Die Anforderungen an Antriebssteuerungen wachsen.

Die Anforderungen an Antriebssteuerungen wachsen. Bosch

Laut Strategy Analytics werden trotz der hohen Aufmerksamkeit, die Elektro- und Hybridfahrzeuge erhalten Fahrzeuge mit herkömmlichen Benzin- oder Dieselmotoren für viele weitere Jahre den größten Marktanteil haben. Die Marktforscher erwarten, dass im Jahr 2023 ungefähr 85 % der weltweiten Kleinfahrzeugproduktion über einen herkömmlichen Antrieb verfügen.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Anforderungen an die Antriebssteuerung bei diesen Fahrzeugen nicht verändern. Fahrzeughersteller und deren Zulieferer sehen sich immer enger gefassten Regelungen zu Benzinverbrauch und Abgasemissionen gegenüber. Dies war bereits vor dem aktuellen „Dieselgate”-Skandal so, und der Druck nimmt immer weiter zu.

Das Ergebnis sind höhere Anforderungen an komplexere Abgasnachbehandlungstechnologien und die Nachrüstung von Fahrzeugen mit diesen Technologien. Damit diese Systeme korrekt funktionieren, ist eine komplexere Antriebssteuerung erforderlich.

Ebenso wie die veränderte Abgasnachbehandlung werden auch die Strategien für die Antriebssteuerung immer komplexer. Das liegt auch am verstärkten Einsatz modellbasierter statt einfacherer, kennfeldbasierter Technologien. Der Wechsel zu einer modellbasierten Steuerung bringt in der Regel höhere Anforderungen an die Rechenleistung mit sich. In einigen Fällen können bestimmte IP-Beschleunigungstechnologien eingesetzt werden. Häufiger ist jedoch die Unterstützung der modellbasierten Steuerung direkt auf dem Prozessorkern. Dies erfordert Fließkommaunterstützung. Für eine effiziente Ausführung ist die Nutzung einiger spezifischer mathematischer Operationen ebenfalls hilfreich.

17 Millionen Elektrofahrzeuge im Jahr 2023

Fahrzeugproduktion nach Antriebstyp.

Fahrzeugproduktion nach Antriebstyp. Strategy Analytics

Auch wenn Elektrofahrzeuge bisher einen relativ kleinen Anteil an der weltweiten Kleinwagenproduktion haben, wird dieser zweifellos deutlich steigen. Das liegt daran, dass die Emissionsziele immer enger gesteckt werden und die Fahrzeughersteller immer erschwinglichere und für die Kunden interessantere Fahrzeuge auf den Markt bringen.

Strategy Analytics prognostiziert ein Wachstum der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen aller Art von 5 % der Gesamtproduktion im Jahr 2016 auf 15 % bis 2023. Es wird erwartet, dass die gesamte Produktion von Hybridelektro- und Elektrofahrzeugen (HEV und EV) von 3,3 Millionen Einheiten im Jahr 2015 auf 11,6 Millionen Einheiten im Jahr 2020 steigen wird. Das entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAAGR) bei den Einheiten von mehr als 28 %. Dies liegt deutlich über den erwarteten 1,6 % beim jährlichen Wachstum für Fahrzeuge mit konventionellem Antrieb und der für die Gesamtproduktion erwarteten jährlichen Wachstumsrate von 3,3 %.  Prognosen für die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen zeigen, dass diese weiter wachsen wird – auf über 17 Millionen Einheiten im Jahr 2023.

Der Markt für Antriebsprozessoren wächst

Diese Änderung der Antriebsmischung – zusammen mit dem Druck hinsichtlich der Reduzierung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs bei konventionellen Fahrzeugen – führt zu erhöhten Anforderungen an Antriebssteuerungen sowie an die dort integrierten Prozessoren.  Hybridfahrzeuge, die sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotorantrieb aufweisen, müssen sowohl diese Systeme steuern als auch ausgeklügelte Algorithmen besitzen, um als Reaktion auf die dynamische Drehmomentanforderung des Fahrers die richtige Kombination der Ausgabe der beiden Antriebsquellen zu bestimmen. Außerdem sind Batteriemanagementsysteme erforderlich, um Aufladung/Entladung und das thermische Management der Akkupacks (in der Regel Lithium-Ionen) zu überwachen und zu steuern. Plug-in-Hybride und reine EVs benötigen zusätzlich eine integrierte Ladegerätsteuerung und könnten daher ein halbes Dutzend 32-Bit-Mikrocontroller allein für den Antrieb benötigen.

Selbst für die konzeptionell einfacheren, reinen Elektrofahrzeugen können die Steuerungsstrategien komplex sein: Der Elektromotor bedient in der Regel sowohl Beschleunigungs- als auch Verzögerungsdrehmomentanforderungen, da die Fahrzeuge regeneratives Bremsverfahren verwenden. Zudem verwenden einige Fahrzeuge mehrere Elektromotoren, um eine höhere Leistung zu bieten. Die Elemente der Dynamiksteuerung in Bezug auf Drehmomentvektorisierung und Torque-Vectoring vorne/hinten müssen verwaltet und gesteuert werden.

Energiemenge von 77 kg TNT-Sprengstoff beherrschen

All diesen Leistungsanforderungen ist der zunehmende Bedarf an funktioneller Sicherheit übergeordnet. Der Fahrer wird immer weiter von der direkten Steuerung der Drehmomentleistung entfernt, sodass in allen Situationen eine vorhersagbare und sichere Motorreaktion erforderlich ist. Darüber hinaus wurde in den vergangenen Jahren mit der Veröffentlichung der ISO-Norm 26262 zur funktionalen Sicherheit von Straßenfahrzeugen im Jahr 2011 der Fokus zunehmend auf die Funktionssicherheit sämtlicher Automobilanwendungen verlagert.

Ein Beispiel für einen Bereich, in dem dies den Antrieb beeinflusst, sind die Batteriemanagementsysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Der große Lithium-Ionen-Akku mit 90 kWh in einem Tesla enthält die Energiemenge von 77 kg TNT-Sprengstoff. Auch wenn dies weniger Energie ist, als sich im typischen Benzintank eines Fahrzeugs befindet, ist das richtige thermische und Ladungsmanagement dieser Batterien – überwacht durch elektronische Steuereinheiten – entscheidend für einen sicheren Betrieb.

Daher wurde die Unterstützung der Halbleiterhersteller benötigt, sowohl hinsichtlich der spezifischen Designmerkmale ihrer Produkte (z. B. Dual Core Lock Step, ECC-geschützte Speicher und Busse) als auch der Designprozesse (z. B. der Bereitstellung eines Sicherheitshandbuchs und Unterstützung für IEC 61508/SIL 3, ISO 262626/ASIL D).

Auf dem Weg zu zentralisierten Steuerungen

Die letzte neue Herausforderung für die Antriebssteuerung besteht im Trend zur Zentralisierung der Steuerung. In einem aktuellen High-End-Fahrzeug können sich über 100 verschiedene elektronische Steuerungseinheiten befinden. Es ist nicht selten, dass sich in Antriebssystemen getrennte Controller für die interne Basissteuerung des Verbrennungsmotors, die Ventiltriebsteuerung, die Getriebesteuerung sowie die Steuerung von Traktionsmotoren/Invertern/Batterien in einem Hybridfahrzeug befinden. Viele OEMs, besonders im Markt für Luxusfahrzeuge, möchten nun die Steuerungsfunktionen zu einer kleineren Zahl leistungsstärkerer Steuergeräte (ECUs) konsolidieren.  Bei diesen Controllern wird es sich wahrscheinlich um Geräte mit mehreren Prozessoren handeln, wobei jeder Prozessor wahrscheinlich mehrere Kerne besitzt und mehrere Anwendungen ausführt.  Die Fähigkeit, mehrere Betriebssysteme auszuführen und Aufgaben unter Hypervisoren zu virtualisieren, wird zunehmend wichtiger für alle Anwendungsbereiche im Automobilbereich, nicht nur für den Infotainment-Bereich.

So wurde etwa durch Präsentationen und Diskussionen während des 20. Fachkongress „Fortschritte in der Automobil-Elektronik“ in Ludwigsburg im Juni 2016 deutlich, dass BMW, Mercedes und Audi für ihre zukünftigen Fahrzeugarchitekturen eine Zentralisierungsstrategie verfolgen. Es wurde auch deutlich, dass dies keine triviale Aufgabe ist und ein Sprung von einer hoch dezentralisierten unmittelbar zu einer hoch zentralisierten Fahrzeugarchitektur sehr unwahrscheinlich ist. Strategy Analytics erwartet daher, dass zunehmend sogenannte „Domänencontroller“-Architekturen verwendet werden, in denen die Funktionen innerhalb einer einzelnen Fahrzeugdomäne (zum Beispiel des Antriebs) in einem einzigen Controller integriert werden.

Da es sich hier um einen langfristigen Trend handelt, ist es unwahrscheinlich, dass er sich auf vor 2020 auf den Massenmarkt auswirken wird. Die Investitionszyklen für Halbleiter sind jedoch lang und es muss jetzt gehandelt werden, um diese neuen Anforderungen erfüllen zu können. Laut Strategy Analytics ist ARM mit der Ankündigung seines Cortex-R52-Prozessors gut positioniert, um die Massenproduktionsanforderungen nach 2020 zu erfüllen.

Umsatzsteigerung auf eine Milliarde US-Dollar

Nachfrage nach Prozessoren für Motorsteuerungsanwendungen (in Milliarden US-Dollar).

Nachfrage nach Prozessoren für Motorsteuerungsanwendungen (in Milliarden US-Dollar). Strategy Analytics

Diese geänderten und herausfordernden Anforderungen bringen es mit sich, dass nach Meinung von Strategy Analytics die Nachfrage nach Prozessoren in Motorsteuerungsanwendungen im Jahr 2023 ein Volumen von einer Milliarde US-Dollar erreichen wird. Dies stellt ungefähr 9 % der gesamten Nachfrage nach Prozessoren in OEM-Leichtfahrzeugen dar – ein Markt, in dem ARM bisher kaum vertreten ist.

Bei diesen Motorsteuerungsanwendungen nimmt die Nachfrage nach Prozessoren für Elektroantriebe wesentlich schneller zu als die Nachfrage nach Prozessoren für konventionelle Benzin- und Dieselfahrzeuge. Strategy Analytics sagt voraus, dass sich bis 2023 mehr als 37 % der Nachfrage nach Motorsteuerungsprozessoren auf Elektrofahrzeuge beziehen werden. Dieser Anteil liegt wesentlich über dem Anteil von 15 % an der Produktion, den diese Fahrzeuge haben werden, da viele dieser Elektrofahrzeuge Hybridfahrzeuge sein werden und daher sowohl eine Steuerung für den Benzin-/Dieselmotor als auch für Elektromotor/Inverter/Batterie benötigen.

Im Jahr 2020 wird ein typisches rein benzinbetriebenes Fahrzeug in Motorsteuerungsanwendungen über Prozessoren im Wert von 7 USD verfügen. Im Fall von Plug-In-Hybridfahrzeugen wird der Wert der Prozessoren in der Motorsteuerung im Jahr 2020 mit mehr als 34 USD wesentlich höher sein.

Abkehr von proprietären Architekturen?

Der Cortex-R52 ist nach Angaben von ARM der leistungsstärkste Echtzeitprozessor für Sicherheitsanwendungen, den das Unternehmen bisher entwickelt hat. Das Unternehmen gibt Leistungsverbesserungen von bis zu 35 % im Vergleich zum ARMv7-R-basierten Cortex-R5 an. Die Mehrzahl der Antriebsprozessoren verwendet zurzeit proprietäre Architekturen, wobei Geräte auf der Basis von PowerPC (NXP, ST), Tri-Core (Infineon) oder RH850 (Renesas) bei den Motorsteuerungsanwendungen vorherrschend sind.

Bei der Ausrichtung auf Antriebsanwendungen als wichtigen Anwendungsbereich für Cortex-R52 wird eine der Herausforderungen für ARM darin bestehen, seine direkten Kunden, die Halbleiteranbieter, davon zu überzeugen, den Prozessor als Alternative oder Ersatz für die „internen“ Produkte anzubieten. Dies würde eine nicht triviale Änderung für diese Anbieter bedeuten, die traditionell versuchen, mithilfe der proprietären Natur ihrer Architekturen Kunden an sich zu binden.

Nach Auffassung von Strategy Analytics gibt es mehrere Gründe, warum sich diese Herausforderung bewältigen lässt:

  • Alle Anbieter von Halbleitern für den Automobilbau sehen sich der enormen Herausforderung gegenüber, große Summen in diese proprietären Architekturen investieren zu müssen, um sie für Antriebslösungen der nächsten Generation zu aktualisieren. Die Anforderungen sind nicht statisch und es muss entschieden werden, wann und ob Produktlinien aktualisiert werden müssen.  Die Verfügbarkeit eines geeigneten lizenzierbaren Prozessorkerns könnte den Druck auf die Budgets dieser Unternehmen verringern, von denen sich einige Problemen aufgrund von Schulden gegenübersehen.
  • Eine sofort einsatzbereite Lösung, die bereits über die erforderlichen Sicherheitsfeatures und Prozesse/Dokumentationen für sicherheitskritische Anwendungen verfügt, könnte die Markteinführungszeiten für neue Designs verkürzen.
  • Mit zunehmender Zentralisierung der Fahrzeugsteuerung verfolgen einige OEMs langfristig erkennbar eine Vision, in der alle wichtigen dynamischen Fahrzeugsteuerungen in einem einzigen Modul zentralisiert werden  Dies geschieht im Rahmen des Trends zu stärker automatisierten Fahrzeugen – einem Anwendungsbereich, indem ARM-basierte Geräte bereits einen erheblichen Marktanteil haben. Im Kontext der seismischen Verlagerung von mehreren verteilten Steuerungskästen hin zu einer kleineren Zahl leistungsstärkerer Geräte erscheint der Wechsel von einer proprietären Architektur zu einer ARM-basierten Architektur weniger herausfordernd zu sein.

ARM kann möglicherweise sogar von einer Pull-Through-Nachfrage seitens einiger OEMS und Tier-Ones profitieren, die ihre traditionellen Halbleiterpartner zunehmend nach ARM-basierten Antriebslösungen fragen. Natürlich müssen Toolsets verfügbar sein, um den Wechsel von vorhandenen Architekturen so problemlos wie möglich zu gestalten. Das ARM-Ökosystem wird weitgehend als umfassend anerkannt und Strategy Analytics kann keine Anzeichen dafür erkennen, dass Drittanbieter von Toolsets zögern werden, diesen neuen Core zu unterstützen.

Daher betrachtet Strategy Analytics den neuen Cortex-R52 als einen wichtigen Schritt von ARM, um nicht nur die neuen Märkte für funktionell sichere Prozessoren in ADAS/autonomen Anwendungen anzusprechen, sondern auch den sehr realen, großen und sich entwickelnden Markt für autonome Anwendungen.

Nach Unterlagen von Strategy Analytics