Evoluzione o rivoluzione: gli elementi che costituiscono l’elettronica per la carrozzeria

Nelle ultime generazioni di automobili sono stati fatti progressi significativi nei sistemi di trazione dei veicoli e in altri sistemi che forniscono informazioni sulla strada, sui veicoli circostanti e che forniscono intrattenimento a conducenti e passeggeri.

Un’altra tendenza significativa che si sta espandendo rapidamente sono i sistemi progettati per aumentare la comodità degli occupanti del veicolo. Noti nel loro insieme come elettronica per la carrozzeria o body electronics, questi sistemi di comfort e di utilità consentono agli occupanti del veicolo di sentirsi comodi sul veicolo offrendo nel contempo la possibilità di regolare comodamente le varie impostazioni.

Nell’immagine di apertura, un veicolo equipaggiato con moduli di controllo relativi all’elettronica della carrozzeria.

L’elettronica per la carrozzeria comprende una vasta gamma di sistemi, alcuni dei quali disponibili in quasi tutti i modelli di auto, mentre altri sono disponibili solo in auto di fascia premium; altri sistemi, ancora, sono attualmente in fase di sviluppo. Si noti che i sistemi dell’elettronica per la carrozzeria comprendono non solo i sistemi all’interno dell’auto, ma anche i sistemi di accesso che consentono agli occupanti di salire in macchina e scenderne più facilmente e in sicurezza. L’immagine d’apertura mostra la posizione concettuale di vari moduli di controllo relativi all’elettronica per la carrozzeria all’interno di un’automobile.

Tutti noi diamo per scontate alcune delle comodità disponibili nelle moderne automobili. Prendiamo ad esempio i sistemi di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione (HVAC), ora presenti in quasi tutti i veicoli. Un altro esempio sono  gli alzacristalli elettrici; solo un decennio fa, molte autovetture erano dotate di una manovella sotto il finestrino che gli occupanti dovevano azionare per alzare o abbassare il finestrino. Nei veicoli di oggi, i finestrini possono essere alzati e abbassati senza sforzo con un interruttore.

Figura 2. Comandi del sedile elettrico, tettuccio apribile e sedili elettrici.

Inoltre, alcuni sistemi per finestrini integrano un funzione che rileva gli ostacoli quando il finestrino si sta chiudendo e lo apre automaticamente per evitare che le dita rimangano incastrate, così come chiudono i finestrini quando viene chiusa l’automobile.

Molti veicoli ora sono dotati di sedili elettrici; invece di spostare manualmente il sedile con delle leve, gli occupanti utilizzano degli interruttori per regolare l’altezza del sedile, la distanza dai pedali, l’inclinazione del sedile e la posizione del poggiatesta, come mostrato in Figura 2. I veicoli di fascia premium includono inoltre funzioni come il supporto lombare e la regolazione della lunghezza e della larghezza del sedile. Inoltre, questi veicoli dispongono anche di un controllo dinamico del sedile, una caratteristica che impedisce ai passeggeri di scivolare sui sedili anteriori mentre l’auto è in curva. Tutte queste regolazioni di posizione si ottengono utilizzando motori a corrente continua (CC) montati all’interno dei sedili. La tecnologia a semiconduttori montata nei moduli di controllo dei sedili controlla questi motori a corrente continua. Inoltre i sedili elettrici con memoria includono sensori che consentono al sedile di spostarsi in una posizione specifica con il semplice tocco di un pulsante.

Anche gli specchietti retrovisori interni auto-oscuranti e gli specchietti laterali rientrano nella categoria dell’elettronica per la carrozzeria. La tecnologia auto-oscurante è progettata per ridurre la luminosità della luce riflessa proveniente dai fari dietro il veicolo durante la guida notturna, evitando quindi di abbagliare il conducente. Mentre i conducenti possono regolare manualmente i retrovisori per evitare l’abbagliamento, gli specchietti auto-oscuranti si basano su sensori ottici e su uno speciale gel elettrocromico al loro interno.

Dai sistemi di accesso remoto senza chiave (RKE, remote keyless entry) ai sistemi di accesso e avviamento passivo (PEPS, passive entry passive start), i sistemi di accesso alle auto hanno reso l’accesso ai veicoli semplice, comodo e sicuro. Questi sistemi usano segnali a radiofrequenza (RF) per consentire il blocco e lo sblocco di porte e l’avviamento del motore con la semplice pressione di un pulsante. Alcuni sistemi consentono ai conducenti di avviare il motore dall’esterno del veicolo, in modo che l’interno sia già riscaldato o rinfrescato prima di salire sul veicolo.

Tendenze dell’elettronica per la carrozzeria

Sebbene siano già disponibili molte caratteristiche per il comfort e la praticità, i nuovi sviluppi negli ecosistemi automobilistici consentono agli occupanti di sentirsi più a proprio agio e di ottimizzare le regolazioni senza sforzo. Queste tendenze verranno analizzate nelle prossime sezioni.

Motorizzazione continua

I motori per l’azionamento sono già onnipresenti all’interno di un’auto e questa tendenza continuerà ad aumentare. Ad esempio, si prevede una crescita dei sistemi di apertura o sollevamento automatico del bagagliaio o del portellone ad un tasso annuo del 12 percento, secondo Strategy Analytics. Questi sistemi non solo consentono la chiusura motorizzata del bagagliaio o del portellone di un veicolo, ma anche il bloccaggio e la chiusura della serratura del cofano del bagagliaio in automatico. Inoltre, questi sistemi includono anche il rilevamento degli ostacoli che impedisce la chiusura del cofano del bagagliaio su un oggetto, ad esempio una mano.

Un’altra caratteristica interessante consente alle porte e ai cofani dei bagagliai di chiudersi più dolcemente. Quando si tira la porta o il cofano del bagagliaio fin quasi a chiuderli, i motori completano l’operazione. I motori controllati da semiconduttori rendono possibile questa operazione di precisione.

Infine, mentre l’altezza e l’inclinazione del volante sono oggi regolabili manualmente su molte auto, molti veicoli di fascia media ed economica sono dotati ora di regolazioni motorizzate. Analogamente, si sta diffondendo la motorizzazione della regolazione o del ripiegamento degli specchietti retrovisori esterni per evitare ammaccature nei parcheggi trafficati.

HMI avanzata

Nei veicoli moderni, gli occupanti interagiscono con vari interruttori, pulsanti e manopole. Anche questi sistemi di interfaccia uomo-macchina (HMI) stanno subendo alcuni cambiamenti interessanti, non solo con i sistemi per infotainment e i sistemi cluster, ma anche con i vari sistemi elettronici per la carrozzeria.

All’aumentare del numero di opzioni di comfort implementate su un veicolo, aumenta anche il numero di interruttori, pulsanti e manopole. Che si tratti di un interruttore per chiudere il bagagliaio, di pulsanti per regolare il flusso d’aria dei sistemi HVAC o di una manopola per controllare la velocità dei tergicristalli, queste interfacce sono tutte necessarie per consentire agli occupanti di apportare rapidamente modifiche all’ambiente in cui si trovano.

Vari interruttori, pulsanti e manopole dell’HMI di un’auto dispongono di diodi luminosi (LED) per la retroilluminazione che consentono agli occupanti di vedere i comandi anche quando non c’è abbastanza luce all’interno dell’abitacolo. I sensori di luce ambientale regolano automaticamente l’intensità dei LED della retroilluminazione in modo che gli occupanti, e in particolare il conducente, non siano accecati dai sistemi HMI interni illuminati in condizioni di scarsa illuminazione.

Il riconoscimento dei gesti implementato sulle auto consente a conducenti e passeggeri di aprire e chiudere i tettucci apribili o regolare il volume della radio con un semplice gesto della mano. Questi sistemi, che si basano sulla tecnologia ottica o radar per rilevare il movimento, interpretano l’intento e quindi azionano un servomotore  con amplificatore operazionale (op-amp) per eseguire l’azione desiderata. Questi sistemi rendono più semplice l’interazione con i sistemi del veicolo.

Accesso all’auto

I sistemi di accesso passivi consentono ai conducenti di accedere a un veicolo senza utilizzare direttamente il portachiavi. Quando qualcuno tenta di sbloccare il veicolo premendo un pulsante sulla maniglia, l’elettronica per la carrozzeria all’interno dell’auto rileva il tocco e comunica con il portachiavi (che deve essere nelle vicinanze), verificando il portachiavi e sblocca la serratura della porta. Lo stesso concetto può essere utilizzato per chiudere le serrature del veicolo.

Anche l’implementazione di sistemi di accesso passivi basati su un movimento del piede, come illustrato in Figura 3 è in rapida espansione. Questi sistemi aprono il bagagliaio quando un utente porta il piede sotto il paraurti. I sistemi di apertura con il movimento del piede si basano su sensori capacitivi, sebbene le case automobilistiche stiano ora valutando tecnologie alternative come ultrasuoni e radar per aumentare la sensibilità del sistema.

Figura 3. Movimento del piede per l’accesso all’auto.

Un’altra tendenza che sta prendendo piede è l’uso degli smartphone per bloccare e sbloccare le portiere delle auto e persino interagire con i parametri regolabili all’interno del veicolo. Nei sistemi RKE o PEPS tradizionali, il sistema di accesso all’auto invia segnali RF a bassa frequenza al portachiavi, che quindi invia segnali a radio  frequenza (UHF). Data la loro onnipresenza, gli smartphone possono sostituire il tradizionale portachiavi, ma, in questo caso,  usare la tecnologia Bluetooth per comunicare con il sistema di accesso all’auto. La popolarità dei telecomandi basati su Bluetooth Low Energy (BLE) aumenterà perché un portachiavi deve avere un basso consumo energetico. Superare le sfide tecniche nella tecnologia di accesso all’auto basata su BLE spianerà la strada verso i portachiavi BLE e verso gli smartphone con funzione Bluetooth che sostituiscono i portachiavi basati su frequenze UHF.

Gli smartphone possono fungere anche da alternativa ai sistemi HMI dei veicoli, controllando parametri interni come la temperatura all’interno dell’abitacolo, la posizione dei sedili o del volante.

Oscuramento automatico

Il numero di veicoli dotati di specchietti auto-oscuranti basati sulla tecnologia a specchio elettrocromico sta aumentando. Un’altra tecnologia complementare è l’oscuramento automatico dei vetri; le case automobilistiche installano questa tecnologia in finestrini laterali, lunotti posteriori e tettucci apribili. Questi sistemi di oscuramento si basano su vetri ed elettronica speciali per controllare l’oscuramento e consentono di avere condizioni di luce ottimali all’interno dell’abitacolo e una visibilità adeguata. Inoltre, questi sistemi si basano su sensori ottici per rilevare le condizioni di luce e regolare automaticamente i livelli di oscuramento dei vetri.

Maggiore elettrificazione

La crescente prevalenza di veicoli elettrici (EV), tra cui i veicoli elettrici ibridi (HEV), concettualmente illustrati in Figura 4, porta ad un corrispondente aumento dell’architettura elettrica dei sistemi di elettronica per la carrozzeria.

 

Figura 4. Crescita della prevalenza dei veicoli elettrici e dell’auto connessa.

Ad esempio, nei tradizionali veicoli con motore a combustione interna, il motore aziona il compressore HVAC e il calore del motore in eccesso viene utilizzato per riscaldare la cabina. Con l’uso di motori elettrici per la trazione dei veicoli, una batteria ad alta tensione del veicolo aziona sia il compressore HVAC che il riscaldatore della cabina. Ciò implica anche un futuro cambiamento dell’elettronica necessaria per controllare il compressore e il riscaldatore.

La disponibilità di energia ad alta tensione in un veicolo incide sul tipo di motori e su altre tecnologie di attuazione e su come gli ingegneri progettano i sistemi elettronici per la carrozzeria. Che le architetture siano centralizzate o decentralizzate, per motivi di efficienza e costi, gli ingegneri sceglieranno implementazioni in cui la batteria ad alta tensione aziona direttamente l’elettronica per la carrozzeria al fine di migliorare l’efficienza.

L’evoluzione è fondamentale per i sistemi dell’elettronica per la carrozzeria

Le caratteristiche di comfort e praticità in un’auto continueranno ad evolversi nel tempo. Aggiunte o modifiche incrementali ai moduli di controllo dell’elettronica per la carrozzeria non solo hanno il vantaggio di ridurre i costi di sviluppo complessivi, ma anche di minimizzare l’impatto su scheda esistente.

L’aggiunta di tecnologie a semiconduttori sul circuito stampato può aiutare a realizzare nuove funzionalità nei sistemi di elettronica per la carrozzeria. Ad esempio, l’aggiunta della tecnologia anti-incastro ai moduli di controllo del tettuccio apribile richiede l’aggiunta di monitor di corrente che utilizzano amplificatori operazionali o amplificatori della strumentazione. Questi amplificatori implementano circuiti per rilevare il movimento del motore conteggiando l’ondulazione del motore CC oppure rilevano lo stallo del motore utilizzando misurazioni di corrente che indicano ostacoli nel percorso di un tettuccio apribile in movimento. Tuttavia, l’aggiunta di amplificatori operazionali a un modulo di controllo del tettuccio apribile che include già la gestione dell’alimentazione, le interfacce di comunicazione e i dispositivi di controllo del motore è solo un cambiamento incrementale.

Un altro esempio di cambiamento incrementale è il controllo degli specchietti laterali. Lo specchietto potrebbe essere già dotato di una centralina che consente la regolazione in orizzontale e verticale. L’aggiunta di una funzione di ripiegamento motorizzato dello specchietto potrebbe comportare l’aggiunta di un driver motore supplementare, mentre il resto del circuito rimane inalterato nella centralina dello specchietto.

La maggior parte delle centraline nell’elettronica per la carrozzeria utilizzano regolatori a basso dropout (LDO) per convertire una tensione da batteria automobilistica ai livelli di tensione richiesti dai dispositivi a semiconduttore nel modulo di controllo. Tuttavia, l’aggiunta di sempre più caratteristiche di comfort e praticità e la migrazione verso la trazione elettrica non faranno altro che aumentare la necessità di una gestione energetica più efficiente. Per rendere i progetti più efficienti dal punto di vista energetico, i progettisti dovrebbero prendere in considerazione una soluzione di alimentazione elettrica switching. L’aumento dell’efficienza consente ai veicoli elettrici di percorrere distanze maggiori o, nei veicoli a combustione interna, di migliorare l’efficienza nei consumi di carburante.

Un simile spreco di energia si verifica con diodi di protezione da tensione inversa. Quasi tutte le centraline di un’auto utilizzano questi diodi per evitare danni all’elettronica quando i terminali della batteria dell’auto vengono invertiti accidentalmente. Un approccio per ridurre lo spreco di energia nel diodo è quello di sostituirlo con una soluzione a diodo «intelligente», tra cui un transistor MOSFET e un driver MOSFET. Il passaggio da un diodo a un diodo intelligente è, nuovamente, incrementale e non comporta la modifica del resto del circuito e dei componenti nella centralina.

Importanza dei circuiti integrati per uso generale degli elementi che costituiscono i sistemi di elettronica per la carrozzeria

Questi esempi mostrano come nuove funzionalità vengano aggiunte ai sistemi di elettronica per la carrozzeria: i circuiti sulle centraline esistenti dovranno solo cambiare in modo incrementale. Al fine di apportare questi cambiamenti evolutivi, i tecnici utilizzeranno circuiti integrati generici come alimentatori switching, amplificatori operazionali, transceiver di comunicazione, multiplexer analogici e dispositivi logici, come mostrato in Figura 5. Queste categorie di semiconduttori svolgono un ruolo chiave nel consentire agli ingegneri di sviluppare sistemi di elettronica per la carrozzeria economicamente convenienti. Inoltre, questi dispositivi consentono agli ingegneri di mettere in produzione i loro sistemi più velocemente.

In altri termini, anziché attendere nuovi dispositivi semiconduttori specifici per l’applicazione che supportino nuove funzionalità, è possibile implementare modifiche incrementali ai circuiti con dispositivi composti da elementi costitutivi.

Figura 5. Schema di riferimento dell’apparecchiatura finale del modulo di controllo per la carrozzeria (BCM, Body control module).

Texas Instruments fornisce gli elementi costitutivi dei sistemi di elettronica per la carrozzeria per ottimizzare il comfort e la praticità dei passeggeri.

Texas Instruments dispone di un ampia gamma di circuiti integrati per la gestione dell’alimentazione e della catena del segnale, qualificati per il settore automobilistico, tra cui:

• Amplificatori operazionali ad alta velocità, basso offset o alta tensione.
• Convertitori CC/CC boost e buck con caratteristiche come spettro diffuso che consentono progettazioni favorevoli in termini di EMI.
• Riferimenti di tensione che consentono una precisa conversione analogico-digitale.
• Multiplexer analogici che consentono di collegare un numero maggiore di ingressi switch a un microcontroller (MCU).

È possibile scegliere tra queste soluzioni per progettare in modo ottimale le centraline elettroniche (ECU) allo scopo di aggiungere nuove funzionalità; ad esempio, una nuova architettura per un sistema come un compressore HVAC ad alta tensione.

Texas Instruments sviluppa inoltre progetti di riferimento per dimostrare come utilizzare circuiti integrati per scopi generali di implementazione di funzionalità incrementali e di sviluppo dei sistemi elettronici per la carrozzeria. Ad esempio, il Progetto di riferimento per contatore di ondulazione di motori a spazzole per uso automobilistico per la misurazione della posizione senza sensori illustra l’uso della funzione di conteggio dell’ondulazione per implementare la funzione anti-incastro; è un ottimo punto di partenza per comprendere i compromessi in termini di progettazione e spazio su scheda necessari per l’implementazione di tale soluzione.

Allo stesso modo, il Progetto di riferimento per pre-buck, post-boost automobilistico con SBC e CAN e il Progetto di riferimento per pre-boost, post-buck SBC discreto automobilistico con riferimento CAN presentano soluzioni ottimali per chip di sistema che possono essere sviluppate con circuiti integrati generici se non esiste un’opzione in un singolo chip o se i dispositivi a chip singolo esistenti sono più costosi di quelli che implementano la soluzione con circuiti integrati discreti.

Conclusione

I sistemi di elettronica per la carrozzeria sono alla base del crescente numero di funzionalità di comfort e praticità di un veicolo. Questi sistemi, che possono essere implementazioni centralizzate o decentralizzate, includono sistemi HVAC, sistemi per l’accesso all’auto, sedili elettrici, bagagliai elettrici e specchietti auto-oscuranti. Mentre alcune funzionalità sono disponibili solo su veicoli di fascia premium, esse si stanno diffondendo lentamente anche su veicoli di fascia media ed economica. Inoltre è in corso l’aggiunta di ulteriori funzionalità per rendere l’ambiente in auto più confortevole per gli occupanti.

Poiché l’aggiunta di nuove funzionalità è spesso incrementale ed evolutiva, è possibile scegliere di ridisegnare l’intera centralina per aggiungere una nuova funzione o di aggiungere circuiti supplementari a una scheda esistente. Apportare modifiche incrementali su una scheda già esistente potrebbe essere vantaggioso sia dal punto di vista del costo di sviluppo sia dal punto di vista del time-to-market. È possibile utilizzare l’ampia gamma TI di circuiti integrati per scopi generali per realizzare circuiti aggiuntivi o utilizzare progetti di riferimento TI come punto di partenza per apportare modifiche incrementali ai sistemi di elettronica per la carrozzeria.

Per ulteriori informazioni, vedere Body Electronics e Lighting Systems Solutions  sul sito TI.com

 

A cura di Arun T. Vemuri, General Manager, Automotive, Body Electronics and Lighting, Texas Instruments