Bilens elektriske systemer
Økt elektrisk belastning, forårsaket av overgangen til e-mobilitet, autonom kjøring og infotainmentsystemer med 4K-HD-oppløsning, krever nye E/E-arkitekturer for bilens elektriske systemer (kjøretøyets elsystem) i bilindustrien. Den klassiske, desentraliserte kjøretøyets elsystem-Architekturen for bilens elektriske systemer når sine grenser på grunn av sin kompleksitet og kravene til høyhastighetsfunksjoner. ept tilbyr de riktige kort-til-kort-kontakt for disse utfordringene.
Definisjon av «kjøretøyets elsystem»: Desentralisert arkitektur med domener og soner
Den klassiske desentraliserte arkitekturen i biler består av opptil 100 styreenheter (styreenhet), hvor hver styreenhet tildeles en definert funksjon: motorstyring, airbag, ABS/ESP, setejustering, klimaanlegg, … Hver styreenhet fungerer selvstendig og kommuniserer via gateways med andre styreenheter.
I løpet av de siste tiårene har den desentraliserte arkitekturen gjennomgått en historisk vekst, der hver nye funksjonalitet ble utvidet med et nytt «styreenhet». I dag har den imidlertid nådd sine grenser: Økende funksjonalitet øker installasjons- og kablingarbeidet i kjøretøyet betydelig.
I domenearkitekturen grupperes styreenhetene i ulike funksjonsområder. Hvert domene har ansvar for et bestemt område av kjøretøyet, for eksempel drivverk, infotainment eller sikkerhet. Den overordnede styringen av et domene utføres av en egenstående høyytelsesdatamaskin (HPC). Denne koordinerer styreenhetene innenfor sitt domene. For funksjonsområdet sikkerhet vil dette for eksempel være styreenheter for førerassistansesystemer, ABS/ESP og styresystemer.
Sammenlignet med den desentraliserte arkitekturen reduseres kabling- og installasjonsarbeidet på grunn av det mindre antallet innebygde styreenheter. Domenearkitekturen kan dermed også bidra effektivt til kostnads- og vektreduksjon sammenlignet med den desentraliserte arkitekturen. I tillegg kan tilleggsfunksjoner integreres i etterkant med liten innsats.
I sonearkitektur skjer struktureringen ikke ut fra domener, men etter lokale soner. For eksempel samles flere funksjoner innenfor en sone i bilen. Dermed kan også funksjoner som drivverk og infotainment samles og behandles i en sonesonekontroller. Den overordnede styringen av de ulike sonesonekontroller skjer via en sentral HPC. Fordelen er åpenbar: En reduksjon av antall styreenheter og tilhørende kabling på opptil 50 prosent.
I løpet av de siste tiårene har den desentraliserte arkitekturen gjennomgått en historisk vekst, der hver nye funksjonalitet ble utvidet med et nytt «styreenhet». I dag har den imidlertid nådd sine grenser: Økende funksjonalitet øker installasjons- og kablingarbeidet i kjøretøyet betydelig.
I domenearkitekturen grupperes styreenhetene i ulike funksjonsområder. Hvert domene har ansvar for et bestemt område av kjøretøyet, for eksempel drivverk, infotainment eller sikkerhet. Den overordnede styringen av et domene utføres av en egenstående høyytelsesdatamaskin (HPC). Denne koordinerer styreenhetene innenfor sitt domene. For funksjonsområdet sikkerhet vil dette for eksempel være styreenheter for førerassistansesystemer, ABS/ESP og styresystemer.
Sammenlignet med den desentraliserte arkitekturen reduseres kabling- og installasjonsarbeidet på grunn av det mindre antallet innebygde styreenheter. Domenearkitekturen kan dermed også bidra effektivt til kostnads- og vektreduksjon sammenlignet med den desentraliserte arkitekturen. I tillegg kan tilleggsfunksjoner integreres i etterkant med liten innsats.
I sonearkitektur skjer struktureringen ikke ut fra domener, men etter lokale soner. For eksempel samles flere funksjoner innenfor en sone i bilen. Dermed kan også funksjoner som drivverk og infotainment samles og behandles i en sonesonekontroller. Den overordnede styringen av de ulike sonesonekontroller skjer via en sentral HPC. Fordelen er åpenbar: En reduksjon av antall styreenheter og tilhørende kabling på opptil 50 prosent.
Krav til HPC og dets kontakt
Kravene som dette stiller til en HPC er store: Ikke minst behandlingen av bildedata innen infotainment eller kamerasystemer for autonom kjøring krever sikker høyhastighets dataoverføring med korte forsinkelser. Samtidig må det under ingen omstendigheter oppstå svikt i signaloverføringen – påliteligheten må være sikret til enhver tid.
Høy ytelse, rask og fremfor alt pålitelig dataoverføring – til tider under ugunstige miljøforhold – er dermed også krav som stilles til de innebygde kontakt.
«Lesbarheten» til et signal kan illustreres ved hjelp av det såkalte øyediagrammet. Dette angir om et overført signal i mottakeren entydig kan tilordnes de digitale tilstandene 1 eller 0.
For dette formålet går et signal gjennom en definert overføringsvei, hvor det registreres, overlagres og vises av et oscilloskop. På denne måten kan alle mulige signalforløp vises «over hverandre». I teorien er overgangene mellom de logiske tilstandene uendelig bratte, og signallinjene ligger nøyaktig over hverandre. På grunn av eksterne forstyrrelsesfaktorer og intern påvirkning av signalparene flater signalstigningen ut, og amplituden endres. Det oppstår den karakteristiske formen som gir diagrammet navnet «øye».
Høy ytelse, rask og fremfor alt pålitelig dataoverføring – til tider under ugunstige miljøforhold – er dermed også krav som stilles til de innebygde kontakt.
«Lesbarheten» til et signal kan illustreres ved hjelp av det såkalte øyediagrammet. Dette angir om et overført signal i mottakeren entydig kan tilordnes de digitale tilstandene 1 eller 0.
For dette formålet går et signal gjennom en definert overføringsvei, hvor det registreres, overlagres og vises av et oscilloskop. På denne måten kan alle mulige signalforløp vises «over hverandre». I teorien er overgangene mellom de logiske tilstandene uendelig bratte, og signallinjene ligger nøyaktig over hverandre. På grunn av eksterne forstyrrelsesfaktorer og intern påvirkning av signalparene flater signalstigningen ut, og amplituden endres. Det oppstår den karakteristiske formen som gir diagrammet navnet «øye».
I midten av diagrammet ser man den såkalte «Eye Mask». Det er ikke mulig å identifisere signalet entydig i dette området.
De to øyediagrammene viser påvirkningen av ledningslengde og impedans ved hjelp av eksemplet med ept Colibri-kontakt i utførelsene 16 + Gbit/s og 10 Gbit/s. Eksemplet illustrerer hvordan man gjennom videreutvikling av kontaktdesignet har kunnet oppnå en betydelig forbedring av signalintegritet (se fig. XX). Takket være kortere ledningslengde og 100 Ω impedans kan «øyet» til 16+ Gbit/s-varianten av Colibri danne seg tydeligere enn hos forgjengeren, Colibri med 10 Gbit/s – signalparene kan tolkes entydig.
De to øyediagrammene viser påvirkningen av ledningslengde og impedans ved hjelp av eksemplet med ept Colibri-kontakt i utførelsene 16 + Gbit/s og 10 Gbit/s. Eksemplet illustrerer hvordan man gjennom videreutvikling av kontaktdesignet har kunnet oppnå en betydelig forbedring av signalintegritet (se fig. XX). Takket være kortere ledningslengde og 100 Ω impedans kan «øyet» til 16+ Gbit/s-varianten av Colibri danne seg tydeligere enn hos forgjengeren, Colibri med 10 Gbit/s – signalparene kan tolkes entydig.
Siden høyhastighetssignaler er spesielt utsatt for elektromagnetiske forstyrrelser, trenger de spesiell signalbeskyttelse. En kontakt kan i denne sammenhengen fungere både som forstyrrelseskilde og som avledningspunkt. Av denne grunn anbefales signalbeskyttelse ved hjelp av skjermplate for å beskytte de følsomme signalene mot ytre påvirkning.
At selv en liten elektrisk impuls kan forvrenge brukssignalet, fremgår av figur 4. Mottakeren kan ikke lenger tolke de digitale tilstandene til HDMI-signalet entydig allerede etter en kort burst-impuls på 0,5 kV, mens signaloverføringen fra den skjermede kontakten fortsatt er stabil selv ved 4,4 kV.
At selv en liten elektrisk impuls kan forvrenge brukssignalet, fremgår av figur 4. Mottakeren kan ikke lenger tolke de digitale tilstandene til HDMI-signalet entydig allerede etter en kort burst-impuls på 0,5 kV, mens signaloverføringen fra den skjermede kontakten fortsatt er stabil selv ved 4,4 kV.
Med koblingsinduktansen (gjensidig induktans) LK som EMC-parameter kan kontakten beskrives ved å vurdere de elektriske forholdene i begge funksjonene – kilde og senke. Her benyttes enheten Henry. Dette gjelder både for immunitet og for elektromagnetisk utstråling. Dersom den induserte spenningen (Uind), generatorens spenning (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kjent, kan den spesifikke maksimalt tillatte gjensidig induktans (L) for en applikasjon bestemmes ved hjelp av følgende formel:
LK = Uind / (UGen * kGen)
Koblingsinduktiviteten (gjensidig induktans) hjelper dessuten brukeren med å velge riktig kontakt (kontakt) med tanke på elektromagnetisk kompatibilitet og unngå kostbare og tidkrevende prøve-og-feil-tester i EMC-Laboret. Her er et eksempel: For et HDMI-signal ble det ved en spenning på 4,4 kV beregnet en tilfellespesifikk maksimal kgjensidig induktans på 47 picohenry (pH). Ligger verdien over dette, kan signalet følgelig ikke lenger overføres uten forstyrrelser.
LK = Uind / (UGen * kGen)
Koblingsinduktiviteten (gjensidig induktans) hjelper dessuten brukeren med å velge riktig kontakt (kontakt) med tanke på elektromagnetisk kompatibilitet og unngå kostbare og tidkrevende prøve-og-feil-tester i EMC-Laboret. Her er et eksempel: For et HDMI-signal ble det ved en spenning på 4,4 kV beregnet en tilfellespesifikk maksimal kgjensidig induktans på 47 picohenry (pH). Ligger verdien over dette, kan signalet følgelig ikke lenger overføres uten forstyrrelser.
Men det er ikke bare elektromagnetiske påvirkninger som utgjør en fare for overføringen av høyhastighetssignaler. Spesielt i bilindustrien utsettes kontaktene (kontakt) gjentatte ganger for ekstreme miljøforhold som vibrasjon og støt. For at signaloverføringen skal foregå uten avbrudd også i tøffe omgivelser, må kontaktene være spesielt robuste. Her spiller først og fremst kontaktdesign, kontaktsystem og tilkoblingsteknikk (tilkoblingsteknikk) en avgjørende rolle.
Påvirkningsfaktor: Kontaktsystem
Klassiske todelte stikkontakter (kontakt) har en knivkontakt og en fjærkontakt (hunnkontaktelement). Ved kraftige støt kan imidlertid knivkontakten (hannkontakt) løsne fra fjærkontakten (hunnkontakt). For å unngå en slik kontaktavbrudd (kontaktbrudd) kan man ved hjelp av en dobbeltsidig fjærkontakt (hunnkontakt) sikre redundans og dermed kontaktsikkerhet, fordi den andre fjæren sikrer at signaloverføringen til enhver tid skjer via minst ett kontaktpunkt (fig. 5).
kontakt med såkalt «hermafroditisk» kontaktsystem er derimot enda mer robuste. Det spesielle ved disse er de identiske kontaktgeometrierne til kontaktparene, Plug og Socket. Begge har derfor både en fjær og en kontaktkniv. Dermed får hver pin kontakt med to fjærer, mens Plug og Socket er flettet inn i hverandre og ikke kan løsne fra hverandre. Mens en dobbeltsidig «hunnkontakt» alltid sikrer minst ett kontaktpunkt under mekanisk belastning, garanterer de sammenflettede geometriene i kjønnsnøytrale kontaktsystemer at signaloverføringen alltid skjer via to kontaktpunkter. Denne høye redundansen muliggjør dermed maksimal kontaktsikkerhet (fig. 5).
Som tilkoblingsteknikk (tilkoblingsteknikk) for en holdbar forbindelse mellom kretskortet og kontakten (kontakt) anbefales overflatemonteringsteknologi (SMT). Ved hjelp av loddepasta (loddepasta) loddes kontaktene på definerte loddeflater på kretskortet, de såkalte loddepadene (loddepads). Først i en såkalt reflow-ovn (reflowovn) smeltes loddematerialet og herdes deretter. SMT gjør det mulig å oppnå stabile forbindelser mellom kontakten og kretskortet. For dette må imidlertid noen kriterier oppfylles: For det første må det riktige forholdet mellom loddebein, loddepad og loddepasta opprettholdes for å oppnå en loddepunkt som oppfyller standarden IPC-A-610. Bare på denne måten oppnås en forbindelse av høy kvalitet som muliggjør en tilkobling i henhold til IPC-klasse 3, og som dermed er egnet for bruk i høyytelseselektronikk. I denne klassen må feil i signaloverføringen utelukkes til enhver tid. En optimal loddeforbindelse kjennetegnes ved en jevn meniskdannelse. Kontakten må være omgitt av loddemenisk hele veien rundt for å oppnå best mulig holdekraft på kretskortet. (Fig. 9).
At kontaktføttene ligger i samme plan er en forutsetning for en utmerket forbindelse, og dette kontrolleres gjennom en 100 % automatisert inspeksjon underveis i prosessen.
Konklusjon
Aktuelle utviklingstrekk i bilindustrien stiller stadig nye krav til de innebygde kontakt. I første omgang ser det ut til at de innebygde stikkene trekker seg tilbake på grunn av det reduserte antallet styreenheter. Ved nærmere betraktning viser det seg imidlertid at deres rolle nettopp gjennom denne endringen mot sentral databehandling ved hjelp av HPC får økt betydning: Pålitelighet i signaloverføringen har aldri vært så viktig som i dag.