Grüne Innovationen im Auto

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1 Grüne Innovationen im Auto Mit mehr Elektronik zu weniger Verbrauch Technische Universität Dresden Fakultät Informatik Institut für Angewandte Informatik Betreuer: Dipl.-Inf. Andreas Richter Vortragender: Friedrich Pauls Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 1

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Ausgewählte Beispiele 3. Energiesparmöglichkeiten 1. Dynamic Voltage Scaling 2. Adaptive Voltage Scaling 3. Intelligent Energy Management 4. System-On-Chip Implementierung 4. Zusammenfassung Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 2

3 1. Einleitung Warum brauchen wir mehr Elektronik? Umweltverträglichkeit zunehmender Kostenfaktor für Industrie und Verbraucher Technologie weitgehend ausgereift keine sprunghaften Verbesserungen im Bereich der Verbrennungsmotoren zu erwarten nur viele kleine Einzelmaßnahmen führen zu nennenswerter Kraftstoffeinsparung je höher Elektronikanteil, desto signifikanter ist auch dessen Anteil am Kraftstoffverbrauch Quelle: BMW AG Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 3

4 2. Ausgewählte Beispiele Servolenkung überwiegend hydraulische Servolenkung Hydraulikpumpe hält ständig maximalen Betriebsdruck vor ineffizient, da Leistung nur selten abgefordert Quelle: JTEKT CORPORATION Einsatz bedarfsgeregelter elektrisch-hydraulischer Systeme benötigen nur 20-25% der ursprünglichen Energie Verbrauchseinsparung 0,2-0,3 l/100km Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 4

5 2. Ausgewählte Beispiele Climate Control Sensor CO 2 Messung im Fahrzeuginnenraum Quelle: Robert Bosch GmbH Klimaanlage kann länger im Umluftbetrieb arbeiten Luft muss nicht ständig nachgekühlt werden Verbrauchseinsparung 0,1 l/100km (max. 0,5 l/100km) Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 5

6 2. Ausgewählte Beispiele Luftklappensteuerung Aerodynamik durch Lufteinlass am Kühler verschlechtert elektronisches Öffnen und Schließen, je nach benötigter Kühlung Quelle: BMW AG Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 6

7 2. Ausgewählte Beispiele Weitere Einsparmöglichkeiten: taktgeregelte Gebläseregler (0,06 l/100km) optimierte Gebläsesteuerung (0,1 l/100km) geregelte Kraftstoff-Fördersysteme (0,1 l/100km) Start-Stopp-Automatik Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung (ACC) Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 7

8 2. Ausgewählte Beispiele Schlussfolgerung Vielzahl kleiner Systeme zur Verbrauchsreduktion weitere elektronische Systeme für - Verbesserung Komfort - Multimedia (DVD, Internet) - Fahrassistenz- & Sicherheitssysteme (Adaptive Cruise Control, ESP, Predictive Emergency Braking) steigender Elektronikanteil führt zu mehr Verbrauch Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 8

9 2. Ausgewählte Beispiele Anforderungen an die Fahrzeugelektronik sehr großer Temperaturbereich ( C) hohe Rechenleistung sehr hohe Zuverlässigkeit harte Echtzeitanforderungen Quelle: Volkswagen AG Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 9

10 3. Energiesparmöglichkeiten Rechenleistung Leistungsaufnahme einfacher Ansatz: Clock Gating, verringert dynamischen Energieverbrauch verschiedene Leistungsstufen des Prozessors, je nach aktueller Auslastung Anpassung der Spannung entsprechend der Taktfrequenz nur so schnell Rechnen, dass Zeitschranken gerade eingehalten werden Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 10

11 3.1. Dynamic Voltage Scaling nutzt den Umstand aus, dass f max ~ V DD während E ~ V 2 DD Prozessor passt Spannung der Taktfrequenz auf Basis einer Frequenz/Spannungs-Tabelle an Tabelle muss im Vorfeld bestimmt werden um ausreichende Spannung unter allen Betriebsbedingungen und Prozessabweichungen zu garantieren Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 11

12 3.1. Dynamic Voltage Scaling Quelle: Flautner et al., A Combined Hardware-Software Approach for Low-Power SoCs: Applying Adaptive Voltage Scaling and Intelligent Energy Management Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 12

13 3.1. Dynamic Voltage Scaling Quelle: Flautner et al., A Combined Hardware-Software Approach for Low-Power SoCs: Applying Adaptive Voltage Scaling and Intelligent Energy Management Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 13

14 3.1. Dynamic Voltage Scaling Schwachstellen des DVS Spannungspuffer um Temperatur-, Spannungsversorgungs- und Prozessvariationen auszugleichen niedrigere Spannung führt zu höherem prozentualen Anteil des Spannungspuffers CMOS Technologie wird mit steigender Temperatur langsamer DVS kann mit diesen Problemen nur schlecht umgehen, da offener Regelkreis Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 14

15 3.2. Adaptive Voltage Scaling Quelle: Flautner et al., A Combined Hardware-Software Approach for Low-Power SoCs: Applying Adaptive Voltage Scaling and Intelligent Energy Management Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 15

16 3.2. Adaptive Voltage Scaling Closed-Loop Hardware Performance Monitor Quelle: Dennis M. Monticelli, Taking a System Approach to Energy Management Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 16

17 3.2. Adaptive Voltage Scaling Einsparungspotenzial von AVS im Vergleich zu Open-Loop DVS (Simulation) 0.13 µm Szenario DVS mit 2 Spannungen (0.9V und 1.2V) relative Einsparung zwischen 40% und 67% Quelle: Dennis M. Monticelli, Taking a System Approach to Energy Management Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 17

18 3.3. Intelligent Energy Management häufig arbeitet Prozessor zu schnell Fertigstellung eines Tasks vor seiner Zeitschranke ist nicht Energieeffizient IEM setzt Leistungsniveau genau so, dass Zeitschranken exakt eingehalten werden Zeitschranken dürfen dabei niemals verletzt werden kombiniert Ergebnisse von verschiedenen Prozessen und ermittelt damit das globale Leistungsniveau Quelle: ARM Ltd. Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 18

19 3.3. Intelligent Energy Management Quelle: Flautner et al., A Combined Hardware-Software Approach for Low-Power SoCs: Applying Adaptive Voltage Scaling and Intelligent Energy Management Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 19

20 3.4. System-On-Chip Implementierung Quelle: National Semiconductor Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 20

21 4. Zusammenfassung Verbrauchsreduzierung nur durch viele kleine elektronische Einzelmaßnahmen möglich steigender Bedarf an Rechenleistung im Auto je höher Elektronikanteil im Fahrzeug, desto signifikanter ist dessen Anteil am Gesamtverbrauch AVS in Kombination mit IEM bietet einen optimalen Kompromiss zwischen Rechenleistung und Leistungsaufnahme Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 21

22 4. Zusammenfassung Vielen Dank. Fragen? Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 22

23 Quellen [1] Grüne Innovationen, Elektronik automotive 1/ S [2] Mit mehr Elektronik zu weniger Verbrauch, Elektronik automotive 1/ S [3] Dennis M. Monticelli, Taking a System Approach to Energy Management, Solid- State Circuits Conference, 2003 [4] Flautner et al., A Combined Hardware-Software Approach for Low-Power SoCs: Applying Adaptive Voltage Scaling and Intelligent Energy Management, DesignCon 2003 [5] Next-generation SoC Power Managment with Multi-Domain Adaptive Voltage Scaling, Electronics Product Design, March 2007 [6] [7] Dresden Grüne Innovationen im Auto, Friedrich Pauls 23