Автомобилни електрически системи
Повишените изисквания към електрическата система, обусловени от прехода към електромобилността, автономното шофиране и инфоразвлекателните системи с 4K-HD резолюция, налагат необходимостта от нови E/E архитектури на бордовата електрическа мрежа в автомобилостроенето. Класическата децентрализирана бордова електрическа мрежа-Architektur достига границите си поради своята сложност и изискваните високоскоростни характеристики. ept предлага подходящи съединители от тип „съединител платка-платка“ за тези предизвикателства.
Определение за „бордова електрическа мрежа“: децентрализирана архитектура с домейни и зони
Класическата децентрализирана архитектура в автомобила се състои от до 100 електронични блока за управление (електронен блок за управление), като на всяко от тях е присвоена определена функция: управление на двигателя, въздушна възглавница, ABS / ESP, регулиране на седалките, климатизация и др. Всяко електроночно блоко за управление работи автономно и комуникира с другите електронични блока за управление чрез шлюзове (Gateways).
През изминалите десетилетия децентрализираната архитектура претърпя исторически растеж, като всяка нова функционалност се допълваше с още едно електронен блок за управление. Днес обаче тя достига границите си: нарастващите функционалности значително увеличават разходите за монтаж и окабеляване в автомобила.
При домейн-архитектурата електроните блокове за управление се обединяват в различни функционални области. Всяка домейн отговаря за определена област на автомобила, като например задвижване, инфоразвлечение или безопасност. Главното управление на дадена домейн се осъществява от самостоятелен високопроизводителен компютър (HPC). Той координира електроните блокове за управление в рамките на своята домейн. За функционалната област „Безопасност“ това биха били, например, електрони блокове за системи за подпомагане на водача, ABS/ESP и системи за управление на волана.
В сравнение с децентрализираната архитектура, по-малкият брой вградени електрони блокове за управление намалява разходите за окабеляване и монтаж. По този начин доменната архитектура може ефективно да допринесе за намаляване на разходите и теглото в сравнение с децентрализираната архитектура. Освен това допълнителни функции могат да бъдат интегрирани впоследствие с минимални усилия.
При зоналната архитектура (зонова архитектура) структурирането не се извършва въз основа на домейни, а според локални зони. Така например в рамките на една зона в автомобила се обединяват няколко функционалности. Съответно функции като задвижването и инфоразвлекателната система могат напълно да бъдат обединени и обработвани в един зонов контролер (зонов контролер). Надредното управление на различните зонови контролери се осъществява от централен HPC. Предимството е очевидно: намаляване на броя на електроните блокове за управление, както и на кабелното им свързване, с до 50 процента.
През изминалите десетилетия децентрализираната архитектура претърпя исторически растеж, като всяка нова функционалност се допълваше с още едно електронен блок за управление. Днес обаче тя достига границите си: нарастващите функционалности значително увеличават разходите за монтаж и окабеляване в автомобила.
При домейн-архитектурата електроните блокове за управление се обединяват в различни функционални области. Всяка домейн отговаря за определена област на автомобила, като например задвижване, инфоразвлечение или безопасност. Главното управление на дадена домейн се осъществява от самостоятелен високопроизводителен компютър (HPC). Той координира електроните блокове за управление в рамките на своята домейн. За функционалната област „Безопасност“ това биха били, например, електрони блокове за системи за подпомагане на водача, ABS/ESP и системи за управление на волана.
В сравнение с децентрализираната архитектура, по-малкият брой вградени електрони блокове за управление намалява разходите за окабеляване и монтаж. По този начин доменната архитектура може ефективно да допринесе за намаляване на разходите и теглото в сравнение с децентрализираната архитектура. Освен това допълнителни функции могат да бъдат интегрирани впоследствие с минимални усилия.
При зоналната архитектура (зонова архитектура) структурирането не се извършва въз основа на домейни, а според локални зони. Така например в рамките на една зона в автомобила се обединяват няколко функционалности. Съответно функции като задвижването и инфоразвлекателната система могат напълно да бъдат обединени и обработвани в един зонов контролер (зонов контролер). Надредното управление на различните зонови контролери се осъществява от централен HPC. Предимството е очевидно: намаляване на броя на електроните блокове за управление, както и на кабелното им свързване, с до 50 процента.
Изисквания към HPC и неговите съединители (съединител)
Изискванията, които произтичат от това към един HPC, са големи: не на последно място обработката на изображенията в областта на инфоразвлеченията или камерните системи за автономно шофиране изискват сигурно високоскоростно предаване на данни с къси латентни времена. В същото време при никакви обстоятелства не трябва да се стига до прекъсване на предаването на сигнала – неговата надеждност трябва да бъде гарантирана по всяко време.
Високата производителност, бързото и преди всичко надеждното предаване на данни – понякога при неблагоприятни условия на околната среда – са следователно изисквания, които се отнасят и към вградените съединител.
„Четливостта“ на даден сигнал може да бъде илюстрирана с помощта на така наречената „очна диаграма“. Тя показва дали предаваният сигнал може еднозначно да бъде приведен към цифровите състояния 1 или 0 в приемника.
За целта сигналът преминава през определено трасе за предаване, като се записва, наслагва и визуализира с осцилоскоп. По този начин всички възможни ходове на сигнала могат да бъдат изобразени „един върху друг“. Теоретично преходите между логическите състояния са безкрайно стръмни, а сигналните линии минават точно една върху друга. Вследствие на външни смущаващи фактори и вътрешни нарушения в сигналните двойки нарастването на сигнала се изравнява, а амплитудата се променя. Така се получава формата на око, от която идва и наименованието.
Високата производителност, бързото и преди всичко надеждното предаване на данни – понякога при неблагоприятни условия на околната среда – са следователно изисквания, които се отнасят и към вградените съединител.
„Четливостта“ на даден сигнал може да бъде илюстрирана с помощта на така наречената „очна диаграма“. Тя показва дали предаваният сигнал може еднозначно да бъде приведен към цифровите състояния 1 или 0 в приемника.
За целта сигналът преминава през определено трасе за предаване, като се записва, наслагва и визуализира с осцилоскоп. По този начин всички възможни ходове на сигнала могат да бъдат изобразени „един върху друг“. Теоретично преходите между логическите състояния са безкрайно стръмни, а сигналните линии минават точно една върху друга. Вследствие на външни смущаващи фактори и вътрешни нарушения в сигналните двойки нарастването на сигнала се изравнява, а амплитудата се променя. Така се получава формата на око, от която идва и наименованието.
В средата на диаграмата се вижда така наречената „Eye Mask“. В тази област не е възможно еднозначното идентифициране на сигнала.
Двете очни диаграми показват влиянието на дължината на проводника и импеданса на примера на съединителите ept Colibri в версиите 16+ Gbit/s и 10 Gbit/s. Примерът илюстрира как чрез по-нататъшното усъвършенстване на дизайна на контактите е било постигнато значително повишаване на цялост на сигнала (вж. фиг. XX). Благодарение на по-късата дължина на кабела и импеданса от 100 Ω „окото“ на варианта на Colibri с 16+ Gbit/s се оформя по-ясно, отколкото при предходния вариант на Colibri с 10 Gbit/s – двойките сигнали могат да бъдат интерпретирани еднозначно.
Двете очни диаграми показват влиянието на дължината на проводника и импеданса на примера на съединителите ept Colibri в версиите 16+ Gbit/s и 10 Gbit/s. Примерът илюстрира как чрез по-нататъшното усъвършенстване на дизайна на контактите е било постигнато значително повишаване на цялост на сигнала (вж. фиг. XX). Благодарение на по-късата дължина на кабела и импеданса от 100 Ω „окото“ на варианта на Colibri с 16+ Gbit/s се оформя по-ясно, отколкото при предходния вариант на Colibri с 10 Gbit/s – двойките сигнали могат да бъдат интерпретирани еднозначно.
Тъй като високоскоростните сигнали са особено податливи на електромагнитни влияния, те се нуждаят от специална защита на сигнала. В този случай един конектор (съединител) може да действа както като източник на смущения, така и като поглъщател. Поради тази причина се препоръчва защита на сигнала чрез екранираща ламарина (екранираща пластина), за да се предпазят чувствителните сигнали от външни влияния.
От фигура 4 става ясно, че дори малък електрически импулс може да изкриви полезния сигнал. Приемникът вече не може да интерпретира еднозначно цифровите състояния на HDMI сигнала дори след кратък импулс от 0,5 kV, докато предаването на сигнала през екранирания съединител остава стабилно дори при 4,4 kV.
От фигура 4 става ясно, че дори малък електрически импулс може да изкриви полезния сигнал. Приемникът вече не може да интерпретира еднозначно цифровите състояния на HDMI сигнала дори след кратък импулс от 0,5 kV, докато предаването на сигнала през екранирания съединител остава стабилно дори при 4,4 kV.
С помощта на индуктивността на свързване (взаимна индуктивност) LK като параметър за електромагнитна съвместимост (ЕМС) конекторът може да бъде описан чрез разглеждане на електрическите условия в двете му функции – източник и приемник. За тази цел се използва единицата „Хенри“. Това важи както за устойчивостта на смущения (устойчивост на смущения), така и за излъчването на смущения (електромагнитно излъчване). Ако индуцираното напрежение (Uind), напрежението на генератора (UGen) и генераторната константа (kGen) са известни, за дадено приложение може да се определи съответната специфична максимално допустима индуктивност на свързване (взаимна индуктивност) (L) чрез следната формула:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Освен това индуктивността на свързване (взаимна индуктивност) помага на потребителя да определи подходящия конектор (съединител) по отношение на електромагнитната му съвместимост и да избегне скъпите и отнемащи време изпитвания по метода „проба-грешка“ в ЕМС-Labor. Ето един пример: За HDMI сигнал при напрежение от 4,4 kV е определена максимална за конкретния случай взаимна индуктивност от 47 пикохенри (pH). Ако стойността надвиши тази граница, сигналът вече не може да се предава без смущения.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Освен това индуктивността на свързване (взаимна индуктивност) помага на потребителя да определи подходящия конектор (съединител) по отношение на електромагнитната му съвместимост и да избегне скъпите и отнемащи време изпитвания по метода „проба-грешка“ в ЕМС-Labor. Ето един пример: За HDMI сигнал при напрежение от 4,4 kV е определена максимална за конкретния случай взаимна индуктивност от 47 пикохенри (pH). Ако стойността надвиши тази граница, сигналът вече не може да се предава без смущения.
Но не само електромагнитните влияния застрашават предаването на високоскоростните сигнали. Особено при приложение в автомобилната индустрия съединителите (съединител) са изложени многократно на екстремни условия на околната среда, като вибрации и удари. За да може предаването на сигнала да протича без прекъсвания дори в сурова среда, съединителят трябва да бъде особено издръжлив. При това решаваща роля играят преди всичко дизайнът на контактите, контактната система и технологията на свързване (технология на свързване).
Фактор, оказващ влияние: система за контакти
Класическите двукомпонентни съединители (съединител) разполагат с ножов и пружинен контакт (женски контакт). При силен удар обаче ножовата релса (щифтов съединител) може да се отдели от пружинната релса (гнездов съединител). За да не се стигне до такова прекъсване на контакта (прекъсване на контакта), може да се осигури резервираност и по този начин сигурност на контакта с помощта на двустранна пружинна релса (гнездов съединител), тъй като благодарение на втората пружина предаването на сигнала е гарантирано по всяко време поне през една контактна точка (фиг. 5).
Още по-здрави са обаче съединителите (съединител) с така наречената „хермафродитна“ контактна система. Особеността се състои в идентичната геометрия на контактите на двойките съединители – щекер (Plug) и гнездо (Socket). И двете разполагат както с пружина, така и с нож. По този начин всеки пин се свързва с две пружини, като щекерът и гнездото са преплетени едно в друго и не могат да се отделят едно от друго. Докато двустранната редица от пружини (гнездов съединител) при механично натоварване винаги осигурява поне една точка на контакт, преплетените геометрии при системите с неутрален пол гарантират, че предаването на сигнала винаги протича през две точки на контакт. Тази висока излишност позволява по този начин максимална сигурност на контакта (фиг. 5).
Като технология за свързване (технология на свързване) за трайна връзка между печатната платка и съединителя (съединител) се препоръчва технологията за повърхностен монтаж (SMT). С помощта на спояваща паста (паста за запояване) съединителите се запояват върху определени контактни площадки на печатната платка, т.нар. контактни площадки (контактни площадки). Едва в т.нар. рефлоу пещ (reflow пещ) спойката се разтопява и след това се втвърдява. Чрез SMT могат да се реализират стабилни връзки между конектора и печатната платка. За целта обаче трябва да бъдат изпълнени някои критерии: На първо място, за спойка, отговаряща на стандарта IPC-A-610, трябва да се спазва правилното съотношение между SMD извод, контактна площадка и паста за запояване. Само по този начин се създава висококачествена връзка, която позволява свързване съгласно IPC клас 3, т.е. подходяща за използване във високопроизводителна електроника. В този клас трябва по всяко време да се изключват сривове в предаването на сигнала. Оптималната спойка (спояно съединение) се разпознава по равномерното образуване на менискус. Контактът трябва да бъде обграден от всички страни с менискус от спойка, за да се постигнат най-добрите сили на задържане върху печатната платка. (Фиг. 9).
Копланарността на контактните крачета е предпоставка за отлично свързване, като тя се подлага на 100% автоматизирана проверка по време на производствения процес.
Заключение
Актуалните тенденции в автомобилната индустрия поставят все нови изисквания към вградените съединител. На пръв поглед ролята на вградените съединители изглежда да остава на заден план поради намаления брой на електроните блокове за управление. При по-внимателно разглеждане обаче става ясно, че именно поради тази промяна към централизирана обработка на данни чрез HPC тяхната роля придобива все по-голямо значение: надеждността при предаването на сигнали никога не е била толкова важна, колкото днес.