Auf dem Weg zu effizienter Mobilität

Die europäische Politik hat sich entschieden und die meisten Automobilhersteller gehen den Weg ohnehin schon: Elektromobilität ist die Zukunft. Dabei geht es allerdings nicht nur um den Austausch des Antriebs. Die meisten Akteure am Markt sehen den Wandel als Chance, neue Mobilitätskonzepte zu erdenken und zu erproben. Die Fragestellungen reichen vom Optimieren der Reichweite und dem Verwalten der Ladeinfrastruktur über Sharing-Modelle und verkehrsmittelübergreifende Mobilität bis zu teilautonomen oder sogar überwiegend autonomen Fahrzeugen.

Erste Pilotprojekte mit assistierten, in Kolonnen fahrenden Lkw oder Pkw, die auf digitalen Zuruf per App zum Nutzer von Carsharing-Diensten kommen, laufen in Deutschland bereits erfolgreich. Um den Technologiestandort Deutschland langfristig zu sichern, ist jedoch wichtig, sich bereits im Studium mit den neuen Möglichkeiten zu beschäftigen, die sich in der Automotive-Branche eröffnen. Neben den universitären Pflichtveranstaltungen bieten dafür Wettbewerbe wie der Shell-Eco-Marathon eine ideale Plattform. Hier können Studierende mehrerer Fachrichtungen ihr Know-how einbringen, erweitern und austauschen.

Das Team TUfast Eco der TU München hat seit 2015 schon mehrfach erfolgreich getan. Von 2016 bis 2019 war es sogar Weltrekordhalter in der Kategorie »Most efficient electric vehicle«. Für den Wettbewerb werden immer wieder neue Fahrzeuge konzipiert und gebaut. Im aktuellen Modell für den Shell-Eco-Marathon 2023 setzt das Team von TUfast Eco auf einen Box-PC aus der »KBox-B Serie« von Kontron. Hierbei wird es von Aaronn Electronic tatkräftig unterstützt.

EFFIZIENZ, EFFIZIENZ UND NOCHMALS EFFIZIENZ

Bei seinen Prototypen legt das Team von TUfast Eco den Schwerpunkt auf die Effizienz. Der Entwurf für 2022 – »muc022« genannt – wog 74 kg, war 3400 mm lang, 1200 mm breit und 1000 mm hoch. Er erreichte eine Maximalgeschwindigkeit von 42 km/h und schaffte 271 km/kWh. Ziel für 2023 ist es, mit dem Nachfolger »muc023« die bereits beeindruckenden Werte noch einmal zu verbessern.

Zwar wird in Zukunft niemand in solch einem Fahrzeug am Straßenverkehr teilnehmen, aber so wie Automobilhersteller bisher Erfahrungen mit in der Formel 1 erprobten Technologien langfristig in Serienfahrzeuge einfließen ließen, können Erfahrungen aus den Prototypen der studentischen Wettbewerbe in Zukunft die Weiterentwicklung in der Automotive-Branche beeinflussen.

Die weitere Verbesserung hängt wesentlich vom eingesetzten Computer ab. Denn der übernimmt nicht nur die komplette Verarbeitung der von den zahlreichen Sensoren gelieferten Informationen – von den Kameras über Lidar- und Radar-Daten bis zu Ultraschall-Signalen – sondern auch die Kartographierung der Umgebung und letztlich die Navigation des Fahrzeugs. Lediglich für die Systeme zur Motorregelung ist ein weiterer Echtzeitcomputer verbaut.

Als Steuerzentrale wurde deshalb ein leistungsstarker Prozessor mit x86-64-Bit-Technik bei geringer Leistungsaufnahme benötigt. Hauptziel war eine hohe Multi-Core- bei gleichzeitig guter Single-Core-Performance. Außerdem musste für den Einsatz im Fahrzeug ein Gleichstromeingang vorhanden sein, optimalerweise mit 24 oder 12 V.

HOHE LEISTUNG AUF KLEINEM RAUM

Hohe Effizienz ist bei dem Projekt das oberste Ziel, dem sich alles unterordnen muss. Daher sollte der verwendete Box-PC möglichst klein und leicht sein. Allerdings sind die oben genannten Punkte für die korrekte Funktion des Fahrzeugs unverzichtbar. »Im Vordergrund stand bei den Anforderungen die Prozessor- und die Grafik-Leistung, da jede Softwarekomponente diese benötigt. Unser Team-Motto ist die Effizienz, um die es bei dem Wettbewerb letztendlich geht. Deshalb versuchen wir die Leistungsaufnahme weitestgehend zu reduzieren«, erklärt das TUfast-Eco-Team. »Leider bringt die geringste Leistungsaufnahme nichts, wenn der Prozessor die Software nicht ausführen kann. Aaronn ist hier mit dem »i9-9700E« ein guter Kompromiss gelungen.«

Auch die vom Systemintegrator unterstützte Auswahl der Kontron »KBox B-202-CFL« erwies sich als hervorragende Option (Bild 1). »Die Möglichkeit, zwei PCIe-Erweiterungskarten zu verbauen, ist für uns sehr wichtig. Wir brauchen für unsere Software einen PCIe Frame Grabber, um die Kameradaten in den PC einlesen zu können, sowie eine grafische Beschleunigerkarte, um die Verarbeitung der Kameradaten schnell und effizient durchführen zu können«, berichtet das Studententeam.

KURZE WEGE UND SCHNELLE LIEFERUNG

Angesichts der 2022 allgegenwärtigen Schwierigkeiten durch die weltweiten Lieferkettenprobleme war es auch für TUfast Eco nicht einfach, die benötigten Komponenten zu beschaffen. Hier zahlte sich ebenfalls die Zusammenarbeit mit Aaronn Electronic aus. »Dadurch, dass Aaronn in Deutschland sitzt, profitierten wir von einer kurzen Lieferzeit. Das hat es uns ermöglicht, den Computer schon wenige Tage nach der finalen Konfiguration direkt in Betrieb zu nehmen – das ist ein wichtiger Aspekt.« Schließlich ist der Zeitrahmen knapp und der Start des Rennens steht lange vorher fest. Jede Verzögerung verkürzt daher die Zeit, die dem Team für das Optimieren der Software zur Verfügung steht.

In der Vergangenheit hatte das Team vor allem direkt mit Herstellern zusammengearbeitet. Als Studententeam mit überschaubarem Budget ist es auf Unterstützung und Sponsoring angewiesen – und hat beides hat als erfolgreicher Teilnehmer der Wettbewerbe regelmäßig erhalten. Die Zusammenarbeit mit dem Systemintegrator brachte ebenso in dieser Hinsicht wichtige Erkenntnisse.

»Es war durchaus eine neue Erfahrung, wie reibungslos das Unternehmen Komponenten für ein passendes Gesamtsystem findet, die allen Anforderungen entsprechen. Üblicherweise machen wir immer recht viel selbst. Hierbei ist es aber stets schwierig, die richtigen, passenden Teile zu finden, die dann ein gutes Resultat erzielen.«  Die Zusammenarbeit mit Aaronn machte das deutlich einfacher. So passt der Systemintegrator beispielsweise den Box-PC für den Einsatz einer ausreichend leistungsstarken Grafikkarte (Nvidia T1000) auf einen Single-PCI-Slot an.

Das Team kann sich also stärker auf das Entwickeln und Verbessern seines Fahrzeugs konzentrieren. »Nach dieser Erfahrung werden wir durchaus in Zukunft Systemintegratoren wie Aaronn Electronic in Betracht ziehen, da uns jetzt deutlich klarer ist, was diese leisten können«, erklärt das Team. Die lokale Nähe – das Unternehmen sitzt im Großraum München – war für die Studenten ebenfalls positiv. »Für uns ist es immer eine große Ehre, wenn wir mit Firmen aus der Region zusammenarbeiten können. Außerdem vereinfacht dies die Kommunikation, den Transport und die Interaktionen insgesamt, was die Zusammenarbeit angenehm macht.«

Letztlich steht und fällt das alles aber mit dem persönlichen Ansprechpartner, den das Team beim Aaronn hat. Dieser Aspekt hat auch schon studentische Entwicklerteams aus anderen Bundesländern überzeugt: 2019 arbeitete Aaronn deshalb mit dem in der Formula Student startenden Team Ecurie Aix der RWTH Aachen zusammen. Kurze Wege sind also selbst über größere Entfernungen hinweg möglich – wenn sich persönliche Ansprechpartner für das gemeinsame Projekt verantwortlich fühlen.

DIE STEUERZENTRALE: DER BOX-PC KONTRON »KBOX B-202-CFL«

Wer sich mit autonomem Fahren beschäftigt, merkt schnell, warum Autofahrer immer konzentriert und ausgeruht sein sollten: Das Gehirn muss in rascher Folge viele Informationen verarbeiten und ständig wichtige Entscheidungen treffen. Um diesen Vorgang mit Software auf einem Computer nachzuvollziehen – oder vielleicht sogar zu verbessern – ist sehr viel Rechenleistung erforderlich.

Schließlich muss das Verarbeiten aller Signale in Echtzeit erfolgen, denn bei Lenk- und Bremsvorgängen können bereits Millisekunden entscheidend sein. Deshalb waren neben der für die angestrebte Effizienz erforderlichen, kompakten Bauweise eine hohe Leistung bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme ausschlaggebende Kriterien bei der Auswahl der Hardware.

Die Kontron KBox B-202-CFL erfüllt diese hohen Anforderungen. Der Box-PC basiert auf einem Motherboard im Mini-ITX-Formfaktor (170 mm x 170 mm) mit einer CPU mit bis zu acht Prozessorkernen. TUfast Eco hat sich in Abstimmung mit Aaronn für einen Intel Core i7-9700E entschieden. Grundsätzlich möglich sind zahlreiche Intel-Core-Prozessoren (i3/i5/i7) der achten und neunten Generation. Der Prozessor unterstützt bis zu 32 GB non ECC RAM (DDR4-2666 MHz 2x SODIMM). Neben der hohen Leistungsfähigkeit sprach die gute Erweiterbarkeit für die KBox B-202-CFL. Die zwei möglichen PCIe-Karten (x8 oder x16) werden für den Frame Grabber und die ebenfalls in Abstimmung mit Aaronn ausgewählte Grafikkarte (Nvidia T1000) genutzt.

INNOVATION UNTERSTÜTZEN

„Wir haben uns sehr über das Interesse des Teams TUfast Eco gefreut“, sagt Yanping Zou, Marketing Managerin bei Aaronn Electronic. „Wir durften bereits einmal ein Studententeam beim Bau eines fahrerlosen Rennwagens begleiten. Das ist dann noch einmal etwas anderes, als die uns aus der täglichen Arbeit vertrauten Projekte mit der Industrie. Losgröße 1 ist hier nicht nur Losgröße 1, sondern bedeutet Losgröße 1 mit vielen Spezialanforderungen.“

Mit seinem erfahrenen Team – der Systemintegrator aus Puchheim ist seit 30 Jahren im Markt aktiv – und den engen Beziehungen zu führenden Herstellern hat das Unternehmen einen guten Einblick in die  Marktentwicklungen und die Stärken einzelner Technologien und Produktreihen. So lässt sich immer die beste Option für den Kunden auswählen. Mit den eigenen Technikern sind zudem die möglicherweise erforderlichen Anpassungen, wie beim »muc023« für die Stromversorgung, schnell und in enger Absprache möglich.

STARTSCHUSS IST GEFALLEN

Ende April 2023 wurde das neue Fahrzeug feierlich der Öffentlichkeit vorgestellt. Das Verkehrszentrum des Deutsches Museums in München bot dafür den passenden Rahmen: Vor dem Hintergrund der im Museum gezeigten Entwicklung der Mobilität konnte sich die Vision zukünftiger Effizienz in der Automobilindustrie angemessenen präsentieren.

Die Bedeutung des Projekts kam auch durch die prominenten Besucher der Fahrzeug-Enthüllung zum Ausdruck. Neben Markus Blume, Staatsminister für Wissenschaft und Kunst des Freistaats Bayern, waren Katrin Habenschaden, Zweite Bürgermeisterin der Landeshauptstadt München und Prof. Dr. Thomas F. Hofmann, Präsident der TU München, vor Ort live dabei (Bilder 2 und 3). Mit dieser Rückendeckung und der Unterstützung der Sponsoren kann das Team von TUfast Eco nun gestärkt und hoch motiviert in die Rennsaison gehen.

DIE PARTNERSCHAFT ZWISCHEN KONTRON UND AARONN ELECTRONIC 

Aaronn Electronic aus Puchheim bei München gehört seit Jahren zu den erfolgreichsten Vertriebspartnern und Systemintegratoren für Embedded -Systeme von Kontron. Die Kooperation zwischen Kontron und Aaronn besteht seit 30 Jahren, in denen die Partner gemeinsam eine Vielzahl von Kundenprojekten realisierten. Dank des umfangreichen Portfolios an Hardware-, Software- und  Service-Lösungen von Kontron sowie der Expertise und Flexibilität von Aaronn erzielen die Partner für jede individuelle Kundenanwendung das Optimum an Möglichkeiten.

ÜBER TUFAST ECO 

Das Team TUfast Eco nimmt seit 2015 an Wettbewerben für autonome Elektrofahrzeuge teil, zum Beispiel bei der EducEco Challenge sowie dem Shell Eco Marathon Europe. Für die Wettbewerbe werden die Fahrzeuge jeweils als neue Prototypen entworfen und gebaut. Die sich über die Jahre verändernden Teams beschäftigen sich dabei von der Radaufhängung über das Chassis, den Antrieb und die Steuerung mit allen Aspekten und Komponenten. So entstehen futuristisch aussehende Kleinfahrzeuge, an denen Technologie und Ideen für die Mobilität der Zukunft erprobt werden. Erfolgreich: Schon 2016 sicherte sich das Münchner Team mit einem Weltrekord für effizientes Fahren einen Eintrag im Guinness Buch der Rekorde, den es erst 2019 wieder abgeben musste.