We staan op een historisch, voelbaar keerpunt in de auto-industrie. Er staat een enorme druk op autofabrikanten om te innoveren en het gebruik van voertuigen te herdefiniëren. Ze moeten niet alleen voldoen aan de vraag van de consument, maar ook de veranderende veiligheids- en milieuregelgeving bijbenen. Als gevolg hiervan verhogen autofabrikanten het aantal sensoren dat in en rond voertuigen wordt gebruikt om hun klanten meer veiligheid en functionaliteit te bieden, wat vereist sensor fabrikanten om eerdere technologieën te miniaturiseren en te verbeteren.
In dit artikel belicht ik drie belangrijke trends die het aantal sensoren dat in voertuigen wordt gebruikt in de komende 10 jaar aanzienlijk zullen verhogen: verbeteringen in infotainmentsystemen, extra veiligheids- en autonome rijfuncties en een toename van elektrificatie.
Trend nr. 1: Infotainmentsystemen worden geavanceerder
Het tarief van technologie De acceptatie in voertuigen om de nieuwste infotainmentfuncties en trends op te nemen is exponentieel. De gebruikerservaring wordt veel meer dan alleen een rit.
Zoals getoond in Figuur 1, neemt het aantal displays dat in een typisch voertuig wordt gebruikt toe – van herconfigureerbare instrumentenclusters tot middenconsoles tot passagiersentertainment. Tegelijkertijd neemt ook de weergavekwaliteit toe dankzij grotere schermen met fijnere resoluties en hogere helderheidsniveaus. E-spiegels voor achter- en zijaanzicht komen ook steeds vaker voor, net als draadloze oplaadmodules en extra mediahubs. Auto's beginnen aan te voelen als naadloze uitbreidingen van smartphones, waarbij consumenten esthetisch schone aanraakoppervlakontwerpen verwachten, wat leidt tot extra geïntegreerde schakelingen (IC's) zoals inductantie-naar-digitaal omvormer (LDC)-sensoren die een "force touch" -functie mogelijk maken op oppervlakken die geen schermen zijn, met de mogelijkheid om de hoeveelheid uitgeoefende kracht te detecteren.
Afbeelding 1: Moderne infotainment- en clustersystemen boordevol functies (Bron: Texas Instruments)
LDC-sensoren zoals de LDC3114-Q1 van Texas Instruments (TI) zorgen voor een naadloze gebruikersinterface (UI)-ervaring met touch-on-metal, plastic of glazen oppervlakken voor UI rond de middenconsole.
Bovendien maken 3D Hall-effectsensoren zoals TI's TMAG5170-Q1 positiedetectie mogelijk in e-shifters (versnellingshendels) en infotainmentbediening van joysticks en knoppen, die vaak worden gecombineerd met aanraak- en UI-functies rond middenconsoles.
Het ondersteunen van al deze nieuwe functies en displays vereist extra IC's in kleinere vormfactoren, wat heeft geleid tot de miniaturisering van IC's en gedrukte circuit printplaten (PCB's) en bereiken tegelijkertijd een nog grotere functionaliteit. De uitdaging is dat wanneer je de grootte van de module waarin PCB's zijn ondergebracht terwijl de verwerkingseisen toenemen, heeft u het perfecte recept voor hogere bedrijfstemperaturen. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door een groter stroomverbruik als gevolg van meer verwerking en een afname van de luchtstroom veroorzaakt door kleinere vormfactoren – die beide worden verergerd door de omgeving, aangezien infotainmentsystemen vaak het grootste deel van hun levensduur aan zonlicht worden blootgesteld.
Omdat temperatuursensoren zo'n belangrijke rol spelen bij het voorkomen van schade aan circuits als gevolg van oververhitting, verhogen autofabrikanten het aantal temperatuursensoren dat op een typische PCB wordt gebruikt en geven ze prioriteit aan betrouwbaarheid en nauwkeurigheid tijdens de productselectie. Door temperatuursensoren te plaatsen in hotspots van het systeem, zoals de microcontroller, voeding of LED-display met achtergrondverlichting, blijven deze componenten binnen de aanbevolen bedrijfsomstandigheden, waardoor het infotainmentsysteem de prestaties en betrouwbaarheid kan leveren die door consumenten worden verwacht.
Het vinden van het juiste type temperatuursensor kan lastig zijn gezien de duizenden beschikbare opties. Een die de bank niet kapot maakt, en die betrouwbaarder is dan traditionele thermistoren met negatieve temperatuurcoëfficiënt, is TI's TMP61-Q1 lineaire thermistor. De verhoogde nauwkeurigheid van de TMP61-Q1 helpt de veiligheidsmarges voor temperatuurfouten te minimaliseren om valse triggering te voorkomen. Hierdoor kunnen regelsystemen dichter bij de thermische limieten werken en alleen gas geven of uitschakelen wanneer dat nodig is.
In de komende jaren kunt u een toename verwachten van niet alleen het aantal sensorproducten, maar ook van een grotere nauwkeurigheid en integratie in infotainmentsystemen, met als doel extra gebruikerservaringsfuncties en een meer vermakelijke rit mogelijk te maken.
Trend nr. 2: extra veiligheid en autonoom rijden
Niet alle auto's zijn gelijk gemaakt, vooral wanneer ze zijn afgestemd op bepaalde markten. Maar overheidsvoorschriften dichten de standaard veiligheidskloof om de veiligheid van de consument te waarborgen. Zo heeft de Indiase regering in 2019 opdracht gegeven voor actieve en passieve veiligheidsvoorzieningen in alle automodellen die in haar land worden verkocht. Om deze veiligheidsvoorzieningen toe te voegen aan modellen met een laag en middelhoog niveau, moeten autofabrikanten meer sensoren toevoegen om de omgeving in en rond een voertuig te detecteren.
Een goed voorbeeld van deze trend vindt u in achteruitkijkcamera's. Ze waren 10 jaar geleden alleen beschikbaar op luxe modellen, maar zijn nu een standaard veiligheidsvoorziening voor de meeste nieuwe voertuigen; het is moeilijk om een nieuwe auto te vinden zonder. Een ander voorbeeld zijn bestuurdersmonitoringsystemen, die ook steeds populairder worden. Dus als de geschiedenis zich herhaalt, zou het me niet verbazen als we meer geavanceerde veiligheidsvoorzieningen op grote schaal gebruiken.
Geavanceerde veiligheidsvoorzieningen maken deel uit van geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS). ADAS, dat aanvankelijk bekend stond om zijn cruisecontrol, is uitgegroeid tot zoveel meer, waarbij sensoren op voertuigen naar een geheel nieuw niveau worden getild om functies zoals bewaking in de cabine, dodehoekdetectie, waarschuwing bij het verlaten van de rijstrook, parkeerhulp te ondersteunen - zelfs de nieuwste autonome rijtechniek.
Figuur 2 toont de verschillende niveaus van autonoom rijden en de bijbehorende kenmerken. Hoewel er veel obstakels zijn bij het bereiken van autonomie van niveau 5, werken autofabrikanten eraan om dat te realiseren.
Figuur 2 Niveaus van automatisch rijden (Bron Texas Instruments)
Autonome rijfuncties kunnen niet bestaan zonder camera's en ultrasone, radar- of LiDAR-sensoren aan de rand om de omgeving rond een voertuig te detecteren. Naarmate meer autofabrikanten racen om een hoger niveau van autonoom rijden te bereiken, is een toename van het aantal sensoren onvermijdelijk. Maar waar ga je ze neerzetten?
Dit is waar miniaturisatie in het spel komt - waar pakketgrootte en integratie schitteren. De high-end voertuigen van tegenwoordig zijn bijvoorbeeld uitgerust met een multichip-radarsysteem met één enkele chip. Gezien het gebruik van meerdere discrete componenten, zijn deze radarsystemen groot en omvangrijk wanneer ze kleiner, minder vermogen en kosteneffectief moeten zijn. TI biedt automotive millimetergolf (mmWave) radarsensoroplossingen zoals TI's AWR1843 met verwerking op dezelfde locatie aan de voorkant om de grootte en vormfactor van radarsystemen met 50% te verminderen. TI biedt ook een hoger niveau van integratie met antenne-op-pakket mmWave-radarapparaten zoals TI's AWR1843AOP, die de efficiënte montage van meerdere radarsystemen rond een voertuig mogelijk maken.
Er is niet alleen vraag naar high-data-intensieve sensoren; veel kleinere bouwsteensensoren zullen zorgen voor de veiligheid en langetermijnprestaties van rekenintensieve processors voor sensorfusie en kunstmatige intelligentie. Als een processor oververhit raakt, te veel stroom trekt of wordt blootgesteld aan een hoge luchtvochtigheid, kunnen de prestaties verslechteren of volledig kapot gaan, waardoor de ADAS-functionaliteit wordt aangetast. Temperatuur-, stroom- en zelfs vochtigheidssensoren zoals de HDC3020-Q1 houden deze processors en andere ADAS-componenten zoals LiDAR-sensoren binnen hun gespecificeerde bedrijfsomstandigheden om schade te voorkomen.
ADAS heeft strengere veiligheidseisen op systeemniveau dan andere autosystemen, omdat naarmate voertuigen intelligenter worden, ze ook complexer worden. Meer complexiteit roept veiligheidsproblemen op, vooral nu autonoom rijden mainstream wordt. Automotive Safety Integrity Level (ASIL)-classificaties stellen vereisten vast om risico's te beperken en zorgen voor standaard veiligheidsprocedures bij het ontwerpen van deze systemen. Als gevolg hiervan moeten veel subsystemen in een voertuig functionele veiligheid op systeemniveau hebben.
Een veelvoorkomende eis bij functionele veiligheid is redundantie. Om aan de redundantievereisten te voldoen, passen autofabrikanten snel sensoren toe voor veiligheidskritieke besturingssystemen, waardoor het aantal sensoren verder toeneemt. Sensorfabrikanten zoals TI hebben deze trend opgemerkt en hebben zich gericht op het gemakkelijker maken voor ingenieurs om sensoren te vinden en te gebruiken, of het nu gaat om ontwerpen die zijn gericht op functionele veiligheidsnormen of in competitief gedifferentieerde veiligere systemen.
Trend nr. 3: Een toename van elektrificatie
Autofabrikanten gaan all-in voor elektrische voertuigen (EV's). Waarom EV's? Welnu, een stille rit en direct koppel zijn niet de enige redenen waarom ze grip krijgen; er is een veel grotere kracht in het spel met betrekking tot overheidsdoelen om de uitstoot van kooldioxide te verminderen.
Veel landen hebben streefdata en toezeggingen aangekondigd met betrekking tot de verkoop van elektrische voertuigen. Zuid-Korea kondigde bijvoorbeeld een streefdatum aan van 2050 om CO3-neutraal te worden, met bijbehorende plannen om het aantal EV's op de weg te verhogen tot bijna 2025 miljoen in XNUMX door een uitbreiding van de belastingvoordelen voor EV's en specifieke doelstellingen voor de aankoop van EV's voor huurauto's . De details van de doelstelling van elk land kunnen verschillen, maar het gemeenschappelijke doel is om voertuigen met een verbrandingsmotor (ICE) in de loop van de tijd uit te faseren met voorschriften en prikkels zoals belastingvoordelen of subsidies.
Hoe beïnvloedt een verhoogde EV-productie de vraag naar sensoren? Vergeleken met ICE-voertuigen hebben EV's hogere eisen aan: spanning, stroom-, temperatuur- en vochtigheidsdetectie, omdat grote subsystemen zoals de ingebouwde lader, DC/DC-converter, omvormers en batterijbeheersysteem (BMS) allemaal te maken hebben met hoge spanning of stromen. Elk van deze systemen moet nauwlettend worden gecontroleerd om de dreiging van stroompieken, thermische uitbarsting en zelfs corrosie of kortsluiting door vochtlekkage tot een minimum te beperken.
Een hoge sensornauwkeurigheid in deze systemen kan zich vertalen in kortere oplaadtijden voor EV's en een nog langere levensduur van de batterij. Nauwkeurigere temperatuurmetingen kunnen bijvoorbeeld de foutmarges verkleinen, waardoor valse activering van regelsystemen wordt voorkomen en dichter bij thermische limieten kan worden gewerkt, smoren of alleen uitschakelen wanneer dat nodig is. Totale nauwkeurigheid bij het gebruik van temperatuursensoren is gerelateerd aan de sensor en omliggende componenten, gebruikte lay-outtechnieken en thermische geleidingspaden, dus het is essentieel om de beste werkwijzen in gedachten te houden bij het gebruik van oppervlaktegemonteerde temperatuursensoren.
De TMP126-Q1-temperatuursensor van TI helpt systemen om preventieve maatregelen te nemen om het risico op thermische schade te verminderen met een temperatuurdalingwaarschuwing die snelle temperatuurveranderingen detecteert voordat ze gevaarlijke niveaus bereiken, waardoor het risico op thermische uitbarsting wordt verminderd. Sensoren zoals de TMP126-Q1 zijn niet alleen nauwkeurig, ze zijn ook betrouwbaar dankzij de lage sensordrift van het siliciummateriaal. In GBS met hoge laadstromen is het belangrijk om de nauwkeurigheid van de stroomdetectie te behouden om de laadstatus van een batterijcel goed te kennen. Het gebruik van nauwkeurige sensoren met een lage driftstroom, zoals de INA229-Q1 van TI, kan helpen de efficiëntie van de EV-batterij te behouden in de tijd, temperatuur en vochtigheidsniveaus.
Conclusie
Sensoren zullen in de loop van de tijd alleen maar toenemen naarmate infotainmentsystemen geavanceerder worden, veiligheids- en autonome rijfuncties zich verspreiden en elektrische voertuigen hun marktaandeel vergroten. Om auto-ingenieurs te helpen hun ontwerpen te optimaliseren, Halfgeleider fabrikanten leveren kleinere, nauwkeurigere en energiezuinigere sensoren. Met zoveel beschikbare sensoren kan de productselectie overweldigend zijn. Het is belangrijk om vast te stellen welke criteria het belangrijkst zijn - focussen op parameters zoals nauwkeurigheid, drift en grootte is een geweldige manier om uw opties te verfijnen.
Over de auteur
Bryan Padilla is een productmarketingingenieur bij Texas Instruments. Hij heeft een levenslange interesse in de automobielmarkt en een professionele focus op detectietechnologieën.
over Texas Instruments