Wie können Daten & Power möglichst effizient im Fahrzeug-Bordnetz übertragen werden? 

Die effiziente Datenübertragung ist eine Voraussetzung für die Bordnetze der Zukunft und multifunktionale Lösungen sollen helfen, diese Effizienz zu erreichen. Welche Steckverbindersysteme bieten die Möglichkeit, Energie und Daten über den gleichen Physical Layer zu übertragen? Welche Chipsätze sind verfügbar oder in der Entwicklung? Diese und weitere Fragen werden im Folgenden beantwortet…

Energie- und Datenübertragung – aktuelle Systeme

Derzeit gibt es drei Ansätze, die hochfrequente Datenübertragung im Fahrzeug gleichzeitig mit der Stromversorgung von Aktoren und Sensoren zu realisieren.

Bei Power over Coax wird sowohl das Datensignal als auch die positive Versorgungsspannung (z.B. +12V) über den Innenleiter des Koaxialkabels übertragen. Das Außenleitergeflecht dient als Masse (0V) und Schirmung. Nachteile dieses Verfahrens sind die geringe Strombelastbarkeit des Innenleiters (ca. 100-200 mA) und die reduzierte Schirmbelastbarkeit des Außenleiters, der gleichzeitig als Rückleiter dient.

Bei Power over Dataline werden die Daten und die Versorgungsspannung über die Datenleitungen des Twisted Pair Kabels übertragen. Eine Ader dient als Pluspol (z.B. +12 V), die andere als Masse (0 V). Bei einer geschirmten Leitung (STP – Shielded Twisted Pair) kann der Außenleiter als reine Abschirmung betrachtet werden, da der gesamte Stromfluss ausschließlich über die Innenleiter erfolgt. Auch hier ist die Stromtragfähigkeit begrenzt, da die Innenleiter einen geringen Querschnitt haben (typ. 0,13 – 0,14 mm²).

In einigen Fällen werden Daten- und Versorgungsleitungen getrennt geführt. An den Steckverbindern können zusätzlich zu den Koax- oder Twisted-Pair-Anschlüssen sogenannte MQS-Kontakte für die Versorgungsspannung angebracht werden. Ein Beispiel ist ein 4-poliger Mini-Koax-Steckverbinder mit 2 MQS-Kontakten. Diese Lösung hat den Vorteil, dass das Datensignal nicht durch teure Filter mit der Versorgungsspannung zusammengeführt und auf der anderen Seite wieder getrennt werden muss. Außerdem können höhere Ströme übertragen werden. Allerdings ist der Konfektionierungsaufwand deutlich höher, da die unterschiedlichen Leitungsquerschnitte unterschiedliche Crimp- Werkzeuge erfordern, was einen erheblichen Mehraufwand in der Fertigung bedeutet. Auch der Prüf- und Validierungsaufwand für die unterschiedlichen Leitungen steigt stark an, ebenso wie der Platzbedarf für die Lagerung der unterschiedlichen Leitungstypen.

Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile. Während Power over Coax und Power over Dataline eine kompakte und kostengünstige Lösung für die gleichzeitige Übertragung von Daten und Strom bieten, erfordert die getrennte Führung von Daten- und Versorgungsleitungen mehr Aufwand, bietet aber eine höhere Stromtragfähigkeit und Flexibilität. Die Wahl der geeigneten Methode hängt stark von den spezifischen Anforderungen und Rahmenbedingungen der jeweiligen Anwendung ab.

Welche Chipsätze sind im Stande, Daten und Power effizient zu übertragen?

Im Bereich der Fahrzeugelektronik gibt es mehrere spezialisierte Chipsätze, die für die effiziente Übertragung von Daten und Power entwickelt wurden. Diese Chipsätze unterstützen Technologien wie Power over Coax (PoC), Power over Dataline (PoDL) und USB-basierte Lösungen.

Power over Coax (PoC)

Diese Art von Chipsätzen verfügen über einen Serializer und werden z.B. in Kamerasystemen eingesetzt um sowohl Daten als auch Strom über ein einziges Koaxialkabel zu übertragen. Es werden hier Datenraten im Gigabit und Multi-Gig-Bereich unterstützt.

Power over Dataline (PoDL)

Diese Chipsätze wurden speziell für die Übertragung von Daten und Strom über Automotive Ethernet-Kabel entwickelt, und nutzen verdrillte Datenkabel (UTP, STP). Hierdurch ist eine hohe Stromtragfähigkeit gegeben, und PoDL Chipsätze sind somit ideal für vernetzte Fahrzeugkomponenten geeignet.

USB-basierte Lösungen

Ein USB 3.2-Hub-Controller, unterstützt hohe Datenübertragungsraten bis zu 5 Gbit/s (USB 3.2 Gen1) bzw.  10 Gbit/s (USB 3.2 Gen2) und ermöglicht gleichzeitig die Stromversorgung von USB-Geräten mit Power Delivery bis zu 100W (20V / 5A) – Ideal für Infotainment-Systeme und andere datenintensive Anwendungen in Fahrzeugen.

Diese fortschrittlichen Chipsätze bieten die notwendige Technologie, um sowohl Daten als auch Strom effizient über verschiedene Kabeltypen, wie zum Beispiel C-KLIC, im Fahrzeug zu übertragen. Die Wahl des geeigneten Chipsatzes hängt von den spezifischen Anforderungen und Anwendungsbereichen ab, aber die Verfügbarkeit dieser Lösungen eröffnet neue Möglichkeiten für das Design moderner Bordnetze.

C-KLIC als universelle Übertragungslösung

C-KLIC ist ein multifunktionales Steckverbindersystem von MD ELEKTRONIK, das technisch auf einer für automotive Anwendungen angepassten USB-C Schnittstelle basiert und eine Vielzahl von Möglichkeiten und Vorteilen in sich vereint. Mit C-KLIC wurden völlig neue Wege beschritten. USB-C ist eine universelle Schnittstelle, die neben USB 2.0 (480 Mbit/s) bis USB 3.2 Gen2 (10 Gbit/s) auch eine Vielzahl alternativer Protokolle unterstützt. PCIe, HDMI und DisplayPort sind hier sicherlich die bekanntesten Vertreter. C-KLIC bietet jedoch weit mehr als „nur“ die Unterstützung von USB-Protokollen. Durch die automobiltypische Verriegelung und alle gängigen Kodierungen, die ein Verdrehen beim Einstecken unmöglich machen, können alle 24 Pins der Schnittstelle vollständig genutzt werden. Mit den vier frei verfügbaren differentiellen MultiGiG-Highspeed-Datenpaaren (je 10 Gbit/s), kombiniert mit High-Speed-Datenleitungen (480 Mbit/s) und Versorgungsleitungen für bis zu 5 A bei 20 V (max. 100 W), lassen sich auch viele alternative High-Speed-Anwendungen problemlos realisieren.

Denkbar sind hier z.B. Multilane-Ethernet-Anwendungen oder diverse kundenspezifische proprietäre Protokolle, bei denen die angeschlossenen Geräte zusätzlich mit Spannung versorgt werden. Den Möglichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt:

Vereinfachung der Verkabelung:

Mit C-KLIC können verschiedene Daten- und Leistungsleitungen in einem einzigen Stecksystem integriert werden, was die Komplexität der Verkabelung reduziert.

Gewichts- und Platzeinsparung:

Durch die Reduzierung der Anzahl der benötigten Kabel und Steckverbinder kann das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert werden, was insbesondere bei Elektrofahrzeugen von Vorteil ist. Daneben sorgt die Leistungsfähigkeit von C-Klic für weniger Platzbedarf auf den Steuergeräten.

Weniger Tests:

Da weniger Einzelkomponenten getestet werden müssen, reduziert sich der Testaufwand, was Zeit und Kosten spart.

Geringere Kosten:

Durch die Integration mehrerer Funktionen in einem Stecksystem können Material- und Fertigungskosten gesenkt werden. Außerdem sind bei der Gesamtfahrzeugmontage weniger Steckvorgänge nötig. Das vereinfacht den Installationsprozess und spart Zeit und Geld.

Reduzierung von Fehlerquellen:

Weniger Verbindungen und Steckvorgänge bedeuten auch weniger potenzielle Fehlerquellen, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöht.

Mehr als USB – Ein Stecker, eine Leitung – 6 Funktionen

C-KLIC vereint Funktionen, für die bisher noch bis zu 6 einzelne Leitungen nötig waren.

Im Vollausbau „All-in-one“ (4 x MultiGiG Data, 2x High-Speed Data und Versorgung) benötigt man mit derzeit etablierten Technologien beispielsweise:

➜ 4x MultiGiG – Data (10 Gbit/s), z.B.: H-MTD oder GEMnet *¹

➜ 2x High Speed Data (480 Mbit/s), z.B.: HSD *²         

➜ Steuersignale + Versorgung, z.B.: HSD + MQS-Kontakte *²

Die beschriebenen Eigenschaften bringen enorme Vorteile für den Einsatz als Datenleitung im Fahrzeug mit sich:

➜ Stecken und verlegen von nur einer Leitung, statt bis zu 6 verschiedenen

• Zeitersparnis am Legebrett und beim Einbau
• Kostenersparnis (Material und Zeit)
• Gewichtseinsparung
• Minimierung von Fehlerquellen

➜ Massive Platzersparnis auf dem Steuergerät (ca. 60% – 1 PCB Stecker statt bis zu 6)

➜ Freie Nutzung der vorhandenen Daten- und Versorgungsleitungen für proprietäre Schnittstellen.

Anwendungsfall Userschnittstelle – weniger Abwärme, weniger Platzbedarf

Betrachtet man die Eigenschaften von C-KLIC im Bereich der Spannungsversorgung, so zeigen sich weitere Vorteile dieser Schnittstelle. Im folgenden Anwendungsfall einer USB-C Schnittstelle im Dashboard wird die sogenannte Power Delivery Technologie eingesetzt, die eine maximale Ladeleistung von 100 W (5A @ 20V) zur Verfügung stellen kann. Zusätzlich können auch hier Daten mit bis zu 480 Mbit/s (USB2.0) übertragen werden. Das speziell entwickelte Kabel ermöglicht einen sehr geringen Spannungsabfall (Ground Drop) über die gesamte Kabellänge (80 mV /m).

Aufgrund dieser Konstellation ist es möglich die Ladeelektronik, die eine hohe Verlustleistung (Wärme) verursacht, von der Kundenschnittstelle entfernt und in ein nahegelegenes Steuergerät zu verlagern.

Steuergeräte verfügen in der Regel über ein sehr gutes Temperaturmanagement und eine sehr gute Wärmeableitung.

Daraus ergeben sich wiederum zwei wesentliche Vorteile:

➜ Geringer Platzbedarf der Benutzerschnittstelle im Armaturenbrett (Einsparung bis zu 60%)

➜ Keine Wärmeentwicklung am User Interface durch dezentrale Ladeelektronik

*¹ H-MTD und HSD sind Produkte der Firma Rosenberger
*² GEMNet ist ein Produkt der Firma TE