Elektromobilität stimuliert Nachfrage nach neuen Mikrocontrollern

| Autor / Redakteur: Andrew Birnie * / Thomas Kuther

Durch den Druck, den CO2-Ausstoß, werden Fahrzeuge mit E-Motoren ausgestattet, was wiederum den Bedarf an einem sicheren und energieeffizienten Management der Antriebsquellen erhöht.
Durch den Druck, den CO2-Ausstoß, werden Fahrzeuge mit E-Motoren ausgestattet, was wiederum den Bedarf an einem sicheren und energieeffizienten Management der Antriebsquellen erhöht. (Bild: EV Momentum)

Die Nachfrage nach Mikrocontrollern nimmt durch die Elektromobilität zu. Doch um den Anforderungen der in Elektrofahrzeugen eingesetzten Architekturen gerecht zu werden, müssen Innovationen auf dem Gebiet der Mikrocontroller rascher umgesetzt werden.

Der Trend zur Elektrifizierung unserer Fahrzeuge nimmt unter dem Druck von gesetzlichen Vorgaben und sozialer Verantwortung weiter an Fahrt auf. Um den Anforderungen der in Elektrofahrzeugen eingesetzten Architekturen gerecht zu werden, müssen Innovationen auf dem Gebiet der Mikrocontroller rascher umgesetzt werden. Insbesondere gilt es, die Rechenleistung für mathematisch intensive Funktionen zu erhöhen und neue Funktionen wie Virtualisierung zu ermöglichen. Darüber dürfen natürlich die traditionellen Charakteristika der Automobiltechnik wie Zuverlässigkeit, Funktionale Sicherheit und Schutzfunktionen nicht vernachlässigt werden.

Seit Jahren verabschieden staatliche Behörden immer strengere Vorgaben zum CO2-Ausstoß von Fahrzeugen. In jüngster Zeit jedoch wird dieses Ziel noch ehrgeiziger verfolgt, was den Trend zur Elektrifizierung von Fahrzeugen weiter beschleunigt. China, der weltweit größte Absatzmarkt für Autos, hat vor kurzem dafür plädiert, mit fossilen Brennstoffen angetriebene Fahrzeuge vollständig zu verbieten. Frankreich und Großbritannien peilen ihren Ausstieg bis 2040 an. In Norwegen sollen ab 2025 nur noch emissionsfreie Pkw verkauft werden dürfen, und Indien drängt darauf, ab 2030 nur noch Elektroautos zuzulassen. Und das sind sicher nur die ersten der zahlreichen neuen Ankündigungen und Verordnungen, die wir bald auf der ganzen Welt sehen werden.

Das Dilemma geht aber weit über die Nutzung fossiler Brennstoffe und die daraus resultierenden CO2-Emissionen hinaus. NOx-Emissionen und Feinstaub, die von Hochleistungs-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung, gleich ob Diesel oder Benziner, verursacht werden, sind ein großes Gesundheitsproblem. Gerade für städtische Räume wird dies nicht mehr akzeptiert, und so werden rigorose Vorschriften in Kraft gesetzt – überall werden Umweltzonen oder sogar Fahrverbotszonen eingerichtet.

Doch die Elektrifizierung ist derzeit nicht der einzige Trend in der Welt des Automobils – darüber hinaus werden Forderungen nach einem höheren Grad an Vernetzung und Autonomie bei gleichzeitiger Steigerung der Sicherheit laut. Diese Entwicklungen führen dazu, dass Daten zwischen den Steuergeräten im Fahrzeug mit hoher Bandbreite und geringen Latenzzeiten ausgetauscht werden müssen. Die bisherige Architektur von Elektrik und Elektronik wird zu einer von Domänen-Controllern geprägten Architektur weiterentwickelt. Jeder Funktionsbereich wird in ein eigenes, in sich zusammenspielendes Teilnetz gegliedert, wobei aus Fahrzeugsicht ein Domänen-Controller als Zugangspunkt fungiert. Das Prinzip der Domänenkontrolle ist eine Philosophie und kein elektronisches Steuergerät. Jeder Controller in der Hierarchie leistet seinen Beitrag, um die Funktionalität der Domäne zu implementieren, und jeder Controller kann geeignete Entscheidungen im Sinne der Domäne treffen. Früher gab es ein elektronisches Steuergerät für jede Funktion, und der Datenaustausch zwischen den Baugruppen funktionierte nur mit geringer Geschwindigkeit. Die Domänenarchitektur dagegen verfolgt einen ganzheitlichen, auf Effizienz ausgerichteten Ansatz auf Systemebene, es werden weniger Steuergeräte und weniger Kabelverbindungen benötigt.

Für das Thema der Elektrifizierung spielt die Antriebsdomäne die wichtigste Rolle. Mit dem Anteil des Elektromotors am Gesamtdrehmoment des Fahrzeugs ergeben sich drei Herausforderungen für die Steuerung:

  • Wo soll aktuell das Drehmoment herkommen?
  • Wie kontrolliert man die Stabilität des Fahrzeugs mit mehreren Antriebsquellen am besten?
  • Wie nutzt man die in der Batterie gespeicherte (begrenzte) Energie optimal?

Und aus diesen Punkten folgt wiederum:

  • Tritt der Fahrer eines Hybridfahrzeugs (PHEV) aufs Gaspedal, so muss das Fahrzeug zuallererst entscheiden, ob das benötigte Drehmoment vom Verbrennungsmotor oder vom Elektromotor kommen soll, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Um diese Entscheidung zu treffen, muss der Controller den Ladezustand der Batterie kennen. Aber das ist eine Entscheidung aus dem Augenblick heraus, und sie basiert auf begrenzten Informationen. Würde der Controller die geplante Wegstrecke, das Verkehrsaufkommen oder das Gefälle der vorausliegenden Straßen kennen, um damit Bremsenergie in die Batterie zurück zu speisen, so könnte er die gesamte Fahrt über den Antriebsmodus intelligenter und energieeffizienter wählen. Ähnlich verhält es sich, wenn der Fahrer auf die Bremse tritt – sollte das Fahrzeug die Bremsenergie rekuperieren oder die klassischen Scheibenbremsen betätigen?
  • Verfügt ein Auto über mehrere Antriebsquellen – und das vielleicht auch noch auf unterschiedlichen Achsen, so gestaltet sich die Stabilitätskontrolle schwieriger. Da sich die Räder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, werden deren Kontrolle und rasche Reaktionen auf sicherheitsrelevante Ereignisse zu kritischen Punkten. Die Stabilität des Fahrzeugs steht auf dem Spiel, und so werden Fahrwerks- und Bremskontrolle oft innerhalb der Antriebs-Domäne kombiniert, um eine bessere Steuerung zu ermöglichen. Die Überwachung einzelner Systemkomponenten reicht nicht mehr aus. Die Domäne muss auch die Interaktion und die Wirkung auf das Fahrzeug überwachen. Wenn dann etwas schiefgeht, z.B. sich das Fahrzeug zu sehr neigt, dann hat das System nur wenige Millisekunden für eine Reaktion zur Verfügung, beispielsweise um einen Motor abzuschalten. Natürlich bietet das so genannte Drehmoment-Vectoring auch Vorteile, es kann einen Beitrag zu ADAS-Funktionen wie einem Spurhalteassistenten leisten und das Handling des Fahrzeugs verbessern, aber es muss kontrolliert werden.
  • Liegt den Entscheidungen für die Antriebsquelle mehr Kontext zugrunde, können diese energieoptimierter getroffen werden. Das Beispiel, Fahrtstreckeninformationen für Berechnungen zu nutzen, war bereits erwähnt worden. Darüber hinaus kann der Antriebsdomänen-Controller mit GPS-Daten und den Daten aus der Frontkamera Funktionen wie vorausschauende Start-/Stoppentscheidungen treffen und die richtige Getriebeeinstellung vornehmen. Das Verhalten des Fahrers hat die wohl größten Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Der Domänen-Controller kann den jeweiligen Fahrstil erlernen und weiß dann, wann und wie regenerativ gebremst werden soll. Eine Rekuperation kann nämlich nicht stattfinden, wenn die Verzögerung zu schnell erfolgt.

Für die Energieoptimierung ist es wichtig, dass der Antriebsdomänen-Controller ein leistungsstarker Knoten mit hoher Rechen- und Arithmetikleistung ist. Prädiktive Steuerungstechniken können eingesetzt werden, um die Effizienz von Verbrennungs- oder Elektromotor durch Kalman-Filter oder Zustandsraummodellierung zu verbessern. Die Entscheidung für die Drehmomenteinstellung kann durch die Verwendung einer Reihe von Fahrzeugdaten in Verbindung mit Crowd Sourcing der Daten anderer Verkehrsteilnehmer verbessert werden. Diese Daten können in rechenintensiven Steuerungsstrategien unter Ausnutzung maschinellen Lernens verwendet werden, um eine deutliche Steigerung der Fahrzeugeffizienz und damit der Reichweite zu erreichen. Studien haben gezeigt, dass Effizienzeinsparungen von bis zu 30% möglich sind, wenn man dem Domänen-Controller mehr vorausschauende Kontrolle ermöglicht.

Das Moore’sche Gesetz trifft Prognosen, wie schnell die Halbleiterbranche ihre Strukturgrößen schrumpfen kann, um die gewünschte Funktionalität und Leistung zu erreichen. Auf Automobil-MCUs trifft dieser Ansatz jedoch nur sehr bedingt zu. Die Verkleinerung der Strukturbreiten von CMOS-Logik hat sich bewährt, aber in Kombination mit den zusätzlichen Prozessschritten für nicht-flüchtigen Speicher und hochpräzise 5-V-Analog-und I/O-Funktionen wird dabei die Standardlogik beeinträchtigt. Monolithische Automotive-MCUs bleiben daher bei Leistung und Funktionalität tendenziell deutlich hinter den Prognosen des Moore‘schen Gesetzes zurück. Die Komplexität der Technologie bedingt darüber hinaus, dass die Automotive-MCUs in der Regel viel später verfügbar sind als der Prozess für Standard-CMOS-Komponenten. Bei Strukturgrößen von 40 nm beispielsweise hinkten integrierte monolithische Automotive-Bausteine den Standard-CMOS-Komponenten um etwa fünf Jahre hinterher. Für 28 nm wächst dieser Rückstand auf sieben Jahre. Angesichts der Abstriche, die eine vollintegrierte Technologie in Kauf nehmen muss, konnte die maximale Betriebsfrequenz mit schrumpfenden Geometrien nur geringfügig gesteigert werden. Um dennoch die geforderte Rechenleistung zu erreichen, packten die MCU-Hersteller mehrere Rechenkern-Instanzen auf den Chip, das heißt Architekturen mit sechs, acht, zehn und mehr Rechenkernen. Dieser Multi-Core-Ansatz führt jedoch zu Herausforderungen für die Software-Architektur, und nach dem Amdahl’schen Gesetz kann man durch eine Erhöhung der Rechenkern-Anzahl nur begrenzt profitieren, weil es nicht möglich ist, das System in gleichem Maße zu parallelisieren.

NXP hat sich entschieden, einen innovativen Ansatz zu verfolgen, um das Paradigma der Leistungseinbußen durch die Integration von Flashspeicher und 5-V-Analogfunktionen auf einem CMOS-Baustein zu brechen. Das Konzept besteht darin, die MCU in ihre grundlegenden Funktionen aufzusplitten. Für jeden einzelnen Funktionsblock wird eine optimale Prozesstechnik genutzt, und dann werden die separaten Chips über patentierte Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen zu einem System-in-Package zusammengefasst. Von außen ist nicht zu erkennen, dass es sich um drei Chips handelt – alles sieht so aus, verhält sich so und funktioniert genauso wie eine traditionelle MCU, aber mit der vollen Leistung des zugrunde liegenden CMOS-Prozesses.

Das Silizium für das erste Beispiel liegt bereits vor – der S32S247TV von NXP kombiniert acht, auf einer 16-nm-Technologie gefertigte Arm R52-Kerne, eine 55-nm-Analog-/Timer-Applikationserweiterung und einen Flashspeicher-Chip, der von einem Partnerunternehmen stammt. Die neue Komponente hat sich als hoch funktional erwiesen, innerhalb einer Woche konnten damit Motoren zum Laufen gebracht werden. Vier im Lockstep-Betrieb arbeitende Rechenkern-Paare sorgen für einen Leistungsdurchsatz von insgesamt 6600 DMIPs, und die Rechenkerne nehmen bei Zimmertemperatur nur 1 W Leistung auf.

Ein weiterer Vorteil des SIP-Konzepts ist die Geschwindigkeit, mit der ein Produktportfolio aufgebaut werden kann. Das erfolgt über die Integration neuer Anwendungserweiterungen und größerer Flashspeicher-Chips, mit denen man zukünftige Code-Erweiterungen und OTA (Over-the-Air)-Anforderungen abdecken kann, ohne dass mit hohen Kosten eine neue monolithische MCU entwickelt werden muss.

Oben wurden die Vorteile eines leistungsfähigen Domänen-Controllers für die Energieoptimierung detailliert beschrieben. Das andere Hauptargument ist die Konsolidierung von Steuergeräten – mehrere separate Steuergeräte von heute werden zu einem multifunktionalen Steuergerät zusammengeführt. In der Antriebsdomäne gibt es mehrere Steuergeräte, aber mit einem leistungsstarken ASIL-D-Domänen-Controller ist es möglich, Funktionen innerhalb der Domäne zu konsolidieren.

Die Entscheidung, welche Steuergeräte kombiniert werden sollen, hängt von einer komplexen Matrix ab, in welche die Fahrzeugkonfiguration, Überlegungen zur Skalierbarkeit der Flotte, die Expertise der beteiligten Zulieferer und die physikalischen Effekte am Installationsort im Fahrzeug einfließen. Die Möglichkeiten sind endlos, aber zu den führenden Kandidaten gehören:

  • Die Konsolidierung könnte sich auf die Echtzeit-xEV-Funktionen konzentrieren – Wechselrichter, BMS, Spannungswandler und möglicherweise auch auf den Antriebsdomänen-Controller.
  • Die Konsolidierung könnte die Elemente für das Drehmoment-Management betreffen wie Verbrennungsmotor, Wechselrichter und Getriebe.
  • Oder vielleicht dient der Antriebsdomänen-Controller als Ausgangspunkt, wobei der Fokus auf der Energieoptimierung liegt, und Echtzeitfunktionen werden nur dann hinzugefügt, wenn "freie" Rechenleistung zur Verfügung steht, z.B. für BMS, Wechselrichter, Fahrwerks- und Getriebesteuerung.

Eines der Merkmale der Domänen-Controller-Philosophie ist das Konzept der Entscheidungsfindung im Sinne der Domäne. Das heißt, dass nicht jede Entscheidung ausschließlich dem Domänen-Controller übergeben wird. Umgekehrt gibt es in jeder Domäne Aufgaben oder Funktionen, die überall ausgeführt werden können, solange der Knoten Zugriff auf die Daten hat. Für diese ist der Domänen-Controller der natürliche Ort, er ist schließlich der Hub und sieht die meisten domänenbezogenen Daten.

Die Konsolidierung von Steuergeräten kann nicht effizient ohne Virtualisierungstechniken wie einem Hypervisor erfolgen. Ein solcher ermöglicht die Separation von Aufgaben innerhalb einer MCU in virtuelle Maschinen (VMs), indem er eine Methode zur Zuweisung und Reservierung von Ressourcen (z.B. Speicher, Kommunikation, Timer etc.) für jede Aufgabe vorgibt und somit Konfliktfreiheit garantiert. Dies ist bei solchen konsolidierten Steuergeräten besonders wichtig, da die meisten Aufgaben oder Funktionen sicherheitskritisch sind und möglicherweise von verschiedenen Softwareentwicklungsteams oder gar von verschiedenen Unternehmen entwickelt wurden. Durch die Virtualisierung können auch einzelne fehlerhafte Aufgaben zurückgesetzt werden, ohne andere Aufgaben auf dem Gerät zu beeinträchtigen. Wo es eine gemeinsame Ressource gibt, z.B. Ethernet, HSE oder EEPROM, verwaltet die Hypervisor-Software den Zeitplan und die Priorität des Zugriffs. Die Virtualisierung ist nicht neu, sie gibt es schon seit vielen Jahren auf PCs und Applikations-Prozessoren, aber jetzt hält sie auch in Echtzeit-Embedded-Mikrocontroller Einzug. Mit Hardware-Support-Mechanismen (z.B. Dual-Level-MPU, VM-ID-Zuweisung, VM-bewusste System-Level MPU, etc.) ist eine Virtualisierung mit minimalem Software-Overhead und damit ohne Beeinträchtigung der Echtzeit-Rechenleistung umsetzbar.

Durch den Druck, den CO2-Ausstoß und die Luftverschmutzung zu senken, werden Fahrzeuge mit Elektromotoren ausgestattet, was wiederum den Bedarf an einem sicheren und energieeffizienten Management der Antriebsquellen erhöht. Um die vom Markt geforderte Funktionalität zu erreichen, bewegt sich die Fahrzeugarchitektur in Richtung Domänen-Kontrolle, und hier können traditionelle MCU-Konzepte nicht mehr Schritt halten. Für die Integration von Funktionen innerhalb einer Antriebsdomäne müssen der Echtzeit-Rechenleistung, den Sicherheits- und Schutzfunktionen sowie der Virtualisierung innerhalb der MCU neue Dimensionen eröffnet werden – und will man eine entsprechende MCU realisieren, dann sind innovative Ansätze gefragt.

* Andrew Birnie arbeitet als Systemingenieur für Automotive-Mikrocontroller und -Prozessoren bei NXP.

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