Wer an E-Fahrzeuge denkt, stellt sich in der Regel ein Produkt vor, in dem modernste Technologie verbaut ist. Diesem Anspruch sollte auch die Ladeklappe genügen. Denn das Aufladen ist ein unvermeidbarer Vorgang, der im Alltag häufig vorkommt. Dieser sollte nicht nur sicher, sondern auch so komfortabel wie möglich sein.
Die Ladeklappe spielt hier eine entscheidende Rolle, weil sie dem Ladevorgang zunächst „im Weg“ steht. Doch sie ist nötig, um den Ladeanschluss vor Umwelteinflüssen und anderen äußeren Einwirkungen zu schützen und seine Lebensdauer zu verlängern. Neben den manuell zu bedienenden Abdeckungen, die bei herkömmlichen Fahrzeugen im Markt dominierend sind, gibt es gerade bei elektrischen Fahrzeugen immer mehr elektrische Ladeklappen. Hier bietet es sich an, diese mit optischen und funktionalen Details aufzuwerten (Bild 1).
Beleuchtung verbessert das Laden in der Dunkelheit
Bei Ladevorgängen in der Dämmerung oder Dunkelheit erleichtert eine Lichtquelle direkt am Ladeanschluss das Einstecken des Ladesteckers erheblich. Hierfür empfehlen sich energieeffiziente LEDs, die viel Gestaltungsfreiheit lassen. So können mit Farbe und Form der LED-Anzeige auch Informationen über den Ladevorgang und den Ladestand der Batterie angezeigt werden. Um solche Funktionen umzusetzen, benötigen LEDs dedizierte Treiber-ICs, über die Farben und Helligkeit der LEDs gesteuert werden.
Ein solcher Treiber für RGB- und RGBW-LEDs ist z. B. der E521.39 von Elmos (Bild 2). Als Ein-Chip-Lösung verfügt er über einen integrierten Mikrocontroller mit Flash-Speicher sowie einen LIN-Transceiver und vier integrierte Stromquellen. Der LED-Treiber unterstützt die LIN-Autoadressierung. Jeder der vier Treiber kann externe Lasten mit einer Stromstärke von bis zu 60 mA treiben. Damit bietet der E521.39 aktuell den höchsten Ausgangsstrom pro Kanal auf dem Markt. Für jeden Kanal steht ein Pulsweitenmodulation- (PWM) Generator mit einer Auflösung von 16 Bit zur Verfügung. Über seine LIN-Schnittstelle lässt sich für jeden Ausgang das PWM-Tastverhältnis individuell einstellen. Eine Temperatur- und Spannungskompensation stellt sicher, dass die eingestellte Farbe der RGB-LEDs eingehalten wird. So ausgestattet, ermöglicht der E521.39 stabile Ausgangsfarben bei allen Witterungsbedingungen sowie unterschiedliche Farben je nach Ladezustand des Fahrzeugs.
Der typische Stromverbrauch des Treibers liegt im Schlafmodus bei 15 - 30 μA über den gesamten Temperaturbereich. Für den Automotive-Einsatz wird der erforderliche Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C eingehalten (AEC-Q100-Qualifizierung).
Berührungslose Steuerung
Ob man die Hände voll hat oder sie nicht schmutzig machen möchte – das berührungslose Öffnen und Schließen der Ladeklappe kann ein weiterer echter USP für den Endkunden sein.
Der Controller E909.21 von Elmos Semiconductor ermöglicht dabei sogar die Erkennung verschiedener Gesten. Er basiert auf der Elmos-eigenen, bewährten HALIOS-Technologie. Diese erzielt eine zuverlässige Objekterkennung, indem sie den Infrarot-Lichtstrahl, der vom zu erfassenden Objekt reflektiert wird, mit einem Referenzlichtstrahl vergleicht. Der E909.21 punktet mit hoher Empfindlichkeit und einer ungeschlagenen Immunität gegen Umgebungslicht von bis zu 200 000 Lux sowie Schutz gegen schnelle Änderungen des Umgebungslichts. Zudem braucht er während der gesamten Fahrzeuglebensdauer nicht kalibriert zu werden. Die HALIOS-Frequenz ist bis 1 MHz skalierbar, sodass Interferenzen mit anderen optischen Systemen ausgeschlossen werden können.
Der E909.21 ermöglicht den Anschluss von zwei Empfänger- und vier LED-Treibern mit jeweils 100 mA Treiberleistung, die sich für höhere Ströme auch parallel kombinieren lassen. Der integrierte 16-Bit-Mikrocontroller kommt mit Flash-Speicher, SRAM, High-Speed-I2C, SPI und ist über Zwei- oder Vierdraht-JTAG programmierbar (Bild 3).
Mit der E909-Produktfamilie, zu der auch der E909.21 gehört, bietet Elmos Semiconductor auch für andere HMI-Konzepte skalierbare Lösungen. Beispielsweise ist der E909.23 für die Gestensteuerung mit Touch-Displays im Fahrzeug optimiert. Er basiert ebenfalls auf der HALIOS-Technologie besitzt somit auch die Vorteile der hohen Empfindlichkeit, Immunität gegen Umgebungslicht und schnelle Helligkeitsänderungen sowie automatischer Kalibrierung.
Ladeklappe mit Antrieb
Zur berührungslosen Steuerung der Ladeklappe wird selbstverständlich auch ein Antrieb benötigt. Dafür kommen in der Regel Aktuatoren zum Einsatz, die aus einem Motor, einem Getriebe und einem entsprechenden Treiber-IC bestehen. Die Treiber-ICs haben die Aufgabe, den Motor flexibel anzusteuern, um die Klappe sanft zu öffnen und zu schließen. Um immer die optimale Ansteuerung des Motors bestimmen zu können, muss u. a. die Position der Klappe überwacht werden.
Hierfür hat Elmos Semiconductor ebenfalls kostenoptimierte Lösungen im Portfolio: der voll integrierte System-on-a-Chip- (SoC) Controller E523.63. Er ermöglicht eine hochpräzise Motorsteuerung für Treiberströme bis zu 1 A. Er ist für den Antrieb eines dreiphasigen bürstenlosen Motors (BLDC), eines zweiphasigen Schrittmotors oder bis zu zwei herkömmlichen Gleichstrommotoren ausgelegt. Hierfür kombiniert er einen 32-Bit-Arm-Cortex-M23-Mikrocontroller und einen analogen Motortreiber in einem kleinen TSSOP16-EP-Gehäuse. Sein integriertes Messsystem liefert alle Eingangssignale für die sensorlose Kommutierung im geschlossenen Regelkreis sowie zahlreiche Überwachungs- und Diagnosefunktionen (Bild 4).
Für größere Leistungen mit Treiberströmen über 1 A bietet Elmos den E533.06. Der SoC-Controller basiert auf einem 32bit Arm Cortex M4 Mikrocontroller und kombiniert einen 96 kB großen Programmspeicher, modernste Co-Prozessoren und die analogen Gate-Treiber in einem QFN48-Gehäuse. Die integrierten PWM- und ADC-Beschleuniger verbessern die Leistung für die sensorlose Single-Shunt-Motorsteuerung. Das ermöglicht fortschrittliche Steuerungsalgorithmen wie Field-Oriented-Control (FOC) bei geringer CPU-Last. Sowohl der E523.63 als auch der E533.06 sind AEC-Q100-qualifiziert und erfüllen die ISO 26262 (ASIL B). Ihr weiter Temperaturbereich reicht von -40 °C bis +150 °C.
Alle vorgestellten ICs lassen sich durch die implementierten Mikrocontroller flexibel an neue Systeme und Ideen anpassen und sind damit gerüstet für zukünftige Anforderungen.
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