Che cos'è l'elettronica automobilistica?

L'elettronica automobilistica è il sistema che elabora e gestisce i segnali elettrici e la potenza, per monitorare, controllare ed eseguire le funzioni del veicolo. Le auto moderne utilizzano una complessa rete di sistemi elettronici interconnessi al fine di migliorare sicurezza, efficienza, prestazioni, comfort ed esperienza utente. Oggi, un'auto per passeggeri può contenere fino a 100 moduli elettronici, che diventano oltre 200 nei veicoli elettrici o ibridi. Con lo sviluppo della tecnologia nei veicoli elettrici (EV), la guida autonoma e la connettività avanzata, il numero di dispositivi elettronici nelle automobili continuerà a crescere. Sfide entusiasmanti si presenteranno dunque agli ingegneri che progettano e costruiscono le auto del futuro.

L'utilizzo dell'elettricità nei veicoli risale agli albori dell'automobile, quando furono creati i fari elettrici, seguiti poi dai motori elettrici per l'avviamento e per azionare i tergicristalli. Lo sviluppo di semiconduttori discreti come transistor e diodi ha permesso ai costruttori di integrare alternatori e semplici sistemi di iniezione elettronica del carburante per un'efficienza migliore.

Con l'arrivo dei circuiti integrati, negli anni '80, sono state introdotte le unità di controllo elettronico (ECU) multichip per ottimizzare la gestione del motore, i sistemi antibloccaggio (ABS) e i moduli di controllo elettronico della stabilità (ESC). Nel XXI secolo, i produttori di automobili hanno accelerato l'uso dell'elettronica automobilistica, trasformando le auto in computer su ruote e aprendo la strada ai veicoli definiti da software.

Cinque tendenze del settore guidano la crescente importanza dei sistemi elettronici nei veicoli:

1. Sicurezza: Governi, consumatori e lo stesso settore automobilistico continuano a spingere più in là i confini delle aspettative in materia di sicurezza. I sensori, combinati con sistemi intelligenti, possono individuare e gestire i pericoli molto più rapidamente ed efficacemente rispetto alle persone. I produttori devono integrare queste funzionalità per rispettare standard sempre più rigorosi e soddisfare le richieste dei clienti.
2. Efficienza: Le esigenze di migliorare l'efficienza sono cresciute nel tempo, insieme a normative sulle emissioni sempre più severe. Per questo, produttori e fornitori hanno introdotto sistemi elettronici di monitoraggio e controllo in tempo reale in ogni parte della catena cinematica, al fine di aumentare il rendimento e ridurre gli inquinanti senza compromettere le prestazioni.
3. Esperienza utente: Dal momento che l'elettronica ha trasformato ogni aspetto della vita, conducenti e passeggeri si aspettano la stessa connettività, semplicità d'uso e funzionalità che trovano nei dispositivi di consumo.
4. Elettrificazione: Il passaggio da veicoli alimentati da motori a combustione interna (ICE) a quelli ibridi e completamente elettrici può raddoppiare il numero di moduli elettronici presenti in un'auto. Allo stesso tempo, la natura ad alta tensione delle catene cinematiche elettriche aumenta la complessità e le preoccupazioni legate alla sicurezza funzionale dei veicoli che utilizzano questo tipo di propulsione.
5. Guida autonoma: Il rapido progresso dai veicoli semi-autonomi ai veicoli completamente autonomi aumenta anche la dipendenza dall'elettronica nel settore automobilistico. Funzionalità di guida autonoma ormai comuni come il cruise control adattivo combinano sensori, capacità di calcolo e controllo del motore per automatizzare le attività del conducente. Man mano che i produttori aggiungono più automazione, aumenterà anche l'elettronica di bordo.

I diversi sistemi elettronici di un veicolo sono costituiti da numerosi componenti elettronici e dalle relative connessioni. Ogni componente ha esigenze specifiche in termini di progettazione, funzionamento e manutenzione.

Ecco un elenco dei tipi più comuni di componenti elettronici per l'automotive:

• Sensori: I sensori misurano i valori fisici e li trasmettono ad altri sistemi. Possono rilevare parametri interni o esterni al veicolo, come pressione, velocità, posizione, temperatura, flusso e prossimità. Sensori più sofisticati, come radar, dispositivi a ultrasuoni, telecamere e sensori di impulsi di luce laser (LiDAR), possono anche fornire informazioni sulla distanza, la forma, l'azimut e la posizione in elevazione di un oggetto. I dati provenienti da tutti questi sensori possono essere elaborati da sistemi di intelligenza artificiale (AI) che, attraverso la fusione dei sensori, offrono al veicolo una maggiore consapevolezza dell'ambiente circostante.
• Attuatori: Nel tempo, i produttori di automobili hanno sostituito molti collegamenti meccanici con attuatori, dispositivi come solenoidi e motori che trasformano un segnale elettrico in una forza capace di muovere un componente meccanico. Può essere semplice, come aprire e chiudere una bocchetta del sistema di climatizzazione, oppure complesso, come cambiare marcia nella trasmissione.
• ECU: Le ECU raccolgono ed elaborano i dati dei sensori e gli input del conducente per controllare diverse funzioni del veicolo. Come i computer, le ECU utilizzano software e firmware per gestire il funzionamento dell'auto.
• Elettronica di potenza: L'elettronica di potenza comprende moduli di controllo, alimentatori, convertitori di potenza e cablaggi che trasportano tensioni elevate. Fornisce energia elettrica ai sistemi a maggiore richiesta, come il motorino di avviamento, i riscaldatori elettrici o i motori elettrici, e gestisce lo stato di carica della batteria.
• Reti di comunicazione: Tutti questi moduli e sottosistemi comunicano tra loro tramite reti cablate che utilizzano protocolli, quali CAN Bus, LIN, FlexRay ed Ethernet. Inoltre, le reti di comunicazione forniscono connettività V2X (Vehicle-to-Everything) verso smartphone, Internet, GPS, infrastrutture o altri veicoli. Questo insieme di componenti è talvolta indicato come telematica.
• Componenti dell'interfaccia utente: Conducenti e passeggeri interagiscono con i veicoli attraverso componenti dell'interfaccia utente, tra cui pulsanti, sistemi di informazione e intrattenimento, head-up display, elementi del cruscotto e schermi di visualizzazione.

Uno dei modi in cui nel settore si tiene traccia del crescente numero di sistemi elettronici presenti nei veicoli è classificarli in categorie diverse in base alle loro funzioni.

Ecco un elenco delle classificazioni standard e dei componenti più comuni in ciascuna categoria:

La catena cinematica comprende i sistemi di un'auto che forniscono una coppia alle ruote. Dal serbatoio e dal tubo di scarico fino alle batterie e ai motori di un veicolo elettrico, la catena cinematica è la parte che consuma più energia; per questo, la maggior parte dell'elettronica in questa categoria è progettata per migliorare l'efficienza del carburante, le prestazioni del veicolo o ridurre le emissioni.

Alcuni dei moduli elettronici più comuni nelle catene cinematiche a combustione interna sono:

• Controlli elettronici del carburante
• Controlli delle emissioni
• Unità di controllo motore
• Gestione del motore
• Sensori del motore
• Comandi della trasmissione

Oltre a molti di questi componenti, i veicoli ibridi ed elettrici utilizzano moduli elettronici di potenza, tra cui:

• Sistemi di gestione della batteria
• Controlli della temperatura della batteria
• Motori ad azionamento diretto
• Componenti elettronici di ricarica
• Inverter e regolatori di tensione

Sistemi di sicurezza

I team di progettazione possono sfruttare l'aumento delle capacità dei sensori e dell'edge computing nelle ECU, al fine di migliorare la sicurezza dei veicoli e aumentare la complessità dei moduli.

Alcuni dei sistemi di sicurezza più comuni includono:

• Airbag
• Sistemi antibloccaggio dei freni
• Regolazioni antislittamento (ASR)
• Telecamere di retromarcia
• Sensori dell'angolo cieco
• Rilevamento e prevenzione delle collisioni
• Frenata di emergenza
• Assistenza alla partenza in salita (HSA)
• Avvisi di uscita dalla corsia
• Monitoraggio della pressione degli pneumatici
• Sistemi di controllo della trazione (TCS)

Sistema di informazione e intrattenimento

I dispositivi elettronici che forniscono informazioni o intrattenimento ai passeggeri rientrano nella categoria dei sistemi di informazione e intrattenimento. Tra questi ci sono:

• Connettività a banda larga
• Sistemi di intrattenimento
• Quadri degli strumenti
• Sistemi di navigazione
• Connettività smartphone
• Altoparlanti e microfoni
• Dispositivi di interfaccia utente
• Diagnostica del veicolo
• Configurazione delle funzioni del veicolo

Elettronica del telaio

I sistemi di elettronica automobilistica che non appartengono alle categorie precedenti rientrano nei componenti elettronici del telaio. Tuttavia, l'aumento dell'automazione e dell'integrazione rende più sfumati i confini tra sicurezza ed elettronica del telaio.

I moduli elettronici del telaio includono:

• Fari adattativi
• Sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS)
• Illuminazione dell'abitacolo
• Climatizzazione
• Servofreno elettronico
• Servosterzo elettronico
• Accesso senza chiave
• Sistemi di illuminazione
• Controllo delle sospensioni

Gli ingegneri possono utilizzare strumenti di simulazione durante l'intero processo di progettazione per rispondere alle sfide e alle complessità crescenti dell'elettronica automobilistica. I team non possono aspettare i prototipi per testare le loro idee e verificare se i sistemi elettronici sono sufficientemente robusti per carichi termici, strutturali ed elettromagnetici.

I produttori di apparecchiature originali (OEM) e i loro fornitori applicano la simulazione a ogni componente, modulo e gruppo all'interno del sistema elettrico di un veicolo. Questa prototipazione virtuale aumenta le prestazioni, riduce i reclami in garanzia, verifica la sicurezza, abbassa i costi e accelera l'immissione sul mercato dei nuovi progetti.

La maggior parte delle attività di simulazione può essere suddivisa in una di queste quattro aree:

1. Funzionalità

L'uso iniziale della simulazione serve agli ingegneri per progettare automobili al fine di testare la funzionalità dei componenti. La risposta di ogni modulo può essere progettata e testata virtualmente durante la creazione del progetto, a livello di componente, sottosistema e sistema. Gli ingegneri utilizzano strumenti come Ansys Maxwell, il risolutore avanzato di campi elettromagnetici, per progettare dispositivi elettromeccanici, tra cui motori e attuatori o sistemi elettronici di potenza, inclusi trasformatori e regolatori di tensione. I progettisti di sistemi ottici soddisfano i requisiti delle lenti nei sensori basati sulla luce utilizzando piattaforme di simulazione come Ansys Zemax OpticStudio, un software di progettazione e analisi di sistemi ottici. I designer degli interni possono esplorare l'aspetto e la resa dell'illuminazione dell'abitacolo con prodotti come Ansys Speos, il software integrato CAD di simulazione ottica e dell'illuminazione.

2. Ottimizzazione

Una volta soddisfatti i requisiti funzionali di un dispositivo elettronico per un'applicazione automobilistica, gli ingegneri devono ottimizzare la progettazione. È qui che si punta a migliorare l'efficienza, ridurre le emissioni e ottimizzare le prestazioni.

Possono utilizzare strumenti con funzionalità come Ansys SCADE Suite, un ambiente di sviluppo basato su modelli per software integrati di importanza cruciale, per modificare il firmware di un'ECU. Oppure Ansys HFSS, un software di simulazione elettromagnetica ad alta frequenza, per progettare e ottimizzare un'antenna per applicazioni GPS. Questa antenna può essere abbinata a una piattaforma di simulazione della missione digitale come Ansys Systems Tool Kit (STK), il software per la progettazione della missione digitale, al fine di garantire che l'antenna GPS nel sistema di informazione e intrattenimento riceva il segnale più forte possibile in un'ampia gamma di situazioni di guida.

Infine, una volta ottimizzato ogni modulo, gli ingegneri possono utilizzare una piattaforma di ottimizzazione completa come Ansys OptiSLang, un software per l'integrazione dei processi e l'ottimizzazione del design, al fine di raggiungere rapidamente ed efficacemente i loro obiettivi.

3. Affidabilità

Uno degli aspetti più importanti della progettazione automobilistica è l'affidabilità. I proprietari si aspettano che i veicoli funzionino correttamente dopo aver accumulato molti chilometri. Tuttavia, calore, vibrazioni, urti e disturbo elettromagnetico rendono difficile raggiungere questi severi obiettivi di robustezza, motivo per cui i team di ingegneri utilizzano strumenti di simulazione strutturale, termica ed elettromagnetica per sottoporre i sistemi elettronici automobilistici a rigorosi test virtuali.

Possono impiegare Ansys Mechanical, il software di analisi degli elementi finiti strutturali per la valutazione termica, strutturale e delle vibrazioni al fine di garantire che tutti i componenti, insieme ai collegamenti fisici ed elettrici, soddisfino i requisiti di durata del veicolo e funzionino nel tempo. Oppure, per le schede a circuito stampato (PCB) e i pacchetti di circuiti integrati nelle ECU, possono fare affidamento su strumenti di simulazione dedicati ai componenti elettronici, come Ansys Icepak, il software di simulazione del raffreddamento dell'elettronica, e Ansys Sherlock, il software di previsione dell'affidabilità dell'elettronica.

4. Interferenze

Le interferenze elettromagnetiche e la compatibilità elettromagnetica (EMI/EMC) rappresentano una sfida sempre più impegnativa per l'elettronica automobilistica, soprattutto quando le auto includono sistemi ad alta tensione, come nei veicoli elettrici (EV). Il numero di componenti ad alta frequenza e di segnali digitali ad alta velocità che si spostano da un modulo all'altro, la tensione dei sistemi di batterie elettriche e l'uso delle antenne sono in aumento. Gli ingegneri utilizzano strumenti come Ansys SIwave, il software di simulazione elettromagnetica per schede a circuito stampato e pacchetti, al fine di risolvere problemi di integrità del segnale e della potenza sulle schede a circuito stampato utilizzate nelle ECU, oppure Ansys EMC Plus, il software di simulazione e modellazione elettromagnetica, al fine di studiare in che modo le onde ad alta frequenza interagiscono tra cavi e fili. È persino possibile utilizzarlo per modellare l'impatto di un fulmine sui sistemi elettronici di un'auto.

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