初期: 基本的な電気システムの紹介

自動車生産の初期の時代は、車両の設計図への段階的な進歩によって特徴付けられ、基本的な輸送装置から複雑な機械へと進化しました。1930年代から、自動車に初めて導入された電子機器は真空管ラジオでした。それ以来、電動スタータや基本的なライティングなどの基本的な電気システムの出現がこの進歩を形作る上で極めて重要な役割を果たし、今日の車両には100を超える電子制御ユニット (ECU) が搭載されています。

電動スタータ

電動スタータが導入される前は、車両のエンジンを点火するには、手動で回転させるという肉体的に負担のかかる作業が必要でした。自動車の歴史において、電動スタータモータの導入は重要な道しるべとなり、車両の安全性と利便性を大幅に向上させました。

1911年、チャールズ・ケタリングがキャデラック自動車向けに初めて電動スタータモータを導入しました。画期的な電動スタータモータは、DC電動モータを採用しており、コマンドに応じてエンジンの回転を開始できるため、手動でクランキングする必要がありません。この進歩により、車両の始動プロセスが合理化され、同時に安全性と利便性が向上しました。電動スタータモータの設計と機能原理は、その有効性の証拠として、発明以来、変更されていません。ただし、より効率的な電力管理のために、現代の内燃エンジン車両には、統合スタータジェネレータなどのさらなる機能強化が搭載されています。

図1 : 電動スタータモータ

基本的なライティングシステム

具体的には、暗い場所でも自動車に基本的なライティングシステムを導入することで、安全性と使いやすさが大幅に向上しました。自動車における最初のライティングシステムは石油ランプまたはアセチレンランプでした。信頼性が低く、頻繁なメンテナンスが必要でした。

電気の導入により、車両はライトを使用するようになりました。1898年、コネチカット州ハートフォードのエレクトリックビークルカンパニーが開発したコロンビア電気自動車が、電気ヘッドランプを搭載した最初の自動車として登場しました。より信頼性が高く効率的な光源を提供するライトは、車両のバッテリーシステムによって駆動されます。1912年まで、キャデラックモデル1912に電動スタータ、点火、ライティングを含む完全な電気システムが導入されるまでにさらに数年かかりました。

必要不可欠なライティングシステムの導入は、夜間運転の安全性を高めるだけでなく、車両ライティング技術の革新の始まりを予見するものでもありました。現代の自動車には、洗練されたLEDおよびHIDライティングシステム、アダプティブヘッドライト、自動ハイビーム制御など、最先端の自動車ライティング技術が搭載されており、この分野で大きな進歩を遂げています。

電子システムへの移行

自動車工学では、基本的な電気システムが普及するにつれて、より複雑な電子システムへの移行が始まりました。システムの中で、車両の基本部分を制御する主要な進歩領域の1つはエンジンです。電子燃料噴射システムの開発において、これは明白でした。同様に、安全機構の顕著な進歩は、アンチロックブレーキ システムの開発に代表される大きな変革の兆しを示しています。

燃料噴射システム

自動車の歴史において、最も影響力のある革新の一つは燃料噴射です。初期の車両では、燃料と空気を混合するためにキャブレターが使用されていましたが、これは比較的効率の悪いプロセスでした。さまざまな運転シナリオにおいて、キャブレターは理想的な燃料と空気の混合比を維持しようとしましたが、その結果、効率が悪くなり、排出量が増加しました。

1950年代に電子燃料噴射 (EFI) システムが出現し、自動車技術に必要な変革が起こりました。電子制御ユニット (ECU) は、電子燃料噴射システム内のセンサとアクチュエータを監視し、リアルタイムの動作パラメータに従ってエンジンに燃料を正確に供給できるようにします。1967年に導入されたボッシュのジェトロニックシステムは、量産型電子燃料噴射システムの初期の例として際立っており、車両の性能と燃費の両方を大幅に向上させました。

燃料噴射システムは、基本的なシングルポイント噴射システムから高度なマルチポイントおよび直接噴射システムへと進化し、変革的な進化を遂げてきました。この進化により、優れた制御、燃費の向上、そして長期にわたる排出量の大幅な削減が実現しました。

アンチロックブレーキシステム

特にブレーキシステムにおいては、電子革命が車両の安全性にも重大な影響を及ぼしました。アンチロックブレーキ システム (ABS) が登場する前は、ドライバーは急ブレーキをかけた際に道路上でのハンドルのグリップを失う危険に直面していました。これは、車両の慣性が路面への接着力を上回ったときに発生し、その結果、横滑りが発生し、運転者のステアリング制御が低下しました。

1970年代初頭、量産車にアンチロックシステムが導入され、電子制御ユニットと速度センサを使用して、急ブレーキ時に各車輪のブレーキ圧力を調節します。この機構は、車輪の急激な減速を抑制することで、車輪と路面間のトラクションの損失を回避します。これにより、運転者はステアリング制御を維持し、横滑りを最小限に抑えることができます。この進歩により、さまざまな運転状況において車両の安全性が大幅に向上します。

エレクトロニック・スタビリティ・コントロール (ESC) やトラクション・コントロール・システム (TCS) などの高度な機能は、ABCの誕生以来の進化をサポートし、車両の安定性と制御の向上に貢献しています。

自動車内では、単純なライティング機構から複雑な燃料噴射や安全機構に至るまでの電子システムの進歩は、自動車部門の変革における電子機器の顕著な影響を強調しています。これらのシステムは、近代化とデジタル化により、効率、安全性、利便性が向上し、進化し続けています。

近代化とデジタル化

電子システムへの移行が成熟するにつれ、車両の近代化とデジタル化がさらに進みました。情報技術の統合は自動車業界内で急成長しているトレンドになっています。この統合により、オンボード診断、インフォテインメントシステム、高度な運転支援システムなど、注目すべき進歩がもたらされました。

オンボード診断 (OBD)

カーエレクトロニクスの分野では、車載診断システムの導入が大きな飛躍をもたらしました。OBCは複数のエンジン部品とシステムの機能をモニタし、潜在的な問題の診断と解決に役立つ重要なデータを提供します。

カーエレクトロニクスの分野では、車載診断システムの導入が大きな飛躍をもたらしました。OBCは複数のエンジン部品とシステムの機能をモニタし、潜在的な問題の診断と解決に役立つ重要なデータを提供します。以下のセクションでは、OBD-II障害コード構造がどのように開発されるかを確認できます。

図2 : OBD-II 障害コード構造

リアルタイムデータには、車両速度、冷却水温度、スロットル位置、エンジン回転数、気温などの要素が含まれます。このデータを活用することで、問題を特定して解決できるようになり、最終的には車両の効率と信頼性を高めながら、同時に排出量を削減することができます。

インフォテインメントシステム

家電製品がさらに進歩するにつれて、自動車でも同様の技術的進歩が起こることが期待されていました。これは自動車のインフォテインメントシステムの進化に貢献します。インフォテインメントシステムは、車両の機能とエンターテイメントおよび情報配信ツールをシームレスに融合し、ナビゲーション、音楽の再生、スマートフォンとの接続などの機能を提供します。

初期のインフォテインメントシステムは、シンプルなカーラジオで構成されていました。しかし、最近のモデルは高度でインタラクティブなタッチスクリーンインタフェースに進化し、Bluetooth接続、音声認識、さらにはWi-Fiアクセスなど、幅広いサービスを提供しています。運転者のための中心的なコントロールハブを提供する高度なインフォテインメントシステムは、車両の他のシステムと統合されることもよくあります。

先進運転支援システム (ADAS)

最近のカーエレクトロニクスの歴史において、最も重要な進歩は先進運転支援システムの登場です。車両の安全性を高めるために、ADASは最新のアルゴリズムと組み合わせて、さまざまなセンサ、カメラ、レーダーを使用します。

ADASには、アダプティブクルーズコントロール、前方衝突警告、自動緊急ブレーキ、車線逸脱防止などの幅広い機能が含まれています。これらのシステムは、潜在的な危険を運転者に通知するだけでなく、特定の状況下で車両の制御を引き継いで、事故を事前に回避することもできます。

いくつかの条件下では、キャデラックのスーパークルーズやテスラのオートパイロットなどの一部のADASでは半自動運転も可能になります。これらのシステムの導入は、業界内で完全自律走行車の実現に向けた進行中の移行を明確に示すものです。

カーエレクトロニクスの近代化とデジタル化への移行は、業界の進化における極めて重要な変化を示しています。自動車は機械的な起源を超えて、多様な電子部品やシステムを融合した複雑なシステムへと変化しました。この段階では、電気自動車やハイブリッド車、V2E (Vehicle-to-Everything) 通信、自動運転への進歩など、自動車産業における今後の発展の基盤が築かれました。

図3 : 自動車のさまざまなADASセンサ

将来の見通し

初期の基本的な電気システムから近年の近代化とデジタル化への進歩は、変革の旅でした。カーエレクトロニクスの将来を想像すると、電気自動車やハイブリッド車への移行、V2X (Vehicle-to-Everything) 通信の台頭、運転の完全な自律化の実現に向けた進歩という3つの大きなトレンドが浮かび上がります。

電気自動車とハイブリッド車

カーエレクトロニクスの将来は電気自動車やハイブリッド車と密接に結びついており、環境問題や持続可能性が世界的に注目を集めています。これらの車両には、カーエレクトロニクスと電力システムの管理に対するまったく新しいアプローチが必要です。

電気自動車 (EV) は、電気モータ (eマシーンとも呼ばれる) に電力を供給し、車輪を回転させるために、バッテリーパックに蓄えられた電気を使用します。ハイブリッド電気自動車 (HEV) は、燃費効率を高めるために、内燃エンジン (ICE) とバッテリー、電気モータ (一般にスタータジェネレータと呼ばれる) を組み合わせています。これらの車両の運転においては、バッテリー管理システム (BMS)、モータコントローラ、エネルギー効率の高い補助システムに関連する電子機器が極めて重要な役割を果たします。電気自動車 (EV) やハイブリッド電気自動車 (HEV) への移行は、単に環境上の要請を意味するだけでなく、自動車の研究、設計、製造、メンテナンスにおける大きな変革を意味しています。

車車間通信 (V2X)

V2X (車とモノ) 通信には、他の車両 (V2V)、インフラストラクチャ (V2I)、ネットワーク (V2N) 、歩行者 (V2P) など、車両に影響を与える可能性のあるさまざまな要素との車両の相互作用が含まれます。V2X通信によって期待される成果は、道路の安全性、交通効率、エネルギー消費の削減の大幅な向上です。

このテクノロジーは、最小限の遅延で迅速なデータ転送に依存します。専用短距離通信 (DSRC) などの技術は、Wi-Fiの派生であり、自動車アプリケーションに特化して開発された例です。最近では、モバイル ネットワーク オペレータのインフラストラクチャを活用するセルラーV2X (C-V2X) が有望な代替手段として登場しており、より迅速かつ広範な導入を促進する可能性があります。

自動運転

自動車エレクトロニクスの進化において、最も野心的な目標は自動運転です。人間の介入なしに複雑な現実世界の環境を操縦できる自律走行車のアイデアは、自動車エレクトロニクスの進歩の証拠です。

自動運転を実現するには、多数のセンサ (LiDAR、レーダー、カメラなど)、高度なアルゴリズム (機械学習やコンピュータービジョンを含む)、および回復力のある即時通信システムの組み合わせが不可欠です。自動車技術の最先端は、これらのシステムの制御と調和を担う電子機器によって特徴づけられます。

しかし、完全な自律への道には、自動車技術協会 (SAE) の運転自動化レベルによって定義された複数のレイヤがあります。現在、市場で入手可能な車両は、レベル2、およびレベル3の自律性に達する機能を備えています。完全な自動運転を意味するレベル5に到達するには、ハードウェアとソフトウェアの両方でさらなる進歩を要求する、依然として大きな技術的ハードルが残っています。

自動車エレクトロニクスの未来は、刺激的なチャンスに満ちた世界です。電気自動車やハイブリッド車、V2X通信、自動運転をさらに探求することで、自動車工学、エレクトロニクス、コンピュータサイエンス、人工知能の融合が明らかになります。この融合は、私たちをモビリティの新たな時代へと突き動かしています。この変革の波の中で、自動車エンジニアの役割は多分野にわたるものへと進化しています。機械システムに関する専門知識だけではなく、エレクトロニクス、ソフトウェア、データ分析に関する深い理解がますます重要になっています。