F-RAM™ für die Automobilmärkte

Einführung

Jahr für Jahr erhöht sich die Abhängigkeit der Kraftfahrzeuge von der Elektronik weiter. Einst mechanische Systeme haben sich zu elektronischen Steuergeräten (ECUs) gewandelt. Neue Sicherheits- und Unterhaltungselektroniksysteme für Kraftfahrzeuge führen zu erhöhter Komplexität und einem zunehmenden Bedarf an Ressourcen.

Überblick über elektronische Subsysteme in der Automobiltechnik

Die Elektronik in der Automobiltechnik ist aufgeteilt in unabhängige, aber miteinander verbunden Subsysteme. Jedes Subsystem ist für eine bestimmte Aufgabe zuständig und kann was Umfang und Komplexität betrifft von der einfachen Funksteuerungsschnittstelle bis zum komplexen Kollisionsvermeidungssystem reichen. Dennoch haben diese Subsysteme einige grundlegenden Strukturen gemeinsam, zum Beispiel eine Mikrocontroller-Einheit (MCU); eine Systembusschnittstelle in Form von CAN, OBD2 und seit ein paar Jahren Ethernet; Eingangssensoren und Ausgangssteuerlogik. Zudem müssen viele Subsysteme Daten sofort und kontinuierlich speichern, was Anforderungen an Leistung und Dauerfestigkeit mit sich bringt – und hier kommt der ferroelektrische RAM (F-RAM) von Cypress ins Spiel.

Abbildung 1: Elektronische Subsysteme überall im Fahrzeug

Mit dem F-RAM können Systeme Daten kontinuierlich bei voller Busgeschwindigkeit speichern, ohne dass zusätzliche Speicher oder Overheads für die Haltbarkeit der Speicher erforderlich sind. Das ist darauf zurückzuführen, dass der F-RAM sofort nicht-flüchtig ist, keine „Einwirkzeit“ zum Speichern benötigt und über eine Schreibbeständigkeit von 10¹⁴ Schreib-/Leseyklen verfügt, während die der meisten EEPROM- und FLASH-Speicher nur 10⁶ beträgt.

Viele Systeme müssen Daten speichern, dieser Artikel jedoch konzentriert sich auf diejenigen, die von den Vorteilen des F-RAM profitieren können. Eine einfache Funk-ECU beispielsweise muss vom Nutzer voreingestellte Daten und den aktuellen Zustand speichern. Die vom Nutzer voreingestellten Daten ändern sich gewöhnlich selten, oft werden sie sogar nach der Einstellung mehr oder weniger als ROM betrachtet. Der aktuelle Zustand aber ändert sich häufig, aber es ist nicht so wichtig, diese Daten wiederherzustellen, sodass es keinen Sinn macht, zu einem einfachen Funksystem nichtflüchtigen Speicher hinzuzufügen. Modernere Unterhaltungs- und Navigationssystme allerdings können Anwendungsfälle haben, bei denen die Merkmale eines F-RAM von Nutzen sind.

Dieser Artikel beleuchtet fünf Subsysteme der Automobiltechnik (Batteriemanagement, Reifendruck-Überwachung, Antiblockiersysteme, Airbag-Auslösung und Ereignisdatenschreiber) und beschreibt für jedes dieser Subsysteme die wichtigsten Funktionen, aufgrund derer die F-RAM-Produkte von Cypress dafür von Vorteil sind.

Batteriemanagement

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein elektronisches Steuersystem, das die Batteriesysteme in Elektro- und Hybridfahrzeugen überwacht und steuert. Die Hauptfunktionen dieser Systeme sind der Schutz der einzelnen Batteriezellen vor einer Beschädigung, die Verlängerung der Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen und die Echtzeit-Energieverteilung im Fahrzeug.

Das BMS überwacht die Betriebsparameter einer jeden Batteriezelle unabhängig von den anderen. Dazu zählen Zellenspannung, Zellenstrom (Lade- und Entladestrom) und die Zellentemperatur. Moderne Lithium-Ionen-Batterien verfügen über eine sehr hohe Ladungsdichte (Energiespeicherung) und eine hohe Stromaufnahme (niedriger interner Widerstand), erfordern aber eine sehr genaue Betriebsüberwachung. Eine der Hauptursachen für das Versagen von Lithium-Ionen-Zellen ist die zu starke oder zu geringe Aufladung. Deshalb ist das BMS so wichtig für alle Systeme mit Lithium-Ionen-Zellen.

In modernen Elektro- und Hybridfahrzeugen ist das BMS mit anderen Fahrzeug-Subsystemen verknüpft, z. B. mit dem Motormanagementsystem, um die Energielieferung zu steuern, mit dem Brems-Subsystem für die Gegenstrombremsung, mit Sicherheits-Subsystemen für die Abschaltung oder mit Innenraum-Subsystemen wie Kommunikation und Infotainment.

Abbildung 2 zeigt das Layout des BMS und damit verbundener Subsysteme. Das Grundsystem besteht aus einer Ausgleichseinrichtung zur Aufrechterhaltung der richtigen Ladung in jeder Zelle und einer ECU zur Überwachung der Zelle. Die ECU sammelt Temperatur- und Spannungsinformationen von den einzelnen Zellen sowie elektrische Anforderungen von anderen Subsystemen und steuert die Ausgleichseinrichtung so, dass eine gleichmäßige Ladung der Zellen beibehalten wird. Schwache Zellen werden öfter geladen und starke Zellen werden mehr für die Erfüllung von Energieanforderungen verwendet. Dadurch wird die Lebensdauer des Batteriesatzes insgesamt erhöht.

Abbildung 2: Batteriemanagementsystem

Die ECU muss sich entsprechend der verschiedenen Batterietechnologien – vor allem Lithium-Ionen und Nickelmetallhydrid – programmieren lassen. Außerdem muss das System in der Lage sein die kurzfristige Zellenleistung (über die letzten Ladezyklen) und die langfristige (Lebensdauer-)Zellenleistung zu überwachen. Dies ist für eine Maximierung der Batterielebensdauer unverzichtbar, und die kurzfristige Überwachung bis zu 60 Mal pro Sekunde ist eine ungewöhnliche Anforderung, die den F-RAM von Cypress mit seiner hohen Schreibbeständigkeit zum idealen Speicher für diese Anwendung macht.

Reifendrucküberwachung

Das Reifendruck-Überwachungssystem (TPMS) überwacht den Innendruck aller Reifen und meldet, wenn der Luftdruck bei einem Reifen zu niedrig ist. Seit 2012 müssen alle Neuwagen in Europa und den Vereinigten Staaten mit diesem Subsystem ausgestattet sein. Das System besteht aus zwei Hauptmodulen, einem drahtlosen Drucksensor und einem drahtlosen Empfänger/Datenlogger. Die Hauptanforderungen an einen Drucksensor sind, dass er keine Stromleitung benötigt und den Umgebungskräften standhält, die der Reifen auf ihn ausübt. Der F-RAM von Cypress ist aufgrund seiner Energieeffizienz ideal als Datenspeicher auf dem Sensormodul geeignet.

Der drahtlose Empfänger/Datenlogger muss Daten von allen Sensoren speichern und Alarme an den Benutzer ausgeben, wenn bestimmte Schwellenwerte erreicht werden. Dank der erhöhten Schreibbeständigkeit des F-RAM von Cypress ist eine aufwändigere Leckerkennung möglich.

Abbildung 3: Reifendrucküberwachung

Weil Druckdaten über einen längeren Zeitraum gesammelt werden, kann das TPMS nicht nur einen Niedrigdruckalarm auslösen, sondern den Nutzer auch auf einen allmählichen Druckverlust hinweisen. Auch bei der Untersuchung von Ausfällen und Unfällen ist die Reifendruckhistorie hilfreich. Abbildung 3 zeigt den grundlegenden Systemaufbau eines TPMS.

Antiblockiersysteme

Das Antiblockiersystem (ABS) soll verhindern, dass die Räder beim Bremsen blockieren. Es ist ein wichtiger Teil der Fahrzeug-Sicherheitssysteme und trägt zur Verbesserung des Brems- und Lenkverhaltens auf nassen und vereisten Straßen bei. Das System passt den Bremsdruck für jedes Rad einzeln an. Zum herkömmlichen Bremssystem kommt ein Hydroaggregat und eine ECU zur Regelung des Hydroaggregats hinzu. Das System selbst benötigt wenig nicht-flüchtigen Speicher für den Betrieb, aber wie bei der Reifendrucküberwachung kann die Aufzeichnung der Ereignisse für die Bestimmung des Unfallhergangs und der Unfallursachen sehr hilfreich sein.

Der „Durchlauf“-Zwischenspeicher, der immer jeweils die letzten Sekunden oder Minuten der Ereignisse im System speichert, muss nicht-flüchtig sein, schnell schreiben und eine gute Schreibbeständigkeit haben. Der F-RAM von Cypress erfüllt alle drei Systemanforderungen. Mit Schreibverzögerungen nahe null besteht keine Gefahr, den wichtigsten Teil der Historie zu verlieren. Mit seinen 10¹⁴ Schreib-/Lesezyklen kann der Speicher außerdem die Anforderungen an den Lebenszyklus des Systems erfüllen. Abbildung 4 zeigt den grundlegenden Aufbau eines ABS-Systems.

Abbildung 4: Antiblockiersystem

Airbag-Auslösung

Das Subsystem zur Airbag-Auslösung ist das Hauptsystem einer Klasse von Subsystemen, die als zusätzliche Rückhaltesysteme oder „Supplemental Restraint Systems“ (SRS) bezeichnet werden. SRS werden in Verbindung mit herkömmlichen Rückhaltesystemen wie Sicherheitsgurten eingesetzt und bestehen aus zwei Hauptbestandteilen: einem aufblasbaren Kunststoffsack und einem Aufprallsensor/Beschleunigungsmesser. Die erforderliche Leistung zum Aufblasen des Sacks im Falle eines Unfalls liefert ein Druckgasbehälter. Dies macht den Airbag zu einem nur einmal einsetzbaren System, das zudem andere Fahrzeugkomponenten zerstört. Deshalb ist die Auslösung eines Airbags teuer.

Abbildung 5: Airbag-Auslösung

Aufgrund der Sicherheitsanforderungen und der Wiederbeschaffungskosten haben Hersteller verschiedene zusätzliche Sensoren integriert, um die Person im Sitz zu überwachen und aufzuzeichnen. Dazu gehört ein Drucksensor zur Sitzbelegungserkennung, der zur Aktivierung des Airbag-Subsystems verwendet wird, sowie verschiedene Positionssensoren, die das Airbag-System effektiver machen. Die Positionsdaten werden kontinuierlich aktualisiert und müssen bis zum Auslösezeitpunkt und sogar darüber hinaus gespeichert werden. Weil eine kontinuierliche Aufzeichnung von Positionsdaten und deren Aufzeichnung in einem nicht-flüchtigen Speicher erforderlich sind, sind die energieeffizienten Hochleistungs-F-RAMs von Cypress mit ihrer hohen Schreibbeständigkeit die ideale Lösung.

Ereignisdatenschreiber

Ein Ereignisdatenschreiber (EDR) ist ein Subsystem zur Überwachung und Aufzeichnung von Informationen zum Fahrzeugbetrieb vor und nach einem Aufprall. Das auch als Blackbox bezeichnete System ist ein eigenständiges System, das Verbindungen zu anderen Subsystemen herstellt und Daten dieser Subsysteme in einem „nachlaufenden“ Ereignisprotokoll überwacht.

Das EDR-Subsystem besteht aus zwei Hauptblöcken: einer Netzwerkschnittstelle und einem nicht-flüchtigen Speicher. Seit 2014 müssen die meisten Fahrzeuge in den USA einen Ereignisdatenschreiber enthalten. Weil Daten von so vielen Subsystemen im Fahrzeug gespeichert werden müssen, sind die Schreib-Performance des nicht-flüchtigen Speichers und die direkte Speicheradressierung entscheidend.

Die meisten EEPROM- und Flash-Speicher haben eine Schreibverzögerung von 5 Millisekunden, während der die Komponente nicht zugänglich ist, und ein Stromausfall kann dazu führen, dass dann diese Daten verloren gehen. Der F-RAM von Cypress hat zero Schreibverzögerung; das heißt, die Komponente ist vor dem nächsten Bustakt an der Schnittstelle schon fertig. Viele andere nicht-flüchtige Speicher benötigen außerdem ein „Lese-Modifizier-Schreib-Verfahren“ zum speichern eines einzigen Datenbytes, während der F-RAM von Cypress direkt byte-adressierbar ist. sodass die Daten nach dem Schreiben nicht mehr modifiziert werden.

Navigation und Infotainment

Navigationssysteme werden verwendet, um für den Fahrer Fahrziele zu orten und Routen zu erstellen. Die meisten Navigationssysteme verwenden Signale des Global Positioning System (GPS) und elektronische Karten, um die Fahrer zu ihrem Fahrziel zu leiten.

Navigationssysteme müssen beim Hochfahren die Ortsdaten vom letzten Einschaltzyklus verwenden können, um die Fahrzeugposition zu ermitteln, wenn das GPS vorübergehend aufgrund von Gebäuden oder anderen Hindernissen nicht verfügbar ist. In dieser Situation ist das System neben anderen Sensoren wie Geschwindigkeits- und Richtungssensoren darauf angewiesen, einen Startpunkt des Fahrzeugs zu kennen, um seine Position zu berechnen.

Abbildung 6: Navigation

Das Navigationssystem ist oft in das Entertainmentsystem des Fahrzeugs integriert, damit es auf das Audiosystem und Display des Fahrzeugs zugreifen kann. Dieses Kombisystem wird dann als Infotainment-System bezeichnet. Der Hauptvorteil dieser Kombination liegt auf der Hand. Beide Systeme benötigen ein beträchtliches Ausmaß an Fahrer-Interaktion, insbesondere das Audiosystem. Werden die Systeme kombiniert, kann das Navigationssystem leicht auf das Audiosystem zugreifen und die Wiedergabe unterbrechen, um dem Fahrer wichtige Informationen zu übermitteln.

Abbildung 7: Infotainment

Motorsteuermodul

Das Motorsteuermodul (ECM) ist das leistungsstärkste und teuerste Subsystem moderner Fahrzeuge. Es regelt im Allgemeinen alle Aspekte der Energieerzeugung und -verteilung im Fahrzeug. Das ECM besteht in der Regel aus einem 32-Bit-Mikrocontroller, der mit Geschwindigkeiten von über 100 MHz und mehreren Megabyte Systemspeicher läuft, verschiedenen Netzwerkschnittstellen für den Zugriff auf andere Subsysteme und Dutzenden von Eingangs- und Ausgangssteuerungen. Benutzereingaben von verschiedenen Bedienelementen werden zusammen mit Daten zum aktuellen Zustand des Motors in ein Motorsteuermodul eingegeben, das die Motorkomponenten steuert.

Bevor es elektronische ECMs gab, musste der Konstrukteur das Motorverhalten im Rahmen der Entwicklung abstimmen, aber mit der Einführung moderner ECMs wird das Motorverhalten in Echtzeit angepasst und ermöglicht dem Benutzer die Anwendung verschiedener Performance-Profile. Weil das ECM zu einer Echtzeitanpassung fähig ist, werden Motorleistung und Wirkungsgrad stark verbessert.

Abbildung 8: Motorsteuermodul

Die Vorteile des F-RAM von Cypress liegen darin, wie das System seinen Istzustand aufzeichnet. Weil einige Komponenten verschleißen, ermöglicht die Speicherung des Istzustands in einem nicht-flüchtigen Speicher dem System einen effektiven Betrieb ab dem Einschaltzeitpunkt; und weil das System nicht weiß, wann die Stromversorgung entfällt, muss es den Zustand des Systems kontinuierlich aufzeichnen, und dazu wird die hohe Schreibbeständigkeit des F-RAM benötigt.

Fahrerassistenzsysteme

Das automatische Fahrerassistenzsystem (ADAS) ist eine Sammlung von Sicherheitssystemen, die einen Beitrag dazu leisten sollen, dass ein Fahrzeug keinen Unfall hat. Zu diesen Systemen gehören der Notbremsassistent (AEB), die Fahrspurerkennung (LDW) und der Abstandsregeltempomat (ACC), die alle Echtzeitdaten aufzeichnen und speichern müssen.

Die drei Systeme nutzen eine Form der Bilderzeugung in Fahrtrichtung – entweder optisch oder mit Radar –, um zu erfassen, ob sich das Fahrzeug im Rahmen der Sicherheitsrichtlinien befindet. Beim ACC wird Radar verwendet, um einen Mindestabstand vor dem Fahrzeug aufrecht zu halten. Beim AEB wird mit Radar erfasst, ob das Fahrzeug zu schnell auf ein Hindernis zu fährt, und entsprechend abgebremst. Bei der LDW werden die Fahrspuren vor dem Fahrzeug mithilfe einer Frontkamera erfasst, um festzustellen, ob das Fahrzeug aus der Spur driftet.

F-RAM-Matrix für Automobiltechnikanwendungen

Der F-RAM von Cypress verfügt über drei Hauptvorteile gegenüber EEPROM- und Flash-Speichern, die zur Ermittlung der spezifischen Anwendungen verwendet werden sollten:

• Der F-RAM ist sofort nicht-flüchtig, sodass er die perfekte Lösung für Anwendungen mit präzisen Timing-Anforderungen darstellt, bei denen die wichtigsten Daten oft durch einen Systemausfall gefährdet sind – zum Beispiel Datenlogger.
• Der F-RAM hat eine Schreibbeständigkeit von 10¹⁴ Schreib-/Lesezyklen gegenüber 10⁶ für EEPROM- und 10⁵ für Flash-Speicher und ist dadurch ideal für „nachlaufende“ Datenlogger, in die kontinuierlich geschrieben wird.
• Der F-RAM ist energieeffizient und somit für Anwendungen geeignet, die über unabhängige Energiequellen wie Batterien oder Kondensatoren verfügen.

Darüber hinaus ist der F-RAM widerstandsfähiger gegenüber Außentemperaturen. Seine Schreibbeständigkeit und Datenhaltung werden von steigenden Betriebstemperaturen weniger beeinträchtigt. Viele Angaben zur EEPROM-Schreibbeständigkeit gelten für Temperaturen von 85 °C, sodass sie für die Automobiltechnik, wo 125 °C erforderlich sind, ungeeignet sind. Bei 125 °C sinkt die EEPROM-Schreibbeständigkeit auf 10⁵.

Tabelle 1 zeigt das F-RAM-Angebot von Cypress mit den wichtigsten Parametern.

Teilenummer	Dichte	E/A	Spannung	Temperatur	E/A-Geschwindigkeit	Schreibbeständigkeit:	Datenhaltung bei 85° C
CY15B128J-SXA	128 Kb	I²C	2 V bis 3,6 V	-40 °C bis 85 °C	3,4 MHz	1014	100 Jahre
CY15B256J-SXA	256 Kb	I²C	2 V bis 3,6 V	-40 °C bis 85 °C	1 MHz	1014	100 Jahre
FM24CL64B-GA	64 Kb	I²C	3 V bis 3,6 V	-40 °C bis 125 °C	1 MHz	1014	100 Jahre
CY15B102Q-SXE	2048 Kb	SPI	2 V bis 3,6 V	-40 °C bis 125 °C	20 MHz	1014	100 Jahre
CY15B128Q-SXA	128 Kb	SPI	2 V bis 3,6 V	-40 °C bis 85 °C	40 MHz	1014	100 Jahre
CY15B256Q-SXA	256 Kb	SPI	2 V bis 3,6 V	-40 °C bis 85 °C	40 MHz	1014	100 Jahre
FM25040B-GA	4 Kb	SPI	4,5 V bis 5,5 V	-40 °C bis 125 °C	14 MHz	1014	100 Jahre
FM25640B-GA	64 Kb	SPI	4,5 V bis 5,5 V	-40 °C bis 125 °C	4 MHz	1014	100 Jahre
FM25C160B-GA	16 Kb	SPI	4,5 V bis 5,5 V	-40 °C bis 125 °C	15 MHz	1014	100 Jahre
FM25CL64B-GA	64 Kb	SPI	3 V bis 3,6 V	-40 °C bis 125 °C	16 MHz	1014	100 Jahre
FM25L04B-GA	4 Kb	SPI	3 V bis 3,6 V	-40 °C bis 125 °C	10 MHz	1014	100 Jahre

Tabelle 1: F-RAM-Produktlinie für die Automobiltechnik von Cypress

Wichtigste Anwendungen für F-RAM

Zusammenfassend lässt sich der F-RAM als energieeffiziente, byte-adressierbare, nicht-flüchtige Speichertechnologie mit hoher Schreibbeständigkeit ohne Schreibverzögerungen bezeichnen. Ideale Kandidaten für diese Technologie sind Systeme, die einen nicht-flüchtigen Speicher benötigen und die Vorteile der hohen Schreibbeständigkeit oder Schreibgeschwindigkeit des F-RAM nutzen können.

Anwendungen, in denen die Schreibbeständigkeit von Bedeutung ist, sind zeitbasierte Datenlogger, die Daten vor und sogar nach einem Ereignis aufzeichnen und speichern müssen. Dies sind beispielsweise Unfallaufzeichung, Abstandsregeltempomat, Airbag-Logger, Notbremsassistent, Batteriemanagement, Motorsteuerung, Ereignisdatenschreiber und Reifendrucküberwachung.

Anwendungen in denen die Schreibgeschwindigkeit wichtig ist, sind diejenigen, in denen die wichtigsten Daten die von dem Moment sind, in dem das System ausfällt. Dazu zählen unter anderem Unfallaufzeichnung, Batteriemanagement, Reifendrucküberwachung, Navigation und Motorsteuerung.