Электрификация и повышение автономности автомобилей

Электрификация и повышение автономности автомобилей

Выпуск 2(6726) от 28 января 2021 г.
РУБРИКА: АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В настоящее время движущей силой автомобильной промышленности являются четыре направления развития, совместно обозначаемые аббревиатурой CASE (Connected cars, Autonomous/Automated driving, Shared, Electric) – ​подключенные автомобили, автономное и автоматизированное вождение, каршеринг и электрические автомобили. Из этих четырех направлений два привлекают наибольшее число исследований и разработок (НИОКР).

Первое перспективное направление связано с электрификацией автопарков изготовителей комплектного оборудования (OEM). Действительно, ЕС поставил цели по сокращению выбросов CO2: 95 г/км в 2021 г. и 81 г/км в 2025-м, в связи с чем у изготовителей комплектного оборудования есть несколько альтернатив помимо электрификации транспортных средств. Второе – ​с автономным и автоматизированным вождением и с тем, как OEM интегрируют все более автоматизированные функции вождения для достижения долгосрочной цели полной автономии. Ожидается, что OEM достигнут этой цели, добавив множество датчиков и повысив вычислительную мощность, необходимую для обработки всех данных, генерируемых датчиками.


Факторы, влияющие на электрификацию автомобилей

По оценкам Yole Développement, рынок электро- и гибридных автомобилей (electric/hybrid electric vehicle, EV/HEV) быстро растет и к 2025 г. достигнет объема более чем в 30 млн новых автомобилей.

Развитие электрификации для решения социальных и экологических проблем представляет собой ответную реакцию на несколько крупных и устойчивых факторов развития (рис. 1).



Источник: Yole Développement

Рисунок 1. Факторы развития «чистого» автомобилестроения


Среди наиболее важных преимуществ – ​сокращение выбросов CO2 от легковых автомобилей и уменьшение загрязнения воздуха в густонаселенных районах. Электрификация также может быть прагматичной, поскольку ужесточающиеся правительственные нормы, направленные на сокращение выбросов CO2, вынуждают автопроизводителей значительно снижать средние уровни выбросов своих машин во избежание серьезных штрафов. Электрификация трансмиссии автомобиля позволяет значительно сократить выбросы CO2 и, таким образом, становится обязательной частью стратегии автопроизводителей.

В течение двух с лишним десятилетий «прокладывания пути» в области электрификации доминировала горстка производителей электро- и гибридных автомобилей. Но вот наконец мир вступил в фазу массового развертывания EV/HEV как традиционными производителями автомобилей, так и новыми OEM-производителями. На рынке с исторически высокими барьерами для входа электрификация дает возможность создавать множество стартапов, хотя большинство из них вряд ли получат широкое признание. Автопроизводители по всему миру выпускают широкий ассортимент электромобилей, предоставляя клиентам свободу выбора между разными конструкциями и типами электрификации транспортных средств. Запас хода увеличивается, цены становятся более доступными, а главное, широко развертывается инфраструктура зарядки электромобилей. Все эти факторы повышают мотивацию клиентов или уменьшают предшествующее нежелание покупать электромобиль или гибриды.


Типы электромобилей

Среди электрифицированных транспортных средств выделяются гибридные электромобили, содержащие как электрические двигатели, так и двигатели внутреннего сгорания, и полностью электрические транспортные средства только с электрической трансмиссией. Полностью электрические автомобили с нулевым выбросом CO2 считаются конечной целью электрификации парка пассажирских автомобилей. Однако такой переход от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) к полностью электрическим автомобилям не может быть осуществлен в одночасье из-за ограничений в области технологии, стоимости, сырья и производства. Отсутствие зарядной инфраструктуры также представляло собой серьезное препятствие.

Традиционные автопроизводители все шире внедряют электрифицированные автомобили, рискуя обрушить свои продажи автомобилей с ДВС. Им приходится нести бремя существующих производственных мощностей, сотрудников, дистрибьюторских и торговых сетей, связанных с ДВС, и в то же время развивать новую интеллектуальную собственность, разработки и мощности для производства электромобилей, часто в отрыве от традиционного производства ДВС.

Необходимо перестроить всю автомобильную цепочку поставок. Это займет некоторое время, поэтому сегодня наступил переходный период, когда клиентам предлагаются автомобили с разной степенью электрификации (рис. 2). Гибридные электромобили предлагают различные уровни сокращения выбросов CO2 по сравнению с автомобилями с ДВС, от небольшого значения для умеренно-гибридных электромобилей со вспомогательными электромоторами (mild hybrid electric vehicle, MHEV) до примерно 50% для гибридных автомобилей с подзарядкой от электросети (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV).



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Типы EV/HEV и их выбросы CO2


Переход к полноценным электромобилям

В последние два десятилетия в индустрии электромобилей и гибридных автомобилей доминировали полностью гибридные электромобили, главным образом благодаря коммерческому успеху Toyota Prius, представленной в 1997 г. Целевые показатели сокращения выбросов CO2, усовершенствование литий-ионных аккумуляторов и снижение их стоимости, а также многие другие факторы (рис. 3) говорят о том, что автомобильная промышленность следует тенденции «ускоренной электрификации» – ​более быстрого перехода к автомобилям с более продолжительным пробегом в электрическом режиме, таким как гибридные автомобили с подзарядкой от электросети и электромобили на аккумуляторных источниках питания.



Источник: Yole Développement

Рисунок 3. Динамика электрификации транспортных средств

* Дизельгейт (dieselgate) – скандал с занижением немецкими автопроизводителями значений выбросов дизельных машин, повлекший крупные штрафы и т. п.

** NEDC (new european driving cycle) – «Новый европейский цикл движения», стандарт для типовых испытаний. Длительность цикла 1220 с (4×195 с + 1×400 с). Длина цикла 11007 м. Средняя скорость 33,6 км/ч. Максимальная скорость 120 км/ч.

*** WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure) – «Всемирно согласованная процедура испытаний на соответствие транспортных средств определенным стандартам топливной эффективности и экологичности», единая для всех категорий автомобилей: бензиновых, дизельных, гибридных и электрических. Время цикла – 30 мин., измеряемое расстояние в цикле – 23,25 км, диапазон замера скоростей для города – 56,5 и 76,6 км/ч, для трассы – 97,4 и 131,3 км/ч.


Действительно, гибридные автомобили с подзарядкой от электросети и полноразмерные электромобили подразумевают значительное сокращение выбросов CO2, необходимое автопроизводителям для достижения целевых показателей по выбросам CO2 во избежание серьезных штрафов.

И гибридные автомобили с подзарядкой от электросети (PHEV), и электромобили на аккумуляторных источниках питания (BEV) – ​перезаряжаемые транспортные средства. Их можно заряжать от электросети, предпочтительно используя электроэнергию, вырабатываемую чистыми источниками, такую как фотоэлектрическая, ветровая и гидроэлектроэнергия. У PHEV запас хода в электрическом режиме составляет приблизительно от 50 до 80 км. Поскольку PHEV могут использоваться в полностью электрическом режиме, они также сокращают выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в городах, но этот вклад ограничен полным электрическим режимом, подходящим только для городских жителей, путешествующих на короткие расстояния.

Чтобы обеспечить больший запас хода в электрическом режиме, снизить выбросы CO2 и улучшить воздействие электромобильности на окружающую среду, необходимы инновации в аккумуляторах, силовых электронных устройствах и системах, а также в конструкции автомобилей.

Основные тенденции, связанные с технологией силовой электроники, включают внедрение полупроводниковых технологий на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в тяговых инверторах, бортовых зарядных устройствах и преобразователях постоянного тока в переменный, усовершенствованные технологии корпусирования и мехатронную интеграцию различных систем.

Ключевые цели увеличения дальности действия – ​повышение удельной мощности при уменьшении объема и веса. Другие разработки служат для повышения общей надежности и снижения производственных затрат. Рост популярности электрификации отчасти объясняется повышением осведомленности потребителей, однако значительную роль также играет ускорение темпов развития автомобильной промышленности.


Тенденции в области датчиков для электрификации и ADAS

Расширение использования датчиков в транспортных средствах – ​еще одна тенденция с ускоренным развитием. Под эгидой CASE действуют два основных направления для датчиков: электрификация и функциональные возможности ADAS (advanced driver assistance systems – ​перспективные системы помощи водителю), включая V2X. Увеличение числа датчиков – ​составная часть создания новой электрической и электронной архитектуры и развития систем ADAS. Как и контроль выбросов, улучшения в области безопасности продвигаются государственными органами и постановлениями – ​такими как Программа оценки новых автомобилей (NCAP), Национальная администрация безопасности дорожного движения (National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA) или европейские директивы.

При электрификации автомобиля будут использоваться дополнительные магнитные (токовые) датчики для мониторинга аккумуляторной батареи (системы управления аккумуляторной батареей). Продажи классических датчиков давления для использования в трансмиссии – ​абсолютного давления воздуха, барометрических, уровня трансмиссионного масла, бензиновых сажевых фильтров и т. д. – ​могут сократиться из-за все большего распространения электромобилей, снижающих зависимость от ДВС, но это дело долгосрочной перспективы. На данный момент популярны HEV с их комбинированной трансмиссией, что означает хорошие возможности для интеграции обоих типов датчиков, новых и классических, – ​оптических для отображения на лобовом стекле (HUD), магнитных для крутящего момента колес, инерционных для одометрии и навигации, давления для контроля трансмиссии, датчиков тока для электрической трансмиссии и т. д.

Еще один фактор, способствующий увеличению плотности датчиков во всех классах транспортных средств помимо электрификации – ​ADAS. Для большей автономности автомобиль должен развивать собственную «ситуационную осведомленность». Для этого необходимы соответствующие датчики, позволяющие имитировать то, как люди воспринимают окружающую среду.

Следует уточнить, что набор датчиков для ADAS на потребительских автомобильных рынках сильно отличается от полностью автономных комплектаций в бизнес-моделях «мобильность как услуга» (MaaS) таких компаний, как Waymo, Cruise и т. д. Их решения задействуют дорогие высокопроизводительные датчики промышленного уровня и передовые платформы обработки данных, на порядок превосходя потребительские автомобили по стоимости и потреблению энергии. Одна из задач таких транспортных средств – ​демонстрировать технологическое лидерство. Для ADAS ключевым моментом является обес-печение очень хорошей производительности по низкой цене.

В таблице перечислены некоторые из наиболее важных датчиков ADAS.


Таблица

Ключевые датчики ADAS

Прибор

Назначение и тенденции использования

Датчики изображения

Становятся наиболее важными датчиками в ADAS. В автомобильных камерах почти повсеместно используются КМОП-формирователи сигналов изображения. Растет частота использования автомобильных камер для помощи в выполнении различных функций

Камеры переднего обзора

Продолжается тенденция перехода от одной камеры большого радиуса действия к тройным камерам ADAS, каждая из которых обладает своей функциональностью

Камеры кругового обзора

Наблюдается тенденция перехода от камер заднего обзора, предназначенных только для заднего хода и помощи при парковке, к камерам, дающим обзор до 360° вокруг автомобиля, – ​для лучшей ситуационной осведомленности (движение задним ходом, парковка в ограниченном пространстве, повороты и другие маневры)

Мониторинг водителя в салоне

Согласно маршрутной карте Euro NCAP 2025, мониторинг водителя (дата начала 2020 г.) предлагается для сокращения ситуаций, когда внимание водителя снижено, а его состояние ухудшено из-за алкоголя, усталости или других негативных факторов, а также для наблюдения за пассажирами и обнаружения забытых в салоне детей или животных, что позволяет избежать теплового удара и т. п. инцидентов. При этом за доминирование в области внутрисалонного мониторинга борются другие технологии, такие как тепловые датчики, ToF-датчики и радары

УЗ-датчики

В основном используются для обнаружения препятствий или пешеходов на близком расстоянии. Их основная функция – ​помощь при парковке и предотвращение столкновений. Они потенциально могут использоваться для распознавания жестов в информационно-развлекательных приложениях в салоне, хотя существует конкуренция с другими технологиями, включая ToF-камеры

Радары

Остаются лучшей доступной технологией обнаружения для измерения относительного расстояния и скорости. В значительной степени их распространение было обусловлено обязательным внедрением автоматического экстренного торможения (AEB) в течение последних лет. В новых моделях постоянно улучшается угловое разрешение, разные игроки работают над решениями 3D-радаров (Bosch и Continental уже выпустили свои продукты) или радаров с 4D-изображениями и монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC)

Лидары

Способность лидаров работать в темноте и четко контролировать окружающую среду делает эти приборы необходимыми для более совершенного восприятия окружающей обстановки. Эффективное объединение данных с камер ADAS и лидаров важно для определения глубины объектов, а также распознавания объектов на малых и больших расстояниях. Тем не менее лидары по-прежнему достаточно сложны для интеграции

Тепловизионные камеры и датчики дальнего ИК-диапазона (8–14 мкм)

Эти камеры и датчики могут дополнять данные КМОП-формирователей сигналов изображения, обнаруживая исходящее от живых существ и других объектов тепло, что улучшает функции безопасности автомобиля

Приемники глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS)

Используют возможность подключения для улучшения ADAS путем определения местоположения транспортного средства на цифровой карте. Это очень важно для ситуационной осведомленности ADAS. Однако в некоторых случаях (городские каньоны, туннели, места под деревьями и т. д.) сигнал GNSS может быть потерян, поэтому эти датчики все чаще комбинируют с другими системами позиционирования

Датчики одометра

Расположены на колесе, фиксируют расстояние от последнего известного положения

Блоки инерциальных измерений (IMU)

Обнаруживают инерционные изменения для вычисления местоположения в сравнении с последним известным местоположением


Помимо сферы ADAS серьезные изменения происходят в таких областях, как подключаемость автомобилей к сетям и электрическая и электронная архитектура машин. В плане подключаемости нормативные акты разных стран продвигают базовую связь типа V2I и V2V на основе 5,9-ГГц полосы частот, подобную связи по Wi-Fi, но с использованием специальных сетевых функций. Эта связь должна быть реализована в большинстве стран к 2023 г. Переломным моментом для продвижения V2X станет распространение сетей и средств связи 5G.

Продолжение следует…


Boulay Pierrick, Damianos Dimitrios, Rosina Milan, Hackenberg Tom. Electrification & Autonomy: Two Drivers of Auto Industry. EE Times magazine, December 21, 2020: https://www.eetimes.com/electrification-autonomy-two-drivers-of-auto-industry/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.
Выпуск 17(6741) от 02 сентября 2021 г. г.