Sistemi elettrici del veicolo: architetture decentralizzate, dominio e zona
Le tradizionali architetture del veicolo decentralizzate sono costituite da un massimo di 100 unità di controllo, ciascuna assegnata una funzione definita, come il controllo dell'unità di controllo del motore (ECU), airbag, ABS/ESP, sistema di regolazione del sedile o climatizzazione. Ogni controller funziona autonomamente e comunica con le altre unità di controllo attraverso un gateway. Poiché le caratteristiche del veicolo vengono aggiunte o migliorate, viene aggiunta un'unità di controllo per ogni nuova funzionalità. Tutti i tipi di veicoli sono cambiati notevolmente negli ultimi anni, dai veicoli della flotta di Van agli autobus alle automobili e l'aumento del numero di funzionalità ha notevolmente aumentato il contenuto di cablaggio e interconnessione di ciascun veicolo.
Le unità di controllo in un'architettura del dominio sono organizzate in aree funzionali, ciascuna responsabile di un'area specifica del veicolo, come il propulsore, il sistema di infotainment o le funzioni di sicurezza. Un computer separato ad alte prestazioni (HPC) esegue il controllo primario del dominio e coordina le unità di controllo all'interno del suo dominio. Ad esempio, il dominio di sicurezza supervisiona le unità di controllo per i sistemi di assistenza alla guida, ABS/ESP e sistemi di sterzo. L'architettura del dominio riduce il numero di unità di controllo e riduce la quantità di cablaggio e lavori di installazione richiesti rispetto alle tradizionali architetture decentralizzate, riducendo così efficacemente il peso e i costi. Ulteriori funzioni possono essere facilmente integrate in aggiornamenti o nuovi design.
In un'architettura regionale, la build non si basa sul dominio, ma sulla regione locale. Ad esempio, più funzioni vengono raggruppate in un'area all'interno del veicolo. Funzioni come la trasmissione e il sistema di infotainment possono essere combinate ed elaborate in un singolo controller di zona. Un HPC centrale esegue il controllo primario dei vari controller di zona, riducendo il numero di unità di controllo e la conseguente quantità di cablaggio del 50 percento.
Figura 1: rappresentazione schematica dell'architettura del sistema elettrico di un veicolo ad alte prestazioni. Illustrazione: EPT GmbH
Affidabilità elevata e requisiti di prestazione
Gli HPC e i loro corrispondenti moduli di interconnessione devono essere progettati per i più elevati requisiti di prestazione. Ad esempio, l'elaborazione dei dati di imaging e sensori nei sistemi di sicurezza di guida automatizzati richiede tassi di trasferimento di dati ad alta velocità sicuri e tempi di latenza brevi. Allo stesso tempo, la segnalazione non deve fallire in nessuna circostanza. Le velocità di trasferimento dei dati affidabili ad alte prestazioni, veloci e, soprattutto, affidabili - a volte in condizioni ambientali difficili - sono i requisiti per i connettori in questi sistemi.
La "leggibilità" di un segnale può essere illustrata da un diagramma degli occhi, che mostra se i segnali emessi nel ricevitore possono essere assegnati in modo univoco allo stato digitale 1 o 0. A tale scopo, i segnali vengono registrati, sovrapposti e visualizzati con un oscilloscopio tramite percorsi di trasmissione definiti. In questo modo, le rotte del segnale possono essere mappate e sovrapposte. Secondo la teoria, le transizioni degli stati logici sono infinitamente ripide e le linee del segnale sono completamente sovrapposte. Fattori di disturbo esterno e danno interno alla coppia del segnale appiattiscono l'aumento del segnale mentre il livello di ampiezza cambia.
Fig. 2: I diagrammi oculari vengono utilizzati per valutare la qualità del segnale alle velocità di trasmissione dei dati digitali. Illustrazione: EPT GmbH (COLIBRI)
La cosiddetta "patch per gli occhi" può essere vista al centro del diagramma. Non è possibile assegnare chiaramente segnali in quest'area.
Entrambi gli schemi oculari illustrano l'effetto della lunghezza del cavo e dell'impedenza usando connettori a spina COLIBRI da 16+ GB/S e 10 GB/S. Questo esempio illustra come miglioramenti significativi nell'integrità del segnale possano essere realizzati sviluppando ulteriormente il design del contatto. Usando una lunghezza del cavo più corta e un'impedenza di 100 Ω, il diagramma degli occhi della variante da 16+ Gb/S COLIBRI può essere formato molto più chiaramente rispetto alla precedente variante di 10 Gb/s colibri: le coppie di segnale possono essere chiaramente interpretate.
Figura 3: il design a contatto ottimizzato di COLIBRI consente velocità di dati dati ad alta velocità a bassa perdita. Illustrazione: EPT GmbH (COLIBRI)
I segnali ad alta velocità richiedono una protezione da segnale speciale perché sono particolarmente sensibili alle influenze elettromagnetiche. In questo caso, il connettore può fungere da fonte e ricevitore di interferenza. Le piastre di schermatura proteggerà i segnali sensibili dalle influenze esterne.
Figure 4 e 5: interferenza del segnale quando si utilizzano connettori schermati (in alto) e non schermati (in basso)
Il connettore può essere descritto considerando le condizioni elettriche in funzione sia della sorgente che del lavandino e l'induttanza di accoppiamento LK viene utilizzata come parametro EMC. Henry (H) viene utilizzato per esprimere questo valore. Questo vale per l'emissione di immunità ed interferenza. Se la tensione indotta (UIND), la tensione del generatore (Ugen) e la costante del generatore (KGEN) sono note, è possibile utilizzare la seguente formula per determinare l'induttanza di accoppiamento massima consentita (L) per l'applicazione:
L'accoppiamento dell'induttanza aiuta anche l'utente a definire il connettore appropriato per i loro requisiti EMC e aiuta a evitare test di prova e errori costosi e sensibili al tempo. Un esempio è il seguente: a 4,4 kV, determinare l'induttanza di accoppiamento massima specifica per i segnali HDMI in 47 picohyen (pH). Se questo valore è più alto, il segnale non può più essere trasmesso senza interferenze.
Figura 6: versioni non schermate (a sinistra) e schermate (destra) del connettore.
Le influenze elettromagnetiche possono mettere a repentaglio la trasmissione di segnali ad alta velocità. I connettori, specialmente nelle applicazioni dei veicoli ad alte prestazioni, sono esposti a condizioni ambientali estreme come vibrazioni e shock. I connettori devono essere particolarmente robusti per garantire la trasmissione del segnale ininterrotta anche in ambienti difficili. I principali fattori decisivi in questo contesto sono la progettazione dei contatti, i sistemi di contatto e la tecnologia di terminazione.
Design di contatto strategico per affidabilità in ambienti difficili
I connettori a due pezzi convenzionali hanno un contatto maschio e una femmina. Tuttavia, in caso di forti shock, il connettore maschile può disimpegnarsi dal connettore femminile. Per prevenire questa rottura del contatto, è possibile utilizzare un connettore femminile a doppia faccia per fornire ridondanza e quindi aumentare l'affidabilità del contatto, poiché il secondo contatto femminile assicura che il segnale venga sempre trasmesso attraverso almeno un contatto (Figura 5).
No (a sinistra) e (a destra) contatti femminili a doppia faccia esposti allo shock.
I connettori con i sistemi terminali "neutrali neutrali" sono più robusti. La caratteristica speciale qui è che la coppia del connettore - plug e socket - ha la stessa geometria di contatto. Pertanto, entrambi hanno contatti femminili e maschili. Di conseguenza, ogni pin viene contattato da due contatti femminili e la spina e la presa vengono interbloccate e non possono essere sollevate l'una dall'altra. Il connettore femminile a doppia faccia garantisce sempre almeno un contatto se sottoposto a carichi meccanici, mentre la geometria di interblocco nel sistema di contatto neutro garantisce che il segnale venga sempre trasmesso attraverso entrambi i contatti. Questo alto grado di ridondanza raggiunge quindi la massima affidabilità del contatto (Fig. 5).
Figura 7: sezione trasversale di un connettore Zero8 che mostra il sistema terminale neutro di genere.
Al fine di ottenere una connessione durevole tra PCB e connettore, raccomandiamo l'uso della tecnologia del supporto superficiale (SMT) come tecnica di terminazione. La pasta di saldatura viene utilizzata per saldare il connettore sulla superficie di connessione designata del PCB: i cuscinetti di saldatura. La saldatura viene prima sciolta e poi indurita in un cosiddetto forno di refigurazione. SMT consente di stabilire una connessione stabile tra connettore e PCB. Tuttavia, una serie di criteri devono essere soddisfatti per raggiungere questo obiettivo. Prima di tutto, il rapporto corretto di pin, cuscinetti e pasta deve essere mantenuto per creare giunti di saldatura conformi all'IPC A-610. Questo è l'unico modo per ottenere una connessione di alta qualità secondo la Classe 3 IPC, il che significa che è adatto per l'elettronica automobilistica ad alte prestazioni. Questa classe stabilisce che non devono verificarsi guasti alla trasmissione del segnale. La connessione di saldatura ottimale può essere riconosciuta dalla formazione uniforme della faccia della luna curva. L'intera circonferenza del contatto deve essere chiusa con una saldatura a curva lunare al fine di ottenere la migliore forza di ritenzione possibile sul PCB. (Figura 7).
Figura 8: formazione uniforme della faccia della luna curva attorno al piede di saldatura
I piedi di contatto devono essere complanari per un'ottima connessione. Questa coplanarità è controllata da un processo completamente automatizzato.
A prima vista, il ruolo dei connettori nei sistemi di veicoli ad alte prestazioni può sembrare svanisce nell'oscurità a causa della riduzione del numero di unità di controllo. Tuttavia, uno sguardo più attento rivela che è proprio a causa di questo passaggio all'elaborazione centralizzata dei dati tramite HPC che il loro ruolo sta diventando sempre più importante. L'affidabilità della trasmissione del segnale non è mai stata più importante.