Konzept auf Basis von Standard-MCUs Intelligente Ansteuerung hochauflösender LED-Scheinwerfer

Intelligente Ansteuerung von Systemen mit hochauflösenden Lichtquellen.
Intelligente Ansteuerung von Systemen mit hochauflösenden Lichtquellen.

Bei Nacht außerhalb von Ortschaften dauerhaft mit Fernlicht zu fahren, ohne entgegenkommende und vorausfahrende Autofahrer zu blenden – intelligente Scheinwerfer machen es möglich. Hier spielt nicht nur die Lichtquelle eine wichtige Rolle, sondern auch die Ansteuerung.

Scheinwerfersysteme für Premium-Fahrzeuge eröffnen heute Möglichkeiten, die über den üblichen Fernlichtassistenten hinausgehen. Matrix-Scheinwerfer, die zum Beispiel von Audi und Opel für mehrere Baureihen angeboten werden, bieten bereits ein komfortables blendfreies Fernlicht durch Segmentierung des Fernlichtkegels. Von Mercedes und Porsche ist mit 84 Segmenten die derzeit größte Auflösung verfügbar. Hochaufgelöste Lichtquellen mit weit mehr Segmenten werden die Funktionalität noch einmal deutlich verbessern, entsprechende Systeme sind bereits angekündigt – von Mercedes beispielsweise unter dem Stichwort Digital Light. Solche Lichtquellen erfordern allerdings mehr Aufwand bei der Ansteuerung und damit neuartige Elektronikkonzepte.

Derzeit befinden sich mehrere Konzepte für die Einführung hochauflösender Lichtquellen (HD-Lichtquellen) in der Entwicklung. Diese basieren entweder auf direkt angesteuerten LEDs innerhalb einer Matrix (diskrete LEDs oder Single-Chip-LEDs mit Pixel-Struktur wie Eviyos [1] (vormals µAFS [2], [3]) oder nutzen Display-Technologien wie Digital Light Processing (DLP) oder LCD. All diese Systeme erfordern eine entsprechende dynamische Ansteuerung der Lichtquellen – ein Aufwand der mit wachsender Pixel-Anzahl steigt.

Bei einem Standard-LED-Scheinwerfersystem werden die Steuerbefehle zum Ein- oder Ausschalten verschiedener Lichtfunktionen üblicherweise in einem zentralen Modul erzeugt (Body Control Module, BCM). Übertragen werden sie über ein geeignetes Bussystem wie CAN zu einem Steuergerät am Scheinwerfer. In diesem Steuergerät, Frontlight Control Module (FCM), ist die Elektronik zur Ansteuerung der LEDs (Lichtstrom, Diagnose) untergebracht. Für Systeme mit HD-Lichtquellen reicht das aber nicht aus; die Ansteuerung der Matrix oder des Displays muss wenigstens zum Teil direkt in das Scheinwerfersystem integriert sein.

Das Beispiel in Bild 1 zeigt ein derartiges System mit zusätzlicher Elektronik im Scheinwerfer – das Pixel Control Module (PCM). Darüber hinaus zeigt Bild 1 auch die Verbindung zu einem weiteren zentralen Steuermodul mit Fahrerassistenzfunktionen (ADAS). Systeme für adaptives Fahrlicht (Adaptive Driving Beam, ADB) benötigen beispielsweise Daten von diesem ADAS-Modul, um Objekte im Bereich des Lichtkegels erfassen zu können.

Systempartitionierung

Für HD-Lichtquellen muss ein solches PCM-Modul eine Funktionalität beinhalten, die mit einem Display-Controller vergleichbar ist. Für Display-Technologien stehen spezielle Display-Controller für Automobil-Applikationen zur Verfügung; allerdings sind diese Bauelemente meist nicht für die rauen Umgebungsbedingungen in einem Scheinwerfer ausgelegt. So erfüllen sie beispielsweise nicht die Anforderungen an einen erweiterten Temperaturbereich.

Auf den ersten Blick erscheinen Standard-Automotive-Mikrocontroller, die zum Beispiel für raue Umgebungen wie die Motorsteuerung ausgelegt sind, nicht unbedingt als beste Alternative für den Einsatz als Display-Controller für die Bildverarbeitung. So bieten zwar einige 32-bit-Mikrocontroller die für Grafiksteuerungen erforderliche Leistung, jedoch nicht die notwendigen Schnittstellen. Die Blockdiagramme in Bild 2 und Bild 4 zeigen zwei Vorschläge für ein HD-Pixel-System auf Basis eines leistungsfähigen 32-bit-Mikrocontrollers, der den Anforderungen genügt. Aus Vereinfachungsgründen stellen die Diagramme nur den Ansteuerungspfad für die HD-Pixel dar; weitere Lichtfunktionen können entsprechend Bild 1 hinzugefügt werden.

Der Automotive-Mikrocontroller im PCM-Modul in Bild 2 kann eine oder auch mehrere HD-Pixel-Lichtquellen ansteuern. Mithilfe geeigneter Peripheriefunktionen kann er die seriellen Schnittstellen der HD-Lichtquellen bedienen. Der Mikrocontroller fungiert in diesem Fall als Grafikcontroller zur Berechnung der Lichtverteilung im Scheinwerferkegel, führt aber auch weitere Funktionen aus. Er kann parallel AUTOSAR-Software, beispielsweise für die Fahrzeugkommunikation, ausführen und deckt damit eine wichtige An¬forderung an automobile Steuergeräte ab. Sofern die Lichtquellen Diagnose-Informationen bereitstellen, wie bei Eviyos/µAFS, kann der Mikrocontroller diese Informationen aufnehmen und verarbeiten. Alle entsprechenden Komponenten und Bussysteme sind gängige Automotive-Lösungen. Der Datenfluss für dieses System ist in Bild 3 dargestellt.

Abhängig davon, ob ein schnelles Bus-Interface am Scheinwerfersystem verfügbar ist, ist auch eine andere Partitionierung denkbar, wie Bild 4 verdeutlicht. In diesem Fall kann beispielsweise ein Kamerasystem oder eine ADAS-Steuereinheit mit Sensorfusion Bilddaten direkt für das PCM bereitstellen. Die CAN-Verbindung zum BCM oder FCM bleibt dabei bestehen, um Lichtfunktionen wie das Grund- oder Nahbereichslicht und Signallicht-Funktionen zu bedienen.

Hybrid-LED Eviyos für smartes, blendfreies Scheinwerferlicht
mit mehr als 1.000 einzeln ansteuerbaren Pixeln

Der Eviyos Prototyp ist eine neuartige digitale LED-Pixellichtquelle, die nach dem Forschungsprojekt µAFS aus der Zusammenarbeit zwischen Infineon und Osram Opto Semiconductors hervorgeht. Zum ersten Mal wurde die Chip-Stapeltechnologie verwendet, bei der die Galliumnitrid-LEDs als großes Halbeiterstück auf einem digital ansteuerbaren Silizium-treiber-IC sitzen. Die einzelnen LED-Pixel mit 0,125 mm² emittieren aktuell bis zu fünf Lumen. Werden alle 1.024 Pixel auf der 4 mm² großen Leuchtfläche in Betrieb genommen, übertrifft der Lichtstrom den der bisher eingesetzten Xenon-Brenner (HID-Lampen).

Die individuelle Ansteuerbarkeit der Pixel ermöglicht Scheinwerfersysteme mit frei konfigurierbarem Scheinwerferkegel. Dies erlaubt sowohl das Ausblenden von Fahrzeugen als auch das gezielte Anleuchten von Verkehrsschildern oder Wildtieren.

Die Lichtquelle liefert neben hohen Lichtströmen von bis zu 5.000 lm auch hohe Leuchtstärken im Bereich von 80-100 cd/mm². Damit steht sie den derzeitigen diskreten LEDs in Scheinwerfern in nichts nach. Der abzudeckende Winkelbereich des Scheinwerfers kann je nach Anforderung mit einer oder mehreren Eviyos aufgespannt sein. Auch eine Kombination mit konventionellen LEDs ist denkbar, wenn der Bereich mit hoher Auflösung z.B. auf das Zentrum der Lichtverteilung beschränkt werden kann.

Zudem ist Eviyos durch die präzise Ansteuerung und Dimmbarkeit der Pixel sehr energieeffizient. Anders als passive Projektionssysteme wird Licht nur dort erzeugt, wo es gebraucht wird. Ein Leistungsbedarf von 15-20 Watt im Abblendlichtmodus ist vergleichbar mit heutigen hocheffizienten LED-Scheinwerfern.

Die Ansteuerung der Lichtquelle erfolgt über eine serielle Schnittstelle, welche die LEDs hochdynamisch 200.000-mal pro Sekunde schalten kann. Für den Serieneinsatz sind umfangreiche Diagnosemöglichkeiten implementiert. Es lassen sich z.B. die Spannung und der Status jedes einzelnen Pixels auslesen.