Im Interview Dr. Wolfgang Langhoff, Vice President R&D Global bei Leoni

Redakteur: Michael Ziegler

Dr. Wolfgang Langhoff, Vice President R&D Global bei der Leoni Bordnetz-Systeme GmbH, im »AI«-Interview zum Stand von 48-Volt-Netz und Ethernet – und darüber, wie Bordnetze von Quallen profitieren können.

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Dr. Wolfgang Langhoff studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Stuttgart. Im Anschluss promovierte er am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Kooperation mit dem Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart. Von 2004 bis 2011 war Langhoff bei der Amphenol Tuchel Electronics GmbH im Bereich Automotive tätig. Seit 2011 ist er bei der Leoni Bordnetz-Systeme GmbH in Kitzingen beschäftigt, derzeit als Vice President R&D Global.
Dr. Wolfgang Langhoff studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Stuttgart. Im Anschluss promovierte er am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Kooperation mit dem Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart. Von 2004 bis 2011 war Langhoff bei der Amphenol Tuchel Electronics GmbH im Bereich Automotive tätig. Seit 2011 ist er bei der Leoni Bordnetz-Systeme GmbH in Kitzingen beschäftigt, derzeit als Vice President R&D Global.
(Foto: Leoni / Sven Schmidt)

In welchem Stadium der Produktreife befindet sich Leoni derzeit beim 48-Volt-Netz?

Da wir uns sowohl im Bereich Kabel als auch im Bereich Bordnetz stark mit dem Thema auseinandergesetzt haben, konnten wir eine sehr breite Expertise aufbauen – besonders hinsichtlich möglicher Fehlerszenarien. Bereits beim Thema 42 Volt vor etwa zehn Jahren sorgten Probleme wie die Lichtbogenbildung für deutliche Markthemmnisse. Um dem vorzubeugen, haben wir bei 48 Volt verschiedene Möglichkeiten zur Lichtbogenprävention bzw. -detektion ausgearbeitet – und dazu mehrere Patente angemeldet. Wenn man die Verlegewege trennt und möglichst robust auslegt, ließe sich ein 48-Volt-Netz mit relativ geringem Aufwand umsetzen. Dementsprechend haben wir unsere Grundtechnologien, insbesondere die Sicherungen für den Leitungsschutz, geprüft und für den Einsatz vorbereitet. Aus meiner Sicht können wir den OEMs bereits heute ein breites Gesamtpaket anbieten, mit der Option, es schnell in Serie zu bringen. Im Gegenzug benötigen wir die Information des Kunden, welche Teilumfänge in 48 Volt umgesetzt werden sollen, um dann für das jeweilige Konzept die abschließende Bewertung gemeinsam durchführen zu können. Wann die ersten Systeme kommen, obliegt jetzt den OEMs.

Ließe sich durch ein 48-Volt-Netz das Fahrzeuggewicht senken?

Das kann man nicht pauschal sagen. Einerseits ja, weil man aufgrund der physikalischen Zusammenhänge bei einem 48-Volt-Netz mit geringeren Strömen und somit auch mit geringeren Leitungsquerschnitten arbeiten kann. Diese Annahme gilt aber nur, wenn man exakt die gleiche Leistung übertragen möchte wie mit einem herkömmlichen 12-Volt-Netz. Das ist jedoch nicht der Fall. Aus meiner Sicht sind die 48 Volt vor allem eine „Enabler-Technologie“, um weitere Applikationen zu erschließen. Beim alleinigen Vergleich der Bordnetze würde somit das Gewicht zunächst nicht sinken – wahrscheinlich sogar eher leicht zunehmen. Betrachtet man jedoch das Gesamtsystem inklusive der möglichen Funktionserweiterungen, könnten zum Beispiel bestimmte mechanische Funktionen entfallen, sodass insgesamt das Fahrzeug leichter werden würde.

Woher kam der Impuls zur Entwicklung des 48-Volt-Netzes?

Wir bei Leoni betreiben beim Innovationsmanagement einen sehr strukturierten Prozess: Mittels einer Analyse beobachten wir die großen Trends und schätzen ab, was wir in Zukunft an Funktionen und Leistung im Bordnetz erwarten. Wir konnten ganz klar einen erhöhten Leistungsbedarf im elektrischen Bordnetz ableiten. Wir erwarten außerdem noch einen Zuwachs an elektrischen Nebenaggregaten. Deshalb haben wir uns bereits frühzeitig aus eigener Initiative zunächst mit 42 Volt beschäftigt. Nachdem die OEMs dann signalisiert haben, auf eine zweite Bordnetzspannung setzen zu wollen, konnten wir das Thema relativ schnell wieder hochfahren. Daher sind wir auch in der Gesamtauslegung verhältnismäßig weit. Somit entstand der erste Impuls, sich mit einer höheren Spannung zu beschäftigen, intern – der Auslöser für eine serienreife Entwicklung kam dann von den OEMs.

Welche Anwendungen profitieren von einem 48-Volt-Netz besonders?

Das sind verschiedene: Bei einer Wankstabilisierung im Fahrwerk hat man beispielsweise relativ kurze Einsatzzeiten bei hohen Spitzenlasten, die dann für starke Schwankungen im Netz sorgen können. Ähnlich ist es bei einer elektrischen Lenkung, die besonders bei schweren Fahrzeugen beim automatischen Parkvorgang eine hohe Leistung benötigt. Bei der Rekuperation fließt entsprechend viel Energie zurück ins Netz. Oder nehmen Sie die Folien-Windschutzscheibenheizung, bei der keine Drähte zum Einsatz kommen: Dort benötigt man eine hohe Spannung, um den Widerstand der Folie zu überwinden.

Spielt 48 Volt auch in Märkten wie Indien oder Südamerika eine Rolle?

Das Thema ist hauptsächlich von Europa getrieben. Wachstumsmärkte wie Indien oder Südamerika werden die Technik erst einsetzen, wenn sie Kostenvorteile bringt und leicht adaptierbar ist.

In modernen Autos werden neben mehr Energie auch immer mehr Informationen übermittelt. Wie wirkt sich dieser Trend auf die Entwicklung von Bordnetzen aus?

Aktuell arbeiten wir an einem ganz neuen Ansatz mithilfe der Bionik. Ein Fahrzeug, das immer mehr Assistenzsysteme bekommt, kann man mit einem Lebewesen vergleichen, das eine Vielzahl an Informations- und Leistungsübertragungspfade effizient koordinieren muss. Zudem sollten diese möglichst robust und fehlertolerant sein, sodass bei Störungen oder „Verletzungen“ nicht gleich das Gesamtsystem zusammenbricht. Es müssen genügend beziehungsweise eine sinnvolle Anzahl an Redundanzen eingebaut sein, sodass die wichtigen Vitalfunktionen erhalten bleiben.

Welche Modelle von „Bordnetzen“ existieren denn in der Natur?

Abhängig von der Funktionsfähigkeit existieren ganz unterschiedliche Aufbaukonzepte von Nervensystemen. Die Wirbelsäule bzw. das Zentralnervensystem mit Gehirn und Rückenmark ist beispielsweise typisch für Säugetiere. Insekten oder Quallen besitzen hingegen ganz andere Strukturen, wie etwa ein Strickleiternervensystem, das aus zwei Parallelsträngen mit gezielten Verknüpfungen besteht. In solchen Systemen werden Informationen in Form von Reizen übertragen. Das heißt, es besteht kein kontinuierliches Signal. Das ist schneller, da der Reiz von einem Abschnitt zum nächsten übertragen wird, sobald ein Schwellwert im vorherigen erkannt wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Technik ist, dass nach jeder Reizübermittlung eine kurze Zwangspause herrscht, in der sich der Abschnitt wieder auflädt. In dieser Zeit kann dann auf einem anderen Level ein anderes Signal übertragen werden.

Und inwieweit kann diese Funktionsweise für ein Automobil genutzt werden?

Solche Übertragungsmechanismen können für Problemstellungen im Bordnetz interessant sein. Denn bei einem herkömmlichen CAN-Bus können theoretisch Probleme auftreten, wenn ein Signal, das fälschlicherweise permanent und auf höchster Priorität gesendet wird, den gesamten Bus lahmlegt. Ein weiterer Ansatzpunkt ist die dezentrale Speicherung von Energie, wie sie bei fast allen Lebewesen stattfindet – auch der Mensch speichert Energie sowohl lokal im Muskel selbst als auch in einem Vorratsspeicher. Übertragen auf ein Bordnetz, könnte man so bestimmte Bereiche kleiner dimensionieren.

Das alles sind aber noch grundlagenorientierte Forschungen, bei denen wir bestehende Prinzipien grundsätzlich hinterfragen. Erstmals vorstellen möchten wir das Thema auf dem Kongress „Zulieferer Innovativ“ im Juli 2014 in der BMW Welt in München.

Die Signal- und Datenübertragung über Ethernet steht in den Startlöchern. Wo liegen die Vorteile?

Ein großer Vorteil ist, dass bei Ethernet-Kabeln das Potenzial besteht, auf weitere Ummantelungen oder zusätzliche Schirmung zu verzichten. Im Idealfall findet die Übertragung über ein relativ simples „unshielded Twisted Pair“ statt, also über zwei dünne, isolierte Einzelleitungen, die miteinander verdrillt sind. Dadurch ist das Kabel sehr robust gegenüber Störstrahlungen, solange die Verdrillung gleichmäßig über die gesamte Kabellänge besteht. Um dies zu gewährleisten, müssen beim Verlegen die Knick- und Biegestellen beachtet und die Fachkräfte in der Produktion speziell geschult werden.

Vor allem schafft man mit Ethernet aber eine zukunftsfähige Technologie im Fahrzeug, gerade im Hinblick auf die wachsende Zahl an Assistenzsystemen, die es sinnvoll zu vernetzen gilt. Ein weiterer Aspekt ist das Thema „Power Over Ethernet“ – also die Bereitstellung einer Versorgungsspannung über das Ethernet-Kabel.

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