Perspektivy automobilové elektroniky

Elektronika hraje v automobilu stále důležitější roli. Snižuje průměrnou spotřebu paliva, zvyšuje výkon motoru, bezpečnost cestujících i komfort cestování, který obohacuje o multimediální zařízení a navigační systémy. Moderní polovodičové technologie přispívají ke stále rozsáhlejší náhradě původně mechanicky poháněných agregátů elektrickými. S rostoucím podílem elektroniky v automobilu se dostává do popředí problém integrace řídicích systémů a související architektura sběrnic.
Podíl elektroniky na výrobních nákladech automobilu, a tím i na jeho celkové hodnotě, nezadržitelně roste. Zmíněný podíl elektronických systémů se pohybuje mezi 20 až 35 % výrobních nákladů. Role vývojářů automobilové elektroniky, původně zaměřená čistě na elektronické funkce, se postupně mění a spočívá stále více ve vzájemném propojování rozličných elektronických komponent v rámci automobilu. Toto propojování elektronických funkcí bude stále komplexnější, neboť se ukazuje, že téměř všechna měřená data je nezbytné distribuovat do různých míst v automobilu. Teprve výsledná “personalizace” automobilu prostřednictvím inteligentní součinnosti jeho jednotlivých prvků zvyšuje konečnou hodnotu vozu do té míry, že podstatně převyšuje prostou sumu hodnot jednotlivých dílů.
Sběrnice CAN poskytla automobilu prosíťování “ve velkém stylu” a podstatně zvýšila podíl elektronických součástek. Integrace elektronických prvků komunikujících prostřednictvím sběrnice CAN však není žádný jednoduchý proces, neboť připojení nových prvků sběrnice ovlivňuje “účastníky” již na sběrnici pracující. Ukazuje se tak, že problém integrace řídicích systémů v automobilu byl podceněn a že celý automobilový průmysl potřebuje účinné mechanizmy pro stále pokračující integraci. Tak vzniká trend označovaný Composable Architecture, který znamená, že kritické vlastnosti jednotlivých komponent, resp. zúčastněných systémů, budou prostřednictvím integračního procesu k dispozici pro celý systém.
Vývoj směrem k telematice a novým koncepcím pohonu
Elektronika nacházela svoji cestu do automobilu v několika oddělených vlnách. První aplikací byl regulátor dynama, který byl základním předpokladem realizace elektrického napájení v automobilu. Dodnes představuje elektronický regulátor jeden z nejkomplikovanějších analogových prvků v automobilu.
První mikroprocesory našly uplatnění v obvodech pro řízení motoru, kde ve spojení s další elektronikou a senzory řídí okamžik zapalování a vstřikování benzinu. V průběhu uplynulých let představoval systém řízení motoru nejsložitější elektronické obvody v automobilu. Pouze na základě stále výkonnější elektroniky se podařilo snížit průměrnou spotřebu většiny automobilů při současném zvýšení výkonu motoru.
V další vlně následovaly potom “systémy šasi”, k nimž patří ABS/ESP a prvky pasivní bezpečnosti, krátce označované airbag. Tyto systémy přispěly k tomu, že cestování automobilem se stalo bezpečnější a ohrožení cestujících se i přes značně rostoucí výkon vozidel dále snižovalo.
Elektronika ve vnitřním interiéru automobilu představovala třetí, silnou vlnu na počátku 90. let, zahrnovala především takové prvky, jako řízení klimatizace, elektronické systémy ovládání dveří, oken a nastavení sedadel, a systémy ovládání osvětlení a stěračů (např. dešťové senzory).
Čtvrtá vlna, zahrnující telematiku a multimediální aplikace, vychází z tradičního autorádia, integruje do něj telematické funkce, jako tísňové volání a navigaci, a přejímá nové aplikace z oblasti spotřební elektroniky, jako jsou přehrávače MP3, DVD a příjem digitálního televizního vysílání DVB.
V současné době se pracuje na náhradě původně mechanicky poháněných agregátů elektrickými. Důvod je jednoduchý – prostřednictvím postupů elektronické regulace výrazně zvýšit účinnost. Jedná se o komponenty, jako jsou ventily, pumpy a ventilátory včetně agregátů náročných na spotřebu, k nimž patří kompresor klimatizace, ovládání ventilů motoru či posilovač řízení EPS (Electric

Obr. 1 Růst trhu jednotlivých aplikačních segmentů elektronických systémů v automobilu

assistance Power Steering). Významný vývojový směr představuje rovněž snaha integrovat funkce startéru, alternátoru a mechanického setrvačníku motoru do jediného zařízení, které by bylo možné nazvat inteligentním elektrickým setrvačníkem ISAP (Integrated Starter Alternator Damper). Nepřehlédnutelným trendem, který souvisí i s řešením systémů EPS a ISAD, je využívání výkonných signálových procesorů DSP (popř. procesorů s hybridní architekturou MCU/DSP), jejichž výpočetní výkon, schopnost pracovat v reálném čase a příznivá cena umožňuje nahrazovat “levným křemíkem” některé nákladné elektronické součástky. Jako příklad může posloužit substituce laserových dešťových senzorů pro řízení stěračů. Informace o hustotě deště se pomocí DSP a postupů fuzzy logiky potom vyhodnocuje z průběhu napětí a proudu elektromotoru stěračů, jehož odběr je úzce spjat s třením stěrače a tedy i hustotou pokrytí čelního skla kapkami deště. Stejný řídicí obvod integrovaný v jediném čipu tak plní úlohu snímače i cyklovače stěračů.
Na tomto místě je třeba připomenout, že vývoj některých výše uvedených aplikací založených na inteligentním řízení elektromotorů probíhá v ČR ve vývojovém centru společnosti Motorola MCSL (Motorola Czech System Laboratories) v Rožnově pod Radhoštěm. Centrum MCSL nese podle nomenklatury společnosti Motorola v oblasti problematiky řízení elektrických pohonů v celosvětovém měřítku označení Centre of Excellence.
Je zcela zřejmé, že při tolika elektrických spotřebičích, je třeba koncipovat i nové elektrické napájení odpovídající novému standardu 42 V.
Výše uvedené trendy shrnuje obr. 1, který udává očekávané, resp. odhadované objemy prodeje polovodičových součástek pro jednotlivé oblasti aplikací. Podle těchto odhadů se do roku 2015 trh automobilové elektroniky zvětší čtyřikrát, přičemž ovšem poklesne hodnotový podíl řídicích systémů, neboť se díky rostoucí integraci a “mechatronickým” postupům montáže drasticky sníží výška tohoto podílu na celkové ceně vozu.
Zatím jsou všechny komponenty navzájem propojeny prostřednictvím struktury sběrnice CAN a jsou řízeny na základě centrálního přiřazování funkcí k protínajícím se působnostem, které se mění podle úrovně vybavení vozu.
Výhled počítá se zvýšením počtu propojených okruhů funkcí a se zvýšením interakce komponent, což je stěží možné, když jako základ slouží tradiční členění – jeden elektronický řídicí systém na skupinu funkcí. Proto např. BMW ve své 7. generaci vozů nastoupilo trend,

kdy od sebe odděluje ovládací rozhraní MMI (Man-Machine-Interface) a aktory, resp. senzoriku vozu.

V budoucnu to může vést k architektuře, která je znázorněna na obr. 2. Najdeme zde důležité elementy, které by společně mohly tvořit architekturu elektroniky automobilu:
– mechatronické senzory, např. snímače počtu otáček, měřiče zrychlení, teplotní snímače, vysílače polohy,
– mechatronické aktory, např. nastavovací prvky brzdné síly, elektromotory stahování oken, elektromotory nastavování polohy sedadla, chladicí ventilátor, benzinová pumpa, ventily klimatizace,
– výkonný počítač jako server, který bude vykonávat funkce obsažené v softwaru,
– HMI, rozhraní směrem k řidiči, jež se skládá z klasických ovládacích prvků, jako jsou pedály, volant, a další, ovládající klimatizaci, okna apod. Rozhraní MMI je vybaveno odpovídající haptickou (dotykovou) zpětnou vazbou, která umožňuje klasické postupy při řízení vozu, avšak s možností zavádět i nové postupy,
– výkonnou síť jako standardní “páteř”, do níž je možno jednotlivé komponenty integrovat, ale současně je z ní i snadno vyjímat.
Vliv trhu polovodičů na automobilovou elektroniku
Trh polovodičů představoval v roce 2001 objem asi 147 miliard USD, což představuje značné snížení oproti 207 miliardám USD v roce předchozím. Z toho připadalo jen asi 8 % na automobilovou elektroniku (obr. 3). Největší podíl (68 %) polovodičů byl prodán do počítačového průmyslu a telekomunikací. Tato průmyslová odvětví se rovněž jeví jako motory technologického vývoje. V obr. 3 je rovněž zřetelné, že trh polovodičů pro automobilovou elektroniku se ještě dále dělí. Pro každý dílčí tržní segment budou potřebná specifická řešení v rozličných variantách od různých výrobců, takže si lze snadno představit, na jak nepřehlédnutelném počtu elektronických součástek stojí chod automobilového průmyslu.

Každých 18 měsíců se zdvojnásobuje stupeň integrace polovodičové technologie, tento jev označovaný jako Gordon-Mooreův zákon můžeme sledovat již více než 20 let.
Počítačovému průmyslu se podařilo prostřednictvím zpětně slučitelného plánování produktů nasadit aktuálně nejnovější technologii bez jakýchkoli přechodů okamžitě tak, že nejrychlejší generace procesorů se prakticky bezprostředně objevila v osobních počítačích.

V automobilu se to s takovou rychlostí nedaří, neboť nákladná systémová integrace a kvalifikační postupy, jako jsou letní a zimní testy, zavádění nejnovějších polovodičových technologií zpožďuje. K tomu je třeba připočíst požadavek na vysokou kvalitu součástek, která se odráží v minimu poruch při provozních testech (vyjádřeno v jednotkách ppm), a rozšířený teplotní rozsah od –40 °C do +125 °C, jakož i rigidní kvalifikační a dokumentační procesy podle normy QS-9000. Porovnání požadavků na polovodičové součástky pro automobilovou a počítačovou elektroniku je uvedeno v tabulce 1.
Problém systémové integrace
Uveďme základní okruhy problémů integrace systémů spolupůsobících v automobilu:
– Trh polovodičů nadále sleduje Gordon-Mooreovu křivku, podle níž je produkt nahrazen ještě výkonnějším během 12 až 24 měsíců.
– Postupy kvalifikace a uvolňování těchto produktů stojí v cestě kontinuální inovaci, neboť jsou velmi časově i cenově nákladné – nezbytné pro zajištění vysoké kvality automobilové elektroniky, drahé, neboť součástky jsou vyrobeny podle požadavků zákazníka.
– V autoelektronice existuje velmi málo generických součástek. Zpravidla jsou téměř všechny elektronické díly specifické podle automobilky a jednotlivých modelů, což značně ztěžuje zásobování součástkami po skončení výrobní série, neboť v ní použité elektronické součástky nejsou již dále vyráběny a mohou být k dispozici jen díky cílenému předzásobení nebo pro další zpracování.
– Změna popisu funkcí v jednotlivých konstrukčních skupinách elektronických systémů je stále složitější, k čemuž přispívá i vazbení. Prosíťování na bázi sběrnice CAN vyžaduje znalost celého systému v maximální konfiguraci, kterou není později možné měnit bez modifikace jednotlivých komponentů, které tato konfigurace používá.
– Logistická flexibilita dodavatelského řetězce se v automobilovém průmyslu měří na dny. Vedoucí automobilky pracují s výrobním cyklem deseti dnů od přijetí objednávky po expedici. Naproti tomu polovodičový průmysl, v závislosti na složitosti výrobního procesu, pracuje s výrobním cyklem 6 až 14 týdnů nebo ještě více. Nezbytně nutná je proto koncepce architektury, která tyto zcela rozdílné výrobní procesy zohledňuje.
V automobilové elektronice tedy dominují masová řešení s vysokou kvalitou, ale nižší flexibilitou. Standardy otevřeného rozhraní se proto stávají stále populárnější, musí ale dále rozvíjet tranzitní koncepci ve vší rozmanitosti, jak na straně softwaru, tak na straně hardwaru, aby bylo možno naplnit cíl “composability”, tj. jednoduchou integraci elektronických součástí.
Otevřené standardy
Odstranění vzájemné závislosti jednotlivých průmyslových odvětví s rozdílnými vývojovými a výrobními cykly umožňují architektury založené na standardech. Z tohoto důvodu vznikly v posledních letech některé iniciativy, jejichž cílem je vyvinout otevřené standardy pro oblast automobilového průmyslu. Zajímavé přitom je, že prakticky veškeré snahy pocházejí z Evropy. V Evropě jsou zjevně, díky výrazněji členěnému dodavatelskému trhu, lepší podmínky než v USA, kde výrobce tradičně využívá vertikálně integrovanou průmyslovou strukturu nebo přinejmenším strategické aliance a partnerství.
Nejlepším příkladem úspěšné standardizace v poslední době je vytvoření standardu GSM pro síť mobilních telefonů. Přesné standardy rozhraní, které jsou otevřené, volně dostupné a veřejné, vedly k odstranění vzájemné závislosti různých průmyslových partnerů, kteří se nyní mohou spolehnout pouze na to, že předávací body, přes extrémní odlišnost nasazených technologií, zůstanou konstantní. Na obchodních aktivitách se tak může podílet velký počet podniků, které řeší jednotlivé technologické aspekty, z nichž je možné vytvořit kompletní “ekosystém” konkurujících si dílčích řešení. Je to natolik přesvědčivé, že se standard GSM rozšířil prakticky do všech zemí světa s výjimkou Japonska a dokonce v USA vytlačuje původní řešení mobilních sítí.