Eletrônica automotiva - Automotive electronics

Eletrônicos automotivos são sistemas eletrônicos usados em veículos , incluindo gerenciamento de motor , ignição , rádio , carputers , telemática , sistemas de entretenimento automotivo e outros. Eletrônicos de ignição, motor e transmissão também são encontrados em caminhões , motocicletas , veículos off-road e outras máquinas movidas a combustão interna , como empilhadeiras , tratores e escavadeiras . Elementos relacionados para controle de sistemas elétricos relevantes também são encontrados em veículos híbridos e carros elétricos .

Os sistemas eletrônicos têm se tornado um componente cada vez mais grande do custo de um automóvel, de apenas cerca de 1% de seu valor em 1950 para cerca de 30% em 2010. Os carros elétricos modernos contam com eletrônica de potência para o controle do motor de propulsão principal, bem como para o gerenciamento. o sistema de bateria . Futuros carros autônomos contarão com poderosos sistemas de computador, uma série de sensores, rede e navegação por satélite, todos os quais exigirão eletrônicos.

História

Os primeiros sistemas eletrônicos disponíveis como instalações de fábrica eram rádios automotivos de tubo de vácuo , começando no início dos anos 1930. O desenvolvimento de semicondutores após a Segunda Guerra Mundial expandiu enormemente o uso de eletrônicos em automóveis, com diodos de estado sólido tornando o alternador automotivo o padrão após cerca de 1960, e os primeiros sistemas de ignição transistorizados surgindo por volta de 1955.

O surgimento da tecnologia de metal-óxido-semicondutor (MOS) levou ao desenvolvimento da moderna eletrônica automotiva. O MOSFET (MOS transistor de efeito de campo, ou transistores MOS), inventada por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng em Bell Labs em 1959, levou ao desenvolvimento do MOSFET por Hitachi , em 1969, e o de um único chip microprocessador por Federico Faggin , Marcian Hoff , Masatoshi Shima e Stanley Mazor na Intel em 1971.

O desenvolvimento de chips e microprocessadores de circuito integrado MOS (MOS IC) tornou uma série de aplicações automotivas economicamente viáveis na década de 1970. Em 1971, Fairchild Semiconductor e RCA Laboratories propuseram o uso de chips MOS de integração em grande escala (LSI) para uma ampla gama de aplicações eletrônicas automotivas, incluindo uma unidade de controle de transmissão (TCU), controle de cruzeiro adaptativo (ACC), alternadores , farol automático dimmers , bombas elétricas de combustível , injeção eletrônica de combustível , controle de ignição eletrônico , tacômetros eletrônicos , piscas sequenciais , indicadores de velocidade , monitores de pressão dos pneus , reguladores de tensão , controle de limpador de pára-brisa , Prevenção Eletrônica de Skid (ESP) e aquecimento, ventilação e ar condicionado (HAVC).

No início da década de 1970, a indústria eletrônica japonesa começou a produzir circuitos integrados e microcontroladores para a indústria automobilística japonesa , usados para entretenimento automotivo, limpadores automáticos, travas eletrônicas, painel e controle do motor. O sistema Ford EEC (Electronic Engine Control), que utilizava o microprocessador Toshiba TLCS-12 PMOS , entrou em produção em massa em 1975. Em 1978, o Cadillac Seville apresentava um "computador de viagem" baseado em um microprocessador 6802 . Os sistemas de ignição e injeção de combustível controlados eletronicamente permitiram que os projetistas automotivos atendessem aos requisitos de economia de combustível e emissões mais baixas, ao mesmo tempo em que mantinham altos níveis de desempenho e conveniência para os motoristas. Os automóveis de hoje contêm uma dúzia ou mais de processadores, em funções como gerenciamento de motor, controle de transmissão, controle de temperatura, freio antibloqueio, sistemas de segurança passiva, navegação e outras funções.

O power MOSFET e o microcontrolador , um tipo de microprocessador de chip único, levaram a avanços significativos na tecnologia de veículos elétricos . Os conversores de energia MOSFET permitiam a operação em frequências de chaveamento muito mais altas, tornavam mais fácil dirigir, reduziram as perdas de energia e reduziram significativamente os preços, enquanto os microcontroladores de chip único podiam gerenciar todos os aspectos do controle da unidade e tinham a capacidade de gerenciamento da bateria . Os MOSFETs são usados em veículos como automóveis , carros , caminhões , veículos elétricos e carros inteligentes . Os MOSFETs são usados para a unidade de controle eletrônico (ECU), enquanto o MOSFET de potência e o IGBT são usados como drivers de carga para cargas automotivas , como motores , solenóides , bobinas de ignição , relés , aquecedores e lâmpadas . Em 2000, o veículo médio de passageiros médio tinha uma estimativa de US $ 100-200 de conteúdo de semicondutores de potência , aumentando em um potencial de 3 a 5 vezes para veículos elétricos e híbridos . Em 2017, o veículo médio tinha mais de 50 atuadores , normalmente controlados por MOSFETs de energia ou outros dispositivos semicondutores de energia .

Outra tecnologia importante que possibilitou os carros elétricos modernos com capacidade para rodar é a bateria de íon-lítio . Foi inventada por John Goodenough , Rachid Yazami e Akira Yoshino na década de 1980, e comercializada pela Sony e Asahi Kasei em 1991. A bateria de íon-lítio foi responsável pelo desenvolvimento de veículos elétricos capazes de viagens de longa distância, na década de 2000.

Tipos

Eletrônica automotiva ou sistemas automotivos embarcados são sistemas distribuídos e de acordo com diferentes domínios no campo automotivo, eles podem ser classificados em:

Em média, um carro da década de 2020 tem 50-150 chips , de acordo com Chris Isidore da CNN Business.

Eletrônica do motor

Uma das peças eletrônicas mais exigentes de um automóvel é a unidade de controle do motor (ECU). Os controles do motor exigem um dos mais altos prazos em tempo real, pois o motor em si é uma parte muito rápida e complexa do automóvel. De todos os componentes eletrônicos de qualquer carro, o poder de computação da unidade de controle do motor é o mais alto, normalmente um processador de 32 bits.

Um carro moderno pode ter até 100 ECUs e um veículo comercial até 40.

Uma ECU do motor controla funções como:

Em um motor diesel :

Taxa de injeção de combustível
Controle de emissão, controle de NOx
Regeneração do conversor catalítico de oxidação
Controle do turbocompressor
Controle do sistema de refrigeração
Controle de aceleração

Em um motor a gasolina:

Controle lambda
OBD ( Diagnóstico On-Board )
Controle do sistema de refrigeração
Controle do sistema de ignição
Controle do sistema de lubrificação (apenas alguns têm controle eletrônico)
Controle da taxa de injeção de combustível
Controle de aceleração

Muitos outros parâmetros do motor são ativamente monitorados e controlados em tempo real. Existem cerca de 20 a 50 que medem pressão, temperatura, fluxo, rotação do motor, nível de oxigênio e nível de NOx , além de outros parâmetros em diferentes pontos do motor. Todos esses sinais do sensor são enviados para a ECU, que possui os circuitos lógicos para fazer o controle real. A saída da ECU é conectada a diferentes atuadores para a válvula borboleta, válvula EGR, rack (em VGTs ), injetor de combustível (usando um sinal modulado por largura de pulso ), injetor de dosagem e muito mais. Existem cerca de 20 a 30 atuadores ao todo.

Eletrônica de transmissão

Estes controlam o sistema de transmissão, principalmente a mudança de marchas para melhor conforto de mudança e para reduzir a interrupção de torque durante a mudança. As transmissões automáticas usam controles para sua operação, e também muitas transmissões semiautomáticas com uma embreagem totalmente automática ou uma embreagem semiautomática (somente desengate). A unidade de controle do motor e o controle da transmissão trocam mensagens, sinais de sensor e sinais de controle para sua operação.

Eletrônica do chassi

O sistema de chassi tem muitos subsistemas que monitoram vários parâmetros e são controlados ativamente:

ABS - Sistema de Frenagem Antibloqueio
ASR / TCS - Sistema de controle de tração / regulação antiderrapante
BAS - Freio Assist
EBD - Distribuição Eletrônica da Força de Freio
EDC - Controle Eletrônico de Damper
EDS - Diferencial Eletrônico Escorregadio
ESP - Programa Eletrônico de Estabilidade
ETS - Enhanced Traction System
PA - Assistência de Estacionamento

Segurança passiva

Esses sistemas estão sempre prontos para agir quando houver uma colisão em andamento ou para evitá-la quando detecta uma situação perigosa:

Assistência ao motorista

Sistemas de assistência de pista
Sistema de assistência de velocidade
Detecção de ponto cego
Sistema de assistência ao estacionamento
Sistema de controle de cruzeiro adaptável
Assistência pré-colisão

Conforto do passageiro

Controle de clima automático
Ajuste eletrônico do assento com memória
Limpadores automáticos
Faróis automáticos - ajusta o feixe automaticamente
Resfriamento automático - ajuste de temperatura

Sistemas de entretenimento

Todos os sistemas acima formam um sistema de infoentretenimento. Os métodos de desenvolvimento desses sistemas variam de acordo com cada fabricante. Diferentes ferramentas são usadas para desenvolvimento de hardware e software .

Sistemas eletrônicos integrados de cockpit

Estas são ECUs híbridas de nova geração que combinam as funcionalidades de múltiplas ECUs de Unidade Principal de Infotainment, Sistemas de Assistência ao Motorista Avançado (ADAS), Conjunto de Instrumentos, Câmera Traseira / Assistência de Estacionamento, Sistemas de Visão Surround etc. Isso economiza no custo de eletrônicos, bem como peças mecânicas / físicas, como interconexões entre ECUs, etc. Há também um controle mais centralizado para que os dados possam ser trocados sem problemas entre os sistemas.

Claro que também existem desafios. Dada a complexidade deste sistema híbrido, muito mais rigor é necessário para validar o sistema quanto à robustez e proteção. Por exemplo, se o aplicativo do sistema de infoentretenimento que poderia estar executando um sistema operacional Android de código aberto for violado, pode haver a possibilidade de hackers assumirem o controle do carro remotamente e potencialmente usá-lo indevidamente para atividades anti-sociais. Normalmente, o uso de hipervisores habilitados para hardware + software é usado para virtualizar e criar zonas de confiança e segurança separadas que são imunes às falhas ou violações umas das outras. Muito trabalho está acontecendo nesta área e, potencialmente, teremos tais sistemas em breve, se ainda não.

Requisitos de segurança funcional

Para minimizar o risco de falhas perigosas, os sistemas eletrônicos relacionados à segurança devem ser desenvolvidos de acordo com os requisitos de responsabilidade do produto aplicáveis. O desrespeito ou a aplicação inadequada desses padrões pode levar não apenas a ferimentos pessoais, mas também a graves consequências jurídicas e econômicas, como cancelamento ou recall de produtos .

O padrão IEC 61508 , geralmente aplicável a produtos elétricos / eletrônicos / programáveis relacionados à segurança, é apenas parcialmente adequado para requisitos de desenvolvimento automotivo. Consequentemente, para a indústria automotiva, este padrão é substituído pelo ISO 26262 existente , atualmente lançado como um Final Draft International Standard (FDIS). ISO / DIS 26262 descreve todo o ciclo de vida do produto de sistemas elétricos / eletrônicos relacionados à segurança para veículos rodoviários. Foi publicado como um padrão internacional em sua versão final em novembro de 2011. A implementação deste novo padrão resultará em modificações e várias inovações no processo de desenvolvimento de eletrônicos automotivos, uma vez que cobre o ciclo de vida completo do produto desde a fase de conceito até seu descomissionamento.

Segurança

À medida que mais funções do automóvel são conectadas a redes de curto ou longo alcance, a segurança cibernética dos sistemas contra modificações não autorizadas é necessária. Com sistemas críticos, como controles do motor, transmissão, airbags e frenagem conectados a redes de diagnóstico internas, o acesso remoto pode resultar em um intruso malicioso alterando a função dos sistemas ou desativando-os, possivelmente causando ferimentos ou mortes. Cada nova interface apresenta uma nova " superfície de ataque ". A mesma facilidade que permite ao proprietário destravar e ligar um carro a partir de um aplicativo de smartphone também apresenta riscos devido ao acesso remoto. Os fabricantes de automóveis podem proteger a memória de vários microprocessadores de controle para protegê-los de alterações não autorizadas e também para garantir que apenas as instalações autorizadas pelo fabricante possam diagnosticar ou reparar o veículo. Sistemas como a entrada sem chave dependem de técnicas criptográficas para garantir que ataques de " repetição " ou " ataques man-in-the-middle " não possam gravar sequências para permitir uma invasão posterior do automóvel.

Em 2015, o clube automóvel geral alemão encomendou uma investigação das vulnerabilidades do sistema eletrônico de um fabricante, o que poderia ter levado a explorações como o desbloqueio remoto não autorizado do veículo.

Veja também

Referências

Leitura adicional

William B. Ribbens e Norman P. Mansour (2003). Compreendendo a eletrônica automotiva (6ª ed.). Newnes. ISBN 9780750675994.

links externos

Congresso Internacional de Eletrônica Automotiva
Sociedade de Engenheiros Automotivos
Laboratório de Eletrônica Veicular Clemson (Seção de Eletrônica Automotiva)

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