Ohne USB-C im Fahrzeug geht gar nichts mehr?

Warum Sie nicht auf USB-C in Ihrem Fahrzeug verzichten sollten, welche Herausforderungen mit der Integration ins Fahrzeug einhergehen und die möglichen Lösungsansätze

Der digitale Wandel ist in allen Lebensbereichen in vollem Gange, so auch in der Automobilindustrie. Mobile Endgeräte sind unsere täglichen Alltagsbegleiter und sind aus dem Auto nicht mehr wegzudenken. So nehmen wir unser Büro und Wohnzimmer überall hin mit. Dabei wollen wir auf energie- und datenintensive Anwendungen nicht verzichten. Mal den Laptop oder das Handy schnell im Fahrzeug laden – heute eine Selbstverständlichkeit. Um diese mobile Flexibilität gewährleisten zu können, werden immer schnellere Lade- und Datenübertragungssysteme im Fahrzeug benötigt. USB Type-C-Schnittstellen sind hier der neue Standard.

Sie wollen USB-C ins Fahrzeug integrieren? Erfahren Sie hier alles Wissenswerte rund um das Thema USB Type-C, was Sie bei der Integration ins Fahrzeug beachten sollten und einen möglichen Lösungsansatz.

1. Nach A kommt C – die Vorteile von USB-C im Fahrzeug

USB-Schnittstellen sind heute ein absolutes Must-Have in Fahrzeugen. USB steht für „Universal Serial Bus“ und macht es möglich, eine Verbindung zwischen einem Computer und externen digitalen Geräten herzustellen. Mit Hilfe eines passenden Kabels ist es über diese USB-Schnittstellen möglich, auch im Fahrzeug Daten mobiler Endgeräte abzurufen. Zum Start waren das meist Musikdateien auf MP3-Playern, die so auch über die Musikanlage im Auto verwaltet und abgespielt werden konnten. Angenehmer Nebeneffekt: Die Geräte werden dabei auch gleich aufgeladen. Heute dient die USB-Verbindung vielfach auch dazu, Apps und Inhalte von Smartphones auf den großen Displays der Fahrzeuge anzuzeigen (Apple CarPlay, Android Auto, MirrorLink).

USB Type-C ist der neue Standard. Dieser bietet stark erweiterte Möglichkeiten im Vergleich zu seinem Vorgänger USB Type-A.

2. Stark erweiterte Möglichkeiten dank USB-C

Power Delivery

Neben den bereits etablierten Ladefunktionen von Apple, USB 2.0 und USB 2.0 BC 1.2 ermöglicht der neue Type-C-Standard zusätzlich eine USB Power Delivery (PD)-Ladefunktion bis zu 100 Watt. Des Weiteren unterstützt dieser Standard das USB PD 3.0 (PPS – Programmable Power Supply), bekannt als „fast charging“, das insbesondere bei neuen Generationen von Mobilfunkendgeräten eingesetzt wird.

Neue USB-Datenübertragungsprotokolle
USB Type-C profitiert zudem sehr stark von den neuen USB-Datenübertragungsprotokollen. Zusätzlich zur gängigen USB 2.0 Highspeed-Variante von 480 Mbit/s beinhaltet der neue Standard auch Protokolle wie USB 3.2 Gen1 SuperSpeed mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 5 Gbit/s und USB 3.2 Gen2 SuperSpeed+ mit einer Übertragungsrate von bis zu 10 Gbit/s.

USB Alternate Modes
Unterstützt werden auch USB Alternate Modes, die eine teils native Übertragung von Videosignalen wie HDMI, Display Port, MHL oder sogar Thunderbolt über USB Type-C-Adapter und -Leitungen ermöglichen.
Zur Übertragung muss beispielsweise eine Art Desktop-Mode-Funktion in der Software des mobilen Geräts integriert sein, die es erlaubt, eine externe Peripherie wie Monitor, Maus oder Tastatur mit dem Gerät zu verbinden und diese ähnlich einem PC zu bedienen. Speziell im Bereich des Rear-Seat-Entertainments ergeben sich dadurch zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten wie das Einrichten eines mobilen Arbeitsplatzes oder die Nutzung eines integrierten Displays für das optimale Kinofeeling.

3.Vorteile auf einen Blick

4. Herausforderungen bei der Integration ins Fahrzeug

Die Integration von USB Type-C-Modulen ins Fahrzeug geht mit einigen Herausforderungen einher.

Durch die erhöhte Ladeleistung von bis zu 100 Watt kommt es durch die Ladeelektronik bei der Verwendung von Standard-Lademodulen zu einer starken Hitzeentwicklung im Inneren der eingehausten Module. Um dieser Hitzeentwicklung entgegenzuwirken, könnte man das Volumen des Moduls vergrößern. Dieser Mehrbedarf an Bauraum ist jedoch in der Regel im Dashboard nicht vorhanden und ist deshalb zwischen den unterschiedlichen Entwicklungsabteilungen bei den OEMs immer heiß umkämpft.

5. Lösungsansatz

Eine abgesetzte Kundenschnittstelle wäre die ideale Lösung. Abgesetzt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Ladeelektronik aus dem Modul in eine zentrale Steuereinheit verlagert und die eigentliche Kundenschnittstelle (USB Type-C-Buchse) über ein eigens dafür entwickeltes Kabel angebunden wird. Somit könnte man den Bauraumbedarf im Dashboard drastisch verringern und die Abwärme an anderer Stelle abführen.

Hierbei ist man allerdings in der Länge der Übertragungsstrecke limitiert, da über die Leitungslänge ein gewisser Spannungsabfall auftritt, der von der Höhe des Stroms und dem Litzenquerschnitt abhängig ist. Dieser führt dazu, dass das USB-Signal zunehmend geschwächt wird und vielleicht an der Kundenschnittstelle nicht mehr der Norm entspricht.

6. Deswegen: „Finger weg von Billigkabeln“

Standard-Consumer Adapterleitungen sind aufgrund des geringen Querschnitts und des einfachen Leitungsaufbaus meist nur für Längen bis maximal 1 Meter ausgelegt.

Für längere Übertragungsstrecken bedarf es speziell dafür entwickelten Leitungen mit entsprechenden Litzenquerschnitten für hohe Ladeströme und hohe Datenraten. Solche Leitungen sind sowohl für die interne Verkabelung – von der Quelle bis zur Kundenschnittstelle, als auch für die externe Verkabelung – von der Kundenschnittstelle zum Verbrauchergerät, notwendig, da beide Kabelstrecken den gesamten Link ergeben.

Hierfür spezifiziert die USB.org für den kompletten Übertragungslink (Quelle zu Senke) einen maximalen Spannungsabfall von 250 mV, um ein einwandfreies Funktionieren der Signalübertragung sicherzustellen. Nur so kann die in den USB-Spezifikationen beschriebene Signalintegrität eingehalten werden.

Sobald diese nicht mehr sicher gewährleistet werden kann, kommt es schnell zu Fehlfunktionen in der Datenkommunikation bzw. zu einer Pseudo-Ladefunktion, bei der am Gerät zwar ein Ladevorgang angezeigt, der benötigte Ladestrom jedoch für ein vorschriftsgemäßes Laden nicht mehr zur Verfügung gestellt wird.

Mit einem solch optimierten System wäre es auch möglich über längere Strecken fahrzeuginterne Verkabelungen wie z. B. eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Steuergeräten oder abgesetzte Kundenschnittstellen für Daten- und Ladefunktionalitäten zu realisieren.

7. Fazit & Empfehlung

Um den neuesten Standards zu entsprechen, werden die Ladeströme mobiler Endgeräte in Zukunft immer weiter steigen. Die Stromversorgung mit 5 A bzw. bis zu 20 V, Datenraten weit über 1 Gbit/s und weitere Signalformen wie Alternate Modes bei gleichzeitig immer weniger Bauraum sind aktuelle Zielvorgaben.

Derzeit findet man kaum ein Stecksystem, welches beide Funktionalitäten in nur einer Leitung vereint.

Die intelligente Kombination eines etablierten Consumer-Steckers mit einer automotivtauglichen Gehäusekonstruktion ergibt ein USB-C-Stecksystem, das eine ideale Lösung für kommende Fahrzeuggenerationen darstellt.

Die hohen Anforderungen der Automobilindustrie und die immer höher werdenden Datenraten lassen im Normalfall keine „Billiglösungen“ zu. Daher auch hier die Devise: Nicht bei der Qualität sparen und lieber ein paar Cent mehr in die Auslegung eines neuen Systems investieren. Nur so kann eine dauerhaft einwandfrei funktionierende Datenstrecke gewährleistet werden.

Über Klaus Bramhofer

Klaus Bramhofer ist Senior Manager im Bereich Technical Product Management. Seine Mission ist es, MD als Lieferanten und Entwicklungspartner für Steckkomponenten im Automobilsektor aufzubauen. Mehr als 9 Jahre Branchenerfahrung machen ihn zu einem Experten auf diesem Gebiet. Nach seinem Einstieg als Application Engineer hat er in seiner Position als Manager Development Sensor Cables eine Entwicklungsabteilung aufgebaut und geführt. Neben dem engen Kontakt zu Kunden und dem Arbeiten in einem globalen Team schätzt er die damit einhergehenden interkulturellen Erfahrungen an seinem Job ganz besonders.