Die Automobilstandards für Elektronik: Die Landschaft der selbstfahrenden Autos

Persönlich fahre ich gerne mein eigenes Fahrzeug und bin mir unsicher, wie wohl ich mich dabei fühlen würde, wenn der Prozess vollständig automatisiert wäre. Ich mag die Idee, die Kontrolle über mein Fahrzeug übernehmen zu können, wenn ich es benötige, aber es wäre schön, sich auf einer langen Fahrt auf dem Rücksitz zurücklehnen zu können. Die Automobilindustrie hat selbstfahrende Autos noch nicht auf dieses Niveau gebracht, aber seien Sie versichert, dass dies in nicht allzu ferner Zukunft Realität werden soll.

Wenn man die regulatorische und industrielle Landschaft rund um fahrerlose Fahrzeuge betrachtet, gibt es viele Probleme zu berücksichtigen, die sich auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Systeme beziehen. Für die Elektronikindustrie und PCB-Designer ist die Landschaft der Standards noch unklar, und das Designen nach Industriestandards wird in einer so stark regulierten Branche sicherlich eine wichtige Überlegung sein. Lassen Sie uns einen Blick auf die aktuelle Standardlandschaft für PCB-Designer werfen, die an Systemen für die Verbindung und Steuerung autonomer Fahrzeuge arbeiten.

Die Standardlandschaft für selbstfahrende Autos

IHS Market schätzt, dass bis 2035 78 Millionen halbautonome oder autonome Fahrzeuge auf den Straßen sein werden. Fahrzeuge der Automatisierungsstufe 4, die als vollständig automatisiert definiert sind und keine Aufmerksamkeit des Fahrers erfordern, gemäß der SAE, sind bereits auf der Straße, obwohl sie noch nicht kommerziell erhältlich sind. Fahrzeuge der Automatisierungsstufe 2 können bereits bei großen Automobilherstellern gekauft werden, aber das erste Fahrzeug der Stufe 3 steht in den USA noch vor einem rechtlichen Dilemma.

Das Problem bezüglich der Standards ist nicht eines der Funktionalität. Es ist vielmehr eines der Zuverlässigkeit. Selbstfahrende Autos benötigen Ebenen der Redundanz und fehlersichere Maßnahmen, um die Sicherheit der Passagiere zu gewährleisten. Wenn eine PCB für ein bestimmtes kritisches Steuerungs- oder Sicherheitssystem in einem selbstfahrenden Auto ausfallen würde, muss das Fahrzeug über eine gewisse Redundanz verfügen, die es mindestens ermöglicht, das Fahrzeug sicher zum Stillstand zu bringen. Diese Systeme können auch erfordern, dass der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug übernimmt, um einen Unfall zu verhindern.

Die regulatorische Landschaft ist bereits verwirrend genug und variiert zudem stark. Abgesehen von der verwirrenden regulatorischen Landschaft rund um selbstfahrende Autos, hat die Industrie es noch immer nicht geschafft, einheitliche Standards zu etablieren, die die Masse der neuen Elektronik regeln, die alle Aufgaben für sichere selbstfahrende Autos ermöglichen. Man kann bereits erwarten, dass neuere Standards für Fahrzeuge über die bestehenden IATF-, IPC-, ISO-, AEC- und SAE-Standards hinausgehen werden, was Sicherheit und Funktionalität betrifft.

Zusätzlich zu den oben aufgeführten Normungsorganisationen definiert der Automotive Electronics Council (AEC) Testanforderungen für automotive Komponenten und Systeme. Der ISO-26262-Standard deckt bereits funktionale Aspekte des Designs, der Integration und der Konfiguration für automotive Systeme ab. Der ISO 26262-Standard wurde 2011 entwickelt, und neuere Autos enthalten viel mehr Software, als sie es 2011 taten. Teil II der ISO 26262 wurde kürzlich veröffentlicht, und der ISO/WD PAS 21448-Standard für ADAS-Systeme war kürzlich Gegenstand der Diskussion auf der SAFECOMP 2019 Konferenz. Wir können bereits neue Zertifizierungen für die funktionale Sicherheit von elektrischen/elektronischen Systemen sehen, die von zahlreichen Organisationen hervorgebracht werden. Diese Standards, sowie andere ISO-Standards zur Herstellung von PCBs, sollten als Grundlage für aktuelle Elektronikdesigner für autonome Fahrzeuge angesehen werden.

Für Softwareentwickler wird eine ASPICE-Zertifizierung auch weiterhin relevant sein, selbst wenn die Anzahl autonom fahrender Autos auf den Straßen zunimmt. ASPICE definiert "wie die Software aussehen sollte", anstatt "wie die Software entwickelt werden sollte". Obwohl die Software für selbstfahrende Autos komplex ist, ist es unwahrscheinlich, dass der Softwareentwicklungsprozess sich signifikant ändern wird. Ich würde erwarten, dass mehr Entwicklungsteams ASPICE als Teil eines agilen Modells übernehmen.

Vernetzung innerhalb und zwischen Fahrzeugen

Ein weiteres Standardproblem bei selbstfahrenden Autos ist die Vernetzung unter der großen Anzahl von eingebetteten Systemen, die Daten sammeln und verarbeiten müssen und dann diese Daten nutzen, um Steuerungsfunktionen innerhalb eines fahrerlosen Fahrzeugs auszuführen. Fahrzeuge müssen auch über ein drahtloses ad-hoc Fahrzeugnetzwerk (VANET) mit anderen Fahrzeugen kommunizieren können, unter Verwendung eines standardisierten drahtlosen Protokolls.

Diese selbstfahrenden Autos müssen ein ad-hoc drahtloses Netzwerk bilden, während sie fahren

Es gibt bereits viele Standards, die den drahtlosen Zugang in VANETs (Vehicle Ad-hoc Networks) spezifizieren, wie 4G LTE/5G, DSRC und WAVE. Bestehende MANET-Routingprotokolle und Topologien werden ebenfalls genutzt, um Routingentscheidungen in vernetzten Fahrzeugen zu treffen. Der IEEE 802.11p-Standard wird typischerweise in experimentellen Systemen verwendet, und der Einsatz dieses Protokolls zur Gestaltung von Systemen zur Vernetzung autonomer Fahrzeuge ist ein aktuelles Forschungsthema.

Die Vernetzung innerhalb eines Fahrzeugs sollte auch auf Redundanz achten. Wenn eine ECU (Electronic Control Unit) in einem Fahrzeug ausfällt, müssen diese Funktionen möglicherweise von einer anderen ECU übernommen werden, was ein intrafahrzeugnetzwerk mit einer Mesh-Topologie erfordert, um Redundanz zu bieten. Hier können standardisierte Designregeln für die Gestaltung vernetzter Systeme in Bezug auf die Aufrechterhaltung der Signalintegrität befolgt werden, obwohl diese Systeme extrem zuverlässig sein müssen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Dies ist ein weiterer Aspekt selbstfahrender Autos, der laufende Forschung sieht.

Zuverlässigkeit beginnt mit Ihrem Substrat

Automobil-PCBs müssen in härteren Umgebungen überleben als PCBs, die in anderen Anwendungen verwendet werden. Dies umfasst das Bestehen von Tests zur thermischen Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität in rauen Umgebungen. Die Erfüllung dieser Zuverlässigkeitsanforderungen beginnt mit der Auswahl des richtigen Substratmaterials.

PCBs im Motorraum müssen bereits hohen Temperaturen standhalten, daher könnten je nach Kostenzielen keramische Substrate aus Alumina oder Aluminiumnitrid oder PCBs mit starkem Kupfer verwendet werden. FR4 bleibt das Substrat der Wahl für Sicherheitssysteme. Metal-Core-PCBs werden typischerweise für Antiblockiersysteme verwendet. Das Kollisionsvermeidungssystem in einem autonomen Auto stützt sich auf LiDAR oder Radar, was PCBs mit geringen Verlusten bei hoher Frequenz erfordert.

HDI-Design wird ebenfalls immer wichtiger, da die Anzahl der Komponenten und Verbindungen, die in PCBs für fahrerlose Autos verwendet werden, weiter zunehmen wird. Infotainmentsysteme werden bereits komplexer, da Displays mehr Funktionen integrieren, was eine größere Integration erfordert, ohne die Größe der Platine signifikant zu erhöhen.

Erwarten Sie eine höhere Dichte als diese in PCBs für selbstfahrende Autos

Die Leistungsintegrität und thermischen Anforderungen von PCBs in Elektro-, Hybrid- und Brennstoffzellenautos können nicht ignoriert werden. Die Branche verwendet bereits PCBs mit starkem Kupfer, damit diese Platinen höheren Strom und höhere Temperaturen in Lade-, Energiemanagement- und Energieverteilungssystemen standhalten können. Thermomanagement-Techniken müssen bei diesen Platinen angewendet werden, um Schäden an Komponenten und der Platine selbst zu verhindern.

Größere Integration in selbstfahrenden Autos

In Zukunft können wir mit einer stärkeren Integration von bisher getrennten Systemen und einer größeren Verarbeitungsleistung in Fahrzeugen rechnen. Dies erfordert eine Integration zwischen Sensoren, ECUs und den verschiedenen elektromechanischen Systemen, die alle Aspekte eines autonomen Fahrzeugs steuern. Die Softwarekomplexität nimmt ebenfalls zu, da die Masse an Daten sofort für Objekterkennung, Kommunikation über VANETs und viele andere Aufgaben in nahezu Echtzeit genutzt werden muss. Die Landschaft der Standards wird sich weiter verändern, da sich die besten Entwürfe bewähren.

Größere Integration bei begrenztem Platz wird auch eine gewisse Miniaturisierung auf Ebene der Platinen, Komponenten und Verbindungen erfordern. Es geht hierbei um mehr als nur Ästhetik; die sperrigen Systeme, die bei experimentellen selbstfahrenden Autos verwendet werden, müssen im Fahrzeug integriert werden. Dies stellt sicher, dass wichtige Systeme angemessen vor rauem Wetter, mechanischen Vibrationen und Feuchtigkeit geschützt werden können. Dies wird über das Armaturenbrett des Fahrzeugs hinausgehen.

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