Il rombo dell’elettronica

AUTOMOTIVE –

Motore, trasmissione, freni, sterzo: tutti gli organi più importanti dell’autoveicolo sono oggi gestiti da una grande quantità di dispositivi elettronici, indispensabili per soddisfare i nuovi requisiti di compatibilità ambientale e di sicurezza.

Sebbene siano soprattutto i veicoli elettrici e i sistemi di infointrattenimento ad attirare l'attenzione dei media, in realtà la maggior parte delle applicazioni elettroniche negli autoveicoli riguarda oggi organi meccanici “convenzionali” (ma essenziali) come il tradizionale motore a combustione interna, la trasmissione, i freni, lo sterzo, parti della carrozzeria. Sono queste, peraltro, le applicazioni fondamentali che negli ultimi decenni hanno consentono all'elettronica di migliorare drasticamente le prestazioni degli autoveicoli in materia di consumi, emissioni, sicurezza e comfort.

Motore e trasmissione
Una delle aree applicative fondamentali dell'elettronica negli autoveicoli riguarda il “powertrain”, cioè l'insieme di motore, cambio e differenziale. Nei moderni motori a scoppio le tecnologie elettroniche sono utilizzate per controllare i diversi parametri dell'alimentazione e dell'accensione, allo scopo di ottimizzare le prestazioni (consumi, emissioni) e realizzare automatismi (ad esempio stabilizzare il “minimo” anche in presenza di variazioni del carico, o evitare che il motore “batta in testa”). Le diverse soluzioni per il controllo del motore tengono conto di numerosi parametri quali la posizione del pedale dell'acceleratore, la quantità di carburante iniettato nei cilindri, il rapporto aria/benzina, la fase dell'accensione (cioè la temporizzazione della scintilla prodotta dalla candela, in riferimento al movimento del pistone), la corsa e la fase delle valvole di aspirazione e scarico, la posizione della valvola a farfalla, la velocità di rotazione del motore, la quantità e temperatura dell'aria, la temperatura del liquido di raffreddamento, le sostanze presenti nei gas di scarico ecc. L'industria automobilistica utilizza una grande varietà di centraline per il controllo dei motori, realizzate perlopiù da fornitori specializzati nella fabbricazione di componenti automotive; naturalmente dal punto di vista elettronico, una centralina non è un componente bensì un sistema, spesso piuttosto complesso. La nuova famiglia di centraline recentemente sviluppate da Magneti Marelli Powertrain per il controllo dei motori Multiair e dei diesel Euro 5 ed Euro 6, ad esempio, ha richiesto un aumento del 45% della potenza di calcolo richiesta alla Cpu (rispetto alle centraline della precedente generazione) e una nuova architettura software stratificata, necessaria per tenere conto della maggiore complessità (centinaia di migliaia di righe) e per l'adeguamento alla modularità dell'hardware. La maggiore potenza di calcolo diviene quindi la chiave che consente di sfruttare i vantaggi di nuove architetture meccaniche del motore: nel caso dei nuovi propulsori Multiair, le camme che azionano le valvole sono controllate tramite un sistema elettroidraulico. Nel prossimo futuro l'elettronica applicata al powertrain sarà la chiave per rendere possibile la riduzione dei consumi tramite dispositivi come i sistemi start-stop e le trasmissioni a doppia frizione. I sistemi start-stop sono automatismi che arrestano il motore quando il veicolo si ferma (per esempio ai semafori) e lo riaccendono istantaneamente quando il guidatore rilascia il pedale del freno, preme l'acceleratore o ingrana la marcia. Sviluppate inizialmente per le vetture da corsa, le trasmissioni a doppia frizione o Dct (Dual-Clutch Transmission) sono disponibili da diversi anni anche su alcune normali vetture da strada. Questi sistemi consentono di ridurre a soli 200 millisecondi il tempo necessario per cambiare marcia e, evitando le interruzioni nel flusso di potenza erogato dal motore, assicurano una significativa riduzione dei consumi: fino al 10% rispetto alle tradizionali trasmissioni automatiche a cinque marce (fonte: iSuppli).

Freni e sterzo
Notevole l'impiego dell'elettronica anche nei sistemi di controllo dei freni e dello sterzo. Per quanto riguarda i freni, le principali funzioni realizzate elettronicamente sono Abs, Ebd e Esp. Com'è noto, il dispositivo Abs evita il blocco delle ruote in frenata, evento che rende l'auto ingovernabile. Il sistema confronta continuamente la velocità delle quattro ruote; se una di esse gira più lentamente delle altre, il relativo freno viene leggermente allentato. La possibilità di frenare le ruote singolarmente apre la strada al dispositivo Ebd (Electronic Brakeforce Distribution), che ripartisce la frenata tra asse anteriore e posteriore, e al controllo elettronico di stabilità (Esp), volto a contrastare slittamenti che potrebbero portare l'auto fuori strada o in testacoda. In caso di sovrasterzo, il sistema Esp provvede a frenare la ruota anteriore esterna (rispetto alla curva); in caso di sottosterzo viene frenata la ruota posteriore interna. Per quanto riguarda lo sterzo, il contributo dell'elettronica è oggi finalizzato alla riduzione dei consumi e alla semplificazione degli organi meccanici. Il primo dei due obiettivi viene perseguito tramite l'adozione del servosterzo elettronico o Eps (Electric Power Steering), sistema che utilizza un motore elettrico per comandare la direzione delle ruote e pertanto consuma meno combustibile di un sistema di sterzatura di tipo idraulico convenzionale, poiché elimina la necessità di una pompa idraulica costantemente in funzione. È stato calcolato che l'uso dell'Eps permette di ridurre di dieci grammi al chilometro le emissioni di anidride carbonica, anche grazie alla riduzione dei pesi. In prospettiva, inoltre, i sistemi “steer by wire” (guida via filo, cioè senza collegamento meccanico tra volante e ruote) porteranno una serie di vantaggi: maggiore sicurezza (grazie all'eliminazione del piantone dello sterzo), semplificazione meccanica (utile ad esempio nel caso di versioni dei veicolo con guida a destra e guida a sinistra), possibilità di variare il rapporto di sterzo, bloccare il volante su posizioni fisse, realizzare telecomandi. Queste ultime opzioni sono interessanti soprattutto per i veicoli industriali e agricoli: la variazione del rapporto di sterzo (cioè del rapporto tra i giri del volante e la deviazione delle ruote) può essere utilizzata ad esempio nei carrelli elevatori, per rendere più rapide le manovre ripetitive; la possibilità di bloccare lo sterzo su una particolare posizione può invece servire nella guida di trattori agricoli, per compensare le deviazioni dovute all'aratro.

Corpo del veicolo
Numerose le applicazioni dell'elettronica anche per quanto riguarda la gestione del corpo dell'autoveicolo nel suo complesso, spesso indicato con il termine inglese “body”. L'elenco delle funzioni gestite elettronicamente nei veicoli di fascia alta è molto lungo e comprende tutti gli organi meccanici dotati di servocomandi: gli onnipresenti alzacristalli elettrici, gli specchietti retrovisori motorizzati (per l'orientamento e il ripiegamento), i sedili motorizzati (per lo spostamento nelle varie direzioni), i tettucci apribili, il “freno a mano” elettrico ecc. Questi comandi possono essere dotati di sistemi di sicurezza, ad esempio - nel caso di tettucci e cristalli - dispositivi che prevengono lo schiacciamento delle dita. Anche le prestazioni degli airbag possono essere migliorate grazie all'elettronica, ad esempio tramite sensori che rilevano il peso del passeggero per regolare il gonfiaggio del pallone. Le centraline elettroniche dedicate alle funzioni “body”, apparentemente semplici, possono essere in realtà piuttosto complesse: quella che gestisce una portiera, ad esempio, deve controllare l'alzacristallo (con eventuale dispositivo antischiacciamento), l'orientazione e ripiegamento dello specchietto esterno (con eventuale sbrinatore e dispositivo elettrocromico), la serratura, eventuali lampadine ecc. Analogamente, la centralina che gestisce un sedile è chiamata a controllare i diversi movimenti di regolazione (avanti-indietro, alto-basso, inclinazione dello schienale), oltre all'eventuale riscaldamento del sedile stesso.

Architetture consolidate
L'industria automobilistica ha sviluppato alcune architetture ormai piuttosto consolidate per la realizzazione dei sistemi elettronici di bordo, anche per quanto riguarda la gestione di “powertrain” e “body”. Si tratta in sostanza di un sistema a intelligenza distribuita composto da numerosi sottosistemi embedded (parte dei quali operanti in tempo reale), collegati tra loro per mezzo di una rete. I sottosistemi - che possono anche essere un'ottantina, nelle auto di fascia alta - prendono il nome di Ecu (Electronic Control Unit). Le diverse Ecu installate a bordo del veicolo comunicano tra loro per mezzo di una rete basata perlopiù su bus specificamente sviluppati per il settore automobilistico. Normalmente in uno stesso autoveicolo convivono più bus diversi; una configurazione tipica, almeno nelle auto europee di fascia alta, è costituita da una dorsale FlexRay alla quale sono connesse varie reti Can, altre reti FlexRay e una rete Most (quest'ultima però generalmente impiegata per applicazioni di infointrattenimento). Il bus Lin è solitamente utilizzato come “sotto-bus” per realizzare piccole reti collegate a un nodo Can. Ogni Ecu è basata su un microcontrollore e la presenza di così tante Mcu comporta ovviamente un notevole impiego di software e firmware. Per quanto riguarda questo aspetto va ricordata l'iniziativa Autosar (AUTomotive Open System ARchitecture), che ha portato a definire un'architettura aperta, modulare e standardizzata, rivolta al software che governa le Electronic Control Unit.

I componenti
Tutti i principali produttori di semiconduttori offrono dispositivi rivolti alle applicazioni “powertrain” e “body”. Nel caso dei microcontrollori, la specializzazione dei chip è ottenuta principalmente integrando un opportuno mix di periferiche e interfacce; tipiche del settore automobilistico sono ovviamente le interfacce per i bus Can, Lin, FlexRay. Per quanto riguarda i componenti di potenza, requisiti particolarmente stringenti sono posti dalle nuove applicazioni powertrain. I sistemi start-stop, ad esempio, possono essere implementati tramite un sistema integrato di avviamento-generazione o Isa (Integrated Starter Alternator) che richiede switch Mosfet caratterizzati da una resistenza elettrica estremamente bassa per poter gestire tensioni elevate riducendo la perdita di energia. I requisiti tipici di questo dispositivo prevedono un valore Rds-On di circa 0,5 milliohm e una corrente di oltre 200 ampere. Il basso valore di Rds-On è necessario anche per i Mosfet utilizzati nei servosterzo elettronici. Le applicazioni elettroniche powertrain e body richiedono inoltre il rilevamento di molte diverse grandezze fisiche e quindi una grande quantità di sensori, dai trasduttori di posizione fino ai sensori di particolato e di ammoniaca rivolti alla realizzazione dei sistemi per la riduzione delle emissioni.

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