Автомобильная электроника — это электронные системы, используемые в транспортных средствах , включая управление двигателем , зажигание , радио , компьютеры , телематику , автомобильные развлекательные системы и другие. Электроника зажигания, двигателя и трансмиссии также встречается в грузовиках , мотоциклах , внедорожниках и других машинах с приводом от внутреннего сгорания , таких как вилочные погрузчики , тракторы и экскаваторы . Соответствующие элементы управления соответствующими электрическими системами также встречаются на гибридных автомобилях и электромобилях .
Электронные системы становятся все более важным компонентом стоимости автомобиля: с примерно 1% его стоимости в 1950 году до примерно 30% в 2010 году. [1] Современные электромобили полагаются на силовую электронику для управления основным двигателем, поскольку а также управление системой аккумуляторов . Будущие беспилотные автомобили будут опираться на мощные компьютерные системы, набор датчиков, сети и спутниковую навигацию, и для всего этого потребуется электроника.
Самыми ранними электронными системами, доступными в качестве заводских установок, были автомобильные радиоприемники на электронных лампах , начиная с начала 1930-х годов. Развитие полупроводников после Второй мировой войны значительно расширило использование электроники в автомобилях: твердотельные диоды сделали автомобильный генератор переменного тока 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 (МОП-полевой транзистор или МОП-транзистор), изобретенный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году, [4] [5] привел к разработке силового МОП-транзистора компанией Hitachi в 1969 году. , [6] и однокристальный микропроцессор Федерико Фаггина , Марсиана Хоффа , Масатоши Шимы и Стэнли Мазора из Intel в 1971 году . [7]
Разработка микросхем и микропроцессоров МОП-интегральных схем (МОП-ИС) сделала ряд автомобильных приложений экономически целесообразными в 1970-х годах. В 1971 году компании Fairchild Semiconductor и RCA Laboratories предложили использовать МОП- чипы большой интеграции (LSI) для широкого спектра автомобильных электронных приложений, включая блок управления коробкой передач (TCU), адаптивный круиз-контроль (ACC), генераторы переменного тока , автоматические фары. диммеры , электрические топливные насосы , электронный впрыск топлива , электронный контроль зажигания , электронные тахометры , последовательные сигналы поворота , указатели скорости , датчики давления в шинах , регуляторы напряжения , управление стеклоочистителями , электронная система предотвращения скольжения (ESP), а также отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (ОВиК). [8]
В начале 1970-х годов японская электронная промышленность начала производить интегральные схемы и микроконтроллеры для японской автомобильной промышленности , используемые для автомобильных развлечений, автоматических дворников, электронных замков, приборной панели и управления двигателем. [9] Система Ford EEC (электронное управление двигателем), в которой использовался микропроцессор Toshiba TLCS-12 PMOS , была запущена в массовое производство в 1975 году. [10] [11] В 1978 году в Cadillac Seville был установлен «путевой компьютер», основанный на микропроцессор 6802 . Системы зажигания и впрыска топлива с электронным управлением позволили автоконструкторам создать транспортные средства, отвечающие требованиям по экономии топлива и снижению выбросов, сохраняя при этом высокий уровень производительности и удобства для водителей. Сегодняшние автомобили содержат дюжину или более процессоров, выполняющих такие функции, как управление двигателем, управление коробкой передач, климат-контроль, антиблокировочная система тормозов, системы пассивной безопасности, навигация и другие функции. [12]
Силовой МОП-транзистор и микроконтроллер , тип однокристального микропроцессора, привели к значительному прогрессу в технологии электромобилей . Преобразователи мощности MOSFET позволяли работать на гораздо более высоких частотах переключения, упрощали управление, снижали потери мощности и значительно снижали цены, в то время как однокристальные микроконтроллеры могли управлять всеми аспектами управления приводом и имели возможность управления батареями . [3] МОП-транзисторы используются в транспортных средствах [13], таких как автомобили , [14] легковые автомобили , [15] грузовики , [14] электромобили , [3] и умные автомобили . [16] MOSFET используются для электронного блока управления (ECU), [17] в то время как силовые MOSFET и IGBT используются в качестве драйверов нагрузки для автомобильных нагрузок , таких как двигатели , соленоиды , катушки зажигания , реле , обогреватели и лампы . [13] В 2000 году средний пассажирский автомобиль среднего класса содержал силовые полупроводники на сумму 100–200 долларов США , что потенциально может увеличиться в 3–5 раз для электрических и гибридных транспортных средств . По состоянию на 2017 год [обновлять]среднестатистический автомобиль имеет более 50 исполнительных механизмов , обычно управляемых силовыми МОП-транзисторами или другими силовыми полупроводниковыми устройствами . [13]
Еще одна важная технология, которая позволила современным электромобилям передвигаться по шоссе, — это литий-ионный аккумулятор . [18] Он был изобретен Джоном Гуденафом , Рашидом Язами и Акирой Ёсино в 1980-х годах, [19] и коммерциализирован Sony и Асахи Касей в 1991 году. [20] Литий-ионный аккумулятор был ответственен за разработку электромобилей, способных дальние путешествия, к 2000-м гг. [18]
Автомобильная электроника или автомобильные встроенные системы представляют собой распределенные системы, и в соответствии с различными областями автомобильной отрасли их можно классифицировать на:
По словам Криса Исидора из CNN Business , в среднем автомобиль 2020-х годов имеет 50–150 чипов . [21]
Одной из самых требовательных электронных частей автомобиля является блок управления двигателем (ЭБУ). Для управления двигателем требуются одни из самых высоких сроков в режиме реального времени, поскольку двигатель сам по себе является очень быстрой и сложной частью автомобиля. Из всей электроники в любом автомобиле наибольшая вычислительная мощность у блока управления двигателем, обычно это 32-битный процессор. [ нужна цитата ]
Современный автомобиль может иметь до 100 ЭБУ, а коммерческий автомобиль — до 40 .
ЭБУ двигателя управляет такими функциями, как:
В бензиновом двигателе:
Многие другие параметры двигателя активно отслеживаются и контролируются в режиме реального времени. Их от 20 до 50, которые измеряют давление, температуру, расход, скорость 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 устройствам дроссельной заслонки, клапана рециркуляции отработавших газов, рейки (в ВГТ ), топливной форсунки (с использованием сигнала с широтно-импульсной модуляцией ), дозирующей форсунки и многого другого. Всего имеется от 20 до 30 актуаторов.
Они управляют системой трансмиссии, в основном переключением передач, для повышения комфорта переключения и снижения прерывания крутящего момента при переключении. В автоматических трансмиссиях используются элементы управления для их работы, а также во многих полуавтоматических трансмиссиях, имеющих полностью автоматическое сцепление или полуавтоматическое сцепление (только выключение). Блок управления двигателем и блок управления коробкой передач обмениваются сообщениями, сигналами датчиков и сигналами управления своей работой.
Система шасси имеет множество подсистем, которые контролируют различные параметры и активно управляются:
Эти системы всегда готовы действовать в случае столкновения или предотвратить его, обнаружив опасную ситуацию:
Все вышеперечисленные системы образуют информационно-развлекательную систему. Методы разработки этих систем различаются в зависимости от производителя. Для разработки аппаратного и программного обеспечения используются разные инструменты .
Это гибридные ЭБУ нового поколения, которые сочетают в себе функции нескольких ЭБУ информационно-развлекательного головного устройства, усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS), комбинации приборов, камеры заднего вида/системы помощи при парковке, систем кругового обзора и т. д. Это позволяет сэкономить на стоимости электроники, а также на механические/физические части, такие как межсоединения между ЭБУ и т. д. Существует также более централизованное управление, поэтому данные могут беспрепятственно обмениваться 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, у хакеров может возникнуть возможность удаленно получить контроль над автомобилем и потенциально злоупотребить им для антиобщественной деятельности. Обычно использование гипервизоров с аппаратным и программным обеспечением используется для виртуализации и создания отдельных зон доверия и безопасности, невосприимчивых к сбоям или нарушениям друг друга. В этой области ведется большая работа, и потенциально такие системы появятся в ближайшее время, если не уже сейчас.
Чтобы свести к минимуму риск опасных отказов, электронные системы, связанные с безопасностью, должны быть разработаны в соответствии с применимыми требованиями ответственности за качество продукции. Игнорирование или ненадлежащее применение этих стандартов может привести не только к травмам, но и к серьезным юридическим и экономическим последствиям, таким как аннулирование или отзыв продукции .
Стандарт IEC 61508 , обычно применимый к электрическим, электронным и программируемым продуктам, связанным с безопасностью, лишь частично соответствует требованиям автомобильной разработки. Следовательно, для автомобильной промышленности этот стандарт заменяется существующим стандартом ISO 26262 , который в настоящее время выпущен как окончательный проект международного стандарта (FDIS). ISO/DIS 26262 описывает весь жизненный цикл электрических/электронных систем, связанных с безопасностью, для дорожных транспортных средств. В своей окончательной версии он был опубликован в качестве международного стандарта 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 разработки концепции до его вывод из эксплуатации.
Поскольку все больше функций автомобиля подключены к сетям ближнего или дальнего радиуса действия, требуется кибербезопасность систем от несанкционированной модификации. Поскольку критически важные системы, такие как органы управления двигателем, трансмиссия, подушки безопасности и тормозная система, подключены к внутренним диагностическим сетям, удаленный доступ может привести к тому, что злоумышленник изменит работу систем или отключит их, что может привести к травмам или гибели людей. Каждый новый интерфейс представляет собой новую « поверхность атаки ». Тот же объект, который позволяет владельцу разблокировать и завести автомобиль с помощью приложения для смартфона, также представляет риски из-за удаленного доступа. Производители автомобилей могут защищать память различных управляющих микропроцессоров как для защиты их от несанкционированных изменений, так и для того, чтобы гарантировать, что только авторизованные производители смогут диагностировать или ремонтировать автомобиль. Такие системы, как вход без ключа, основаны на криптографических методах, гарантирующих, что атаки «повтор» или « атаки «человек посередине »» не смогут записывать последовательности, позволяющие позднее взломать автомобиль. [22]
В 2015 году Генеральный автомобильный клуб Германии заказал расследование уязвимостей электронной системы одного производителя, которые могли привести к таким эксплойтам, как несанкционированная удаленная разблокировка автомобиля. [23]
Сегодня по контрактам примерно с 20 крупными компаниями мы работаем над почти 30 программами продуктов — приложениями технологии МОП/БИС для автомобилей, грузовиков, бытовой техники, бизнес-техники, музыкальных инструментов, компьютерная периферия, кассовые аппараты, калькуляторы, оборудование для передачи данных и телекоммуникаций.