著者：同済大学DIAN Racing電動フォーミュラチーム 郭俊超
背景
大学生フォーミュラ（Formula Student/SAE、以下「FSAE」）は、国際的に有名な学生エンジニアリングコンペティションです。毎年世界各地で開催されるFSAEでは、各大学の学生チームがFSAE規則に準拠したプロトタイプフォーミュラカーを自ら設計・製造し、動的種目や設計審査などの静的種目に参加し、車両設計やチーム運営などあらゆる面で競い合います。
今日、FSAEは単なる世界的な工学教育コンテストではなく、最先端の自動車技術応用の「実験場」へと発展しています。分散駆動システム、バイワイヤシャシー、アクティブサスペンションなどの先端技術が学生チームによって競技に導入され、激化する競争の中で優位性を獲得しています。
（同済電チームDRe23レーシングカー）
同済大学DIAN Racing電動フォーミュラチーム（以下「同済電チーム」）は、国内最古のFSAE電気チームの一つとして、常に技術革新の最前線を歩んでいます。2021年にインフィニオンの強力なサポートを得て以来、チームの技術発展は大きく向上しました。今年、インフィニオンの全面的な支援の下、同済電チームはインフィニオンAURIX™ TC499PPマイクロコントローラをベースに、次世代レーシングカー用VCU（ビークルコントロールユニット）を設計し、DRe25以降のマシンに搭載して、より過酷なレースに挑む計画です。
AURIX™ TC499PPの強力な演算能力と豊富なI/Oリソースにより、同済電チームは集中型E/Eアーキテクチャを対象に、シャシードメイン、パワートレインドメイン、ボディドメインの機能を統合した「スーパーVCU」を構築し、チームの今後5年間の技術発展に無限の可能性をもたらします。また、これはAURIX™ TC4xが初めてFSAEレーシングカーに採用された事例であり、AURIX™ TC4xのインテリジェントシャシー制御や分散駆動制御などの分野での応用に貴重な実践的知見を提供します。
（同済電チームがAURIX™ TC499PPをベースに開発したVCU初代プロトタイプ実物）
VCUハードウェア設計概要
AURIX™ TC4xは、インフィニオンのAURIX™ファミリー最新世代のマイクロコントローラであり、ドメインコントローラやゾーンコントローラベースのE/Eアーキテクチャなどのアプリケーションに適しており、機能統合の強い需要に完璧に適合します。特にAURIX™ TC49xは、最大5つのTriCore™ 1.8コアと、組み込みAIアプリケーションをサポートする**並列処理ユニット（PPU）**を統合しています。また、豊富なADCおよびGTMタイマリソースを備え、高分解能PWMやDS-ADCなどの機能をサポートしており、センサ信号取得やシャシー制御のシナリオに特に適しているため、同済電チームの次世代VCUの中核として選ばれました。
AURIX™ TC499PPに基づき、同済電チームが設計したVCUハードウェアは、非常に高い集積度と接続能力を有します。多数のインテリジェントハイサイド/ローサイドドライバ、CANトランシーバ、アナログ信号取得などのハードウェアリソースを統合し、量から質への飛躍を実現しました。以下に主なハードウェア機能特性を示します。
-
20チャンネルの0～5Vアナログ信号入力
-
8チャンネルのデジタル信号入力
-
16チャンネルの最大連続4A出力ハイサイドドライバ出力
-
8チャンネルの最大連続1A出力ハイサイドドライバ出力（うち4チャンネルは誘導性負荷駆動対応）
-
4チャンネルの最大連続20A出力ハイサイドドライバ出力
-
8チャンネルのローサイドドライバ出力
-
4チャンネルの5V電源出力（150mA/チャンネル、精度±5mV、外部センサへの電圧リファレンス用）
-
10チャンネルのCANインターフェース（すべてCAN-FD対応、うち2チャンネルはCAN-XL対応）
-
1チャンネルの1000BASE-T1車載イーサネットインターフェース
-
8GBのEMMCストレージ
-
1GbitのNOR-FLASH
-
内蔵IMU
-
内蔵LTE CAT1移動通信モジュール
-
内蔵GNSS測位モジュール
AURIX™ TC499PPの強力なリソースに基づき、このVCUは従来の複数のコントローラ機能を一つに統合し、ハードウェアにおける「量から質への飛躍」を実現し、集中型E/Eアーキテクチャの実現に強固なハードウェア基盤を提供します。下図に、同済電チームがAURIX™ TC499PPをベースに設計したレーシングカーVCUのハードウェアシステムブロック図を示します。
VCU機能のハイライト
AURIX™ TC49xの優れた接続性、性能、および仮想マシンサポートにより、同済電チームが設計した次世代VCUは、より多くの制御機能を統合し、真の車両制御の中枢となります。ゾーンコントローラおよびクロスドメイン統合コントローラの特性を持ち、FSAEレーシングカーのパワートレインドメイン、シャシードメイン、ボディドメインのほとんどの機能を担うことができます。以下に、同済電チームの次世代VCUが実現する一部の注目機能を紹介します。
車両ダイナミクス制御：同済電チームは四輪分散駆動システムを採用しており、VCUは内蔵IMUおよびGNSSモジュールを介して車両状態を取得し、各ホイールモーターのトルクをリアルタイムで計算・制御することで、仮想リミテッドスリップデフ（e-LSD）、トラクションコントロール（TC）、トルクベクタリング（TV）などの機能を実現します。
（車両ダイナミクス制御システムアーキテクチャブロック図）
AURIX™ TC4xの次世代TriCore™ 1.8コアの優れた性能により、車両ダイナミクス制御アルゴリズムの実行周期が従来の5msから1ms以内に短縮され、より機敏で正確なダイナミクス制御が可能になりました。さらに、**並列処理ユニット（PPU）**により、チームは組み込みシステムでニューラルネットワークモデルを実行し、機械学習に基づく車両状態推定とダイナミクス制御アルゴリズムを実現し、よりインテリジェントで強力なレーシングカー制御を可能にします。
（トルク制御周期の比較）
高電圧管理：同済電チームが設計した次世代VCUでは、バッテリー管理や高電圧オンオフ管理を含む高電圧管理機能もVCUに統合され、より集中型のE/Eアーキテクチャを構築しています。下図にVCUに搭載された高電圧管理機能とそのシステムアーキテクチャを示します。
（高電圧管理機能概要図）
アーキテクチャの最適化に加えて、AURIX™ TC4xの並列処理ユニット（PPU）による強力なAI演算能力により、よりインテリジェントなバッテリー状態推定（SoCおよびSoH）とエネルギー戦略管理アルゴリズムが可能となり、車両のエネルギー消費効率を効果的に向上させ、バッテリー重量を削減し、さらなる軽量化を実現します。AURIX™ TC4xの優れた仮想マシンサポートは、高電圧管理ソフトウェアモジュールの移植と統合に、より安全で便利なプラットフォームを提供します。
車両全体の配電および低電圧管理：今日の自動車電子分野では、従来の機械式ヒューズやリレーを電子ヒューズやハイサイドスイッチに置き換えることが大きなトレンドであり、その高集積性、信頼性、安全性の利点は広く実証されています。AURIX™ TC499PPの豊富なADCおよびGTMタイマリソースを活用して、同済電チームは十分な数のインテリジェントハイサイドスイッチを次世代VCUに統合し、車両全体の低電圧配電の電子化を実現しました。
（車両全体の配電機能概要図）
新しいVCUでは、異なる負荷電力要件に対応するため、インフィニオンの2ED2410、BTT6030、BTT6200の3つのインテリジェントハイサイドスイッチが採用されています。すべてのハイサイドドライブチャンネルは、電流監視、短絡保護、過熱保護などの診断機能を備えており、AURIX™ TC499PPの優れたリアルタイム性と豊富なGTMタイマリソースと組み合わせることで、電子ヒューズ、ソフトスタート、定電流出力などの高度な機能を実現し、低電圧配電システムをよりインテリジェントかつきめ細かく制御します。
車両ゲートウェイとデータ収集：VCUは豊富なCANおよびイーサネットインターフェースを備え、AURIX™ TC4xの**データルーティングエンジン（DRE）**を活用して、CAN-to-CANおよびCAN-to-イーサネットのデータルーティングを実現し、車両ゲートウェイ機能を実現します。AURIX™ TC499PPが提供するEMMC5.1およびXSPIインターフェースにより、次世代VCUは8GBのEMMCおよび1GbitのNOR-FLASHストレージを統合し、すべてのセンサおよびアクチュエータデータを記録し、チームのテストデータ分析やシミュレーションモデル構築に強力なデータサポートを提供します。
さらに、VCUが備える豊富なハイサイド/ローサイドドライブインターフェース、センサインターフェース、CANインターフェースにより、車両全体の熱管理、バイワイヤシャシー制御、ブレーキランプおよび関連する競技規則で要求されるインジケータランプの制御などもVCUに統合可能であり、車両に必要なECUの数を大幅に削減できます。
今後の展望
同済電チームがAURIX™ TC499PPをベースに設計した次世代VCUは、性能と機能の向上だけでなく、FSAEレーシングカーのE/Eアーキテクチャの変革をもたらします。車両E/Eシステムのすべての機能関連のソフトウェアおよびハードウェアモジュールを有機的に統合し、従来の各サブシステムの個別運用の歴史に終止符を打ちます。
さらに重要なのは、この車両全体の各システム機能を統合したVCUは、FSAEレーシングカーに「中枢神経系」を導入するに等しく、よりインテリジェントな「脳」の搭載を可能にします。高速1000BASE-T1ギガビットイーサネットインターフェースを介して、VCUは高性能コンピューティングプラットフォームと対話できます。両者の関係は「小脳」と「大脳」のようなもので、VCUは直接車両システムと対話し、実行とリアルタイム制御タスクを処理し、高演算プラットフォームはニューラルネットワークモデルを実行し、FSAEレーシングカーにインテリジェンスを付与します。
開発プロセスにおいて、インフィニオンが提供する充実したソフトウェアエコシステムは、チームのソフトウェア開発とテストのプロセスを大幅に簡素化しました。特にAURIX™ TC4xのソフトウェアエコシステムが提供するSimulinkコード生成パッケージにより、制御アルゴリズムの開発者は複雑なベースソフトウェアを扱うことなく、制御モデルを直接組み込みコードに生成し、ハードウェアインザループテストを実施できます。今後もチームはこの強力なソフトウェアエコシステムを活用して、アップグレードとイテレーションのサイクルを加速し、「ソフトウェア定義レーシングカー」の実現を推進していきます。
（AURIX TC4xソフトウェアエコシステム）
結び
インフィニオンの確固たる支援の下、同済電チームは革新的にAURIX™ TC499PPベースの次世代FSAEレーシングカーVCUを設計し、チームの今後の技術発展に無限の可能性をもたらしました。このプロジェクトの成功は、産学連携の模範を示すものとなりました。同済電チームの次世代VCU開発プロセスにおいて、インフィニオンとそのパートナーは、ハードウェア設計、PCB製造、組み込みソフトウェア開発などの各段階で貴重な技術サポートを提供し、VCUプロジェクトの確実な完了に貢献しました。この革新的な実践は、同済電チームの技術力の飛躍であると同時に、将来の自動車人材育成と業界の技術革新を促進する上での産学連携モデルの強力な証明です。
微信公式アカウントをフォロー
英飛凌汽車電子生態圏