Trendy w elektronice samochodowej w 2021 roku i czego się spodziewać w przyszłości

CES 2021 przyniósł nam mnóstwo futurystycznych gadżetów do pojazdów oraz interesujące koncepcyjne pojazdy, a nadchodzące targi CES 2022 z pewnością nie zawiodą. Elektronika w tych pojazdach odzwierciedla szersze trendy w elektronice samochodowej, których producenci samochodów, OEM, projektanci elektroniki dodatkowej oraz konsumenci nie mogą ignorować. PCB są kręgosłupem elektroniki samochodowej, a proporcja kosztów elektroniki obecnie stanowi ~40% kosztu nowego samochodu. Oczekuje się, że do 2030 roku wzrośnie to do 50%, właśnie w momencie, gdy nowe samochody konsumenckie mają być częściowo lub w pełni autonomiczne. Gdyby spojrzeć pod maskę Chevy z lat 50., trudno byłoby sobie wyobrazić, że branża motoryzacyjna zaszła tak daleko. To nie tylko liczba komponentów elektronicznych ma tendencję do wzrostu, ale także złożoność tych systemów, zarówno pod względem sprzętu, jak i wbudowanego oprogramowania. Pod tymi statystykami kryje się kilka trendów w elektronice samochodowej, które będą napędzać potrzeby komponentów dla OEM-ów i projektantów rynku wtórnego. Spójrzmy, jak te trendy wpływają na krajobraz systemów elektronicznych w nowych i przyszłych samochodach.

Najważniejsze trendy w elektronice samochodowej

Najbardziej znaczącym trendem, z którym wszyscy są zaznajomieni, jest obecny niedobór chipów samochodowych, który niestety przeniknął niemal do każdej innej dziedziny przemysłu elektronicznego. Elektronika samochodowa obejmuje wiele obszarów zastosowań, od zasilania po czujniki i komunikację bezprzewodową.

Zarządzanie zasilaniem w pojazdach elektrycznych

Jako że infrastruktura w krajach ekonomicznie zaawansowanych się zmienia, a opracowywane są nowsze systemy baterii, możemy spodziewać się pojazdów elektrycznych o dłuższym zasięgu i szybszym czasie ładowania. Wszystko to opiera się na bardziej zaawansowanych systemach zarządzania zasilaniem, które polegają na szeregu podstawowych komponentów. Te komponenty niekoniecznie są wysoce zintegrowane jako SoC, ponieważ muszą obsługiwać tak dużą moc, ale systemy wysokiej mocy mogą nadal wymagać działania z dyskretnymi komponentami na dedykowanych modułach.

Niektóre z głównych systemów zasilania pojawiających się w pojazdach elektrycznych to:

• Bezprzewodowy BMS do zarządzania dystrybucją ładunku w pakietach baterii EV, a także monitorowania baterii i komunikowania danych z powrotem do jednostek sterujących.

• Pojawienie się technologii V2G i dwukierunkowego ładowania w pojazdach elektrycznych na stacjach ładowania.

• Użycie bardziej zaawansowanych półprzewodników o wysokiej temperaturze pracy i wysokiej przewodności cieplnej dla tranzystorów MOSFET.

Do typowych komponentów, które będą potrzebne w tych systemach zarządzania energią, należą różne elementy do pętli pomiarowych i sterujących, takie jak wzmacniacze pomiaru prądu. Ponieważ pojazdy elektryczne (EV) działają z wykorzystaniem pakietów baterii o wysokim napięciu, niezbędne są również komponenty do ochrony ESD, aby chronić obwody. Zintegrowane układy zarządzania energią z wieloma regulatorami (patrz poniżej MC33PF8200A0ES od NXP) są używane do kontrolowania tych systemów, jak również procesory z certyfikatem motoryzacyjnym i zestaw ASICów.

Procesor aplikacyjny MC33PF8200A0ES od NXP zapewnia zintegrowane rozwiązanie do zarządzania energią w samochodach.

Jeśli chodzi o tranzystory mocy FET, które muszą pracować przy wysokiej mocy dla zarządzania ładowaniem/rozładowaniem, SiC i GaN-SiC są idealnymi platformami materiałowymi dla tych komponentów przełączających. W szczególności SiC to półprzewodnik o szerokiej, pośredniej przerwie energetycznej (3,3 eV przerwa energetyczna), który zapewnia niskie straty podczas konwersji mocy przy stosunkowo niskiej częstotliwości przełączania. Posiada również wysoką przewodność cieplną w porównaniu do Si, co czyni go idealnym materiałem do zadań konwersji mocy o wysokiej mocy w pojazdach elektrycznych. Chociaż te komponenty zostały pierwotnie opracowane z myślą o zastosowaniach mocy RF, takich jak w nowszej infrastrukturze mobilnej, są równie przydatne w aplikacjach mocy dla pojazdów elektrycznych. W rzeczywistości, pierwszy tranzystor GaN FET z kwalifikacjami motoryzacyjnymi i zintegrowanym sterownikiem został ogłoszony w zeszłym roku, a inne firmy poszły w ich ślady z własnymi komponentami.

Sieciowanie w pojazdach i inteligentna infrastruktura

Nowe samochody przetwarzają więcej danych niż kiedykolwiek wcześniej, a ilość danych, które wykorzystują, będzie tylko rosnąć. Sieciowanie w pojazdach w samochodach konsumenckich obecnie jest poniżej 1 Gbps przez Ethernet, ale gigabitowe sieciowanie w pojazdach i bezprzewodowo połączone urządzenia wewnątrz pojazdu zmienią sposób zbierania i obsługi danych przez pojazdy, jak również doświadczenia kierowców. Sieciowanie w pojazdach i inteligentna infrastruktura sieciowa to ogromne możliwości dla nowych samochodów i są postrzegane jako nowy rynek wzrostu przez przemysł motoryzacyjny. Samo sieciowanie w pojazdach jest prognozowane, aby stać się rynkiem o wartości 1,5 miliarda dolarów do 2026 roku, co będzie ułatwione przez szereg zintegrowanych procesorów i SoC.

CC2541-Q1 od Texas Instruments posiada kwalifikacje motoryzacyjne i jest częścią platformy SimpliLink dla produktów IoT.

Implementowanie technologii bezprzewodowych wykracza poza łączenie sterowników i systemów rozrywki z Bluetooth. Oprócz bezprzewodowych projektów BMS, jak wspomniano powyżej, istnieje motywacja do wdrażania połączeń bezprzewodowych w innych obszarach pojazdu. ECU często muszą być umieszczone bardzo blisko czujników i aktuatorów, z którymi będą współpracować. Skutkuje to potrzebą dodawania dodatkowego okablowania dla każdego nowego ECU dodawanego do pojazdu. W rezultacie, sieć wiązek w nowoczesnym samochodzie może zawierać tysiące połączeń i rozciągać się na tysiące metrów długości. Zastąpienie interfejsów przewodowych połączeniami bezprzewodowymi redukuje wagę i złożoność systemu, co jest zgodne z obecnym paradygmatem w pojazdach połączonych. Aby umożliwić bardziej zaawansowane systemy ADAS, pojazdy autonomiczne i szereg nowych usług pochodzących z wnętrza i zewnątrz pojazdu, nowsze pojazdy będą również musiały łączyć się ze sobą, inteligentnymi systemami infrastruktury, a nawet rowerami i motocyklami. Obecne standardy bezprzewodowe pojazd-do-wszystkiego (V2X) oparte są na WLAN i IEEE 802.11p, podczas gdy inne możliwości będą polegać na istniejących usługach komórkowych 4G lub nadchodzących 5G. Komponenty wymagane dla tych systemów obejmują:

• 4G/4G LTE i modemy i moduły antenowe 5G

• Układy scalone wzmacniaczy mocy RF dla kanałów Tx

• Układy scalone transceiverów RF pracujące w zakresie częstotliwości (WiFi, DSRC, dwuzakresowe do 5,9 GHz itp.)

Do niedawna trwała debata, czy standard 802.11p (znany jako dedykowana komunikacja krótkiego zasięgu, DSRC) czy komunikacja komórkowa stanie się dominującym protokołem dla sieci międzypojazdowych. W październiku 2020 r. FCC przekształciła pasmo 5,85 do 5,895 GHz na niezarejestrowany pasmo. Reszta oryginalnego spektrum DSRC została przydzielona nowszemu C-V2X, który akurat został ustandaryzowany w 3GPP Release 14. Skutecznie zakończyło to erę DSRC, pozostawiając C-V2X i usługi z obsługą 5G jako nadchodzące technologie dla połączonych pojazdów i inteligentnej infrastruktury.

Pożegnaj się z 3G

Mój obecny samochód może działać jako hotspot WiFi i łączyć się z moją usługą komórkową przez 4G LTE/5G (marketingowo jako usługi Connected Car), a następnie łączyć się z moimi urządzeniami przez Bluetooth. W miarę wdrażania 5G, możliwości twoich usług komórkowych będą nadal odzwierciedlane w nowych samochodach. Jedną z usług, która prawdopodobnie nie będzie dostępna w nowszych samochodach, są usługi nawigacyjne i bezpieczeństwa oparte na 3G. Telekomy planują wyłączyć usługi 3G, z których wiele samochodów korzysta do nawigacji, wykrywania wypadków, wizualizacji ruchu i specjalistycznych usług takich jak BMW Assist i OnStar. W pewnym sensie jest to powtórka z debaklu wyłączenia 2G sprzed dekady. Niektóre sieci są lepiej przygotowane do przejścia na nowe technologie niż inne, ale producenci samochodów byli opieszały w informowaniu kierowców, kiedy ich usługi Connected Car zostaną wyłączone. W przypadku nowszych samochodów, można spodziewać się kontynuacji przejścia na nowsze technologie bezprzewodowe, aby umożliwić nowoczesne doświadczenia użytkownika.

System OnStar to tylko jedna z usług z obsługą 3G, które wkrótce zostaną wycofane.

Czujniki dla inteligentnych systemów ADAS

Niektórzy eksperci twierdzą, że dekada to okres, po którym konsumenci będą mogli kupić samochód autonomiczny. Istnieje wiele powodów tej sytuacji, które w dużej mierze krążą wokół rozwoju zaawansowanych algorytmów do zarządzania kontrolą i podejmowania decyzji. Jednakże, istnieją również inne wyzwania, które muszą być rozwiązane na poziomie sprzętu. Następnie są wyzwania regulacyjne i infrastruktura wymagana do wsparcia pojazdów autonomicznych. Te wyzwania istnieją zarówno wewnątrz pojazdu, poza pojazdem, jak i w relacji do innych samochodów prowadzonych przez ludzi.

Obecny krajobraz czujników dla ADAS obejmuje pewne połączenie ultradźwięków, radaru i kamer, wszystkie muszą być połączone z ECU. Lidar może również stać się powszechny w sieciach czujników ADAS, ponieważ umożliwia mapowanie głębi, co nie jest możliwe przy użyciu obrazów z kamer. Lidar jest interesujący, ponieważ jego zastosowanie nie ogranicza się do samochodów, z technologią będącą przydatną do wykrywania i obrazowania w inteligentnych miastach ogólnie. Mimo że lidar nie był głównym tematem rozmów w przeszłości, firmy nadal promują go jako część zaawansowanego rozwiązania dla inteligentnych systemów ADAS, ponieważ zapewnia obrazy i mapowanie o wyższej rozdzielczości, wspierając systemy radarowe i wizyjne w nowych pojazdach.

Składniki wymagane dla czujników ADAS wykraczają poza same czujniki i obejmują następujące elementy:

• Przetworniki radarowe i SoC (24 GHz i 77 GHz)

• Składniki systemu Lidar, w tym impulsowe diody laserowe

• Wielokanałowe ADC i wbudowane procesory do fuzji sensorów

• Składniki do niestandardowych kamer, w tym moduły sensorów CCD/CMOS

Niektóre czujniki i ich wspierające komponenty mogą potrzebować komunikować się ze sobą za pomocą standardowych interfejsów cyfrowych (I2C, SPI, CANBus itp.), podczas gdy czujniki analogowe mogą używać standardowego interfejsu 0/5 V/4-20 mA (np. czujniki środowiskowe).

Moc obliczeniowa

Obecne samochody zawierają gdzieś powyżej 100 ECU, i liczba ta ma tendencję tylko do wzrostu. W miarę jak ilość danych zbieranych i przetwarzanych w samochodach rośnie, ECU i inne moduły w systemie będą wymagać większej mocy obliczeniowej w formie MCU i automotive-grade FPGA. Dokładny rozmiar, prędkość i lokalizacja tych komponentów to wciąż otwarte pytania. Biorąc pod uwagę trend integracji obserwowany na rynku specjalistycznych układów scalonych, spodziewałbym się, że wielu producentów zacznie oferować i/lub promować specyficzne dla motoryzacji SoC, które integrują MCU.

Zakres usług bezprzewodowych, systemów zarządzania energią i mocy obliczeniowej wymaganej dla nowych pojazdów powinien ujawnić skomplikowany krajobraz elektroniki w nowych pojazdach. Niemożliwe jest nadążanie za wszystkimi trendami w elektronice samochodowej, ale projektanci, którzy muszą wybierać komponenty do tych systemów, mogą uzyskać kompletny widok łańcucha dostaw dzięki potężnej wyszukiwarce elektroniki. Producentom chipów prawdopodobnie przyjdzie odpowiedzieć specjalistycznymi SoC, podobnymi do tych dla produktów IoT i mobilnych, a dzięki odpowiedniej wyszukiwarce możesz znaleźć te i inne specjalistyczne komponenty do nowych pojazdów.

Jeśli rozwijasz nowe rozwiązania dla przemysłu motoryzacyjnego, pierwszym miejscem, w którym powinieneś szukać komponentów, jest potężna wyszukiwarka elektroniki. Octopart oferuje kompleksowe rozwiązanie do zarządzania łańcuchem dostaw i wyboru komponentów, w tym zaawansowane funkcje filtracji, które pomogą Ci wybrać dokładnie te komponenty, których potrzebujesz. Zapoznaj się z naszą stroną układów scalonych, aby rozpocząć poszukiwania potrzebnych Ci komponentów.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.