Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Автомобильная электроника - это электронные системы, используемые в транспортных средствах , включая управление двигателем , зажигание , радио , автомобильные компьютеры , телематику , автомобильные развлекательные системы и другие. Электроника системы зажигания, двигателя и трансмиссии также используется в грузовиках , мотоциклах , внедорожниках и другой технике с двигателем внутреннего сгорания, такой как вилочные погрузчики , тракторы и экскаваторы.. Связанные элементы для управления соответствующими электрическими системами также встречаются на гибридных транспортных средствах и электромобилях .

Электронные системы становятся все более значительным компонентом стоимости автомобиля, от всего лишь примерно 1% от его стоимости в 1950 году до примерно 30% в 2010 году. [1] Современные электромобили полагаются на силовую электронику для управления главным двигателем, поскольку а также управление аккумуляторной системой . Автономные автомобили будущего будут полагаться на мощные компьютерные системы, набор датчиков, сети и спутниковую навигацию, для чего потребуется электроника.

История [ править ]

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, с твердотельными диодами делая автомобильный генератор переменного тока стандарта после приблизительно 1960, и первые транзисторных систем зажигания , появляющиеся около 1955 [ править ] .

Появление технологии металл-оксид-полупроводник (МОП) привело к развитию современной автомобильной электроники. [2] МОП - транзистор (МОП - полевой транзистор, или МОП - транзистор), изобретенный Mohamed М. Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году, [3] [4] привели к разработке силового полевого МОП - транзистора с помощью Hitachi в 1969 году , [5] и однокристальный микропроцессор от Федерико Фаггина , Марсиана Хоффа , Масатоши Шима и Стэнли Мазора вIntel в 1971 г. [6]

Разработка микросхем и микропроцессоров на МОП-интегральных схемах (МОП-ИС) сделала ряд автомобильных приложений экономически целесообразными в 1970-х годах. В 1971 году Fairchild Semiconductor и RCA Laboratories предложили использовать микросхемы крупномасштабной интеграции (LSI) MOS для широкого спектра автомобильных электронных приложений, включая блок управления трансмиссией (TCU), адаптивный круиз-контроль (ACC), генераторы переменного тока , автоматические фары. диммеры , электрические топливные насосы , электронный впрыск топлива , электронное управление зажиганием , электронные тахометры, последовательные указатели поворота , указатели скорости , датчики давления в шинах , регуляторы напряжения , управление стеклоочистителями , электронная система предотвращения заноса (ESP), а также система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HAVC). [7]

В начале 1970-х годов японская электронная промышленность начала производство интегральных схем и микроконтроллеров для японской автомобильной промышленности , используемых для автомобильных развлечений, автоматических дворников, электронных замков, приборной панели и управления двигателем. [8] Система Ford EEC (Electronic Engine Control), в которой использовался микропроцессор Toshiba TLCS-12 PMOS , была запущена в серийное производство в 1975 году. [9] [10] В 1978 году Cadillac Seville был оснащен «бортовым компьютером» на базе 6802микропроцессор. Системы зажигания и впрыска топлива с электронным управлением позволили конструкторам автомобилей создавать автомобили, отвечающие требованиям по экономии топлива и меньшим выбросам, сохраняя при этом высокие характеристики и удобство для водителей. Современные автомобили содержат дюжину или более процессоров, выполняющих такие функции, как управление двигателем, управление трансмиссией, климат-контроль, антиблокировочная тормозная система, системы пассивной безопасности, навигация и другие функции. [11]

Силовой полевой МОП-транзистор и микроконтроллер , тип однокристального микропроцессора, привели к значительному прогрессу в технологии электромобилей . Преобразователи мощности на полевых МОП-транзисторах позволили работать на гораздо более высоких частотах переключения, упростили управление, снизили потери мощности и значительно снизили цены, в то время как однокристальные микроконтроллеры могли управлять всеми аспектами управления приводом и обладали емкостью для управления батареями . [2] МОП-транзисторы используются в транспортных средствах [12], таких как автомобили , [13] легковые автомобили , [14] грузовики , [13] электромобили ,[2] и умные автомобили . [15] MOSFET используются для электронного блока управления (ECU), [16] в то время как силовые MOSFET и IGBT используются в качестве драйверов нагрузкидля автомобильных нагрузок, таких как двигатели , соленоиды , катушки зажигания , реле , нагреватели и лампы . [12] В 2000 году средний пассажирский автомобиль среднего классасодержал силовые полупроводники на сумму 100–200 долларов, что потенциально увеличивалось в 3–5 раз для электрических игибридные автомобили . По состоянию на 2017 год в среднем автомобиле было более 50 приводов , обычно управляемых силовыми полевыми МОП-транзисторами или другими силовыми полупроводниковыми устройствами . [12]

Еще одна важная технология, которая позволила современным электромобилям , пригодным для использования на автомагистралях, - это литий-ионный аккумулятор . [17] Он был изобретен Джоном Гуденафом , Рашидом Язами и Акирой Йошино в 1980-х годах [18] и коммерциализирован Sony и Asahi Kasei в 1991 году. [19] Литий-ионный аккумулятор был ответственен за разработку электромобилей, способных работать. дальние путешествия, к 2000-м годам. [17]

Типы [ править ]

Автомобильная электроника или встраиваемые автомобильные системы являются распределенными системами, и в зависимости от различных областей автомобильной отрасли их можно разделить на:

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

По словам Криса Исидора из CNN Business, в среднем автомобиль 2020-х годов имеет 50-150 чипов . [20]

Электроника двигателя [ править ]

Одна из самых требовательных электронных частей автомобиля - это блок управления двигателем (ЭБУ). Для управления двигателем требуются одни из самых высоких сроков в реальном времени, поскольку сам двигатель - очень быстрая и сложная часть автомобиля. Из всей электроники в любом автомобиле самая высокая вычислительная мощность блока управления двигателем, обычно это 32-битный процессор. [ необходима цитата ]

В современном автомобиле может быть до 100 ЭБУ, а в коммерческом автомобиле - до 40. [ необходима цитата ]

ЭБУ двигателя управляет такими функциями, как:

В дизельном двигателе :

  • Скорость впрыска топлива
  • Контроль выбросов, NOx , контроль
  • Регенерация катализатора окисления
  • Управление турбонагнетателем
  • Управление системой охлаждения
  • Дроссельное регулирование

В бензиновом двигателе:

  • Лямбда- контроль
  • OBD ( бортовая диагностика )
  • Управление системой охлаждения
  • Управление системой зажигания
  • Управление системой смазки (электронное управление есть только у некоторых)
  • Контроль скорости впрыска топлива
  • Дроссельное регулирование

Многие другие параметры двигателя активно отслеживаются и контролируются в режиме реального времени. Их от 20 до 50 измеряют давление, температуру, расход, скорость двигателя, уровень кислорода и уровень NOx, а также другие параметры в различных точках двигателя. Все эти сигналы датчиков отправляются в ЭБУ, который имеет логические схемы для фактического управления. Выход ЭБУ подключен к различным исполнительным механизмам дроссельной заслонки, клапана рециркуляции ОГ, рейки (в VGT ), топливной форсунки (с использованием сигнала с широтно-импульсной модуляцией ), дозирующей форсунки и т. Д. Всего существует от 20 до 30 приводов.

Электроника трансмиссии [ править ]

Они управляют системой трансмиссии, в основном переключением передач для повышения комфорта переключения и уменьшения прерывания крутящего момента при переключении. В автоматических трансмиссиях используются органы управления, а также во многих полуавтоматических трансмиссиях с полностью автоматическим или полуавтоматическим сцеплением (только с выключением). Блок управления двигателем и блок управления трансмиссией обмениваются сообщениями, сигналами датчиков и сигналами управления своей работой.

Электроника шасси [ править ]

В системе шасси есть множество подсистем, которые отслеживают различные параметры и активно контролируются:

  • ABS - антиблокировочная тормозная система
  • ASR / TCS - Антипробуксовочная регулирование / система контроля тяги
  • BAS - система экстренного торможения
  • EBD - Электронное распределение тормозного усилия
  • EDC - Электронное управление заслонкой
  • EDS - электронный дифференциал скольжения
  • ESP - Электронная программа стабилизации
  • ETS - Улучшенная система тяги
  • PA - Помощь при парковке

Пассивная безопасность [ править ]

Основная статья: Пассивная безопасность

Эти системы всегда готовы действовать, когда происходит столкновение, или предотвращать его, когда обнаруживают опасную ситуацию:

  • Подушки безопасности
  • Контроль спуска с холма
  • Система экстренного торможения

Помощь водителю [ править ]

Основная статья: Расширенные системы помощи водителю
  • Системы помощи при движении по полосе
  • Система ускорения
  • Обнаружение слепых зон
  • Система помощи при парковке
  • Система адаптивного круиз-контроля
  • Предаварийная помощь

Комфорт пассажиров [ править ]

  • Автоматический климат-контроль
  • Электронная регулировка сиденья с памятью
  • Автоматические дворники
  • Автоматические фары - автоматическая регулировка луча
  • Автоматическое охлаждение - регулировка температуры

Развлекательные системы [ править ]

  • Система навигации
  • Автомобильная аудиосистема
  • Доступ к информации

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 .

Электронные интегрированные системы кабины экипажа [ править ]

Это гибридные ЭБУ нового поколения, сочетающие в себе функции нескольких ЭБУ головного блока информационно-развлекательной системы, усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS), приборной панели, задней камеры / системы помощи при парковке, систем кругового обзора и т. Д. Это позволяет сэкономить на стоимости электроники, а также механические / физические части, такие как межсоединения между блоками управления двигателем и т. д. Существует также более централизованный контроль, позволяющий беспрепятственно обмениваться данными между системами.

Конечно, есть и проблемы. Учитывая сложность этой гибридной системы, требуется гораздо больше усилий для проверки надежности, безопасности и защищенности системы. Например, если приложение информационно-развлекательной системы, которое может работать под управлением ОС Android с открытым исходным кодом, будет взломано, хакеры могут получить удаленный контроль над автомобилем и потенциально использовать его для антиобщественной деятельности. Как правило, 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, возможно, такие системы появятся в ближайшее время, если еще не появятся.

Требования функциональной безопасности [ править ]

Чтобы свести к минимуму риск опасных отказов, электронные системы, связанные с безопасностью, должны быть разработаны в соответствии с применимыми требованиями к ответственности за качество продукции. Несоблюдение 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 / программируемым продуктам, связанным с безопасностью, лишь частично соответствует требованиям автомобильной разработки. Следовательно, для автомобильной промышленности этот стандарт заменен существующим ISO 26262 , который в настоящее время выпущен в качестве окончательного проекта международного стандарта (FDIS). ISO / DIS 26262 описывает весь жизненный цикл продуктов связанных с безопасностью электрических / электронных систем для дорожных транспортных средств. Он был опубликован в качестве международного стандарта в его окончательной версии в ноябре 2011 года. Внедрение этого нового стандарта приведет к изменениям и различным инновациям в процессе разработки автомобильной электроники, поскольку он охватывает весь жизненный цикл продукта отэтап концепции до вывода из эксплуатации.

Безопасность [ править ]

См. Также: Автомобильная безопасность

Поскольку все больше функций автомобиля подключаются к сетям ближнего или дальнего действия, требуется кибербезопасность систем от несанкционированного изменения. Когда критически важные системы, такие как органы управления двигателем, трансмиссия, подушки безопасности и торможение, 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 смертельному исходу. Каждый новый интерфейс представляет собой новую " поверхность атаки".". То же средство, которое позволяет владельцу разблокировать и заводить автомобиль из 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 обеспечения безопасности только производителя -авторизованные службы могут диагностировать или ремонтировать автомобиль. Такие системы, как вход без ключа, полагаются на криптографические методы, чтобы гарантировать, что атаки « повторного воспроизведения » или « атаки человека посередине » не могут записывать последовательности, позволяющие впоследствии взломать автомобиль. [ 21]

В 2015 году Немецкий общий автомобильный клуб поручил провести расследование уязвимостей электронной системы одного производителя, которые могли привести к таким уязвимостям, как несанкционированная удаленная разблокировка автомобиля. [22]

См. Также [ править ]

  • Системы сотовых портов
  • Ветроникс

Ссылки [ править ]

  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 в июле 11, 2017
  2. ^ a b c Госден, Д. Ф. (март 1990 г.). «Современные технологии электромобилей с использованием двигателя переменного тока» . Журнал электротехники и электроники . Институт инженеров Австралии . 10 (1): 21–7. ISSN  0725-2986 .
  3. ^ "1960 - Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  4. ^ "Кто изобрел транзистор?" . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 . Проверено 20 июля 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  5. ^ Oxner, ES (1988). Технология и применение Fet . CRC Press . п. 18. ISBN 9780824780500.
  6. ^ «1971: микропроцессор объединяет функцию процессора на одном чипе» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  7. ^ Benrey, Рональд М. (октябрь 1971). «Микроэлектроника в 70-е годы» . Популярная наука . Bonnier Corporation . 199 (4): 83–5, 150–2. ISSN 0161-7370 . 
  8. ^ «Тенденции в полупроводниковой промышленности: 1970-е» . Японский музей истории полупроводников . Архивировано из оригинального 27 июня 2019 года . Проверено 27 июня 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  9. ^ "1973: 12-битный микропроцессор управления двигателем (Toshiba)" (PDF) . Японский музей истории полупроводников . Архивировано из оригинального (PDF) 27 июня 2019 года . Проверено 27 июня 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  10. ^ Belzer, Джек; Хольцман, Альберт Г .; Кент, Аллен (1978). Энциклопедия компьютерных наук и технологий: Том 10 - Линейная и матричная алгебра микроорганизмов: идентификация с помощью компьютера . CRC Press . п. 402. ISBN. 9780824722609.
  11. ^ http://www.embedded.com/electronics-blogs/significant-bits/4024611/Motoring-with-microprocessors Motoring with microprocessors, получено 11 июля 2017 г.
  12. ^ a b c Эмади, Али (2017). Справочник по автомобильной силовой электронике и моторным приводам . CRC Press . п. 117. ISBN 9781420028157.
  13. ^ a b «Новости дизайна» . Новости дизайна . Издательство "Каннерс". 27 (1–8): 275. 1972. Сегодня по контрактам примерно с 20 крупными компаниями мы работаем над почти 30 программами продуктов - приложениями технологии MOS / LSI для автомобилей, грузовиков, бытовой техники, бизнес-машин, музыкальных инструментов и т. Д. компьютерная периферия, кассовые аппараты, калькуляторы, оборудование для передачи данных и телекоммуникации.
  14. ^ "Участник NIHF Бантвал Джаянт Балига изобрел технологию IGBT" . Национальный зал славы изобретателей . Проверено 17 августа 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  15. ^ "MDmesh: 20 лет полевых МОП-транзисторов Superjunction STPOWER ™, история инноваций" . СТ Микроэлектроника . 11 сентября 2019 . Дата обращения 2 ноября 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  16. ^ "Автомобильные МОП-транзисторы" (PDF) . Fuji Electric . Проверено 10 августа 2019 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  17. ^ a b Скросати, Бруно; Гарче, Юрген; Тильмец, Вернер (2015). Достижения в аккумуляторных технологиях для электромобилей . Издательство Вудхед . ISBN 9781782423980.
  18. ^ "IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies Recipients" . Медаль IEEE за технологии защиты окружающей среды и безопасности . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Проверено 29 июля 2019 года . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  19. ^ «Ключевые слова для понимания Sony Energy Devices - ключевое слово 1991» . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  20. ↑ Крис Исидор (22 марта 2021 г.) Нехватка компьютерных чипов начинает поражать автопроизводителей там, где это больно
  21. ^ https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1279038 Tech Trends: Проблемы безопасности для автомобильной электроники следующего поколения , получено 11 ноября 2017 г.
  22. ^ Авто, öffne dich! Sicherheitslücken bei BMWs ConnectedDrive , c't, 5 февраля 2015 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уильям Б. Риббенс и Норман П. Мансур (2003). Понимание автомобильной электроники (6-е изд.). Newnes. ISBN 9780750675994.

Внешние ссылки [ править ]

  • Международный конгресс автомобильной электроники
  • Общество Автомобильных Инженеров
  • Лаборатория автомобильной электроники Клемсона (Секция автомобильной электроники)