カーエレクトロニクスの分類

パワートレインエレクトロニクス、安全性、シャーシエレクトロニクス、インフォテインメントシステムは、カーエレクトロニクスシステムの4つの主要カテゴリです。車両の操作、安全性、快適性、娯楽に不可欠なすべての重要な電子部品とシステムがこれらのカテゴリに含まれます。

パワートレインエレクトロニクス

パワートレインエレクトロニクスの主な機能は、エンジン、トランスミッション、およびさまざまな発電部品を監視し、車両の動きを容易にすることです。このカテゴリには、エンジン制御ユニット (ECU)、点火システム、排気後処理システム、エンジン冷却システム、燃料噴射システムなどのシステムが含まれます。特に、ECUはパワートレインシステムの中心的な部品として機能し、さまざまなサブシステムを監視および調整して、燃料効率、最高のパフォーマンス、排出ガス規制を保証します。

ハイブリッド車や電気自動車では、パワートレインエレクトロニクスの範囲は、バッテリー管理システム (BMS) やトラクションインバータ、スタータジェネレータなどの部品にまで広がります。これらの要素は、バッテリー使用量の管理、eマシンの操作、エネルギー回収プロセスの監視を担当します。

シャーシエレクトロニクス

シャーシエレクトロニクス内のシステムは、車両のドライビングダイナミクスを形成する上で重要な役割を果たします。このようなシステムには、トラクション・コントロール・システム (TCS)、アンチロック・ブレーキ・システム (ABS)、パワーステアリング機構、電子安定性制御 (ESC) が含まれます。これらのシステムは、さまざまな運転状況下で車両の安定性、操縦性、および全体的なパフォーマンスを向上します。

シャーシエレクトロニクスには、タイヤ空気圧モニタリングシステム、サスペンション制御システム、シャーシの動作をモニタするさまざまなセンサが含まれます。これらは、理想的な車両挙動を維持し、運転者に貴重なフィードバックを提供する上で重要な役割を果たします。

安全とセキュリティシステム

安全とセキュリティに特化した電子システムにより、車両の乗員と車両自体の両方が確実に保護されます。このカテゴリのシステムには、シートベルトプリテンショナー、エアバッグコントローラ、アラームシステム、先進運転支援システム (ADAS)、イモビライザーやリモートキーレスエントリなどのアクセス制御システムが含まれます。

先進的な車両には、アダプティブクルーズコントロール、車線逸脱警報、衝突検知システムなどの高度な安全システムが統合されています。これらの高度なシステムは、さまざまなセンサ、カメラ、レーダーを活用して、車両の周囲を継続的にモニタし、事故を回避するための対策を積極的に開始します。

インフォテインメントシステム

車載インフォテインメントシステムは、運転手と乗客の両方にエンターテイメントオプションと情報コンテンツを提供することを目的としています。これらのシステムは、従来のカーステレオ機能に加え、後部座席エンターテイメント、ナビゲーションシステム、音声認識、スマートフォン接続、インターネットアクセスを組み込んでおり、包括的な機能を提供します。

運転者と車両間の主要なインタフェースである現代のインフォテインメントシステムは、車両ステータスの更新、ナビゲーションガイダンス、オーディオシステムと空調システムの管理など、広範囲にわたる情報を提供します。複雑さが増し、機能が豊富になるにつれて、これらのシステムは、モバイルやWi-Fi接続、リアルタイムの交通情報の更新、さらには特定の車両機能のリモート制御機能などの機能をシームレスに統合するようになりました。

カーエレクトロニクスの分類を把握することは、車両内のさまざまなシステムの相互作用と総合的な機能を理解するための基礎を作ります。この要因は設計および開発段階で非常に重要であり、安全性を優先しながら、効率的で楽しい車両の作成を保証します。

車両の電気アーキテクチャ

車両内のすべての機能と操作の中心には、基本的なライティングから複雑な駆動システムまですべてを制御する電気アーキテクチャがあります。このアーキテクチャには、バッテリーや配線ハーネスなどの重要な部品のほか、一連の電子制御ユニット (ECU) とモジュールが組み込まれています。

バッテリーの役割

車両の電気アーキテクチャにおいて、バッテリーは重要な役割を果たします。エンジンが停止しているときは、車内の主な電気エネルギー源として機能し、内燃エンジンの始動に必要な重要な電力を供給します。エンジンが作動すると、通常はオルタネーターが必要な電力を供給し、バッテリーが余剰エネルギーを吸収して保持します。

12Vの鉛蓄電池は古い車両では一般的ですが、マイルドハイブリッド電気自動車 (MHEV) では小型の48Vバッテリーが追加されています。これらの車両は、危険なしきい値を下回るバッテリー電圧を意図的に選択し、複雑な電気絶縁設計の必要性を排除し、それによってコストを大幅に削減します。ハイブリッド電気自動車および電気自動車 (HEVおよびEV) には、従来の12Vシステムに加えて、通常400V以上の高電圧バッテリーパックが組み込まれています。高電圧バッテリーは、車両の始動とともに、電気モータにも電力を供給します。ハイブリッド電気自動車 (HEV) では、高電圧バッテリーにNiMHセルが一般的に使用されますが、電気自動車 (EV) では、エネルギー密度と電力密度に優れているため、リチウムセルが選択されます。これらの高電圧バッテリーの監視は、バッテリー管理システム (BMS) によって行われることが多く、安全で効率的な動作が保証されます。

配線ハーネス

車両の電気アーキテクチャの循環システムは、配線ハーネスによって形成されます。この複雑なネットワークはコネクタ、ワイヤ、端子で構成されており、車両全体で電力と信号の両方の伝送を容易にします。バッテリーのプラス端子とオルタネーターを、モータ、ライト、ヒータ、ECUなどのコントローラなどのさまざまな負荷にリンクすることが、配線ハーネスの主な機能です。追加のケーブル配線を避けるために、バッテリーからの戻り電流は、バッテリーのマイナス端子に接続された車両シャーシを介して伝送されます。ただし、電気システムでは、すべてがシャーシに直接接地されるわけではありません。複数のセンサとECUは、多くの場合、別々のECUに接続された配線を通じて個別に接地されます。

標準的な車両に見られる単純なネットワークから、高級車や高度に自動化された車両に見られる極めて複雑なシステムまで、配線ハーネスの複雑さは多岐にわたります。配線ハーネスの設計では、電圧降下、コスト、電流容量、重量、信頼性などの要素を考慮する必要があります。すべての車両には、配線ハーネスを損傷による過電流から保護するためのヒューズが入ったヒューズボックスが装備されています。ヒューズの主な目的は、配線を保護することであり、配線に接続されている負荷を保護することではありません。

ECUとモジュール

電子制御ユニット (ECU、同じ略語を共有するエンジン制御ユニットとは異なります) は、車両の電気フレームワーク内に組み込まれた「頭脳」として機能します。車両内では、ECUは1つまたは複数の電気システムまたはサブシステムの管理を担当する組み込みシステムとして機能します。

通信バスを介して、ECUは相互に通信します。CAN (コントローラ・エリア・ネットワーク) は、最も広く使用されているバスです。従来のアーキテクチャでは通常、ボディ・コントロール・モジュール (BCM) やエンジン・コントロール・ユニットなどの特定のECUをマスターとして指定し、他のユニットはスレーブとして機能して、マスターユニットからの指示を待機します。これらのスレーブユニットの例には、ドアゾーンモジュール、シートゾーンモジュール、バッテリー管理スレーブなどがあります。現代の自動車では、車両の複雑さのレベルに応じて、ECUの数が100を超える場合があります。

車両の電気アーキテクチャを理解することで、自動車の電子システムの機能と相互作用をより深く探求するための基本的な枠組みが確立されます。車両技術の進歩に伴い、このアーキテクチャの複雑さと重要性が増し、その重要な要素とそれらがどのように絡み合っているかについて、より深く総合的に把握することが求められています。

車両におけるパワーエレクトロニクスの重要性

現代の自動車の重要な構成要素はパワーエレクトロニクスです。さまざまな電子システムの機能と車両全体の性能において、パワーエレクトロニクスは重要な役割を果たします。パワーエレクトロニクスデバイスは、SIC MOSFETやIGBTなどの高度な半導体技術を活用して、電力を効率的に管理および変換します。エネルギー効率、電圧調整、電気負荷の処理において、それらは重要な役割を果たします。

電圧調整

車両では、さまざまな電子部品に安定した電圧を供給するために電圧調整が非常に重要です。この点において、パワーエレクトロニクス機器の役割は極めて重要です。従来の車両では、電子電圧レギュレータによって監視されるオルタネーターが、バッテリーの充電と車載電子機器への電力供給に必要な電圧を維持します。車両のバッテリーからの電圧供給は、特にスタータジェネレータが内燃エンジンの始動を開始するときに大きな変動を示し、大量の電流が流れて電圧が3Vまで急降下する可能性があります。ECU内の内部電圧レギュレータは、バッテリー電圧から5V、または、3.3Vへの調整を管理します。設計では、電子機器の機能を維持しながら、さまざまなバッテリー電圧の乱れに耐えられるようにする必要があります。

ハイブリッド車や電気自動車では、パワーエレクトロニクスがますます重要になります。DC/DCコンバータなどの部品は数百アンペアを供給し、オンボード充電器は高電圧 (HV) システムと低電圧 (LV) システム間の電力フローを管理します。さらに、グリッドからのAC電力をDC電力に変換してバッテリーパックを充電します。

エネルギー効率

パワーエレクトロニクスがエネルギー利用に大きく貢献することで、特にハイブリッド車や電気自動車の効率が著しく向上します。電気モータ機能の正確な管理を可能にし、トルク出力と全体的な効率の両方を最適化します。

さらに、これらは回生ブレーキを円滑にします。回生ブレーキは、ブレーキ時に熱として放出されるエネルギーを電気エネルギーに変換し、その後車両のバッテリーに蓄えるプロセスです。このエネルギー回収システムは、パワーエレクトロニクスの指導の下で、車両全体の効率を高め、電気自動車の航続距離を延長する可能性があります。

電気負荷 (ヒータ、ファン、eマシーン)

パワーエレクトロニクスデバイスは、ヒータ、ファン、eマシン (電気推進モータ) などの大きな電気負荷を制御および操作します。パワーエレクトロニクスは、正確な負荷制御を通じて、最適なパフォーマンス、エネルギー効率、信頼性を保証します。

たとえば、高電力レベルを効率的に管理するために、電気自動車のヒータでは高電圧パワーエレクトロニクスが利用される場合があります。同様に、パワーエレクトロニクスは、エンジン、バッテリー、その他の部品の冷却を担うファンを制御します。この制御メカニズムは、冷却要件に応じてファン速度を調整し、エネルギーを効果的に節約します。

電気自動車 (EV) では、最大600kWの定格電力を誇るeマシンが最も重要な電力消費源となっています。これは、800Vバッテリーから最大750Aの電流を引き出す可能性があることに相当します。最小限の電力損失で駆動できるパワーエレクトロニクスを設計することが最も重要です。eマシンの制御には、SiC MOSFET、または、IGBTトランジスタを使用して構築された3相ブリッジモジュールの利用が含まれます。これらのモジュールは、優れた熱特性で知られるセラミック構造上に取り付けられています。

車両の電動化が進むにつれ、車両におけるパワーエレクトロニクスの役割は拡大しています。自動車の技術者にとって重要な点は、機能と動作メカニズムを理解することであり、これは強化された信頼性の高い車両システムの開発に不可欠です。より現代的なパワーエレクトロニクス機器と制御技術の開発により、車載機器におけるそれらの役割は将来さらに重要になるでしょう。

センサとアクチュエータ

自動車システムでは、アクチュエータとセンサが重要な役割を果たし、車両内の電子領域と物理領域の間のシーケンスを形成します。車両の制御システムと物理環境間の相互作用を可能にし、状況のモニタリングと制御アクションの実行を監督します。

役割と基本機能

物理的特性を測定し、それを電子制御ユニット (ECU) が読み取る信号に変換するために、センサが使用されます。車載システム内では、センサが温度、圧力、速度、位置、化学組成など、さまざまな重要な要素を監視します。このデータはECUに即時フィードバックを提供し、処理されてさまざまな車両システムを制御するために利用されます。

一方、ECUからの入力信号に基づいて物理的な動作を実行するために使用されるデバイスはアクチュエータです。重要なのは、電子信号を物理的な動作に変換することです。ドア機構、エンジン制御、シート調整、ブレーキ制御、ワイパーおよび光線制御など、さまざまなアプリケーションで広く利用されているセンサは、さまざまな車両システム内のセンサ入力と制御アルゴリズムに基づいて物理パラメータを調整する上で重要な役割を果たします。

センサの例 : スピードセンサ、O2センサ

車載アプリケーションでは、速度センサと酸素 (O2) センサが、頻繁に使用されるセンサの2つの代表的な例として際立っています。

通常、速度センサは、車輪、エンジンのクランクシャフト、トランスミッションの出力シャフトなど、さまざまな部品の回転速度を測定するために使用されます。アンチロック・ブレーキ・システム (ABS) や電子安定性制御 (ESC) などのシステムは、ホイール速度センサに大きく依存しています。これらのセンサは、コーナリング時やブレーキ時の個々の車輪の速度を調整するために必要な重要データを提供します。

図4 : アプリケーションにおけるホイールスピードセンサ

エンジン管理において、酸素センサは重要な役割を果たします。これらは車両の排気システムに配置され、排気ガス中の酸素量を測定します。ECUはこのデータを活用して、エンジン内の燃焼のための空気と燃料の混合比を調整し、効率を最適化し、有害な排出物を最小限に抑えることを目指します。現代の車では、フィードバックを提供するために触媒コンバータの前後に複数のO2センサを配置するのが一般的です。この設定により、排出ガス制御が大幅に強化されます。

図5 : 酸素センサのアプリケーション

アクチュエータの例

トランスミッション制御モジュールには2種類のアクチュエータがあります。モータはポンプとして機能し、動作に必要な適切なトランスミッション液圧を維持します。バルブソレノイドは、ギアボックス内のトランスミッション液圧の方向を制御し、ギアを正しい位置にシフトする上で重要な役割を果たします。

モジュールでは、アクチュエータはトランスミッション・コントロール・ユニット (TCU) によって管理されます。しかし、TCUにはギアをいつシフトするかを決定する能力が十分にありません。CANネットワークを介してエンジン制御ユニットからコマンドを取得します。

本質的に、センサとアクチュエータは、応答性、効率性、安全性に優れた自動車制御システムの基本的な柱として機能します。自動運転機能や先進運転支援システム (ADAS) など、より高度な機能が車両に統合されるにつれて、これらの部品の重要性と複雑さの両方が増加すると予想されます。それらの機能と動作メカニズムを理解することは、カーエレクトロニクス教育の領域において極めて重要な要素となります。