Větší rozsah funkcí, stejný instalační prostor: Miniaturizace komponentů palubní sítě

Automobilový průmysl prochází v současné době obrovskými změnami. Do moderních vozidel se neustále zavádějí nové technické inovace. Tento vývoj je dán především právními požadavky v oblasti aktivní bezpečnosti vozidel a technologie pohonu (emise). Dalším impulsem jsou nové a zvýšené požadavky uživatelů vozidel v oblasti infotainmentu, konektivity a pohodlí. Do téměř stejně velkého instalačního prostoru je proto nutné umístit velké množství dalších funkcí. Jasným požadavkem tedy je miniaturizace. Více se o tomto trendu dozvíte v následujícím článku!

Důvody pro trend miniaturizace

Nové požadavky vedou k potřebě integrovat do vozidla další řídicí jednotky a stávající řídicí jednotky rozšířit o další funkce.  Kromě příslušných řídicích jednotek je třeba vzít v úvahu také příslušnou aktuatoriku a senzoriku, které jsou k ECU připojeny prostřednictvím palubní sítě. 

Tento vývoj staví výrobce OEM i výrobce elektroniky ve vozidlech před výzvu implementovat větší rozsah funkcí při téměř stejné kapacitě instalačního prostoru. Zatímco OEM stojí před úkolem integrovat do vozidla více kabelů a umístit konektory, výrobce řídicích jednotek musí umožnit více kontaktů/připojení na elektronických komponentech bez výrazného zvětšení potřebného instalačního prostoru.

Integrace nových funkcí vozidla při prakticky nezměněném instalačním prostoru lze dosáhnout pouze přizpůsobením a optimalizací síťových topologií a miniaturizací komponent palubní sítě a připojení zařízení (rozhraní).

Tento trend miniaturizace v palubní síti není obecně nový, ale v posledních letech se stále více projevuje v oblasti datových konektorů.

Od FAKRA k Mini Koax

Jedním z nejznámějších příkladů je systém Mini Koax, který je nyní široce používán u všech výrobců OEM. Přestože jsou tyto koaxiální konektory konstrukčně podobné konektorům FAKRA, rozhodující rozdíly najdeme ve velikosti a technických vlastnostech. 

V porovnání s klasickým systémem FAKRA představují mini koaxiální systémy výrazné zlepšení v oblasti maximální frekvence a rychlosti přenosu dat, a proto jsou optimální i pro budoucí požadavky na přenos dat. Důvodem prvního použití v automobilech však nebyly lepší RF vlastnosti, ale obrovská úspora instalačního prostoru, kterou mini koaxiální systémy nabízely.

Kromě toho bylo také možné zvýšit rozsah funkcí ve vozidle a zároveň výrazně zmenšit potřebný instalační prostor: Při použití mini koaxiálního systému Quad namísto 4 singl konektorů Fakra lze dosáhnout úspory přibližně 70 %. Díky tomu dojde také k úspoře hmotnosti přibližně o 75 %. To je další výhoda, která se často nezmiňuje.

V oblasti koaxiálních konektorů tak bylo zavedení mini koaxiálních systémů rozhodujícím krokem k tomu, aby se tato osvědčená technologie stala perspektivní i pro další generace vozidel. 

Dimensions FAKRA SF and MATE-AX

S vyšším výkonem: dosažení rychlejšího a vyššího přenosu dat a možnost frekvence až 20 GHz

Menší: rozdíl ve velikosti, systém Mini Koax je mnohem úspornější než systém FAKRA (až 70% úspora instalačního prostoru při porovnání 4 x 1pólového systému FAKRA s 1 x 4pólovým systémem Mini Koax).

Nižší hmotnost: o cca 75 % ve srovnání 4 x 1pólového systému FAKRA a 1 x 4pólového systému Mini Koax

Další konektory pro automobilový průmysl

Trend miniaturizace se však neomezuje pouze na koaxiální konektory, ale lze jej přenést i na další automobilové (datové) konektory. 

Kontakty na bázi kroucené dvojlinky nebo předmotané spirálky typu Twisted Quad nemohou být na řídicí jednotce a v elektrickém systému vozidla rozšiřovány donekonečna z důvodu nedostatku místa pro instalaci. Vedle optimalizace požadavků na instalační prostor jsou hlavními impulsy pro četná rozhraní, jako je Mate Net, H-MTD /GEMnet a AMEC, zavedení automobilového Ethernetu a používání sítí ve vozidle. 

Working Group	Transmission
IEEE 802.3bw OPEN All. TC2	100 Mbit / s electrical	HSDe AMEC 100M UTP MATEnet UTP
IEEE 802.3bp OPEN All. TC9	1 Gbit / s electrical	H-MTD STP MATEnet UTP MATEnet STP AMEC 1G UTP/STP
IEEE 802.3ch OPEN All. TC9ff	2,5 Gbit / s 5 Gbit / s 10 Gbit / s electrical	H-MTD STP GEMnet STP
IEEE 802.3 faster than 10 G	25 Gbit / s 50 Gbit / s electrical	H-MTD STP GEMnet STP
IEEE 802.3bv	1 Gbit / s optical POF	DIA
IEEE 802.3 10G optical	10 Gbit / s optical GI

Automotive Ethernet Solutions

Zavedení takzvaných centrálních vysoce výkonných počítačů (HPC), kde se sbíhají různé datové a napájecí cesty, mnohonásobně zvýšilo počet kontaktních bodů těchto řídicích jednotek. To vede k nárůstu počtu vícenásobných datových konektorů, například s 6 póly nebo několika konektorů se 4 póly. Kromě odpovídajících požadavků na prostor na desce plošných spojů a na rozhraní k palubní síti vozidla však tento vývoj přináší také zvýšení množství připojení při montáži. Tento trend však ještě zdaleka není u konce: V důsledku integrace další senzoriky a zavedení redundantních systémů, které jsou nezbytné například pro autonomní řízení, se zvyšuje i počet požadovaných datových kontaktů v různých výkonnostních třídách.

Proto je nevyhnutelná další miniaturizace konektorových systémů při současném zajištění RF výkonu v budoucnosti a designu, který umožňuje jednoduchou integraci do multikonektorů.

Spolupráce mezi vývojáři konektorových systémů a montážními firmami

Snaha o miniaturizaci představuje velkou výzvu nejen pro vývojáře konektorových systémů, ale také pro firmy zabývající se kabelovou konfekcí. Aby byla zajištěna funkčnost konektorového systému, musí být dodrženy přísnější tolerance jak při výrobě konektorových součástí, tak při montáži komponentů ve spojení s metrovým zbožím.  Výsledkem je nový design výrobku v kombinaci s optimalizovaným výrobním procesem. Úzká spolupráce mezi montážní firmou a výrobcem konektorů je proto nevyhnutelná již v raných fázích vývoje. 

Společnost MD spolupracuje s několika výrobci konektorů na podpoře miniaturizace. Díky inovativnímu designu výrobků a použití nové formy kontaktů pro oblast kabelového systému lze dosáhnout výrazně vyšších přenosových rychlostí a zároveň až 30% úspory instalačního prostoru ve srovnání se současnými konektorovými systémy. Tyto budoucí konektorové systémy mohou být integrovány do hybridních nebo modulárních konektorových skříní (např. jako u konektorů řídicí jednotky motoru). Zde lze dosáhnout až 50% úspory instalačního prostoru a zároveň zkrátit postupy při zapojování.

To vše je však možné pouze díky použití nových spojovacích technik a kontaktů, které téměř znemožňují použití zavedených spojovacích metod (vyžadovaných automobilovou normou). V rámci vývoje se zkoumají a testují různé formy kontaktů z hlediska jejich vhodnosti (ve velkém měřítku) pro sériovou výrobu a jejich optimalizace.

Shrnutí a závěr: Inovativní design výrobků a nové výrobní postupy jako předpoklad miniaturizace

Miniaturizace komponent již mnoho let doprovází vývoj nové palubní sítě vozidla, popř. nové architektury vozidla. V posledních letech se tento trend stále více prosazuje i ve vývoji datových konektorů. Různé systémy Mini Koax se již osvědčily u velkého počtu výrobců OEM a jejich aplikací. Přestože datové konektory na bázi STP nebo UTP mají menší nároky na instalační prostor než například konektory HSD, lze i zde pozorovat trend k další miniaturizaci.  Zvýšené RF požadavky, nárůst počtu kontaktů na řídicích jednotkách a možnost integrace do více konektorů činí tento krok nevyhnutelným. K tomu je však třeba nalézt nová a inovativní řešení jak pro konstrukci výrobku, tak pro výrobní proces, aby byla umožněna mobilita budoucnosti.