車載システムにおける配電

配電入門

車内の電気エネルギーの効率的な移動を保証する車載システムの基本的構成要素の1つは、配電です。電気自動車やハイブリッド車の増加と、それらの技術的機能がますます高度化しているため、堅牢で効率的な配電ネットワークはこれまで以上に重要になっています。この導入部では、自動車の電力管理における配電の目的と、現代の配電システムが直面している困難について説明します。

車載電力管理における配電の役割

配電の考え方の1つは、配電を車両の循環システムの電気部品として考えることです。これはいくつかの重要なタスクを実行します。

エネルギーの伝達: エンジン制御、ライティング、エンターテイメント、安全システムは、バッテリー、オルタネータ、または燃料電池から電気を輸送する配電ネットワークを介して電力を得るサブシステムのほんの一部です。

電圧調整: さまざまな動作環境と負荷要求を考慮して、適切な電圧が適切な部品に確実に供給されるようにします。

効率管理: これは、エネルギーの流れを最大化して損失を減らし、車両全体の効率を高めるプロセスです。

BMSとの統合: 電気自動車やハイブリッド車のバッテリーへの電気の流れを制御するには、配電システム (PDS) とバッテリー管理システム (BMS) が緊密に連携する必要があります。

拡張性: 電気サブシステムを迅速に追加または変更する機能により、新しい機能やテクノロジーに柔軟に対応できます。

配電における課題

現代の自動車の配電は、その複雑さのためにいくつかの困難を抱えています。

複雑な負荷: 多くの場合、単一の配電部品は、動作環境に応じて動的に変動する可能性のあるさまざまな電圧と電流のニーズを持つ多くのシステムの要求を満たすために構築されます。

重量とスペースの制約: 多くの配線や部品が必要になるため、車が重くなり、多くのスペースを占める可能性があります。

信頼性: 湿気、温度変化、振動などの環境変数があっても、安定した電力供給を維持することが重要です。

電磁障害 (EMI): さまざまな電気システム間の干渉を避けるには、電磁障害 (EMI) を制御する必要があります。特に、オンボードチャージャやDC/DCコンバータなどの配電システムの部分では、数百アンペアの電流を切り替えるときに大量のノイズが発生します。

基準への準拠: IEC 60071を含む、特に電気自動車の高電圧システムに関連する多数の安全要件と規制要件を遵守します。

コストに関する考慮事項: 信頼性が高く効果的なPDSを適正なコストで構築することは、終わりのないエンジニアリング上の問題です。

現代の車載システムでは、自動車を構成する多くの部品に電気エネルギーを確実かつ効率的に伝送するために、配電が不可欠です。電気およびハイブリッドパワートレインの導入、車両エレクトロニクスの複雑化、信頼性と経済性の向上の必要性などすべては、配電ネットワークの計画と運用を複雑にしています。

これらの障害を克服するには、エンジニアは材料科学、電気工学の概念、自動車の設計仕様を徹底的に理解している必要があります。自動車工学のこの重要な部品の重要性は、技術の発展に伴い、車両の配電の分野における革新と高度化が進むことが予想されることによって浮き彫りになるでしょう。

配電システムのアーキテクチャ

配電システムの設計は、車内のさまざまな部品やサブシステムに電気エネルギーがどのように分配されるかを決定するため、車載の電力管理において重要な役割を果たします。現代の車載システムの多くの複雑なニーズを満たすには、アーキテクチャは強力で、汎用性が高く、適応性が高くなければなりません。このセクションでは、配電アーキテクチャの主なカテゴリとその構成部品について説明します。

集中型、分散型、ハイブリッド型の配電

集中型配電

集中型配電では、さまざまなサブシステムへの電力の供給は、単一の制御ポイントまたはユニットによって管理されます。この方法により、故障の可能性のある箇所の数が減少し、設計が合理化されます。

長所: 複雑さが少なく、構築が簡単で、配線が少なくなります。
短所: 変化する要件に適応する能力が低く、単一の障害がシステム全体に影響を及ぼす可能性があります。
例: 中央ヒューズボックスの使用は、以前の車両システムにおける集中型配電のよく知られた例です。ここでは、1つのハブだけで車内のすべての電気部品に電力を供給します。通常、補助デバイス (追加のヘッドライトや更新されたオーディオなど) を追加する場合は、この中央ヒューズボックスに直接配線します。

分散型配電

分散型配電では、複数の配電ポイントまたはユニットが車両全体に分散され、制御が分散化されます。これにより、信頼性と柔軟性が向上します。

長所: 障害の絶縁が強化され、拡張性が向上し、さまざまな負荷需要に対応できる柔軟性が向上しました。
短所: 保守と設計がより困難になり、部品の追加により重量が増加する可能性があります。
例: 先進運転支援システム (ADAS) の安全性を向上させるために、現代の自動車では分散型配電戦略が頻繁に使用されています。たとえば、各ゾーンのモジュールに電力を供給するために、ゾーン設計では、各ゾーンに個別の配電ユニットが存在するように配電ボックスを分配します。スマート配電ユニットではリレーやヒューズではなく半導体スイッチが使用されるため、配電システムをより適切に制御できます。

ハイブリッド配電

ハイブリッド配電では、分散型システムと集中型システムの側面が組み合わされています。この組み合わせは、多くの場合、各システムの欠点を最小限に抑えながら、その利点を最大化することを目的としています。

長所: パーソナライズされた適応性、信頼性と複雑さの調和。
短所: 最適化が難しい場合があります。
例: ハイブリッド配電アプローチは、多くの最新の電気自動車 (EV) で使用されています。主要なパワートレインとコア車両システムは、メインの高電圧バッテリーによって集中的に供給される可能性がありますが、ウィンドウ制御、座席ヒータ、キャビンのライティングなどの機能を管理するために、分散型スマート半導体ジャンクションボックスが組み込まれる場合があります。これにより、補助的な操作や将来のアップデートの可能性に対する柔軟性が高まり、一次電池を効果的に使用できるようになります。

配電用ヒューズ、リレー、コンタクタ、ソリッドステート部品

ヒューズ

他の部品への損傷を防ぐために、ヒューズは電流が一定の制限を超えた場合に回路を遮断する安全装置として機能します。

タイプ: これらには、リセット可能な、EV、カートリッジ、およびブレードヒューズが含まれます。
アプリケーション: さまざまな回路における過電流に対する保護。

ヒューズボックス内には、短絡が発生した場合に接続部と車両ハーネスが過熱するのを防ぐブレードヒューズ、カートリッジヒューズ、EVヒューズがあります。ヒューズが保護するケーブルと接続には、選択したヒューズ保持電流定格と一致する電流定格が必要です。

ECUの回路基板では、リセット可能ヒューズ (PTCとも呼ばれる) が回路の入力と出力での過電流を防ぎます。

リレー

リレーは、高電圧領域と低電圧領域を絶縁したり、低電力信号で高電力回路を制御できたりする電気駆動スイッチです。

タイプ: これらには、リードリレーと電気機械式リレーが含まれます。
アプリケーション: これらには、パワーウィンドウ、サンルーフ、燃料ポンプの起動、ヘッドライト制御、エンジン制御モジュールが含まれます。

電気機械式リレーで使用される電磁コイルは、アーマチュアコンタクタをある位置から別の位置に移動させることによって切り替えるために使用できます。

リードリレーには、ガラス管内に磁場と接触する磁気接触材料が含まれています。車内の位置検知、特に快適機能に関しては、手頃なオプションになります。

図1 : 電気機械式リレー

リードリレーはガラス管内に磁気接触材料を備えており、磁場にさらされると接触します。これは、主に快適機能における車両の位置検知に関しては安価なソリューションです。

図2 : リードリレー

コンタクタ

電気自動車では、バッテリー、電気機械、充電グリッド間の接続を制御するために、高電流負荷を調整するために作られたコンタクタ、特殊なリレーが頻繁に使用されます。コンタクタは、数千アンペアの電流を切り替えたり遮断したりする機能を備えていることがよくあります。

タイプ: DCコンタクタ、ACコンタクタ
アプリケーション: アプリケーション：高出力バッテリー管理、モータ制御

半導体スイッチ

スイッチング周期が数十ミリ秒のリレーと比較すると、MOSFETやIGBTなどの半導体スイッチは、特に高速スイッチングを必要とするアプリケーションにおいて、正確かつ効率的な電力管理を実現します。半導体はナノ秒単位で切り替えることができます。

タイプ: MOSFET、IGBT、トライアック
アプリケーション: DC/DCコンバータ、e-PDU、オンボードチャージャ、電動モータドライブが含まれます。

車載システムの配電アーキテクチャは複雑な分野であり、複雑さ、拡張性、効率性、信頼性などの設計要素を慎重に検討する必要があります。車両の電気システムがどのように動作し、さまざまな動作状況に適応するかは、集中型、分散型、ハイブリッド型の設計の選択、およびヒューズ、リレー、コンタクタ、ソリッドステートデバイスなどの部品の慎重な選択と使用によって決まります。

自動車のエンジニアは、これらの基本的な考え方を理解することで、現代の自動車の厳しい仕様を満たす配電システムを設計することができます。これにより、さまざまな機能がスムーズに機能し、全体的な運転体験が向上します。

配電モジュール (PDM)

配電モジュール (PDM) は、今日の車載の電気システムに不可欠な部分です。車載のインフラストラクチャ内で、これらのデバイスはさまざまなサブシステムへの電力の分配と管理を監視します。このセクションでは、PDMの基本的な機能と特性、および車載システムへの統合方法について説明します。

PDMの役割と特徴

PDMの役割

PDMは、電源 (バッテリーなど) から電力を取得し、インフォテインメントシステム、ライト、センサ、アクチュエータなど、車内のさまざまな負荷に割り当てる役割を担っています。以下を支援します。

電力の分配: 電圧と電流のニーズが異なる複数の負荷に効率的に電気を供給します。
システムの保護: システムを保護するために、短絡、過電流、電圧保護などの安全対策を講じます。
診断の促進: 診断を容易にするために、システムのパフォーマンスと障害状況に関する情報を提供する必要があります。

PDMの特徴

次のようないくつかの重要な特性により、PDMの機能と設計が向上します。

拡張性: さまざまなシステム設定やサイズに適応する能力。
柔軟性: さまざまな種類の負荷と電圧レベルが可能になります。
フォールトトレランス: システム全体の障害を防ぐために欠陥を絶縁することをフォールトトレランスと呼びます。
エネルギー効率: これは損失を最小限に抑え、電力使用量を最大化するプロセスです。
通信能力: 他の車両システムに接続して、同期したモニタリングと制御を提供します。
コンパクトな設計: 特に狭い車内では、スペースをできるだけ少なくします。

車載システムにおけるPDMの統合

PDMの種類

低電圧PDM は、従来の内燃エンジンを搭載した自動車にのみ搭載されていました。低電圧システム部品への適切な配電を保証する車両レベルのヒューズ、リレー、整流ダイオードはすべてこれらのヒューズボックスにあります。運転者は、ヒューズボックスに手が届くので整備ができます。

高電圧システムを備えたEVおよびHE車の電力分配モジュールは、運転者が接近できるように設計されていません。たとえば、テスラモデルのモジュールは、eマシンの下に隠れているため、接近が困難です。高電圧配電モジュールには、EVヒューズと、顧客への高電圧電力の流れをモニタするスマートエレクトロニクスが搭載されています。

配置と接続: 車載システムにおけるPDMの統合には、電磁両立性、アクセシビリティ、温度制御、重量配分など、いくつかの側面を考慮する必要があります。損失と干渉を減らすには、電源と負荷間の接続を適切に行う必要があります。

制御システムとのインタフェース: PDMは、バッテリー管理システム (BMS) やエンジン制御ユニット (ECU) などの他の制御ユニットと頻繁に通信します。協調動作を容易にするために、この相互作用には信頼性の高い通信プロトコルとリアルタイムのデータ転送が必要です。

自動車の電気システムは、複雑さ、効率性、安全性、適応性のバランスをとる配電モジュール (PDM) に大きく依存しています。幅広い特性に加え、配電と管理における複雑な機能により、現代の自動車の複雑なニーズを満たすことができます。

自動車のエンジニアは、ここで紹介した考えを理解して、弾力性があり独創的なPDMを設計および実装することで、車両の全体的なパフォーマンス、信頼性、安全性の向上に貢献できます。

電気配線とコネクタ

電気配線と接続の設計と実行は、現代の自動車の配電システムの重要な要素です。これらは車のさまざまな部分をリンクし、エネルギーを伝達するチャネルとして機能します。このセクションでは、ワイヤーハーネスの設計の複雑さ、接続タイプ、自動車システムにおける危険な電圧に関する懸念などについて説明します。

配線ハーネス設計の考慮事項

ワイヤーハーネスと呼ばれる電線とコネクタの束により、電気と電気情報が車全体に簡単に送られます。設計上の重要な要素は次のとおりです。

ルーティング: 配線の物理的な経路を整理して、他の部品やシステムとの干渉を減らします。

保護: 断熱材とシールドを使用して、熱、湿気、摩耗などの外部要素から保護します。

重量とサイズ: スペースと重量の制限を考慮してハーネスを作成します。

アクセシビリティ：重要なジョイントとコネクタがメンテナンスと検査のためにアクセス可能であることを確認します。

標準化と互換性: 業界のガイドラインに準拠し、さまざまな部品が連携して動作することを保証します。

冗長性: 信頼性を向上させるために、重要な操作にフォールバックルートを追加します。

コネクタの種類とアプリケーション

コネクタと呼ばれる特殊な接続により、電気回路の結合と切断が可能になります。車載システムで使用される接続にはいくつかの種類があります。

ターミナルコネクタ: これらは、ワイヤと端子またはバスバー間の高電流伝送に強力な接続を提供するため、配電で頻繁に使用されます。

基板対基板コネクタ: 複数のPCB (プリント回路基板) 間の接続を可能にするこれらのコネクタは、制御ユニットでよく見られます。

耐候性コネクタ: これらのコネクタは、ボンネットの下の部品などの屋外のアプリケーションに使用され、特に風雨にさらされても耐えられるように作られています。これらの接続の保護レベルは、車内のどこにパッケージされているかに応じて、IP68またはIP69で認定されることがよくあります。エンジンの下にある部品は、その寿命の間水に浸されたり、高温のジェット洗浄にさらされたりする可能性があるため、これらのコネクタはIP68とIP69の両方の保護定格を備えている必要があります。

顧客コネクタ: クライアントは、USBポートやシガーライターなど、コックピット内のいくつかのポートを利用できます。

最適なパフォーマンスと信頼性を得るには、環境耐性、電圧レベル、電流定格、接続 / 切断の容易さなどの側面を考慮して、適切なコネクタを選択する必要があります。

危険な電圧に関する考慮事項

ハイブリッド車や電気自動車の普及により、高電圧システムの管理が重要になっています。いくつかの要素を考慮する必要があります。

ケーブル絶縁の選択: システムとサービススタッフを保護するために、高電圧ケーブルには、故障することなく高電圧に耐えられる特殊な絶縁材料が必要です。ISO 6469、電気駆動道路車両、安全特性などの絶縁規格は、これらの要件と連動して使用されます。

ケーブルの色分け要件: 高圧電線はオレンジ色で他のケーブルと区別されることがよくあります。この目に見える表示により、正しい取り扱いと接続が保証されます。

コネクタピン間隔要件: 高電圧アプリケーションでは、アーク放電を回避するために接続ピン間の距離を十分に大きくする必要があります。保持しなければならない最小距離は、規格や法律によって定められています。

車両内の危険電圧部品へのアクセス: 安全のためには、高電圧部品が封じ込められまたは保護され、特定の機器またはキーでのみアクセス可能であるようにすることが重要です。通常、警告標識と明確なラベルが使用されます。すべての高電圧部品にはHVIL (高電圧インターロックループ) 回路を実装する必要があります。この回路の配線はモジュール間を走ります。この設計により、高電圧ケーブルが抜かれたり、高電圧部品が開かれたりしても、HVILループが切断されるようになります。バッテリー管理システムはこの切断を検出し、高電圧バッテリー接触器を遮断することで安全上のリスクを排除します。

自動車システムにおける電気配線と接続の設計と選択は、いくつかの技術的、環境的、および安全上の要因に関する慎重な計画と知識を必要とする複雑なプロセスです。エンジニアは、業界標準、安全法、優れた設計原則を遵守することで、現代の自動車の多くの要件を満たす、信頼性が高く効果的な電力分配パスを構築できます。自動車の技術環境の変化や電気自動車やハイブリッド車の人気の高まりが証明しているように、危険な電圧の問題には特別な注意が必要です。

配電におけるフェイルセーフ機構

車載システムの安全性、信頼性、継続性を保証するには、配電アーキテクチャにフェイルセーフデバイスを組み込む必要があります。これらのシステムは、誤動作を識別して絶縁することにより、困難な状況でも必要な操作を継続します。以下で、車両の配電のこれらの重要な側面について検討します。

故障の検出と分離

車両の安全と継続的な機能を保証するには、問題を早期に特定し、絶縁する必要があります。これを実現する方法は次のとおりです。

故障検出

センサ: システムには、電圧、電流、温度などの変数を監視するための複数のセンサが装備されています。通常の動作から逸脱すると警報が鳴ります。
診断ツール: 高度な診断アルゴリズムがシステムパフォーマンスを継続的にモニタし、潜在的な問題を示唆する異常や不規則性を検出します。
自己モニタリング部品: 最近の部品の多くには、問題を自ら識別して報告できる自己モニタリング機能が組み込まれています。たとえば、電気自動車システムでは、DC/DCコンバータとインバータの両方に高出力スイッチング回路が使用されています。この回路に誤動作が発生すると、モジュール自体がそれを検出し、システムをセーフモードにするための適切なアクションを開始します。たとえば、二次遮断スイッチを開いて、損傷した電源部品の短絡電流経路を停止します。

誤った絶縁

回路ブレーカーとヒューズ: これらのデバイスは、配電網全体に注意深く配置され、システムの機能不全の部品を遮断して、機能不全の拡大を阻止します。
ソリッドステートスイッチングデバイス: 迅速かつ正確な制御が可能になり、機械的な摩耗なしに欠陥を特定することが可能になります。
絶縁トランスおよびフォトカプラ: これらの部品は、さまざまなシステム部品間の電気的絶縁を提供することで、エラーが広範囲に広がるのを防ぐのに役立ちます。

これらのテクノロジーと機器は連携して動作し、システム全体への影響を最小限に抑えながらエラーを検出して絶縁することを保証します。

障害発生時に重要な機能を維持する

障害の絶縁と検出を行っても、車両の重要なシステムを稼働させ続けることが重要です。これには慎重な計画と設計が必要です。

冗長性: バックアップまたはセカンダリ回線を作成することにより、プライマリチャネルに障害が発生した場合でも重要な操作が継続されることが保証されます。

システムの優先順位付け: 故障状態が発生した場合、適切に設計された電力管理システムは、安全システム、ブレーキシステム、ステアリングシステムなどの最も重要なシステムを優先する場合があります。

バッテリーバックアップ: 主電源が中断された場合、状況によっては、特殊なバッテリーシステムが必要な部品に一時的に電力を供給できます。

継続的なモニタリングと適応反応: インテリジェントコントローラはシステムを常に監視し、必要に応じて電力を再ルーティングして状況の変化に適応し、システムを稼働させます。たとえば、一般的な動作条件では、高電圧バッテリーがEVの高電圧モジュールに電力の大部分を供給します。ただし、高電圧バッテリー管理システムなどの一部のモジュールは、車両の低電圧バッテリーを使用して、コンタクタの制御や通信などの重要な操作を維持することもできます。これにより、高電圧バッテリーが利用できない場合でも、システムを安全な状態に保つことができます。

配電フェイルセーフシステムは、現代の自動車の信頼性と堅牢性を保つために不可欠です。エンジニアは、重要な機能を維持するための慎重な計画と、強化された検出および絶縁技術を含む精巧な設計を通じて、道路上で発生する複雑で動的な状況に耐えることができるシステムを構築します。自動車の複雑化が進むにつれて、特に電気自動車や自動運転の分野では、電力供給ネットワークに対する需要がますます高まり、これらのシステムの技術的進歩が促進され続けます。このセクションの考えは、パフォーマンスと安全性を最優先する堅牢な車載電力システムを理解し、構築するための強力な基盤を提供します。

カーエレクトロニクス