Multi-Core-MCUs

Wie sich die Stromaufnahme im Automobil senken lässt

| Autor / Redakteur: Andy Birnie * / Thomas Kuther

Ein modernes Auto: Die ständig steigende Zahl an ECUs an Bord braucht immer mehr Energie
Ein modernes Auto: Die ständig steigende Zahl an ECUs an Bord braucht immer mehr Energie (Bild: Freescale)

Immer mehr Funktionen im Auto brauchen immer mehr Strom. Wir verraten Ihnen drei Möglichkeiten, mit denen Sie diesen vermehrten Leistungshunger in den Griff bekommen.

Elektronische Fahrzeugsysteme sorgen für immer mehr Sicherheit für Fahrer und Beifahrer und gleichzeitig für eine Verbesserung des Umweltverhaltens unserer Autos. Der Anteil an Software im Fahrzeug erlebt immer neue Höhenflüge – nach 2011 veröffentlichten Schätzungen der Marktforscher von Frost & Sullivan würden Autos schon in naher Zukunft 200 bis 300 Mio. Zeilen Softwarecode benötigen.

In Fahrzeugen der Oberklasse gibt es schon heute bis zu 100 elektronische Steuergeräte (ECUs), die alle elektronischen Funktionen des Fahrzeugs koordinieren, vom elektrischen Schiebedach über die automatische Niveauregulierung der Scheinwerfer und Regensensoren bis hin zur Motorsteuerung (Bild 1).

Bild 1: Die Anzahl der in Automobilen verbauten ECUs steigt ständig weiter an.
Bild 1: Die Anzahl der in Automobilen verbauten ECUs steigt ständig weiter an. (Bild: Freescale)

Mit wachsender Anzahl von ECUs im Auto steigt allerdings auch die Stromaufnahme des Fahrzeugs – und diese Energie ist definitiv nicht kostenlos zu haben. In der Tat lässt sie sich direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren: 100 W elektrischer Leistung entsprechen 0,1 l/100 km. Bezieht man darüber hinaus das Fahrzeuggewicht in die Rechnung mit ein, so entsprechen 50 kg Gewicht ebenfalls 0,1/100 km. Beide Faktoren unterstreichen, warum eine Reduktion des elektrischen Energieverbrauchs, des Gewichts der ECUs und der elektrischen Infrastruktur notwendig ist, wenn man den Kraftstoffverbrauch minimieren möchte. Zieht man andere Faktoren wie gesetzliche Vorgaben und den Wunsch nach einer höheren Reichweite von Elektrofahrzeugen in Betracht, so ist der Stromverbrauch ganz klar ein kritischer Aspekt bei der Entwicklung moderner Autos. Ein Blick auf die langfristige Entwicklung der Kraftstoffpreise unterstreicht die riesige Dimension dieses Problems (Bild 2).

Bild 2: Die langfristige Entwicklung der Kraftstoffpreise
Bild 2: Die langfristige Entwicklung der Kraftstoffpreise (Quelle: UK Department of Energy & Climate Change)

ECUs sind heute über das ganze Fahrzeug verstreut, in Domänen gruppiert und über einen oder mehrere Systembusse wie CAN, LIN und FlexRay vernetzt. In Zukunft werden die Netzwerkarchitekturen in Fahrzeugen aus hoch integrierten Domänen-Controllern bestehen, die über schnellere Bussysteme wie Ethernet vernetzt werden.

Bild 3: Beispiel für ein künftiges Fahrzeugnetzwerk, das in separate Applikationsdomänen mit entsprechenden Domänencontrollern aufgesplittet wird.
Bild 3: Beispiel für ein künftiges Fahrzeugnetzwerk, das in separate Applikationsdomänen mit entsprechenden Domänencontrollern aufgesplittet wird. (Bild: Freescale)

Bild 3 zeigt ein Beispiel für ein künftiges Fahrzeugnetzwerk, das in separate Applikationsdomänen mit entsprechenden Domänencontrollern aufgesplittet wird. Diese Controller erfordern neben einer enormen Rechenleistung gutes Echtzeitverhalten und passende Kommunikationsperipherie.

Es gibt drei Möglichkeiten, um die Stromaufnahme im Auto zu senken:

  • Reduzieren der Anzahl von ECUs,
  • Senken der MCU-Stromaufnahme und
  • Energieverbrauch im Netz redzuieren.

Zentrale ECUs bedienen mehrere Applikationen

Die Anzahl der im Fahrzeug verwendeten ECUs lässt sich reduzieren, wenn nicht für jede Fahrzeugfunktion eine eigene ECU verwendet wird, wobei die zentralen ECUs aber auch heute schon mehrere Applikationen bedienen. Dies trägt darüber hinaus dazu bei, Fahrzeugoptionen kosteneffizient zu realisieren und in einer komplexen Fertigungsumgebung besser einzubinden, indem die entsprechenden Funktionen auf einer durchgängigen Hardwareplattform per Software freigeschaltet werden.

Die Unterstützung mehrerer Applikationen auf einer einzigen Architektur läuft fast zwangsweise auf ein Multi-Core-Konzept mit entsprechendem Funktionsumfang hinaus. Ein hohes Maß an Separation und Isolation zwischen unterschiedlichen Rechenkernen und den zugehörigen Ressourcen erlaubt eine Isolation auf Applikationsebene. Das bedeutet, dass es möglich ist, einige Ressourcen der MCU, beispielsweise einen Rechenkern, Teile der Peripherie und des Speichers, einer Anwendung zuzuordnen, während ein anderer Kern mit seinem eigenen Peripherie- und Speicher-Subset für eine völlig andere Anwendung herangezogen wird.

Bild 4: Einige der Funktionen, die ein hohes Maß an Isolation für einzelne Applikationen ermöglichen.
Bild 4: Einige der Funktionen, die ein hohes Maß an Isolation für einzelne Applikationen ermöglichen. (Bild: Freescale)

Ein weiterer positiver Nebeneffekt einer solchen Isolation von Anwendungen ist die Sicherheit, die sie dem Softwareintegrator bietet. Er kann Softwareroutinen von mehreren externen Entwicklern einbinden und weiß von vorneherein, dass diese voneinander unabhängig und autonom laufen werden. Die Architektur in Bild 4 zeigt einige der Funktionen, die ein derart hohes Maß an Isolation für einzelne Applikationen ermöglichen.

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