L’elettronica fa correre l’auto

AUTOMOTIVE –

Soltanto le tecnologie elettroniche possono consentire all’industria automobilistica di soddisfare i requisiti oggi imposti agli autoveicoli in termini di sicurezza, riduzione dei consumi e delle emissioni, aumento del livello di confort.


Com'è noto, negli ultimi anni il contenuto elettronico degli autoveicoli è aumentato enormemente: oggi un'auto di fascia alta può utilizzare fino a un'ottantina di microcontrollori, per non parlare di tutti gli altri componenti necessari a realizzare sistemi completi. Soltanto le tecnologie elettroniche possono consentire all'industria automobilistica di soddisfare i requisiti oggi imposti agli autoveicoli in termini di sicurezza, riduzione dei consumi e delle emissioni, aumento del livello di comfort. Requisiti che nel prossimo futuro diverranno sempre più stringenti, aprendo la strada a un ulteriore aumento del contenuto elettronico in tutti i veicoli. L'automobile rappresenta quindi un campo applicativo estremamente importante per l'industria elettronica, particolarmente in un paese come l'Italia che conserva un ruolo di rilievo nel settore automobilistico e nel relativo indotto. In questo articolo cercheremo di fornire una panoramica complessiva sull'elettronica che è o sarà installata a bordo degli autoveicoli: a cosa serve, come funziona, quali componenti sono disponibili per realizzarla. Data l'estrema vastità del tema, la trattazione sarà necessariamente molto sintetica.

I diversi impieghi dell'elettronica negli autoveicoli
Per prima cosa occorre esaminare le motivazioni che determinano il continuo aumento del contenuto elettronico in un sistema meccanico come l'automobile. I diversi fattori in gioco possono essere classificati nel modo seguente.

• Sostituzione dei dispositivi elettromeccanici - A un primo, elementare livello si colloca l'adozione di interruttori a stato solido al posto dei tradizionali relé elettromeccanici, un aggiornamento che consente di ottenere vari vantaggi tra cui maggiore resistenza a shock e vibrazioni, maggiore durata, possibilità di comandare carichi in Pwm, diagnostica incorporata, tempi di reazione più brevi. Anche molte delle tradizionali “junction box” che controllano le lampadine, pertanto, sono oggi piene di semiconduttori. Si tratta di un'evoluzione che probabilmente avrebbe avuto luogo anche le auto di oggi fossero rimaste identiche a quelle di trent'anni fa. Rientrano in questa tendenza verso lo stato solido anche l'adozione dei Led per rimpiazzare le tradizionali lampadine (anche quelle dei fari abbaglianti, nel caso di alcuni nuovi modelli come l'Audi R8) e l'impiego di grandi display a cristalli liquidi per il cruscotto, al posto dei tradizionali strumenti.

• Aggiunta di servocomandi - Le auto moderne, soprattutto quelle di fascia alta, impiegano una grande quantità di motori e attuatori elettrici per sostituire l'azione manuale del guidatore o dei passeggeri nel movimento di varie parti del veicolo. Rientrano in questa categoria 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.

• Controllo elettronico degli organi meccanici - L'elettronica viene ampiamente utilizzata per controllare il funzionamento di vari organi meccanici, allo scopo di aumentarne le prestazioni. Tra i tanti possibili esempi di questo impiego sono compresi il controllo elettronico del motore, il controllo dei freni (Abs, Ebd, Esp), il controllo di trazione che evita lo slittamento delle ruote in accelerazione, le sospensioni intelligenti (nelle quali la rigidità viene regolata in funzione di vari parametri come le asperità del terreno, la velocità, il raggio di sterzata ecc.), le diverse soluzioni per l'automazione del cambio di velocità (tra cui la Automated Manual Transmission), ecc. Anche le prestazioni di sistemi di sicurezza come gli airbag possono essere migliorate grazie all'elettronica, ad esempio tramite sensori che rilevano il peso del passeggero per regolare il gonfiaggio del pallone.

• Eliminazione di organi meccanici - Anche nelle automobili, come nelle macchine automatiche, l'elettronica può consentire una significativa semplificazione della meccanica, con vantaggi in termini di ingombro, peso e costo. Rientrano in questa categoria le tecnologie “drive by wire”, che in futuro consentiranno la realizzazione di un posto guida basato su comandi elettronici paragonabili a quelli di un videogioco o di un simulatore. Il volante e i pedali saranno in realtà trasduttori di posizione (encoder) incaricati di rilevare le intenzioni del guidatore e trasmetterla via cavo ai sistemi elettronici. Nel caso dello sterzo (“steer by wire”) saranno eliminati il piantone del volante e i circuiti idraulici; la deviazione delle ruote sterzanti sarà affidata a un motore elettrico. Nel caso dei freni (“brake by wire”) verranno eliminati i circuiti idraulici comandati dal pedale. Attualmente le implementazioni pratiche di questa filosofia riguardano solo il pedale dell'acceleratore; in questo caso l'eliminazione del tradizionale cavo metallico consente ai sistema di muovere la valvola a farfalla per compensare le variazioni di carico anche se il piede sul pedale rimane fermo (Electronic Throttle Control). Un esempio estremo delle semplificazioni meccaniche ottenibili tramite l'elettronica è rappresentato dai futuri motori senza camme, nei quali l'apertura delle valvole di aspirazione e scarico non sarà più comandata dalle tradizionali camme meccaniche bensì da attuatori elettrici comandati elettronicamente. Questa particolare applicazione di “motion control” consentirà di eliminare non solo l'albero a camme, ma anche il motorino d'avviamento, poiché diverrà possibile innescare lo scoppio nei cilindri senza muovere l'albero motore. Una delle società maggiormente impegnate nello sviluppo di motori senza camme è la francese Valeo.

• Aggiunta di funzioni di assistenza alla guida - L'elettronica consente inoltre di aggiungere una serie di funzioni totalmente nuove e indipendenti rispetto alla struttura dell'autoveicolo tradizionale, in particolare i sistemi di assistenza alla guida che consentono di prevenire gli errori del guidatore. Rientrano in questa categoria i semplici sensori per la retromarcia, il “park assist” che oggi equipaggia anche alcune auto di fascia media, i dispositivi di regolazione della velocità in funzione della distanza dal veicolo che precede (Adaptive Cruise Control), il controllo elettronico di stabilità (ESP), i sistemi di ausilio alla visione notturna, i sistemi per prevenire i colpi di sonno, per evitare collisioni con pedoni, per rilevare l'uscita dalla corsia di marcia (Lane Departure Warning) ecc.

• Aggiunta di sistemi di intrattenimento basati su contenuti “off line” - Da tempo le auto possono essere equipaggiate con lettori MP3, lettori di Dvd per i passeggeri ecc.

• Aggiunta di sistemi di comunicazione wireless (“telematica”) - Oltre alla tradizionale radio AM-FM (oggi aggiornata per ricevere segnali digitali Dab), le auto sono o saranno dotate di un numero crescente di ricevitori o ricetrasmettitori di vario genere. Tra essi il ricevitore Gps per la navigazione satellitare, un eventuale telefono cellulare di bordo, ricevitori televisivi, terminali per l'accesso a Internet, radio a corto raggio (Wlan) per la trasmissione di dati diagnostici agli apparati di officina, oppure per la comunicazione con apparati collocati a lato della strada (Road Side Unit) e per lo scambio di dati con altri veicoli. Queste ultime applicazioni (che rientrano nel campo dei “sistemi di trasporto intelligenti”) utilizzeranno sistemi denominati Dsrc (Dedicated Short Range Communications) e saranno rivolti ad applicazioni quali la prevenzione delle collisioni agli incroci, la segnalazione di ambulanze o altri veicoli con priorità, il pagamento elettronico dei parcheggi, la visualizzazione sul cruscotto di messaggi corrispondenti ai segnali stradali ecc.

Principi di funzionamento di alcuni sistemi
Per avere un'idea del tipo di funzioni che l'elettronica è chiamata a svolgere negli autoveicoli, è utile esaminare brevemente - a titolo d'esempio - i principi su cui si basano alcuni dei sistemi precedentemente citati. Ricordiamo che molte delle soluzioni tecnologiche specificamente rivolte al settore automobilistico sono state ideate da grandi aziende specializzate come Bosch, Magneti Marelli, Vdo (oggi Continental) e Valeo.

• Controllo elettronico del motore - Nei moderni motori a scoppio l'elettronica è utilizzata 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. Il rilevamento di questi parametri, ovviamente, richiede altrettanti sensori. Ampio è anche l'impiego di attuatori elettrici: le iniezioni dei moderni motori diesel “common rail” ne utilizzano cinque o più, per posizionare diversi dispositivi meccanici (“flap”).

• Controllo dei 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. Complessivamente Abs, Ebd ed Esp richiedono trasduttori per rilevare la posizione del volante, la velocità delle ruote, la rotazione dell'auto sul proprio asse, l'accelerazione laterale ecc., oltre ovviamente agli attuatori dei freni.

• Prevenzione dei colpi di sonno - Il sistema proposto da Vdo, rivolto soprattutto agli autotreni, è basato su una telecamera a raggi infrarossi (funzionante anche al buio), che inquadra costantemente il viso del conducente. Un apposito software è in grado di riconoscere i sintomi di un imminente colpo di sonno, analizzando i tempi di chiusura delle palpebre e la direzione dello sguardo. Al verificarsi di un pericoloso calo di attenzione, il sistema reagisce immediatamente facendo vibrare il sedile di guida. Se i sintomi persistono anche dopo questa prima contromisura, il Driver Attention System invia al conducente una serie di segnali acustici sempre più forti, fino ad indurlo a fermarsi per una pausa di riposo.

• Integrazione tra funzioni diverse - Uno degli aspetti più promettenti consiste nella possibilità dello scambio di informazioni tra i diversi apparati elettronici installati a bordo del veicolo. Anche in questo caso alcuni esempi interessanti sono forniti dai sistemi che Vdo propone ai costruttori di autoarticolati. Si pensi a un veicolo in autostrada, costretto a frenare per motivi di traffico poco prima di raggiungere il casello di uscita; in questo caso lo scambio di dati tra il sistema di navigazione satellitare e il regolatore elettronico della velocità consentirà di evitare una inutile accelerazione a pochi metri dallo svincolo. L'integrazione tra i sistemi di telecomunicazione e la diagnostica, inoltre, aprirà la strada alla “telediagnosi predittiva”. L'elettronica di bordo rileverà continuamente i dati relativi al funzionamento degli organi meccanici (motore, raffreddamento, cambio e freni) e li trasmetterà all'officina tramite telefono Gsm. I tecnici potranno così individuare i sintomi di un guasto imminente e, tramite opportuni interventi di manutenzione, minimizzare il fermo degli automezzi. Per quanto riguarda la sicurezza, il sistema che previene i colpi di sonno potrà essere integrato con il sistema di segnalazione dell'allontanamento dalla corsia di marcia (Lane Departure Warning) e con il controllo della velocità e della distanza (Adaptive Cruise Control). Si può quindi immaginare la realizzazione di un sistema di sicurezza completo che - nel caso di un colpo di sonno prolungato - mantenga automaticamente l'autotreno all'interno della sua corsia e provveda poi ad arrestarlo. Quanto alle normali automobili, una delle possibilità allo studio è l'impiego delle informazioni Gps per comandare i fari orientabili: prima di una curva a destra, ad esempio, le lampade vengono orientate verso destra per migliorare la visibilità. Un altro possibile esempio di integrazione tra funzioni è il servizio che consente di applicare tariffe assicurative “a consumo” sfruttando i dati Gps. In Italia una soluzione di questo tipo è stata sviluppata da Magneti Marelli e Meta System.

L'architettura del sistema
L'elettronica installata a bordo della auto può essere descritta come 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). Vediamo ora, in termini assolutamente generali, l'architettura complessiva del sistema.

• La Electronic Control Unit (Ecu) - È un piccolo modulo elettronico incaricato di gestire una determinata parte o funzione del veicolo: motore, trasmissione, airbag, portiere, sedili, climatizzazione, Abs, sistema antislittamento, controllo elettronico di stabilità, park assist ecc. Anche le Ecu dedicate a funzioni apparentemente semplici possono essere in realtà piuttosto complesse, a causa della proliferazione di servocomandi elettrici (soprattutto nelle auto di fascia alta): la Ecu 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 Ecu 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. Una generica Ecu è un sistema elettronico embedded basato su microcontrollore, che riceve i segnali raccolti da vari sensori e comanda vari driver (semiconduttori di potenza).

• I bus per il trasferimento dei dati - 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. I principali bus appartenenti a questa categoria sono Can (Controller Area Network), Lin (Local Interconnect Network), FlexRay, Most (Media Oriented Systems Transport), PSI5 (Peripheral Sensor Interface 5), IEBus (Inter Equipment Bus), Apix (Automotive Pixel Link), rivolto alla trasmissione di immagini destinate ai display del cruscotto). Anche FireWire è utilizzato in campo automobilistico. “Selezione di Elettronica” si occuperà di questi bus in modo più approfondito tramite un articolo sul numero di novembre.

• Il software - La presenza di così tanti microcontrollori 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. Scopo di Autosar è aumentare il grado di indipendenza tra hardware e software, consentire il riutilizzo di elementi software esistenti, ridurre i tempi e i costi dello sviluppo. Questi obiettivi sono stati raggiunti tramite l'aggiunta di interfacce che incapsulano i diversi elementi, rendendoli compatibili tra loro. I microcontrollori, in particolare, si interfacciano con il resto del sistema tramite un driver software denominato Mcal (Microcontroller Abstraction Layer) che ha lo scopo di “disaccoppiarli” dal software. Ovviamente l'aggiunta di queste interfacce appesantisce il sistema, che quindi deve essere dotato di maggiore potenza di calcolo e memorie più grandi. I vantaggi, tuttavia, sembrano prevalere sugli svantaggi e infatti molti costruttori di automobili intendono introdurre modelli basati su Autosar entro il 2010.

• Le comunicazioni wireless - Un cenno, in particolare, alle Dsrc (Dedicated Short Range Communications) utilizzate per i sistemi di controllo del traffico. In Europa questi sistemi usano una banda collocata intorno ai 5,8 GHz e sono regolati da vari standard EN.

Le caratteristiche dei componenti
Gli apparati elettronici installati a bordo dei moderni autoveicoli impiegano un'enorme varietà di semiconduttori analogici e digitali. Qui ci limiteremo ad esaminare alcune tipologie di dispositivi particolarmente importanti, evidenziando alcuni dei requisiti posti dalle applicazioni automobilistiche.

• Microcontrollori - Le auto impiegano una grande varietà di microcontrollori a 8, 16 e 32 bit, con potenze di calcolo che possono raggiungere le centinaia di Mips. Tutti i principali produttori di microcontrollori offrono vaste gamme di modelli specificamente rivolti al settore automobilistico, con sottofamiglie specializzate per specifiche tipologie di Ecu. Esistono, ad esempio, microcontrollori orientati ai sistemi di chiusura centralizzata e antifurto, oppure alla climatizzazione e al cruscotto ecc. Come sempre avviene nel caso dei microcontrollori, la specializzazione dei chip è ottenuta integrando un opportuno mix di periferiche. Tipiche del settore automobilistico sono le interfacce per i bus Can, Lin, FlexRay. Spesso i microcontrolliri per automotive sono dotati inoltre di particolari accorgimenti circuitali volti ad aumentare la sicurezza del funzionamento.

• Driver - Il controllo di carichi elettrici di vario genere (lampade, motori, solenoidi ecc.) richiede una grande varietà di componenti di potenza, dai semplici Mosfet fino a componenti “smart power” o “intelligent power” che offrono numerose funzioni accessorie (protezioni contro cortocircuiti, inversione di polarità, temperature eccessive; rilevamento di carichi guasti ecc.). Il mercato offre anche componenti specificamente rivolti ad applicazioni automobilistiche particolari: ad esempio singoli dispositivi per il pilotaggio di tutti gli attuatori della portiera, oppure di tutti gli indicatori di direzione, o ancora H-bridge integrati per il pilotaggio di motori elettrici.

• Sensori - Le auto moderne impiegano una grande quantità di sensori per la misura e la trasduzione di molte diverse grandezze fisiche: temperatura, pressione, posizione, accelerazione, velocità, sostanze chimiche nei gas (sonda lambda) ecc. Ampiamente utilizzati sono gli encoder magnetici a effetto Hall e gli accelerometri Mems (sistemi micro-elettromeccanici). Non mancano sensori incaricati di misurare temperatura e pressione dei pneumatici.

• Regolatori di tensione - Tutta l'elettronica installata a bordo del veicolo deve essere alimentata tramite l'energia fornita dalla batteria. Ciò crea un insieme di esigenze particolari, sia per la natura dell'ambiente (variazioni di tensione dovute ai cambiamenti di temperatura, disturbi elettrici) sia per la compresenza di tanti dispositivi in spazi ridotti. Uno degli accorgimenti adottati da alcuni regolatori switching, ad esempio, è l'impiego di una frequenza di commutazione che cade fuori dalla banda AM, per evitare di disturbare l'autoradio. Inoltre la necessità di mantenere accesi alcuni circuiti anche quando il motore è spento (ad esempio il ricevitore del telecomando per l'apertura delle portiere, l'antifurto) richiede alimentatori caratterizzati da basse correnti di quiescenza per evitare di scaricare la batteria.

L'affidabilità, un problema aperto
Il buon funzionamento dei sistemi elettronici installati a bordo degli autoveicoli è indispensabile per garantire l'incolumità delle persone. In futuro le “responsabilità” dell'elettronica aumenteranno ulteriormente con l'adozione dei sistemi “steer by wire” e “brake by wire”, che in caso di guasto rendono l'auto totalmente ingovernabile. Purtroppo l'automobile è un ambiente piuttosto ostile ai dispositivi elettronici, per la presenza di temperature elevate e di forti disturbi elettromagnetici. La compresenza di queste due circostanze contrastanti richiede un'estrema attenzione per il tema dell'affidabilità, che in campo automobilistico deve essere affrontato con approcci particolarmente severi. Attualmente l'affidabilità dei singoli semiconduttori, in riferimento alle sollecitazioni termiche ed elettromagnetiche, è garantita dagli standard AEC-Q100, creati nel 1994 dall'Aec (Automotive Electronics Council). La conformità agli standard Aec-Q100 certifica l'affidabilità e la qualità dei componenti elettronici, accreditandoli come prodotti adatti all'uso negli ambienti più gravosi degli autoveicoli senza necessità di ulteriori collaudi di accettazione a livello di componente. Esistono inoltre standard di qualità per la scrittura di software automotive, come le linee guida Misra sviluppate in Gran Bretagna. A un livello più complessivo, l'aumento del livello di affidabilità nell'elettronica a bordo dei veicoli viene perseguito tramite una combinazione di tecniche tra cui strategie di gestione dei guasti e la ridondanza dei componenti. Per quanto riguarda inoltre i sistemi di qualità aziendale i produttori di componenti per automotive sono tenuti a seguire la norma Iso/TS 16949 e il Ppap (Production Part Approval Process) messo a punto dall'Automotive Industry Action Group.
Secondo alcuni esperti, tuttavia, il livello di affidabilità oggi raggiunto dai sistemi elettronici e tuttora insufficiente per le applicazioni automobilistiche. Per quanto riguarda i “soft error” (difetti di stato).che possono colpire i circuiti integrati, la distanza tra l'affidabilità dei chip oggi prodotti e i requisiti di sicurezza fissati dagli standard sarebbe tuttora di tre-cinque ordini di grandezza. Gli odierni dispositivi, infatti, presentano una difettosità di circa 1000 Fit, mentre i valori richiesti sono di 1 Fit o anche (in particolari applicazioni) 0,01 Fit. Ricordiamo che 1 Fit (Failure unIT) è definito come un guasto nell'arco di un miliardo di ore. Sempre secondo alcuni esperti, uno dei problemi principali riguarda l'immunità ai disturbi elettromagnetici, che oggi viene verificata tramite test ritenuti assolutamente insufficienti.

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