Тенденции в автомобильной промышленности

Автомобили с сетевыми возможностями

Подстёгиваемые стремительным развитием электроники современные автомобили быстро превращаются из механического транспортного средства в мини-центр обработки данных на колёсах.

После 130 лет господства механики её место занимают компьютеры

В этой статье Судипто Босе и Йорн Хопфнер из компании Tektronix анализируют тенденции, ускоряющие революцию в автомобильной промышленности.

За всю свою 130-летнюю историю автомобильная промышленность не подвергалась таким революционным изменениям, как теперь. В условиях электрификации, автоматизации, сетевых технологий и мобильности производители вынуждены пересматривать ранее невостребованные методы и технологии. И неудивительно, ведь сам автомобиль, увлекаемый стремительным развитием электроники, превращается из механического транспортного средства в мини-центр обработки данных на колёсах.

Хотя в легковых автомобилях электронные системы управления появились намного раньше, чем вы думаете. Первая электронная система впрыска топлива под названием Chrysler Electrojector была запущена в серийное производство в 1958 году и установлена на 35 автомобилей. Примечательно, что впоследствии большинство из этих пионеров были переоснащены в полевых условиях 4-цилиндровыми карбюраторами, прежде всего потому что первые электронные системы были слишком медленными, чтобы работать с дозаторами топлива на ходу.

Современные высокотехнологичные электронные системы управления двигателем не только управляют впрыском топлива и зажиганием, но также могут изменять рабочий цикл, выбирая цикл Отто, Миллера или Аткинсона, а недавно даже позволили производителям вывести на рынок прецизионную систему управления двигателем с компрессионным воспламенением однородной смеси.

 

 

Система ADAS, меняющая требования к сетям

В настоящее время отрасль столкнулась с новой проблемой, касающейся электронных систем — она появилась из-за расширения электрификации транспорта и внедрения систем ADAS (современных систем содействия управлению транспортным средством), которые быстро приближаются к полностью автоматическому управлению Уровня 5.

Термин «Автоматизация 5-го уровня» введён в стандарте SAE J3016, в котором приводится классификация следующих шести уровней автоматизации:

Battery-lifeИсточник изображения: ITS International
Уровень 0: водитель полностью контролирует автомобиль, в том числе руль, педаль тормоза и газа. Фактически это традиционный способ вождения.
Уровень 1: автомобиль может автоматически выполнять небольшие операции вождения, такие как торможение.
Уровень 2: автоматизированы как минимум две функции, такие как удержание автомобиля в середине занимаемой полосы и круиз-контроль. На этом уровне водитель может не держать руки на руле, а ноги на педалях, но он все ещё обязан быть готовым взять на себя управление автомобилем.
Уровень 3: несмотря на присутствие водителя на этом уровне, он больше не обязан так внимательно следить за окружающей обстановкой, как на предыдущих уровнях.
Уровень 4: согласно определению Министерства транспорта (DOT), автомобили этого уровня «спроектированы для выполнения всех критически важных для безопасности функций вождения и отслеживания дорожной обстановки в течение всей поездки». Эти функции действуют только в специальных зонах (геозоны) и при особых условиях, таких как дорожная пробка или движение по автомагистрали. В отсутствие таких зон или условий автомобиль должен уметь безопасно завершить поездку, т. е. запарковаться, если водитель не возьмёт управление на себя.
Уровень 5: этот уровень означает, что автомобиль имеет полностью автоматизированное управление, и ему не нужен руль или система управления, которые мог бы контролировать водитель.
Начальник группы по разработке приложений компании Tektronix Йорн Хопфнер говорит, что компания уже запустила в производство системы Уровня 3, имея в виду такие автомобили, как Audi A8 2018 года выпуска. Далее он продолжает: «...в то время как автомобили Уровня 4 накручивают тестовые мили на дорогах общего пользования по всему миру».

Будущее автомобиля зависит от систем передачи данных

Как сказал Дирк Шлезингер, технический директор TÜV SÜD, международного поставщика услуг по тестированию, испытаниям, аудиту и сертификации, «автомобиль будущего — это будет ПК на колёсах, но намного сложнее».

Для примера в Ford GT задействовано 100 млн строк кода, тогда как для Windows 10 нужно 27-50 млн строк выполняемого кода, увеличивающегося до 100 млн строк, когда добавляется материнская плата, видеокарта и приложения, такие как Office.

Но подход к электронным системам меняется не только из-за мощностей вычислительных систем — автоматизированный автомобиль может быть оснащён 50 разными датчиками, собранными в 15 групп датчиков, которые ежесуточно будут генерировать около 4 000 ГБ или 4 терабайта данных:

  • Камеры генерируют 20-60 Мбит/с
  • Для радара требуется более 10 кбит/с
  • Парктронику нужно от 10 до 100 кбит/с
  • GPS работает при скорости передачи 50 кбит/с
  • Для лидара необходимо от 10 до 70 Мбит/с

И все эти данные нужно передавать через сеть, в качестве которой с 1986 года используется локальная сеть контроллеров (CAN). Изначально шина CAN предназначалась для передачи данных «управление-трафик» между электронными блоками управления автомобиля при скоростях передачи данных по шинам не более 1 Мбит/с и полезной нагрузке пакетов данных до 8 байт.

По мере стремительного роста данных в протокол CAN были внесены изменения, и он превратился в CAN FD (с гибкой скоростью передачи данных) с повышением максимальной скорости передачи до 15 Мбит/с и полезной нагрузки до 64 байт.

Но при таких скоростях CAN всё равно не мог работать с системами обработки изображений, такими как лидары или камеры. Кроме того, блоки управления должны передавать больше данных между электронными системами управления, чтобы координировать работу подсистем. Это заставило разработчиков автомобильных сетей пересмотреть не только скорость передачи, но и архитектуру сети.

Чтобы поддержать такие системы с большим количеством данных, в отрасли было разработано несколько следующих решений:

  • Консорциум Media Oriented Systems Transport (MOST), находящийся в Карлсруэ (Германия), который изначально ориентировался на мультимедийные системы, разработал шину MOST150 для передачи данных со скоростью 150 Мбит/с. Благодаря расширению диапазона, шина MOST150 идеально вписалась в технологии содействия управлению автомобилем, такие как система слежения за дорожной разметкой и адаптивный круиз-контроль.
  • Другой системой, которая изначально разрабатывалась не для автомобильной промышленности, стала система LVDS (дифференциальный сигнал низкого напряжения). Она вводит стандарт высокоскоростного обмена данными со скоростью до 655 Мбит/с и передачей сигналов по витым парам медных проводов. Высокая скорость передачи привлекла к системе LVDS внимание производителей камер для автомобилей.
  • Совсем недавно производители начали использовать Ethernet как решение для автомобилей, способное обеспечить высокую производительность и скорость передачи по доступным по цене витым парам неэкранированных проводов. Технология специально разработана для соответствия самым жёстким отраслевым требованиям к автомобильным системам и оптимизирована для использования в разных системах. Технология, разрешённая для использования в автомобильных системах, может обеспечить высокоэффективную передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с.

В большинстве автомобильных систем используется несколько указанных стандартов шин, а также другие, в зависимости от конкретных подсистем. Благодаря небольшому времени задержки и временным характеристикам, FlexRay является идеальным решением для электронных автомобильных систем, в которых критически важно получить точно заданный результат. Протоколом SENT можно пользоваться для связи с датчиками. Кроме того, мы полагаем, что CAN и LIN будут и в дальнейшем применяться в областях, где больше важна не скорость, а проверенная надёжность. Многие электронные блоки управления используются не только как контроллеры, но и как сетевые шлюзы.

Поскольку автомобили с высоким уровнем автоматизации и сетевыми возможностями будут работать с более чем одним типом сетевой архитектуры, у разработчиков возникают сложности с тестированием и диагностикой нескольких сетевых технологий одновременно . И хотя многие из этих технологий кажутся более подходящими для центров обработки ИТ-данных, в автомобилях они должны безупречно работать в широком диапазоне температуры и влажности, выдерживать удары и вибрацию, соответствовать требованиям по электромагнитной совместимости с другими модулями и в общем с окружающей средой.

Наведённые, излучаемые и преднамеренные РЧ-помехи

Использование большого количества встроенных систем и необходимость передачи важной информации по сетям транспортного средства привели к усложнению процессов тестирования, необходимых для отладки и проверки этих систем. Вместе с ростом скорости передачи данных растёт и количество глитчей, способных нарушить работу системы. Автомобильная промышленность, использующая множество систем с искровым зажиганием, не может стоять в стороне от проблем электромагнитной совместимости.
«Ожидается, что количество данных, передаваемых по беспроводным сетям автомобиля, будет стремительно расти, – говорит генеральный директор сектора разработки решений для автомобильной промышленности компании Tektronix Судипто Босе. – Мы видим, что сегодня беспроводные технологии применяются в информационно-развлекательных системах и сотовой связи, но на очереди системы связи автомобиля с другими транспортными средствами (V2V) или дорожной инфраструктурой (V2I), которые являются критические важными: представьте, что вы приближаетесь к перекрёстку и автомобиль может общаться с перекрёстком или даже с другим автомобилем», — продолжает Босе.
Из-за большого количества электроники и критичности данных, передаваемых по автомобильным сетям, вопросы электромагнитной совместимости становятся ещё более острыми и важными.
По словам Босе, «устройства РЧ-диапазона — это большая проблема, потому что если создаются помехи, как избежать последствий? Может ли что-нибудь прекратить работу и привести к катастрофе?» Поэтому он уверен в необходимости серьёзного тестирования таких систем. «И это не просто тестирование электроники, иногда это испытания в камере всей машины», — подытоживает он.

Совместная мобильность как толчок к разработке новых стандартов и методов тестирования

Следующей проблемой, с которой сталкивается стремительно развивающаяся отрасль, является мобильность, когда каршеринг и агрегаторы такси играют всё большую роль в выборе транспорта потребителями. В этой модели такие компании, как Uber, Lyft, а также Didi из Китая и NuTonomy из Юго-Восточной Азии предлагают пассажирам поездки в беспилотных такси с автоматизацией уровня 4 или 5.

Такой переход к мобильности открывает новые возможности для производителей фирменного оборудования (OEM), которые могут стать поставщиками для новых провайдеров услуг по запросу: Возможность, которой воспользовалась компания Volvo, когда стала первым производителем, подписавшим соглашение с Uber на поставку 24 000 XC90 c основными системами автономного вождения, которые были необходимы компании, предлагающей агрегаторы такси, для разработки собственных функций беспилотного вождения.
Компания Volvo как изготовитель стандартной платформы для автоматизации уверена, что может поставлять такие автомобили и другим компаниям, которые предлагают услуги агрегаторов такси и могут адаптировать базовые системы под свои потребности. При широкой адаптации систем возникает риск того, что оборудование, программное обеспечение и сети связи могут оказаться несовместимыми, что в конечном счёте приведёт к созданию новых стандартов и новому тестированию для проверки надёжности работы транспортного средства.
И пока конструкция транспортного средства меняется в результате внедрения каршеринга, сетевых технологий и автоматизации, управление электроснабжением будет играть всё более важную роль в поддержке многочисленных бортовых систем. Для автомобилей самыми оптимальными могут стать запускаемые в производство системы электроснабжения двойного питания, такие как MHEV 48/12 В («мягкий» гибрид с маломощным электромотором) или система «Высокое напряжение/12 В», применяемая в гибридных автомобилях.

Управление электроснабжением как путь к совершенствованию интеллектуальных автомобилей

По вполне понятным причинам многие пишут об электрификации систем тяги. При этом об электронных системах распределения электроэнергии часто умалчивают. В этом случае 12-вольтная сеть управляет стандартными нагрузками: освещение, зажигание, мультимедийная система, аудиосистема и электронные модули, тогда как системы с более высоким напряжением поддерживают активное управления шасси, компрессоры системы кондиционирования воздуха, а также рекуперативное торможение и усилитель крутящего момента.

И поскольку производители ищут способы улучшить эксплуатационные характеристики, сократить затраты и оптимизировать габариты силовой электроники, для разработчиков мощных полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC) открываются новые горизонты. Например, в преобразователях постоянного напряжения в постоянное более высокая скорость переключения, обеспечиваемая широкозонной структурой, позволяет уменьшить размеры индуктивностей, трансформаторов, ёмкостей и в общем сократить вес и габариты. Все эти достижения сочетаются с кпд преобразования более 95 %.

И опять же, эти системы более близки к сектору компьютерных технологий, чем к производителям традиционных автомобилей, поэтому чтобы обеспечить их безопасность и функциональные характеристики, нужно регулярно отслеживать новые стандарты и процедуры тестирования.

И так как рекламы автомобилей в 2030 году, скорее всего, не будут вспоминать о механике, а будут расхваливать вычислительные мощности процессоров, таких как Xeon, Snapdragon и Drive PX, к этому нужно обстоятельно подготовиться. Не только путём разработки и отладки технологий, но и путём создания новых стандартов и обеспечения тестирования всех функций систем.

Узнать больше о решениях и системах для автомобилей с сетевыми возможностями

Тенденции в других областях применения

Загрузки
Загрузить

Загрузить руководства, технические описания, программное обеспечение и т. д.:

Go to top