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Systementwicklung

Wie Autos dank Mikrocontroller immer schadstoffärmer werden

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Auf besondere Weise eingebundene CAN-Schnittstellen

Um beide Methoden optimal zu unterstützen, hat Renesas bei der F1x-Serie die CAN-Schnittstellen auf besondere Weise eingebunden. Diese Implementierung erlaubt es, CAN-Nachrichten auch im Ruhezustand des Controllers zu empfangen und auszuwerten. Dies ist gleichzeitig mit einer sehr kurzen Aufweckzeit für den Controller verbunden. Dadurch kann im Bedarfsfall im Pretended-Network-Betrieb auf Nachrichten ohne Verzögerung reagiert werden und das Modul wird im gesamten Fahrzeugverbund immer als aktiv gesehen, obwohl der Stromverbrauch um fast 95% reduziert wurde.

Beim Partial Networking kann mit derselben Implementierung das Modul mit verkürzter Aufweckzeit auf eine Botschaft zum Verlassen des Ruhezustands reagieren. Durch die verkürzte Aufweckzeit lässt sich auch der Ruhezustand deutlich häufiger und länger einschalten. Da beim RH850 diese Funktionalität schon im Controller implementiert ist, kann auf den Einsatz des teuren Transceivers verzichtet werden, was sich positiv auf die Systemkosten auswirkt.

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Low Power Sampler für zyklische Abfragen im Ruhemodus

Alle bisher beschriebenen Maßnahmen tragen dazu bei, die Leistungsaufnahme für Elektronikmodule im Fahrzeug zu reduzieren und damit den Verbrauch während der Fahrt zu senken. Aber auch bei einem abgeschalteten Fahrzeug sind heute immer mehr Steuergeräte in Bereitschaft und verbrauchen damit Energie. Als einfachstes Modul ist hier die Uhr im Fahrzeug zu nennen.

Aber auch die Systeme für das schlüssellose Öffnen des Fahrzeugs müssen ununterbrochen die Umgebung des Fahrzeugs überprüfen, ob sich ein Funkschlüssel nähert und dieser auch zum Fahrzeug gehört. Die Energie, die diese Module verbrauchen, muss im Fahrbetrieb wieder in die Batterie geladen werden und ist somit auch am Kraftstoffverbrauch beteiligt. Da in modernen Fahrzeugen bis zu 40 Steuergräte im geparkten Fahrzeug arbeiten, ist es notwendig, auch diese Betriebszustände zu optimieren.

Per Software konfigurierbare State Machine

Renesas hat dafür ein spezielles Hardwaremodul integriert, den Low Power Sampler. Diese Einheit besteht im Wesentlichen aus einer State Machine, die per Software konfiguriert wird. Sie sorgt dafür, dass im Ruhezustand in regelmäßigen, einstellbaren Abständen eine definierte Anzahl von analogen und digitalen Signalen eingelesen und mit Sollwerten verglichen wird. Sobald diese Werte nicht mehr übereinstimmen, wacht der gesamte Controller auf und das Modul ist aktiv.

Da für den Überwachungsbetrieb die CPU gar nicht benötigt wird, ist bei einem Überwachungszyklus mit einer Standardzeit von 50 ms ein Stromverbrauch von 40 µA realisierbar und liegt damit weit unterhalb jeder anderen verfügbaren Implementierung im Markt. Der Betriebsmodus mit dem Low Power Sampler lässt sich zusätzlich mit einem besonderen Arbeitsmodus der CPU verknüpfen, bei dem dann Nachrichten, zum Beispiel über den LIN-Bus, gesendet und empfangen werden. Mit dieser Kombination lässt sich auch für einen solchen, relativ üblichen Betriebsfall ein Ruhestromverbrauch realisieren, der weit unterhalb bisheriger Lösungen liegt.

Energieeffizienz und Optimierung der Systemkosten

Mit den beschriebenen Maßnahmen ist es Renesas gelungen, eine Produktfamilie zu entwickeln, die den hohen Anforderungen an die Reduktion der Leistungsaufnahme Rechnung trägt und gleichzeitig die Systemkosten optimiert. Die eingesetzte 40-nm-Technologie erlaubt es, Controller mit großem Flashspeicher kostengünstig zu realisieren und gleichzeitig den Stromverbrauch, der üblicherweise bei kleineren Technologien zunimmt, deutlich zu senken.

Die Vielzahl an Power-Modi und die besondere Taktversorgung des CPU-Cores bieten die Möglichkeit, im Betrieb die Leistungsaufnahme jederzeit zu optimieren und den Anforderungen an das Steuergerät anzupassen. Neue Netzwerklösungen wie Pretended- oder Partial-Networking unterstützt der Controller direkt. Dies sorgt für die bestmögliche und gleichzeitig auch für eine kostengünstige Realisierung. Mit der Entwicklung und Implementierung des Low Power Sampler bietet Renesas darüber hinaus eine Lösung, die den Energiebedarf im Ruhezustand weit unter bisher erreichbare Werte reduziert.

Controllerfamilie für Body, Chassis und vieles mehr

Als Ergebnis dieses Gesamtkonzepts hat Renesas eine Controllerfamilie entwickelt, die nicht nur im Body-Bereich sondern auch in vielen anderen Applikationsbereichen, wie Chassis oder Car Audio, ihre Anwendung finden. Renesas leistet hiermit einen entscheidenden Beitrag, den Kraftstoffverbrauch und in Folge auch den CO2-Ausstoß zukünftiger Fahrzeuge zu senken.

* Markus Vomfelde ist Mitarbeiter der Automotive Business Group, Renesas Electronics Europe.

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