Autor: Guo Junchao, DIAN Racing, Tongji-Universität
Hintergrund
Formula Student (FSAE) ist ein renommierter internationaler studentischer Ingenieurwettbewerb. Jedes Jahr entwerfen und bauen studentische Teams von Hochschulen weltweit einen Formel-Rennwagen-Prototyp nach dem FSAE-Reglement und treten in dynamischen Disziplinen sowie in statischen Disziplinen wie der Konstruktionsbewertung an – ein umfassender Wettbewerb in Fahrzeugkonstruktion, Teamorganisation und mehr.
Heute hat sich FSAE über einen weltweiten Ingenieur-Ausbildungswettbewerb hinaus zu einem „Versuchsfeld” für modernste Fahrzeugtechnologien entwickelt. Verteilte Antriebssysteme, Steer-by-Wire-Fahrwerke, aktive Fahrwerke und weitere fortschrittliche Technologien werden von den teilnehmenden Teams eingesetzt, um sich im zunehmend härteren Wettbewerb einen Vorsprung zu verschaffen.
(DIAN Racing DRe23)
DIAN Racing, das elektrische Formula-Student-Team der Tongji-Universität, gehört zu den ältesten FSAE-Elektroteams Chinas und steht stets an der Spitze der technologischen Innovation. Mit der Unterstützung von Infineon seit 2021 hat sich die technische Entwicklung des Teams stark verbessert. Dieses Jahr entwarf DIAN Racing mit Infineons tatkräftiger Unterstützung eine VCU (Vehicle Control Unit) der neuen Generation auf Basis des Mikrocontrollers Infineon AURIX™ TC499PP, die im DRe25 und in künftigen Fahrzeugen zum Einsatz kommen soll, um noch intensiveren Wettbewerbsanforderungen gerecht zu werden.
Unter Nutzung der leistungsstarken Rechenleistung und der reichhaltigen I/O-Ressourcen des AURIX™ TC499PP baute DIAN Racing eine „Super-VCU”, die Funktionen der Fahrwerks-, Antriebs- und Karosseriedomäne vereint und auf eine zentralisierte E/E-Architektur ausgerichtet ist – das eröffnet der technologischen Entwicklung des Teams für die nächsten fünf Jahre grenzenlose Möglichkeiten. Es ist zugleich der erste Einsatz des AURIX™ TC4x in einem FSAE-Rennwagen und liefert ein wertvolles Praxisbeispiel für den AURIX™ TC4x in der intelligenten Fahrwerksregelung, der verteilten Antriebsregelung und weiteren Bereichen.
(Erster VCU-Prototyp von DIAN Racing auf Basis des AURIX™ TC499PP)
Überblick über das VCU-Hardware-Design
Der AURIX™ TC4x ist die neueste Mikrocontroller-Generation aus Infineons AURIX™-Familie, geeignet für Anwendungen wie Domänen-Controller und Zonen-Controller-basierte E/E-Architekturen und erfüllt damit perfekt den starken Bedarf an Funktionsintegration. Der AURIX™ TC49x integriert dabei bis zu fünf TriCore™-1.8-Kerne und eine Parallel Processing Unit (PPU), die eingebettete KI-Anwendungen unterstützt. Er bietet reichhaltigere ADC- und GTM-Timer-Ressourcen und unterstützt hochauflösende PWM, DS-ADC usw. – besonders geeignet für die Sensorsignalerfassung und Fahrwerksregelung, mit denen die VCU konfrontiert ist, und damit die zentrale Wahl für die VCU der neuen Generation von DIAN Racing.
Die von DIAN Racing auf Basis des AURIX™ TC499PP entworfene VCU-Hardware erreicht eine äußerst hohe Integration und Konnektivität. Sie vereint eine große Zahl intelligenter High-Side-/Low-Side-Treiber, CAN-Transceiver, analoge Signalerfassung und weitere Hardware-Ressourcen und vollzieht damit einen Sprung von der Quantität zur Qualität. Die wichtigsten Hardware-Merkmale sind:
- 20 Kanäle analoger Signaleingang (0–5 V)
- 8 Kanäle digitaler Signaleingang
- 16 Kanäle High-Side-Treiberausgang mit max. Dauerstrom von 4 A
- 8 Kanäle High-Side-Treiberausgang mit max. Dauerstrom von 1 A (vier Kanäle unterstützen induktive Lasten)
- 4 Kanäle High-Side-Treiberausgang mit max. Dauerstrom von 20 A
- 8 Kanäle Low-Side-Treiberausgang
- 4 Kanäle 5-V-Stromausgang (150 mA/Kanal, Genauigkeit ±5 mV, als Spannungsreferenz für externe Sensoren)
- 10 CAN-Schnittstellen (alle CAN-FD-fähig, 2 unterstützen CAN-XL)
- 1 Automotive-Ethernet-Schnittstelle 1000BASE-T1
- 8 GB eMMC-Speicher
- 1 Gbit NOR-FLASH
- Integrierte IMU
- Integriertes LTE-CAT1-Mobilfunkmodul
- Integriertes GNSS-Ortungsmodul
Dank der leistungsstarken Ressourcen des AURIX™ TC499PP vereint diese VCU mehrere herkömmliche Steuergerätefunktionen in einem Gerät und vollzieht so einen „Sprung von Quantität zu Qualität” in der Hardware – ein solides Fundament für die Realisierung einer zentralisierten E/E-Architektur. Die folgende Abbildung zeigt das Hardware-Systemblockschaltbild der VCU von DIAN Racing auf Basis des AURIX™ TC499PP.
Funktionale Highlights der VCU
Unter Nutzung der starken Konnektivität, Leistung und Virtualisierungsunterstützung des AURIX™ TC49x integriert die VCU der neuen Generation von DIAN Racing mehr Steuerfunktionen und wird so wirklich zur zentralen Schaltstelle der Fahrzeugsteuerung. Sie weist Merkmale eines Zonen-Controllers und eines domänenübergreifenden Fusionscontrollers auf und kann die meisten Funktionen der Antriebs-, Fahrwerks- und Karosseriedomäne eines FSAE-Fahrzeugs übernehmen. Im Folgenden werden einige der von der neuen VCU realisierten Funktionen vorgestellt.
Fahrdynamikregelung: DIAN Racing setzt ein verteiltes Vierrad-Antriebssystem ein. Die VCU ermittelt mithilfe der integrierten IMU und des GNSS-Moduls den Fahrzeugzustand, berechnet und regelt in Echtzeit das Drehmoment jedes Radmotors und realisiert so Funktionen wie ein virtuelles Sperrdifferenzial (e-LSD), Traktionskontrolle (TC), Torque Vectoring (TV) usw.
(Architektur-Blockschaltbild der Fahrdynamikregelung)
Die hervorragende Leistung des TriCore™-1.8-Kerns der neuen Generation im AURIX™ TC4x verkürzt den Rechenzyklus der Fahrdynamik-Regelalgorithmen von 5 ms in früheren Generationen auf unter 1 ms und liefert damit eine agilere und präzisere Dynamikregelung. Zusätzlich kann das Team mit der Parallel Processing Unit (PPU) neuronale Netzmodelle im eingebetteten System ausführen und so auf maschinellem Lernen basierende Algorithmen zur Fahrzeugzustandsschätzung und Dynamikregelung ermöglichen – die Fahrzeugregelung wird intelligenter und leistungsfähiger.
(Vergleich der Drehmoment-Regelzyklen)
Hochvolt-Management: In der von DIAN Racing entworfenen VCU der neuen Generation sind auch Hochvolt-Management-Funktionen – einschließlich Batteriemanagement sowie Hochvolt-Zu- und -Abschaltmanagement – in die VCU integriert, um eine stärker zentralisierte E/E-Architektur aufzubauen. Die folgende Abbildung zeigt die in der VCU implementierten Hochvolt-Management-Funktionen und deren Systemarchitektur.
(Funktionsdiagramm des Hochvolt-Managements)
Über die Architekturoptimierung hinaus bringt die PPU des AURIX™ TC4x leistungsstarke KI-Rechenfähigkeiten mit und ermöglicht eine intelligentere Batteriezustandsschätzung (SoC und SoH) sowie Energiestrategie-Management-Algorithmen, die den Energieverbrauch wirksam verbessern, das Batteriegewicht reduzieren und so eine weitere Gewichtsoptimierung erreichen. Die gute Virtualisierungsunterstützung des AURIX™ TC4x bietet zudem eine sicherere und bequemere Plattform für die Portierung und Integration von Hochvolt-Management-Softwaremodulen.
Fahrzeug-Stromverteilung und Niedervolt-Management: In der heutigen Fahrzeugelektronik ist der Ersatz herkömmlicher Sicherungen und Relais durch eFuses und High-Side-Schalter zu einem wichtigen Trend geworden, dessen Vorteile bei Integration, Zuverlässigkeit und Sicherheit breit bestätigt sind. Mit den reichhaltigen ADC- und GTM-Timer-Ressourcen des AURIX™ TC499PP integrierte DIAN Racing eine ausreichende Zahl intelligenter High-Side-Schalter in die neue VCU und erreichte so die Elektronifizierung der Niedervolt-Stromverteilung im Fahrzeug.
(Funktionsdiagramm der Fahrzeug-Stromverteilung)
Die neue VCU verwendet die intelligenten High-Side-Schalter 2ED2410, BTT6030 und BTT6200 von Infineon, um den Anforderungen unterschiedlicher Leistungslasten gerecht zu werden. Alle High-Side-Treiberkanäle verfügen über Diagnosefunktionen wie Strommessung, Kurzschluss- und Übertemperaturschutz. In Kombination mit der hervorragenden Echtzeitfähigkeit und den reichhaltigen GTM-Timer-Ressourcen des AURIX™ TC499PP lassen sich fortgeschrittene Funktionen wie eFuse, Sanftanlauf und Konstantstromausgang realisieren – für eine intelligentere und feinere Regelung des Niedervolt-Verteilungssystems.
Fahrzeug-Gateway und Datenerfassung: Die VCU ist mit reichhaltigen CAN- und Ethernet-Schnittstellen ausgestattet. Mithilfe der Data Routing Engine (DRE) des AURIX™ TC4x kann sie Daten-Routing von CAN zu CAN und von CAN zu Ethernet realisieren und so die Gateway-Funktion des Fahrzeugs erfüllen. Mit den eMMC-5.1- und XSPI-Schnittstellen des AURIX™ TC499PP integriert die neue VCU 8 GB eMMC und 1 Gbit NOR-FLASH, um sämtliche Sensor- und Aktuatordaten aufzuzeichnen – eine starke Datengrundlage für die Analyse von Testdaten und den Aufbau von Simulationsmodellen.
Darüber hinaus lassen sich auf Basis der reichhaltigen High-Side-/Low-Side-Treiber-, Sensor- und CAN-Schnittstellen der VCU auch Funktionen wie das Thermomanagement des Fahrzeugs, die Steer-by-Wire-Regelung, die Bremslicht- und weitere vom Reglement geforderte Kontrollleuchtensteuerungen in die VCU integrieren, was die Zahl der im Fahrzeug benötigten Steuergeräte deutlich reduziert.
Ausblick
Die von DIAN Racing auf Basis des AURIX™ TC499PP entworfene VCU der neuen Generation bringt nicht nur Verbesserungen bei Leistung und Funktionalität, sondern auch eine Transformation der E/E-Architektur des FSAE-Rennwagens. Sie führt alle funktional relevanten Hardware- und Softwaremodule des E/E-Systems zu einem zusammenhängenden Ganzen zusammen und beendet die bisherige Situation, in der die Teilsysteme unabhängig voneinander arbeiteten.
Noch wichtiger: Diese VCU, die Funktionen verschiedener Fahrzeugsysteme integriert, führt im Grunde ein „zentrales Nervensystem” in den FSAE-Rennwagen ein und macht es möglich, ein intelligenteres „Gehirn” zu installieren. Über die Hochgeschwindigkeits-Gigabit-Ethernet-Schnittstelle 1000BASE-T1 kann die VCU mit Hochleistungs-Rechenplattformen interagieren. Das Verhältnis der beiden ähnelt dem von „Kleinhirn” und „Großhirn”: Die VCU interagiert direkt mit dem Fahrzeugsystem und übernimmt Ausführungs- und Echtzeitregelungsaufgaben, während die Hochleistungsplattform neuronale Netzmodelle ausführt und dem FSAE-Rennwagen Intelligenz verleiht.
Während der Entwicklung vereinfachte das von Infineon bereitgestellte umfassende Software-Ökosystem den Software-Entwicklungs- und Testprozess des Teams erheblich. Insbesondere das Simulink-Code-Generierungspaket im Software-Ökosystem des AURIX™ TC4x erlaubt es Entwicklern von Regelalgorithmen, eingebetteten Code direkt aus Regelmodellen zu erzeugen und Hardware-in-the-Loop-Tests durchzuführen, ohne sich mit komplexer Basissoftware befassen zu müssen. Künftig wird das Team dieses leistungsstarke Software-Ökosystem weiter nutzen, um Upgrade-Zyklen zu beschleunigen und die Realisierung „softwaredefinierter Rennwagen” voranzutreiben.
(Software-Ökosystem des AURIX™ TC4x)
Fazit
Mit der beständigen Unterstützung von Infineon hat DIAN Racing auf Basis des AURIX™ TC499PP eine innovative FSAE-VCU der nächsten Generation entworfen, die der künftigen technologischen Entwicklung des Teams grenzenlose Möglichkeiten eröffnet. Der Erfolg dieses Projekts setzt zugleich einen Maßstab für die Zusammenarbeit zwischen Hochschule und Industrie. Während der Entwicklung der neuen VCU von DIAN Racing leisteten Infineon und seine Partner unschätzbare technische Unterstützung beim Hardware-Design, der Leiterplattenfertigung, der Embedded-Software-Entwicklung und mehr und sicherten so den erfolgreichen Abschluss des VCU-Projekts. Diese innovative Praxis ist nicht nur ein Sprung in der technischen Leistungsfähigkeit von DIAN Racing, sondern auch ein starker Beleg für die Wirksamkeit der Zusammenarbeit zwischen Hochschule und Industrie bei der Ausbildung künftiger Fahrzeugingenieure und der Förderung technologischer Innovation.
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