Cablaggio automotive: nuovi progetti per il futuro

Negli ultimi anni, l’accelerazione della transizione dai motori a combustione interna (MCI) verso l’elettrificazione e la guida autonoma ha reso il tema delle reti di bordo un argomento attuale. Con la connettività sempre più richiesta, gli ingegneri automotive stanno passando da un approccio di cablaggio logico a uno zonale. Allo stesso tempo, l’uso crescente di telecamere per la sicurezza a 360 gradi e il rilevamento delle collisioni e l’impiego di sistemi di assistenza alla guida (ADAS) più sofisticati stanno mettendo in discussione il modo in cui i dispositivi si collegano alle unità di controllo elettronico (ECU). Questo articolo illustra le sfide del cablaggio dei veicoli, l’adozione di un’architettura zonale e i protocolli di rete attuali ed emergenti.

Le sfide del cablaggio dei veicoli e il passaggio alle architetture zonali

I veicoli elettrici (EV) moderni sono caratterizzati da sistemi elettrici complessi, che includono componenti ad alta tensione, sistemi di gestione della batteria e più sensori. Essi stanno diventando anche sempre più connessi grazie agli ADAS, ai sistemi di infotainment e alla comunicazione “vehicle to everything” (V2X), che danno origine a sfide notevoli relative al cablaggio per il trasporto dati e all’alimentazione all’interno del veicolo. Si stima che i veicoli elettrici richiedano il 20–30% in più di cablaggio dei veicoli a combustione interna, con cablaggi lunghi oltre un chilometro e dal peso tipico di 50 kg, che incidono negativamente sull’autonomia del veicolo. Il settore automotive sta passando sempre più all’architettura a zone per rendere più gestibile l’elettrificazione. Le architetture tradizionali dei veicoli utilizzano cablaggi lunghi e pesanti per collegare vari componenti all’interno del veicolo. Questo aggiunge peso e complessità, aumentando i costi di fabbricazione e incidendo negativamente sull’efficienza dei consumi. Adottando l’architettura a zone, i fabbricanti riescono a ridurre la lunghezza del cablaggio, a fare un uso migliore dei componenti elettrici, a ridurre il peso e i costi e a migliorare l’efficienza generale del veicolo.

La transizione all’architettura a zone è stata favorita anche da altri fattori, tra cui:

• Software: Oggi i veicoli moderni fanno affidamento sui software per la gestione del motore, la diagnostica, le funzioni di sicurezza e l’intrattenimento.
• Adattabilità: Le architetture zonali permettono di ottenere modelli di veicoli più scalabili e flessibili. I produttori possono creare zone autonome per la distribuzione di energia, l’infotainment o i sistemi ADAS. Questo approccio modulare semplifica la personalizzazione, la condivisione di piattaforme e l’integrazione di nuove tecnologie su diversi modelli di veicoli, riducendo i tempi di sviluppo e i costi.
• Assemblaggio e manutenzione: L’architettura a zone semplifica la produzione perché le zone preassemblate possono essere integrate facilmente nel veicolo.
• Affidabilità: L’architettura a zone è più sicura e più tollerante ai guasti perché le funzioni critiche vengono isolate in zone dedicate. Ciò significa che un guasto che si verifica in una zona, non deve necessariamente interessare l’intero veicolo. Inoltre, la risoluzione dei problemi e la manutenzione sono più efficienti perché il guasto può essere isolato nelle zone specifiche, individuato e riparato velocemente.

Per risparmiare spazio e ridurre il peso a livello di sottosistema, i veicoli elettrici sono sempre più spesso dotati di schede a circuiti stampati flessibili (PCB Flex). Si tratta di schede di circuiti elettronici realizzate con materiali flessibili che possono essere piegate, ripiegate e modellate per adattarsi a spazi ristretti o non convenzionali. Sono ideali per le applicazioni in cui la flessibilità e il risparmio di spazio sono fondamentali, e possono sia sostituire le schede PCB rigide che rappresentare un’alternativa valida ai fasci di cavi tradizionali. Mentre i fasci di cavi sono costituiti da cavi o fili elettrici raggruppati e possono essere di volume e diametro considerevoli, le schede PCB Flex sono un’alternativa snella che semplifica le procedure di installazione e manutenzione, contribuendo allo stesso tempo all’efficienza dell’infrastruttura elettrica.

Protocolli di rete di bordo per un cablaggio ottimale

La Society of Automotive Engineers (SAE International) supervisiona lo sviluppo dei protocolli di comunicazione che collegano i vari componenti elettronici e i sistemi all’interni dei veicoli. Questi protocolli di rete permettono lo scambio di dati e segnali tra i diversi sistemi del veicolo, come la gestione del motore, i sistemi di sicurezza e l’infotainment. Tra i requisiti sempre più importanti per i sistemi di comunicazione dei veicoli figurano:

• Latenza: I ritardi e gli errori nel flusso di dati di un singolo sensore possono mettere a dura prova la risposta di una ECU all’ambiente circostante, con conseguenze potenzialmente disastrose.
• Affidabilità e robustezza: Lo spazio fisico limitato all’interno di un veicolo aumenta i problemi di interferenza elettromagnetica (EMI) e diafonia.
• Ridondanza: I veicoli autonomi richiedono sempre più spesso sistemi a prova di guasto, in grado di reindirizzare immediatamente i dati intorno ai punti di guasto per permettere all’auto di funzionare normalmente o di arrestarsi in modo controllato.
• Larghezza di banda: I dati di sicurezza devono essere trasportati a velocità superiori a 10 Gb/s.

Alcune tecnologie di rete automotive esistono da anni e continuano a comparire nei veicoli di oggi perché funzionano in modo affidabile ed economico. Alcune di esse sono impiegate generalmente in applicazioni di controllo a bassa velocità e meno critiche, e sono la tecnologia Local Interconnect Network (LIN), che funziona a decine di kilobit al secondo, il protocollo Area Network (CAN) con una velocità fino a 1 Mb/s, e il suo successore CAN_FD (fino a 12 Mb/s). FlexRay venne adottato da alcuni OEM automotive di fascia alta per applicazioni critiche per la sicurezza e supportava una velocità dei dati fino a 10 Mb/s. Tuttavia, questi protocolli tradizionali non sono in grado di soddisfare i requisiti di banda multigigabit delle nuove applicazioni ADAS, che sono meglio servite da protocolli di comunicazione molto più veloci e recenti, come:

• Ethernet per automotive: Nel 2016, l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ha pubblicato il primo standard Ethernet per il settore automotive, 100BASE-T1, con il suo testo IEE802.3bw. Se da una parte sono presenti analogie con l’Ethernet tradizionale (entrambe le versioni utilizzano cavi a doppino non schermati con due fili di rame intrecciati lungo il percorso del cavo per ridurre la radiazione elettromagnetica e la diafonia), ci sono anche notevoli differenze. L’Ethernet automotive utilizza solo una singola coppia di fili (noto come “Single Pair Ethernet” o SPE) per la trasmissione e la ricezione, rendendo il cavo più leggero e meno costoso; inoltre, è presenta un raggio massimo nominale di 15 m, più appropriata per le dimensioni di un’automobile della distanza di 100 m che caratterizza il protocollo Ethernet tradizionale. Un’altra differenza è l'utilizzo di uno schema di codifica diverso per ridurre l’EMI e la diafonia. La versione 100 Mb/s IEEE802.3bw dello standard Ethernet è stata ampiamente adottata in applicazioni automotive “punto a punto”. Nel 2020, l’EEE ha introdotto lo standard 802.3ch, che consente l'utilizzo della tecnologia Ethernet multigigabit a velocità standard di 2,5 Gb/s, 5 Gb/s e 10 Gb/sec. La tecnologia 10BASE-T1S è una versione multi-drop di Ethernet, la cui compatibilità con gli standard Ethernet esistenti può ridurre la complessità del cablaggio e offrire una migliore scalabilità nelle architetture a zona.
• Connessioni seriali ad alta velocità: Una connessione dati completamente simmetrica come quella Ethernet non è necessaria per collegare una telecamera ad alta risoluzione a un display. I sistemi asimmetrici "SerDes" utilizzano un CI serializzatore (ossia Ser) sul lato trasmettitore e un CI deserializzatore (Des) sul lato ricevitore e sono sempre più usati dagli OEM automotive per trasportare dati video e dati del sensore. I sistemi SerDes utilizzano un collegamento asimmetrico con velocità di trasmissione dei dati a valle molto più elevate di quelle a monte. Sono adatti per i video e le applicazioni, in quanto le telecamere sono una fonte di dati ad alta velocità e ricevono solo segnali di controllo a velocità molto inferiori. Esistono vari sistemi proprietari SerDes (ad es. GMSL di Analog Devices), ma non sono compatibili tra loro. Per soddisfare le richieste del settore automotive di un’unica interfaccia unificata di livello fisico ad alta velocità, adatta per l’utilizzo nei veicoli, alcuni membri della Mobile Industry Processor Interface (MIPI) Alliance hanno iniziato a sviluppare le MIPI Automotive SerDes Solutions (MASS), un processo culminato nel lancio di A-PHY v1.0, la prima soluzione SerDes indipendente di livello fisico e ad alta velocità, per applicazioni automotive. È previsto un piano di sviluppo per questo standard al fine di raggiungere velocità di trasferimento dati fino a 32 Gb/s, sufficiente per soddisfare i requisiti di banda dei sempre più numerosi sistemi elettronici nei veicoli.

Rassegna di prodotti per la connettività dei veicoli

Con l’evoluzione dei protocolli di rete che interconnettono vari componenti all’interno di un veicolo, si è evoluto l’hardware critico - come ad esempio gli interruttori e i ricetrasmettitori che supportano il flusso di informazioni e dati a bordo. Gli switch Ethernet, come la famiglia di prodotti SJA1110 di NXP Semiconductors disponibile presso Mouser Electronics (Figura 1), offre funzioni di sicurezza e protezione dedicate, progettate per un’integrazione ottimale nelle unità ECU automotive. Le quattro versioni SJA1110 permettono di progettare ECU e piattaforme modulari e supportano applicazioni automotive come i gateway, i box ADAS e le unità ECU di infotainment. Le funzioni principali includono PHY 100BASE-T1 e 100BASE-TX integrati e un core basato su Arm Cortex-M7, oltre all’ispezione dei pacchetti e alle funzioni di prevenzione DoS migliori della propria categoria, combinate con funzionalità avanzate di Secure Boot.

Anche il ricetrasmettitore CAN FD TLE9351SJ ad alta velocità di Infineon Technologies (Figura 2) è stato progettato e qualificato in previsione di applicazioni automotive. Agendo da interfaccia tra il livello fisico del bus e il controllore del protocollo CAN ad alta velocità, il TLE9351SJ è pensato per proteggere il microcontrollore dalle interferenze generate all’interno della rete. L’elevata resistenza alle ESD e l'immunità RF ottimizzata ne consentono l'impiego in ambienti automotive senza bisogno di dispositivi di protezione aggiuntiva, come i diodi soppressori o le bobine di arresto di modo comune. Questo dispositivo, disponibile anche presso Mouser, è totalmente conforme agli standard come ISO 11898-2:2016 e SAE J2284-4/-5 ed è adatto per una vasta gamma di applicazioni all’interno di un moderno veicolo collegato in rete, incluse le unità ECU, i moduli gateway e i moduli per il controllo dell'abitacolo.

Conclusioni

Il settore automotive sta accelerando il passaggio verso l’elettrificazione e l’abbandono dei veicoli a combustione interna. Questa accelerazione, combinata con la tendenza verso una guida sempre più autonoma, sta generando delle sfide per la connettività dei veicoli, che vengono affrontate con nuove architetture, innovazioni nei metodi di cablaggio e protocolli di comunicazione più veloci.