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Bild 1: Funktionsblöcke eines teilnetzfähigen Transceivers.

Bild 1: Funktionsblöcke eines teilnetzfähigen Transceivers.STMicroelectronics

Die Minimierung des Energieverbrauchs gilt heute als eine der Schlüsselanforderungen bei der Entwicklung neuer Produkte. Während Maßnahmen wie effizientes Motormanagement und Gewichtsminimierung durch den Einsatz leichter Materialien schon lange Gegenstand großer Anstrengung sind, rückt mehr und mehr auch die Elektronik in den Fokus der Entwickler. Grund hierfür ist der Wunsch nach immer mehr Komfort- und Sicherheitssystemen im Fahrzeug, die sich nur durch zusätzliche elektronische Steuergeräte realisieren lassen. So kam ein Mittelklassefahrzeug vor 20 Jahren noch mit fünf Steuergeräten aus, während heute je nach Ausstattungsgrad leicht mehr als 100 Elektronikmodule gezählt werden können.

Bei genauerer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass ein beträchtlicher Teil der Funktionen nicht permanent und in allen Fahrsituationen benötigt wird. Nicht alle Module müssen also permanent aktiv sein, um die bestehenden Anwendungsfälle abzubilden. Das Deaktivieren einzelner Steuergeräte scheitert derzeit jedoch an der laufenden Buskommunikation, die alle am Bus befindlichen Steuergeräte aktiv hält. Neben der Abschaltung einzelner Bussegmente (LIN-, MOST-Bus) bietet der Teilnetzbetrieb von CAN Netzwerken eine weitere Möglichkeit das beschriebene Szenario zu optimieren (Bild 1).

Ludwigsburger Erklärung

Die E/E Leiter der deutschen Automobilhersteller haben daher auf dem 15. Fachkongress ‚Fortschritte in der Automobilelektronik‘ in Ludwigsburg im Juni 2011 eine gemeinsame Erklärung abgegeben, wonach das Teilnetzkonzept in den zukünftigen Fahrzeugplattformen umgesetzt werden soll. Die Erklärung war verbunden mit einem Appell an die Halbleiterhersteller, die Umsetzung des Konzepts durch die Entwicklung entsprechender Produkte zu unterstützen.

Die Initiative wird jedoch nicht nur mit der Reduktion der CO2-Emissionen begründet. Auch eine Vielzahl zukünftiger, völlig neuer Anwendungsfälle macht es notwendig, dieses Konzept zu etablieren und dessen Einsparpotenzial nutzbar zu machen.

Zukünftige Anwendungsfälle

Von besonderem Interesse ist das Teilnetzkonzept für E-Fahrzeuge, weil jede Reduktion der Energieaufnahme in größerer Reichweite resultiert. Dies ist sicherlich ein entscheidender Faktor für die zukünftige Akzeptanz solcher Fahrzeuge. Darüber hinaus sind die Steuergeräte hierbei teilweise auch während der langen Ladezyklen aktiv, weil es erforderlich ist, die Kommunikation mit einem überwachenden Steuergerät aufrecht zu erhalten. Dies führt zu deutlich erhöhten Lebensdaueranforderungen an die verwendeten Komponenten und damit zu erhöhten Kosten.

Gleiches gilt für neuartige Anwendungsszenarien welche zunehmend auch das geparkte Fahrzeug betreffen. So werden moderne Fahrzeuge nicht mehr nur als reines Fortbewegungsmittel genutzt. Sie dienen mehr und mehr auch als mobile Daten- und Kommunikationszentrale. Möglich wird dies durch die Verfügbarkeit von Internet- und E-Mail-Zugang im Fahrzeug sowie die Vernetzung des Fahrzeugs mit mobilen Endgeräten. Der überwiegende Teil der Steuergeräte am Bus ist in vielen Anwendungsfällen jedoch gar nicht erforderlich und ist nur wegen der laufenden Buskommunikation aktiv. Eine selektive Abschaltung von Steuergeräten ist mit den derzeitigen Netzwerkkonzepten jedoch nicht möglich.

Intelligente Weckkonzepte und Betriebsstrategien

Im Teilnetzbetrieb lassen sich nun intelligente Weckkonzepte und Betriebsstrategien realisieren. Der Energiebedarf der oben beschriebenen Anwendungsfälle kann so drastisch reduziert werden. Im ersten Schritt bieten sich natürlich Komfortfunktionen wie die Sitzelektronik, das Anhänger-Steuergerät oder die Heckklappenansteuerung an. Diese Funktionen werden durch die Insassen während der Fahrt nicht oder nur sporadisch angefordert und rechtfertigen daher nicht die kontinuierliche Stromaufnahme der zugehörigen Elektronik. Weitere Beispiele sind die Türsteuergeräte sowie Standheizung, Schiebedach und Rückfahrkamera. Andererseits müssen diese Steuergeräte natürlich jederzeit aktivierbar sein um Funktions- und Komforteinbußen auszuschließen.

Einsparpotenzial durch Teilnetzbetrieb

Das Potenzial lässt sich an einem Beispiel verdeutlichen. Bei einer mittleren Stromaufnahme von 100 mA bis 150 mA und einer Batteriespannung von 14 V ergibt sich ein Sparpotenzial im Bereich von 1,4 W bis 2,1 W je ‚unterbeschäftigtem‘ Steuergerät. Die resultierende Gesamtersparnis bei 20 teilnetzfähigen CAN-Knoten im Fahrzeug liegt damit im Mittel im Bereich von 35 W ohne dass dadurch Funktions- oder Komforteinbußen entstehen.

Nach der gängigen Umrechnungsformel entsprechen 40 W elektrische Leistung im Fahrzeug einem CO2-Ausstoß von 1,0 g CO2 je km. Das Einsparpotenzial beträgt somit rund 0,85 g CO2 je km. Legt man nun die durch die EU-Verordnung festgelegte Überschreitungsabgabe von 95 Euro pro Gramm CO2 je Kilometer zugrunde, so ergibt sich für die Automobilhersteller ein Einsparpotenzial von rund 80 Euro je Fahrzeug.

Realisierung des Teilnetzbetriebs in der Praxis

Heutige CAN-Knoten sind zwar auch mit stromsparenden Betriebsmodi (Standby, Sleep) ausgestattet, jedoch wachen diese Knoten bei jeglicher Kommunikation auf dem Bus sofort wieder auf. Dies erlaubt die Nutzung der Stromsparmodi nur dann, wenn alle am Bus liegenden Knoten gleichzeitig deaktiviert werden, so dass „Busruhe“ herrscht, die nur bei geparktem Fahrzeug möglich ist. Sobald CAN-Botschaften auf dem Bus anliegen, werden alle am Bus liegenden Steuergeräte durch den jeweiligen Transceiver geweckt.

Ein Lösungsansatz wäre die Aufteilung der Netzwerke in Subnetze und die Trennung einzelner Steuergeräte von der Versorgung. Dies bedeutet jedoch sowohl Einschränkungen in der Netzwerkauslegung wie auch zusätzlichen Aufwand durch getrennte Versorgungen. Trotzdem sind derartige Lösungen bereits heute im Einsatz.

Der flexibelste Lösungsansatz ist jedoch das Wecken einzelner Steuergeräte mittels dedizierter, vorab definierter Wecknachrichten. Das selektive Ansprechen einzelner CAN-Knoten erfordert allerdings die Fähigkeit der Steuergeräte, einzelne Botschaften auch im Sleep- oder Standby-Modus auf vorher vereinbarte und konfigurierte Wecknachrichten hin zu überprüfen sowie gegebenenfalls darauf zu reagieren. Idealerweise sollte diese Erkennung direkt im Transceiver erfolgen, weil nur dann eine Aktivierung des Mikrocontrollers und die daraus resultierende Erhöhung des Stromverbrauchs entfallen.

Teilnetzfähige Transceiver
ermöglichen die Umsetzung des Konzepts

Die Stärke konventioneller Transceiver liegt jedoch in der signalgetreuen Umsetzung der Buspegel und in der Robustheit gegenüber äußeren Störsignalen und -einflüssen auf dem Bus. Sie verfügen nur über sehr rudimentäre Logik, um einfache Busfehler zu erkennen, und werden bei jedem Flankenwechsel auf dem Bus aktiviert.

Eine Abtastung und Auswertung der empfangenen Botschaften ist nicht möglich, weil dies Aufgabe des (im Mikrocontroller integrierten) CAN-Controllers ist. Dieser verfügt über die erforderliche genaue Taktreferenz (Quarzoszillator), um die Botschaft auszuwerten.

Teilnetzfähige CAN-Transceiver benötigen deshalb zunächst eine sehr genaue interne Taktreferenz, um den ankommenden Bitstrom zuverlässig abtasten und decodieren zu können. Diese muss zudem über den relevanten Temperaturbereich stabil sein. Berücksichtigt man sowohl die maximale Toleranz des sendenden Knotens als auch in der Praxis auftretende Störungen auf dem Bus, wie beispielsweise verschliffene Signalflanken, Reflexionen und EMV-Einflüsse, so ergibt sich für den Oszillator eine erforderliche Genauigkeit von < 1%. Diese muss sowohl über den gesamten Temperaturbereich (-40 °C bis +150 °C) als auch über die Lebensdauer des Bauelements gewährleistet werden. Das Oszillator-Konzept teilnetzfähiger Transceiver ist daher von zentraler Bedeutung und stellt für die Entwicklung dieser Bausteine die größte Herausforderung dar.

Aus dem abgetasteten Bitstrom muss dann die eigentliche Information gemäß CAN-Protokoll extrahiert werden. Die gewonnenen Daten werden mit vorab über SPI konfigurierten Wecknachrichten verglichen. Hierzu muss der Transceiver zudem über eine Schnittstelle zur Konfiguration des Teilnetzbetriebs, insbesondere der dedizierten Wecknachricht, verfügen. Der prinzipielle Aufbau eines teilnetzfähigen Transceiver Bausteins ist in Bild 2 dargestellt.

Arbeitsgruppe SWITCH

Die Automobilhersteller unternehmen zwar große Anstrengungen, um den Teilnetzbetrieb sobald als möglich in Serie einzusetzen, aber dies kann nur mit standardisierten Eigenschaften der eingesetzten Transceiver gelingen. Zusammen mit den Halbleiterherstellern bildete sich zu diesem Zweck die Arbeitsgruppe SWITCH (Selective Wakeable Interoperable Transceiver CAN Highspeed), die auf Basis eines Lastenheftes einen Vorschlag zur Standardisierung erarbeitet hat. Dieser wird aktuell in der internationalen Organisation für Normung diskutiert. Ziel ist die Erstellung eines Ergänzungsteils zur ISO 11898 (Road Vehicles – Controller Area Network CAN).

Verfügbarkeit teilnetzfähiger Transceiver

ST Microelectronics beteiligt sich aktiv an der Definition dieser Funktionalität in den genannten Gremien und arbeitet intensiv an der Realisierung entsprechender Transceiver.

Bild 2: Power-Management-System-IC L99PM72PXP.

Bild 2: Power-Management-System-IC L99PM72PXP.STMicroelectronics

Das Power-Management-System-IC L99PM72PXP (Bild 2) ist weltweit einer der ersten SBCs (System Basis Chip), der diese Funktionalität unterstützt. Das IC basiert auf dem in Produktion befindlichen L99PM62GXP, das bereits in einer Vielzahl von Komfortsteuergeräten zum Einsatz kommt. So kann bei der Entwicklung des L99PM72PXP auf in der Praxis bewährte Funktionsblöcke (IPs) zurückgegriffen werden.Zudem sind die beiden Bausteine hardware- und software-kompatibel, was eine Ergänzung der bestehenden Steuergeräte um die Teilnetzfähigkeit erleichtert und gleichzeitig eine Rückfallebene gewährleistet. STMicroelectronics entwickelt diesen Baustein in enger Zusammenarbeit und in Abstimmung mit einem großen deutschen Automobilhersteller für den Einsatz ab 2014. Muster wurden bereits im Fahrzeug evaluiert und sind auf Anfrage verfügbar.

Neben der klassischen SBC-Funktionalität verfügt der Baustein über umfangreiche Zusatzblöcke, die in den Zielapplikationen eine höhere Integrationsdichte und somit Kosteneinsparungen ermöglichen. Die Highside-Treiber sind dabei primär für die Ansteuerung von LEDs der Funktionsbeleuchtung ausgelegt und verfügen hierzu über interne, per SPI programmierbare PWM-Generatoren, welche die Ansteuerung der LEDs autark auch ohne den Mikrocontroller ermöglichen, um so weitere stromsparende Betriebsmodi zu realisieren.

Fritz Burkhardt

arbeitet als Senior Technical Marketing Engineer in der Automotive Business Unit Europe bei STMicroelectronics

(av)

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