Mit MCUs das volle Potenzial der Elektrifizierung ausnutzen

Trotz des anhaltenden Wachstums von Elektrofahrzeugen befindet sich die Branche derzeit an einem Wendepunkt. Da die Autofahrer nicht nur bestrebt sind, die Energiekosten pro Kilometer zu senken, sondern auch den von Elektroautos gebotenen Fahrspaß zu schätzen wissen, sind EVs auf dem Weg zu allgemeiner Akzeptanz bereits weit vorangekommen. Dennoch sind sie zurzeit noch teurer als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, und nicht zuletzt hegen Autofahrer gewisse Bedenken bezüglich der Reichweite, denn das Netz an Ladestationen ist derzeit noch recht dünn, der Aktionsradius der Fahrzeuge ist klein und der Zeitaufwand zum vollständigen Aufladen der Batterie ist groß.

Leistungselektronik in Form von Traktionswechselrichter, Bordladegerät und Hochspannungs-DC/DC-Wandler bildet das Herzstück eines jeden Elektroautos (Bild 1). Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wird mit darüber entscheiden, wie schnell und wie erfolgreich sich EVs in den kommenden Jahren durchsetzen werden, wirken sie sich doch unmittelbar auf die Fahrleistungen, die Kosten, die Reichweite und die Ladezeiten aus. Die Forderung nach mehr Leistungsfähigkeit bei diesen Systemen führt direkt zur Nachfrage nach Mikrocontrollern, die bezüglich der Echtzeitsteuerung und der anspruchsvollen Rechenoperationen mehr Performance bieten.

Als jüngster Neuzugang der Sitara-Familie von Texas Instruments können die hochgradig leistungsfähigen Mikrocontroller (MCUs) der Reihe Sitara AM263 dem Entwickler dabei helfen, die in den EVs steckende Verarbeitungstechnik weiterzuentwickeln. Tatsächlich sind die MCUs der Serie Sitara AM263 die ersten Bausteine des Sitara-MCU-Portfolios, die das erstmals in den C2000-MCUs eingeführte Echtzeitsteuerungs-Subsystem mit der Multicore-Arm-Architektur der Sitara-Familie kombinieren, um den dynamischen Performance-Anforderungen von Motorregelungen und digitalen Leistungsregelungs-Anwendungen zu entsprechen.

Mit ihrer Kombination aus Echtzeitsteuerungs-Fähigkeiten und einer Rechenleistung von über 3000 Dhrystone-MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) kann die MCU-Familie AM263 dazu beitragen, Größe und Gewicht des Motors sowie der mechanischen Gehäuse zu verringern und die Systemkosten zu senken, um die Reichweite zu erhöhen und einen Beitrag zu leisten, Elektroautos erschwinglicher zu machen. Auf organische Weise nutzt und erweitert die MCU-Familie AM263 die Vorzüge der Echtzeit-MCUs der Reihe C2000, um Anwendungen im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen noch mehr Optionen bieten zu können.

Dazu die folgenden Beispiele:

• In Traktionswechselrichtern ermöglichen AM263-MCUs höhere Motordrehzahlen von mehr als 30.000/s, wodurch sich der Motor um bis zu 36 Prozent verkleinern und die Reichweite um 15 Prozent anheben lässt.
• Die Fähigkeit der Mikrocontroller zum Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen (>1 MHz) erlaubt die Verwendung von Wide-Bandgap-Technologien wie SiC und GaN, was die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad verbessert und dadurch zur Vergrößerung der Reichweite beiträgt.
• Mehr Kerne und Peripheriefunktionen gestatten die Integration vielfältiger Funktionen. Dies verringert die Zahl der in einem System verbauten Feldeffekt-Transistoren und der mechanischen Gehäuse, was die Kosten und das Gewicht der Gehäuse und der induktiven Bauelemente signifikant senkt.
• Die AM263-Familie enthält Functional-Safety-Features, die Unterstützung für ASIL-D (Automotive Safety Integrity Level), Vehicle Intrusion Protected Applications (EVITA) Hardware Security Module (Vollversion) und Automotive Open System Architecture (Autosar) bietet. Außerdem ist Kommunikations-Peripherie enthalten, wodurch sich mit einer Single-Chip-Lösung die Materialkosten des Gesamtsystems senken lassen.

Mit der Einführung von EVs und erneuerbaren Energien geht die Forderung nach einer umfangreichen Ladeinfrastruktur und nach Energiespeichersystemen einher. Damit diese Systeme so verbreitet und so schnell sein können wie konventionelle Tankstellen, müssen sie effizienter und leistungsstärker arbeiten. Das Grundkonzept dieser Systeme ist die Leistungswandlung, die an Ladestationen den Energietransfer aus dem Netz an das Fahrzeug und umgekehrt ermöglicht. In Energiespeichersystemen wiederum gestattet die Leistungswandlung in Schwachlastzeiten das Speichern von Energie in Batterien, während die gespeicherte Energie zu Zeiten großer Nachfrage, oder wenn keine erneuerbare Energie zur Verfügung steht, in das Netz zurückgespeist wird. Das in die AM263-Familie integrierte Echtzeitsteuerungssystem wartet mit der notwendigen Präzision auf, um die Leistungwandlungs-Branche in die Zukunft zu führen. Unter anderem bietet die Mikrocontroller-Familie AM263 jetzt folgende Möglichkeiten:

• Verkürzung der Ladezeiten. Durch das Erreichen höherer Schaltfrequenzen, höherer Wechselrichter-Wirkungsgrade (99 Prozent) und niedrigerer Verluste tragen die AM263x-MCUs zu einer schnelleren und leistungsfähigeren Umwandlung bei.
• Verbesserte Qualität der abgegebenen Energie im Interesse der Kompatibilität zum Stromnetz. Fortschrittliche analoge Regelungs-Peripherie ermöglicht höhere Präzision im Interesse einer geringeren Latenz, eines reduzierten Oberschwingungsgehalts und einer höheren Qualität des von PV-Wechselrichtern abgegebenen Stroms.
• Reduzierte Systemabmessungen und -kosten. Mehrere Arm-Kerne gestatten die Umsetzung komplexer Steuerungs-Topologien und sorgen durch die Integration mehrerer Funktionen für eine Reduzierung der Systemabmessungen und der Materialkosten.

Umweltschutz und regulatorische Zwänge zur Einführung emissionsfreier Fahrzeuge und erneuerbarer Energiequellen beschleunigen die EV-Produktion, aber damit sich Elektroautos allgemein durchsetzen, müssen sich Erschwinglichkeit, Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit verbessern. Die MCUs der Sitara-Reihe AM263 können bei der Umsetzung neuer Architekturen helfen.