Kolik konektorů budou potřebovat vozidla budoucnosti?  – Nové architektury palubní sítě a prostorově úsporná řešení propojení

Automobilový průmysl prochází jedním z největších převratů ve své historii. To platí nejen pro elektromobilitu, ale také pro elektrické/elektronické architektury (E/E). Pokud se podíváte na trend SDV (softwarově definované vozidlo – vozidlo, u něhož je prioritním faktorem software, který ovlivňuje jeho vlastnosti a funkce; jedná se v podstatě o elektronické zařízení na kolech, které klade důraz na softwarové systémy), uvidíte obrovský rozdíl oproti dnešním vozidlům s až stovkou řídicích jednotek, u nichž je například aktualizace softwaru „over the air“ prakticky nemožná. Centralizovanou počítačovou strukturu s propojením všech senzorů a aktorů si za těchto podmínek nelze představit.

Pro realizaci autonomního vozidla je zapotřebí obrovské množství kabelů o značné délce, které musí být položeny v celém vozidle. Na cestě k SDV tedy musí být několik mezikroků, které se do vozidel dostanou prostřednictvím řadičů domén ve spojení s řadiči zón. Podporou pro tento proces je stále častější zavádění technologie ethernet, jejíž další vývoj směrem k multigigabitovému přenosu je specifikován ve výborech IEEE802.3ch, IEEE802.3cy a IEEE802.3cz. Díky této technologii bude možné v budoucích architekturách snížit počet konektorových připojení pro autonomní vozidla na nezbytné minimum. I přes tyto kroky bude propojení senzorů a aktorů s výkonnými řadiči zón náročné. Důvodem je skutečnost, že na řídicích jednotkách ve vozidle je zapotřebí více než 100 rychlých konektorů. Kromě toho je pro pracovníka na montážní lince výrobce OEM nesmírně složité vždy připojit správný slot na řídicí jednotce k definovanému kabelu. Dalším problémem je, jak nalézt potřebný prostor pro tak vysoký počet slotů na řídicích jednotkách. Důvodem je omezený instalační prostor pro připojení kabelů. Proto jsou zapotřebí nová řešení, která sníží počet konektorových připojení a zároveň umožní maximální flexibilitu, aby bylo možné vše realizovat v rámci taktovacího času montáže vozidel výrobců OEM, a tedy ekonomicky smysluplným způsobem. Cílem je proto vyvinout flexibilní integrovaná konektorová připojení, která optimálně využívají dostupný instalační prostor a výrazně snižují počet párování.

Komplexní palubní sítě: Příliš mnoho řídicích jednotek, příliš mnoho připojení

Pokud se podíváte na dnešní vozidla, je na řídicích jednotkách nainstalováno 10 až 25 vysokorychlostních konektorů. Ty jsou rozmístěny po celém vozidle a propojeny se senzory a aktory pomocí předem namontovaných kabelů. Kromě toho existuje nespočet spojení se senzory a aktory s nízkou rychlostí přenosu dat, které dodávají řídicím jednotkám potřebné signály. Vzhledem k rostoucímu počtu funkcí, které vyžadují vysokorychlostní připojení, jako je infotainment, ADAS a funkce autonomního řízení, počet řídicích jednotek ve vozidle prudce roste. To vede k výrazně vyšším nárokům na datové kabely a výrazně ztěžuje kompatibilitu softwarových rozhraní. Navíc se trh s komponenty v posledních letech vyvinul do té míry, že jsou k dispozici různé systémy konektorů pro datové spoje s vysokou přenosovou rychlostí, které nejsou vzájemně kompatibilní. To vede k silné diverzifikaci technických řešení.

Vývoj architektury palubní sítě ve vozidle

Abychom pochopili, jak toto velké množství aplikací vzniká, musíme se nejprve podívat na architektury, které se dnes používají nebo budou používat ve vozidlech budoucnosti pro připojení a ovládání velkého počtu senzorů a aktorů.

1) Distribuovaná architektura

Tato architektura se časem rozrostla a pro každý senzor a aktor se obvykle přidává jedna samostatná malá řídicí jednotka. S nárůstem počtu senzorů a aktorů na více než 100 se zvýšil i počet konektorových připojení a kabelů na řídicích jednotkách a hlavní jednotce. Vzhledem k omezenému prostoru, který je k dispozici pro rostoucí počet konektorových připojení a kabelů na řídicích jednotkách, došlo k přehodnocení ve prospěch flexibilnějších a škálovatelnějších architektur.

2) Doménová architektura

Tato architektura umožňuje shrnout všechny senzory a aktory ve skupině aplikací. Funkce původně mnoha jednotlivých řídicích jednotek jsou mapovány softwarem v řadiči domény. Jednotlivé skupiny aplikací jsou zobrazeny vždy pomocí řadiče domény. Na řídicích jednotkách jsou sloty pro příslušné aplikace (senzory a aktory) a po jednom připojení k hlavní řídicí jednotce. Aplikace, jako je ADAS, lze do tohoto systému integrovat jako samostatnou funkční jednotku. Aby byl k dispozici dostatečný prostor pro velký počet aplikací, došlo k miniaturizaci konektorů. Zvyšuje se také požadovaná rychlost přenosu dat mezi řídicími jednotkami.

3) Zónová architektura

V této architektuře jsou ve vozidle 1–2 HPC (High Performance PC), které fungují jako centrální mozek pro řízení stále autonomnějších funkcí. K tomu se používají takzvané „řadiče zón“, které provádějí zpracování dat (agregaci) a odesílají je do HPC, který ovládá aktory. S rostoucí mírou automatizace, respektive autonomie řídicích funkcí je tento HPC vybaven potřebnou redundancí, která zajišťuje potřebnou spolehlivost rozhodování. Aby bylo možné vyhovět různým architekturám výrobců OEM, je zapotřebí modulární a flexibilní přístup ke konektorům.

Automobilový Ethernet – snížení komplexity

Studie různých výrobců čipů a řídicích jednotek ukazují, že počet senzorů v příštích několika letech dramaticky vzroste. Různé analýzy a studie ukázaly, že na řídicích jednotkách jednoho vozidla je zapotřebí 25 až 80 vysokorychlostních konektorů. To se značně liší v závislosti na architektuře a počtu senzorů ve vozidle. Pokud se podíváme na samotné senzory, v autonomních vozidlech je nainstalováno až 30 kamer, 20 radarových senzorů a 10 lidarových senzorů. Existují také různá rozhraní pro infotainment a Car-to-X, která budou v budoucnu hrát důležitou roli při propojování s ostatními vozidly a infrastrukturou. Úkolem je analyzovat shromážděná data v reálném čase a odesílat je do velmi výkonných HPC, aby bylo možné přijímat rozhodnutí pro danou situaci při řízení. Ty pak předávají příkazy aktorům, které řídí vozidlo, a zajišťují bezpečnou autonomní jízdu. K tomu je nutné zajistit širokou škálu vysoce výkonných konektorů a kabelových technologií a jejich integraci do řídicích jednotek. Vzhledem k tomu, že různí výrobci OEM zavedli různá rozhraní, je pro splnění různých požadavků zákazníků zapotřebí vysoká míra flexibility. Na druhé straně se výrobci automobilů snaží automatizovat instalaci kabelového svazku ve vozidle a snížit počet kabelů. Pro výrobce kabelové konfekce to představuje velkou výzvu, protože musí vysokorychlostní kabely automatizovaně zapojit do kabelového svazku. Tato integrace není možná v jednom kroku, a proto je snaha standardizovat základní architekturu s automobilovým Ethernetem prostřednictvím stíněného dvouvodičového systému. Ethernet lze použít k využití takzvaných „řadičů zón“, které jsou vybaveny specifickou „inteligencí“ a umožňují zjednodušit a zkrátit délku kabelového svazku. Současně je nutná modularizace konektorových připojení na řídicích jednotkách, aby bylo možné řídicí jednotky flexibilně přizpůsobit zákazníkovi.

Souhrnný konektor k flexibilnímu přizpůsobení architektuře palubní sítě

Pro vyřešení tohoto dilematu se v současné době zkoumá možnost integrace vysokorychlostních konektorů do vícepinového záhlaví. Jedná se o souhrnné konektory, do kterých jsou jednotlivé kontakty zalisovány speciálním „všívacím procesem“. Cílem plánovaného řešení je vložit a upevnit vysokorychlostní konektory do těchto záhlaví (konektory pro desky plošných spojů) pomocí podobného postupu. V závislosti na požadavcích zákazníka se uplatňují dva přístupy.

První možnost umožňuje integrovat stávající konektorová rozhraní (např. H-MTD, MATE-AX, HFM atd.) do záhlaví řídicí jednotky tak, že je lze umístit a použít v řídicí jednotce v jediném kroku. Výhodou je zjednodušený výrobní proces pro dodavatele Tier1.

Druhá možnost představuje zcela nový přístup. Skládá se z modulárního systému, který lze vybavit různými rozhraními podle požadavků zákazníka. Základním požadavkem je standardizovaný rozměr rastru pro tzv. moduly, které lze osadit napájecími a signálními kontakty i vysokorychlostními konektory. Tento systém funguje nezávisle na původním rozhraní s moduly. To dává výrobcům Tier1 a OEM vysokou míru flexibility při přizpůsobování řídicích jednotek požadavkům architektury.