Brennstoffzellenantrieb voraus
Poleposition mit Wasserstoff
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Central Processing Stack (CPS)
Der CPS ist das Gehirn des Forze 9. Hier werden alle Daten, die im gesamten Fahrzeug anfallen, gesammelt und entsprechend verarbeitet. Der CPS besteht aus acht Platinen, die übereinander gestapelt sind. Jede Platine trägt einen Arm-Cortex-M7-Mikroprozessor, genauer gesagt ein i.MX-RT1062-OEM-Board, das wiederum von Embedded Artists hergestellt wurde. Außerdem erhält jede Trägerplatine Zugriff auf eine Modulplatine, die aufgabenspezifische Schaltungen enthält. Diese Module werden von der Seite in den Steckverbinder auf der Trägerplatine geschoben. Intern verwenden die CPS-Kerne einen CAN-FD-Bus zur Kommunikation.
Jeder Knoten im CPS hat seine eigenen Tasks und auf jedem Kern wird ein anderer Code ausgeführt. Die Liste im Kasten »Die embOS-gesteuerten Knoten und ihre Aufgaben im Forze 9« auf Seite 26 beschreibt jeden Knoten und dessen Aufgaben in Kürze. Bild 5 zeigt einen Prototyp des CPS.
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Distributed Interfacing Node (DIN)
Die DINs (Bild 6) sind im Wesentlichen das Nervensystem des Fahrzeugs. Die DINs sind generische Knoten, die im ganzen Auto verstreut sind und mit einem der vier CAN-Busse, den verschiedenen Sensoren und den Aktoren verbunden sind. Im Wesentlichen sendet das CPS beim Starten eine Konfiguration an die DINs, was bedeutet, dass jedes DIN denselben Code ausführt. Die DINs besitzen vier übereinander gestapelte Platinen. Sie haben auch einen Cortex-M4-Kern, wie er im Forze 8 verwendet wird. Derzeit werden die ersten DIN-Prototypen zusammengebaut und für den Test vorbereitet.
Nibble-Knoten
Während der Entwurfsphase wurde festgestellt, dass es einige Technologien gibt, die nur von wenigen Komponenten verwendet werden (zum Beispiel LIN, isoSPI). Da es sich bei den DINs um generische Knoten handelt, würde das Weglassen dieser Technologien insgesamt viel Platz einsparen. Zu diesem Zweck wurden die Nibbles entworfen (Bild 7).
Bei den Nibbles handelt es sich im Wesentlichen um sehr kleine Single-PCB-Knoten mit einem einfachen Arm-Cortex-M0-Kern, der als »Übersetzer« fungiert. Die Nibbles sind mit einem CAN-Bus verbunden, und wenn beispielsweise eine bestimmte Komponente mit LIN interagiert, wird diese Nachricht auf eine CAN-Nachricht abgebildet.
Forze 9 erreicht 300 km/h
Neben den Verbesserungen am Embedded-System hat das Forze-Team einige interessante Innovationen auf Fahrzeugebene entwickelt. Als Ergebnis wird erwartet, dass der Forze 9 eine Höchstgeschwindigkeit von 300 km/h erreicht.
Das Entwicklerteam hat einen cleveren Weg gefunden, kinetische Energie auf den Geraden zurückzugewinnen. Diese Energie wird in einem Puffer gespeichert, wenn das Auto in eine Kurve einlenkt. Wenn das Auto aus der Kurve herausfährt, wird die Energie wieder in Geschwindigkeit umgewandelt. Das ist ein riesiger Vorteil im Vergleich zu »normalen« Verbrennerautos.
Neu beim Forze 9 sind auch der Allradantrieb und die Technik, die dafür sorgt, dass alle vier Räder unabhängig voneinander angetrieben werden können. So drehen sich in einer Kurve die äußeren Räder ein wenig schneller als die inneren. Dadurch werden die Kräfte, die die Räder auf die Straße ausüben, viel besser verteilt.
Außerdem bekommt der Forze 9 zwei sogenannte Balance of Plants, also zwei Brennstoffzellensysteme anstatt eines Systems. Und dieses Auto bekommt zwei solche Aggregate, weil sich dadurch technische Vorteile ergeben. Das Forze-Team steckt sein ganzes Wissen in die Entwicklung der ersten Balance of Plant, die ausgiebig getestet und weiterentwickelt wird. Diese optimierte Stromquelle wird dann »nur« noch vervielfältigt.
Nach seiner Fertigstellung soll der Forze 9 der schnellste Brennstoffzellen-Elektrorennwagen der Welt sein und einen Durchbruch im nachhaltigen Rennsport darstellen. Der Forze 9 wird sich durch eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in weniger als drei Sekunden auszeichnen. Der 1500 kg schwere Forze 9 wird mit zwei Brennstoffzellensystemen mit einer Gesamtleistung von 240 kW und einem Akkumulator mit einer maximalen Boost-Leistung von 600 kW ausgestattet sein.
Die embOS-gesteuerten Knoten und ihre Aufgaben im Forze 8
Dashboard-Knoten (Master): Führt das Master-FSM aus, bestimmt den Zustand des Autos. Führt auch die Fahrerschnittstelle aus (Armaturenbrett, Lenkrad und Pedalbox).
High-Side-Knoten: Steuert alle Hochspannungssysteme auf der Hochspannungsseite des HV-DC/DC-Wandlers. Die Akkumulatorseite überwacht Spannungen, Ströme, Temperatur und Isolationswiderstand im HV-System, einschließlich Akkumulator, und schaltet Schütze in der HSJB- und RESS-Erweiterung.
Knoten der Niederspannungsseite: Steuert alle Hochspannungssysteme auf der Brennstoffzellenseite des HV-DC/DC-Wandlers.
Anoden-Knoten: Steuert alle Systeme auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (die Seite, auf der der Wasserstoff zugeführt wird).
Kathoden-Knoten: Steuert alle Systeme auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (die Seite, auf der Sauerstoff zugeführt wird).
Frontknoten: Schnittstellen zu Fahrdynamiksensoren (Federungselemente, Bremstemperatur usw.) und Fahrerunterstützungssystemen (GPS, ABS, Servolenkung usw.).
Hinterer Knoten: Schnittstellen mit fahrdynamischen Sensoren (Aufhängungselemente, Bremstemperatur usw.) und Motorsteuerungen.
Datenerfassungsknoten: Liefert Telemetrie und Logging auf eine SD-Karte, die über USB ausgelesen werden kann.
Telemetrieknoten: Enthält ein Modem, das mit Funkfrequenzen arbeitet und die vom Fahrzeug erzeugten Daten drahtlos und in Echtzeit sendet.
Die embOS-gesteuerten Knoten und ihre Aufgaben im Forze 9
Init A&B: sorgt für die Initialisierung der CAN-Busse A und B, filtert die für die anderen Cores bestimmten Nachrichten heraus und sorgt für die Ansteuerung der größeren Devices an diesen Bussen.
Init C&D: wie zuvor, jedoch für die CAN-Busse C und D.
FSM: führt die Finite State Machine (FSM) aus, die das Fahrzeug steuert.
Control FC: führt die Steuerung der Brennstoffzelle aus.
Steuerung TC: führt die Steuerung der Traktion aus.
UHF-Telemetrie: stellt die Steuerung für die UHF-Telemetrie mit mittlerer Reichweite bereit.
4G: stellt die Steuerung für die 4G-Telemetrie bereit.
Wifi: stellt die Steuerung für die Wifi-Kommunikation bereit.
Die verschiedenen verwendeten Module sind wie folgt:
Diagnostics: enthält Sieben-Segment-Anzeigen, um den Status des CPS anzuzeigen (sitzt oben und ist nicht mit einer Trägerplatine verbunden).
CAN A/B: stellt die Kommunikation und Isolierung für die CAN-Busse A und B bereit.
CAN C/D: dasselbe für die C- und D-Busse.
Batterie-Management-System: enthält die Batterien für die Notstromversorgung und verwaltet das Aufladen.
Power: Versorgt das CPS entweder über den USB-C-Anschluss oder die Schienen mit elektrischer Ernergie.
Lüfter: kühlt das CPS.
UHF-Telemetrie: stellt das Funk-Device für die
UHF-Kommunikation bereit.
4G Raspberry Pi: stellt einen Raspberry Pi 4 CM und ein 4G-Modem für die 4G-Kommunikation bereit.
Wifi Raspberry Pi: stellt einen Raspberry Pi 4 CM für die Wifi-Kommunikation bereit.
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