Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №10

Решения Partial Networking для электромобилей

Мюллер Штеффен (Muеller Steffen)  
Эленд Бернд (Elend Bernd)  

Говоря о мобильности электротранспорта, мы подразумеваем прежде всего дальность поездки. Управление энергопотреблением осуществляется и во время поездки, и при зарядке, и при парковке автомобиля. Системные требования, например, в области энергосбережения усложняют управление бортовыми сетями, что приводит к появлению новых требований к полупроводниковым устройствам. Это в первую очередь «возможность селективной активации» для реализации функции Partial Networking (PN, «частичные сети») и «более длительный период активности продукции»: так, например, цикл зарядки аккумуляторных батарей добавляется к продолжительности поездки.

Введение

Группа SWITCH, объединившая автопроизводителей и поставщиков электроники, разработала стандарт PN для физического уровня высокоскоростной шины CAN, который, как ожидается, станет расширением стандарта ISO11898. В сетях с поддержкой стандарта PN электронные блоки управления выходят из спящего режима при получении сообщения wake-up («пробуждение»). Теперь трансиверу (приемопередатчику), в отличие от действующего стандарта ISO11898-5 для устройств CAN физического уровня, необходима дополнительная функциональность для обнаружения команд wake-up. Эта функция должна работать корректно в жестких условиях эксплуатации электромобиля.

Что особенно важно для электромобилей? Чем отличаются тенденции развития бортовых сетей электромобилей от обычных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания? В какой степени здесь применимы подходы, разработанные для обычных автомобилей?

Перечислим системные проблемы электромобилей, касающиеся бортовых сетей:

  • Мобильность — предсказуемая дальность поездки, телематика, энергоэффективность, размер и вес.
  • Продолжительность активной работы и безопасность — внедрение новых встраиваемых систем, ориентированных на безопасность.
  • Сложность системы — новые источники энергии и новая трансмиссия предъявляют новые требования к сети.
  • Надежность в жестких условиях автомобильной среды — броски напряжения в силовой электронике электродвигателя.
  • Изоляция интерфейса «человек-машина» — высокие напряжения (больше 60 В постоянного тока) в сети автомобиля.

Тенденции развития бортовых сетей электромобиля

«Новые горизонты» бортовых сетей

Требования безопасности и энергосбережения в электромобилях являются основными стимулами развития архитектуры бортовых сетей. Традиционные подсистемы обычного автомобиля — это корпус, шасси и трансмиссия. Системы электромобиля в основном разделены по уровням используемого напряжения. Также учитывается необходимость изоляции и способность обеспечить надежную защиту от высоких напряжений в критических ситуациях, например при аварии. Естественно, и традиционные критерии сохраняют свое значение. Мы наблюдаем тенденцию: все больше и больше функций (таких как телематика, системы помощи водителю) реализуется в блоках управления, использующих электричество.

Увеличение продолжительности работы сетевого оборудования в дежурном режиме

Электромобиль не «спит» вообще. Его сеть никогда не отключается полностью, в то время как сети обычных автомобилей завершают свою работу в момент парковки. Кроме того, электромобиль должен быть оповещен о критической ситуации, такой как отказ системы или высоковольтной аккумуляторной батареи, авария, столкновение с другим автомобилем. В зависимости от ситуации система должна быть готова предотвратить глубокий разряд аккумуляторной батареи или ее повреждение либо отключить высоковольтную батарею от остального оборудования автомобиля в целях безопасности.

Поскольку электромобиль «заправляется» энергией из электросети [1], он должен активно взаимодействовать с энергетической сетью и, соответственно, подключаться к ней во время парковки.

Новые принципы реализации управления бортовой сетью

Управление бортовой сетью в обычных автомобилях базируется на предположении, что модули регулярно рассылают сообщения о своем состоянии. Но как это соотносится с требованием эффективного использования энергии? Мы ожидаем, что вскоре произойдет переход к «активации на основе событий», то есть включению сетевых устройств только при необходимости. А количество служебных сообщений будет сведено к минимуму.

Бортовая сеть как часть системы управления энергопотреблением

Некоторые функции электромобиля задействованы постоянно (например, мониторинг батареи, управление энергопотреблением) и определяют трафик шины. Из-за этого модули в сети CAN остаются активными даже в тех случаях, когда они не нужны для реализации вышеупомянутых функций системы. Необходим механизм, который позволит включать/выключать отдельные функции и при этом сохранять активность остальных функций и поддерживать сетевой обмен данными, оптимизированный для таких режимов, как поездка, парковка и зарядка. Когда все модули активируются трафиком шины, сбалансировать расход энергии невозможно. Это негативно сказывается на энергопотреблении и снижает дальность поездки [2]. Стандарт PN предоставляет необходимые функции, позволяющие отключать модули и быстро возобновлять их работу в случае необходимости.

Например, накануне поездки на электромобиле необходимо заранее запасти энергию в аккумуляторной батарее. Перед зарядкой батареи система вычисляет количество энергии, необходимое, чтобы доехать до места назначения. Включаются функции навигации, и система получает данные о трафике для прокладки маршрута. Когда маршрут проложен, результаты передаются через коммуникационную сеть, после чего функции навигации и приема данных о трафике отключаются. Начинается зарядка аккумуляторной батареи, работают только функции, необходимые для этой операции.

Изменение подхода к бортовым сетям: сравнение обычных автомобилей и электромобилей

При выборе архитектуры и сети (разделение областей с различным напряжением) на первый план выходят вопросы безопасности. Контроль сети становится важным средством управления энергопотреблением в автомобиле. Постоянно активными остаются только те части сети, которые предназначены для управления.

Для чего нужна система Partial Networking?

В обычных автомобилях система PN используется, как правило, модулями (функциями) обеспечения комфорта, которые должны быть сконфигурированы при запуске автомобильного двигателя, а во время поездки могут быть отключены. Предполагается, что доступ к некоторым функциям должен сохраняться, даже если зажигание обычного автомобиля выключено. Например, подъемник крышки багажника, стеклоподъемник, системы предварительного или вспомогательного обогрева и система управления люком в крыше автомобиля. Как уже говорилось, мы ожидаем, что в электромобилях этот подход изменится. Функция PN станет важной частью системы управления энергопотреблением. Простота реализации, надежность и низкие накладные расходы — вот критерии успешного использования функции PN в архитектуре электромобилей на аппаратном и программном (модуль), а также системном (сеть) уровне.

Определение

Возможность использовать определенную часть сети в заданный момент времени называется «частичной сетью» (PN). На рис. 1 зеленым цветом обозначены включенные модули, а серым — выключенные (в автомобиле справа). В CAN-сетях, соответствующих стандарту ISO11898-5, включаются все модули, если происходит обмен данными хотя бы между двумя из них (автомобиль слева). Сегодня, чтобы изменить эту ситуацию, необходимо либо отключить питание выбранного модуля, либо использовать выделенные провода для его активации. Каждый из этих вариантов требует прокладки множества проводов и не обеспечивает гибкости конфигурации. С функцией PN модули возобновляют свою работу при получении определенного сообщения по сети.

Автомобиль с системой Partial Networking и без нее

Рис. 1. Автомобиль с системой Partial Networking (справа) и без нее

Стандартизация систем Partial Networking

Немецкие автопроизводители создали группу SWITCH (Selective Wake-able and Interoperable Transceiver in CAN High-speed, селективно активируемый и совместимый трансивер для высокоскоростной шины CAN). К этой группе заинтересованных компаний присоединились другие OEM-производители и поставщики электроники, например NXP. Группа SWITCH с июля по декабрь 2010 года разработала проект расширения стандарта ISO11898, предусматривающий новый механизм активации устройств (wake-up). Его суть состоит в следующем: при обнаружении регламентированного сообщения производится сравнение принятого идентификатора с предварительно определенным, длины полученных данных с предварительно определенным значением длины, а также содержимого полей принятых данных с предварительно определенными значениями полей данных.

Архитектура трансивера Partial Networking

Для реализации функции PN необходимо модифицировать аппаратную (механизм управления) и программную (расширение для сетевого управления) части системы. Рассмотрим вначале изменения аппаратной архитектуры трансивера.

Для реализации функции селективной активации принимающая часть контроллера протокола CAN должна быть интегрирована в трансивер PN, как и генератор, который синхронизирует этот внутренний контроллер протокола. Немецкие производители автомобилей требуют обеспечить совместимость со стандартными трансиверами в корпусе SO14. Поэтому нет возможности подключить к трансиверу внешний генератор, например кварцевый или керамический резонатор. Такому внешнему компоненту нужен более высокий ток питания, чем интегрированному генератору, что противоречит поставленной задаче экономии энергии. Более того, это требует дополнительных средств и места на печатной плате. На рис. 2 представлена примерная архитектура нового трансивера.

Примерная архитектура трансивера TJA1045

Рис. 2. Примерная архитектура трансивера TJA1045 для системы Partial Networking

На самом деле все функциональные блоки за исключением трансивера должны питаться непосредственно от аккумуляторной батареи, поскольку они обязаны сохранять работоспособность и в режимах с низким энергопотреблением (дежурном и спящем), когда источник питания 5 В на соответствующем модуле отключен.

При появлении в сети команд, требующих активации трансиверов, соответствующих стандарту ISO11898-5, трансивер PN не отправляет сигнал активации на выводы RxD и INH. Однако он активирует приемник, декодер протокола, генератор, фильтр сообщений и логическую схему сравнения. Если на протяжении определенного периода сигналы от шины больше не поступают, эти блоки будут снова деактивированы. Сигнал о возобновлении работы подается на выводы RxD и INH при получении заданного сообщения wake-up.

Вообще говоря, проблема аппаратной реализации функции PN состоит в том, чтобы найти конструкцию встроенного генератора с заданной точностью, то есть с идеальной компенсацией температурного ухода, изменений напряжения питания, производственных допусков и старения — для обеспечения соответствия требованиям надежности в жестких условиях эксплуатации электромобиля.

Изменения в управлении сетью

Поскольку оборудование в системе PN модифицировано, нужно изменить и управление сетью. Это отразится на различных уровнях программной архитектуры. К примеру, шлюз должен отслеживать, какие модули были отключены специально, а какие из-за сбоя. Эти вопросы были адресованы подгруппе «Эффективное управление энергопотреблением» группы Autosar WP-1.1.1. Функциональность PN стала доступной в версии Autosar 3.2.1 [3].

На рис. 3 обобщены программные элементы, реализованные на уровне драйвера трансивера, отвечающего стандарту Autosar (слева), и дополнения, необходимые для поддержки функции PN (справа). К их числу относятся программные интерфейсы (API), пакет поддержки интерфейса SPI, описания причин для активации устройств, контейнер конфигураций PN для общей поддержки системы PN, шаблон конфигурации сообщений wake-up (идентификатор, канал передачи данных, маска, данные и т. п.), а также скорость обмена данными. Чтобы шина не переходила в состояние простоя при остановке сети, очень важно обеспечить поддержку различных последовательностей операций останова для трансиверов PN.

Стандарт Autosar Release 3.2.1

Рис. 3. Стандарт Autosar Release 3.2.1: объединение с драйвером трансивера CAN

Изменения архитектуры на уровне модуля

С введением функции PN архитектура сети CAN в автомобиле, как и аппаратная архитектура на уровне модуля, не изменяются. Трансивер PN с функцией селективной активации устройств отвечает за обнаружение в сети событий wake-up и управляет активацией стабилизаторов напряжения для всего модуля. Это аналогично работе трансивера, соответствующего стандарту ISO11898-5. На рис. 4 показано, что на уровне модуля можно легко заменить стандартный высокоскоростной трансивер CAN (например, TJA1041 или TJA1043) трансивером PN TJA1145. Однако из-за того, что конфигурирование сообщения wake-up является обязательным, трансивер TJA1145 вместо выводов ERRN (сообщение об ошибках) и STBN, EN (управление режимами) поддерживает интерфейс SPI.

Архитектура модуля для Partial Networking

Рис. 4. Архитектура модуля для Partial Networking

Преимущества перехода к Partial Networking

Система PN, не требующая новой аппаратной архитектуры сети или модуля, будет закреплена в стандарте ISO11898, а также в Autosar, она поддерживает новые функции, используемые в обычных автомобилях для повышения уровня комфорта. Кроме того, эта система отвечает новым государственным нормативам в области экономии энергии. Эти преимущества можно использовать в электромобилях для реализации надежной системы управления энергопотреблением, что в конечном итоге позволит увеличить дальность поездки без подзарядки аккумулятора.

Значение системы Partial Networking для электромобилей

Мобильность

Сегодня мы не знаем, какой в конечном итоге будет дальность поездки электромобиля без подзарядки. Интересный факт: еще в 1909 году электромобиль был способен проехать 259 км без подзарядки аккумулятора, в 1911 году — уже 324 км, а в 2009 году электромобиль Tesla Roadster преодолел рубеж в 500 км [4]. Однако уже в следующем десятилетии эксперты прогнозируют резкое повышение плотности мощности аккумуляторных батарей. Понятно без лишних объяснений, что каждый «сэкономленный» ватт означает увеличение дальности поездки электромобиля.

PN — это огромный шаг на пути к достижению энергетического баланса электромобиля. По прогнозам отраслевых специалистов, суммарная экономия электроэнергии в обычном автомобиле может достигать 70 Вт [5] — это значение можно считать точкой отсчета для электромобилей. Как подобная экономия отразится на увеличении длины пробега без подзарядки, зависит от характеристик электромобиля, а также от эффективности выбранной архитектуры.

Безопасность и продолжительность активной работы

Для электромобилей необходимо разрабатывать встраиваемые системы безопасности, совсем не такие, как в обычных автомобилях. Типичный электромобиль имеет три основных режима работы: поездка, зарядка и парковка. В режиме «парковка» у обычного автомобиля все функции отключены, а в электромобиле сохраняется активность функций безопасности. Это относится к аккумуляторной батарее, которая включена постоянно и принудительно обеспечивает нулевой ток утечки в случае отказа, чтобы не допустить повреждений вследствие глубокого разряда батареи. Еще одна причина, по которой подсистема безопасности должна быть постоянно активна, — необходимость отключения высоковольтной батареи от остальных автомобильных систем в случае аварии. В таблице приведены основные режимы работы системы и подсистем. В итоге подсистема безопасности должна проходить расширенные тесты на протяжении периода активной работы.

Таблица. Режимы работы системы и подсистем

Режим работы Двигатель Зарядное устройство Предохранитель
Поездка Х   Х
Зарядка   Х Х
Парковка     Х

Сложность системы и продолжительность активной работы

В начале работы в группе SWITCH возникла дискуссия о том, как должен быть реализован механизм PN. Наиболее реальными вариантами обнаружения сообщения wake-up считались:

  • Использование контроллера CAN, сохраняющего активность, даже когда остановлена остальная часть микроконтроллера, в состав которого он входит.
  • Добавление в схему трансивера механизма ограниченного протокола. Экспертное сообщество автопроизводителей проголосовало за второй вариант и тем самым ограничило изменения системы в целом. С учетом этого мы предполагаем, что на уровне устройства продление периода активной работы распространяется только на одно устройство — трансивер, а не на микроконтроллер, стабилизаторы напряжения, конденсаторы и т. п.

Хотя требования к периоду активной работы еще не сформулированы окончательно, первые пожелания автопроизводителей известны: увеличить втрое число тестов в активном состоянии. Это приведет к удлинению цикла разработки, а также к удорожанию конечной продукции. Однако подчеркнем еще раз: хорошо было бы ограничить количество устройств, в которые будут внесены изменения, что и предусмотрено проектом стандарта PN.

Надежность

Когда мы говорим о надежности бортовых автомобильных сетей, в основном имеем в виду электромагнитную совместимость устройств и устойчивость к помехам. В последние годы достигнут значительный прогресс в этом направлении и накоплены знания, которые будут полезны при создании трансиверов PN. Более того, группа SWITCH уже определила специальные требования электромагнитной совместимости для устройств PN. Однако некоторые эксперты считают электромобили все более значительным источником проблем электромагнитной совместимости из-за высокого напряжения и высокого тока при резких бросках напряжения, что приводит к возникновению опасных электромагнитных полей, не свойственных обычным автомобилям. Таким образом, устойчивость к импульсам ISO7637 во время работы может стать одной из новых проблем для поставщиков полупроводниковых компонентов.

Что означает надежность устройств PN в электромобилях? Есть ли у сообщений wake-up слабые места, отсутствующие в других сообщениях? Да, есть. И причина заключается в наличии двух различных каналов приема:

  • Сообщения wake-up принимаются и декодируются трансивером со встроенным генератором. Уровень энергопотребления в этом канале приема очень низкий. Линии питания, напрямую подключенные к батарее, могут подвергаться броскам напряжения.
  • При обычной работе сообщения декодируются микроконтроллером, подсоединенным к кварцевому резонатору, который является надежным источником тактовых импульсов. Приемник трансивера потребляет больше энергии, подавляет шумы и стабилизирует напряжение питания. Пока еще слишком рано сравнивать надежность «обнаружения трансивером PN сообщений wake-up» во всех реализациях концепции PN, но уже ясно, что решающим фактором является встроенный генератор и его результирующая стабильность в условиях таких возмущений, как электромагнитные поля, телефонные вызовы, допустимые отклонения тактовой частоты отправителя, а также броски напряжения при запуске двигателя. Трансивер NXP TJA1045 представляет собой интеллектуальное решение этой проблемы.

Выводы

Электромобили открывают новые возможности для повышения эффективности транспортных средств и требуют совершенствования систем управления энергопотреблением. Вопросы продолжительности активной работы устройств в электромобилях чрезвычайно важны для встраиваемых систем безопасности. Подход к организации бортовых сетей меняется: акценты смещаются от обеспечения комфорта в обычных автомобилях к управлению энергопотреблением в электромобилях.

Решения Partial Networking являются отличным средством для управления энергопотреблением. Отдельные элементы электромобиля остаются активными постоянно во всех режимах работы электромобиля: поездка, зарядка и парковка.

При разработке систем и стандартов Partial Networking необходимо решить разные вопросы, изменить стандарты для аппаратных и программных компонентов. Ключевым критерием отбора трансиверов PN будет их надежность, а также точность встроенного генератора.

Литература

  1. Sauer D. U. Auslegung von Elektrofahrzeugen und Energiemanagement im Netzverbund (Об электромобилях и управлении энергопотреблением бортовых автомобильных сетей). ZVEI Kompetenztreffen Elektromobilitat. Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена. 2009.
  2. Spannhake S. Wirkungsgradoptimierung von Elektrofahrzeugen auf Gesamtsystemebene (Эффективность оптимизации электрических транспортных средств на системном уровне). VDI Fachkonferenz Elektromobilitat. Группа компаний Robert Bosch GmbH. 2010.
  3. Bunzel S. Autosar Release News. Oct. 2010.
  4. Staretz D. Von der Historie zur Hysterie, Das Elektroauto hatte schon vor hundert Jahren seinen Welterfolg (От истории к популярности: сто лет мирового успеха электромобилей). Profil. Т. 50. 2010.
  5. Elektronik im Kraftfahrzeug (Электроника в автомобиле). VDI-Berichte 2075. ISBN 978-3-18-092075-7. 2009.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке