Blog über CAN XL steigert Geschwindigkeit des Automobilnetzwerks und senkt Kosten

In der rasanten Entwicklung der Automobilindustrie spielen Bordnetze eine zentrale Rolle. Als Nervensystem moderner Fahrzeuge verbinden diese Netzwerke verschiedene Sensoren, Steuergeräte und Aktuatoren, um Echtzeit-Datenübertragung und koordinierten Betrieb zu ermöglichen. Da Fahrzeuge jedoch immer intelligenter und vernetzter werden, stehen traditionelle Automobilnetzwerke vor wachsenden Herausforderungen: Unzureichende Bandbreite, übermäßige Latenz und begrenzte Datenkapazität werden zu kritischen Engpässen, die Innovationen in der elektronischen Fahrzeugarchitektur einschränken.

1. Bordnetze: Die Grundlage der automobilen Intelligenz

Bordnetze sind kritische Komponenten von elektronischen Fahrzeugsystemen und verbinden verschiedene elektronische Steuergeräte (ECUs), um den Datenaustausch und die Informationsweitergabe zu erleichtern. Mit zunehmender Komplexität der Fahrzeugfunktionen steigt die Anzahl der ECUs, was zu einem exponentiellen Wachstum der Anforderungen an die Datenübertragung führt.

1.1 Die entscheidende Rolle von Fahrzeugnetzwerken

Automobilnetzwerke erfüllen vier wesentliche Funktionen:

• Systemintegration: Netzwerke ermöglichen den koordinierten Betrieb zwischen ECUs für Motorsteuerung, Getriebemanagement, Bremssysteme und Karosseriesteuergeräte.
• Sicherheitsverbesserung: Kritische Systeme wie ABS, ESC, ACC und Spurhalteassistenten sind auf Echtzeit-Netzwerkkommunikation angewiesen.
• Komfortfunktionen: Klimatisierung, Infotainment und Navigationssysteme nutzen die Netzwerkkonnektivität für intelligente Funktionen.
• Intelligente Entwicklung: Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und autonome Systeme sind für die Verarbeitung von Sensordaten auf robuste Netzwerke angewiesen.

1.2 Entwicklung von Automobil-Netzwerkarchitekturen

Fahrzeugnetzwerkarchitekturen haben drei Generationen durchlaufen:

• Zentralisiert: Frühe Systeme nutzten eine einzige Steuereinheit mit begrenzter Skalierbarkeit.
• Verteilt: Busverbundene ECUs verbesserten die Zuverlässigkeit und Erweiterbarkeit.
• Domänenzentriert: Moderne Systeme gruppieren ECUs nach Funktionen (Antriebsstrang, Karosserie, Infotainment) mit Domänencontrollern.

1.3 Aktuelle Netzwerktechnologien

Zeitgenössische Fahrzeuge nutzen mehrere Netzwerkprotokolle:

• CAN: Das Arbeitspferd-Protokoll, das Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz bietet.
• LIN: Kostengünstige Lösung für nicht-kritische Systeme.
• FlexRay: Hochgeschwindigkeits-Protokoll mit deterministischem Verhalten für sicherheitskritische Anwendungen.
• Automotive Ethernet: Aufstrebende Lösung für Anforderungen an hohe Bandbreite.

2. CAN-Bus: Der Eckpfeiler von Fahrzeugnetzwerken

Obwohl der CAN-Bus nach wie vor die am weitesten verbreitete Automobil-Netzwerktechnologie ist, werden seine Grenzen mit zunehmender Komplexität der Fahrzeuge offensichtlich.

2.1 Vorteile des CAN-Busses

Der Erfolg des Protokolls beruht auf seiner Echtzeit-Leistung, Zuverlässigkeit, niedrigen Kosten und Erweiterbarkeit – insbesondere auf seinem priorisierungsbasierten Arbitrierungssystem, das sicherstellt, dass kritische Nachrichten zuerst übertragen werden.

2.2 Wachsende Einschränkungen

Moderne Fahrzeuge stellen den CAN mit drei wesentlichen Einschränkungen auf die Probe:

• 1 Mbps maximale Bandbreite erweist sich als unzureichend
• 8-Byte-Datenrahmen begrenzen die Informationskapazität
• Bus-Topologie schränkt die Flexibilität des Netzwerkdesigns ein

2.3 CAN FD: Ein evolutionärer Schritt

Die Variante mit flexibler Datenrate führte einen Dual-Bitraten-Betrieb (1 Mbps Arbitrierung mit 5 Mbps Datenphasen) ein und erweiterte die Frames auf 64 Bytes, was die Bandbreiten- und Kapazitätsbeschränkungen teilweise behebt.

3. CAN XL: Der revolutionäre Sprung nach vorn

Trotz der Verbesserungen von CAN FD machten die steigenden Anforderungen an vernetzte und autonome Fahrzeugfunktionen eine substanziellere Weiterentwicklung erforderlich.

3.1 Entwicklungsbegründung

CAN XL wurde 2020 eingeführt und schließt die Lücke zwischen CAN FD und Automotive Ethernet. Es zielt auf Anwendungen ab, die eine Bandbreite von 10-20 Mbps erfordern, während die Kernvorteile von CAN wie Determinismus, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz erhalten bleiben.

3.2 Wichtige Fortschritte

CAN XL führt vier transformative Verbesserungen ein:

• Bandbreite: 20-30 Mbps Datenraten (vs. 5-8 Mbps bei CAN FD)
• Kapazität: 2048-Byte-Frames (32x Limit von CAN FD)
• Kompatibilität: Dual-Mode-Betrieb mit Altsystemen
• Kosten: Behält die wirtschaftlichen Vorteile von CAN bei

3.3 Technische Innovationen

Das Protokoll integriert mehrere bahnbrechende Funktionen:

• Frame-Struktur: Trennung von Arbitrierung (11-Bit PID) und Adressierung
• Protokollidentifikation: SDT-Feld unterstützt mehrere höhere Protokolle
• Virtuelle Netzwerke: 256 logische Netzwerke über VCID
• Dynamische Transceiver: CAN SIC XL-Hardware schaltet automatisch zwischen Standard- und Hochgeschwindigkeitsmodus um

3.4 Anwendungspotenzial

Die Fähigkeiten von CAN XL machen es ideal für:

• Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS)
• Autonome Fahrplattformen
• Infotainment der nächsten Generation
• Komplexe Karosseriesteuerungssysteme

4. CAN XL und Automotive Ethernet

Anstatt mit Ethernet (100 Mbps+) zu konkurrieren, ergänzt CAN XL es für Anwendungen, die deterministische Latenz bei moderater Bandbreite erfordern. Die Technologien werden in zukünftigen Fahrzeugarchitekturen nebeneinander bestehen.

5. Standardisierungsfortschritt

Unter der Führung von CiA (CAN in Automation) erreichte CAN XL im Jahr 2024 die ISO-Standardisierung (ISO 11898-1/2:2024), was eine breite Akzeptanz in der Industrie gewährleistet.

6. Fazit

CAN XL stellt eine transformative Weiterentwicklung im Automobil-Networking dar und liefert beispiellose Bandbreite, Kapazität und Kompatibilität, während die grundlegenden Vorteile von CAN erhalten bleiben. Da sich Fahrzeuge zu größerer Autonomie und Vernetzung entwickeln, wird CAN XL eine immer wichtigere Rolle bei der Ermöglichung elektronischer Architekturen der nächsten Generation spielen.