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Plug&Play: Revolution im Auto

22.09.2015

Das von Siemens geleitete Forschungskonsortium RACE arbeitet daran, das Elektronikwirrwarr im Auto durch eine Art „Betriebssystem“ zu ersetzen. Gleichzeitig sollen Lenkung, Gaspedal und Bremsen digitalisiert werden. Der erste Schritt in Richtung des digitalen Fahrzeug-Superhirns ist ein in Aachen hergestellter Elektrotransporter namens StreetScooter.

Cornel Klein lenkt einen gelben Kleintransporter durch eine Stadtszenerie. Links abbiegen, an einer Ampel stehenbleiben, vorsichtig durch eine große Pfütze fahren. Eine Alltagssituation, möchte man meinen, doch weit gefehlt: Der Siemens-Softwareingenieur steuert den Wagen einen Meter über dem Boden schwebend. Die Reifen drehen sich in der Luft. Trotz surrender Elektromotoren bewegt sich das Fahrzeug keinen Meter vom Fleck.


Auto von Morgen: Im RACE-Projekt wollen die Forscher die Komplexität heutiger Autos radikal reduzieren.


Die Prototypen der Steuerrechner (Gateway und zentraler Steuerrechner) sind das Herzstück des neu ausgerüsteten elektrischen StreetScooter-Fahrzeugs.

Der Transporter steht auf einem Prüfstand im Forschungszentrum von Siemens Corporate Technology im Südosten Münchens. Vor der Windschutzscheibe sieht Klein die Leinwandprojektion einer Stadt. Gibt er Gas oder lenkt, reagieren externe Motoren, die mit den Achsen des Transporters verbunden sind, und helfen so, verschiedenste Fahrsituationen zu simulieren.

Revolution in der Fahrzeugtechnik

Das von dem deutschen Elektrofahrzeughersteller StreetScooter gebaute Modell ist ein zentraler Baustein in dem von Siemens geleiteten, seit 2012 laufenden Forschungsprojekt RACE (‚Robust and reliable Automotive Computing Environment for future eCars’). Gefördert vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, wollen acht Partner aus Industrie und Forschung – neben Siemens und StreetScooter unter anderen das fortiss Institut der TU München oder die RWTH Aachen –, eine Revolution in der Fahrzeugtechnik einleiten: das voll digitale Auto. 

An die Stelle der althergebrachten dezentralen Elektronik setzt RACE eine Art Betriebssystem fürs Auto, auf das sich neue Funktionen wie Apps bei einem Smartphone spielen lassen. Die Lenk-, Gas- und Bremsmechanik steuern zudem keine mechanischen Stangen, Züge und Wellen mehr, sondern durch RACE angesteuerte Motoren. „Erinnern Sie sich an die Speicherschreibmaschine in den 1980er-Jahren?“, fragt Siemens-Ingenieur Klein, der das RACE-Projekt leitet. „Der PC hat diese Technologie vom Markt gefegt. RACE könnte eine ähnliche Veränderung in die Wege leiten.“

Das Auto "entrümpeln"

Eine übergreifende Softwareplattform klingt nicht viel verlangt, ist aber im Auto alles andere als selbstverständlich. Blickt man unter die Motorhaube und hinter die Blechschalen eines modernen Mittelklassewagens, finden sich neben unzähligen Kabeln über 70 elektronische Steuergeräte wie das Antiblockiersystem ABS oder die Scheibenwischerautomatik gemeinsam mit mehreren Dutzend Sensoren, die alle miteinander harmonieren müssen. Hinzu kommen mehrere hundert Teilfunktionen, die auf diesen Geräten ausgeführt werden und untereinander Daten austauschen. Will man heute ein Fahrzeug nach der Auslieferung mit neuen Funktionen aufrüsten, ist das deshalb extrem schwierig und häufig sogar gänzlich unwirtschaftlich, denn es müssen nicht nur neue Kabel verlegt, sondern auch die Anzeigensysteme und die Bordelektronik aktualisiert werden.

RACE dagegen ist eine Rechnerarchitektur, die die Stärken von zentralem und dezentralem Ansatz kombiniert und damit das Auto steuert. Nachdem die an RACE beteiligten Ingenieure von 2012 bis 2014 dieses neue System entwickelt hatten, ist der Lieferwagen StreetScooter ein erster Schritt, den neuartigen Ansatz in ein Serienfahrzeug zu bringen. Die RACE-Ingenieure haben gemeinsam mit ihren Kollegen von StreetScooter dafür erst einmal ein Standard-Steuergerät durch ein RACE-Steuergerät ausgetauscht, das den Motorantrieb und die Energierückgewinnung regelt. Damit ist eine neue Softwareplattform zwar noch nicht komplett verwirklicht, aber es demonstriert, dass sich die Technologie in Fahrzeuge mit einer traditionellen Systemarchitektur integrieren lässt. Daher ist der RACE-interne Name für den elektrisch angetriebenen StreetScooter übrigens auch „Evolution“.

Funktionen per Plug & Play hochladen

Dabei wird es freilich nicht bleiben: Die Zahl der elektronischen Steuergeräte soll im StreetScooter bis 2016 – und langfristig auch in anderen Fahrzeugen, egal ob mit Verbrennungs- oder Elektromotor – weiter reduziert werden. Am Ende werden nur noch wenige, aus Sicherheitsgründen freilich redundant ausgelegte zentrale Rechner die Aufgaben der Steuergeräte erledigen. Die einheitliche Software-Plattform erlaubt, verschiedenste Funktionen nach dem Prinzip ‚Plug&Play’ auf die Fahrzeuge hochzuladen. Etwa eine effizientere Batteriesteuerung oder schlicht eine App, die mehr Bass aus der Musikanlage herauskitzelt.

Außerdem können dann auch Sensoren – etwa eine Rückfahrkamera – und Aktoren z.B. in Form von Motoren, Lampen oder Bildschirmen einfach nachgerüstet werden. Sie werden über ein einheitliches Bussystem an die RACE-Rechner angeschlossen. So lassen sich Fahrzeuge nicht nur nach kurzen Testphasen kostengünstig und rasch auf den neuesten Stand bringen. Auch die Fahrzeugentwicklung selbst verkürzt sich. So hofft Achim Kampker, Geschäftsführer von StreetScooter und Professor des Chair of Production Engineering of E-Mobility Components an der RWTH Aachen: „Kombiniert man die modulare Bauweise unserer Fahrzeuge und die RACE-Technologie, glauben wir, die Entwicklungszeit eines neuen Fahrzeugmodells halbieren zu können und dies bei gleichzeitig deutlich sinkenden Entwicklungskosten.“

"Kombiniert man RACE und die modulare Bauweise unserer Fahrzeuge, glauben wir, die Entwicklungszeit eines neuen Modells halbieren zu können - bei deutlich sinkenden Kosten."

Wie die Zukunft letztlich aussehen könnte, demonstrieren die beteiligten RACE-Forscher derweil an einem ungewöhnlichen Forschungsfahrzeug – dem ‚Roding Roadster Electric’, einem experimentellen, von einer Oberpfälzer Autoschmiede gefertigten Elektrosportwagen, der gleich neben dem Siemens-Prüfstand in einer Werkstatt steht. Hier vereinheitlicht das RACE-Betriebssystem nicht nur die Elektronik. Es entsorgt auch die komplette Mechanik zwischen Lenkrad, Brems- und Gaspedal einerseits und Motor und Reifen andererseits – „Drive-by-Wire“ nennt sich das analog zur „Fly-by-Wire“-Computersteuerung von Flugzeugen. Dabei messen Drucksensoren am Brems- und Gaspedal, wie stark sie betätigt wurden, woraufhin ein Rechner entsprechende Digitalbefehle an die Bremsen und den Motor weitergibt. Und das Lenkrad steuert die Reifen im Roding nicht über die Lenksäule, sondern über digitale Signale, die einen Stellmotor steuern.

Aber es gibt noch mehr Innovation in dem Flitzer: Ein Radnabenantrieb in der Hinterachse verlegt den Motor direkt in die Räder. Und das Batteriepaket braucht keinen Stecker für das Laden mehr, sondern wird kabellos induktiv über einer am Garagenboden liegenden Ladeplatte aufgeladen. Kein Serienfahrzeug wartet heute mit einer solchen Kombination an Innovationen auf wie der Roding. Da verwundert es nicht, dass der Wagen auch unter dem programmatischen Namen „Revolution“ firmiert. Nur in Serie gehen wird der Elektrosportwagen nicht – er ist ein reines Testfeld für die RACE-Technologie.

Firewall im Auto

Doch was, wenn ein Hacker über ein infiziertes Update den Bordcomputer des künftigen digitalen All-Electric-Fahrzeugs dazu bringt, zu blockieren oder eine Notbremsung hinzulegen? Der im Rahmen des RACE-Projekts für Softwaresicherheit zuständige Professor, Manfred Broy, von der TU München, gibt sich gelassen: „Wie man Software-Updates sicher gestaltet, ist im Prinzip bekannt. Das bedeutet den Einbau von Firewalls, die Einführung klarer Sicherheitsanforderungen und ein generelles Security-Konzept für die Systeme im Auto.“

Die Digitalisierung des Autos schreitet also voran – und RACE fügt sich nahtlos in weitere kommende Neuerungen der Fahrzeugindustrie ein: etwa das autonome Fahren, dem bereits Assistenzsysteme wie Tempomat, Abstandswarner, Spurerkennungssystem oder automatisches Einparken den Weg bereiten. Es passt außerdem zum ‚Internet der Autos’, das von Fahrzeug zu Fahrzeug und über Sendestationen am Straßenrand in den nächsten Jahren etabliert werden soll. Aber der Blick geht über die Automobilindustrie hinaus: Die RACE-Technik kann in der Zukunft auch helfen, die Steuersysteme komplexer Maschinen etwa bei Schienenfahrzeugen zu vereinfachen.

Vorerst geht es aber darum, die RACE-Architektur nach dem Ende des Forschungsprojekts 2014 weiter in den StreetScooter zu integrieren – mit wenigen zentralen Rechnern und „Drive-by-Wire“ statt viel Steuer- und Bremsmechanik. „Geht alles nach Plan, und da sind wir recht optimistisch“, sagt Klein, „dann rollen die ersten „racifizierten“ StreetScooter-Fahrzeuge bereits 2016 vom Band.“

Dr. Hubertus Breuer

Redaktion
Sebastian Webel
Dr. Norbert Aschenbrenner
Dr. Johannes von Karczewski

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Florian Martini
Tel.: +49 (89) 636-33446

Dr. Hubertus Breuer | Siemens Pictures of the Future
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