Die neu entwickelte Technologie ist ein intelligentes Motor-Timer-System (IMTS), ein spezieller Schaltungsbaustein, der in Mikrocontroller (MCUs) für Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybridfahrzeuge (HEVs) der nächsten Generation integriert werden kann. Es führt feldorientierte Steuerungsoperationen (Anmerkung 1), die für die Motorsteuerung von Elektrofahrzeugen unerlässlich sind, in nur 0,8 Mikrosekunden (µs) durch – der weltweit schnellsten Geschwindigkeit (Anmerkung 2). Dies entspricht weniger als einem Zehntel der Verarbeitungszeit der Implementierungssoftware auf einer CPU mit derselben Betriebsfrequenz. Dadurch wird die Realisierung von Hochgeschwindigkeits-Elektrofahrzeugmotoren der nächsten Generation mit exzellenter Energieeffizienz und Wechselrichtersystemen mit hoher Schaltgeschwindigkeit zur deren Stromversorgung ermöglicht.
Darüber hinaus ermöglicht die einzigartige Schaltung auch die für den Bereich der Automobilantriebe erforderliche funktionale Sicherheitsunterstützung.
Angesichts der in den letzten Jahren immer strengeren Anforderungen an die Kraftstoffeffizienz machen Elektrofahrzeuge (EVs), Elektro-8-Fahrzeuge (EV-8) und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) einen wachsenden Anteil der gesamten Fahrzeugproduktion aus. Um die Reichweite dieser Fahrzeuge zu erhöhen, ist es notwendig, die Energieeffizienz des Motorsteuerungssystems zu verbessern.
Um dies zu erreichen, ist es wichtig, nicht nur die Motoren selbst mechanisch zu verbessern, sondern auch die Funktionen und die Leistung der sie steuernden elektronischen Steuergeräte (ECUs) zu optimieren. Steuergeräte, die Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-in-Hybride der nächsten Generation unterstützen, benötigen fortschrittliche Funktionen und komplexe Steuerungssoftware. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Rechenlast der in diesen Steuergeräten verwendeten Mikrocontroller (MCUs). Gleichzeitig müssen die MCUs im Automobilbereich die Wärmeentwicklung minimieren, um in Umgebungen mit hohen Temperaturen eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Daher muss die Betriebsfrequenz der internen Schaltkreise des MCUs, einschließlich der CPU-Kerne, relativ niedrig gehalten werden, was eine Leistungssteigerung erschwert.Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, implementierte Renesas den IMTS als dedizierten Schaltungsblock für statische Prozesse, die eine hohe Reaktionsfähigkeit erfordern, wie z. B. die Erfassung von Sensordaten, die Berechnung von Steuerwerten auf Basis dieser Daten und die Ausgabe dieser Werte. Der IMTS ist CPU-unabhängig und kann autonom arbeiten, wodurch die CPU-Last des Motorsteuerungs-Mikrocontrollers erheblich reduziert wird. Die dadurch freiwerdende CPU-Kapazität kann anschließend für fortschrittliche Motorsteuerungsalgorithmen genutzt werden, die die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen, Fahrzeugen mit Hybridantrieb und Plug-in-Hybridfahrzeugen der nächsten Generation steigern sollen.
Hauptmerkmale der neu entwickelten, dedizierten Motorsteuerungsschaltungstechnologie:
1) Entwicklung eines speziellen Schaltungsblocks für die statische Motorsteuerung und einer Schaltungstechnik, die einen autonomen Betrieb ermöglicht.
Die Motorsteuerung erfordert eine Reihe statischer Verarbeitungsschritte mit feldorientierten Regelungsoperationen. Während jeder Regelperiode erfasst der interne Timer des Mikrocontrollers (MCU) die Strom- und Winkelwerte des Motors. Diese Werte bestimmen die Regelwerte für die nächste Regelperiode. Das resultierende PWM-Ausgangssignal (Anmerkung 3) wird anschließend auf Basis dieser Regelwerte generiert. Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Motorsteuerungsarten kann die resultierende Rechenlast bis zu ca. 90 % der CPU-Kapazität (Anmerkung 4) eines Renesas 40-Nanometer-320-MHz-Automobil-Mikrocontrollers beanspruchen. Der neu entwickelte IMTS ist ein dedizierter Schaltungsblock für diese rechenintensiven feldorientierten Regelungsoperationen. Er ist eng mit einem dedizierten Motorsteuerungs-Timer verbunden. Dadurch entsteht ein System, in dem die Verarbeitungssequenz während jeder vom Timer gesteuerten Regelperiode – von der Erfassung der Strom- und Winkelwerte bis zur PWM-Signalausgabe – autonom und unabhängig von der CPU abläuft.
Dies bedeutet, dass die gesamte CPU-Last, die zuvor für die oben beschriebene Verarbeitung erforderlich war, entfällt, und die so freigewordene CPU-Kapazität kann für Software genutzt werden, die fortschrittliche Steuerungsalgorithmen zur Steigerung der Energieeffizienz enthält.
Durch die Bereitstellung einer dedizierten Schaltung für die Verarbeitung feldorientierter Steuerungsoperationen reduziert IMTS die Verarbeitungszeit auf 0,8 μs, was weniger als einem Zehntel der CPU-basierten Softwareimplementierung entspricht. Die Verarbeitungsleistung dieser neuen Technologie ist ausreichend, um die Anforderungen der Hochgeschwindigkeits-Wechselrichtersteuerung (Leistungsbeispiel: 100 kHz Schaltfrequenz, 10 μs Steuerperiode) mit Leistungshalbleitern aus neuartigen Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) zu erfüllen, die für die nächste Generation der Elektrofahrzeugmotorsteuerung von Bedeutung sind.
2) Entwicklung von Schaltungstechnologien, die die für die Leistungssteuerung erforderliche funktionale Sicherheit gewährleisten.
Das Getriebesteuerungssystem muss die funktionale Sicherheit gewährleisten, sodass es im Fehlerfall einer Komponente dies erkennt und automatisch in einen sicheren Zustand wechselt. Dies wird üblicherweise durch den Einsatz zweier Mikrocontroller (MCUs) zur Systemredundanz oder durch einen einzelnen Mikrocontroller mit redundanter interner Schaltung erreicht, was jedoch relativ hohe Kosten verursachen kann.
Die entwickelte Technologie nutzt einen Mikrocontroller mit zwei CPUs in Dual-Core-Lockstep-Konfiguration, der den internen Betrieb der IMTS-Schaltung regelmäßig überwacht. Dieser Ansatz senkt die Kosten und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Steuerungsgeschwindigkeit und funktionale Sicherheit. Die funktionale Sicherheit beansprucht zwar die CPU, in der Praxis jedoch schätzungsweise nur 2,4 Prozent (Anmerkung 5) ihrer gesamten Verarbeitungskapazität.
3) Entwicklung von Schaltungstechnik zur flexiblen Fehlerkorrektur externer Sensorsignale.
Für die Herstellung eines hochpräzisen Mikrocontrollers mit hochgenauer Signalverarbeitung ist die Erfassung hochpräziser Sensorsignalwerte unerlässlich. Fehler aus verschiedenen Quellen, wie z. B. der Sensormontageposition, sind jedoch unvermeidbar. Das entwickelte IMTS verfügt über eine Konfiguration, die eine Echtzeit-Fehlerkorrektur mittels benutzerdefinierter Software ermöglicht. Darüber hinaus führt das IMTS diese Verarbeitung autonom durch, sodass die Korrektur die CPU nicht belastet. Die korrigierten Sensorsignalwerte werden für die Motorsteuerung verwendet, was zu einer präziseren Signalverarbeitung und einer verbesserten Energieeffizienz beim Motorbetrieb führt.
Renesas testet einen Prototyp eines 40-nm-Mikrocontrollers mit integriertem Flash-Speicher, der neue Technologien nutzt. Zur Bestätigung seiner Funktionsfähigkeit im realen Einsatz wird ein reales Motorantriebssystem verwendet. Ziel von Renesas ist es, mit dieser speziellen Motorsteuerungstechnologie zur Entwicklung energieeffizienterer Steuergeräte für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-in-Hybride beizutragen.
Anmerkung 1: Feldorientierte Regelungsoperationen sind eine grundlegende Verarbeitungsmethode, die in der Motorsteuerung weit verbreitet ist. Dabei werden komplexe Berechnungen, einschließlich trigonometrischer Funktionen, zur Koordinatenumwandlung verwendet, um Gleichstromsignale zu erzeugen, die die vorgegebenen Steuerwerte genauer annähern.
Anmerkung 2: Stand: 7. Februar 2017, basierend auf einer Studie von Renesas.
Anmerkung 3: PWM steht für Pulsweitenmodulation. Es handelt sich um die Art von Pulssignalen, die zur Ansteuerung eines externen Leistungsgeräts mithilfe eines Mikrocontrollers verwendet werden.
Anmerkung 4: Systeme der nächsten Generation benötigen voraussichtlich eine Motor-Timer-Regelperiode von 12,5 µs. Der berechnete Wert für die CPU-Last basiert auf der Annahme, dass während jeder Regelperiode zwei Motorsteuerungsoperationen (z. B. für die Motoren der Vorder- und Hinterräder) gleichzeitig erfolgen.
Anmerkung 5: Der berechnete Wert für die CPU-Last basiert auf einem Anwendungsfall, in dem Fehler innerhalb einer einzelnen Umdrehung bei einer Motordrehzahl von 100.000 U/min erkannt werden.
