gesponsertBordnetz der Zukunft Wegbereiter für zonale Architekturen

Das Bordnetz steht vor einem disruptiven Wandel. Der Bordnetz-Spezialist Leoni will mit frischen Ideen sowie neuen Produkten und Prozessen die Automobilhersteller dabei unterstützen, die neuen zonalen Architekturen in ihren Fahrzeugen zu etablieren.

Automobilhersteller sind mit vielen Anforderungen konfrontiert. Etwa in den Bereichen Digitalisierung, Vernetzung, automatisiertes und autonomes Fahren und elektrifizierter Antriebsstrang. Ergänzend sollen die Produkte und Produktionsprozesse nachhaltiger, schneller und flexibler werden. Praktisch alle diese Trends verursachen Änderungen an der elektrischen und elektronischen Architektur (E/E-Architektur) eines Fahrzeugs.

Allerdings stößt diese an ihre Grenzen. Kundenspezifische Bordnetze weisen oft mehr als 100 Steuergeräte und mehr als 1.000 Einzelleitungen auf und sind in der Fertigung sowie in der Endmontage kaum noch zu managen. Neue Sensoren, Aktoren und Funktionen sind während des Produktlebenszyklus praktisch nicht mehr integrierbar und bei Modellwechseln nur noch mit sehr hohem Aufwand. „Seien wir ehrlich: So wie bisher können wir nicht weitermachen. Wir müssen das Bordnetz neu denken“, sagt Ingo Spengler, Vorstand und Chief Operation Officer von Leoni.

Gleitender Übergang

Die künftige E/E-Architektur wird nach Ansicht von Leoni und vieler Experten über einige wenige Hochleistungszentralrechner verfügen, verbunden durch schnelle Datenautobahnen und ein robustes Energienetz. Um dieses Daten- und Energie-Backbone herum wird die Bordnetz-Peripherie in mehrere Zonen unterteilt. Diese Zonen verfügen jeweils über einen Zonencontroller, der Teilaufgaben selbstständig erledigt – etwa die Leistungsverteilung und das Datenmanagement.

Aktuell erfolgt in mehreren Phasen ein sanfter Übergang hin zu zonalen Architekturen:

• Erstens die absehbar endende Weiteroptimierung der heutigen kundenspezifischen Kabelsätze.

• Zweitens der ab 2025 an Fahrt gewinnende zonale Ansatz 1.0 mit einer Multi-Domänen-Architektur, einigen Hochleistungsrechnern, mehreren Zonen sowie ersten Standardisierungen.

• In einer dritten Phase ab Ende dieses Jahrzehnts wird dies in den zonalen Ansatz 2.0 übergehen, mit einer Aufteilung in noch kleinere Zonen, einer standardisierten Leistungsverteilung, einer weiter zentralisierten Rechenintelligenz und noch konsequenter softwaregestützten Funktionalität.

„Neue“ Automobilhersteller setzen teilweise schon jetzt zonale Architekturen ein. Traditionelle OEMs bevorzugen eher die Evolution ihrer Bordnetze und achten auf Rückwärtskompatibilität mit bestehenden Strukturen.

Produkt- statt kundenspezifischer Fertigung

Bereits der zonale Ansatz 1.0 bietet einiges an Innovationspotenzial: Dank der kleineren Teilkabelsätze verkürzen sich die Fertigungszeiten; das Handling in der Logistik und der Einbau in das Fahrzeug werden einfacher. Zusätzlich kann der Automatisierungsgrad der Kabelsatzfertigung laut Leoni von aktuell unter 20 Prozent sukzessive auf etwa 40 Prozent erhöht werden. Erste Analysen aus aktuellen Kundenprojekten würden auch zeigen, dass das Gesamtgewicht einer zonalen Architektur etwa 10 Prozent geringer ausfallen könnte als bei einem heutigen Kabelsatz.

Bisher wird ein kundenspezifischer Kabelsatz für ein Kundenfahrzeug in einem bestimmten Werk gefertigt. Dies birgt jedoch Risiken wie etwa Auslastungsschwankungen und nachfolgend Investitionsrisiken und Mitarbeiteranpassungen. Unter dem Begriff „Massifizierung“ strebt Leoni den Übergang von einer kunden- hin zu einer produktspezifischen Fertigung von (Teil-)Kabelsätzen an. Dazu wird mit einem Pilotkunden derzeit ein Konzept entwickelt, das die Fertigung von Teilkabelsätzen ähnlicher Struktur – beispielsweise für einen Stoßfänger – für verschiedene Kundenfahrzeuge auf einer gemeinsamen Produktionslinie vorsieht. Voraussetzung: Die verschiedenen Kabelsätze müssen so konzipiert sein, dass sie bestmöglich teilautomatisiert zu fertigen sind und so sukzessive ein automatisierter Fertigungsgrad von mindestens 50 Prozent erreicht werden kann. Dies steigert die Fertigungsqualität und Rückverfolgbarkeit. Gleichzeitig sinkt die Komplexität in der Fertigung. Zudem lohnt sich ab diesem Automatisierungsgrad eine flexible automatisierte Fertigungslinie, ergänzt um händische Arbeitsplätze für motorisch anspruchsvolle Arbeitsumfänge.

Leoni und dem Pilotkunden ist nach eigenen Angaben bewusst, dass sie zur optimalen Realisierung dieses Konzepts Teile ihrer Sourcing-, Produktions- und Logistikprozesse bis hin zu den Änderungsanforderungen abstimmen müssen. Bis 2030 sollen in ersten Werken Teilkabelsätze für verschiedene Modelle auf der gleichen Linie gefertigt werden.

Generell gilt: Je höher der Automatisierungsgrad, desto eher ist eine Kabelsatzfertigung nahe den Montagewerken der Kunden wirtschaftlich, da dann die Bedeutung der Lohnkosten abnimmt. „Die geopolitischen Verwerfungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass stabile politische Verhältnisse, Verfügbarkeit und geografische Nähe der Zulieferer für Automobilhersteller hohe Werte darstellen“, bemerkt Ingo Spengler.

Fahrzeugmontage neu gedacht

Bei einer Zonenarchitektur 2.0 werden die ersten zonalen Ansätze konsequent weitergetrieben. „Das Gewicht einer umfassend optimierten Zonenarchitektur könnte im Vergleich zu heutigen kundenspezifischen Kabelsätzen um 20 bis 30 Prozent sinken“, prognostiziert Walter Glück, Chief Technology Officer der Leoni-Bordnetzsparte. Gleichzeitig ist geplant, den Automatisierungsgrad in der Kabelsatzfertigung auf deutlich über 50 Prozent zu erhöhen.

Aktuell verkürzen vor allem „junge“ Automobilhersteller mit innovativen Konzepten die Fertigungszeiten pro Fahrzeug. Der zonale Ansatz 2.0 bietet auch etablierten OEMs Freiheiten für Produktivitätssteigerungen. So ist es dank der separaten Teilkabelsätze möglich, einzelne Fahrzeugmodule komplett in separate Seitenlinien oder Vormontagen inklusive Kabelsatz zu fertigen, mit Software zu flashen und zu testen. Anschließend wird das fertige Modul in einem Schritt mit dem Fahrzeug „verheiratet“, wobei auf Bordnetzebene nur noch die Schnittstellen zwischen den Teilkabelsätzen sauber kontaktiert und überprüft werden müssen.

Der modulare Aufbau einer zonalen Architektur bietet den OEMs unter dem Strich die Freiheit, das Fahrzeug in mehrere Module aufzuteilen und die Montage-Reihenfolge zu ändern. Zusammen mit einem geringeren ökologischen Fußabdruck der zonalen Architekturen bietet das Bordnetz so weiteres Potenzial für mehr Nachhaltigkeit im Unternehmen. Zusätzlich rechnet Leoni damit, dass dann die Total Cost of Ownership eines Bordnetzes über die ganze Produktentstehungs- und Lebenszykluskette sinken werden.

Ganzheitliche Entwicklung

Bereits heute ist Leoni ein bevorzugter Entwicklungs- und Fertigungspartner für kundenspezifische Kabelsätze. Für die zonalen Architekturen 1.0 bietet das Unternehmen zusätzliche Entwicklungsumfänge wie etwa ASIL-Klassifizierungen, Fehlerbaumanalysen sowie Bauraum- und Gewichtsoptimierungen an. „In den nächsten Jahren wird Leoni seine Prozesse sukzessive digitalisieren, um Datenkontinuität von der Entwicklung der Architektur über den Topologieentwurf bis in die Produktionswelt zu gewährleisten“, blickt Walter Glück in die Zukunft. Parallel dazu habe man 2023 begonnen, ein eigenes Produktionssystem auszurollen, das sämtliche Standards über alle Produktionsfunktionen hinweg sammelt und vereinheitlicht als künftigen Standard für alle Leoni-Standorte definiert.

Auf Produktseite wird Leoni vermehrt Innovationen wie intelligente Leistungsverteiler einsetzen und Zonencontroller anbieten. Als Backbone für die Leistungsverteilung bei zonalen Architekturen entwickelt das Unternehmen aktuell Stromschienen, die für eine automatisierte Produktion und Montage ausgelegt sind. Sie sind Bestandteile eines Konzepts, mit dem Leoni den sogenannten „Restkabelbaum“ aufgliedern will, der längerfristig eigentlich nicht automatisiert produziert werden kann. Funktionale Layer – wie etwa Energieversorgung, Kommunikation oder Masseverteilung – könnten separat und teilautomatisiert gefertigt und dann zusammengeführt werden.

Die (teil-)automatisierte Fertigung geht Leoni ebenfalls ganzheitlich an. Ihre Grundlagen werden im unternehmenseigenen Innovation Industrialization Center (IIC) entwickelt, wo interdisziplinäre Teams neue Konzepte und Ideen unter realen Bedingungen testen und auf ihre Realisierbarkeit prüfen. Im Fokus dieser „Denkfabrik“ steht die Synchronisierung von Produkt- und Prozessentwicklung. Eine dort entwickelte Innovation ist die Smart Production Cell (SPC), eine intelligent automatisierte Produktionszelle, ergänzt um händische Arbeitsumfänge. Sie ermöglicht mehr Flexibilität und Variantenvielfalt bei den Produkten und hält die Investitionskosten im Rahmen. Darüber hinaus werden im IIC auch vollautomatisierte Fertigungslinien, kollaborative Roboter oder beispielsweise fahrerlose Transportsysteme untersucht.

Mit ganzheitlichem Denken, innovativen Produkten, einer durchgängig digitalen Prozesskette, einer intelligenten Automatisierung sowie durchdachten Produktions- und Supply-Chain-Konzepten schafft Leoni nach eigenen Angaben die Grundlagen für zukunftsfähige zonale Architekturen. So kann Leoni in enger Zusammenarbeit seine Kunden dabei unterstützen, dass zonale Architekturen leistungsfähiger, flexibler, günstiger, leichter und nachhaltiger werden.

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