Aktuatoren müssen heute unterschiedlichste Bordnetzspannungen und Kommunikationsschnittstellen unterstützen. Die eigentliche Herausforderung liegt jedoch nicht in 12 V, 24 V oder 48 V allein, sondern in der daraus entstehenden Variantenvielfalt. Plattformfähige Konzepte schaffen die Grundlage, unterschiedliche Anforderungen mit einem modularen Baukasten wirtschaftlich und effizient umzusetzen.
» Gastbeitrag von Daniel Duffner, Product Manager Actuators, BURGER GROUP
Die Anforderungen an moderne Aktuatoren haben sich mit der Elektrifizierung von Fahrzeugen und dem Wandel der E/E-Architekturen grundlegend verändert. Während sie früher meist für klar definierte Spannungs- und Kommunikationsschnittstellen entwickelt wurden, müssen sie heute unterschiedlichste Bordnetzarchitekturen und OEM-spezifische Anforderungen unterstützen. Hinzu kommt, dass Aktuatoren längst nicht mehr nur in Pkw zum Einsatz kommen, sondern auch in Nutzfahrzeugen, Motorrädern oder Landmaschinen – jeweils mit spezifischer elektrischer Schnittstelle.
Die Folge ist eine stetig wachsende Komplexität in der Aktuatorentwicklung. In klassischen Entwicklungsansätzen entstehen daraus zahlreiche Hardware- und Softwarevarianten, die jeweils separat entwickelt, validiert und industrialisiert werden müssen. Der damit verbundene Aufwand steht zunehmend im Widerspruch zu den Anforderungen an kurze Entwicklungszeiten und eine schnelle Markteinführung.
Plattformfähige Aktuatoren bieten einen Lösungsansatz, um diese Komplexität beherrschbar zu machen: Anstatt für jede Kundenapplikation eine vollständige Neuentwicklung zu realisieren, basiert der Ansatz auf einem modularen Baukasten, der sich durch den Austausch weniger Komponenten und angepasste Software flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassen lässt. Dadurch können Entwicklungs- und Validierungsaufwand reduziert und neue Anwendungen deutlich schneller realisiert werden.
Variantenvielfalt als Treiber neuer Aktuatorkonzepte
Diese Entwicklung ist das Ergebnis tiefgreifender Veränderungen in der Fahrzeugentwicklung. Während Bordnetze über viele Jahre weitgehend einheitlich ausgelegt waren, existieren heute unterschiedliche Spannungsniveaus und Kommunikationsarchitekturen parallel. Je nach Fahrzeugklasse und Hersteller kommen 12-V-, 24-V- oder 48-V-Systeme sowie Kommunikationsprotokolle wie PWM, LIN oder CAN zum Einsatz. Einheitliche elektrische Schnittstellen haben sich bislang nicht etabliert, da Fahrzeughersteller je nach Fahrzeugplattform und Anwendungsfall unterschiedliche Bordnetz- und Kommunikationsarchitekturen verfolgen.
Hinzu kommen unterschiedliche Anforderungen der Fahrzeughersteller an Diagnosefunktion, Positionsrückmeldungoder die Integration in die jeweilige Fahrzeugarchitektur, während gleichzeitig die Bandbreite der Anwendungen wächst. Obwohl viele von ihnen auf einer vergleichbaren Grundfunktion basieren, unterscheiden sich die elektrischen und kommunikationstechnischen Anforderungen zum Teil erheblich. Die Folge sind zahlreiche Produktvarianten, die sich hinsichtlich Elektronik, Software oder einzelner mechanischer Komponenten unterscheiden und jeweils separat entwickelt, validiert und industrialisiert werden müssen. Mit jeder zusätzlichen Variante steigt entsprechend der Aufwand. Die Herausforderung besteht daher nicht darin, alle Unterschiede zu beseitigen, sondern die Variantenvielfalt auf ein technisch und wirtschaftlich sinnvolles Maß zu begrenzen. Genau hier setzen plattformfähige Aktuatorkonzepte an.
Plattformfähigkeit beginnt mit dem richtigen Baukasten
Um die steigende Variantenvielfalt zu beherrschen, verfolgen immer mehr Hersteller ein Plattformkonzept. Ziel ist es, unterschiedliche Kundenanforderungen nicht mehr durch vollständige Neuentwicklungen abzubilden, sondern auf einer gemeinsamen technischen Basis aufzubauen. Ein Aktuator gilt dabei als plattformfähig, wenn sich durch den Austausch weniger Komponenten – etwa Leiterplatte, Motor oder Abtriebswelle – und eine angepasste Software unterschiedliche Kundenapplikationen realisieren lassen. Die Grundlage dafür bildet eine weitgehend standardisierte mechanische Plattform, bei der zentrale Komponenten wie Gehäuse, Getriebe, Lagerstellen und Dichtungssysteme über verschiedene Anwendungen hinweg identisch bleiben. Dadurch lassen sich bereits entwickelte und validierte Komponenten mehrfach nutzen und gleichzeitig Entwicklungs- und Validierungsaufwand reduzieren.
Während die Mechanik weitgehend standardisiert werden kann, erfordern Elektronik und Software ein höheres Maß an Flexibilität. Anstelle einer vollständigen Standardisierung aller Komponenten verfolgt das Plattformkonzept deshalb das Ziel, nur diejenigen Baugruppen zu variieren, die aufgrund unterschiedlicher Spannungsniveaus, Kommunikationsschnittstellen oder OEM-Anforderungen tatsächlich angepasst werden müssen. Dafür wird die mechanische Schnittstelle so ausgelegt, dass unterschiedliche Leiterplattenvarianten integriert werden können. Auch die Software folgt diesem Baukastenprinzip. Unterschiedliche Kundenanforderungen werden nicht durch neue Softwareentwicklungen, sondern über konfigurierbare Funktionsbausteine umgesetzt. Dadurch verlagert sich ein Teil der Variantenbildung von der Hardware auf die Softwareebene.
Und auch bei der Auslegung des Elektromotors bietet das Plattformkonzept zusätzliche Freiheitsgrade. So können beispielsweise unterschiedliche Wicklungen bei gleichem Bauraum eingesetzt werden, um verschiedene Spannungsniveaus abzudecken. Die eigentliche Plattform entsteht somit nicht durch identische Komponenten, sondern durch ein Gesamtkonzept, das Standardisierung und gezielte Variantenbildung miteinander verbindet.
Flexible Schnittstellen schaffen Spielraum für unterschiedliche Fahrzeugplattformen
Während sich die mechanische Plattform weitgehend standardisieren lässt, stellen die elektrischen Schnittstellen deutlich höhere Anforderungen an die Variantenbildung. Unterschiedliche Bordnetzspannungen und Kommunikationsschnittstellen beeinflussen unmittelbar die Auslegung der Elektronik und machen eine differenzierte Betrachtung erforderlich.
Je nach Anwendung und Fahrzeugklasse kommen heute 12-V-, 24-V- oder 48-V-Systeme zum Einsatz. Die unterschiedlichen Spannungsniveaus wirken sich unter anderem auf die Dimensionierung der Leistungselektronik, die Auswahl geeigneter Bauteile sowie die Verlustleistung aus. Eine einheitliche Leiterplatte für sämtliche Spannungsbereiche wäre daher weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll. Bauteile für höhere Spannungen sind häufig überdimensioniert oder für Anwendungen mit niedrigeren Spannungen technisch nicht immer geeignet und verursachen unnötige Kosten.
Hinzu kommen unterschiedliche Kommunikationsanforderungen. Je nach Hersteller und Fahrzeugplattform erfolgt die Ansteuerung der Aktuatoren beispielsweise über PWM, LIN oder CAN. Diese Kommunikationsprotokolle unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer Funktionalität, sondern stellen auch unterschiedliche Anforderungen an die Elektronik. So sind Mikrocontroller in der Regel auf bestimmte Kommunikationsprotokolle ausgelegt und lassen sich nicht beliebig zwischen PWM-, LIN- und CAN-Anwendungen austauschen. Darüber hinaus können OEM-spezifische Vorgaben, beispielsweise bei der Pinbelegung von Steckverbindern, zusätzliche Hardwarevarianten erforderlich machen.
Statt daher eine universelle Leiterplatte für sämtliche Anforderungen zu entwickeln, setzt das Plattformkonzept auf mechanisch kompatible, jedoch funktional angepasste Leiterplattenvarianten. Sie besitzen identische geometrische Schnittstellen, unterscheiden sich jedoch in Layout, Bestückung und den eingesetzten Leistungskomponenten. Dadurch lässt sich die Elektronik gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen, ohne den grundlegenden Plattformgedanken aufzugeben.
Thermomanagement zeigt die Vorteile des Plattformansatzes
Besonders deutlich werden die Vorteile plattformfähiger Aktuatoren im Thermomanagement. Obwohl die Grundfunktion der Aktuatoren in vielen Anwendungen vergleichbar ist, unterscheiden sich die Anforderungen der Fahrzeughersteller und Fahrzeugklassen zum Teil erheblich. Gerade hier zeigt sich, wie sich unterschiedliche Anforderungen mit einem gemeinsamen Baukasten wirtschaftlich abbilden lassen.
Ein typisches Beispiel sind Aktuatoren für Kühlmittelventile. Während sie in Pkw häufig in 12-V-Bordnetze mit LIN-Kommunikation integriert werden, kommen im Nutzfahrzeugbereich überwiegend 24-V-Systeme zum Einsatz, bei denen die Ansteuerung häufig über PWM oder CAN erfolgt. Die eigentliche Funktion des Aktuators bleibt dabei weitgehend identisch. Elektronik, Kommunikationsschnittstelle und Software müssen jedoch an die jeweiligen elektrischen und kommunikationstechnischen Anforderungen angepasst werden.
Trotz der unterschiedlichen Fahrzeugarchitekturen bleibt die eigentliche Aufgabe des Aktuators unverändert: Er regelt den Kühlmittelfluss entsprechend den Anforderungen des Thermomanagements. Gerade diese Kombination aus gleicher Grundfunktion und unterschiedlichen elektrischen Randbedingungen macht das Thermomanagement zu einem geeigneten Beispiel für plattformfähige Aktuatorkonzepte. Sie zeigt, dass sich ein hoher Grad an Wiederverwendung erreichen lässt, ohne die spezifischen Anforderungen einzelner Fahrzeugplattformen einzuschränken.
Das Plattformkonzept ermöglicht es, diese Unterschiede gezielt über variantenabhängige Elektronik- und Softwarebausteine abzubilden, während die mechanische Basis unverändert bleibt. Entwicklungs- und Validierungsaufwand können dadurch deutlich reduziert werden, ohne die unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Fahrzeugplattformen einzuschränken.
Plattformkonzepte verkürzen Entwicklungszeiten
Plattformfähige Aktuatorkonzepte bieten aber nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche Vorteile. Durch die Wiederverwendung bereits entwickelter und validierter Komponenten lassen sich Entwicklungsaufwand und Validierungszeiten reduzieren. Bleibt beispielsweise bei einer Variante mit anderer Versorgungsspannung und Kommunikationsschnittstelle die mechanische Umhausung unverändert und wird lediglich die Leiterplatte ausgetauscht, können bereits vorliegende Ergebnisse aus der Umwelt- und Dichtheitsprüfung übernommen werden. Dadurch sinkt die Anzahl der Varianten, die über den gesamten Produktlebenszyklus betreut und weiterentwickelt werden müssen. Auch die Entwicklung neuer Kundenapplikationen lässt sich deutlich beschleunigen. Anstatt jedes Projekt von Grund auf neu zu entwickeln, können bestehende Plattformbausteine gezielt an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Dadurch verkürzt sich die Time-to-Market und neue Lösungen lassen sich schneller in Serie überführen.
Mit der zunehmenden Vielfalt an Fahrzeugplattformen wird dieser Ansatz weiter an Bedeutung gewinnen. Unterschiedliche Bordnetzarchitekturen und Kommunikationsstandards werden auch künftig unterschiedliche technische Lösungen erfordern. Entscheidend wird deshalb nicht sein, möglichst alle Varianten zu vereinheitlichen, sondern sie auf Basis eines durchgängigen Plattformkonzepts effizient zu beherrschen. Plattformfähigkeit entwickelt sich damit vom reinen Entwicklungskonzept zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Wer auf einen validierten Baukasten zurückgreifen kann, verkürzt Entwicklungszeiten, reduziert Entwicklungsrisiken und kann neue Kundenanforderungen deutlich schneller umsetzen.
