Lenkrad und CAN-Bus: Architektur der elektronischen Signale

Geschichte der Busse im Automobil

Vor der Einführung von CAN Anfang der 1990er Jahre hatte jede elektrische Funktion ihren eigenen dedizierten Kabelbaum. Das Gewicht und die Komplexität der Verkabelung hatten einen kritischen Schwellenwert erreicht. Bosch entwickelte das Controller Area Network, um mehreren Steuergeräten die gemeinsame Nutzung desselben Mediums zu ermöglichen. Das Protokoll wurde zu einem internationalen Standard, der in der ISO 11898-Familie formalisiert wurde.

Anschließend ergänzten weitere Protokolle den CAN je nach Anwendungsfall: LIN für langsame Funktionen zu geringen Kosten, MOST für Multimedia, FlexRay für Anwendungen mit hohen Echtzeitanforderungen und neuerdings Automotive Ethernet (IEEE 802.3bw und höher) für Videostreaming, ADAS und sogenannte Zonenarchitekturen.

Klassischer CAN und CAN-FD: Grundlage des Netzwerks

Der klassische CAN transportiert kurze Frames (maximal 8 Byte Nutzdaten) mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 Mbit/s über kurze Distanzen. Der Bus verwendet zwei verdrillte Kabel, CAN-H und CAN-L, mit einem 120-Ohm-Abschluss an jedem Ende.

CAN-FD: natürliche Erweiterung

CAN-FD (Flexible Data-rate), spezifiziert in ISO 11898-1:2024, ermöglicht die Erhöhung der Nutzlast auf 64 Byte und die Erhöhung der Datenübertragungsrate in der Datenphase auf mehrere Mbit/s. Es bleibt auf physischer Ebene bei den meisten neueren Installationen mit dem klassischen CAN kompatibel. Dies ist der De-facto-Standard für Fahrzeuge, die nach 2018-2020 entwickelt wurden.

LIN: Einfacher Bus für langsame Funktionen

Der LIN-Bus (Local Interconnect Network) ist in der Norm ISO 17987 spezifiziert. Er arbeitet im Master-Slave-Modus über ein einziges Kabel mit Rückführung über die Fahrzeugmasse. Die maximale Datenübertragungsrate beträgt 19,2 kbit/s. Dies ist bewusst bescheiden: LIN ist nicht für kritische Anwendungen konzipiert.

Typische Anwendungen rund um das Lenkrad sind einfache Audiotasten, die Tastenbeleuchtung, manchmal die Handanwesenheitserkennung bei weniger neuen Modellen. Die geringen Kosten der LIN-Elektronik erklären ihre dauerhafte Präsenz in den Einstiegs- und Mittelklassesegmenten, auch wenn CAN allmählich an Boden gewinnt.

FlexRay und Automotive Ethernet: die Hochgeschwindigkeitsbusse

FlexRay (Norm ISO 17458) wurde für Anwendungen mit hohen Echtzeitanforderungen entwickelt: Fahrwerksregelung, aktives Bremsen, Steer-by-Wire. Seine Datenrate erreicht 10 Mbit/s auf zwei Kanälen. Das Protokoll ist deterministisch, was eine begrenzte Übertragungszeit garantiert. Es wurde ab 2006 in den BMW 7er-Modellen und dann in anderen Premiummodellen eingesetzt.

Automotive Ethernet (1000BASE-T1, 10GBASE-T1) gewinnt mit ADAS und zentralisierten Architekturen an Bedeutung. Die Datenraten erreichen mehrere Gbit/s über verdrillte Paare. Für das Lenkrad selbst bleibt Ethernet indirekt: Die Befehle werden weiterhin über CAN übertragen, aber die Videoströme der Kameras und die Fahrzeugtelemetriedaten werden über Ethernet an die Domänensteuergeräte übertragen.

Gateway und domänenorientierte Architektur

In einem modernen Fahrzeug sind die verschiedenen Busse nicht alle direkt miteinander verbunden. Ein zentrales Gateway fungiert als Router: Es empfängt Nachrichten von einem Bus, filtert einige, wandelt andere um und leitet sie an das richtige Segment weiter. Diese Aufteilung erfüllt drei Anforderungen: Isolierung kritischer Funktionen, Cybersicherheit und Optimierung der Bandbreite.

Neuere Architekturen entwickeln sich zu sogenannten Zonenstrukturen, die insbesondere von Tesla populär gemacht und dann von anderen Herstellern übernommen wurden. Die lokalen Steuergeräte sind nach ihrer physikalischen Position im Auto gruppiert, mehr als nach ihrer Funktion. Das Lenkrad ist in diesem Schema an das vordere Zonensteuergerät angeschlossen, das seine Signale mit denen des Armaturenbretts aggregiert.

Wie sich das Lenkrad in das Netzwerk einfügt

Konkret sieht die Kette bei den meisten Fahrzeugen wie folgt aus:

1. Die Tasten werden von einem lokalen Mikrocontroller im Lenkrad abgefragt.
2. Der Mikrocontroller codiert den Zustand der Tasten in einem Frame, der über LIN oder CAN an den Schleifring übertragen wird.
3. Der Schleifring hält die elektrische Verbindung trotz der Lenkradrotation aufrecht.
4. Das Signal gelangt über das Gateway zu einem Lenksäulensteuergerät oder direkt zum BCM.
5. Das BCM oder das Zielsteuergerät führt den Befehl aus (Lautstärke, Geschwindigkeit, ACC-Modus usw.).

Eine Überarbeitung des Lenkrads berührt prinzipiell das Gateway nicht. Aber sie betrifft den Lenkrad-Mikrocontroller und den Schleifring, zwei Komponenten, die beschädigt oder falsch montiert werden können. Hier macht eine Fachwerkstatt den Unterschied.

Praktische Empfehlung

Wenn Sie eine Überarbeitung an einem neueren Fahrzeug mit erweiterten Fahrassistenzsystemen in Erwägung ziehen, bitten Sie die Werkstatt, die beteiligten Busse auf dem Angebot explizit zu identifizieren. Ein klares Blatt, das die betreffenden Protokolle (LIN, CAN usw.) erwähnt, zeigt, dass der Dienstleister versteht, womit er umgeht.

Bei älteren Fahrzeugen (vor 2010) erfolgen die meisten Lenkradfunktionen über eine relativ einfache Verkabelung, und das elektronische Risiko ist geringer. Bei neueren Fahrzeugen fordern Sie vor und nach dem Eingriff einen vollständigen Diagnosebericht. Dies ist die einzige objektive Garantie, dass unterwegs nichts verloren gegangen ist.