Современный автомобиль — это концентратор датчиков и сенсоров. Если в обычном семейном автомобиле установлено несколько десятков датчиков, то в люксовых моделях их число может превышать двести. И значительная часть этих систем работает благодаря уникальному свойству пьезокерамики — способности преобразовывать электрическую энергию в механическое движение и наоборот.
Материалы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС, PZT) занимают ключевое место в современной автомобильной электронике. Это позволяет создавать высокоточные, надежные и компактные компоненты для систем активной безопасности, комфорта и помощи водителю (ADAS).
На нашем производстве мы разрабатываем и изготавливаем пьезоэлементы для ключевых областей автомобильной промышленности. В этой статье рассмотрим как уже ставшие стандартом решения, так и перспективные направления применения пьезоэффекта в автомобилях.
Ультразвуковые датчик парковки (парктроники, парковочные радары, акустические парковочные системы — АПС) стали обязательным элементом современных автомобилей. Их работа полностью основана на пьезоэффекте.
Принцип работы: Пьезоэлектрический излучатель, встроенный в датчик (обычно в бампере), генерирует высокочастотный ультразвуковой импульс (порядка 40–48 кГц). Если на пути импульса встречается препятствие, он отражается и возвращается обратно. Тот же самый пьезоэлемент (или отдельный приемный элемент) работает в режиме приемника: отраженная звуковая волна деформирует керамику, и на ее электродах возникает электрический сигнал. Электронный блок управления (ЭБУ) вычисляет расстояние до препятствия, замеряя время между отправкой и приемом сигнала.
Требования к материалам и исполнению: Для датчиков парктроника критически важны высокая чувствительность (для приема слабых отраженных сигналов) и стабильность резонансной частоты.
Для этих целей идеально подходят мягкие пьезокерамики с высоким пьезомодулем (наши материалы марок PZT-50HD, PZT-53HD). Они обеспечивают максимальную амплитуру сигнала и четкое распознавание препятствий.
Пьезоэлементы для парктроников часто имеют форму дисков или колец, залитых в прочный герметик для защиты от внешних воздействий (влага, грязь, перепады температур, реагенты).
Еще одна важная область применения пьезокерамики в автомобиле — охранные системы и системы сигнализации. Здесь пьезодатчики используются для регистрации механических воздействий на элементы кузова.
Принцип работы: Пьезоэлектрический датчик (часто называемый также датчиком удара, вибрации или акселерометром) жестко крепится к защищаемой поверхности — стеклу, двери, детали кузова. При попытке проникновения в автомобиль (удар по стеклу, вибрация от работы инструмента, раскачивание кузова) механическое напряжение передается на пьезоэлемент. Пьезоэлемент, работающий в режиме датчика, преобразует эту деформацию в электрический сигнал. ЭБУ сигнализации анализирует амплитуду и длительность сигнала, чтобы отличить ложное срабатывание (ветер, проехавший грузовик) от реальной угрозы.
Современные двигатели требуют постоянного контроля для эффективной и безопасной работы. Пьезокерамика играет здесь ключевую роль.
Это один из самых известных пьезо-автомобильных компонентов. Датчик крепится на блоке цилиндров и улавливает вибрации, возникающие при детонационном сгорании топлива. Пьезоэлемент преобразует эти вибрации в электрический сигнал, который поступает в ЭБУ двигателя. Блок управления корректирует угол опережения зажигания, предотвращая разрушительные последствия детонации и сохраняя ресурс мотора.
В современных дизельных и бензиновых двигателях с непосредственным впрыском используются пьезоэлектрические форсунки (пьезоинжекторы). Благодаря обратному пьезоэффекту, пьезоэлемент в форсунке способен срабатывать в миллисекунды, обеспечивая сверхточную дозировку топлива. Это снижает расход, повышает мощность и уменьшает токсичность выхлопа. Именно высокая скорость реакции пьезокерамики делает ее незаменимой в этих системах.
Обратный пьезоэффект (преобразование электричества в механическое движение) активно используется не только в инжекторах, но и для управления элементами комфорта.
Пьезоэлектрические актуаторы (исполнительные устройства) могут применяться для привода:
Пьезоакселерометры являются критически важным компонентом системы подушек безопасности. Эти датчики постоянно отслеживают ускорение автомобиля. При резком замедлении, характерном для лобового столкновения, пьезоэлемент генерирует сигнал, который мгновенно запускает алгоритм раскрытия подушек безопасности и натяжения ремней. Скорость реакции здесь измеряется миллисекундами, и пьезокерамика обеспечивает эту скорость наилучшим образом.
Современная автомобильная электроника не стоит на месте, и пьезокерамика открывает новые возможности.
Для снижения вибраций от двигателя на холостом ходу разрабатываются активные опоры (active mounts). Принцип их работы основан на том, что пьезоактуатор, получая сигнал от системы управления, создает колебания в противофазе к вибрациям двигателя, эффективно гася их. Это делает поездку тише и комфортнее.
Системы контроля давления в шинах (TPMS) с автономным питанием:
Одно из самых перспективных направлений — использование пьезокерамики как источника энергии. В шине датчик давления может питаться от встроенного пьезоэлемента. При вращении колеса пьезоэлемент постоянно сжимается и разжимается, вырабатывая электричество. Это позволяет делать датчики TPMS полностью автономными, без необходимости замены батареек.
Говоря о роли пьезоматериалов в автомобиле, нельзя не упомянуть многослойные керамические конденсаторы (MLCC). Хотя это не пьезоэлемент в чистом виде, они производятся по схожей керамической технологии и являются основой любой электроники.
Спрос на MLCC в автомобилях колоссален и напрямую зависит от степени электрификации:
Пьезокерамика проникла во все уголки современного автомобиля: от привычных датчиков удара в сигнализации до высокотехнологичных систем автономного вождения и электромобилей. Мы производим широкий спектр пьезоэлементов, готовых к работе в жестких условиях эксплуатации, и всегда открыты к сотрудничеству с разработчиками автомобильной электроники.