Microcontrollers voor elektrische auto’s in Japan

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

Geavanceerde microcontrollers spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van hybride en volledig elektrische auto’s. Voor een hoger rendement van de elektromotor ontwikkelen Japanse bedrijven als Renesas, Fujitsu en Toshiba nieuwe generaties microcontrollers die het energieverlies in de motoren verminderen en de veiligheid vergroten. Toyota heeft ondertussen langjarige ervaring met de ontwikkeling van elektromotoren en de bijbehorende elektronische besturingssystemen opgedaan.

Inleiding

Vorig jaar werden naar schatting wereldwijd negenhonderdduizend elektrische en hybride auto’s verkocht. Dit betekent nog lang geen doorbraak in de publieke acceptatie van de “groene” auto. Het is net iets meer dan één procent van het totaal aantal verkochte nieuwe auto’s. In Japan alleen werden in 2010 vijfhonderdduizend elektrische en hybride auto’s verkocht, meer dan tien procent van het totaal. Bij elkaar opgeteld heeft Toyota nu meer dan een miljoen Priussen en Honda ongeveer 250.000 Insight hybride auto’s op de markt gebracht.

Hybride elektrische auto’s (HEVs) worden aangedreven door een combinatie van een conventionele verbrandingsmotor en een elektromotor. De elektromotor levert een belangrijke bijdrage aan vermindering van het brandstofverbruik en daarmee van de CO2-uitstoot van een auto. Bij het wegrijden vanuit stilstand, bij het rijden met lage snelheid en bij plotselinge acceleratie produceert de elektromotor extra aandrijfkracht voor de auto, wat minder brandstof kost. Wanneer de auto snelheid mindert werkt de motor als een generator die bewegingsenergie omzet in stroom die de accu oplaadt. Geheel elektrische auto’s (EVs) hebben geen verbrandingsmotor en gebruiken alleen een elektromotor voor de aandrijving en het weer opladen van de accu. Ze hebben daardoor een nog lagere CO2-uitstoot dan HEVs.

Wanneer de elektromotor draait, verbruiken elektrische auto’s veel stroom. Zij hebben daarom speciale accu’s, zoals bijvoorbeeld lithium-ion batterijen (LiBs) nodig, die honderden volts gelijkstroom kunnen produceren. Deze accu’s lijken nauwelijks nog op de conventionele loodaccu’s in auto’s met verbrandingsmotoren. De moderne accu’s zijn uitgerust met verschillende elektronische systemen die het voltage, het opladen en de warmteontwikkeling meten en regelen.

Hoe belangrijk automotive chips zijn voor de auto-industrie bleek vorig jaar na de aardbeving en tsunami in Japan. ’s Werelds grootste fabrikant Renesas Electronics* en andere Japanse bedrijven hadden flinke schade opgelopen(1). De wereldwijde toelevering stokte. Ondertussen hebben de meeste producenten hun productie weer hervat. Maar sommige niet; zo besloot het Amerikaanse Freescale Semiconductor zijn enige fabriek in Sendai in Japan te sluiten.

Elektromotor
Elektrische auto’s maken gebruik van borstelloze gelijkstroom-elektromotoren met een permanente magneet. De laatste jaren wordt veel energie gestoken in het verbeteren van het rendement van de motor. Energieverlies vermindert de prestaties van de motor. Dit energieverlies kan worden veroorzaakt door te hoog stroomverbruik van het regelsysteem, door verlies in de koperen windingen van de motor, door een toename van de stroom in de kern, door wrijving van de rotatieas of luchtweerstand. Tegenwoordig is het rendement van dit type elektromotoren tegen de negentig procent.

In 2009 toonden onderzoekers van de Tokai University aan dat zij het rendement van een 100 Watt motor konden opvoeren tot 96 percent (2). De kosten van dergelijke zeer efficiënte motoren liggen hoog, waardoor ze niet erg geschikt zijn voor massaproductie.

Automotive microcontrollers
De Japanse bedrijven Renesas, Fujitsu en Toshiba zijn belangrijke leveranciers van automotive microcontroller chips en systemen. Die worden onder andere gebruikt voor het veilig regelen van stuurbekrachtiging, transmissie, telematica, antibotssystemen en het elektrisch openen en sluiten van ramen en portieren. Ze besturen ook de elektromotoren en accu’s van elektrische auto’s. De nieuwe generatie HEVs en EVs zal sterk leunen op de ontwikkeling van nieuwe microcontrollers. Alleen met een nieuwe generatie chips kunnen autofabrikanten nog betere motorprestaties, een zuiniger energieverbruik en andere verfijningen introduceren. Veel automotive chipmakers zijn aangesloten bij AUTOSAR, dat probeert gezamenlijke normen te ontwikkelen voor een Automotive Open System Architecture.

De regelsystemen voor elektromotoren en accu’s van HEVs en EVs zijn als volgt in te delen (3):

Motor-generator regelsysteem
Het regelen van de elektromotor gebeurt met een motor-generator regelsysteem. Dit regelt de aandrijfkracht en bestuurt de motor bij het genereren van stroom voor het opladen van de accu. Het hart van dit systeem is de microcontroller unit (MCU). Die bevat geavanceerde CPUs waarop de software met motorbesturingsalgoritmen draait, timers en AC/DC en resolver-to-digital (RDC) regelfuncties voor de besturing van de motor en het genereren van stroom. Ook bevat het systeem een zogenaamde IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), die gelijkstroom in wisselstroom omzet.
Accuregelsysteem
Het regelsysteem van de accu bewaakt het nog aanwezige voltage van de accu en het oplaadproces. Elke cel van een accupakket van LiBs heeft een eigen IC dat het voltage van de cel monitort. Alle ICs staan in verbinding met de cell monitor MCU die de balans tussen de voltages van alle cellen meet. Deze MCU is weer verbonden met de centrale MCU die het voltage en het oplaadproces van de complete accu meet en regelt. Dit zijn de belangrijkste componenten van het accuregelsysteem dat verder opgebouwd is uit vermogens- en analoge componenten.
Oplaad- en DC-DC regelsysteem
Het opladen van de elektrische auto met behulp van wisselstroom in huis verloopt via het oplaad- en DC-DC step-up regelsysteem. De centrale MCU meet en regelt met behulp van een PFC (Power Factor Correction) circuit de inkomende wisselstroom en bestuurt de omvormer die de inkomende gelijkstroom omhoog brengt naar het hogere voltage van de accu.

Met grote regelmaat brengen deze bedrijven nieuwe microcontrollers op de markt, die nog slimmer en efficiënter omgaan met het energieverbruik en de prestaties van elektrische auto’s. Vectorbesturing van elektromotoren is de gangbare techniek geworden. HEVs en EVs gebruiken daardoor minder vermogen en de vermogenscomponenten in de wisselrichter kunnen kleiner gemaakt worden. Het maximum vermogen van de elektromotor kan worden verlaagd. De resolver in het motor-generatorsysteem is van een aparte analoge chip tot een on-chip RDC geworden, wat tot kostenreductie voor onderdelen zoals filters heeft geleid. Toyota heeft de laatste jaren hard gewerkt aan de IGBTs. Het bedrijf claimt dat het in 2005 als eerste IGBTs produceerde op acht inch wafers. Daarmee gingen de productiekosten omlaag, omdat een acht inch wafer meer chips kan bevatten dan de voorheen gebruikelijke vijf inch wafer.

Veiligheidseisen aan elektrische auto’s strekken zich ook uit tot de microcontrollers. Ze moeten met allerlei errors kunnen omgaan, zoals systematische fouten die het gevolg zijn van een verkeerd ontwerp, productiefouten of verkeerd onderhoud. Door een redundante CPU-architectuur te gebruiken blijft één CPU draaien wanneer de andere uitvalt als gevolg van een fout. Er zijn nu ook andere oplossingen ontworpen die gebruik maken van een enkele CPU en voldoen aan de ASILD veiligheidsstandaard voor automotive microcontrollers (4).

Toyota

Toyota Motor Corporation heeft op basis van zijn jarenlange ervaring met hybride modellen zoals de Camry en de Prius misschien wel de meest geavanceerde motoren, regelsystemen en bijbehoren vermogenselektronica ontwikkeld. De nieuwste Camry Hybrid heeft een 2,5 liter vier cilinder benzinemotor en een elektromotor met hoge koppel die gezamenlijk 151 kW leveren. De elektromotor alleen produceert 105 kW en 270Nm koppel.

Vorig jaar gaf Shinichi Sasaki, executive vice-president van Toyota Motor, aan dat microcontrollers net zoals rubber en andere materialen genormaliseerd zouden moeten worden. Vooral controllers van airbags, elektrische ramen en dergelijke lenen zich daarvoor. Op die manier zou dertig procent “gestandaardiseerd” kunnen worden. Normen voor rubber, kunststoffen en andere auto-onderdelen kunnen de kosten voor elke fabrikant verlagen en de risico’s van een tekort tijdens een ramp verminderen. Hij maakte echter een uitzondering voor de microcontrollers van het autostuur, de remmen en van de motoren, omdat die van autofabrikant tot autofabrikant verschillen. Voorlopig zijn deze microcontrollers nog uniek voor elk bedrijf (5).

–

*In 2011 had Renesas een aandeel van ongeveer veertig procent in de wereldmarkt van automotive microcontrollers. Eind maart 2012 kondigde Renesas aan dat het dochterbedrijf Renesas Northern Japan Semiconductor, dat deze controllers maakt, overdraagt aan Fuji Electric in het kader van de stroomlijning van zijn productiefaciliteiten. Renesas heeft tien fabs in Japan. Integratie en opschaling van de productieactiviteiten moet tot meer rendement leiden. Ook andere fabs moeten in staat zijn dit soort microcontrollers te maken (6).

Bronnen