Siamo a una svolta storica e palpabile nel settore automobilistico. C'è un'enorme pressione sulle case automobilistiche per innovare e ridefinire l'uso dei veicoli. Non solo devono soddisfare la domanda dei consumatori, ma devono anche stare al passo con le mutevoli normative in materia di sicurezza e ambiente. Di conseguenza, le case automobilistiche stanno aumentando il numero di sensori utilizzati all'interno e intorno ai veicoli per fornire ai propri clienti maggiore sicurezza e funzionalità, il che richiede sensore produttori di miniaturizzare e migliorare le tecnologie precedenti.
In questo articolo evidenzierò tre tendenze chiave che aumenteranno in modo significativo il numero di sensori utilizzati nei veicoli nei prossimi 10 anni: progressi nei sistemi di infotainment, funzionalità aggiuntive di sicurezza e guida autonoma e aumento dell'elettrificazione.
Trend n. 1: i sistemi di infotainment stanno diventando più avanzati
Il tasso di la tecnologia l’adozione all’interno dei veicoli delle funzionalità e tendenze di infotainment più recenti è esponenziale. L'esperienza dell'utente sta diventando molto più di una semplice guida.
Come mostrato in Figure 1 , il numero di display utilizzati in un veicolo tipico è in aumento, dai quadri strumenti riconfigurabili alle console centrali fino all'intrattenimento per i passeggeri. Allo stesso tempo, anche la qualità del display sta aumentando grazie a schermi più grandi con risoluzioni più fini e livelli di luminosità maggiori. Anche gli specchietti elettronici per la vista posteriore e laterale stanno diventando più comuni, così come i moduli di ricarica wireless e gli hub multimediali aggiuntivi. Le auto stanno iniziando a sembrare estensioni senza soluzione di continuità degli smartphone, con i consumatori che si aspettano design della superficie tattile esteticamente puliti, il che porta a circuiti integrati aggiuntivi (IC) come l'induttanza al digitale convertitore (LDC) sensori che abilitano una funzione "force touch" su superfici che non sono schermi, con la capacità di rilevare la quantità di forza applicata.
Figura 1: Sistemi di Infotainment e cluster moderni e ricchi di funzionalità (Fonte: Texas Instruments)
I sensori LDC come LDC3114-Q1 di Texas Instruments (TI) consentono un'esperienza di interfaccia utente (UI) senza soluzione di continuità con superfici touch su metallo, plastica o vetro per l'interfaccia utente intorno alla console centrale.
Inoltre, i sensori ad effetto Hall 3D come il TMAG5170-Q1 di TI consentono il rilevamento della posizione nei cambi elettronici (cambio del cambio) e il controllo dell'infotainment di joystick e manopole, che sono spesso combinati con funzionalità touch e UI intorno alle console centrali.
Il supporto di tutte queste nuove funzionalità e display richiede circuiti integrati aggiuntivi in fattori di forma più piccoli, il che ha portato alla miniaturizzazione di circuiti integrati e stampati circuito schede (PCB) ottenendo funzionalità ancora maggiori. La sfida è che quando si riducono le dimensioni del file modulo che ospita PCB aumentando i requisiti di elaborazione, hai la ricetta perfetta per temperature operative più elevate. Ciò è causato principalmente da un maggiore consumo energetico dovuto a una maggiore elaborazione e da una diminuzione del flusso d’aria causata da fattori di forma più piccoli, entrambi aggravati dall’ambiente, poiché i sistemi di infotainment sono spesso esposti alla luce solare per la maggior parte della loro vita.
Poiché i sensori di temperatura svolgono un ruolo così importante nell'aiutare a evitare danni ai circuiti causati dal surriscaldamento, le case automobilistiche stanno aumentando il numero di sensori di temperatura utilizzati su un tipico PCB e dando priorità all'affidabilità e alla precisione durante la selezione del prodotto. Il posizionamento dei sensori di temperatura nei punti caldi del sistema come il microcontrollore, l'alimentatore o il display a LED retroilluminato aiuta a mantenere questi componenti nelle condizioni operative consigliate, il che consente al sistema di infotainment di fornire le prestazioni e l'affidabilità attese dai consumatori.
Trovare il giusto tipo di sensore di temperatura può essere difficile date le migliaia di opzioni disponibili. Uno che non romperà il banco e che è più affidabile dei tradizionali termistori a coefficiente di temperatura negativo, è il termistore lineare TMP61-Q1 di TI. La maggiore precisione del TMP61-Q1 aiuta a ridurre al minimo i margini di sicurezza dell'errore di temperatura per prevenire false attivazioni. Ciò consente ai sistemi di controllo di funzionare più vicino ai limiti termici e di accelerare o spegnersi solo quando necessario.
Nei prossimi anni, ci si può aspettare di vedere un aumento non solo del numero di prodotti di rilevamento, ma anche di una maggiore precisione e integrazione all'interno dei sistemi di infotainment, con l'obiettivo di abilitare funzionalità aggiuntive per l'esperienza dell'utente e una guida più divertente.
Trend n. 2: Ulteriori funzioni di sicurezza e guida autonoma
Non tutte le auto sono uguali, soprattutto se pensate per determinati mercati. Ma le normative governative stanno colmando il divario delle caratteristiche di sicurezza standard per garantire la sicurezza dei consumatori. Ad esempio, nel 2019, il governo indiano ha imposto funzioni di sicurezza attiva e passiva installate in tutti i modelli di veicoli venduti nel suo paese. Per aggiungere queste caratteristiche di sicurezza ai modelli di fascia bassa e media, le case automobilistiche devono aggiungere più sensori per rilevare l'ambiente all'interno e intorno a un veicolo.
Troverai un ottimo esempio di questa tendenza nelle telecamere per la retromarcia. Erano disponibili solo sui modelli di lusso 10 anni fa, ma ora sono una caratteristica di sicurezza standard per la maggior parte dei nuovi veicoli; è difficile trovare un'auto nuova senza di essa. Un altro esempio sono i sistemi di monitoraggio dei conducenti, anch'essi sempre più diffusi. Quindi, se la storia si ripete, non sarei sorpreso di vedere l'adozione diffusa di funzioni di sicurezza più avanzate.
Le funzioni di sicurezza avanzate fanno parte dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Inizialmente noto per il controllo della velocità di crociera, l'ADAS si è trasformato in molto di più, portando i sensori sui veicoli a un livello completamente nuovo al fine di supportare funzionalità come il monitoraggio in cabina, il rilevamento dei punti ciechi, l'avviso di deviazione dalla corsia, l'assistenza al parcheggio, persino l'ultimo sistema autonomo tecnologia di guida.
Figure 2 mostra i diversi livelli di guida autonoma e le relative caratteristiche. Sebbene ci siano molti ostacoli nel raggiungere l'autonomia di livello 5, le case automobilistiche stanno lavorando per renderlo realtà.
Figura 2 Livelli di guida automatizzata (Fonte Texas Instruments)
Le funzioni di guida autonoma non possono esistere senza telecamere e sensori a ultrasuoni, radar o LiDAR sul bordo per rilevare l'ambiente intorno a un veicolo. Poiché sempre più case automobilistiche corrono per raggiungere livelli più elevati di guida autonoma, è inevitabile un aumento del numero di sensori. Ma dove le metti?
È qui che entra in gioco la miniaturizzazione, dove le dimensioni del pacchetto e l'integrazione brillano. Ad esempio, i veicoli di fascia alta di oggi sono dotati di un sistema radar singolo multi-chip. Dato l'uso di più componenti discreti, questi sistemi radar sono grandi e ingombranti quando devono essere più piccoli, a bassa potenza ed economici. TI offre soluzioni di sensori radar a onde millimetriche per autoveicoli (mmWave) come AWR1843 di TI che hanno l'elaborazione co-locata con il front-end per ridurre le dimensioni e il fattore di forma dei sistemi radar del 50%. TI offre anche un livello più elevato di integrazione con i dispositivi radar mmWave antenna-on-package come AWR1843AOP di TI, che consentono il montaggio efficiente di più sistemi radar attorno a un veicolo.
Non sono solo i sensori ad alta intensità di dati a essere richiesti; sensori a blocchi molto più piccoli garantiranno la sicurezza e le prestazioni a lungo termine dei processori computazionalmente intensivi per la fusione dei sensori e l'intelligenza artificiale. Se un processore si surriscalda, assorbe troppo corrente o è esposto a livelli di umidità elevati, le sue prestazioni possono degradarsi o rompersi completamente, compromettendo la funzionalità di ADAS. I sensori di temperatura, corrente e persino umidità come l'HDC3020-Q1 mantengono questi processori e altri componenti ADAS come i sensori LiDAR nelle condizioni operative specificate per evitare danni.
ADAS ha requisiti di sicurezza a livello di sistema più rigorosi rispetto ad altri sistemi automobilistici, perché man mano che i veicoli diventano più intelligenti, diventano anche più complessi. Una maggiore complessità solleva problemi di sicurezza, soprattutto quando la guida autonoma diventa mainstream. Le classificazioni del livello di integrità della sicurezza automobilistica (ASIL) stabiliscono i requisiti per mitigare i rischi e garantire procedure di sicurezza standard durante la progettazione di questi sistemi. Di conseguenza, molti sottosistemi in un veicolo devono avere una sicurezza funzionale a livello di sistema.
Un requisito comune nella sicurezza funzionale è la ridondanza. Per soddisfare i requisiti di ridondanza, le case automobilistiche stanno rapidamente adottando sensori per sistemi di controllo critici per la sicurezza, moltiplicando ulteriormente il numero di sensori. I produttori di sensori come TI hanno notato questa tendenza e si sono concentrati sul rendere più facile per gli ingegneri trovare e utilizzare i sensori, sia in progetti mirati a soddisfare gli standard di sicurezza funzionale o in sistemi più sicuri differenziati dalla concorrenza.
Trend n. 3: aumento dell'elettrificazione
Le case automobilistiche puntano sui veicoli elettrici (EV). Perché i veicoli elettrici? Bene, una guida tranquilla e una coppia istantanea non sono le uniche ragioni per cui stanno guadagnando trazione; c'è una forza molto più grande in gioco relativa agli obiettivi del governo per ridurre le emissioni di anidride carbonica.
Molti paesi hanno annunciato date obiettivo e impegni per quanto riguarda le vendite di veicoli elettrici. Ad esempio, la Corea del Sud ha annunciato una data obiettivo del 2050 per diventare a zero emissioni di carbonio, con piani corrispondenti per aumentare il numero di veicoli elettrici su strada a quasi 3 milioni entro il 2025 attraverso un'estensione dei vantaggi fiscali dei veicoli elettrici e obiettivi specifici di acquisto di veicoli elettrici per le auto a noleggio . I dettagli dell'obiettivo di ciascun paese possono variare, ma l'obiettivo comune è eliminare gradualmente i veicoli con motore a combustione interna (ICE) nel tempo con normative e incentivi come sgravi fiscali o sussidi.
In che modo l'aumento della produzione di veicoli elettrici influisce sulla domanda di sensori? Rispetto ai veicoli ICE, i veicoli elettrici hanno requisiti maggiori per voltaggio, rilevamento di corrente, temperatura e umidità, perché i sottosistemi di grandi dimensioni come il caricabatterie integrato, il convertitore CC/CC, gli inverter e il sistema di gestione della batteria (BMS) gestiscono tutti l'alta tensione o le correnti. Ciascuno di questi sistemi richiede un attento monitoraggio per ridurre al minimo la minaccia di picchi di corrente, instabilità termica e persino corrosione o cortocircuiti dovuti a perdite di umidità.
L'elevata precisione del sensore in questi sistemi potrebbe tradursi in tempi di ricarica dei veicoli elettrici più brevi e una durata della batteria ancora più lunga. Ad esempio, letture di temperatura più accurate possono ridurre i margini di errore, prevenendo così false attivazioni dei sistemi di controllo e consentendo un funzionamento più vicino ai limiti termici, limitando o spegnendo solo quando necessario. La precisione totale quando si utilizzano i sensori di temperatura è correlata al sensore e ai componenti circostanti, alle tecniche di layout utilizzate e ai percorsi di conduzione termica, quindi è essenziale tenere a mente le migliori pratiche quando si utilizzano i sensori di temperatura a montaggio superficiale.
Il sensore di temperatura TMP126-Q1 di TI aiuta i sistemi a intraprendere azioni preventive per ridurre il rischio di danni termici con un avviso di velocità di variazione della temperatura che rileva rapidi cambiamenti di temperatura prima che raggiungano livelli pericolosi, riducendo il rischio di instabilità termica. Non solo i sensori come il TMP126-Q1 sono precisi, ma sono anche affidabili grazie alla bassa deriva del sensore del suo materiale in silicio. In BMS con correnti di carica elevate, è importante mantenere l'accuratezza del rilevamento della corrente per conoscere correttamente lo stato di carica di una cella della batteria. L'utilizzo di sensori di corrente precisi e a bassa deriva come INA229-Q1 di TI può aiutare a mantenere l'efficienza della batteria EV nel tempo, temperatura e livelli di umidità.
Conclusione
I sensori continueranno ad aumentare nel tempo man mano che i sistemi di infotainment diventeranno più avanzati, le funzioni di sicurezza e di guida autonoma si diffonderanno e i veicoli elettrici aumenteranno la loro quota di mercato. Per aiutare gli ingegneri automobilistici a ottimizzare i loro progetti, Semiconduttore i produttori stanno fornendo sensori più piccoli, più precisi ed efficienti dal punto di vista energetico. Con così tanti sensori disponibili, la selezione del prodotto può essere travolgente. È importante stabilire quali criteri contano di più: concentrarsi su parametri come precisione, deriva e dimensioni è un ottimo modo per restringere le opzioni.
Circa l'autore
Bryan Padilla è un ingegnere di marketing di prodotto presso Texas Instruments. Ha un interesse permanente per il mercato automobilistico e un focus professionale sulle tecnologie di rilevamento.
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