22 let na trhu autoopravárenství

Budoucnost řídicích jednotek – 1

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 1+2/2018.

 

<Toto je novy, samostatny serial>

 

<prosim logo Secons>

<modra>

 

TECHNIKA

DIAGNOSTIKA

 

Text: Martin Hinner

Foto: archiv společnosti Secons

 

Budoucnost řídicích jednotek – 1 <jednicka je cislo dilu>

 

Vážení čtenáři, v rámci miniseriálu poodhalí jeho autor, Martin Hinner ze společnosti Secons, evoluci či revoluci řídicích jednotek ve vozidlech. V úvodu se nejdříve poohlédne do historie, jinak si lze jen těžko udělat obrázek o možném budoucím vývoji.

 

Nejnovější trendy řídicích elektronických systémů lze nalézt zejména v exkluzivních značkách nebo speciálních vozech. Například první airbag byl od roku 1981 ve vozech Mercedes-Benz, konkrétně vlajkové S třídě W126. Dva airbagy jako standardní výbava byly později ve vozech Porsche 944. Tento miniseriál bude tak trochu o této kategorii prémiových vozidel ve vztahu k nejnovější technice, ale poohlédne se i do historie, jinak si lze těžko udělat obrázek o možném budoucím vývoji.

 

Řídicí jednotky v dopravních prostředcích prochází velmi dynamickým vývojem, který v podstatě kopíruje možnosti elektroniky, a tím i dynamiku rozvoje. Čím více se zlepšují výpočetní možnosti systémů, tím se zpřesňuje řízení jednotlivých komponent vozidla (motor, brzdy, podvozek atd.).

 

Vývoj řídicích jednotek

První řídicí jednotky pro zapalování a vstřikování byly veskrze analogové a vyskytovaly se zejména v exkluzivních automobilech (např. Ferrari, Porsche). Analogové části byly dále postupně nahrazovány digitálním obvodem, v Evropě většinou postaveným na procesorech řady i8051 (Američané i Japonci šli vlastní cestou specifických obvodů). Postupem času začaly mizet analogové komponenty a vše se přesouvalo do digitální části. Na plošném spoji tak zůstala řada integrovaných obvodů, které spolu komunikují většinou digitálně a pouze koncové prvky jsou analogové.

 

Tento trend pokračuje i v dnešní době, kdy dochází k integraci jednotlivých prvků do několika málo obvodů. Existují tak řídicí jednotky, kdy např. celý motor je řízen pouze chytrým „broukem“, tzv. SoC (system-on-chip). V tomto směru Evropu a Ameriku trošku předběhli Japonci, kteří byli už delší dobu známi svými „tisícinožičkovými“ specifickými obvody, které řeší v podstatě „všechno uvnitř“. Tento trend se dá očekávat i do budoucna. S rozšiřováním funkcionality moderních vozidel se vyplácí výrobcům integrovaných obvodů, protože se zvětšujícími se sériemi je finální výrobek (řídicí jednotka) díky vyššímu stupni integrace levnější. Nevýhoda pro aftermarketové servisy je ve složitosti, nebo dokonce nemožnosti oprav řídicích jednotek. Oprava, kdy dochází k výměně nejdražšího obvodu, který řeší „téměř vše“, je velmi nerentabilní.

 

<toto prosim do samostatneho ramecku, ale souvisi to s predchozim textem>

Víte, že první „elektronické zapalování“ v motocyklech, resp. mopedech, měla československá Babetta typ 207?

Magická krabička JTZ („jednotka tyristorového zapalování“) byla vlastně triviální „analogovou“ řídicí jednotkou (obr. 1). Šlo o tzv. CDI zapalování, kdy se z alternátoru nabíjel kondenzátor na vysoké napětí a v okamžik zážehu se energie nashromážděná v kondenzátoru vybila přes zapalovací cívku, která zažehla jiskru. Takovou řídicí jednotku lze snadno „sestavit“ z šuplíkových součástek (obr. 2), v případě nouze třeba i rozebráním staré televize ponechané ve sběrném dvoře. Na obr. 3 je průběh impulzu zapalování demonstrující funkci zapalovacího modulu Babetta JTZ. Horní signál je impulz otevření tyristoru, který vybije kondenzátor nabitý energií pro zážeh, dolní je zarušený signál z impulzní cívky

 

Obdobnou funkci plnila v automobilech, konkrétně v Porsche 928, řídicí jednotka Bosch EZ-K, ta však přidává mnoho dalších vlastností, které umožnilo digitální zpracování signálu, a nešlo jen o pouhou fixní transformaci signálu. A samozřejmě to není CDI zapalování, ale TCI. Porsche 928 mělo dvě oddělené řídicí jednotky pro motor (obr. 4): jednu určenou pro řízení dávkování paliva (LH2.x Injection), druhou pro určení okamžiku zažehnutí (EZ-K Ignition). Každá obsahovala 8 kB kódu a běžný MSC51 mikroprocesor. Tato řídicí jednotka měla již „plnohodnotnou“ diagnostiku.

<konec ramecku>

 

Technologie řídicích jednotek

Dynamickým rozvojem prošla také technologie výroby řídicích jednotek. Na počátku byly jednoduché dvou- nebo čtyřvrstvé plošné spoje. Za předpokladu, že bylo odkud brát součástky na výměnu, šla řídicí jednotka opravit nebo „naklonovat“ do jiné, bez nejmenších problémů (obr. 5). Potíže z konce devadesátých let přinesly pouze řídicí jednotky postavené na tzv. hybridní plošném spoji, který nelze snadno opravovat v domácích podmínkách (spoje – tzv. bondy – nejsou pájené a amatérská oprava zapájením většinou nevede k uspokojivě dlouhodobě funkčnímu propojení). Dalším problémem oprav jsou neustále se zmenšující rozměry součástek. Vyměnit velký DIL obvod (např. v jednotce Motronic M1.x) nečiní problém snad nikomu. Situace se komplikuje u novějších jednotek (obr. 6), ale i tak je realizovatelná v amatérských podmínkách zkušenějšího elektronika.

 

Přibližně od roku 2003 se běžně začaly používat obvody v tzv. BGA a QFN pouzdrech, tzn. spoj je pod plochou integrovaného obvodu (obr. 7 a obr. 8). Vyměnit takovou součástku již vyžaduje buď hodně praxe, nebo dobré vybavení (obr. 9). Zásadní problém těchto řídicích jednotek je v tom, že použité obvody obsahují kromě mnoha funkčních celků i paměti a pro výměnu v řídicí jednotce je nutné je přeprogramovat. Problém je tedy obecně dvojí, výměně brání jak složitost procesu (obr. 10), tak i data.

 

Do budoucna se dá očekávat ještě vyšší stupeň integrace (tzn. řídicí jednotky, kde je minimum obvodů, ty ale dělají stále více věcí) a stále složitější technologie výroby plošného spoje (a s tím spojená složitost či nemožnost oprav).

 

Velikost programů v řídicích jednotkách

Složitost a rozvoj řídicích jednotek lze sledovat i na velikosti programu a dat v nich uložených. Řekl bych, že to je zřejmě nejlepší metoda na laické posouzení toho, kolik věcí řídicí jednotka umí, ve vozidle řeší, a s jakou „přesností“. Pro rychlé posouzení vývoje najdete v Tabulce 1 porovnání motorových řídicích jednotek Bosch. V pamětech jsou společně uloženy program a data – tzv. „mapy“. Do jejich velikosti je nutné započítat i jistý nevyužitý prostor, který hlavně se snižující se cenou flash paměti začíná být značný.

 

Specifikem jsou „multimediální“ systémy, které ze své podstaty musí uchovávat obrovské množství dat (obrázky, mapové podklady, zvuky atd.). Tímto se nebudu zabývat, protože těžko lze porovnat kapacitu s funkcionalitou (požadavky mohou být relativně „bezedné“ a objem dat se snadno multiplikuje přidáním např. dalšího navigačního hlasu). Omezme se tedy na „tradiční“ řídicí systémy, mimo oblast infotainment.

 

<v tabulce prosim neoddělovat 1000>

Řídicí jednotka Rok Příklad modelů Velikost (EP)ROM/Flash
Jetronic 1982 Volvo 240, Porsche 928 4 kB – 32 kB
Motronic M1.x 1987 BMW 3 E36 32 kB – 64 kB
Motronic M3.x 1995 BMW (M50B25) 128 kB
Motronic ME3.x 1998 Fiat / Alfa 256 kB
Motronic ME7.x 2002 Porsche Cayman 987 512 kB – 1024 kB
Motronic ME(D)9.x 2004 BMW 5 E60 2048 kB
Motronic ME(VD)17 2009 BMW 7 F01 apod. 4096 – 8192 kB

Tabulka 1: Velikost flash paměti řídicích jednotek Bosch pro zážehové motory.

 

Pro ilustraci a pro počítačové „pamětníky“: celý operační systém MS-DOS byl distribuován na jedné disketě o kapacitě cca 1 440 kB, tj. velikost flash paměti většiny motorových řídicích jednotek asi od roku 2003 by pojala celou instalaci tohoto operačního systému pro „dospělé počítače“. Osobně pevně doufám, že jednou nebudu obdobně nostalgicky vzpomínat na velikost současné instalace Microsoft Windows ve vztahu k budoucím řídicím jednotkám :-).

 

Zcela určitě se dá očekávat, že kapacita paměti řídicích jednotek bude ještě narůstat, zejména s ohledem na rozvoj nových algoritmů, především u systémů autonomního řízení. V této oblasti má dle mého názoru opodstatnění a funkční přínos. Druhým aspektem je další stupeň „modularizace“ řídicích systémů, kdy si výrobci zjednodušují vývoj a dochází k duplikování programového kódu či přidávání zbytného programového kódu. Pozitivní efekt pro zákazníka může být ve zlevnění vývoje, negativní je zvýšení možnosti poruchy.

 

Pokračování příště.

 

V článku bylo použito materiálů společnosti SECONS s. r. o., info@secons.com.

 

<Popisky obrazku:>

Obr. 1: Velmi jednoduché CDI zapalování, sestavené tak, aby bylo co nejlevnější. Nelze odebrat ani jedinou komponentu, aby zůstalo funkční.

Obr. 2: Babetta home-made zapalování ze šuplíkových zásob.

Obr. 3: Oscilogram tyristorového zapalování JTZ.

Obr. 4: Dvě oddělené řídicí jednotky pro motor vozu Porsche 928.

Obr. 5: Jednoduchá řídicí jednotka Bosch Motronic M, kterou lze snadno opravovat. Alespoň do doby, dokud bude odkud „brát“ součástky.

Obr. 6: Řídicí jednotka Bosch Motronic ME – jednoduše opravitelná s relativně běžnými komponentami.

Obr. 7: Řídicí jednotka Motronic MED9. Počátek použití obvodů v BGA pouzdře (spoje zapájenými „kuličkami“).

Obr. 8: Nezapájený BGA obvod. Zapájením dojde k roztavení kuliček a vytvoření trvalého spojení s deskou plošného spoje.

Obr. 9: Řídicí jednotka Bosch MED17. Zde již začínají problémy s opravami a výměnami kvůli příliš chráněnému procesoru.

Obr. 10: Řídicí jednotka Bosch EDC17. Zde nelze bez příslušné techniky a šikovnosti nebo drahých nástrojů ani přepájet procesor.