Was ist ein softwaredefiniertes Fahrzeug?

Die Automobilindustrie befindet sich in einem digitalen Wandel, wobei softwaredefinierte Fahrzeuge (software-defined vehicles, SDVs) den Höhepunkt datengestützter Innovationen darstellen. SDVs gelten als die nächste Generation fortschrittlicher Fahrzeugsysteme und stellen einen anhaltenden Wandel in der Automobilinnovation dar, bei dem Autos weniger durch Hardware und mehr durch Software bestimmt werden. Der Schwerpunkt liegt auf dem Benutzererlebnis im Fahrzeug, ergänzt durch Technologien wie Infotainmentsysteme.

SDVs erfordern noch immer einen höheren Reifegrad, bevor sie in der Breite angenommen werden, bieten aber gegenüber heutigen Fahrzeugen deutliche Vorteile. Anstatt sich auf Funktionen zu beschränken, die zum Zeitpunkt der Fertigung installiert wurden, können bei SDVs die Softwarefunktionen kontinuierlich aktualisiert werden, wenn die Fahrzeuge bereits auf der Straße sind. Diese Fähigkeit, Probleme zu beheben und Aktualisierungen vorzunehmen, fördert die SDV-Entwicklung und führt letztendlich zu einem besseren Benutzererlebnis.

Bis heute gibt es noch keine vollständigen SDVs. Wie autonome Fahrzeuge können auch SDVs in Stufen von 0 bis 5 eingeteilt werden, wobei Stufe 0 "softwarefähig" und Stufe 5 ein vollständig softwaredefiniertes Fahrzeug ist. Während die Branche Fortschritte in Richtung SDVs der Stufe 3 und 4 macht, wird es einige Zeit dauern, bis SDVs der Stufe 5 auf die Straße kommen. Wie bei autonomen Fahrzeugen könnten nicht alle Erstausrüster versuchen, Stufe 5 zu erreichen, so dass in Zukunft neben den SDVs der Stufe 5 viele Fahrzeuge der Stufe 3 und 4 existieren können.

SDVs unterscheiden sich von anderen Fahrzeugarchitekturen durch ihre tiefe Softwareintegration, z. B. in Connected Cars und autonomen Fahrzeugen. SDVs konzentrieren sich auf die Funktionen im Fahrzeug, das Fahrerlebnis und das Benutzererlebnis im Fahrzeug. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich andere fortschrittliche Fahrzeuge häufig auf Kommunikationsfunktionen und die Interaktion mit der Umgebung.

Aber SDVs bieten mehr als nur Funktionen im Auto. Sie bieten auch fortschrittliche softwaregesteuerte Sicherheitsfunktionen wie Kollisionsschutzsysteme und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Fahrzeuge verwenden traditionell eine verteilte Architektur, in der elektronische Steuereinheiten (ECUs) mit eigener Softwarekomponente installiert sind, um eine einzelne Funktion auszuführen, z. B. die Steuerung eines Fensters. SDVs verwenden weniger Steuereinheiten und stattdessen eine Zonenarchitektur, die vollständig in der Software zentralisiert ist, gemeinsame Hardwareressourcen ermöglicht und Interferenzen reduziert.

Das bedeutet, dass ein SDV weniger, aber leistungsfähigere ECUs haben kann, die miteinander verbunden sind, um mehrere Aufgaben auszuführen, z. B. die Ausführung von ADAS- und Infotainment-Anwendungen in derselben Hardware. Außerdem ermöglicht es mehr Flexibilität bei Software-Aktualisierungen und -Upgrades, die auf bestimmte Zonen im Fahrzeug ausgerichtet sind.

Durch die Entkopplung der Software von der Hardware können SDVs im Vergleich zu anderen Fahrzeugen eine höhere Leistung erzielen und eine größere Bandbreite an Funktionen im Auto bieten. Dies bringt auch einige weitere einzigartige Vorteile mit sich, darunter:

• Flexibilität
• Einfaches Upgraden
• Gesteigerte Sicherheit und Zuverlässigkeit
• Verbesserte Entwicklungseffizienz
• Zusätzliche Einnahmequellen

Eine der einzigartigen Funktionen von SDVs ist ihre Fähigkeit, OTA-Updates (Over-the-Air) durchzuführen. OTAs ermöglichen es Herstellern, neue Fahrzeugfunktionen und -aktualisierungen über die Cloud in der Fahrzeugsoftware zu installieren, ähnlich wie Smartphones mit kabelloser Technologie aktualisiert werden. Mit dieser Funktion kann die Fahrzeugtechnologie im Laufe der Zeit auf dem neuesten Stand bleiben und in Funktionen integriert werden, die während der Fertigung möglicherweise nicht zur Verfügung standen.

SDVs enthalten viele Komponenten. Einige sind das, was wir bei Fahrzeugen erwarten würden, andere eher nicht. In SDVs gibt es drei kritische Komponentenklassen:

• Hardware
• Software
• Schnittstellen zwischen Hardware und Software

Hardware

Obwohl Software oft der am häufigsten diskutierte Aspekt von SDVs ist, unterstützt eine kritische Hardwareschicht die Datenerfassungs- und Verarbeitungsfunktionen dieser fortschrittlichen Softwareanwendungen. Zu den wichtigsten Hardwarekomponenten gehören:

• Zentrale Rechenplattformen
• Sensoren: Kameras und Radar, Lidar und Kollisionssensoren
• Aktoren
• ECUs
• Antriebsstrang
• Fahrgestell
• Aufhängung

In SDVs überwachen Sensoren sowohl interne als auch externe Umgebungen, sodass die Software fundierte Entscheidungen treffen kann. ECUs verwalten die elektrischen Systeme des Fahrzeugs und leistungsfähigere ECUs können mehrere Systeme gleichzeitig verwalten. Aktoren führen unterschiedliche Befehle von den ECUs aus, z. B. Bremsen und Lenken.

Da SDVs wie Rechenzentren auf Rädern betrieben werden, sind HPC-Systeme (High Performance Computing) und leistungsstarke Grafikprozessoren (GPUs) erforderlich, um Sensordaten zu verarbeiten und Anwendungen wie ADAS effizient auszuführen. Da SDVs stärker vernetzt sind als herkömmliche Fahrzeuge, müssen sie Kommunikationsnetzwerke wie Ethernet nutzen, um schnellere Datenübertragungsfunktionen zu unterstützen.

Software

Die Softwareschicht eines SDV umfasst Kern-Betriebssysteme wie Windows oder Linux, um die interne Konnektivität mit Datenkommunikationstechnologien sicherzustellen. OTA-Kommunikationssysteme verbinden sich mit externen Rechenzentren, um Informationen zu übertragen, und bilden die Grundlage für die Aktualisierung der eingebauten Automobilsoftware und das Hinzufügen neuer Funktionen zum Fahrzeug.

SDVs enthalten auch eine Reihe von App- und Benutzererlebnissoftware wie Infotainmentsysteme, digitale Cockpits, ADAS, fortschrittliche Fahrzeugmanagement-Steuerungen, adaptive Geschwindigkeitsregelung, interne Klimaregelung und Navigationssysteme. Diese sind über Middleware mit dem Betriebssystem des SDV verbunden, die als Softwareschicht fungiert, die die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und den einzelnen Anwendungen ermöglicht. Diese Funktionen bieten mehr Komfort und Sicherheit beim Fahren.

SDVs überwachen kontinuierlich ihre eigene Leistung und planen Wartungspläne mithilfe ihrer Datengenerierungs- und Analysefunktionen. Vorausschauende Wartung ermöglicht es dem Fahrzeugbetreiber, Probleme zu beheben, bevor sie zu großen Problemen werden.

Schnittstellen zwischen Hardware und Software

Zwischen der Hardware- und der Software-Schicht liegt eine Mittelschicht, die als Interface-Schicht bezeichnet wird und Softwareprogramme mit der Hardware des SDV verbindet. Diese Verbindung erfordert die Standardisierung von Apps über Erstausrüster und Lieferanten hinweg, um Kompatibilität zu gewährleisten.

Software in SDVs wird nach einem modularen Ansatz integriert, bei dem jede Anwendung über eine eigene API (Application Programming Interface) verfügt. Ebenso ist die SDV-Hardware modular, da kleinere Steuereinheiten spezielle Aufgaben für verschiedene Funktionen ausführen. Dies ermöglicht es Konstrukteur*innen, je nach beabsichtigter Funktion größere, leistungsfähigere Systeme mit kleineren "Bausteinen" in das SDV zu integrieren.

Während Fortschritte in der Softwareentwicklung die Anwendungsseite von SDVs beeinflussen, sind Interface-Schichten entscheidend für die Organisation der Hardware- und Softwaresysteme in einem funktionalen Ökosystem, das in Echtzeit überwacht und aktiv werden kann. Diese Schnittstellen sind auch für die Fahrzeugsicherheit und das Benutzererlebnis von entscheidender Bedeutung.

Die Entwicklung von SDVs wirkt sich nicht nur auf die Automobilindustrie aus, sondern wird auch für andere Branchen von Nutzen sein. Darüber hinaus werden die SDVs selbst viele Anwendungsfälle haben, die anderen Sektoren zugutekommen werden.

SDVs müssen beispielsweise leistungsstarke CPUs und GPUs haben, um die große Menge erzeugter Daten verarbeiten zu können. Daher mussten Hersteller von Computerhardware fortschrittlichere CPUs, 5G-Systeme und Edge-Computing-Systeme entwickeln, um diese und andere Anwendungen zu unterstützen.

In der Automobilindustrie ermöglicht die SDV-Entwicklung eine fortschrittlichere ADAS-Technologie, die andere Anwendungen des autonomen Fahrens unterstützt. Darüber hinaus bietet die Menge der von SDVs erzeugten Daten genauere Echtzeitaktualisierungen in Nutzfahrzeugen und Flottenmanagement-Anwendungen. SDVs könnten auch dazu beitragen, die MaaS-Branche (Mobility-as-a-Service) zu erweitern, indem sie Benutzenden On-Demand-Zugriff auf eine Reihe von Fahrzeugen bieten und das MaaS-Erlebnis an ihre Bedürfnisse anpassen.

Da SDVs detaillierte Daten zum Fahrverhalten und zur Fahrzeugleistung liefern können, hat die Technologie auch das Potenzial, die Kfz-Versicherungsbranche zu revolutionieren. Dies kann zu personalisierteren und dynamischeren Versicherungsmodellen für Fahrer führen.

SDVs werden in der Lage sein, sich mit intelligenten Städten und intelligenten Netzen zu verbinden, die digitale Technologie und Daten nutzen, um Dinge wie öffentliche Dienstleistungen und Infrastruktur für Bewohner zu verbessern. Dabei werden Vehicle-to-Grid- (V2G) und Grid-to-Vehicle-Verfahren (G2V) zur Steuerung der Energieverteilung im Netz eingesetzt. Die Verwaltung von SDV-Flotten in intelligenten Städten kann dazu beitragen, den Verkehrsfluss oder Unfälle zu reduzieren, und SDVs können mithilfe von OTA-Technologie auch Aktualisierungen in Echtzeit an die städtische Verwaltung übermitteln.

Wie jede Fahrzeugarchitektur bieten auch SDVs Vorteile und Herausforderungen. SDVs erfordern aufgrund ihrer unterschiedlichen Softwareplattformen und Softwarearchitekturen eine höhere Komplexität, und die Gewährleistung der Interoperabilität mit konventioneller und fortschrittlicher Hardware ist von entscheidender Bedeutung.

Zu den Vorteilen der SDV-Technologie gehören:

• Verbesserte Leistung von Motor, Batterie und Kraftstoff durch erweiterte Überwachung
• Verbesserte Sicherheit durch ADAS und Kollisionsschutzsysteme
• OTA-Software-Aktualisierungen und die Möglichkeit, neue Funktionen hinzuzufügen
• Selbstüberwachung des Fahrzeugs durch Telematik und Diagnose sowie die Fähigkeit zur Durchführung vorausschauender Wartung
• Ein individuelles Erlebnis für jeden Fahrzeuginsassen, von maßgeschneiderten Dashboards bis hin zu Infotainment-Optionen
• Mehr Komfort für Fahrgäste durch mehr Infotainment-Dienste

SDVs sind jedoch kein ausgereiftes System. Konstrukteur*innen und Hersteller müssen nach wie vor mehrere technische und konstruktive Herausforderungen meistern:

• Komplexe Software und große Mengen an Programmierung sind erforderlich, was die Wahrscheinlichkeit von Fehlern erhöht.
• Als digitales Connected Car sind SDVs anfällig für Cybersicherheitsbedrohungen, da sie mit anderen Netzwerken verbunden sind.
• SDVs sammeln eine große Menge an Daten, was zu Datenschutzproblemen führen könnte, wenn bewährte Verfahren für die Datensicherheit nicht befolgt werden.
• Der Bereich ist technisch anspruchsvoll und erfordert Fachwissen aus vielen Bereichen der Technik. Daher können Talent- und Wissenslücken ein Problem darstellen, wenn SDVs auf größere Volumen skaliert werden.
• Produktionsverzögerungen sind bereits ein Problem bei Elektrofahrzeugen. Da SDVs über eine komplexe, integrierte Elektronik- und Hardwareumgebung verfügen, kann dies zu noch größeren Verzögerungen führen.

Sicherstellen von Cybersicherheit in SDVs

Cybersicherheit ist eine einzigartige Herausforderung für SDVs. Da viele Daten sowohl innerhalb eines Fahrzeugs als auch mit externen Datennetzwerken ausgetauscht werden, gibt es im Fahrzeug selbst viele potenzielle Angriffspunkte und anfällige Knoten.

Um sich vor Hackversuchen zu schützen, sind robustere Cybersicherheit und sichere Kommunikationsprotokolle erforderlich. Einige Softwareplattformen wie QNX sind aufgrund ihrer erweiterten Sicherheitsfunktionen in der SDV-Branche beliebt geworden. In Zukunft wird künstliche Intelligenz (KI) eine Schlüsselrolle beim Schutz von SDVs vor Cyberbedrohungen spielen.

SDVs sind ein neues Geschäftsmodell für Erstausrüster, bei dem die Synchronisierung der Softwareentwicklung mit der Hardware im Mittelpunkt steht. Erstausrüster und Hersteller müssen in der Lage sein, OTA-Aktualisierungen für SDVs bereitzustellen sowie neue Fahrzeugsoftware zu validieren und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften sicherzustellen. Ein digitaler Zwilling, der als digitale Nachbildung des Fahrzeugs fungiert, kann verschiedene Szenarien anhand von Daten aus verschiedenen betrieblichen und geografischen Umgebungen testen. Durch Änderungen am digitalen Zwillingsmodell können Erstausrüster sicherstellen, dass diese Aktualisierungen effektiv funktionieren, ohne dass die Sicherheit in echten Fahrzeugen gefährdet wird. Tatsächlich schaffen Unternehmen schon vollständig virtuelle Umgebungen, in denen Ingenieur*innen simulierte Fahrzeuge betreten können, um Softwareänderungen vor der Inbetriebnahme zu testen.

Angesichts dieser Veränderungen in der Automobilindustrie müssen Erstausrüster jetzt Fahrzeuge entwickeln, die mit mehreren Hardware- und Softwareanbietern in der gesamten Lieferkette kompatibel sind, um sicherzustellen, dass alle zusätzlichen Anwendungen den Sicherheitsnormen und gesetzlichen Anforderungen entsprechen. So kündigten Volvo Group und Daimler Truck kürzlich eine Partnerschaft an, um gemeinsam eine SDV-Plattform für schwere Nutzfahrzeuge zu entwickeln. 

Angesichts der Komplexität der Konstruktion von SDV im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugarchitekturen kann Simulationssoftware helfen, Probleme frühzeitig im Konstruktions- und Entwicklungsprozess zu erkennen und vor der physischen Prototypenphase zu beheben. Bei SDVs können Simulationen Folgendes unterstützen:

• Frühzeitige Erkennung von Konstruktionsproblemen und Umsetzung des Shift-Left-Ansatzes im frühen Stadium des Prozesses
• Analyse von Sicherheits- und Cybersicherheitsfunktionen des Fahrzeugs
• Nutzung von KI zur Beschleunigung der Entwicklung
• Konstruktion neuer elektrischer und elektronischer Architekturen
• Simulation auf Chip- und Leiterplattenebene, um sicherzustellen, dass die ECU-Komponenten thermische, Signal- und Stromintegrität aufweisen
• Konstruktion von bordeigenen Netzwerken wie Sensoren, Antennen und Hochgeschwindigkeitskommunikation
• Simulieren elektromagnetischer Störungen
• Analyse von Systemleistung und -zuverlässigkeit
• Entwicklung hochgenauer unverfälschter Prototypen, die sowohl Software als auch Hardware über digitale Zwillinge in Konstruktionen integrieren

Ansys bietet viele Tools, die die verschiedenen technischen und konstruktiven Herausforderungen simulieren, die sich in der SDV-Entwicklung ergeben, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf den Hardware- und Integrationsaspekten der Konstruktion liegt. Dazu gehören:

• Die Fähigkeit von Ansys System Architecture Modeling (SAM), die eine maßgebliche Source of Truth als architektonischer Rahmen zur Erfassung der Beschreibung des zu konstruierenden Systems bietet
• Die Software Ansys medini analyze, eine modellbasierte Systemlösung, die wichtige Sicherheitsanalysemethoden implementiert und die Einhaltung von Industrienormen, einschließlich ISO 26262, gewährleistet
• Die Plattform Ansys SCADE, die modellbasierte Entwicklung, Verifizierung und automatische Codegenerierung für sichere und zuverlässige Embedded Software ermöglicht
• Die Software Ansys ModelCenter, die Systemanforderungen von SAM mit Simulationsmodellen und Technikanalysen verbindet, um das Verhalten und die Anforderungen des gesamten Systems zu überprüfen
• Die Software Ansys HFSS, die eine effiziente Konstruktion und virtuelle Validierung aller Elektronikkomponenten, vom Chip bis zu den Systemen, gewährleistet. Die Software HFSS kann auch die elektromagnetische Zuverlässigkeit bestimmen, um zu überprüfen, ob elektromagnetische Störungen Probleme im größeren System verursachen.
• Die Plattform Ansys Twin Builder, die schnell laufende Reduced-Order Models (ROMs) von hochgenauen, komplexen Modellen erstellt, um die Lösungszeiten zu beschleunigen
• Die Software Ansys AVxcelerate Sensors, die physikalisch genaue Sensorsimulation zum Testen autonomer Systeme mit Sensorwahrnehmung bietet
• Die Software Ansys AVxcelerate Headlamp, die die Entwicklung intelligenter Scheinwerfer beschleunigt, indem das Verhalten von Kontrollgesetzen validiert und potenzielle Grenzfälle bereits früh im Konstruktionsprozess getestet werden
• Die Software Ansys SimAI, ein KI-verbessertes Tool, das die Konstruktion und Optimierung von Simulationen und so die Komponentenentwicklung beschleunigt

Wenden Sie sich noch heute an unser technisches Team, um mehr darüber zu erfahren, wie ein simulationsbasierter Konstruktionsansatz Ihnen dabei helfen kann, die Konstruktion und Fertigung Ihrer SDV-Komponenten und vernetzten Systeme zu optimieren.

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