Controller Area Network CAN-Bus: Nervensystem des Fahrzeugs

Controller Area Network gilt als eine der wichtigsten Erfindungen im Fahrzeugbereich. Kein Wunder, denn der 1983 von Bosch entwickelte CAN-Bus ist das zentrale Nervensystem moderner Autos. Er verbindet alle elektronischen Steuergeräte und ermöglicht ihnen den digitalen Datenaustausch über gerade einmal zwei Leitungen.

Am 29. Januar 1886 meldete Carl Benz seinen dreirädrigen Motorwagen beim Kaiserlichen Patentamt in Berlin zum Patent an. Mit der Patentschrift DRP 37435 schlug offiziell die Geburtsstunde des Autos. Der verbaute Viertakt-Einzylindermotor leistete knapp einen PS und das Fahrzeug erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von rund 16 km/h.

Das erste Automobil war freilich noch weit entfernt von heutigen Fahrzeugen. Mit dem Einzug erster elektronischer Bauteile gewann das Fahrzeug immer mehr an Funktionsumfang, Komfort und Sicherheit. Als wichtiger Meilenstein ist der VW Typ III im Jahr 1968 zu nennen, in dem als weltweit erster Serien-Kompaktwagen ein elektronisches Motorsteuergerät verbaut war, nämlich das Bosch D-Jetronic.

Hohe Übertragungssicherheit wird gewährleistet

Die Elektronikentwicklung im Fahrzeug verlief simpel gesagt vom einfachen elektrischen Anlasser bis hin zu vernetzten Steuergeräten, die essenziell für Fahrassistenzsysteme und das Motormanagement sind. Doch die rasant wachsende Elektronik verursachte ein großes Problem. Denn mit immer mehr elektrischen und elektronischen Funktionen im Fahrzeug nahmen Kabelverbindungen überhand. Jeder Sensor, jeder Motor und jeder Schalter verkabelte man bis dato einzeln mit dem Steuergerät. Folge: die Kabelbäume drohten eine Länge von 2 km einzunehmen. Eine Lösung musste her und die kam aus dem Hause Bosch. Genauer gesagt von Siegfried Dais und Uwe Kiencke zusammen mit ihrem Team. Sie haben im Jahr 1983 ein Datenübertragungssystem für den digitalen Signalaustausch zwischen den elektronischen Komponenten entwickelt – das Controller Area Network (CAN). Im Jahr 1985 konnten Dais und Kiencke hierfür das erste Patent anmelden. Die ersten erprobten Systeme zeigten eine äußerst hohe Übertragungssicherheit und Verfügbarkeit, auch bei elektromagnetischen Störimpulsen. Dabei wurden alle Übertragungsprotokolle in Form eines kostengünstigen Mikrochips entwickelt. Klingt einfach, war es aber nicht, wie Dais aus dem Nähkästchen plauderte: „Wir hatten gar kein spezifisches Know-how, sondern mussten uns vieles erst erarbeiten. Keiner von uns hatte zum Beispiel Spezialisten-Wissen in serieller Datenübertragung.“

Erster kommerzieller Einsatz in der S-Klasse

Doch trotz der anfänglichen Schwierigkeiten, konnte man im Vergleich zu Wettbewerbern schnell Erfolge vorweisen, wie sich Uwe Kiencke erinnerte: „Wir hatten mit Abstand die weitest gehende Entwicklung, eine sehr hohe Datenübertragungsrate, und dabei konnten wir eine außerordentlich geringe Fehlerrate nachweisen.“ Im Jahr 1991 war es dann so weit. Mercedes-Benz zeigte sich vom CAN-Bus überzeugt und setzte das neue Datenübertragungssystem in der S-Klasse ein.

Dabei ersetzte CAN keinesfalls alle Kabel. Aber der Bus trug dazu bei, den „Kabelsalat einzudämmen und die Funktion verschiedener elektronischer Steuerungen zu koppeln“, wie es seitens des Automobilzulieferers hieß. Mit der Erfindung des CAN-Busses legten die beiden „Bosch-ianer“ den Grundstein für zukünftige Entwicklungen. Denn egal, ob Motorsteuerung, Fahrerassistenzsysteme, Cockpit und Infotainmentsysteme oder Beleuchtung – all diese Funktionen sind auf koordinierte und zeitgleiche Befehle mehrerer verschiedener Steuergeräte angewiesen. Aus diesem Grund wurden Siegfried Dais und Uwe Kiencke im Jahr 2008 mit dem Eduard-Rhein-Technologiepreis „für die Erfindung, internationale Standardisierung und Verbreitung des Kommunikationssystems Controller Area Network“ ausgezeichnet.

Vernetzung und automatisiertes Fahren bringen CAN an Grenzen

CAN ermöglicht Datenraten von bis zu 1 MBit/s und ein Datenfeld von 8 Byte pro Nachricht. Darüber hinaus sorgt es für die Übertragung priorisierter Nachrichten mit garantierter Übertragung. Doch in Hinblick auf eine zunehmende Fahrzeugvernetzung und automatisiertes Fahren nach Level 3 bis 5 stößt das klassische CAN-Bus-System an seine Grenzen. Seine maximale Datenrate reicht für die enormen Datenmenge von Sensoren wie Kameras, Radar, Lidar oder Ultraschall nicht aus. Darüber hinaus spielt auch das Thema Security eine nicht zu unterschätzende Rolle. Die in den 1980er-Jahren entwickelte Architektur des CAN-Busses sah keine integrierte Verschlüsselung oder Authentifizierung vor, sondern „vertraut“ darauf, dass die Informationen korrekt und autorisiert sind.

Daher setzen moderne Fahrzeuge auf eine leistungsstärkere und sicherere Bordnetzarchitektur. Hier kommt beispielsweise Automotive Ethernet ins Spiel. Das kann den CAN-Bus durch wesentlich höhere Bandbreiten von 100 Mbit/s bis hin zu 10 Gbit/s ergänzen oder ersetzen. Dies ist notwendig, um Videoströme und komplexe Algorithmen in Echtzeit zu übertragen.

Mit CAN-FD & CAN XL stehen zudem Weiterentwicklungen des klassischen CAN-Busses mit höheren Datenraten zur Verfügung. Diese kommen aber eher für weniger datenintensive Nebenfunktionen zum Einsatz. Doch so oder so: Die Erfindung des Controller Area Network war ohne Frage eine Revolution in der Fahrzeugentwicklung. (se)

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