車両電気システム入門

高度な電気システムの導入により、現代の自動車分野は変革を遂げました。車両の機能は、必須のライティングや点火から高度な安全機能やインフォテインメントに至るまでの基本的な動作を駆動するこれらのシステムに大きく依存しています。自動車のエンジニアや技術者にとって、車両の電気システムを理解することは、新しく現れた電子技術と従来の機械工学の原理を融合させるという点において、極めて重要です。

定義: 車両内の電気部品、配線、回路で構成されるネットワークは、車両全体にわたって電気エネルギーを生成、蓄積、分配する役割を担う電気システムを構成します。干渉や障害を引き起こすことなく、さまざまなサブシステムにシームレスに電力を供給するには、この複雑なネットワークを慎重に設計し、保守することが不可欠です。

部品

車両の電気システムは、以下の主要部品で構成されています。

バッテリー: 主な電気エネルギープールとして機能し、エンジンが停止しているときに電力を供給し、エンジンの始動プロセスの開始を支援します。現在、リチウム電池が好まれるタイプとしてますます主流となっており、新しく製造された車両の12Vシステムにまで広がっています。

オルタネータ: エンジン作動中に電気エネルギーを生成し、バッテリーの充電を維持し、内部の電圧レギュレータの助けを借りて車両の電気部品に電力を供給する役割を担います。

スタータ: スタータはバッテリーからエネルギーを引き出し、エンジンを回転させ、エンジンの機能を開始するために使用されます。

配線とコネクタ: ケーブルと接続のネットワークは、車両内の電気部品と回路を相互接続し、システム全体にわたるエネルギーと信号の伝送を容易にします。

ヒューズとリレー: 安全機能は、電気的過負荷を回避し、低電力回路を介して高電力デバイスを管理できるように設計されています。

図11 : 車両電気システムの主要部品

機能性: さまざまな車両の動作を制御するために必要な電気エネルギーを生成、分配、処理することが、車両の電気システムの主な機能です。これらのシステムは、モバイルデバイスの充電からエンジンの始動まで、幅広い利便性と要件を実現します。

エレクトロニクスとの統合: 電子制御デバイスの増加に伴い、車両における電気システムと電子システムの区別はますます曖昧になってきています。現在の電気システムは、電子制御ユニット、センサ、アクチュエータ、通信ネットワークとシームレスに融合し、高度な制御とシームレスな通信につながる統一されたエコシステムを確立しています。

進化: 自動車業界における技術の進歩は、車両の電気システムの出現によって表れています。ライティングと点火用のシンプルな電気回路は、初期の車両に依存しています。パワーウィンドウ、エアコン、高度な安全システムの導入により、複雑な電気アーキテクチャが開発されました。現在では、電気自動車やハイブリッド車の可能性は広がり続けており、高電圧アプリケーション向けにカスタマイズされた複雑で高効率な電気システムが求められています。

自動車工学においては、車両の電気システムの概要を知ることで、非常に重要かつ多面的な分野を垣間見ることができます。車両の進化に伴い、車両の複雑さと機能が増大し、電気システムの重要性が高まっています。これには、原則、部品、最適な実践方法を包括的に把握することが必要です。この基礎を身に付けることで、エンジニアや技術者は、従来の内燃機関であれ最先端の電気自動車であれ、現在の自動車がもたらす課題に巧みに取り組み、チャンスをつかむことができます。車両の電気システムに固有の複雑さを受け入れることは、イノベーションを刺激するだけでなく、世界を相互接続する車両の安全性、効率性、信頼性を保証することにもなります。

車両における電気システムの役割

最新の自動車では、電気システムは電力を供給するという従来の役割を超えて、さまざまなサブシステム、特に電子機器と複雑に相互作用する多面的な部品へと進化しています。このセクションでは、電気システムの重要性と電子部品とのダイナミックな連携について詳しく説明し、統一された効果的な運用を確立するための両者の連携した取り組みに焦点を当てます。

電子システムとの相互作用

システムの統合: 車両の電気システムは、独立した存在を超えて進化し、現在では電子システムと複雑に相互接続しています。車両がより高度なテクノロジーを採用するにつれて、電気システムと電子システムの統合の複雑さが著しく増加しています。電気システムと電子システム間の通信は、エンジン制御ユニット (ECU) から先進運転支援システム (ADAS) まで広く普及しています。

制御と通信: 電子システムに必要な電力は電気システムによって供給されますが、その役割はこの基本機能を超えています。車両の異なる部分間の制御は、電気システムによって容易になります。センサ信号がECUに中継され、取得したデータに基づいてアクチュエータを制御する場合を考えてみましょう。この継続的なサイクルにより、リアルタイムの調整とパフォーマンスの最適化が容易になります。

相互接続されたネットワーク: 異なる電子機器間の通信は、ローカル相互接続ネットワーク (LIN) やコントローラエリアネットワーク (CAN) などのネットワークを備えた車両によって可能になります。多様なサブシステム間のスムーズな通信と調整を保証するには、電気システムがこれらのネットワークに信頼性の高い電力を一貫して供給する必要があります。

エネルギー効率: 電気システムと電子システムの連携により、エネルギー管理と効率が向上します。ハイブリッド車や電気自動車の回生ブレーキなどのシステムは、運動エネルギーを捕捉して電気エネルギーに変換し、生成された電力をバッテリーに蓄えます。この相互作用は、現代の省エネ戦略における重要な役割を実証し、電気システムの重要性を浮き彫りにします。

安全性と信頼性: 安全性と信頼性を確保するには、電気システムと電子システムの相乗効果が依然として重要です。電気部品と電子部品の完璧な同期は、アンチロックブレーキシステム (ABS) や電子安定性制御 (ESC) などの安全機能の基礎となります。多くのシステムには故障検出と診断機能が組み込まれており、潜在的な問題を早期に特定することができます。

ユーザーインタフェースと利便性: 電気システムは、電子制御ユニットに電力を供給するだけでなく、タッチスクリーンやディスプレイユニットなどのユーザーインタフェースにも電力を供給します。これらのインタフェースは、ナビゲーション、エンターテイメント、空調管理などのさまざまな車両機能との相互作用を可能にし、運転者と乗員の両方にとって電気システムと電子システムの切っても切れないつながりを強調します。

車両内の電気システムの広範囲かつ多面的な関与、特に電子システムとの相互作用は非常に重要です。このコラボレーションにより、複雑な制御、効率、安全性、コミュニケーション、ユーザーの利便性が向上します。テクノロジーの継続的な進化に伴い、自動車の設計とエンジニアリングの中心となるのは、電気システムと電子システム間のシームレスな統合と相互作用を確保し続けます。現代社会の要求を満たす、先進的かつ効率的で安全な車両を生産するには、この関係を理解することが重要です。これは、車両が単なる交通手段としてだけではなく、相互接続されたテクノロジーが織り交ぜられた複雑なエコシステムへと進化する未来像を描いています。

発電と配電

車両の電気システムの中核には発電と配電があり、シームレスな動作、安全性、利便性を確保するために不可欠な無数のデバイスとサブシステムを支えています。このセクションでは、オルタネータとスタータ、リレーとコンタクタ、電力分配ユニットなど、電力生成と配電の基本要素について説明します。

オルタネータとスタータ

オルタネータ:

車両内での継続的な電力生成において、オルタネータは重要な役割を果たします。エンジンが作動すると、これらのシステムはクランクシャフトからの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換します。この電気は、バッテリーを充電し、車内のさまざまな電気システムに電力を供給するという2つの目的を果たします。

設計と運用: 現代のオルタネータの構成は、一般的に、整流器、ロータ、ステータ、電圧レギュレータから構成されます。ロータが磁場内で回転すると、ステータの巻線内で交流電流 (AC) が生成されます。その後、整流器の機能は、この交流電流 (AC) を直流電流 (DC) に変換し、車両の電気要件を満たすことです。

レギュレーション: 電圧レギュレータは、約14.5Vの電圧供給を確保し、出力電圧を指定された制限内に維持します。注目すべきは、電圧レギュレータは通常、ほぼ一定の電圧を保証しますが、必ずしも完全に信頼できるわけではないということです。したがって、バッテリーで駆動するすべてのモジュールは、9V ～ 18Vの範囲内で動作するという普遍的な要件を満たす必要があります。さらに、ネットワーク通信は、バッテリー電圧が6Vと低い場合でも機能を維持する必要があります。

スタータ:

燃焼プロセスを開始するために、スタータはエンジンを始動させる役割を果たします。始動段階でエンジンを回転させるために、バッテリーからの電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。

設計: スタータには、ソレノイド、ギア、モータ、ピニオンギア、および駆動機構が備わっています。ソレノイドはピニオンギアをフライホイールと噛み合わせ、点火スイッチを回すとモータがエンジンを回転させます。

重要性: スタータが故障すると車両が作動しなくなる可能性があるため、スタータは堅牢で信頼性が高くなければなりません。

スタータはバッテリーライン上で「クランキング」と呼ばれる過渡現象を発生させることを強調しておきたいと思います。気温が低い場合、このクランキング効果は強まり、バッテリー電圧が3Vまで低下する可能性があります。これは、バッテリー電源の過渡耐性基準と一致します。この現象は一般に、「コールドクランキング」と呼ばれます。

図12 : スタータの写真

リレーとコンタクタ

リレー:

車内の回路を制御する電気スイッチはリレーと呼ばれます。

機能性: リレーは、小さな信号を利用して非常に大きな電流を制御することで、ファン、ヘッドライト、燃料ポンプなどの低電圧システム内の部品の管理を容易にします。

タイプ: リレーには、ソリッドステートリレー、電磁リレー、サーマルリレーなどさまざまなタイプがあり、それぞれ異なるアプリケーションに対応します。

自動車用リレーの一般的な定格は12V ～ 48V、30Aです。低電圧システムが対象ユーザーです。

連絡先:

コンタクタはリレーと同様の原理に基づいて動作しますが、高電力レベルの管理に適した設計になっており、電気自動車のアプリケーションでよく使用されます。

使用事例: コンタクタは電気自動車で頻繁に使用され、バッテリーパックの安全な接続または切断を容易にして、安全な動作条件を確保します。請負業者は、車載高電圧充電器システムに別のアプリケーションを見つけ、EV充電装置と車載チャージャをリンクさせます。

バス上の電気負荷は、リレーまたはコンタクタを閉じるときに、入力容量により突入電流を生成します。この突入電流は、通常の公称電流消費量の10 ～ 100倍に達する可能性があります。したがって、アプリケーションに適したリレーまたはコンタクタを選択するときは、車両の寿命の間にわたって突入電流の発生頻度に耐える能力を評価することが極めて重要です。

負荷が電流を流している間に接点が開くと、ケーブルのインダクタンスによって生じる誘導性の反発により、電源ケーブルに沿って電圧過渡が発生します。過度の電圧過渡によりスイッチが損傷する可能性があります。

配電ユニット (PDU)

車両全体の電力の割り当てはPDUによって制御され、それぞれの要件に基づいてさまざまなサブシステムに電力が送られます。

機能性: 電力を効率的に分配し、過電流や短絡状態からの安全性を確保するために、PDUにはリレー、スイッチ、ヒューズが含まれています。

統合: 診断機能とインテリジェントな電源管理を提供する高度なPDUは、車両制御システムに組み込まれています。

車内で電力を生成し、分配する複雑なプロセスには、それぞれが特定の役割と特性を持つ異なる部品間の多面的な相互作用が伴います。スタータを使用してエンジンの動作を開始し、オルタネータを介して車両の電気要件を継続的に供給し、リレーとコンタクタを介して高出力デバイスを監視し、PDUを介して電力を効率的に分配するこれらの要素は、車両の電気インフラストラクチャの基本的なフレームワークを構成します。現代の輸送システムの信頼性と有効性を保証しようと努力している自動車エンジニアや技術者にとって、その動作、機能性、統合を理解することは極めて重要です。

配線とケーブル

配線とケーブルの複雑なネットワークは車両の神経システムとして機能し、自動車内のさまざまな部品とシステムを相互接続します。このセクションでは、このネットワークの主要部品に関する広範な概要を示します。配線ハーネス、コネクタ、端子、および車両の機能を維持する上でのそれらの重要な機能が徹底的に検討します。

配線ハーネス

電気ケーブルや電線を組み立てたものは、配線ハーネスと呼ばれ、自動車全体に信号や電力を伝送する電線管として機能します。これらの設計は、配線システムの編成を最大限に高め、部品を保護しながら動作の柔軟性を確保することを目的としています。

設計と構造:

断熱材と電線管: ハーネス内のワイヤの絶縁により短絡が防止され、湿気、熱、摩耗などの環境要素に耐えられるように保護電線管にワイヤが束ねられることがよくあります。

ルーティングとレイアウト: 電磁障害 (EMI) を最小限に抑え、摩耗や損傷の可能性を減らし、同時に診断と修理を容易にするためには、配線ハーネスのレイアウトを慎重に計画することが不可欠です。

規格化: 配線ハーネスの設計は業界標準に準拠しており、さまざまなメーカーやモデル間での互換性、安全性、品質の一貫性を保証します。

機能とアプリケーション:

信号と電力の伝達: コントローラ、センサ、アクチュエータ、およびさまざまなエレクトロニクスデバイス間のデータ信号は、配線ハーネスを通じて伝送されます。さらに、これらのハーネスは、ライト、ファン、モータなどの多数の部品に電力を分配します。

車両サブシステムの統合: モジュール式の組み立てと特殊な機能を可能にするために、エンジン、シャーシ、インフォテインメントなどのさまざまなサブシステムに合わせて個別のハーネスがカスタマイズされることがよくあります。

コネクタ

車両の電気システム内の重要な要素であるコネクタと端子は、配線の物理的接続と電気的接続の両方を容易にする上で重要な役割を果たします。

種類と設計: コネクタはさまざまな形状、サイズ、種類を特徴としており、すべて特定のアプリケーションや固有の要件に合わせてカスタマイズされています。電子機器のIP (侵入保護) 要件は、車両のパッケージングが行われる場所によって決まります。さまざまなIP要件により、異なるレベルのIP保護を備えたコネクタを使用する必要があります。たとえば、車のボンネットの下の領域は、水が浸入しやすい環境です。そこに設置された部品は、ボンネットの下の空間を清掃しようとするユーザーによって下から水に浸され、高圧高温のジェット洗浄を受ける可能性があります。したがって、これらのコネクタは、IPx8 (浸水保護向け) およびIPx9 (ジェット洗浄保護向け) の定格も保持することが不可欠です。

ロック機構: 多くのコネクタにはロック機構が装備されており、安全な接続を保証し、振動や引っ張り力による偶発的な切断を効果的に防止します。ロック機構は、互いに接触するプラグ端子とレセプタクル端子間の擦れを最小限に抑える上で重要な役割を果たします。振動中に発生するフレッティングにより接触面が損傷し、フレッティング腐食が発生する可能性があるため、この処置は重要です。

規格化: 配線ハーネスと同様に、さまざまなシステムや車両間での互換性と信頼性を確保するには、コネクタが特定の規格に準拠することが重要です。

端子: コネクタ端子内のピンは、プラグとレセプタクルの部品間の電気的接触を確立します。端子メッキ材料の選択は重要な決定であり、アプリケーションと車両のパッケージング場所の両方に大きく依存します。端子に流れる電流が最小限の場合、ガルバニック腐食の影響を受けやすいため、スズメッキは避けることをお勧めします。酸化層を除去するための加熱電流が利用できないため、このような場合には金メッキがより耐久性の高いソリューションになります。

最新の自動車の信頼性の高い動作は、車両の電気システム内の配線とケーブル接続の基本的な側面に大きく依存しており、これには配線ハーネス、コネクタ、端子の戦略的な設計と実装が含まれます。エンジン制御からエンターテイメントや安全機能に至るまで、複数のサブシステム間の複雑な相互作用が、このネットワークの複雑さに反映されています。自動車の電気システムに携わるエンジニア、設計者、技術者は、これらの部品の特性、機能、および標準を把握する必要があります。この理解は、安全性とパフォーマンスの基準を妥協することなく維持しながらイノベーションを可能にするため、非常に重要です。

接地とシールド

複雑な自動車環境における電気システム設計では、接地とシールドが不可欠な要素です。車両の信頼性と機能性を維持する上で、これらのコンセプトは重要な役割を果たします。このセクションでは、適切な接地の重要性と、電気システムを電磁障害 (EMI) から保護するために採用される方法について検討します。

適切な接地の重要性

安定した基準電圧を確保するため、接地は通常、車両のフレームまたはシャーシである共通の接地点に素子を電気的に接続する方法です。適切な接地はさまざまな理由から重要です。

電圧の安定性:

基準点: 接地によってさまざまな電子素子の共通基準点が提供され、システム全体で電圧レベルが一定に保たれることが保証されます。ここで、基準点は、各信号レベルの読み取り値が接地電圧と比較されることを示しています。

ノイズリダクション: 適切な接地により、より正確な信号処理と制御が可能になり、電圧の変動とノイズが減少します。実際、車両部品は - 1Vの接地シフト電圧範囲内で動作状態を維持する必要があり、これは設計を通じて検証を必要とする基準です。この特定の要件により、潜在的な接地電圧の変動に対する影響が軽減されます。

電磁障害 (EMI) からのシールド技

データの破損、予期しない動作、電子システムの誤動作は、電磁障害によって引き起こされる可能性があります。この種の干渉から保護するために、シールド技術が使用されます。ほとんどの場合、ノイズ放出からの保護は、耐性での保護よりも複雑なタスクであると考えられています。

シールド材:

金属製筐体: 敏感な素子やノイズの多い素子を囲むために、金属製の筐体が頻繁に使用されます。金属により磁気および電気ノイズからの保護が提供されます。磁気ノイズが金属筐体に結合すると、「渦電流」と呼ばれるプロセスによってノイズがキャンセルされます。電気的なノイズが筐体に結合すると、ノイズは筐体の表面に沿って方向を変えられ、筐体の壁の反対側にノイズが侵入するのを防ぎます。

フェライトビーズ: 電気回路内の高周波ノイズを抑制するために使用され、電磁障害 (EMI) に対する効果的なフィルタとして機能します。ビーズは円筒形であるため、ワイヤーハーネスの周りに簡単に取り付けることができ、とても有益です。この外部アプリケーションは、筐体外の電子モジュールの緩和剤として機能し、放出されるノイズを効果的にフィルタリングします。

ケーブルシールド:

同軸ケーブルとツイストペアケーブル: これらのケーブル設計では、ケーブル内で電界を運んだり、電磁場を打ち消したりすることで、本質的にEMIを減少します。

図13：同軸ケーブルとツイストペアケーブル

接地戦略:

グランドプレーンとループ: 最善の接地戦略については、依然としてコンセンサスが得られていないトピックです。通常、グランドプレーンは理想的には連続していますが、設計者は、高周波信号を繊細なアナログ回路から遠ざけるために、プレーンにカットアウトを導入することを選択する場合があります。周囲へのループ誘導性放射とプレーン容量性放射を減らすためのもう1つの重要なルールは、高周波信号または高電流信号のグランドループを最小限に抑えることです。

基準と規制:

業界標準への準拠: CISPRは主要なEMI規格として知られています。電気機器の電磁放射および耐性に関する一般的なニーズは、これに含まれます。自動車市場の自動車メーカーは、EMIニーズに対する基本規格としてCISPRを採用し、特定の車両要件に合わせて調整しています。たとえば、自社の車両に関係のない特定の無線周波数放射帯域の要件を省略する場合があります。

接地とシールドは、電気システム設計における単なる技術的部品ではなく、現代の車両の全体的な安全性、性能、信頼性にとって極めて重要な必須要素を形成します。自動車エンジニアや技術者にとって、効果的な接地原理の基礎とEMIを軽減するために使用されるさまざまな方法を把握する能力は不可欠です。堅牢で信頼性の高い電気システムの構築を容易にすることで、法的基準と業界基準の両方に準拠することが保証されます。これは、自動車の電気設計の分野における基本的構成要素としての接地とシールドの極めて重要な役割を明確に示しています。EMI放出基準を遵守することは、カーエレクトロニクスの設計における最大のハードルとなります。EV車両の進歩の時代において、このタスクは複雑さを増し、さらに大きな課題をもたらします。