Embedded-System-Entwicklung Mikrocontroller für mehr Energieeffizienz im Solarfahrzeug

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Energiemanagement gewinnt angesichts des ständigen Strebens der Menschheit nach einem immer komfortableren Lebensstil immer größere Bedeutung. Der französische Verband Eco Solar Breizh arbeitet an der Entwicklung eines Fahrzeugs, das an der World Solar Challenge teilnehmen soll. Renesas liefert das Material und Know-how.

Eine der Herausforderungen für Eco Solar Breizh bei diesem Projekt war die Auswahl der besten Halbleiter für das Energiemanagement im Rennwagen. Dabei geht es um die Kontrolle der Sonnenenergie aus den Panels, um das Batterie- und Motorantriebsmanagement sowie um Berechnungen und Datenkommunikation. Renesas Electronics bietet Lösungen für den Aufbau solcher Systeme. In diesem Zusammenhang engagiert sich das Unternehmen für die Realisierung einer „Smart Society“ der Zukunft.

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Das Angebot reicht von energiesparenden Standby-Betriebsarten wie dem Snooze-Modus in der 16-Bit Low-End-MCU RL78 bis zu hoher Leistungsfähigkeit mit der 32-Bit-MCU RX. Durch Applikationsschriften, Softwarebeispiele, Dokumentation und dem Austausch über die Entwickler-Community ist die Systementwicklung mit MCUs von Renesas eine einfache Angelegenheit für das Team.

Bei diesem Projekt muss das Team zahlreiche technische Einschränkungen berücksichtigen. So ermöglicht die Carbonstruktur des Fahrzeugchassis keine einfache drahtlose Kommunikation. Darum entschied man sich dazu, mehrere Backup-Lösungen für jede Aufgabe oder jedes System vorzusehen. So ist es möglich, die Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Fahrer über ein Android Smartphone zu implementieren und dabei Informationen wie Geschwindigkeit, Batterie-Ladezustand usw. zu übertragen sowie die Beleuchtung zu steuern. Parallel dazu erwog man während der Entwicklungsphase des zentralen elektronischen Rechenmoduls auch eine direkte Steuerung der Leuchten über Drucktasten. Größen- und Gewichtsgrenzwerte waren weiterhin wichtige Parameter, die es zu berücksichtigen galt.

CAN: ein einziger Datenkommunikationsbus und wenig Verdrahtung

Natürlich war während der Entwicklung auch die nur in begrenztem Maße verfügbare Energie eine wichtige Vorgabe. So fasst die eingebaute Fahrzeugbatterie nur eine begrenzte Energiemenge, während die Solarzellen auch nur eine bestimmte Menge an Leistung erzeugen. Weiterhin sind die Umweltbedingungen beim Rennen sehr hart: Hohe Temperaturen begrenzen die Energie, die genutzt werden kann, und das ganze System muss zudem vibrationsfest sein. Aktuell konzentriert sich das Entwicklungsteam auf die Elektronikarchitektur und dabei vor allem auf die Implementierung des CAN-Busses, über den der Fahrer mit den wichtigsten Informationen versorgt wird.

Wieso entschied man sich für den CAN-Bus? Der CAN-Bus war eine logische Wahl, weil man nur einen einzigen Datenkommunikationsbus im Fahrzeug haben wollte. Die Vorteile dieses Buskonzepts sind eine geringere Verdrahtung im Inneren des Fahrzeugs, eine bessere Modularität der Leiterplatten (einfacherer Austausch von Elektronikmodulen) und ein höheres Maß an Sicherheit für die Daten, die aus Modulen mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen übertragen werden. Die CAN-Struktur ermöglicht Flexibilität in der Fahrzeugentwicklung.

Natürlich sind hier auch Image-Aspekte relevant, da dieser Bus in der Automobilelektronik verwendet wird und die Idee unterstreicht, dass das Solarfahrzeug ein „echtes“ Auto sein könnte. Weil Renesas Electronics einer der großen Anbieter auf diesem Gebiet ist, erfolgte die Auswahl und Implementierung der Komponenten von Renesas in Zusammenarbeit mit den regionalen Applikationsingenieuren des Unternehmens.

Datenaustausch zwischen Hauptrechner und Tablet über Bluetooth

Welche Messungen und Daten werden an den Fahrer übermittelt? Zu den wesentlichen, über den Bus übertragenen Messungen zählen die Ausgangsströme und Betriebstemperaturen der Solarzellen, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Motorlast (bürstenlose Gleichstrom-Elektromotoren), der Batteriestrom und schließlich die Ströme in den beiden Motoren. Die meisten der an den Fahrer über den CAN-Bus gelieferten Informationen werden auf einem Touch Pad dargestellt. Der Datenaustausch zwischen dem Hauptrechner (Renesas RX) und dem Android-Tablet läuft heute über Bluetooth ab. Allerdings arbeitet das Team auch an einer Backup-Lösung mit einer USB-Verbindung, über die sich auch die Smartphone-Batterien laden lassen.

Die 16-Bit-MCU R8C bietet die erforderlichen Funktionen für die Entwicklung eines modularen und anpassbaren Elektronikboards, also eines Moduls, das unterschiedliche Aktionen steuern kann. Es kann Temperaturen an Batterien oder Solar-Panels messen, einfache Signale entgegennehmen, die Leuchten des Solarfahrzeugs steuern und die Datenkommunikation verwalten. Welche Aktionen ausgeführt werden müssen, hängt davon ab, wo das Modul im Solarfahrzeug installiert werden soll.

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