Элементы и системы автомобильной электроники
С каждым годом автомобили становятся все безопаснее, экологичнее, дешевле в эксплуатации, а главное надежнее и комфортнее. Такой стремительный прогресс был бы невозможен, если бы в авто не было много различной электроники. Здесь мы рассмотрим решения в этой области и изучим важные нормы, касающиеся двух приоритетных вопросов проектирования автомобильной электроники – ее безопасности и надежности.
Современные автомобили оснащены модулями управления для рабы важнейших устройств и систем, в том числе: привода, безопасности и помощи водителю, оборудования и инженерных систем (дверей, окон, стеклоочистителей, освещения, кондиционирования воздуха) и систем, предоставляющих информацию и развлечения. Функционал и количество драйверов различаются в зависимости от производителя и модели автомобиля, а сам владелец обычно даже не знает что в нем установлен тот или иной модуль, пока он не выйдет из строя.
Также отсутствует стандартизированная номенклатура, а это означает, что названия некоторых модулей иногда неправильно взаимозаменяемы. Примером может служить назначение одной и той же роли контроллерам PCM (модуль управления трансмиссией) и ECM (модуль управления двигателем).
ECM — это модуль управления двигателем, часто также называемый ECU. Его задачей является обеспечение безопасной и эффективной работы мотора, в том числе подбором правильных пропорций топлива и воздуха в смеси и определением соответствующего момента ее воспламенения. ECM дополняется TCM (Transmission Control Module), отвечающим за управление работой автоматической коробки передач.
В основном ECM и TCM представляют собой отдельные блоки с собственным процессором и памятью. Большую часть времени они действуют независимо обмениваясь информацией только тогда, когда ситуация требует их сотрудничества. Причем модуль PCM координирует работу обоих этих драйверов.
Датчики ECM и TCM
Модули управления двигателем и автоматической коробкой передач работают с несколькими датчиками. Примером может служить датчик положения коленчатого вала, который является одним из наиболее важных источников информации для ECM. Он измеряет угловое положение коленвала, позволяя рассчитать скорость его вращения.
На основе его значения стабилизируется работа двигателя на холостом ходу, удаляются пары топлива из бака, контролируется работа впускного коллектора и работа системы изменения фаз газораспределения. Обычно датчик положения коленвала представляет собой индуктивный или датчик Холла, который работает в сочетании с измерительной шкалой.
Информация полученная от датчика дополняется результатами датчика Холла, измеряющего положение распределительного вала. При определении подходящей дозы топлива модуль управления двигателем опирается на данные потенциометрического датчика, измеряющего угол открытия дроссельной заслонки. Другим важным измерительным элементом является лямбда-зонд.
По его показаниям создается топливно-воздушная смесь оптимального состава, при котором уровень выброса вредных соединений в атмосферу наименьший. Это должна быть стехиометрическая смесь с 14,7 кг воздуха на каждый килограмм сожженного топлива. Тогда отношение воздуха к топливу, обозначаемое буквой “лямбда”, равно 1.
Более высокое значение соответствует обедненной смеси с избытком воздуха и недостаточным количеством топлива. Значение ниже 1 указывает на богатую смесь с недостаточным количеством воздуха и слишком большим количеством топлива. Зонд помещается в выхлопной канал. Это трубка, измерительная часть которой изготовлена из диоксида циркония. Характерной особенностью этого твердого электролита является то, что при температуре выше примерно +300°С он проницаем для ионов кислорода.
Трубка с обеих сторон покрыта тонким пористым слоем платины, выполняющим роль электрода. Поток ионов генерирует напряжение и чем больше кислорода в выхлопных газах, тем оно ниже, и наоборот, малое количество ионов кислорода создает более высокое напряжение. Часто используются несколько лямбда-зондов. Их обычно нагревают, чтобы они быстрее достигли рабочей температуры.
ECM также опирается на показания датчиков контролирующих параметры всасываемого воздуха. Один из них представляет собой массовый расходомер, расположенный во впускной трубе между воздушным фильтром и впускным коллектором. Там же установлен датчик температуры воздуха, обычно резистивный.
На основании информации о количестве и температуре всасываемого воздуха блок управления двигателем регулирует состав топливовоздушной смеси и угол опережения зажигания. Если эти датчики повреждены – двигатель запускается с трудом, а расход топлива увеличивается. Датчик сопротивления также измеряет температуру охлаждающей жидкости и косвенно температуру двигателя.
К блоку двигателя прикреплен пьезоэлектрический датчик измеряющий амплитуду его колебаний. Таким образом выявляется нежелательный стук, возникающий, например, в случае некачественного топлива, чрезмерной нагрузки на двигатель, перегрева, выхода из строя свечи зажигания. Кроме того, обедненная топливно-воздушная смесь и преждевременное зажигание способствуют неконтролируемому сгоранию.
Поэтому для предотвращения детонации контроллер ЭСУД на основе показаний этого датчика регулирует состав смеси таким образом, чтобы компенсировать нехватку топлива или уменьшить угол опережения зажигания. Поскольку модуль управления двигателем может различать в каком цилиндре происходит неконтролируемое сгорание, достаточно одного пьезоэлектрического датчика.
Модуль TCM подбирает правильное передаточное отношение к заданной скорости по показаниям датчика, измеряющего скорость вращения вала на выходе из коробки передач. В случае выхода из строя этого датчика следует ожидать увеличения расхода топлива и сокращения срока службы компонентов коробки передач.
Классификация систем безопасности
Автомобильные системы безопасности можно условно разделить на: активные и пассивные. Они должны предотвратить ДТП, предупредив водителя о возможности возникновения опасной ситуации или облегчив ему сохранение контроля над автомобилем. Системы пассивной безопасности направлены на снижение травм, вызванных аварией, если она все же происходит.
- К первой группе относятся следующие системы: ABS (Anti-lock Braking System), предотвращающая блокировку колес при торможении, ACC (Adaptive Cruise Control) — круиз-контроль с автоматическим регулированием скорости в зависимости от дорожной ситуации, поддерживающий безопасную дистанцию до автомобилей спереди, ESC (Electronic Stability Control) — электронная система контроля устойчивости, BLIS (Blind Spot Information System) – информирующая о наличии других транспортных средств в слепой зоне, LDW (Lane Departure Warning) – предупреждающая о выезде с дорожной полосы, AEB (Automatic Emergency Braking) – система экстренного торможения, NVS (система ночного видения) – поддерживающая водителя при движении в темное время суток, RSR (система распознавания дорожных знаков) и TPMS (система контроля давления в шинах), контролирующая давление воздуха.
- В свою очередь, к категориям пассивных систем безопасности относятся системы, контролирующие работу подушек безопасности и ремней безопасности, защищающие от повреждения шейных позвонков при ударе, CSS (Child Safety System) и PPS (Pedestrian Protection System), снижение тяжести травм, возникающих при ДТП у детей и прохожих. Далее представляем работу систем активной и пассивной безопасности на примере TMPS, контролирующих подушек безопасности и PPS.
Давление в шинах следует контролировать по соображениям безопасности и эксплуатации. Это связано с тем, что шина может лопнуть. В этом случае водитель теряет контроль над автомобилем и может стать причиной аварии. Кроме того, слишком низкое давление в шинах способствует повышенному расходу топлива. Шины также изнашиваются быстрее. Поэтому уже несколько лет системы TMPS являются обязательными. Они бывают двух категорий: прямые и непрямые системы.
В первой датчики используются также другими системами, обычно датчиками скорости вращения колес, на которых основаны измерения системы ABS. В этом случае принимается во внимание тот факт, что шина, в которой упало давление, быстрее вращается в результате уменьшения наружного диаметра и, следовательно, изменения ее окружности качения.
Преимуществом такого подхода является простота и дешевизна реализации, ведь не нужно добавлять новые элементы, а только модифицировать программное обеспечение системы ABS. Слабой стороной косвенных систем TMPS является их низкая точность. Обычно они сигнализируют о проблеме только когда давление в колесах падает на несколько десятков процентов, ведь будь они более чувствительными, то стали бы источником необоснованных тревог, реагируя даже на небольшое изменение скорости вращения колес вызванное изменением типа дорожного покрытия.
Водитель также никогда не имеет точной информации о текущем давлении в шинах. Если она снижается одинаково во всех колесах, косвенная система TMPS может даже не обнаружить ее, но в случае неравномерного износа шин может сработать ложная тревога. Альтернативой являются прямые системы.
Они основаны на показаниях датчиков давления установленных в каждой шине. Датчики питаются от батареек и оснащены антенной через которую они передают результаты измерений на контроллер.
Системы прямого контроля давления в шинах работают точнее и быстрее косвенных. В то же время они имеют ряд существенных ограничений: необходимость периодической замены аккумулятора, что обычно предполагает покупку нового датчика и перенастройку системы в случае её замены или замены шин.
Системы подушек безопасности
Автомобили начали оснащаться первыми системами подушек безопасности лет 40 назад. С тех пор были разработаны их различные варианты.
- Основные из них – подушки безопасности на руле для защиты водителя и в приборной панели для защиты переднего пассажира, задача которых защитить голову и грудь в случае лобового столкновения. Кроме них в авто есть боковые и головные подушки безопасности. Последние иначе известны как воздушные завесы.
- Боковые подушки безопасности защищают верхнюю часть туловища и таз водителя и переднего пассажира в случае бокового столкновения. Поэтому они устанавливаются на внешнем крае спинок сидений.
- Воздушные завесы, напротив, расположены в потолке над боковыми окнами с обеих сторон автомобиля. Их работа заключается в защите головы водителя, пассажира на переднем сиденье и людей, занимающих крайние задние сиденья, в случае бокового удара. Также они надуваются в случае лобового удара под углом. Кроме того, подушки безопасности предотвращают выскальзывание и полное выпадение водителя и пассажиров из боковых окон при ударе и в случае опрокидывания машины.
В настоящее время подушки безопасности входят в стандартную комплектацию автомобилей. Такие системы безопасности обычно состоят из контроллера и датчиков, установленных в контроллере или в различных частях авто. К наиболее важным задачам контроллера относятся: анализ данных с датчиков, распознавание того произошедшего события требующего надувания, активация системы которая надувает подушку безопасности и самодиагностика. Драйверы и датчики для систем подушек безопасности в автомобилях предлагаются ведущими производителями электронных компонентов.
Примером может служить блок управления подушками безопасности Bosch. На основе данных гироскопов, датчиков давления и акселерометров она распознает задние, боковые и лобовые столкновения и фиксирует опрокидывание автомобиля. Точность обнаружения аварии повышена по сравнению с контроллерами предыдущих поколений благодаря внедрению нового алгоритма, анализирующего параметры поглощения кинетической энергии при ударе. Датчики занятости сидений являются дополнительным источником информации, помогающим выбрать настройки безопасности в соответствии с весом, размером и положением тел пассажиров, а также предотвратить ненужное надувание в случае аварии, если сиденье пустует.
Блок управления подушками безопасности считывает данные со встроенных и периферийных датчиков через системную шину и PSI5 (интерфейс периферийных датчиков). На их основе активируется система срабатывания подушек безопасности и зажим натяжителя ремня безопасности, посылается сигнал в топливную систему на прекращение подачи топлива и в систему привода на торможение авто и автоматически информируется система eCall – оповещение экстренных служб об аварии.
Он также включает визуальные и звуковые оповещения о сбое безопасности. Данные о ходе аварии сохраняются в памяти контроллера. Контроллеры Bosch доступны в нескольких версиях с разным функционалом и ценой.
Самая дешевая версия отвечает только основным требованиям по защите пассажиров. Они поддерживают до 16 контуров управления и взаимодействуют с 6 периферийными датчиками. Они предназначены для сегмента недорогих автомобилей. Base и plus поддерживают до 32 контуров управления и работают с 12 датчиками через интерфейс PSI5.
В них встроены датчики определяющие переворачивание автомобиля. В версии плюс доступны дополнительные гироскопы и акселерометры. ISU (Integrated Safety Unit) поддерживает до 48 контуров управления, а через PSI5 можно подключить до 18 датчиков. Как и в плюсовых контроллерах в версии ISU интегрированы дополнительные датчики.
Полезное: Расчёт цены зарядки электромобиля
Система защиты пешеходов
Среди пострадавших в ДТП с участием автотранспорта пешеходы и велосипедисты также составляют большую группу. Поэтому в автомобилях, помимо решений повышающих безопасность водителей и пассажиров, реализованы системы PPS (Pedestrian Protection System). Их задача – уменьшить масштабы травм людей, сбитых автомобилем. Это особенно касается травм головы в результате удара о капот, переднюю стойку или лобовое стекло, которые обычно наиболее серьезны в таких ситуациях.
В области реализации систем защиты пешеходов используются различные подходы. Обычно их непременным элементом служит встроенный в передний бампер автомобиля датчик давления или акселерометр. Капот слегка приподнимается при обнаружении наезда на пешехода.
При этом между более мягким кожухом и массивным блоком двигателя создается больший зазор, поглощающий энергию удара и смягчающий последствия аварии. Расширением этого решения является установка подушки безопасности под капот авто. Она запускается из прорези при наезде на пешехода, заполняя подкапотное пространство и закрывая часть лобового стекла и боковых стоек.
В дополнение к рассмотренным датчикам, компонентами систем активной и пассивной безопасности в автомобилях являются: ультразвуковые, радарные датчики и камеры. Что касается последних, то те, что установлены в передней части автомобиля, передают информацию, например, следующим системам: LDW (предупреждение о выходе из полосы движения), PD (обнаружение пешеходов) или PCAM (предотвращение/смягчение последствий столкновений с пешеходами), RSR (дорожная система распознавание знаков) и FCW (предупреждение о лобовом столкновении).
Камеры в авто и их применение
Задача – не допустить непреднамеренного выезда водителя за пределы полосы движения. Для этого на изображении снятом камерами, обнаруживаются линии на дороге. Если они пересечены, система LDW посылает предупреждающий сигнал системе рулевого управления, в результате чего происходит автоматическая коррекция колеи. А системы RSR, работая с камерами в передней части автомобиля, распознают проезжающие мимо дорожные знаки.
PCAM дополняет систему пассивной защиты пешеходов. Задача — распознавать пешеходов и велосипедистов среди объектов движущихся перед автомобилем и предотвращать столкновения с ними. Это намного сложнее чем просто обнаружение автомобилей или других крупных объектов на изображении с камеры. Обычно PCAM использует радарный датчик в дополнение к регистратору изображения.
Эти датчики контролируют пространство в нескольких метрах перед транспортным средством, выполняя различные роли — радар обнаруживает объекты и следит за расстоянием до них с учетом скорости автомобиля, а камера предоставляет информацию системе распознавания изображений, которая определяет тип объекта на основе его высоты, размера и характера движения.
Например, чтобы считаться велосипедистом, он должен различать контуры велосипеда и частей тела человека, сидящего на нем, и сопоставлять их движения с шаблоном, который описывает движения во время езды на велосипеде. Также прогнозируется их возможный дальнейший путь. Если они находятся на пути столкновения с автомобилем, активируются звуковая сигнализация и тормоз.
Здесь стоит упомянуть о конкуренции радаров, которые представляют собой сканеры LiDAR (Light Detection And Ranging). Они излучают цепочки лазерных импульсов в направлении тестируемого объекта с частотой сотни тысяч раз в секунду. Расстояние между сканером и объектом рассчитывается путем измерения времени от отправки им до получения отраженного света. Таким образом создаются облака точек, соответствующие измеренным расстояниям во всех направлениях. Это позволяет составить компьютерную трехмерную карту окрестностей. Преимущество сканеров LiDAR перед радарами связано с их гораздо более высоким разрешением.
Что такое модуль BCM
BCM (модуль управления кузовом) часто является частью PCM. Это системы для управления коммунальными установками и повышения комфорта вождения. Среди функций BCM — адаптивное управление наружным освещением.
Управляемые таким образом фары излучают луч света с параметрами (длина, форма), которые автоматически адаптируются к условиям движения, встречных автомобилей с противоположного направления, пешеходов, животных или погоды.
Реализация такого функционала стала возможной благодаря оснащению автомобилей камерами установленными в передней части авто, которые следят за движением на дороге и ее окружением. Вторым обязательным элементом такой системы являются матричные светодиодные фары.
Когда камера обнаруживает встречные автомобили или движущийся впереди автомобиль, соответствующие светодиодные модули автоматически выключаются. Это позволяет избежать ослепления других водителей своими огнями. Кроме того, другими возможными вариантами использования адаптивного освещения являются: усиление света при обнаружении дорожных знаков, освещение пешеходов прожектором или регулировка луча в зависимости от погодных условий и типа поверхности.
В настоящее время максимальное разрешение матричных рефлекторов составляет несколько десятков световых точек. Ведутся работы по увеличению его до нескольких сотен тысяч световых точек, что станет возможным благодаря использованию лазеров.
Информация и развлечения
Ожидания от автомобилей растут не только с точки зрения безопасности и комфорта вождения, но все чаще и с точки зрения дополнительных ощущений, что обеспечивают интегрированные информационно-развлекательные системы.
Это программно-аппаратные решения, обеспечивающие водителей и пассажиров автомобиля аудио-видеоданными, несущими информационный контент, например о текущей дорожной ситуации (погода, пробки, аварии поблизости) и развлекательные (радио, телевидение, доступ к социальным сетям). Связь является важным элементом этих систем, известных как IVI (In Vehicle Infotainment).
Связь с внешним миром изнутри автомобиля повышает безопасность дорожного движения и предоставляет водителям доступ к различным сервисам, не только информативно-развлекательным, но и полезным. Примером может служить возможность удаленного управления домашней автоматикой — есть, например, приложения для удаленного включения и выключения отопления по дороге в доме и сигнализация после въезда автомобиля в гараж.
Примером решения направленного на повышение безопасности является eCall — система быстрого автоматического оповещения экстренных служб об авариях. С развитием сотовых сетей 5G обязательно будут развиваться новые приложения для связи между автомобилями, ими и элементами дорожной инфраструктуры.
Безопасность и надежность
Высокие требования к безопасности и безотказности вынуждают использовать специальные решения в области компонентов и систем автомобильной электроники. Первые должны соответствовать строгим стандартам устойчивости к суровым условиям работы, поскольку в автомобилях электронные компоненты подвергаются воздействию экстремальных температур, вызванных погодными условиями и контактом с нагревательными элементами системы привода, а также вибрациями и ударами. Стандарты в этой области разработаны Советом автомобильной электроники (AEC).
Он была основан в 90-х годах по инициативе производителей автомобилей, которые в то время из-за бума потребительской электроники перестали быть в центре интереса поставщиков электронных компонентов. По этой причине предложение более дешевых компонентов с качеством, подходящим для нужд устройств бытовой электроники, было намного богаче, а тех, которые по стандарту требуются в автомобилях, стало не хватать. AEC должна была исправить это, разработав спецификации, которые помогут отличать компоненты для тяжелых условий эксплуатации от других. Результатом является набор глобальных обязательных стандартов.
Классификация по стандартам AEC
Первым документом разработанным Советом по автомобильной электронике в 1994 году, стал стандарт AEC Q100. Там стандартизированы испытания интегральных микросхем на прочность. В последующие годы также были подготовлены руководства по проведению этого типа испытаний дискретных полупроводниковых компонентов (AEC Q101) и пассивных компонентов (AEC Q200). В этих документах было предложено деление на классы.
Например в AEC Q100 микросхемы разделены на группы по диапазону рабочих температур: 0 (от -40°С до +150°С), 1 (от -40°С до +125°С), 2 (-40°С). С до +105°С) и 3 (от -40°С до +85°С). Стандарт AEC Q200 разделен на пять групп. В первую, с самым широким диапазоном рабочих температур (-50°С…+150°С), входят компоненты с самой большой сферой применения — их можно монтировать в любом месте автомобиля.
По крайней мере этим требованиям должны соответствовать резисторы SMD на керамической подложке и керамические конденсаторы с диэлектриком X8R. Более узкий диапазон (-40°С…+125°С) относится к танталовым и керамическим конденсаторам, термисторам, кварцевым резонаторам, катушкам, резисторам, трансформаторам и варисторам, устанавливаемым под капотом автомобиля.
Требования не ниже третьего класса (-40°С…+105°С) распространяются на алюминиевые электролитические конденсаторы, устанавливаемые в кабине в местах перегрева, и четвертого класса (-40°С…+85°С). ) – R/RC сети, дроссели, фольговые и перестраиваемые конденсаторы, которые можно установить в салоне. В четвертую группу, с наиболее узким температурным диапазоном (0°С…+70°С), входят элементы для использования вне авто.
Функциональная безопасность
К электронным компонентам и схемам автомобилей также предъявляются требования по обеспечению функциональной безопасности. Руководящие принципы в своей области для автомобильной промышленности включены в ISO 26262. Функциональная безопасность определяется там как отсутствие неоправданного риска, возникающего в результате опасностей, вызванных неисправностью электронных или электрических схем авто.
Для этого необходимо применять подход, основанный на оценке риска, на протяжении всего жизненного цикла компонента/системы, от проектирования до производства и эксплуатации. Во-первых, определить риск, поскольку предпринятые меры и предупредительные действия зависят от УПБА (уровня полноты безопасности автомобилей), присвоенного предмету анализа. Следует рассмотреть потенциальные сценарии риска безопасности. Примеры включают отказ тормозов и ненужное раскрытие подушки безопасности. Далее необходимо определить цели безопасности.
Например, в случае с дверью автомобиля, она может быть открыта или закрыта, в зависимости от того что более уместно. В случае возгорания автомобиля необходимо как можно скорее открыть двери чтобы пассажиры могли выйти из авто. Но во время движения их нельзя случайно открывать. Уровни УПБА дополнительно присваиваются целям безопасности.
ISO 26262 предусматривает 4 уровня полноты безопасности. Это: ASIL A, ASIL B, ASIL C и ASIL D. Первый из них оказывает наименьшее влияние на здоровье человека, поэтому такие компоненты не требуют или требуют лишь минимальных мер по снижению риска. В свою очередь, отказ компонентов ASIL D может представлять угрозу для здоровья или жизни, поэтому необходимы соответствующие меры по снижению риска.
Степень полноты безопасности определяется на основе трех параметров. К ним относятся: вероятность того что отказ компонента приведет к опасной для здоровья или жизни ситуации (воздействие, E), степень в которой водитель может предотвратить это (управляемость, C), и уровень риска (серьезность, S). Для каждой комбинации индексов E, C и S был назначен уровень ASIL. Его можно найти в таблице стандарта ISO 26262.
Итоги материала
Будущее рынка автомобильной электроники во многом зависит от того, в каком направлении они будут развиваться и будут ли популяризированы два типа транспортных средств — электрические и, в более отдаленной перспективе, автономные. В случае обоих типов автомобилей количество электронных компонентов и систем будет значительно больше, чем в обычных.
Правда их будущее, несмотря на большие ожидания, неопределенно – электромобилей из-за дороговизны и относительно небольшого пробега и малой доступности зарядных станций, а автономных автомобилей из-за низкого доверия пользователей.
НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ
Компьютеры на колесах: Автомобильная электроника
«Сейчас мы будем учить вас самому интересному, – сказала очаровательная девушка-инструктор из школы водительского мастерства BMW в Зальцбурге, – прохождению поворотов в заносе. Только не забудьте нажать кнопку отключения системы динамического контроля курсовой устойчивости, иначе у вас ничего не получится, электроника не даст проехать поворот как надо».
Александр Грек
Item 1 of 3
1. Система контроля за давлением в шинах 2. Регулировка положения кузова с пневмоприводом 3. Динамическая система контроля управления 4. Электронная регулировка жесткости амортизаторов 5. Электронный стояночный тормоз 6. Цифровая электроника управления двигателем 7. Активный круиз-контроль 8. Система динамической стабилизации 9. Система переключения передач, расположенная на руле
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Садясь за руль современного автомобиля, большинство водителей даже не представляют, насколько их ощущения от вождения не соответствуют действительности. Вы давите на газ и ощущаете приятное сопротивление педали, вращаете руль — и чувствуете, как проворачиваете колеса, давите на тормоз — и кажется, что именно ваша нога продавливает тормозную жидкость к суппортам, сдавливающим тормозные диски. Однако вы заблуждаетесь — в новейших автомобилях все это делают сервомоторы, управляемые электроникой, а кажущееся сопротивление в руле, рычагах и педалях создают другие сервомоторы. С заносом сражается не мастерство водителя, а специальные компьютерные системы. Они же управляют двигателем, следят за стеклоочистителями, воздухом и температурой в салоне, сцеплением с дорогой, расходом горючего и так далее. Насколько современный автомобиль стал компьютером? Доктор Клаус Бенглер, возглавляющий в компании BMW отдел взаимодействия человека и автомобиля, немного приоткрыл завесу тайны над этой проблемой.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Автомобильный закон Мура
Уже сейчас до 40% стоимости современного автомобиля определяется электронными компонентами и программным обеспечением. 90% всех нововведений, появляющихся в вашем автомобиле, связаны именно с электронными системами. При создании электронных систем нового автомобиля от 50% до 70% расходов приходится на программное обеспечение. В современных машинах премиум-класса можно насчитать до 70 процессоров, объединенных пятью системными шинами. И процесс развивается лавинообразно.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как заметил доктор Бенглер, на автомобили целиком распространяется знаменитый закон, впервые высказанный основателем компании Intel Гордоном Муром: вычислительная мощность удваивается каждые 18 месяцев. Каждые четыре года оперативная память вашего компьютера увеличивается примерно в десять раз. То же самое происходит и с автомобилем! Единственная разница состоит в том, что автомобили опаздывают от компьютеров примерно на семь лет. Вы только что купили себе домашнюю систему с четвертым Пентиумом? Будьте уверены, через семь лет ваш новый BMW будет с легкостью обсчитывать те же задачи. По существу, современный автомобиль — это тот же компьютер, только на колесах, заметил Бенглер.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
О чем думает автомобиль
С компьютерами все ясно — каждая новая версия Doom требует полной замены системы. А автомобилям это зачем? Сначала владельцам авто разонравилось копаться во внутренностях машины, и всю диагностику взяли на себя компьютерные системы. Сегодня автовладелец должен только заливать в машину бензин, масло и стеклоомыватель. В случае неисправности автомобиль сам сообщит вам об этом и подскажет, можно ли самостоятельно доехать до сервиса или пора вызывать эвакуатор. Потом выросли мощность и скорость: в середине прошлого века безопасно управлять на скоростях в 150−200 километров в час могли только профессиональные гонщики, а сейчас это доступно даже старушке-пенсионерке. Вернее, она лишь крутит руль и давит на педаль газа, все остальное делают бортовые компьютеры.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
А аварийно-спасательные системы автомобиля в случае аварии будут активно бороться за ее жизнь.
Помимо этих жизненно необходимых систем автомобили стали обзаводиться. как бы помягче сказать? — аксессуарами: вентиляцией и сервоприводами сидений, адаптивными системами освещения салона, телевизорами, игровыми приставками, массажерами В итоге количество дисплеев и управляющих клавиш вплотную приблизилось к оборудованию пилотской кабины. Лучшие умы в автомобильных исследовательских центрах брошены как раз на решение этой проблемы — уже сейчас в разных машинах появились джойстикоподобные системы навигации по информационным дисплеям. Пример — I-Drive у BMW. На стадии испытания находятся системы, способные распознавать жесты, направление взгляда и даже эмоции водителя. Если, например, вам не нравится, как ведет себя ваша машина, вы сможете на нее закричать и замахать руками. Она исправится. И извинится приятным женским голосом. Я сам это пробовал. Пока, правда, ругаться придется на немецком.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Без Microsoft не обошлось
В большинстве дорогих автомобилей, не поверите, стоит всем хорошо знакомая операционная система Microsoft Windows — правда, специальная автомобильная версия. Однако не беспокойтесь, ей доверяют исключительно мультимедийные функции, интернет и иногда системы навигации. Так что если в вашем автомобиле вдруг перестала играть музыка, не спешите сразу же ехать в сервис-центр, сначала попробуйте просто заглушить двигатель и вновь завести его — вполне возможно, это был просто программный сбой. А вот жизненно важные функции — управление двигателем, тормозами, рулевым управлением, системами безопасности — обслуживают специализированные отказоустойчивые операционные системы реального времени. Это невидимые герои — их названия мало кому знакомы, но именно они несут ответственность за вашу жизнь.
Современные требования к элементной базе автомобильной электроники
Сегодня рынок автомобильной электроники принадлежит к числу наиболее динамично развивающихся, и здесь ежегодное повышение продаж полупроводниковых изделий составляет около 7%. Большинство инноваций в сфере автомобилестроения направлено на применение электронных приборов, чем и вызван неуклонный рост продаж полупроводниковой аппаратуры. Это связано с расширением представляемых услуг развлекательного характера, увеличением объемов и скорости обмена информацией не только между различными блоками и устройствами самого автомобиля, но и с окружающей средой.
Введение
Еще недавно объем электроники на мировом рынке был незначителен. Самым важным событием, оказавшим принципиальное влияние на электрооборудование автомобиля, стало изменение напряжения аккумуляторной батареи с +6 на +12 В. Уровень развития современной микроэлектроники позволил создать, а затем и применить на практике электронные системы управления двигателем, антиблокировочные системы тормозов, подушки безопасности, навигационные системы и многое другое. А дальнейшее развитие автомобилестроения связано с наращиванием объемов электронного оборудования, использование которого будет иметь преобладающее значение. Увеличение количества электронных приборов в автотранспорте ведет к повышению общей мощности, потребляемой от бортового питания. В связи с этим специалисты активно рассматривают вопрос о необходимости перехода на более высокое значение напряжения бортовой сети: +42 В.
Переход на бортовое напряжение 42 В: необходимость или надуманные трудности
Разработка и применение новых электронных компонентов, в том числе и для автомобильного транспорта, по-прежнему требует от специалистов обеспечить высокий уровень надежности изделий. Так, полупроводниковые приборы для автомобильной электроники должны быть эффективными в широком температурном диапазоне (–60…+120 °С, а в некоторых применениях до +150 °С и даже до +200 °С) [1, 4], а также в условиях воздействия значительных внешних и внутренних импульсных помех; должны быть защищены от влияния агрессивных внешних сред и высоких механических воздействий, таких как вибрация; иметь высокий уровень защиты от статического разряда (не менее 4–8 кВ). Особого внимания заслуживает проблема обеспечения требований по электромагнитной совместимости [1].
Ведение постоянного контроля над состоянием всех узлов автомобиля, осуществление связи с окружающей средой (контроль полосы движения, система GPS и т. п.), выполнение множества других функций, например управление давлением в шинах, стеклоподъемниками и другими системами, предполагает особый подход к системе бортового питания. Неизменное увеличение количества электронных компонентов в автомобиле сопровождается все возрастающим значением потребляемого тока. Данная проблема актуальна для всех режимов функционирования транспортного средства, в том числе при работе на холостых оборотах или когда автомобиль находится без движения с выключенным двигателем; при этом питание электронных блоков может полностью осуществляться от аккумуляторной батареи. Таким образом, применение электронных компонентов и блоков заставляет решать вопросы обеспечения достаточным током всех бортовых устройств при использовании автомобиля во всех режимах его эксплуатации.
Казалось бы, ответ лежит на поверхности: необходимо дальнейшее улучшение технических характеристик аккумуляторной батареи и стартер-генератора автомобиля, вырабатывающих нужное значение тока. Однако известные решения технической задачи по повышению емкости аккумуляторной батареи на практике приводят к увеличению ее размеров, а следовательно, и веса. Кроме того, требуется модернизация генератора автомобиля с точки зрения увеличения его нагрузочных возможностей по току. А потому целесообразно рассмотреть и другие пути решения поставленной задачи. Одним из таких очевидных вариантов является использование бортового напряжения +42 В.
Перевод транспортного средства с бортового напряжения 12 В на 42 В подобен переходу в 1950-х годах от напряжения питания 6 на 12 В. Еще в 1995 году применение 42 В как стандарта было совместно предложено автомобилестроителями и научными исследователями в Технологическом институте штата Массачусетс (MIT) на Консорциуме разработчиков автомобильных электрических систем (AAEEC) [1].
Увеличение напряжения бортовой сети до 42 В не является трудноразрешимой задачей. Вместе с тем необходимо учесть некоторые особенности, возникающие при использовании напряжения 42 В: во-первых, напряжение 42 В находится за пределами требований по безопасности. Считается, что в обычных условиях безопасным для человека является напряжение не выше 36 В, а в автомобиле, где постоянно приходится работать в сырости и агрессивных средах, — 24 В. Впрочем, даже привычные 12 В уже вызывают опасения. При высоком напряжении гораздо сильнее проявляется и механизм электрохимического окисления контактов, что также не способствует повышению надежности, особенно в нашем климате. Кстати, генераторы, вырабатывающие большие токи (100 А и выше), требуют принудительного водяного охлаждения, а в случае повышения напряжения, например до 42 В, понадобятся значительно меньшие токи, что приводит к сокращению размеров и удешевлению самих генераторов.
Рассмотрим возможные преимущества и проблемы использования в транспортном средстве бортового напряжения 42 В. Для автомобильных электронных систем оно будет базироваться на 36-В аккумуляторах с генератором переменного тока на 42 В для заряда батарей. Параметр 42 В означает, что речь идет о величине напряжения бортовой сети транспортного средства, то есть о величине зарядного напряжения во время работы двигателя. При измерении бортового напряжения при неработающем двигателе оно будет приблизительно равно 36 В, в зависимости от используемого типа аккумулятора [2].
Более высокое напряжение применяется для того, чтобы увеличить выходную мощность генератора переменного тока от среднего значения 1800 до 8000 Вт и выше. Современный автомобиль, оснащенный максимальным количеством электронных систем, имеет более чем 3 км монтажных проводов, около 2000 зажимов, 50 различных соединителей, 1500 электронных схем и от 50 до 100 электродвигателей. Такой автомобиль уже требует мощности до 8 кВт, в то время как генератор с напряжением 14 В производит всего около 3 кВт, то есть работает на пределе возможности. [1]
Современному транспортному средству нужно намного больше мощности, и вызвано это улучшенной надежностью, мощным мотором, экономией топлива, сокращением вредных выбросов и использованием множества новых электронных устройств, которыми тоже надо управлять:
- моментом открытия или закрытия клапанов двигателя;
- динамическими подвесками;
- использованием множества бортовых контроллеров;
- отслеживанием машины с помощью спутника;
- пусковыми и тормозными применениями;
- цветовыми индикаторами;
- навигационными устройствами и т. п.
Таким образом, постоянное увеличение электронных устройств в автомобиле приводит к необходимости использовать более высокие бортовые напряжения, что позволяет повысить комфортность автомобиля, его безопасность и надежность.
Требования, предъявляемые к элементной базе современного автомобиля. Переход на напряжение 42 В
Переход в бортовых электронных системах транспортных средств на напряжение 42 В не только увеличивает электрическую мощность генератора практически втрое, но и снижает общий ток бортовой сети, то есть предоставляет ряд преимуществ. Во-первых, применение повышенного напряжения позволяет снизить (почти втрое) токи нагрузки. За счет этого могут быть использованы полупроводниковые элементы с меньшей площадью кристаллов (см. рисунок).
Рисунок. Зависимость рабочего напряжения от площади кристалла
Полупроводниковые приборы, работающие с меньшими токами, имеют меньший размер кристалла, следовательно, стоимость используемых для комплектации полупроводниковых приборов снизится, при этом значение удельного сопротивления для силовых транзисторов увеличивается незначительно [2]. Во-вторых, соединительные провода могут быть меньшего диаметра (следовательно, легче и, опять же, дешевле). В-третьих, за счет снижения общего значения рабочих токов появляется возможность разработки и использования новых элементов, например управляемых электромагнитных клапанов, электрической трансмиссии и т. д. В таблице 1 представлены преимущества использования напряжения 42 В.
Изменяемый параметр
Предполагаемое улучшение
Уменьшение рабочих токов полупроводниковых компонентов
Уменьшение площади полупроводниковых компонентов
Уменьшение площади силовых компонентов
Снижение стоимости полупроводниковых компонентов
Уменьшение количества и площади сечения проводника
Уменьшение веса проводов на 6–10 кг
Электронное управление системой двигателя
Уменьшение потребления топлива на 5–10%
Максимально возможное электронное управление системными машинами
Переход от механических систем к электронным. Замена электромеханических реле мощными транзисторами. Уменьшение веса агрегатов на 25%
«При снижении в три раза тока полупроводниковых приборов становится более рентабельным их использование там, где раньше применялись механические устройства. Это приводит к тому, что можно использовать большее количество электронных устройств в автомобиле. Сами электронные компоненты становятся менее дорогими из-за своей меньшей номинальной мощности, поскольку ток в бортовой сети снижается» (Шон Шлассера, старший менеджер маркетинга в Infineon Technologies North America Corp.).
Основная выгода — это экономия топлива. Разрабатываемая система управления двигателем с помощью 42-В напряжения имеет способность выключать зажигание каждый раз, когда автомобиль останавливается, и запускать его снова в пределах нескольких миллисекунд, чтобы продолжать движение. Такой подход, разработанный инженерами института Fraunhofer Institute for Integrated Circuits (IIS), заключается в мгновенном преобразовании отклонения педали газа в электрические сигналы и исключает необходимость в трансмиссионных механизмах. Это фактически устраняет холостой ход и уменьшает потребление топлива на 10–15%. Экономии топлива также способствовала бы [1] и замена механических приводов, поскольку более крупные гидравлические и механические детали были бы заменены электронными, типа компрессоров кондиционирования воздуха и усилителей рулевого привода.
Переход на значение питания бортовой сети 42 В означает необходимость разработки и применения полупроводниковой базы с улучшенными характеристиками. Подобный переход требует организации производства силовых полупроводниковых приборов с номинальными пробивными напряжениями более 55 В, так как перенапряжение (повышение нагрузки в сети в момент отключения) для 42-В сети составляет 55 В. По мнению специалистов компании International Rectifier [3], для такого применения необходимо создать силовые транзисторы с номинальным пробивным напряжением U≥75 В. Разработка и использование транзисторов на более высокое пробивное напряжение 100 В нецелесообразна, поскольку транзистор с напряжением пробоя 100 В имеет площадь (при сохранении сопротивления канала) на 50% больше, что приводит к соответствующему увеличению его стоимости.
Несмотря на то, что напряжение в шине питания автомобиля изменится до 42 В, многие применяемые полупроводниковые приборы по-прежнему будут использовать от 3 до 1 В — например, для питания микроконтроллеров, приемопередатчиков, регуляторов напряжения. Это вызовет потребность в разработке соответствующих преобразователей напряжений (конвертеры) постоянного тока при использовании двух значений напряжения питания 36 и 42 В практически для всех узлов автомобиля. Для уменьшения взаимного влияния проводов, за счет повышенных электромагнитных полей при переходе на напряжение 42 В, также следует обратить внимание на более тщательную изоляцию (возможно, полную «экранизацию») соединительных проводов.
Повышение эффективности и дальнейшее увеличение числа электронных систем в автомобиле приводит к возрастающему значению стандартизации в области использования различных электронных узлов и, в частности, интегральных схем, которые могут выпускаться различными фирмами. Введение стандартизации позволяет практически без проблем подключать новые электронные узлы без разработки новых интерфейсов под каждый тип автомобиля. Возможность применения новых дополнительных электронных узлов приведет только к модификации программного обеспечения, что будет способствовать дальнейшему внедрению электроники в транспортные средства.
Требования, определяемые наличием повышенного бортового питания
С учетом тенденции, связанной с повышением бортового напряжения, изменяются требования к напряжению бортовой сети (табл. 2), о чем необходимо помнить разработчикам полупроводниковых элементов.
Допустимое обратное напряжение
2 В, при длительности воздействия не более 100 мс
Источник https://2shemi.ru/elementy-i-sistemy-avtomobilnoy-elektroniki/
Источник https://www.techinsider.ru/vehicles/7941-kompyutery-na-kolesakh-avtomobilnaya-elektronika/
Источник https://power-e.ru/autoelectronics/savtomobilnoj-elektroniki/
