Электричество в автомобиле: прогресс идет по проводам

StreetScooter

Куда ведет тенденция

Согласно статистике, в течение последнего десятилетия масса бортовой сети увеличилась на 10 кг – по кило в год! Электрические связи постепенно вытесняли механические. Общая длина проводов росла, их пучки становились все толще, и в машине оставалось все меньше неэлектрифицированных уголков. У некоторых автомобилей суммарная масса электрики уже перевалила за полцентнера.

К 2025 году, если ничего не предпринимать, бортовая сеть потяжелеет еще на десяток кило. Ведь на электронику возлагают все больше функций, чтобы уровень комфорта и безопасности продолжал расти. Однако разработчики не сидят сложа руки, а изыскивают способы сделать электросхему более легкой, компактной, надежной и быстродействующей.

Цифровая диета

Здорово похудеть электропроводке помогают… шины. Конечно, не те, которые на колесных дисках, а электрические, передающие цифровые сигналы. Разница с обычной аналоговой связью в том, что у исполнительных механизмов появились собственные блоки управления. И к ним подходят уже не толстые жгуты, а лишь один или пара (в зависимости от скорости передачи данных) информационных проводов, не считая питания («минус» традиционно сидит на кузове).

Бортовая сеть автомобиля включает в себя десятки управляющих блоков и сотни метров проводов. Количество возложенных на электронику задач будет расти, а значит, надо думать, как упростить электросхемы.

Такая архитектура позволяет избавиться от сотен метров проводов. И масса меньше, и дорогая медь экономится. Легче стало работать компоновщикам: проложить пару тонких проводов проще, чем пучок толщиной с руку.

Не думайте, что электрические шины применяют исключительно на дорогих моделях. У бюджетной Калины цифровой сигнал идет не только к двигателю, ABS и подушкам безопасности, но и к модулю передних дверей, управляющему электростеклоподъемниками, обогревом и регулировкой зеркал. Всякий раз инженеры решают, что выгоднее проложить – обычную проводку или шину.

CAN и все, все, все

Одна из основных в схеме электрооборудования – шина CAN (Controller Area Network). Это последовательная шина: данные и команды передаются по одному каналу один за другим. CAN-шину образуют два провода, заплетенных в косичку, – это так называемая витая пара. Два провода – для страховки от потери данных при передаче, а завивают провода для дополнительной защиты сигнала от электромагнитных помех.

Бортовая сеть с центральным процессором позволяет уменьшить число электронных компонентов и сократить общую длину проводов. Разработчики проекта RACE наглядно продемонстрировали, насколько проще становится архитектура. На стенде слева – бортовая сеть современного автомобиля среднего класса, справа – аналог с системой RACE. Правда, у перспективного варианта убрали с глаз долой силовые и информационные провода – «исключительно для облегчения восприятия», утверждают разработчики.

В современном автомобиле обычно несколько CAN-шин. Архитектурой электропроводка напоминает скорее раскидистый кустарник, нежели дерево. Так надежнее: в экстремальной ситуации сломается не ствол, а лишь одна веточка и «растение» не погибнет. Как и в живой природе, в автомобиле эти электрические ветки разные. И отличаются они друг от друга не только длиной, но и скоростью передачи данных.

Какая шина быстрее – задействованная в системах безопасности или завязанная на комфорт? Безусловно, приоритет отдается спасению человека, а обеспечить ему блага цивилизации – задача не самая первоочередная. Поэтому данные, идущие по CAN-шине к двигателю, трансмиссии, подушкам безопасности и блоку ABS/ESP, придут быстрее, чем адресованные климатической установке или аудиосистеме. Для сравнения: по низкоскоростной магистрали сигналы движутся со скоростью 100 кбит/с, а по СAN-«автобану» – почти на порядок быстрее.

Когда не требуются «скорострельность» и сверхнадежность, используют более дешевую однопроводную шину LIN (Local Interconnect Network). Ее применяют обычно для создания локальных сетей. Если вновь обратиться к примерам из живой природы, то LIN – это маленькие веточки, отходящие от более толстых. Например, блок управления климат-контролем висит на «комфортной» CAN-шине, а LIN-шины идут к находящимся в его подчинении исполнительным механизмам – к вентилятору климатической установки, приводам заслонок, распределяющих воздушные потоки, и обогреву сидений.

Супермозг будущей бортовой сети – центральный процессор. Он вместе с операционной системой возьмет на себя функции десятков нынешних управляющих блоков.

С развитием интернет-доступа в автомобиле растет потребность в быстром обмене данными между мультимедийными приборами. Тут не хватает даже скорости, которую развивает CAN-шина. Поэтому медные провода уступили место оптоволокну: информацию приборам несут не электроны, а импульсы света. Они не только доставляют «посылки» в десятки раз быстрее (скорость передачи данных – до 25 Мбит/с), но и не боятся электромагнитных помех.

Шина MOST (Media Oriented Systems Transport) объединяет в автомобилях аудио- и видеоаппаратуру, телефон, устройства для связи с Интернетом. Тянуть оптоволокно к другим системам и агрегатам не спешат – дорого! Да и электронные проводники пока достойно справляются. Хотя не исключено, что в ходе постепенного превращения автомобиля в компьютер на колесах оптоволокно свяжет и другие приборы.

Компьютер на колесах

Шины передачи данных – это только первый шаг к компьютерной архитектуре электрооборудования. Следующим станет схема с центральным процессором, который обрабатывает стекающуюся к нему информацию и согласовывает работу всех систем. Сегодня в автомобиле среднего класса около 70 блоков управления с собственными алгоритмами и программным обеспечением, которые взаимодействуют друг с другом, но не имеют общего «руководителя». В перспективе его функции возьмет на себя операционная система, а потому необходимость в местных «управленцах» отпадет.

До лампочки: что кроется за прибавкой света +50%

Изучаем датчики ускорения: традиционная ориентация

Автомобильные лампы: светопредставление

Один из проектов бортовой автомобильной сети с центральным процессором представил концерн Siemens. Его разработчики вместе с производителем электрокаров StreetScooter (недавно поглощен немецкой почтовой службой DHL) оснастили серийный автомобиль системой RАСЕ. В вольном переводе эту аббревиатуру можно расшифровать так: «выносливая и надежная электрическая схема для перспективных электрокаров».

В машине с системой RACE один центральный процессор управляет всеми агрегатами, узлами, системами – от двигателя до звукового сигнала. Из соображений безопасности функции многократно продублированы, так что в надежности подобного электрооборудования можно не сомневаться.

Очевидно, что из-за сокращения числа блоков управления и кабелей бортовая сеть станет компактнее и легче. Это очень понравится автопроизводителям, которые ломают голову над тем, как бы и на чем выгадать заветные граммы. А для будущего владельца машины важно, что такая система работает стабильнее. По крайней мере, теоретически: чем меньше компонентов, тем меньше вероятность сбоев и глюков.

Кроме того, автомобиль, подобно компьютеру, получает доступ к технологии Plug and Play, позволяющей подключать новые устройства и менять параметры уже задействованных. Чтобы наделить какой-нибудь прибор в машине новой функцией, в большинстве случаев достаточно изменить программу и не трогать железо. Многие недочеты, допущенные разработчиками, удастся устранять без массовых отзывов и внеплановых визитов на сервис: загрузил обновление – и ошибка ушла. И даже снятые с производства модели смогут дольше оставаться востребованными на рынке благодаря постоянной подпитке новыми алгоритмами для работы инфотейнмента и других бортовых систем. Правда, о том, как обновлять софт, производители умалчивают. Не исключено, что автомобиль будет сам подкачивать некоторые обновления через Интернет, как это делают стационарные компьютеры и мобильные гаджеты. А доступ к параметрам, влияющим на безопасность, получат исключительно фирменные сервисные центры.

С каждым годом автомобиль обрастает новыми электронными приборами и системами. И они неизбежно тянут за собой электропроводку. А значит, в ближайшее время появится еще множество интересных разработок, которые определят дальнейший путь развития бортовой сети. Куда этот путь будет вести? Сложно сказать. Зато понятно как – по проводам.

Поднять до 48

Концептуальный Audi RS5 c гибридной бортовой сетью 12–48 В: (1) – 12‑вольтовый генератор; (2) – 12‑вольтовая сеть; (3) – 48‑вольтовый накопитель энергии; (4) – 12‑вольтовый аккумулятор; (5) – преобразователь напряжения; (6) – 48‑вольтовая сеть; (7) – электронаддув двигателя.

Не менее десяти лет ведущие производители электронных компонентов совместно с автоконцернами работают над различными схемами с повышенным напряжением. Были идеи перевести бортовую сеть на напряжение 36 В, а самые свежие разработки, очень близкие к серии, рассчитаны на 48 В.

Чем выше напряжение, тем меньше ток, а следовательно, можно проложить более тонкие провода – опять-таки экономия на цветных металлах и выигрыш в массе. Кстати, приборы, рассчитанные под большее напряжение, легче низковольтных аналогов. Так почему не поднимают планку еще выше? Исключительно по соображениям безопасности: возникает риск поражения электричеством.

Для начала сети станут смешанными: некоторые узлы будут питаться 12 вольтами, а «высоковольтными» сделают только приборы, потребляющие большую мощность, – электромоторы гибридных установок, электроусилители руля, элементы шасси с электронным управлением, компрессоры с электроприводами.

Алюминий против меди

Электропроводность алюминия хуже, чем у меди, а значит, при одинаковой нагрузке потребуется более толстый провод. Он вырастет в объеме в полтора раза, но все равно окажется на 40% легче медного.

Медь на протяжении долгого времени была единственным проводником электрических сигналов в автомобиле. Стопроцентной замены ей пока не нашли, но монополия заканчивается: одним из реальных конкурентов на место в бортовой сети является алюминий. Он легче и дешевле меди, но не лишен недостатков.

Алюминий – металл с низким пределом прочности, и провода из него часто ломаются после нескольких сгибаний. Поэтому основное применение этого материала – в жестко закрепленных кабелях. В основном это толстые силовые проводники: получается значительный выигрыш в массе. Однако прокладывать такой кабель сложнее: электропроводность алюминия ниже, чем у меди, а потому алюминиевый кабель приходится делать толще медного.

Чтобы обеспечить надежный контакт алюминиевого провода, разработчики придумывают разъемы хитроумных конструкций. Один из вариантов – разъем в стальном корпусе, с нажимной пружиной, исключающей разбалтывание контактов.

Кроме того, крылатый металл на воздухе быстро окисляется, что опаснее всего для соединений алюминия с другими проводниками. Возникающая на поверхности оксидная пленка имеет высокое сопротивление, в результате провод будет нагреваться, со временем деформируется – и контакт нарушится. Разработчики совершенствуют разъемы, чтобы устранить этот недостаток. А для оптимальной укладки кабеля используют компьютерное моделирование. В общем, возможностей для совершенствования предостаточно.

Фотогалерея