Trends in der Automobil-Elektronik 2021 und was in der Zukunft zu erwarten ist

Die CES 2021 brachte uns eine Vielzahl futuristischer Gadgets für Fahrzeuge und interessante Konzeptfahrzeuge, und die bevorstehende CES 2022 wird voraussichtlich nicht enttäuschen. Die Elektronik in diesen Fahrzeugen spiegelt breitere Trends in der Automobil-Elektronik wider, die von Automobilherstellern, OEMs, Designern von Aftermarket-Elektronik und Verbrauchern nicht ignoriert werden können. Leiterplatten sind das Rückgrat der Automobil-Elektronik, und der Anteil der Elektronikkosten beträgt derzeit ~40% der Kosten eines neuen Autos. Es wird erwartet, dass dieser Anteil bis 2030 50% erreichen wird, genau zu dem Zeitpunkt, an dem neue Verbraucherautos teilweise oder vollständig autonom sein sollen. Wenn man unter die Haube eines Chevys aus den 1950er Jahren schauen würde, wäre es schwer vorstellbar, dass die Automobilindustrie so weit gekommen ist.

Es ist nicht nur die Anzahl der elektronischen Komponenten, die voraussichtlich weiter zunehmen wird, es ist auch die Komplexität dieser Systeme, sowohl in Bezug auf Hardware als auch auf eingebettete Software. Unter diesen Statistiken befinden sich mehrere Trends in der Automobil-Elektronik, die den Bedarf an Komponenten für OEMs und Designer von Aftermarket-Produkten antreiben werden. Lassen Sie uns betrachten, wie diese Trends die Landschaft in den Elektroniksystemen für neue und zukünftige Automobile beeinflussen.

Top-Trends in der Automobil-Elektronik

Der bekannteste Trend, mit dem jeder vertraut ist, ist die aktuelle Knappheit an Automobilchips, die leider auf fast jeden anderen Bereich der Elektronikindustrie übergegriffen hat. Die Automobil-Elektronik umfasst mehrere Anwendungsbereiche, von der Leistung bis hin zu Sensoren und drahtloser Kommunikation.

Leistungsmanagement für Elektrofahrzeuge

Da sich die Infrastruktur in wirtschaftlich fortgeschrittenen Ländern ändert und da neuere Batteriesysteme entwickelt werden, können wir weiterhin Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite und schnelleren Ladezeiten erwarten. Dies alles basiert auf fortschrittlicheren Leistungsmanagementsystemen, die auf einer Reihe grundlegender Komponenten basieren. Diese Komponenten sind nicht unbedingt hochintegriert als SoCs, einfach weil sie so viel Leistung handhaben müssen, aber Hochleistungssysteme müssen möglicherweise dennoch mit diskreten Komponenten auf dedizierten Modulen arbeiten.

Einige der wichtigsten Leistungssysteme, die in Elektrofahrzeugen auftauchen, umfassen:

• Drahtloses BMS für die Verwaltung der Ladungsverteilung in EV-Batteriepaketen sowie für die Überwachung von Batterien und die Kommunikation von Daten zurück zu Steuereinheiten.

• Auftauchen von V2G-Technologien und bidirektionalem Laden in Elektrofahrzeugen an Ladestationen.

• Verwendung fortschrittlicherer Halbleiter mit hoher Betriebstemperatur und hoher Wärmeleitfähigkeit für Leistungs-MOSFETs.

Einige typische Komponenten, die in diesen Energiemanagementsystemen verwendet werden müssen, umfassen eine Reihe von Komponenten für Sensor- und Steuerungsschleifen, wie zum Beispiel Strommessverstärker. Da Elektrofahrzeuge (EVs) mit Batteriepaketen bei hoher Spannung arbeiten, sind auch Komponenten für den ESD-Schutz wesentlich, um Schaltkreise zu schützen. Integrierte Energiemanagement-ICs mit mehreren Reglern (siehe den MC33PF8200A0ES von NXP unten) werden verwendet, um diese Systeme zu steuern, ebenso wie automotive-qualifizierte Prozessoren und eine Reihe von ASICs.

Der Anwendungsprozessor MC33PF8200A0ES von NXP bietet eine integrierte Energiemanagementlösung für Automobile.

Bezüglich der Leistungs-FETs, die mit hoher Leistung für das Lade-/Entlademanagement arbeiten müssen, sind SiC und GaN-SiC ideale Materialplattformen für diese Schaltkomponenten. Insbesondere ist SiC ein Halbleiter mit breitem indirektem Bandabstand (3,3 eV Bandabstand), der bei relativ niedriger Schaltfrequenz geringe Verluste während der Leistungsumwandlung bietet. Es hat auch eine hohe thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu Si, was es zu einem idealen Material für Aufgaben der Leistungsumwandlung in Elektrofahrzeugen macht. Während diese Komponenten ursprünglich entwickelt wurden, um RF-Leistungsanwendungen zu bedienen, wie in neuerer Mobilinfrastruktur, sind sie ebenso nützlich in Leistungsanwendungen für Elektrofahrzeuge. Tatsächlich wurde letztes Jahr der erste automotive-qualifizierte GaN-FET mit integriertem Treiber angekündigt, und andere Unternehmen haben mit eigenen Komponenten nachgezogen.

Vernetzung in Fahrzeugen und intelligente Infrastruktur

Neue Autos verarbeiten mehr Daten als je zuvor, und die Menge der Daten, die sie nutzen, wird nur zunehmen. Die Vernetzung in Fahrzeugen bei Verbraucherautomobilen liegt derzeit unter 1 Gbps über Ethernet, aber Gigabit-Ethernet in Fahrzeugen und drahtlos verbundene Geräte im Fahrzeug werden die Art und Weise, wie Daten von Fahrzeugen gesammelt und gehandhabt werden, sowie das Fahrerlebnis verändern. Die Vernetzung in Fahrzeugen und die intelligente Infrastrukturvernetzung sind beide riesige Chancen für neue Automobile und werden von der Automobilindustrie als neuer Wachstumsmarkt angesehen. Allein die Vernetzung in Fahrzeugen wird voraussichtlich bis 2026 zu einem Markt von 1,5 Milliarden Dollar werden, was durch eine Vielzahl integrierter Prozessoren und SoCs ermöglicht wird.

Der CC2541-Q1 von Texas Instruments ist automotive-qualifiziert und Teil der SimpliLink-Plattform für IoT-Produkte.

Die Implementierung von drahtlosen Technologien geht über die Verbindung von Fahrern und Infotainmentsystemen mit Bluetooth hinaus. Neben den oben erwähnten drahtlosen BMS-Designs gibt es auch die Motivation, drahtlose Verbindungen in anderen Bereichen eines Fahrzeugs zu implementieren. ECUs müssen oft sehr nah an den Sensoren und Aktuatoren platziert werden, mit denen sie interagieren werden. Das Ergebnis ist die Notwendigkeit, zusätzliche Verkabelung für jede neu hinzugefügte ECU in einem neuen Fahrzeug hinzuzufügen. Infolgedessen kann das Netzwerk-Harness in einem modernen Automobil Tausende von Verbindungen umfassen und Tausende von Metern Länge spannen. Der Ersatz von verkabelten Schnittstellen durch drahtlose Verbindungen reduziert Gewicht und Systemkomplexität und folgt dem aktuellen Paradigma in vernetzten Fahrzeugen.

Um fortschrittlichere ADAS, autonome Fahrzeuge und eine Reihe neuer Dienste, die innerhalb und außerhalb eines Fahrzeugs entstehen, zu ermöglichen, müssen neuere Fahrzeuge auch miteinander, mit intelligenten Infrastruktursystemen und sogar mit Fahrrädern und Motorrädern verbunden werden können. Die aktuellen WLAN-basierten Fahrzeug-zu-Allem (V2X) drahtlosen Standards basieren auf IEEE 802.11p, während andere Fähigkeiten auf bestehenden 4G- oder den kommenden 5G-Mobilfunkdiensten beruhen werden. Komponenten, die für diese Systeme erforderlich sind, umfassen Folgendes:

• 4G/4G LTE und 5G-Transceiver, Modems und Antennenmodule

• RF-Leistungsverstärker-ICs für Tx-Kanäle

• RF-Transceiver-ICs, die in einem Bereich von Frequenzen arbeiten (WiFi, DSRC, Dual-Band-Pipes bis zu 5,9 GHz usw.)

Bis vor kurzem gab es einige Debatten darüber, ob der 802.11p-Standard (bekannt als Dedicated Short-Range Communication, oder DSRC) oder Mobilfunk zum dominanten Protokoll für die Vernetzung zwischen Fahrzeugen werden würde. Im Oktober 2020 hat die FCC das Spektrum von 5,85 bis 5,895 GHz einem unlizenzierten Band neu zugewiesen. Der Rest des ursprünglichen DSRC-Spektrums wurde dem neueren C-V2X zugewiesen, das zufällig in 3GPP Release 14 standardisiert wurde. Dies hat effektiv DSRC beendet und lässt C-V2X und 5G-fähige Dienste als die kommenden Technologien für vernetzte Fahrzeuge und intelligente Infrastruktur übrig.

Sagen Sie 3G Lebewohl

Mein aktuelles Auto kann als WLAN-Hotspot fungieren und sich über 4G LTE/5G (vermarktet als Connected Car Services) mit meinem Mobilfunkdienst verbinden, und das Auto kann sich dann über Bluetooth mit meinen Geräten verbinden. Da 5G weiter ausgerollt wird, werden die Fähigkeiten Ihrer Mobilfunkdienste weiterhin in neuen Automobilen gespiegelt. Ein Dienst, der in neueren Automobilen wahrscheinlich nicht verfügbar sein wird, sind auf 3G basierende Navigations- und Sicherheitsdienste.

Telekommunikationsunternehmen planen, die 3G-Dienste abzuschalten, die viele Autos für Navigation, Crasherkennung, Verkehrsvisualisierung und Spezialdienste wie BMW Assist und OnStar nutzen. In gewisser Weise ist dies nur eine Wiederholung des 2G-Abschaltdebakels von vor einem Jahrzehnt. Einige Anbieter sind besser darauf vorbereitet, den Übergang zu neuen Technologien zu bewältigen als andere, aber Autohersteller haben es versäumt, Fahrer darüber zu informieren, wann ihre Connected Car Services eingestellt werden. Bei neueren Autos ist mit einer fortgesetzten Verschiebung zu neueren drahtlosen Technologien zu rechnen, um ein hochmodernes Benutzererlebnis zu ermöglichen.

Das OnStar-System ist nur einer der 3G-fähigen Dienste, die bald eingestellt werden.

Sensoren für intelligente ADAS

Einige Experten sagen, es wird ungefähr ein Jahrzehnt dauern, bevor Verbraucher ein selbstfahrendes Auto kaufen können. Es gibt viele Gründe dafür, die sich größtenteils um die Entwicklung eines Pakets fortschrittlicher Algorithmen für Steuerung und Entscheidungsfindung drehen. Es gibt jedoch auch andere Herausforderungen, die auf der Hardwareebene gelöst werden müssen. Dann gibt es die regulatorischen Herausforderungen und die Infrastruktur, die für autonome Fahrzeuge erforderlich ist. Diese Herausforderungen bestehen sowohl innerhalb des Fahrzeugs, außerhalb des Fahrzeugs als auch in Bezug auf andere von Menschen gefahrene Autos.

Die aktuelle Sensorlandschaft für ADAS umfasst eine Kombination aus Ultraschall, Radar und Kameras, die alle mit einem ECU verbunden werden müssen. Lidar könnte ebenfalls in ADAS-Sensornetzwerken üblich werden, da es eine Tiefenkartenbildung ermöglicht, die mit Kamerabildern nicht möglich ist. Lidar ist interessant, da es nicht nur in Automobilen verwendet wird, sondern die Technologie generell für die Wahrnehmung und Bildgebung in intelligenten Städten nützlich ist. Auch wenn Lidar in der Vergangenheit nicht im Mittelpunkt der Gespräche stand, drängen Unternehmen immer noch darauf, es als Teil einer fortschrittlichen Lösung für intelligente ADAS-Systeme einzusetzen, da es eine höhere Auflösung bei der Bildgebung und Kartierung bietet, um Radar- und Visionssysteme in neuen Fahrzeugen zu unterstützen.

Für ADAS-Sensoren erforderliche Komponenten gehen über die Sensoren selbst hinaus und umfassen Folgendes:

• Radar-Transceiver und SoCs (24 GHz und 77 GHz)

• Lidar-Systemkomponenten, einschließlich gepulster Laserdioden

• Mehrkanal-ADCs und eingebettete Prozessoren für die Sensorfusion

• Komponenten für benutzerdefinierte Kameras, einschließlich CCD-/CMOS-Sensormodule

Einige Sensoren und ihre unterstützenden Komponenten müssen möglicherweise über standardisierte digitale Schnittstellen (I2C, SPI, CANBus usw.) miteinander kommunizieren, während analoge Sensoren eine standardmäßige 0/5 V/4-20 mA-Schnittstelle verwenden können (z. B. Umweltsensoren).

Rechenleistung

Aktuelle Autos enthalten irgendwo mehr als 100 ECUs, und die Zahl wird voraussichtlich nur steigen. Da die Menge der gesammelten und verarbeiteten Daten in Automobilen zunimmt, werden ECUs und andere Module im System mehr Rechenleistung in Form von MCUs und automobiltauglichen FPGAs benötigen. Die genaue Größe, Geschwindigkeit und der Standort dieser Komponenten ist noch eine offene Frage. Angesichts des Trends zur Integration, der im Spezial-IC-Markt zu beobachten ist, würde ich erwarten, dass viele Hersteller damit beginnen, automobilspezifische SoCs anzubieten und/oder zu vermarkten, die einen MCU integrieren.

Der Bereich der drahtlosen Dienste, Energiemanagementsysteme und die Rechenleistung, die für neue Fahrzeuge erforderlich sind, sollten die komplizierte Elektroniklandschaft in neuen Fahrzeugen offenlegen. Es ist unmöglich, mit allen Trends in der Automobil-Elektronik Schritt zu halten, aber Designer, die Komponenten für diese Systeme auswählen müssen, können mit einer leistungsstarken Elektronik-Suchmaschine einen vollständigen Überblick über die Lieferkette erhalten. Chip-Hersteller werden wahrscheinlich mit spezialisierten SoCs, ähnlich denen für IoT- und Mobilprodukte, reagieren, und Sie können diese und andere spezialisierte Komponenten für neue Fahrzeuge mit der richtigen Suchmaschine finden.

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