Reichweite erhöhen und Systemkosten senken - Neue Mikrocontroller zur Steuerung von Traktionswechselrichtern in E-Fahrzeugen
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K O M PO N E N T E N U N D SYSTEME AKTIVE BAUELEMENTE
© NXP
Neue Mikrocontroller zur Steuerung von Traktionswechselrichtern in E-Fahrzeugen
Reichweite erhöhen
und Systemkosten senken
Der schnell wachsende Markt für Elektrofahrzeuge bringt neue Chancen und
Herausforderungen mit sich. Der Traktionsumrichter spielt dabei eine Schlüsselrol-
le. Um diesen effizient zu steuern, hat NXP mit der S32K39-Serie eine neue Fami-
lie von Mikrocontrollern entwickelt.
Brian Carlson
V
om Verbrenner zum Elektrofahrzeug Einige wenige Schlüsselkomponenten andere Systeme wie Infotainment und
– die Automobilindustrie befindet unterstützen den elektrischen Antriebs- Karosserie. Der Traktionswechselrichter
sich im Wandel. Diese Entwicklung strang, der auf einem Hochspannungs- wandelt die Gleichstromenergie der
hat mehrere Ursachen. Zum einen batteriepaket (~400–800 VDC) mit Batterie sicher in Wechselstrom um,
steigt, unterstützt durch staatliche Vor- einer typischen Kapazität von 40 bis um das Drehmoment des E-Motors für
gaben und Anreize, weltweit der Druck 200+ kW/h und einem oder mehreren die Fortbewegung des Fahrzeugs zu
zur Reduzierung der Treibhausgase. Elektromotoren basiert. Ein bordeige- steuern.
Gleichzeitig wächst bei Verbrauchern nes Ladegerät (On-Board Charger,
das Bewusstsein für und das Interes- OBC) wandelt den über eine Ladestati- Die Bedeutung des
se an den Vorteilen von Elektrofahrzeu- on empfangenen Wechselstrom in Traktionsumrichters
gen in dem Maß wie ihre Kosten ge- Gleichstrom um und steuert das Laden
ringer, ihre Reichweite größer und die der Batterie. Das Batteriemanagement- Der Traktionsumrichter ist eine ent-
Ladeinfrastruktur besser wird. Viele system (BMS) überwacht kontinuierlich scheidende Komponente, die das Herz-
Marktforscher gehen davon aus, dass den Zustand der Batterie und sorgt bei stück des Antriebsstrangs eines Elek-
bis 2030 50 Prozent der jährlich ver- einer Störung für ein sicheres Manage- trofahrzeugs darstellt und sich direkt
kauften Neufahrzeuge elektrisch sein ment. Der DC/DC-Wandler liefert niedri- auf die Batterieleistung und das Fahrer-
werden. gere Spannungen wie 12/24/48 VDC für lebnis des Endverbrauchers auswirkt.
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Bild 1: Schematische Darstellung des Traktionswechselrichters für Elektrofahrzeuge © NXP
Er ist für die sichere, präzise und effi- gen ab, zum Beispiel vom Zustand des Sie führt eine rechenintensive, feldori-
ziente Steuerung eines E-Motors ver- Gas- und Bremspedals, der elektroni- entierte Steuerung (Field-Oriented Con-
antwortlich, um Reichweite, Ansprech- schen Stabilitätskontrolle und ADAS- trol, FOC) durch, um das Drehmoment
verhalten, Laufruhe, Traktion und Hand- Funktionen wie der automatischen Not- auf der Grundlage der Rotorposition
ling zu gewährleisten. Der Traktionsum- bremsung und dem adaptiven Tempo- des Motors und dem derzeitigen Be-
richter integriert viele Technologien, um mat. Auf der Grundlage dieser Einga- darf an drei oder sechs Phasen des
Drehmomentbefehle von einem Fahr- ben berechnet die VCU Drehmoment- Wechselstroms effizient zu steuern.
zeugsteuergerät (Vehicle Control Unit, werte und sendet diese über eine CAN- Die genaue Rotorposition und Drehzahl
VCU) zu interpretieren und den E-Motor oder Ethernet-Schnittstelle an einen si- des Motors werden von einem siche-
sicher und bedarfsgerecht zu steuern. cheren Mikrocontroller (MCU) im An- ren Software-Resolver bestimmt, der
Nachfolgend wird der durchgängige triebsumrichter. Bei Elektrofahrzeugen auf intelligente Weise die Sinus- und
Echtzeit-Regelkreis betrachtet, wie er in mit mehreren Motoren kann die VCU Kosinus-Signale dekodiert. Diese wer-
Bild 1 dargestellt ist. auch eine Drehmomentvektorisierung den von einem Resolvertransformator
gewährleisten, um das Drehmoment je- erzeugt, der sich mit dem Rotor dreht.
Die Anatomie des des Motors intelligent und akkurat ein- Die drei AC-Stromphasen werden von
Traktionswechselrichters zustellen und so das Fahrverhalten und MCU-Analog-Digital-Wandlern erfasst
die Traktion zu verbessern. und abgetastet. Mit diesen Informatio-
Die Bewegung eines Fahrzeugs hängt Eine sichere, leistungsstarke MCU nen berechnet die MCU pulsbreitenmo-
von mehreren Drehmomentanforderun- ist das Gehirn der E-Motor-Steuerung. dulierte (PWM) Steuersignale, die dem
Drehmomentbedarf entsprechen, und
sendet sie an isolierte Hochspannungs-
Gate-Treiber, die Leistungsschalter
steuern, um die Gleichstromversorgung
der Batterie in Wechselstrom umzu-
wandeln.
Sechs isolierte Hochspannungs-Gate-
Treiber, einer für die Hochspannungs-
seite und einer für die Niederspan-
nungsseite für jede der drei Wechsel-
stromphasen, sorgen für die sichere
Steuerung, Überwachung und den
Schutz der Leistungsschalter, um die
Effizienz und Zuverlässigkeit zu maxi-
mieren. Zur Sicherheit sorgen sie für ei-
ne galvanische Trennung zwischen der
Niederspannungs-Steuerseite und der
Bild 2: Trends am Markt für Elektrofahrzeuge © NXP Hochspannungs-Schaltseite und entla-
www.hanser-automotive.de HANSER automotive 1/2023 27
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den den Zwischenkreiskondensator,
wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist
oder kurz vor einem Unfall steht, um ei-
nen Stromschlag zu vermeiden. Intelli-
gente Gate-Treiber können Funktionen
zur Verbesserung der Leistungseffizienz
bieten und Überwachungs- und Schutz-
schaltungen für eine schnelle Fehler-
erkennung und erhöhte Sicherheit ent-
halten.
Bei den heute verwendeten Leis-
tungsschaltern handelt es sich in der
Regel um bipolare Transistoren mit iso-
lierter Gate-Elektrode (IGBTs). Leis-
tungsschalter mit breiter Bandlücke,
wie Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-
Schalter (SiC bzw. GaN), können jedoch
erhebliche Vorteile bieten, weil sie
Schaltfrequenzen ermöglichen, die zu
einem höheren Wirkungsgrad und einer
höheren Leistungsdichte führen, sowie
kleinere unterstützende Komponenten,
die die Größe des E-Motors verringern
können. Weil die Schaltfrequenzen von
einigen 10 kHz bei IGBTs auf 100 bis Bild 4: Die Demonstration der MCU S32K39 zeigt NXP auf der embedded world 2023 in Nürnberg.
200+ kHz bei Leistungsschaltern mit © NXP
breiter Bandlücke ansteigen, werden
leistungsfähigere MCUs benötigt. E-Motoren mit einem skalierbaren An- durch Over-the-Air-Updates (OTA) aktua-
satz anbieten. Neue Mikrocontroller, lisiert und verbessert werden können.
Traktionswechselrichter verbessern Gatetreiber und Leistungsschalter kön- NXP Semiconductors hat neue Lö-
nen wichtige EV-Kennzahlen wie Batte- sungen für die Elektromobilität vorge-
Bild 2 zeigt einige der wichtigsten riekosten, Leistungsdichte und Effizienz stellt, die den Trends und Möglichkeiten
Trends auf dem Markt für Elektrofahr- verbessern und zusätzliche Sicherheits- des Marktes Rechnung tragen. Die
zeuge. Verbesserungen bei den An- funktionen bieten. Eine leistungsstärke- MCUs der Serie S32K39 sind für die
triebsumrichtern können diese Trends re Verarbeitung kann zur weiteren Kos- Steuerung von zwei Traktionswechsel-
aufgreifen, um die Akzeptanz der Ver- tensenkung von neuen Motorsteuerun- richtern optimiert und verfügen über
braucher zu erhöhen und die Zufrieden- gen wie die sensorlose Gegen-EMK- vier Arm Cortex-M7-Kerne mit 320 MHz,
heit zu steigern. Steuerung beitragen. Die Designs von die als Lockstep-Paar konfiguriert sind,
Durch den Einsatz moderner Silizium- Antriebsumrichtern können auch erwei- zwei Split-Lock-Kerne, zwei Motor-
technologien und -lösungen können Au- tert werden, um neue E/E-Zonen-Archi- steuerungs-Coprozessoren und einen
tomobilhersteller die Kosten von E-Fahr- tekturen und neue datengesteuerte, digitalen Signalprozessor. Sie können
zeugen senken, die Reichweite erhö- Software-definierte Fahrzeuge zu unter- zwei 200-kHz-Steuerschleifen unter-
hen, das Fahrerlebnis verbessern und stützen, die einen Software-definierten stützen, die sich sowohl für heutige
eine breitere Palette von Optionen für Motor schaffen und im Lauf der Zeit IGBTs als auch SiC- und GaN-Leistungs-
Bild 3: NXP S32K39: Vorteile der Dual Traction Inverter Control © NXP
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schalter nutzen lassen, um die Energie- zusätzliche Antriebsumrichter zu steu- das Fahrerlebnis auswirken. Die Unter-
effizienz zu verbessern und höhere ern. Das ist vor allem für Automobilher- stützung neuer Technologien ist der
Schaltfrequenzen zu erzielen, was die steller attraktiv, die bis zu vier E-Moto- Schlüssel zur schnelleren Skalierung
Größe, das Gewicht und die Kosten ren unterstützen wollen, um Leistung von Elektrofahrzeugen und zur Verbes-
des Motors reduziert und die Reich- und Handling zu verbessern. serung der Software-definierten Fahr-
weite erhöht. Die Nutzung von TSN ermöglicht zeuginfrastruktur, die von der Automo-
Alternativ kann ein einzelner Sechs- Zeitsynchronisation (IEEE 802.1AS- bilbranche entwickelt wird. Die
Phasen-Motor unterstützt werden, um Rev), Redundanz für Sicherheit S32K39-MCU hat NXP für die Steue-
eine höhere Zuverlässigkeit und Verfüg- (IEEE 802.1CB) und Quality-of-Service rung von Dual-Traction-Invertern opti-
barkeit zu erreichen. Das ist vor allem (IEEE 802.1Qbu und IEEE 802.1Qbv), miert (Bild 4). Diese lässt sich mit dem
für Elektrofahrzeuge mit höherer Ein- die für eine zuverlässige Steuerung im S32E-Echtzeitprozessor kombinieren,
schaltdauer, wie Mobilitätsfahrzeuge gesamten Fahrzeug und für zonale um bis zu vier E-Motoren zu skalieren
und kommerzielle Flotten, wichtig. Es Architekturen erforderlich sind. TSN ist und die Bestrebungen der Hersteller
steht genügend Prozessor-Rechenleis- unerlässlich für Echtzeitanwendungen, unterstützen, ihre Flotten vollständig zu
tung zur Verfügung, um neue, daten- die vorhersehbare Latenzzeiten und elektrifizieren. W (eck)
gesteuerte Anwendungsfälle zu reali- Bandbreiten erfordern. www.nxp.com
sieren, die für digitale Zwillinge und Halle 4A, Stand 222
maschinelles Lernen in die Cloud verla- Fazit
gert werden können, zusammen mit
OTA zur Implementierung eines Soft- Für den schnell wachsenden Elektro-
ware-definierten Motors. fahrzeugmarkt kommt dem Traktions-
Mit der analogen Integration des umrichter eine Schlüsselposition zu.
S32K39 und der Unterstützung für ei- Mit neuen MCUs, Gatetreibern und
Brian Carlson ist Director Global
nen sicheren Software-Resolver lassen Leistungsschaltern lassen sich viele Ver- Product und Solutions Marketing
sich die Systemkosten durch den Weg- besserungen erzielen, die sich direkt bei NXP Semiconductor. © NXP
fall externer diskreter Komponenten auf die Lebensdauer der Batterie und
und des Resolver-Digital-Wandlers sen-
ken. Eine S32K39-MCU lässt sich mit
dem NXP FS26 Safety System Basis
Chip (SBC) und den isolierten Hoch-
spannungs-Gate-Treibern NXP GD3162
zu einer ASIL-D-Doppel-Traktions-
umrichterlösung verbinden. Der FS26
SBC sorgt für die Stromversorgung des
Systems und die isolierte Sicherheits-
überwachung. Der GD3162-Gate-Treiber
bietet eine einstellbare dynamische
Gate-Stärke zur Anpassung an die Fahr-
bedingungen und eine PWM-Totzeit-Er-
zwingung zur Verringerung der Schalt-
verluste, um die Effizienz zu erhöhen.
Dazu kommen Fehlerschutzmechanis-
men mit einer Reaktionszeit von < 1 μs
und eine Sicherheitslogik zur aktiven
Entladung des Zwischenkreiskonden-
sators und zur Beseitigung externer
Widerstände, um die Systemkosten zu
senken.
Eine S32K39-MCU (Bild 3) lässt sich
eigenständig betreiben, um bis zu zwei
Antriebsumrichter zu steuern. Darüber
hinaus kann sie als ferngesteuerter,
intelligenter Aktuator über Time-Sensitive-
Networking-Ethernet (TSN) verwendet
werden, um in Kombination mit dem
S32E-Echtzeitprozessor von NXP drei
oder vier Motoren anzusteuern und so
als Antriebssteuerungsdomäne für
Elektrofahrzeuge zu dienen und zwei Visit us at Embedded World 2023, Nuremberg, Hall 4, Booth 4–310
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