Autonomes Fahren gilt als einer der größten Treiber für Innovation in der Automobilindustrie. Die dazu benötigten Steuergeräte (Electronic-Control-Unit, ECUs) stellen das Herzstück der Funktionalität dar: Sie verarbeiten Datenströme aus Kamera-, LiDAR- und Radarsystemen, führen komplexe Algorithmen aus und treffen sicherheitskritische Entscheidungen in Echtzeit. Während klassische ECUs vergleichsweise einfache Steuerungsaufgaben übernehmen, gleichen die Steuergeräte für Level-3 bis Level-5-Funktionen immer stärker Hochleistungsrechnern. Mit dieser Entwicklung steigen nicht nur die Anforderungen an die Software, sondern auch an die physikalische Robustheit und Validierung der Hardware. Neben Rechenleistung und Funktionalität ist insbesondere das thermische Management eine der größten Herausforderungen, da die hohe Packungsdichte und Verlustleistung dieser Systeme im Fahrzeugumfeld zuverlässig beherrscht werden muss. KST-Motorenversuch hat daher spezielle Prüfkonzepte entwickelt, um die Funktionsfähigkeit und Dauerhaltbarkeit solcher ECUs unter realistischen Bedingungen abzusichern.

Prüfkonzepte für Hochleistungs-ECUs

Die Validierung von ECUs für autonomes Fahren erfordert Testansätze, die deutlich über herkömmliche Steuergeräteprüfungen hinausgehen. Ziel ist es, thermische, klimatische und funktionale Belastungen kombiniert und praxisnah abzubilden. Ein zentrales Element ist die Nachbildung der realen thermischen Randbedingungen. Da viele dieser Steuergeräte inzwischen mit Flüssigkühlkreisläufen ausgestattet sind, werden in den Prüfständen geschlossene Kühlmittelkreise integriert, die Temperatur, Druck und Volumenstrom exakt steuern können. Parallel dazu erfolgt eine Klimatisierung der Umgebung, sodass schnelle Temperaturwechsel von -40 °C bis +85 °C oder mehr möglich sind. Die Funktionsprüfung der ECU läuft dabei kontinuierlich mit, sodass potenzielle Ausfälle im Zusammenspiel von Hardware, Software und thermischer Belastung frühzeitig erkannt werden können. Ergänzend werden Langzeittests über mehrere tausend Stunden durchgeführt, um Aussagen zur Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit der Systeme zu treffen.

Technische Hintergründe und Belastungen

Die Belastungen, denen Hochleistungs-ECUs im Fahrzeug ausgesetzt sind, sind ausgesprochen vielfältig. Neben extremen Temperaturgradienten wirken Vibrationen, Feuchtigkeit, elektromagnetische Störungen und mechanische Schocks auf die Systeme ein. Hinzu kommt die hohe thermische Verlustleistung, die durch die dichte Integration von Prozessoren, Speicherchips und Spannungswandlern entsteht.

Um diese Herausforderungen realitätsnah abzubilden, berücksichtigt die Validierung unterschiedliche Prüfungen. Dazu zählen thermische Zyklisierungen, die Fahrprofile mit schnellen Temperaturwechseln simulieren, sowie Kühlkreislauf-Tests, bei denen die Steuergeräte mit befüllten Flüssigkeitskreisläufen unter variablen Drücken und Strömungsraten betrieben werden. Ergänzend werden elektrische Belastungstests durchgeführt, bei denen die Rechenkerne im Volllastbetrieb gefahren werden, um maximale Verlustleistung und Worst-Case-Szenarien nachzustellen. Besonders aussagekräftig sind kombinierte Belastungstests, bei denen thermische, klimatische und elektrische Beanspruchungen parallel wirken und so die realen Einsatzbedingungen besonders praxisnah nachgebildet werden.

Durch diese enge Anlehnung an reale Fahrzyklen lassen sich die Ergebnisse direkt auf die Fahrzeuganwendung übertragen und liefern wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung und Absicherung zukünftiger ECU-Generationen.

Prüfstandkonzepte und Messtechnik

Die Komplexität der Prüfstände für ECU-Validierung liegt insbesondere in der Kombination verschiedener Teilsysteme. Neben der Klimatisierung und Kühlmittelkonditionierung sind präzise Messtechnik-Setups erforderlich, um Temperaturen, Ströme, Spannungen und Funktionalität zuverlässig aufzuzeichnen. Häufig wird ein Hardware-in-the-Loop-Ansatz (HiL) eingesetzt, um die ECU in ein simuliertes Fahrzeugumfeld einzubinden. Damit lassen sich sowohl definierte Fahrzyklen als auch Fehlerszenarien realitätsnah nachstellen. Zusätzlich können Dauerbelastungstests über Wochen oder Monate gefahren werden, ohne dass reale Fahrzeuge gebunden werden müssen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Schadensfrüherkennung. Mittels Temperaturmessungen an kritischen Hotspots, Spannungs- und Stromüberwachung sowie softwaregestützter Diagnose lassen sich Abweichungen frühzeitig erkennen. So können Entwickler Gegenmaßnahmen ergreifen, bevor es zu kritischen Ausfällen kommt.

Bedeutung für OEMs und Zulieferer

Mit dem Hochlauf von Level-3-Funktionen in Serienfahrzeugen steigt der Druck auf OEMs und Zulieferer, ECUs nicht nur funktional, sondern auch unter realistischen Belastungen zu validieren. Dabei geht es nicht allein um die Erfüllung von ISO-Normen, sondern vor allem um OEM-spezifische Qualifikationsanforderungen, die zunehmend strenger werden.

Ein Ausfall einer ECU für autonomes Fahren kann schwerwiegende Folgen haben, von Sicherheitsrisiken bis hin zu Rückrufaktionen mit hohen Kosten. Daher wird die Absicherung dieser Systeme zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Entwicklungsdienstleister wie KST-Motorenversuch übernehmen hier eine Schlüsselrolle, da sie die nötige Infrastruktur, Erfahrung und Flexibilität bieten, um die anspruchsvollen Tests in enger Abstimmung mit den Kunden durchzuführen.

Ausblick

Die Entwicklung autonomer Fahrfunktionen wird in den kommenden Jahren weiter an Dynamik gewinnen. Mit steigender Rechenleistung, engerer Integration und immer komplexeren Kühlkonzepten wachsen auch die Anforderungen an die Validierung der Steuergeräte.

Zukünftig wird die Bedeutung kombinierter Testansätze weiter steigen, beispielsweise durch die Kopplung von Klimatests mit hochauflösender Leistungsmesstechnik oder durch Langzeittests unter variablen Lastprofilen. Parallel dazu werden neue Standards entstehen, die nicht nur funktionale Sicherheit, sondern auch thermische Robustheit und Lebensdauer der ECUs stärker in den Fokus rücken. KST-Motorenversuch sieht sich als Partner der Industrie, um diese Entwicklungen aktiv zu begleiten. Mit maßgeschneiderten Prüfkonzepten, modernster Prüfstandinfrastruktur und enger Zusammenarbeit mit OEMs und Zulieferern trägt KST dazu bei, die Zuverlässigkeit und Sicherheit autonomer Fahrfunktionen nachhaltig abzusichern.

Autor: Dennis Backes