Сензори за автомобилостроенето

• Автомобилната промишленост е сред отраслите, които винаги са в челните редици на иновациите
  
  
• Гигатенденции, като устойчивата мобилност, автономното шофиране и изкуствения интелект, дефинират по-нататъшното развитие на сензорите – основните градивни единици на автомобилите на бъдещето
  
  
• Водещите производители в бранша прилагат новаторски подходи при дизайна и функционалността по посока миниатюризация, повишаване на прецизността и надеждността

Eлектрификацията, водородът, автоматизацията и изкуственият интелект са част от технологиите, които завладяват индустрията сектор по сектор и бързо се превръщат в гигатенденции, а автомобилната промишленост е сред отраслите, които винаги са в челните редици на иновационните процеси. В изцяло нови посоки под влиянието на тези иновации поема и развитието на сензорите – основните градивни единици на автомобилите на бъдещето. Те изпълняват съществена роля в повишаването на безопасността и ефективността на модерните коли, допринасят за значително разширяване на функционалните им възможности и за подобряване на поведението им на пътя чрез непрекъснат мониторинг и информация в реално време за критични параметри, като температура, налягане, скорост, дистанция, условия на околната среда и др.

Водещите производители в бранша прилагат новаторски подходи при дизайна по посока миниатюризация, подобряване на прецизността, надеждността и устойчивостта на агресивни експлоатационни условия. Във фокуса на най-новите разработки в сегмента са “умните” и сейфти функциите на автомобила, както и възможностите за интегриране на сензорите в IoT и AI платформи с машинно и дълбоко самообучение, които осигуряват свързаност, автономност и интелигентност на превозното средство.

В контекста на тези тенденции коренно се трансформира и глобалният пазар на сензори за автомобилостроенето, който е в период на бурен растеж и се очаква да се удвои в рамките само на пет години – от малко над 30 млрд. щатски долара през 2023 г. до повече от 62 млрд. долара през 2028 г. Основни фактори за този впечатляващ прогнозен ръст според анализаторите ще бъдат нарастващото търсене на електромобили и превозни средства с алтернативни горива и задвижващи системи под влиянието на глобалния стремеж към декарбонизация на транспорта, невиждания досега бум на автономната и интелигентната мобилност, както и непрекъснато увеличаващия се интерес на потребителите към по-комфортни и луксозни автомобили.

Основни типове сензори в съвременните автомобили

Сегментът на автомобилните сензори понастоящем обхваща значителен дял от общия пазар на сензорни устройства в световен мащаб. Предлага се изключително богат асортимент от автомобилни датчици, базирани на разнообразни технологии и предназначени да събират и изпращат различни типове данни от ключови компоненти на превозните средства. Обширната продуктова категория на сензорите за автомобилни приложения включва различни по измервателен принцип, форм-фактор, монтаж и изпълнение (степен на IP защита или уплътнение на корпуса – стандартно, високоустойчиво/индустриално) активни и пасивни устройства. Сред най-масово влаганите в съвременните автомобили групи сензорни устройства са температурните сензори, датчиците за налягане, близост, скорост, инерция, сензорите за измерване на концентрацията на газове, нивото на течности и други характеристики на работните флуиди в превозното средство, включително горива, смазочно-охлаждащи субстанции и т. н.

Налице е широк избор от температурни сензори (от по-прости термодвойки и съпротивителни термометри до безконтактни инфрачервени датчици), MEMS устройства (за измерване на налягане, движение, ускорение, температура, магнитно поле и светлина, жироскопи, инклинометри /за наклон/, превключватели, капацитивни сензори за допир, микрофони и др.), оптични/фотоелектрични сензори, измерватели за позиция, преобразуватели за налягане и т. н.
Развитието при температурните сензори в посока повишена устойчивост на екстремни стойности безспорно е една от най-важните предпоставки за прехода към хибридна, електрическа и водородна мобилност, както и за все по-широкото навлизане на “зелените” технологии в индустриалния транспорт. Освен за проследяване на температурата на горивото и охладителните системи и контрол на микроклимата в купето, както и като част от електрическата уредба, все по-компактни и издръжливи температурни датчици се интегрират и в транспортни системи с термопомпи и горивни клетки, както и в платформи за топлинен мениджмънт на батериите на електромобили.

Сензорите за позиция отчитат местоположението на ключови елементи на силовото предаване, като съединител, предавки, дросели, колянов и разпределителен вал, кормилна уредба и др. Каталозите на производителите за мониторинг на трансмисията и ходовата част включват датчици за обороти, скорост и изминато разстояние, акселерометри, жироскопи, сензори за ъгъл и др.

Като отделна група могат да бъдат обособени сензорите за двигателя на автомобила, които следят температурата на горивото, количеството на впръскваната горивна смес, нивото и състоянието на маслото, количество на кислорода и др. Датчици за налягане намират приложение при проследяване на статуса на гумите, системите за рециркулация на отработените газове и т. н.

Важна група сензорни устройства в съвременните автомобили са тези, свързани с безопасността и комфорта и със системите за асистиране на шофьора (ADAS). Към тях спадат сензори за спирачните механизми, предпазните колани, въздушните възглавници, вратите, ОВК системите, сензори за паркиране (най-често ултразвукови и радарни), за детекция на “мъртви” зони, темпомат системи (за контрол на скоростта или “cruise control”), датчици за нощно виждане и слънчева/естествена светлина, за влажност/дъжд и атмосферни условия извън автомобила, за ниво на осветлението в купето, сензори/камери за заснемане на изображения, датчици за удари/сблъсък, системи за контрол на достъпа и сигурност, сензори против кражба и др.

Възходът на автономните автомобили

Радарните датчици, камерите и LiDAR (Light Detection and Ranging) сензорите оформят ядрото на асистираното и автономното шофиране в наши дни. В тези три сегмента протича паралелна технологична еволюция, която позволява напълно безпилотно управление на превозните средства.

Изключително интересно се развива сегментът на радарните сензори за автомобилни приложения. Системите за автоматичен круиз контрол (ACC), базирани на радари с милиметрови вълни, са обект на активни изследвания и разработки през последните десетилетия. В началото на 70-те години на миналия век на пътя излизат първите тестови превозни средства с 35 GHz сензори. Тогава за първи път антени от този тип се оказват достатъчно компактни, за да се поберат в предната решетка на стандартен седан. През 1998 г. на пазара се появява първият автомобил серийно производство с подобна система (77 GHz), а няколко години по-късно вече е достъпна усъвършенствана нейна версия, която комбинира 77 GHz радар с голям обхват (LRR) с два 24 GHz радарни сензора с малък обхват (SRR), което позволява използването й в условия на градски трафик. Днес технологията е напълно комерсиализирана и присъства в дизайните на всички големи световни производители на превозни средства с ACC системи.

Честотният диапазон 24/26 GHz се използва все по-широко за автомобилни радарни сензори с малък обхват, използвани или за откриване на т. нар. мъртви зони (Blind Spot Detection, BSD), или като предупреждение за смяна на лентата (Lane Change Warning, LCW). На пазара се предлагат теснолентови (NB) системи, работещи в ISM диапазона (от 24,05 до 24,25 GHz) и ултрашироколентови (UWB) системи (от 21,65 до 26,65 GHz). Неотдавна беше въведена и антенна технология за цифрово оформяне на лъча (Digital Beam Forming, DBF), комбинирана с техники за електронно сканиране.

Днес съществуващите радарни датчици могат лесно да се конфигурират за нови приложения. BSD сензорите например могат да функционират като предупреждение за напречен трафик отзад (Rear Cross Traffic Alert, RCTA). Отварят се изцяло нови пазарни възможности, като например разработки на радарни системи със среден обхват (MRR) в диапазона 24/26 GHz. Иновация са и сензорите с динамичен обхват, които могат да осъществяват едновременна детекция както на обекти с висока, така и с ниска отразителна способност.

LiDAR устройствата за дистанционно измерване на разстоянието чрез осветяване с лазер и измерване на времето, за което отразената от целевия обект светлина се връща до сензора, през последните години стават все достъпни в ценови аспект за производителите на оригинално оборудване в автомобилостроенето. Подобно на радарната технология, и LiDAR системите са познати в практиката още от втората половина на миналия век, но чак след 2000 г. започват да се срещат по-масово в серийни пътнически автомобили. Повратен момент в развитието на сегмента е въвеждането на лидарните 3D сензори, които генерират триизмерни данни с помощта на специална система за управление на лъча. Тези устройства осигуряват редица предимства в сравнение с камерите, радарите и ултразвуковите датчици, като прецизно и с висока резолюция пресъздават околната среда чрез 3D точкови облаци, в допълнение към точното измерване на разстоянието до целевите обекти.
При сензорите за изображения за автомобилни приложения основната посока на развитие също е свързана със значително повишаване на разделителната способност, което става възможно благодарение на революцията при камерите за потребителски смартфони, довела до по-компактни, евтини и достъпни устройства.

Доскоро използването на традиционни аудиосензорни технологии беше сравнително ограничено в автомобилостроенето. С популяризирането на интелигентните и автономните функции в сектора възникват все повече интересни приложения в тази област, включително управление чрез гласови команди, регистриране на превозни средства със специален режим (Emergency Vehicle Detection, EVD) в близост и др. Конвенционалните микроелектромеханични устройства, като MEMS микрофоните, които обикновено се вземат предвид в такива сценарии, са лесно податливи на повреда при излагане на агресивни климатични условия, прах и замърсявания. Интересна алтернатива за събиране на звукови данни от околната среда са вибрационните сензори, които са напълно устойчиви на подобни въздействия и са значително по-лесни за интегриране, благодарение на изцяло уплътнените си корпуси.

Иновация на пазара на автомобилни датчици са интелигентните инерционни сензори, които позволяват по-високи нива на автономност при шофиране (3, 4 и 5 според категоризацията на SAE International) и необходимата за безпилотни приложения безкомпромисна сигурност. Трите основни направления, в които тези сензори се усъвършенстват, са точност, безопасност и интелигентни функции. Последните все по-често се опосредстват от AI алгоритми, позволяващи на автономните превозни средства да реагират адекватно при всякакви извънредни сценарии. За целта процесорните възможности са интегрирани директно в устройството (on-chip), за да са възможни мигновен анализ на ситуацията и иницииране на съответното действие – без неизменните времезакъснения и по-високите изисквания относно мощността на захранване при големи обеми сензорни данни, изпращани първо към хост или облачна платформа за обработка.

Ерата на декарбонизация-та и алтернативната мобилност

С непрекъснатото затягане на мерките за декарбонизация на автомобилния транспорт ролята на сензорите в сектора става все по-съществена. И двете водещи алтернативни технологии за мобилност – електрическата и водородната – изискват огромен брой сензорни устройства и усъвършенствани електронни елементи за безпроблемното си, безопасно и надеждно приложение. Така на пазара се обособява изцяло нов сегмент от датчици, конектори, пасивни, електромеханични и дискретни компоненти – за хибридни, електрически и водородни превозни средства, а все повече от водещите световни производители от бранша на автомобилостроенето разработват и добавят подобни серии към каталозите си.

Разнообразни приложения в сектора намират различни типове преобразуватели, включително при: мониторинг на батерийни системи, измерване и управление на ток при горивни клетки, DC/DC преобразуватели и AC/DC инвертори, хибридни и електрически инверторни задвижвания, електронни стабилизиращи програми (EPS), “X-by-wire” системи (за изцяло електронно безпилотно управление, без механични връзки) и др.

Широко използвани в сектора на е-мобилността и в частност при системи за термично управление на батериите (BTMS) на електрическите превозни средства са и температурните сензорни от последно поколение. Такива служат за детекция на отклонения от допустимите работни температури, откриване на топлинни течове, измерване на повърхностна температура и степен на заряд на батерийните клетки. Чрез комбинирани устройства за налягане и температура пък се осъществява мониторинг на охладителните системи на батерийните системи.

За проследяване на електрическите връзки при електромобилите и зарядните станции стават популярни безконтактните температурни датчици. Специални сензори за ток, част от BMS системите за мониторинг на батериите, измерват два ключови параметъра – SOC (State-of-Charge) и SOH (State-of-Health) или степен на заряд (капацитет) и статус/състояние по отношение на оставащия жизнен цикъл. Токовите датчици имат жизненоважна функция и в контекста на безопасността, изискванията към която са значително повишени поради наличието на високоволтови системи, интегрирани в автомобилите, които крият риск от пожар и други опасности. При детекция на свръхток сензорът незабавно информира BMS системата, за да може тя да осигури защита чрез отваряне на контакторите или задействане на пиропредпазител.

Интерес представляват и дефектнотоковите сензори за зарядни станции (Residual Current Detection), предназначени специално за станции, работещи в режим на полубързо зареждане (режим 3). Наличието им е задължително при инсталирането на свободностоящи AC станции или такива за стенен монтаж съгласно стандарта IEC 6181-1 (Кондуктивни зареждащи системи за превозни средства с електрическо задвижване). Тези сензори спират процеса на зареждане, когато бъде открит остатъчен ток над 6 mA DC. Те са съвременна и все по-компактна (за монтаж на платка) алтернатива на конвенционалните дефектнотокови прекъсвачи (RCD, тип A), които биха били неефективни при DC остатъчни токове.

Другият важен стълб на устойчивата мобилност – водородът, също създава условия за иновативни приложения на различни типове сензори в автомобилостроенето. Наричан от мнозина “горивото на бъдещето”, той навлиза все по-широко в сегмента под формата на водородни горивни клетки, които функционират като батерии, но без да е необходимо да се разреждат или презареждат.

При подготовката, съхранението, транспортирането, зареждането и използването на водород са налице редица рискове, включително от изтичане, възпламеняване и експлозии. Ключов елемент от безопасността на автомобилните системи на водород е непрекъснатият мониторинг на течове, в който участват високоиздръжливи датчици за измерване на концентрацията. Устройствата, предназначени за измерване и детекция в сегмента, е необходимо да се отличават с оптимална устойчивост на агресивни условия, бързодействие и висока прецизност при измерване в реално време.

Водородът типично се съхранява при изключително високо налягане в специални резервоари, които изискват максимално надеждни сензори за налягане. Сред иновациите в този сегмент са капацитивни керамични сензори за налягане за приложения до 1800 kPa, проектирани да работят надеждно при ниски температури (до -40°C). Новост са и диференциални MEMS базирани сензори за налягане, създадени специално за приложения в охлаждащи системи на горивни клетки, както и силициеви тензометрични микродатчици, устойчиви на налягания до 900 бара и оптимизирани за изключително ниски температури (до -60°C).