stringtranslate.com

Автомобильная электроника

Автомобильная электроника — это электронные системы , используемые в транспортных средствах , включая управление двигателем , зажигание , радио , компьютеры , телематику , развлекательные системы в автомобиле и другие. Электроника зажигания, двигателя и трансмиссии также встречается в грузовиках , мотоциклах , внедорожниках и других машинах с двигателем внутреннего сгорания , таких как погрузчики , тракторы и экскаваторы . Сопутствующие элементы для управления соответствующими электрическими системами также встречаются в гибридных транспортных средствах и электромобилях .

Электронные системы стали все более весомым компонентом стоимости автомобиля, с всего лишь около 1% от его стоимости в 1950 году до около 30% в 2010 году. [1] Современные электромобили используют силовую электронику для управления главным двигателем, а также для управления системой аккумуляторов . Будущие автономные автомобили будут использовать мощные компьютерные системы, множество датчиков, сетевое взаимодействие и спутниковую навигацию, и все это потребует электроники.

История

Самыми ранними электронными системами, доступными в качестве заводских установок, были автомобильные радиоприемники на электронных лампах , появившиеся в начале 1930-х годов. Развитие полупроводников после Второй мировой войны значительно расширило использование электроники в автомобилях, при этом твердотельные диоды сделали автомобильный генератор стандартом примерно после 1960 года, а первые транзисторные системы зажигания появились в 1963 году. [2]

Появление технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) привело к развитию современной автомобильной электроники. [3] МОП -транзистор был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами после того, как Фрош и Дерик открыли пассивацию поверхности диоксидом кремния и использовали свое открытие для создания первых планарных транзисторов, первых полевых транзисторов, в которых сток и исток были смежными на одной поверхности, позже группа продемонстрировала работающий МОП в Bell Labs. [4] [5] [6] [7] [8] [9] Давон Канг подытожил в служебной записке Bell Labs достижение: EE LaBate и EI Povilonis, которые изготовили устройство; MO Thurston, LA D'Asaro и JR Ligenza, которые разработали процессы диффузии, и HK Gummel и R. Lindner, которые охарактеризовали устройство. [10] [11] Это привело к разработке мощного МОП-транзистора компанией Hitachi в 1969 году [12] и однокристального микропроцессора Федерико Фаггином , Марсианом Хоффом , Масатоши Шимой и Стэнли Мазором в Intel в 1971 году [13]

Разработка микросхем МОП-интегральных схем (МОП-ИС) и микропроцессоров сделала ряд автомобильных приложений экономически осуществимыми в 1970-х годах. В 1971 году Fairchild Semiconductor и RCA Laboratories предложили использовать микросхемы МОП -большой интеграции (БИС) для широкого спектра автомобильных электронных приложений, включая блок управления трансмиссией (TCU), адаптивный круиз-контроль (ACC), генераторы , автоматические регуляторы света фар , электрические топливные насосы , электронный впрыск топлива , электронное управление зажиганием , электронные тахометры , последовательные указатели поворота , указатели скорости , мониторы давления в шинах , регуляторы напряжения , управление стеклоочистителями , электронную систему предотвращения заноса (ESP), а также отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (HVAC). [14]

В начале 1970-х годов японская электронная промышленность начала производить интегральные схемы и микроконтроллеры для японской автомобильной промышленности , которые использовались для развлечений в автомобиле, автоматических дворников, электронных замков, приборной панели и управления двигателем. [15] Система Ford EEC (электронное управление двигателем), которая использовала микропроцессор Toshiba TLCS-12 PMOS , пошла в массовое производство в 1975 году. [16] [17] В 1978 году Cadillac Seville был оснащен «бортовым компьютером» на базе микропроцессора 6802. Системы зажигания и впрыска топлива с электронным управлением позволили автомобильным конструкторам добиться того, чтобы транспортные средства соответствовали требованиям по экономии топлива и снижению выбросов, при этом сохраняя высокий уровень производительности и удобства для водителей. Сегодняшние автомобили содержат дюжину или более процессоров, в таких функциях, как управление двигателем, управление трансмиссией, климат-контроль, антиблокировочная система тормозов, пассивные системы безопасности, навигация и другие функции. [18]

Мощный МОП-транзистор и микроконтроллер , тип однокристального микрокомпьютера, привели к значительному прогрессу в технологии электромобилей . Преобразователи мощности МОП-транзистора позволили работать на гораздо более высоких частотах переключения, упростили вождение, снизили потери мощности и значительно снизили цены, в то время как однокристальные микроконтроллеры могли управлять всеми аспектами управления приводом и имели возможность управления аккумулятором . [3] МОП-транзисторы используются в транспортных средствах , [19] таких как автомобили , [20] легковые автомобили , [21] грузовики , [20] электромобили , [3] и интеллектуальные автомобили . [22] МОП-транзисторы используются для электронного блока управления (ЭБУ), [23] в то время как мощные МОП-транзисторы и БТИЗ используются в качестве драйверов нагрузки для автомобильных нагрузок, таких как двигатели , соленоиды , катушки зажигания , реле , нагреватели и лампы . [19] В 2000 году среднестатистический пассажирский автомобиль среднего класса имел примерно 100–200 долларов США на содержание силовых полупроводников , увеличившись в 3–5 раз для электрических и гибридных автомобилей . По состоянию на 2017 год среднестатистический автомобиль имеет более 50 исполнительных механизмов , обычно управляемых силовыми МОП-транзисторами или другими силовыми полупроводниковыми устройствами . [19]

Еще одной важной технологией, которая позволила создать современные электромобили, способные передвигаться по шоссе, является литий-ионная батарея . [24] Она была изобретена Джоном Гуденафом , Рашидом Язами и Акирой Ёсино в 1980-х годах, [25] и выведена на рынок компаниями Sony и Asahi Kasei в 1991 году. [26] Литий-ионная батарея стала основой для разработки электромобилей, способных ездить на дальние расстояния, к 2000-м годам. [24]

Типы

Автомобильная электроника или автомобильные встраиваемые системы представляют собой распределенные системы, и в зависимости от различных областей в автомобильной отрасли их можно классифицировать на:

  1. Электроника двигателя
  2. Электроника трансмиссии
  3. Электроника шасси
  4. Пассивная безопасность
  5. Помощь водителю
  6. Комфорт пассажиров
  7. Системы развлечений
  8. Электронные интегрированные системы кабины экипажа

По словам Криса Исидора из CNN Business, в среднем в автомобиле 2020-х годов установлено 50–150 чипов . [27]

Электроника двигателя

Одной из самых требовательных электронных частей автомобиля является блок управления двигателем (ЭБУ). Управление двигателем требует одних из самых высоких сроков выполнения в реальном времени, поскольку сам двигатель является очень быстрой и сложной частью автомобиля. Из всей электроники в любом автомобиле вычислительная мощность блока управления двигателем самая высокая, обычно это 32-битный процессор. [ необходима цитата ]

Современный автомобиль может иметь до 100 ЭБУ, а коммерческий автомобиль — до 40. [ необходима цитата ]

ЭБУ двигателя управляет такими функциями, как:

В дизельном двигателе :

В бензиновом двигателе:

Еще больше параметров двигателя активно отслеживаются и контролируются в режиме реального времени. Около 20–50 из них измеряют давление, температуру, расход, частоту вращения двигателя, уровень кислорода и уровень NOx , а также другие параметры в разных точках двигателя. Все эти сигналы датчиков отправляются в ЭБУ, который имеет логические схемы для фактического управления. Выход ЭБУ подключен к различным исполнительным механизмам для дроссельной заслонки, клапана EGR, рейки (в VGT ), топливного инжектора (с использованием широтно-импульсного модулированного сигнала), дозирующего инжектора и т. д. Всего имеется около 20–30 исполнительных механизмов.

Электроника трансмиссии

Они управляют системой трансмиссии, в основном переключением передач для лучшего комфорта переключения и для снижения прерывания крутящего момента при переключении. Автоматические трансмиссии используют элементы управления для своей работы, а также многие полуавтоматические трансмиссии с полностью автоматическим сцеплением или полуавтоматическим сцеплением (только выключение сцепления). Блок управления двигателем и блок управления трансмиссией обмениваются сообщениями, сигналами датчиков и управляющими сигналами для своей работы.

Электроника шасси

Система шасси имеет множество подсистем, которые контролируют различные параметры и активно контролируются:

Пассивная безопасность

Эти системы всегда готовы действовать в случае столкновения или предотвратить его, если они обнаруживают опасную ситуацию:

Помощь водителю

Комфорт пассажиров

Системы развлечений

Все вышеперечисленные системы образуют информационно-развлекательную систему. Методы разработки этих систем различаются в зависимости от производителя. Для разработки как аппаратного, так и программного обеспечения используются различные инструменты .

Электронные интегрированные системы кабины экипажа

Это гибридные ЭБУ нового поколения, которые объединяют в себе функциональные возможности нескольких ЭБУ информационно-развлекательного головного устройства, усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS), комбинации приборов, камеры заднего вида/помощника при парковке, систем кругового обзора и т. д. Это позволяет сэкономить на стоимости электроники, а также механических/физических деталей, таких как соединения между ЭБУ и т. д. Также обеспечивается более централизованное управление, что позволяет беспрепятственно обмениваться данными между системами.

Конечно, есть и проблемы. Учитывая сложность этой гибридной системы, требуется гораздо больше строгости для проверки ее надежности, безопасности и защищенности. Например, если приложение информационно-развлекательной системы, которое может работать под управлением ОС Android с открытым исходным кодом, будет взломано, то хакеры могут получить удаленный контроль над автомобилем и потенциально использовать его для антиобщественной деятельности. Обычно для виртуализации и создания отдельных зон доверия и безопасности, которые защищены от сбоев или нарушений друг друга, используются гипервизоры с программным обеспечением. В этой области ведется много работы, и, возможно, вскоре появятся такие системы, если уже не появились.

Требования функциональной безопасности

Чтобы свести к минимуму риск опасных отказов, электронные системы, связанные с безопасностью, должны разрабатываться в соответствии с применимыми требованиями ответственности за качество продукции. Несоблюдение или ненадлежащее применение этих стандартов может привести не только к травмам, но и к серьезным правовым и экономическим последствиям, таким как отмена или отзыв продукции .

Стандарт IEC 61508 , обычно применяемый к электрическим/электронным/программируемым продуктам, связанным с безопасностью, лишь частично соответствует требованиям автомобильной разработки. Следовательно, для автомобильной промышленности этот стандарт заменяется существующим ISO 26262 , в настоящее время выпущенным как окончательный проект международного стандарта (FDIS). ISO/DIS 26262 описывает весь жизненный цикл продукта электрических/электронных систем, связанных с безопасностью, для дорожных транспортных средств. Он был опубликован как международный стандарт в своей окончательной версии в ноябре 2011 года. Внедрение этого нового стандарта приведет к изменениям и различным инновациям в процессе разработки автомобильной электроники, поскольку он охватывает полный жизненный цикл продукта от этапа концепции до его вывода из эксплуатации.

Безопасность

Поскольку все больше функций автомобиля подключаются к сетям ближнего или дальнего действия, требуется кибербезопасность систем от несанкционированного изменения. При подключении критических систем, таких как элементы управления двигателем, трансмиссия, подушки безопасности и тормоза, к внутренним диагностическим сетям удаленный доступ может привести к тому, что злоумышленник изменит функцию систем или отключит их, что может привести к травмам или смертельным случаям. Каждый новый интерфейс представляет собой новую « поверхность атаки ». То же самое средство, которое позволяет владельцу разблокировать и завести автомобиль с помощью приложения для смартфона, также представляет риски из-за удаленного доступа. Производители автомобилей могут защищать память различных микропроцессоров управления как для защиты их от несанкционированных изменений, так и для того, чтобы только уполномоченные производителем средства могли диагностировать или ремонтировать транспортное средство. Такие системы, как бесключевой доступ, полагаются на криптографические методы, чтобы гарантировать, что атаки «воспроизведения» или « атаки посредника » не могут записывать последовательности, чтобы позволить впоследствии взломать автомобиль. [28]

В 2015 году немецкий всеобщий автомобильный клуб заказал расследование уязвимостей электронной системы одного производителя, которые могли привести к таким злоумышленникам, как несанкционированное удаленное разблокирование автомобиля. [29]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ https://www.statista.com/statistics/277931/automotive-electronics-cost-as-a-share-of-total-car-cost-worldwide/ Стоимость автомобильной электроники как доля от общей стоимости автомобиля, получено 11 июля 2017 г.
  2. ^ VinceC (2019-05-07). "История автомобилестроения: электронное зажигание – потеря очков, часть 1". Curbside Classic . Получено 2022-10-03 .
  3. ^ abc Gosden, DF (март 1990). «Современная технология электромобилей с использованием привода переменного тока». Журнал электротехники и электроники . 10 (1). Институт инженеров Австралии : 21–7. ISSN  0725-2986.
  4. ^ US2802760A, Линкольн, Дерик и Фрош, Карл Дж., «Окисление полупроводниковых поверхностей для контролируемой диффузии», выпущено 1957-08-13 
  5. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  6. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  7. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  8. ^ Лигенца, Дж. Р.; Спитцер, В. Г. (1960). «Механизмы окисления кремния в паре и кислороде». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 131–136. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  9. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
  10. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  11. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  12. ^ Окснер, ES (1988). Технология Fet и ее применение. CRC Press . стр. 18. ISBN 9780824780500.
  13. ^ "1971: Microprocessor Integrates CPU Function into a Single Chip". Кремниевый двигатель . Музей компьютерной истории . Получено 22 июля 2019 г.
  14. ^ Бенрей, Рональд М. (октябрь 1971 г.). «Микроэлектроника в 70-х». Popular Science . 199 (4). Bonnier Corporation : 83–5, 150–2. ISSN  0161-7370.
  15. ^ "Тенденции в полупроводниковой промышленности: 1970-е". Музей истории полупроводников Японии . Архивировано из оригинала 27 июня 2019 года . Получено 27 июня 2019 года .
  16. ^ "1973: 12-битный микропроцессор управления двигателем (Toshiba)" (PDF) . Музей истории полупроводников Японии . Архивировано из оригинала (PDF) 27 июня 2019 года . Получено 27 июня 2019 года .
  17. ^ Белзер, Джек; Хольцман, Альберт Г.; Кент, Аллен (1978). Энциклопедия компьютерных наук и технологий: Том 10 - Линейная и матричная алгебра для микроорганизмов: компьютерная идентификация. CRC Press . стр. 402. ISBN 9780824722609.
  18. ^ http://www.embedded.com/electronics-blogs/significant-bits/4024611/Motoring-with-microprocessors Motoring with microprocessors, получено 11 июля 2017 г.
  19. ^ abc Эмади, Али (2017). Справочник по автомобильной силовой электронике и приводам двигателей. CRC Press . стр. 117. ISBN 9781420028157.
  20. ^ ab "Design News". Design News . 27 (1–8). Cahners Publishing Company: 275. 1972. Сегодня по контрактам с примерно 20 крупными компаниями мы работаем почти над 30 программами продуктов — приложениями технологии MOS/LSI для автомобилей, грузовиков, бытовой техники, бизнес-машин, музыкальных инструментов, компьютерной периферии, кассовых аппаратов, калькуляторов, оборудования для передачи данных и телекоммуникационного оборудования.
  21. ^ "NIHF Inductee Bantval Jayant Baliga Invented IGBT Technology". Национальный зал славы изобретателей . Получено 17 августа 2019 г.
  22. ^ "MDmesh: 20 лет Superjunction STPOWER™ MOSFET, история инноваций". ST Microelectronics . 11 сентября 2019 г. . Получено 2 ноября 2019 г. .
  23. ^ "Автомобильные силовые МОП-транзисторы" (PDF) . Fuji Electric . Получено 10 августа 2019 г. .
  24. ^ ab Scrosati, Bruno; Garche, Jurgen; Tillmetz, Werner (2015). Достижения в области технологий аккумуляторов для электромобилей. Woodhead Publishing . ISBN 9781782423980.
  25. ^ "IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies Recipients". IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies . Institute of Electrical and Electronic Engineers . Архивировано из оригинала 25 марта 2019 г. . Получено 29 июля 2019 г. .
  26. ^ "Ключевые слова для понимания Sony Energy Devices – ключевое слово 1991". Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г.
  27. ^ Крис Изидор (22 марта 2021 г.) Дефицит компьютерных чипов начинает бить по автопроизводителям по больному месту
  28. ^ https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1279038 Tech Trends:Проблемы безопасности для автомобильной электроники следующего поколения , получено 11 ноября 2017 г.
  29. ^ Авто, öffne dich! Sicherheitslücken bei BMW ConnectedDrive. Архивировано 23 ноября 2020 г. в Wayback Machine , c't, 05 февраля 2015 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки