Antriebsstrang Was Mikrocontroller in E-Fahrzeug-Antrieben leisten müssen

Der Elektromotor ist dem Verbrennungsmotor im Auto u.a. in Wirkungsgrad und Drehmoment deutlich überlegen. Allerdings stellen elektrische Kfz-Antriebe hohe Anforderungen an die Mikrocontroller im Steuergerät des Antriebsstrang. Worauf dabei konkret zu achten ist, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Der Grad der Elektrifizierung reicht heute von Fahrzeugen mit einfachen Start-/Stopp-Systemen über Mild Hybrids bis hin zu parallelen und seriellen Full Hybrids. Meist werden Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) eingesetzt, die mit einer synchronen Drehzahl von Rotor und Statorfrequenz betrieben werden.

Die Hochvolt-Batterie hat bei Mild Hybrids einen Spannungsbereich von ca. 40 — 150 V, bei Full Hybrids mehrere 100 V. Die DC/AC-Inverter haben typischerweise eine B6-Brückenkonfiguration mit MOSFETs als elektronische Schalter für Spannungsbereiche bis ca. 120 V. Bei höheren Spannungen werden IGBTs mit möglichst geringem Durchlasswiderstand und niedrigen Umschaltverlusten verwendet.

Das Motor-Steuergerät besteht im Wesentlichen aus dem Mikrocontroller, Komponenten zur Regelung und Überwachung von Leistungselektronik und Motor sowie aus Bausteinen für die Aufbereitung von Sensorsignalen sowie zur Kommunikation und Spannungsversorgung.

Wie sich die Phasenströme zuverlässig messen lassen

Zur Drehmomentregelung braucht der Mikrocontroller Informationen über die Höhe der Phasenströme, die bei hohen Drehmomenten mehrere 100 A betragen können. Deshalb werden zur Strommessung Stromwandler mit galvanischer Isolierung zwischen Primär- und Sekundärkreis verwendet, die auf dem Hall-Effekt basieren. Sie lassen sich außerhalb des Signalkabels platzieren und verursachen somit keine Störungen.

Hohe Ströme und Spannungen im Umrichter erfordern zuverlässige Isolation

Die Ströme und Spannungen im Umrichter sind sehr viel größer sind als im Steuergerät des Mikrocontrollers. Deshalb ist eine Isolierung an allen Schnittstellen zwischen diesen Komponenten ein absolutes Muss. Dafür eignen sich etwa die automotivequalifizierten digitalen Isolatoren der Familie ISO72xx von Texas Instruments. Diese Bausteine erlauben Taktraten bis 250 Mbps und nutzen kapazitive galvanische Isolation, die im Vergleich zu optischer oder magnetischer Isolation sehr gute Eigenschaften bezüglich Taktrate, Verlässlichkeit, ESD Schutz und EMV Verhalten zeigt.

Besondere Anforderungen in sicherheitskritischen Steuergeräte

Als Mikrocontroller bieten sich die Typen der TMS570-Familie von Texas Instruments an. Sie können in komplexen und sicherheitskritischen Kfz-Steuergeräten eingesetzt werden und sind speziell für den Safety Integrity Level 3 (SIL3) des Standards IEC61508 ausgelegt und entsprechend zertifiziert.

Das feldorientierte Prinzip zur Regelung von Drehfeldmaschinen ist heute Stand der Technik, kann aber zusammen mit Kommunikation, Sicherheits- und Diagnosefunktionen und standardisierten Software-Architekturen wie AUTOSAR zu hohen Anforderungen an die Rechenleistung des Mikrocontrollers führen. Schnellere Mikrocontroller erlauben generell eine höhere Funktionalitätsdichte und speziell bei E-Motorantrieben eine bessere Dynamik und Effizienz der Regelungen aufgrund der Realisierbarkeit kurzer Regelzyklen.

Zwei CPUs können Befehle parallel abarbeiten

Derzeitig verfügbare TMS570LS-Bausteine beinhalten zwei 32-Bit ARM Cortex R4F CPUs, die im lock-step-Betrieb arbeiten und bis 160 MHz (>250 DMIPS) getaktet werden, zusammen mit je einer Floating-Point Unit (FPU) für schnelle 32-Bit- und 64-Bit-Fließkomma-Operationen (IEEE 754).

Die Floating-Point- und Integer-Instruktionen können parallel abgearbeitet werden, um eine höhere Rechenleistung zu erzielen. Die FPU erleichtert die Software-Entwicklung, da Steuer- und Regelungsalgorithmen zunehmend mit modellbasierten Code-Generatoren entwickelt werden, deren Ergebnisse dann als Floating-Point-Programmteile in das Gesamtprojekt integriert werden können.

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