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.
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 [обновлять]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]
Автомобильная электроника или автомобильные встраиваемые системы представляют собой распределенные системы, и в зависимости от различных областей в автомобильной отрасли их можно классифицировать на:
По словам Криса Исидора из CNN Business, в среднем в автомобиле 2020-х годов установлено 50–150 чипов . [27]
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 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.
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.
Система шасси имеет множество подсистем, которые контролируют различные параметры и активно контролируются:
Эти системы всегда готовы действовать в случае столкновения или предотвратить его, если они обнаруживают опасную ситуацию:
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 .
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.
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.
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]
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.