Колко щекерни свързвания ще са нужни на автомобилите в бъдеще? – Нови архитектури за бордовата мрежа и пестящи място решения за свързване

Автомобилната индустрия преживява едно от най-големите сътресения в своята история. Това касае не само електромобилността, но и електрическите и електронните архитектури (E/E). Ако разгледате тенденцията за създаване на SDV („Software Defined Vehicle“ – превозни средства, чиито характеристики и функции се осъществяват основно чрез софтуер, така да се каже, софтуерно ориентирано електронно устройство на колела), можете да видите огромната разлика в сравнение с днешните превозни средства с до 100 контролни блока, при които напр. актуализирането на софтуера „over the air“ е практически невъзможно. При тези условия изглежда невъзможна централна компютърна структура с включване на всички сензори и изпълнителни механизми.

За реализирането на автономно движещ се автомобил са необходими огромен брой кабели със значителна дължина, които трябва да бъдат прокарани през целия автомобил. Следователно ще има няколко междинни стъпки към SDV, които ще си проправят път към превозните средства чрез контролери на домейни в комбинация с контролери на зони. Това се подкрепя от все по-широкото внедряване на технологията Ethernet, чието по-нататъшно развитие към многогигабитови скорости е определено в работните групи IEEE802.3ch, IEEE802.3cy и IEEE802.3cz. Благодарение на тази технология в бъдещите архитектури броят на щекерните свързвания за автономните превозни средства ще може да бъде сведен до необходимия минимум. Въпреки тези стъпки свързването на сензорите и изпълнителните механизми с мощните контролери за зони ще бъде предизвикателство. Това се дължи на факта, че в автомобила са нужни над 100 бързи щекерни свързвания към контролните блокове. Освен това за служителя на монтажната линия на производителя на оригинално оборудване е изключително сложен процес винаги да свързва правилния слот на контролния блок с определения кабел. Друг проблем е намирането на необходимото място за този голям брой слотове в контролните блокове. Защото конструктивното пространство за свързване на проводниците е ограничено. Следователно са необходими нови решения, които да намалят броя на щекерните свързвания и същевременно да осигурят максимална гъвкавост, за да може всичко това да се осъществи в рамките на крайния цикъл на сглобяване на автомобила от производителите на оригинално оборудване и по този начин по икономически жизнеспособен начин. Ето защо целта е да се разработят гъвкави, интегрирани щекерни свързвания, които оптимално използват наличното монтажно пространство и значително намаляват броя на процесите на свързване.

Сложни бордови мрежи: Твърде много контролни блокове, твърде много свързвания

Ако разгледаме днешните автомобили, в тях са вградени между 10 и 25 high speed щекерни свързвания към контролните блокове. Те са разположени в целия автомобил и са свързани със сензорите и изпълнителните механизми чрез предварително монтирани кабели. Освен това има безброй връзки със сензори и изпълнителни механизми с ниска скорост на предаване на данни, които подават необходимите сигнали към контролните блокове. Поради нарастващия брой функции, които изискват високоскоростни връзки, като например информационно-развлекателни системи, ADAS и функции за автономно шофиране, броят на контролните блокове в автомобила рязко се увеличава. Това води до значително по-голямо търсене на линии за данни и значително затруднява съвместимостта на софтуерните интерфейси. Освен това през последните години пазарът на компоненти се разви до такава степен, че за връзки за пренос на данни с висока скорост на предаване на данни се предлагат различни съединителни системи, които не са съвместими помежду си. Това води до силна диверсификация на техническите решения.

Разработка на архитектури на бордовата мрежа в автомобила

За да разберем как се стига до този голям брой приложения, първо трябва да разгледаме архитектурите, които се използват днес или ще се използват в автомобилите на бъдещето за свързване и управление на многобройните сензори и изпълнителни механизми.

1) Разпределена архитектура

Тази архитектура с течение на времето е нараснала, при което по правило за всеки сензор и изпълнителен механизъм е добавен собствен малък контролен блок. С увеличаването на броя на сензорите и изпълнителните механизми до над 100 се увеличи и броят на щекерни свързвания и кабелите на контролните блокове и на head unit. С оглед на ограниченото пространство, което е на разположение за нарастващия брой щекерни свързвания и кабели в контролните блокове, се стигна до преосмисляне в полза на по-гъвкави и мащабируеми архитектури.

2) Домейнова архитектура

Тази архитектура позволява обобщаване на всички сензори и изпълнителни механизми от една група на приложение. Функциите на първоначално много отделни контролни блокове се изобразяват от софтуера в домейновия контролер. Различните групи на приложения се изобразяват съответно с домейнов контролер. В контролните блокове има слотове за съответните приложения (сензори и изпълнителни механизми) и връзка с главния контролен блок. В тази система могат да се интегрират приложения като напр. ADAS под формата самостоятелен функционален модул. Това води до миниатюризация на щекерните свързвания, за да се създаде достатъчно място за множеството приложения. Освен това необходимите скорости за пренос на данните между контролните блокове нарастват.

3) Зонова архитектура

При тази архитектура 1-2 HPC (High Performance PC) се намират в автомобила и управляват като централен мозък все по-автономните функции. За тази цел се използват така наречените „зонови контролери“, които извършват обработката на данните (агрегиране) и ги изпращат към HPC, който управлява изпълнителните механизми. С увеличаването на автоматизацията или автономността на функциите за управление този HPC е оборудван с необходимата резервираност, за да се осигури необходимата надеждност при вземането на решения. Необходим е модулен и гъвкав подход за щекерните свързвания, за да се изпълнят различните архитектури на производителите на оригинално оборудване.

Автомобилен Ethernet – намаляване на сложността

Изследванията на различните производители на чипове и контролни блокове сочат, че броят на сензорите през следващите години ще нарасне драстично. Различни анализи и проучвания показват, че за едно превозно средство са необходими между 25 и 80 high speed щекерни свързвания в контролните блокове. Това варира силно според архитектурата и броя на сензорите в автомобила. Ако се разглеждат само сензорите, то в автономните автомобили ще се вграждат до 30 камери, 20 радарни и 10 Lidar сензора. Допълнително има и различни инфотейнмънт интерфейси, като например Car-to-X, което в бъдеще ще играе важна роля при свързването в мрежа с други автомобили и с инфраструктурата. Предизвикателството е да се анализират събраните данни в реално време и да се изпращат към много мощни високопроизводителни изчислителни машини, за да могат да се вземат решения за конкретната ситуация при шофиране. След това те предават команди на изпълнителните механизми, които управляват автомобила, за да осигурят безопасно автономно шофиране. За да се постигне това, е необходимо да се осигури широка гама от високопроизводителни съединители и кабелни технологии и да се гарантира тяхното интегриране в контролните блокове. Тъй като различните производители на оригинално оборудване са създали различни интерфейси, е необходима висока степен на гъвкавост, за да се изпълнят различните изисквания на клиентите. От друга страна, производителите на автомобили се стремят да автоматизират монтажа на кабелните снопове в автомобила и да намалят броя на кабелите. Това поставя големи предизвикателства пред кабелните доставчици, тъй като те трябва автоматично да вкарват високоскоростните кабели в кабелната свръзка. Тази интеграция не е възможна на един етап, поради което се прави опит за стандартизиране на основната архитектура с Automotive Ethernet чрез екранирана двупроводна система. Ethernet може да се използва за използване на така наречените „зонови контролери“, които са оборудвани със специфична „интелигентност“ и позволяват опростяване и съкращаване на дължината на кабелите на кабелните снопове. Същевременно е необходима модулизация на щекерните свързвания на контролерите, за да може контролерите да се адаптират гъвкаво към нуждите на клиента.

Общи щекери за гъвкаво адаптиране към архитектурата на бордовата мрежа

За да се разреши тази дилема, понастоящем се изследва интегрирането на high speed щекерни свързвания в „Multipin Header“. Тук става дума за общи щекери, в които се включват отделни контакти със специален процес на „stitching“. Желаното решение има за цел да включи и фиксира high speed щекерни свързвания с подобна процедура в тези хедъри (платкови щекерни свързвания). При това според заданията на клиента се следват два подхода.

Първият вариант позволява съществуващите щекерни интерфейси (напр. H-MTD, MATE-AX, HFM и т.н.) да бъдат интегрирани в хедър на контролния блок по такъв начин, че да могат да бъдат позиционирани и приложени към контролния блок с една стъпка. Това дава предимството на опростен процес на производство за доставчиците от Tier1.

Втора възможност дава напълно нов подход. Той се състои от един модул, който според клиентското желание може да се снабди с различни интерфейси. Основното изискване е стандартизиран размер на решетката за т.нар. модули, които могат да бъдат оборудвани със захранващи и сигнални контакти, както и с high speed щекерни свързвания. Тази система работи независимо от оригиналния интерфейс с модули. От това за Tier1 и ОЕМ се получава висока гъвкавост при адаптирането на контролните блокове към изискванията на архитектурата.