Mcu per veicoli ad energia solare

E-MOBILITY –

L’implementazione di microcontrollori Renesas ha semplificato lo sviluppo di un veicolo ad energia solare ad alta efficienza.

Oggi la gestione energetica è la chiave per far fronte all'incessante richiesta dell'uomo per uno stile di vita più confortevole. Eco Solar Breizh è un'associazione francese che sta sviluppando una vettura per partecipare al World Solar Challenge, che consiste nell'attraversamento dell'Australia da nord a sud a bordo di un veicolo alimentato da un'energia che deve provenire dal sole o dal recupero dell'energia cinetica del veicolo stesso. La maggior difficoltà per Eco Solar Breizh in questa ricerca è stata quella di scegliere i migliori dispositivi a semiconduttori dalla vasta offerta presente sul mercato e utilizzarli nella vettura da corsa per la gestione dell'energia proveniente dal pannello solare o dalla batteria al fine di pilotare il motore, eseguire i calcoli richiesti e gestire la comunicazione. Renesas sta attualmente fornendo una vasta gamma di soluzioni che consentono la realizzazione di sistemi intelligenti. Questo fa parte della visione Renesas riguardante la creazione di una futura "società intelligente", che è esattamente in linea con questa sfida. Le diverse soluzioni offerte coprono modalità di basso consumo "estremo" e modalità di stand-by molto efficienti, come ad esempio la modalità "snooze" presente sui microcontrollori low end a 16 bit ad alte prestazioni RL78, fino alle alte prestazioni fornite dai dispositivi a 32 bit high end RX. Grazie all'elevato numero di note applicative, agli esempi di software, alla documentazione e agli utili scambi di informazioni tramite la comunità di sviluppatori Renesas, lo sviluppo su Mcu di Renesas è risultato essere molto semplificato per il team.
Il numero di vincoli tecnici per la squadra è molteplice. Ad esempio, la struttura di carbonio del telaio non facilita le comunicazioni via wireless. È il perché sono state effettuate alcune scelte al fine di consentire più soluzioni di back-up per ogni attività o sistema. Ad esempio, l'interfaccia uomo-macchina per il pilota è stata realizzata tramite telefono con sistema operativo Android al fine di diffondere informazioni multiple, come la velocità e il livello della batteria, e permettendo anche il controllo luci. In parallelo, il comando diretto delle luci tramite i pulsanti è stato preso in considerazione durante la fase principale dello sviluppo del calcolatore elettronico. Inoltre, i limiti di dimensioni e pesi sono parametri importanti da prendere in esame. Un veicolo più pesante avrà accelerazione, frenata, comportamento in curva ed efficienza energetica peggiore rispetto a uno leggero. Naturalmente, lo sviluppo si concentra soprattutto sulla limitata energia disponibile. Per esempio, la batteria a bordo del veicolo ha una quantità limitata di energia, mentre le celle solari sono in grado di generare una quantità limitata di potenza. E in cima a tutto ciò, l'ambiente della gara è molto duro, con alte temperature che limitano la potenza che può essere utilizzata e con la necessità di resistere alle vibrazioni.

La scelta del bus Can

Il team è oggi principalmente focalizzato sull'architettura elettronica, in particolare nell'implementazione del bus Can che consentirà la trasmissione di informazioni fondamentali per il pilota. L'uso del bus Can si spiega con il fatto di avere un unico bus di comunicazione all'interno del veicolo. I vantaggi sono una significativa riduzione del cablaggio all'interno della vettura, maggiore modularità delle schede elettroniche per una loro facile sostituzione e anche l'aumento della sicurezza riguardante le informazioni che vengono trasmesse utilizzando la tensione differenziale. La struttura Can consente di avere flessibilità nello sviluppo dell'automobile. L'interesse in termini di immagine non è trascurabile, giacché questo bus viene usato nel mondo automobilistico e illustra l'idea che anche il veicolo solare può essere considerato una macchina "reale". La scelta e l'utilizzo di componenti di Renesas è quindi stata fatta in collaborazione con i suoi application engineer locali. Attraverso questa struttura a bus, le misurazioni principali includono per esempio le correnti e le temperature dei pannelli fotovoltaici, la velocità del veicolo, il carico del motore (motore Bldc elettrico) e la corrente attraverso la batteria e quindi la corrente in ciascun motore. Gran parte delle informazioni sono ricevute dal guidatore attraverso il bus Can e vengono visualizzate su un touchpad. La comunicazione tra il computer principale (l'RX di Renesas) e il tablet Android è oggi stabilita tramite Bluetooth, ma ancora una volta, il team sta lavorando su una soluzione di back-up per implementare la connettività Usb al fine di permettere la ricarica delle batterie del tablet.

L'utilizzo dell'R8C
Il microcontrollore a 16 bit R8C offre tutte le funzionalità necessarie per sviluppare una scheda elettronica modulare e adattabile. Scheda elettronica modulare significa che può gestire molte azioni differenti tra loro. Ad esempio, può misurare temperature (delle batterie e delle schede fotovoltaiche), acquisire semplici segnali, controllare le luci del veicolo solare e gestire la comunicazione. Tali azioni dipendono dalla posizione in cui il team desidera impostare questa scheda modulare nel veicolo solare. Il convertitore Adc a 10 bit, la data flash, il numero complessivo dei timer e l'interfaccia per Can bus a bordo del dispositivo consentono questa flessibilità. Tutte le schede elettroniche sono pilotate dal calcolatore principale (gestito dal micro RX) attraverso il bus Can. Questa funzionalità permette di riprogrammare l'intera elettronica di sistema da parte del calcolatore principale. Renesas fornisce a EcoSolarBreizh molti componenti per sviluppare queste schede elettroniche come microcontrollori, optoaccoppiatori e Mosfet di potenza ad alte prestazioni.

L'utilizzo dell'RX
Come calcolatore principale nel veicolo, il microcontrollore a 32 bit RX offre il miglior compromesso tra prestazioni e consumo di corrente, elemento primario e maggior vincolo nel veicolo. L'architettura superiore fornisce una potenza di calcolo di 1.65 Dmips/MHz con Fpu e Dsp, caratteristiche che permettono di arrivare fino a 165 Mips con solo 50 mA di consumo di corrente alla più alta frequenza di clock della Cpu. Questo è fondamentale all'interno del veicolo poiché il calcolatore principale è disegnato per combinare efficienza con potenza di calcolo, permettendo il trattamento di segnali e di dati. Le principali periferiche del micro RX utilizzate nel sistema Eco Solar Breizh sono Can, Uart, Usb, timer e interfaccia verso una SD card. Come descritto in precedenza, il bus Can viene utilizzato per la comunicazione tra il calcolatore principale e le diverse schede modulari R8C, il Dc/Dc-Boost Mppt (Maximum Power Point Tracker) e i due controllori di motori elettrici. I frame di dati ricevuti da ciascuna scheda periferica hanno la possibilità di essere visualizzati tramite il main controller RX su un terminale via RS232 per permettere il debug del veicolo. I timer sono usati per cadenzare l'invio di dati allo smartphone via bluetooth e anche come trigger di registrazione dei dati in un data logger. Il completo set di misurazioni viene memorizzato su una scheda SD, permettendo l'analisi dei diversi dati registrati nel veicolo dopo le prove e la gara.

L'utilizzo dell'RL78
Per quanto riguarda alcuni specifici sensori e la gestione delle informazioni, i vincoli drastici in termini di consumo di corrente hanno forzato il team ad utilizzare il microcontrollore ultra-low-power RL78 al fine di essere in grado di sviluppare sistemi autonomi che potessero utilizzare l'energia generata nel veicolo. Poiché lo sviluppo è tuttora in corso e le informazioni riservate, su questo argomento si può solo dire che è stato reso possibile grazie all'utilizzo dell'innovativa modalità "snooze" dell'RL78 di Renesas. Grazie a questa funzione, la Mcu può essere impostata per eseguire una conversione Adc periodica o a ricevere sulla porta seriale, mantenendo la Cpu in modalità di stand-by, riducendo così il consumo globale di corrente della batteria. In caso di generazione di energia, questa capacità è molto interessante in quanto offre la possibilità di analizzare o archiviare le misurazioni utilizzando l'energia cinetica del veicolo. Nello studio delle sospensioni, l'RL78G13 è stato implementato al fine di misurare il valore di sensori vincolati (che forniscono i valori relativi alle forze fisiche applicate sulla struttura). In questo sistema, non vi è alcuna batteria e l'unica fonte di energia è quella proveniente dalla sospensione stessa mediante la vibrazione meccanica. Il consumo di corrente dell'Mcu RL78 è talmente basso, combinando la modalità attiva con lo snooze mode, che permette di creare tale sistema autonomo. Le misure dei convertitori Adc a 10 bit relativi ai sensori vincolati sono attivate ogni secondo dalla periferica Real Time Clock senza bisogno di risvegliare la Cpu. Il valore letto viene poi confrontato dalla stessa periferica con dei limiti superiore e inferiore prestabiliti e presenti in 2 registri scrivibili. In questo veicolo, la configurazione è fatta per un risveglio della Cpu solo se il risultato della conversione è al di fuori di questi limiti. Come risultato, si ottiene un consumo di corrente che è un 1/10 di quello misurato usando una metodologia standard quale il normale "run mode". Per dare dei valori di riferimento, la modalità Snooze utilizza 0,5 mA rispetto ai 5 mA in modalità Run (con Adc). Nella applicazione Eco Solar Breizh un componente come RL78 risulta essere molto interessante anche per la possibilità dello stesso di funzionare con tensioni che vanno da 1,6 V a 5,5 V, e in modo particolare per essere in grado di realizzare la conversione AD a 1,6 V. Questo consente al sottosistema basato su architettura RL78 di funzionare anche se la tensione "autogenerata" è estremamente bassa. Oltre a tutto ciò vi è anche una tensione interna di riferimento analogico (1,4 Volt) che permette di ottenere misure indipendenti dalla tensione di alimentazione. Vi è poi un sensore di temperatura interno al RL78 utilizzato dal team di sviluppatori per registrare il valore della temperatura ambiente.

Il veicolo e il team di sviluppatori

Oggi, il prototipo è meccanicamente assemblato in Bretagna. La struttura in carbonio è sostanzialmente finita, i pannelli solari sono assemblati e montati, le batterie specifiche sono in fase di produzione, e il sistema di controllo del motore è sotto benchmark, compresi gli aspetti meccanici e la messa a punto del controllo elettronico. Innovazione e ricerca sono gli elementi chiave che hanno unificato il team. E anche la caratteristica della giovinezza. Dall'inizio del progetto, nel 2010, più di 75 studenti (pari a 60 mesi-uomo) hanno partecipato ai diversi sviluppi, sotto la supervisione di partner accademici e industriali come Renesas.

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