Nicht gebrauchte, aber trotzdem angeschaltete Steuergeräte zehren genauso am Lebenssaft der Autobatterie wie die stetig steigende Zahl an Verbrauchern. So saugt im Luxusmodell Maybach ein „waches” Bordnetz bei abgestelltem Motor die Batterie binnen zwei Stunden leer. Elektronisches Batteriemanagement, das nicht benötigte Verbraucher automatisch vom Netz trennt, könnte eine Möglichkeit sein, das zu verhindern. Vielleicht ist die Lösung der automobilen Energiefrage auch eine Idee, über die Experten bereits seit Jahren diskutieren: Der Ersatz des 14-Volt-Netzes durch ein Bordnetz mit einer elektrischen Spannung von 42-Volt (siehe Kasten vorne: „Spannend: Aus 14 werden 42″).

Auf einen Trend, prophezeit der Verkehrsstratege Ferdinand Dudenhöffer, kann sich die automobile Elektronik der Zukunft ganz unabhängig von Konzernphilosophien und Marktstrategien einstellen: Die Kundschaft wird älter sein. Bereits 2010 werden in Deutschland 35 Prozent aller Neuwagenkäufer älter als 60 sein – heute liegt ihr Anteil noch bei gut 20 Prozent. „Das ist ein riesiger Markt, der da kommt”, sagt Dudenhöffer. Bis 2015, prophezeit er in einer neuen Studie, könnten die Assistenzsysteme für Ältere zum Kassenschlager werden: Durch elektronische Helfer wie Spurhalte-Assistent, Sehhilfen und Müdigkeits-Erkennung wird sich der Wert der Elektronik eines Neuwagens auf durchschnittlich 4300 Euro pro Fahrzeug etwa verfünffachen. ■

Tobias Beck