Automotive-Mikrocontroller Elektrofahrzeuge: SiC-Leistungsmodule effizienter steuern

Von Michael Eckstein

Mit seinen neuen Stellar-E-MCUs will STMicroelectronics den Aufbau zentralisierter Architekturen in Elektroautos erleichtern. Die E-Serie ist auf das Steuern von Leistungsmodulen spezialisiert und per OTA-Update aktualisierbar.

Alle Stellar-MCUs sind laut ST so konzipiert, dass die Software durch sichere Over-the-Air(OTA-)Updates aktualisierbar ist.
Alle Stellar-MCUs sind laut ST so konzipiert, dass die Software durch sichere Over-the-Air(OTA-)Updates aktualisierbar ist.
(Bild: STMicroelectronics)

In Autos kommen zunehmend in Hardware-Frameworks integrierte Softwareplattformen zum Einsatz, die native und per Over-the-Air(OTA-)Updates herunterladbare Programme und Services vereinen können. Automobilhersteller haben durch diese „softwaredefinierten Fahrzeuge“ die Möglichkeit, nachträglich mehr Funktionen bereitzustellen, vorhandene zu verbessern, Sicherheitsfunktionen zu aktualisieren und innovative Dienste anzubieten. Bei Elektrofahrzeugen sind Software-Upgrade und Hardware-Integration besonders wichtig, da sich zum Beispiel über eine verbesserte Energieeffizienz die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen lässt.

Eine wichtige Rolle in modernen Elektrofahrzeugen spielen zudem hocheffiziente SiC-basierte (Siliziumkarbid) Leistungsmodule. So können SiC-Leistungstransistoren und -Dioden die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit von On-Board-Charger (OBC), E-Antriebsstrang und verschiedene DC/DC-Wandler spürbar verbessern.

SiC-Halbleiter erfordern hohe Schaltfrequenzen

Das Problem: Bislang waren spezielle Hochgeschwindigkeits-Signalprozessoren (DSP) zum Ansteuern dieser SiC-Leistungshalbleiter erforderlich. Denn erst bei Schaltfrequenzen, die deutlich über den Taktraten für gewöhnliche Silizium-Leistungshalbleiter liegen, entfalten SiC-Module ihr volles Potenzial. Typische, derzeit auf dem Markt erhältliche MCUs für Kraftfahrzeuge können die Algorithmen zur Ladesteuerung nicht mit einer Taktrate ausführen, die die höheren SiC-Schaltfrequenzen unterstützt.

Daher werden zusätzliche DSP-Chips benötigt, die für den Regelkreis zuständig sind. Diese erfordern eine separate Programmierung und erhöhen die Stückliste und Komplexität des mit herkömmlichen MCUs implementierten Steuermoduls – das treibt Kosten, Größe und Stromverbrauch in die Höhe.

Neue Stellar-E-Mikrocontroller machen DSPs überflüssig

Als Lösung für dieses Problem hat STMicroelectronics (ST) neue für den Automobilbereich qualifizierte Mikrocontroller (MCU) vorgestellt, die nach eigenen Angaben für Elektrofahrzeuge und zentralisierte (Domain und Zonal) Elektronikarchitekturen optimiert sind. Die „Stellar E“ (Stellar Electrification MCUs) genannte Produktfamilie kommen demnach ohne externe DSPs aus. Sie vereinen Hochgeschwindigkeits-Regelkreisverarbeitung und allgemeine Steuerung auf ein- und demselben Chip.

Laut ST vereinfacht diese Kombination das Schaltungsdesign, verkleinert die Materialliste und erleichtert den Übergang zu hocheffizienten SiC-basierten Leistungsmodulen, die eine größere Reichweite und ein schnelleres Aufladen ermöglichen. Demnach können die MCUs mehrere Leistungswandler steuern und dabei Funktionen wie einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler (ADC), einen hochpräzisen PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) und eine schnell reagierende Schutzschaltung nutzen.

MCUs erfüllen Anforderungen wichtiger Automobilstandards

Wie der Hersteller ausgibt, erfüllt die Stellar-E-Serie die Anforderungen von wichtigen Automobilstandards für funktionale Sicherheit (ISO 26262 ASIL-D), Sicherheit (HSM) und SW-Interoperabilität nach Industriestandard (über Autosar 4.3.x) sowie sichere OTA-Updates. Für die Stellar-Familie stellt ST eine umfangreiche Softwareentwicklungs-Toolchain mit einem gemeinsamen Ökosystem bereit.

Die neuen MCUs erweitern die Arm-basierte Stellar-Familie von ST und wurden von Grund auf als Plattform für Autos entwickelt. Als zentralisierter Domain- und Zonen-Controller soll die Familie die elektrische Architektur von Fahrzeugen vereinfachen und für mehr Leistung, Flexibilität und Sicherheit sorgen.

Arm-Cortex-Kerne mit Lock-Step-Redundanz

Derzeit umfasst die MCU-Familie die Stellar-P-Serie für Integration und Fahrzeugsteuerung und die Stellar G-Serie für Karosserieanwendungen. Die Architektur der Stellar-Familie integriert mehrere Cortex-Kerne des Chipentwicklers Arm, die eine hohe Verarbeitungsleistung mit der Möglichkeit zur Lock-Step-Redundanz bieten und Echtzeit-Hardware-Virtualisierung unterstützen. Alle Stellar-MCUs sind laut ST so konzipiert, dass die Software durch sichere Over-the-Air(OTA-)Updates aktualisierbar ist.

„Unsere Stellar MCUs ermöglichen eine hochmoderne Elektrifizierung und gewährleisten gleichzeitig ein effizientes Energie Energiemanagement und softwaredefinierte Flexibilität für das Fahrzeug-Lebenszyklus-Management“, sagt Luca Rodeschini, Vizepräsident der Automotive and Discrete Group, Strategische Geschäftsentwicklung und Automotive Processing und RF General Manager von STMicroelectronics. Die neuen Stellar-E-Produkte würde die Wertschöpfungskette für Elektrofahrzeuge erweitern.

Volumenproduktion beginnt 2023

So könnte ein einziges Bauteil das Erfassen der Umgebung und die Steuerung der Fahrzeugdynamik übernehmen und gleichzeitig die Leistungsstufen sicher verwalten und die Effizienz der Leistungsumwandlung verbessern. Mithilfe der Softwareaktualisierbarkeit per OTA-Update könnten Hersteller zudem beispielsweise die Energieeffizienz nachträglich optimieren und monetarisierbare Services wie das Freischalten von mehr Reichweite oder Leistung realisieren.

Das erste Produkt der Stellar-E-Serie, der Stellar SR5E1, ist für EV-On-Board-Ladegeräte (OBC) und allgemeine DC/DC-Wandler optimiert. Es wird derzeit an erste Kunden ausgeliefert. Die volle Produktion wird im Jahr 2023 beginnen.

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