Pentru a satisface liniile directoare europene de emisii de bioxid de carbon – European CO2, producătorii de automobile au investigat toate sistemele cu privire la respectarea eficienței energetice.
Chiar și cel mai mic consumator poate deveni un factor în a decide dacă o taxă de 95 EUR per 1g CO2/km trebuie să fie plătită sau nu. Unități de control ce nu sunt cerute în mod constant în prezent – la fel ca în telefoanele mobile – urmează să fie puse să lucreze în modul de economisire de curent. Două standarde de rețea concurente se luptă pentru a intra în atenția dezvoltatorului, anume rețelele numite Pretended Nework și Partial Nework. Acest articol analizează fiecare standard în ceea ce privește avantajele și dezavantajele și oferă abordări de soluție.
Provocarea – taxa pe CO2
Din 2012, toată lumea vorbește despre reglementarea Europeană în ceea ce priveşte taxarea emisiilor de CO2 ale automobilelor. Pentru automobilele vândute în Europa, ale căror emisii de CO2 depășesc limitele de reglementare, fiecare producător de automobile trebuie să plătească taxe de penalizare. Intenția din spatele acestei preocupări este de a face industria și consumatorii conștienți de costurile schimbărilor climatice și daunele asupra mediului cauzate de emisiile de CO2, printr-un preț clar. Taxa pe CO2 a determinat discuții controversate în public.
Dezbateri aprinse au urmat asupra cantității de CO2 taxate, eficacității acestei taxe sau întrebarea dacă taxa pe CO2 este totuși justificată. De fapt, taxa pe CO2 a declanșat o lungă discuție despre o problemă reală, legată de resursele limitate și de schimbările climatice. În afară de dezbaterea emoțională, mai este cale lungă de parcurs pentru a rezolva problemele. Producătorii de automobile au analizat modelele lor de autoturisme și au evaluat potențialele îmbunătățiri deja înainte de 2012. În fiecare segment constructiv, cum ar fi motorul cu combustie, aspirația aerului, rezistența la drum, până la consumatorii electrici, au fost calculate posibile îmbunătățiri și costuri aferente. Din acest punct de vedere, taxa pe CO2 motivează inovarea pentru procesele economice și utilizarea eficientă a energiei.
Reducerea CO2 prin unități de control
Acest articol se referă la rolul unități electronice de control care, asistată de microcontrolere, contribuie în mod semnificativ la reducerea consumului de energie în autovehicule. Într-un autovehicul premium tipic, sunt folosite până la 100 de unități de control – interconectate într-o rețea – pentru a ajuta la creșterea eficienței.
Unele dintre acestea sunt active chiar și atunci când un autovehicul este parcat (de exemplu, controlul ușilor și protecția anti-furt). În scopul de a evalua creșterea eficienței în acest segment, trebuie să fie revizuit lanțul complet de factori cu impact asupra eficienței (vezi figura 1).
Unul dintre cei mai mari consumatori de energie într-o unitate de control este microcontrolerul, care este alimentat de la un regulator de tensiune. Regulatorul de tensiune pentru unitatea de control este alimentat prin alternator (dinam), care la rândul său este rotit de motorul cu combustie. Acest lucru înseamnă consum de combustibil, eliminând astfel CO2. Prin urmare, mai mult curent pentru un microcontroler necesită mai mult combustibilul consumat și, în consecință, vehiculul elimină mai mult CO2.
Un model de autovehicul premium, cu 100 de unități de control a ajuns acum să emită până la 5g CO2/km, doar ca urmare a consumului de curent în partea de control electronic, fără niciun alt consumator electric, de exemplu, farurile sau ventilatorul de aer condiționat. Taxa pe CO2 prevede perceperea de 95 EURO per 1g CO2/km per autovehicul, dacă limita de greutate specifică pentru emisii de CO2 este depășită. Astfel, pentru o emisie de 5g CO2/km, un producător de autovehicule ar trebui, prin urmare, să plătească o taxa de CO2 de până la 475 EURO.
Astfel de evaluări au crescut nivelul de conștientizare chiar și pentru cel mai mic consumator de energie. Departamentele de dezvoltare au urgentat să pună unitățile de control în modul de economisire curent cât mai des posibil sau chiar să le închidă complet. Această idee a fost copiată de la laptop-uri și telefoane mobile, în care display-urile sunt oprite și frecvența procesorului este redusă în cazul în care acesta este inactiv. Desigur, consumul de curent redus este, de asemenea, cuplat întotdeauna cu o funcționalitate redusă și, în plus, timpul de revenire până când se ajunge la funcționalitatea completă este lung – la fel ca în cazul laptop-urilor. În timp ce o unitate de control a luminii pentru un trailer poate fi oprită complet, fără nicio pierdere de confort, în cazul în care niciun trailer este atașat la mașină, situația este diferită în cazul unui ventilator de aer condiționat. Prin urmare, inginerii trebuie să ia în considerare și să controleze exact atunci când o unitate de control nu este solicitată, în scopul de a economisi energie în detrimentul funcționalității acestuia.
Rețea de unități de control
Din moment ce în mașinile moderne toate unitățile de control comunică una cu alta prin intermediul unei rețele, producătorii de automobile au creat standarde care definesc cât de mult și în ce moment de timp, curentul pentru unitatea de control poate fi economisit. Un astfel de Software-Standard-Platform este, de exemplu, AUTOSAR. Ambele abordări de rețele, și anume “Partial Network” și “Pretended Network” au fost definite aici.
Comun pentru ambele abordări este că au fost specificate 2 niveluri de economisire. În Pretended Network sunt “Nivelul 1” și “Nivelul 2”, iar în Partial Network sunt “Standby” și “Sleep”. Cu cât reducerea de curent este mai ridicată, cu atât este mai lung timpul de “trezire” a unei unități de control până când își recapătă funcționalitatea completă (vezi figura 2).
Pretended Network
Pretended Network urmează așa-numita abordare a celei mai bune practici (Best Practice); curenții de aici – în comparație cu Partial Network – chiar în condiții de utilizare extrem de redusă de resurse, sunt foarte mici, în prezent sub 7mA (ținta în viitor este de sub 2mA). Limita inferioară a curentului este determinată de un transceiver standard utilizat în prezent, care, prin curentul său de 5mA are ponderea cea mai mare în curentul de așteptare totală. În special producătorii de serii mari de autovehicule apreciază avantajul că noile unități de control Pretended Network pot funcționa împreună cu unitățile mai vechi din aceeași rețea. Acest lucru reduce riscul de dezvoltare considerabil și, de asemenea, permite introducerea continuă a acestei tehnologii în cadrul modelului de generație următoare.
Timpul de trezire este considerabil mai mic decât în Partial Network, deoarece microcontrolerul nu are alimentarea întreruptă în întregime niciodată astfel încât modernele moduri de economisire a energiei de către microcontroler pot fi utilizate în mod optim.
Partial Network
Partial Network este mult mai radicală față de Pretended Network și este, de asemenea, o abordare mai scumpă. Un nou tip de transceiver de rețea inteligentă controlează unitatea de comandă în întregime. Astfel, curenți de așteptare sub 0,5mA sunt posibil de realizat, dar aceasta nu este o soluție low-cost. O implementare completă a acestui standard prevede ca toate unitățile de control dintr-o rețea trebuie să fie dotate cu transceivere de rețea inteligentă. Un alt dezavantaj, pe lângă costurile suplimentare, este că unitatea de control are timpul de trezire relativ lung din modul de economisire maximă a curentului. Acest lucru se datorează faptului că pentru microcontroler, este aproape ca un proces de pornire la rece, care poate dura până la de 10 ori mai mult ca o pornire la cald (warm-start).
Decizia: Revoluție sau Evoluție?
Fiecare producător de autovehicule trebuie să-și pună întrebarea: Revoluție sau Evoluție? Ce se alege? Partial Network sau Pretended Network – sau cu alte cuvinte – cât de mulți bani și eforturi se pot consuma pentru a atinge obiectivul, respectiv reducerea emisiilor de CO2.
Astfel, întrebarea care se pune este: nu ar fi mai bine ca resursele pentru un transceiver de rețea scump plus eforturile suplimentare necesare pentru a converti software-ul din toate unitățile de control rețea și având reacția lentă a unității de comandă în modul de salvare maximă de curent să fie cheltuite pentru ceva diferit?
Abordarea soluției: Tehnologii de Economisire a Energiei (EST – Energy Saving Technologies)
În paralel cu relativ recenta dezbatere asupra economisirii de curent datorită taxei Europene CO2, Renesas a dezvoltat mai multe tehnologii care reduc consumul de curent al microcontrolerelor.
Cele 5 soluții diferite de economisire a energiei, au fost realizate astfel:
ES-FT: “Economisirea energiei – Flash Technology”
ES-NP: “Economisirea energiei – Network Power Management”
ES-LPS: “Economisirea energiei – Low Power Sampler”
ES-PM: “Economisirea energiei – Power Modes”
ES-PS: “Economisirea energiei – Power Scaling”
Primele două dintre aceste tehnologii vor fi analizate mai atent aici, pentru punerea în aplicare în rețelele Partial Network sau Pretended Network.
Economisirea energiei prin Flash Technology (ES – FT)
Renesas a avut un mare succes în dezvoltarea actualei sale tehnologii de 40 nm pentru microcontrolere cu Flash intern, folosite în domeniul auto.
Renesas a dezvoltat tehnologia numită tranzistor indigen (indigenous transistor) pentru microcontrolerele pe 32-biți, crescând performanța și reducând în același timp consumul de curent cu 50%. Acest lucru reduce la jumătate consumul de curent în modul de operare în sine, fără a lua în considerare nicio limitare funcțională a unităților de control. Acest lucru implică o creștere a eficienței cu factorul 2, o realizare pe care doar câteva segmente din construcția de automobile ar putea fi capabile să le dubleze.
Renesas a făcut acest lucru prin optimizarea celei mai mici unități a unui microcontroler – tranzistorul. Consumul total de curent al unui tranzistor este suma curenților în regim dinamic și regim static. Curenții statici sunt determinați de curenții de scurgere care apar de îndată ce puterea este aplicată la un tranzistor. Curenții dinamici curg în timpul de comutare al tranzistoarelor, atunci când se schimbă starea logică (1 sau 0). Acești curenți sunt determinați de capacitățile interne ale tranzistoarelor. Renesas a reușit să reducă ambele tipuri de curenți prin modificarea structurii fizice a tranzistorului. Capacitatea tranzistorului intern a fost redusă prin alterarea materialului oxidant, iar prin adaptarea geometriei tranzistorului, curentul de scurgere poate fi redus cu un factor de 10. Aceste modificări, au condus de asemenea, la frecvențe mai mari de operare.
Economisirea energiei prin Network Power Management (ES-NP)
În plus, Renesas a optimizat structura digitală a microcontrolerului în așa fel încât, moduri de economisire maxime de curent pot fi utilizate în timp ce, microcontrolerul poate reacționa în continuare la semnalele externe (vezi figura 3). Acest lucru este luat în totalitate în îngrijire de către IP-uri inteligente (Periferice) fără nicio interacțiune cu CPU. Deși microcontrolerul este adormit în modul STOP, CAN-IP poate participa la comunicarea în rețea, de la sine, în această configurație. Filtrele integrate de mesaje inteligente trezesc CPU atunci când un tip de mesaj dedicat – care este configurabil – este detectat. Deoarece microcontrolerul este doar în modul STOP, este doar o chestiune de microsecunde pentru a executa o pornire de tip warm-start. După trezire, procesorul poate prelua mesajul detectat de către filtrul din CAN-IP și îl procesează.
Această configurație este optimă pentru realizarea rețelei “Pretended Network Level 2”: Renesas a testat această configurație într-o aplicație reală și a atins astfel un consum mediu de curent de 1,58mA.
Cu o astfel de configurație, consumul de curent pentru o unitate de control care anterior consumase constant 105mA, a fost redus la un nivel de 6,5mA în modul de economisire curent.
Acest lucru se traduce într-o reducere de 94%. Nu există costuri suplimentare, nicio altă unitate de control în rețea nu trebuie să fie reînnoită și unitățile de control se trezesc din modul lor actual de economisire într-un timp foarte scurt.
Aceeași configurație, cu reducerea consumului de curent similar poate fi, de asemenea, folosită pentru a imita “Modul Standby” de către o rețea Partial Network. În acest caz, trebuie să se admită și dezavantajele unei rețele parțiale descrisă mai sus și că, de exemplu, toate unitățile de control din rețea – care se presupune că suportă “Modul Standby” – trebuie adaptate.
Concluzii și Perspectivă
Există mai multe moduri de a reduce consumul de curent și acest fapt va duce la reducerea emisiilor de CO2. Renesas este de părere că o abordare care combină cele mai recente tehnologii microcontroler cu rețeaua Pretended Network este cea mai eficientă și modul cel mai puțin riscant pentru a reduce consumul de curent de unități de control în autovehicule, cu costuri rezonabile (a se vedea figura 4).
O cerință similară mai mare ar declanșa, de asemenea, o dezvoltare în continuare pentru ultimul consumator mare rămas, transceiverul CAN cu cei 5mA pe care îi consumă și, care reprezintă aproape 80% din curentul de așteptare.
Cu actualul consum de 0,5mA, unități de control care au curenți de standby de 2mA în rețeaua Pretended Network, sunt posibil de realizat păstrând în continuare toate avantajele.
Deja astăzi, Renesas produce seria de microcontrolere RH850/F1x pentru automobile, care oferă funcționalitate completă, cu un consum de curent cu 50% mai mic, iar economisirea de curent în aplicații de rețea Partial Network – sau Pretended Network este chiar mai mare, respectiv de peste 90%.
www.renesas.com