自動運転車の配線

Jul 26, 2023

自動車メーカーやサプライヤーは自動運転技術の開発に躍起になっている。 写真提供：Torc Robotics Inc.

自動運転を可能にする主要コンポーネントには、カメラ、ライダー、レーダーが含まれます。 イラスト提供：ミシガン大学

自動運転車の発展に伴い、ワイヤーハーネスの需要は拡大します。 写真提供：Delphi Automotive

自動運転車の周囲に配置されたセンサーとアクチュエーターは、常にリアルタイムの情報を収集し、共有します。 イラスト提供：アウディAG

自動車産業は、130 年の歴史の中で最大の変革を迎えています。 世界中の自動車メーカーとサプライヤーは、自動運転車の開発に先を争っている。 そして、シリコンバレーの大手テクノロジー企業からスタートアップの起業家に至るまで、外部からの圧力も高まっている。

無人運転技術をめぐる大騒ぎの真っただ中にあるのが、古き良きワイヤーハーネスです。 ケーブル、ワイヤー、次世代の電気システムは、自動運転車やトラックの成功と安全性において重要な役割を果たします。 また、車両の電動化が進むにつれて、自動車エンジニアには新たなプレッシャーがかかることになります。

実際、自動運転車の導入における最大の課題の 1 つは、エンジンやドライブトレインではなく、ケーブルと配線です。 それは、新興の電気システムでは、膨大な量のデータを迅速かつ確実に処理する必要があるためです。

車載センサー、他の車両、道路上のインフラ、衛星からの信号は、高性能コンピューターにストリーミングされます。 そのコンピュータは、ブレーキ、ステアリング、その他の制御システムに信号を送信します。

強力な電気システムが車両を動作させるにつれて、ケーブルとワイヤー ハーネスの重要性がこれまで以上に高まります。

「ワイヤーハーネスはこれからも続く」と、FCAオートモーティブとフォード・モーターにサービスを提供する共同技術コンソーシアムである米国自動車研究評議会LLC（USCAR）の電気配線コンポーネント応用パートナーシップの共同研究リーダーであるドン・プライス氏は主張する。とゼネラルモーターズ社。

元フォードのエンジニアであるプライス氏は、「自動運転車の開発に伴い、ワイヤーハーネスの需要は高まるだろう」と語る。 「これらは今後も車内のすべてのポイントツーポイント通信の物理的バックボーンであり続けます。

「無線システムについての話題が多いため、そうではないと考える人もいます」とプライス氏は付け加えた。 「無線技術は、車車間ネットワークなど、車外の通信にのみ適用されます。」

「自動」運転技術の開発競争は続いているが、自動車技術者協会（SAE）によれば、この技術は自動運転、無人運転、自動運転ではなく、好んで使われる用語であるという。

先月、米国下院は自動運転車の開発を促進すると期待される法案（HR 3388）を全会一致で可決した。 この画期的な法案により、企業はより迅速にこれらの車両を公道に配備できるようになり、州がその普及を遅らせることを抑制できるようになる。 この法案に基づいて、自動車メーカーは今後数年間で数十万台の自動運転車を米国の道路に追加することができる。

自動運転車は、ドイツのフランクフルトで最近開催された自動車ショーでも注目を集めました。 アウディは Aicon を発表し、ダイムラーは EQ を、ルノーは Symbioz を発表しました。 3 台のコンセプトカーはいずれも、そう遠くない将来の業界の方向性を垣間見ることができます。

先月フランクフルトで注目を集めた最も興味深い車両のいくつかは、全電気パワートレインを宣伝していました。 たとえば、Audi Aicon は 4 つの電気モーターと 800 ボルトの充電システムを備えています。

「電気自動車は、自動運転アプリケーションに適したアーキテクチャを備えています」と、自動車のコネクティビティ、電動化、車両アーキテクチャの分野でハードウェアと設計ツールを提供するシーメンスの部門であるメンター・オートモーティブのビジネス開発ディレクターであるニック・スミス氏は述べています。

今年初めにメンターは、自動運転アプリケーション用の電気および電子システムを設計するためのツールである DRS360 プラットフォームを発表しました。

「自動運転車は、アクチュエーター、マイクロプロセッサー、数千個のセンサーを含む高度な安全システムの複雑なネットワークに依存します」とスミス氏は説明します。 「電動化されたパワートレインは、さらに複雑な負荷を加えます。エンジニアは、高電圧用途向けに自動化された自動車電気システムを設計する必要があります。」

今後 10 年間で、ますます多くの電気自動車が道路を走行するようになるでしょう。 日産・ルノー・三菱連合は、2022年までに12車種の純粋な電気自動車を発売する計画だ。フォルクスワーゲンは、2030年までにラインアップの300モデルすべてに電気バージョンが搭載されると主張している。また、ボルボは、2022年末までに内燃機関を搭載した車両の生産を中止すると発表している。この10年。

多くのティア 1 サプライヤーも自動運転車時代に向けた準備を進めています。 彼らは、カメラやレーダーと組み合わせて自動運転を可能にするレーザー光に基づくセンサーシステムであるライダーなど、次世代テクノロジーを専門とする企業に投資している。 Delphi Automotive は Innoviz Technologies と提携しており、Magneti Marelli は最近 LeddarTech の株式を取得しました。

自動運転を実現するその他のコンポーネントには、高性能コンピューター プラットフォーム、堅牢な作動システム、サーマル カメラ、超音波センサー、赤外線センサーなどがあります。

「車両が状況にどう反応するかは、車両がセンサーを通じて何を見て何を聞いたかによって決まります」と、デルファイ オートモーティブ社の最高技術責任者、グレン デ ヴォス氏は述べています。 「必要な認識テクノロジーには、ビジョン (カメラ)、ライダー、レーダーの 3 つの基本的なタイプがあります。

「それぞれのセンサーにはそれぞれの強みがあります」と De Vos 氏は説明します。 「レーダーは天候の影響を受けません。ライダーは非常に正確な距離と距離の情報を提供します。ビジョンは物体分類の精度を提供します。

「これら 3 つをすべて組み合わせることで、システムは車両の周囲にあるものの包括的なビューを生成し、冗長な安全性と信頼性を追加できます」と De Vos 氏は指摘します。

自動車エンジニアは、いくつかのレベルの自動運転の実現に向けて取り組んでいます。 彼らの長期的な目標は、アダプティブ クルーズ コントロール、アンチロック ブレーキ、車線逸脱警報など、さまざまな種類の先進運転支援システムが装備されている現在の車両をはるかに超えて進歩することです。

次のステップは、交通状況や環境条件に応じて、ドライバーが車両の安全上重要な機能の制御を放棄できるようにすることです。

SAE は、自動運転システムを、自動化なし (レベル 0) から完全な運転自動化 (レベル 5) までの 6 つのレベルに指定しています。

レベル 3 は、ドライバーが要求に応じて車両を引き継ぐ必要がある高度な自動運転を指します。 レベル 4 の自動化とは、ほとんどの運転状況を車自体が処理できることを意味します。 究極の目標はレベル 5、つまりあらゆる種類の運転条件における完全な自動化です。

自動車メーカーは自慢の権利を争っている。 たとえば、アウディは、2018年モデルの高級セダン「A8」がレベル3の自動運転機能を備えた世界初の量産車であると主張している。 同社は2020年までにレベル4の車を発売する予定だ。

他の自動車メーカーはより慎重なアプローチをとっている。 たとえば、ホンダは、レベル 3 の高速道路走行が可能な車両を 2020 年までに市場に投入する予定ですが、レベル 4 の機能を備えた車両が完成するのは 2025 年になると予想しています。

自動車研究センターによると、ほとんどのレベル 5 車両は、レベル 4 車両が初めて道路に登場してから約 10 年後の 2030 年までに市販される予定です。

いくつかの予測はさらに大胆です。 シリコンバレーのシンクタンクであるRethinkXは、「史上最も速く、最も深く、最も重大な交通機関の混乱の1つ」が今後10年以内に起こると予測している。 しかし、自動運転技術に追いつくには、規制、法律、インフラストラクチャの多くのハードルが依然として必要であるという厳粛な現実があります。

自動運転車がいつ大量生産され始めるとしても、1 つ確かなことは、電気接続が重要になるということです。 自動車エンジニアはまず、より大きな電気負荷を処理できるアーキテクチャ内ですべてのコンポーネントが問題なく動作する方法を見つける必要があります。

「レベル 5 システムには少なくとも 40 ～ 50 テラフロップスの計算能力が必要になります。これは今日の車両の 20 倍です」と De Vos 氏は言います。 「数年以内に、現在よりも 10 倍の速さで情報を伝達する必要があるでしょう。大きな変革が起こり、その結果、ワイヤー ハーネスはより複雑になるでしょう。」

「自動運転に必要なセンサーは、より高い解像度を必要とし、より多くのデータを提供します」と Navigant Research のシニア アナリストである Sam Abuelsamid 氏は付け加えます。 「たとえば、アンチロック ブレーキに使用される車輪速度センサーは、解像度が 256 ビット以下の単一のデジタル データ ポイントを提供します。一方、LIDAR センサーは通常、1 秒あたり 300,000 以上のポイントを提供します。

「自動運転車の信号の信頼性もさらに重要です」とアブエルサミド氏は説明します。 「従来のシステムでは、電気接続に障害が発生するとサブシステムが無効になる可能性がありますが、ドライバーが完全に制御することができます。自動運転車では、人間の乗員が制御できない場合、それは当てはまらない可能性があります。

「自動運転車に進化するにつれて、車両ネットワーク内でより多くのデータ帯域幅が必要になり、おそらくイーサネット接続が必要になるでしょう」とアブエルサミッド氏は警告します。 「配線と接続は、より堅牢で信頼性の高いものにするか、冗長性を追加する必要があります。」

「データ速度と帯域幅の高速化により、自動運転車ではより多くの同軸ケーブルとツイストペア配線が使用されることになるでしょう」と USCAR のプライス氏は述べています。 「アンテナ、カメラ、イーサネット接続に使用するためだけでも、車両 1 台あたり 40 本以上の同軸線が必要になるという試算もあります。そのためには、組み立てプロセスに大きな変更が必要になります。」

非シールドツイストペア配線には、高価で重いシールドを施さずに電磁伝導耐性を提供できるという利点があります。

「これにより、より狭い曲げ半径が可能になり、高密度システムでのケーブル管理が改善されます」とシュロイニガー社の製品管理担当副社長、ピート・ドヨン氏は説明します。同社は、自動運転システムを開発している多くの企業にワイヤ処理装置を供給しています。ウーバーとして。

「ツイストペア設計は、終端の問題を大幅に軽減するのにも役立ちます」と Doyon 氏は付け加えます。 「ケーブルは本質的にバランスが取れており、並列ペア製品よりも優れた機械的信頼性を提供します。」

「自動運転車は、ワイヤーハーネス全体の複雑さも増すでしょう」とドヨン氏は指摘する。 「車載コンピュータシステムが一瞬で生死を決定するためには、生成されるデータの量は驚異的になるでしょう。データと信号線はパズルのより重要なピースになるでしょう。」

Doyon 氏によると、多くのデバイスには複数のワイヤが必要になります。 出力要件のため、これらは多心ケーブルで接続されます。 これにより、ワイヤーハーネス全体のサイズと重量が増加します。

「自動車業界では、12 個の小さなハーネスをすべて接続する代わりに、はるかに大きなハーネスが使用されています」とドヨン氏は言います。 「超大型ハーネスにより、必要なコネクタと端子の数が減少します。」

自動運転システムでは失敗は許されません。 コンポーネントが動作を停止したり、断続的に機能したりすると、致命的な事故が発生する可能性があります。 その結果、初期世代の自動運転車には冗長システムが搭載されることになります。

「そうすれば、一度の失敗が壊滅的な事故を引き起こすことはありません」とドヨン氏は言います。 「しかし、それは配線や電気回路が増えることも意味しており、重量とスペースの問題が生じます。」

自動車用ワイヤーハーネスの大手サプライヤーである Leoni AG のマーケティング担当上級副社長、Bernd Buhmann 氏は次のように述べています。「重量と設置スペースは、お客様からの最も重要な要件です。」 「自動運転車の場合、すべての新機能を統合するために必要な重量とスペースを制限することがより重要です。

「自動運転車はより多くのデータを生成し、より多くのデータを必要とします」とブーマン氏は説明します。 「車はそれらの話題に反応できなければなりません。それらの車には冗長電源が必要であり、車内にさらに多くのセンサーを接続する必要があります。

「データと電力の分配には、ヒューズや電力の切り替えに新しい電子部品を使用した、よりインテリジェントなデバイスが必要です」とブーマン氏は付け加えます。 「安全性が重要なアプリケーションの故障率を計算する方法はまだ確立されておらず、開発する必要があります。」

「現在、自動車用途に使用されているワイヤの多くは 26 ゲージです」と Doyon 氏は言います。 「多くの人は、そのサイズのワイヤを切断、剥離、圧着することに抵抗を感じません。しかし、現在、特に信号およびデータ アプリケーション向けに、より小さな 28 ゲージ ワイヤへの関心が高まり始めています。

「残念ながら、そのサイズのワイヤを使用する自動車用途には小型端子はまだ利用できません」とドヨン氏は指摘する。 「より大きな端子に収まるように、ワイヤの端を半分に折り、より多くの断面積を得る必要があります。」

自動運転車が登場し始めると、軽量化の問題に対処するためにアルミニウムワイヤーの需要も高まるでしょう。

「多くの自動車メーカーはすでに、バッテリーや10ゲージを超えるものを必要とするその他の用途で使用される大型ケーブルをアルミニウムに切り替えています」とドヨン氏は言う。 「しかし、より小さなゲージのアルミニウム線には、絶縁体を剥がした後の脆さや酸化の問題など、多くの課題があります。

「アルミニウムは非常に柔らかく、延性があり、展性があります」とドヨン氏は付け加えます。 「リラックスする傾向があるため、処理が困難になります。

「しかし、自動車業界では多くの研究開発が行われています」とドヨン氏は指摘する。 「私たちは現在、アルミニウムを自動運転車に使用できる選択肢にするために、多くのワイヤーハーネスサプライヤーと協力しています。」