Современные требования к элементной базе автомобильной электроники

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

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 4

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.

Источник https://power-e.ru/autoelectronics/savtomobilnoj-elektroniki/

Источник https://www.techinsider.ru/vehicles/7941-kompyutery-na-kolesakh-avtomobilnaya-elektronika/