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自動車用電子機器は、エンジン管理、点火、ラジオ、カーコンピュータ、テレマティクス、車内エンターテイメント システムなどを含む、車両で使用される電子システムです。点火、エンジン、トランスミッションの電子機器は、トラック、オートバイ、オフロード車、フォークリフト、トラクター、掘削機などの内燃機関駆動機械にも使用されています。関連する電気システムの制御に関連する要素は、ハイブリッド車や電気自動車にも使用されています。
電子システムは自動車のコストに占める割合がますます大きくなり、1950年には自動車価格のわずか1%程度であったものが、2010年には約30%にまで増加しました。[1]現代の電気自動車は、主駆動モーターの制御とバッテリーシステムの管理にパワーエレクトロニクスを利用しています。将来の自動運転車は、強力なコンピューターシステム、一連のセンサー、ネットワーク、衛星ナビゲーションに依存することになりますが、これらすべてに電子機器が必要になります。
歴史
工場で装備できる最も古い電子システムは、1930年代初頭に登場した真空管 カーラジオでした。第二次世界大戦後の半導体の発達により、自動車における電子機器の使用が大幅に拡大し、1960年頃からは固体ダイオードによって自動車用オルタネーターが標準となり、1963年には最初のトランジスタ式点火システムが登場しました。[2]
金属酸化物半導体（MOS）技術の出現は、現代の自動車エレクトロニクスの開発につながりました。[3] MOSFETは、フロッシュとデリックが二酸化ケイ素による表面パッシベーションを発見し、その発見を使って最初のプレーナトランジスタ（ドレインとソースが同一表面で隣接した最初の電界効果トランジスタ）を作成した後、1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。後に、あるチームがベル研究所で動作するMOSを実証しました。[4] [5] [6] [7] [8] [9] ダウォン・カーンは、ベル研究所のメモでその成果を次のように要約しています。デバイスを製造したEE LaBateとEI Povilonis、拡散プロセスを開発したMO Thurston、LA D'Asaro、JR Ligenza、デバイスの特性を評価したHK GummelとR. Lindner。[10] [11]これにより、 1969年に日立がパワーMOSFETを開発し、[12] 1971年にインテルでフェデリコ・ファギン、マルシアン・ホフ、嶋正敏、スタンレー・メイザーがシングルチップマイクロプロセッサを開発しました。 [13]
MOS集積回路（MOS IC）チップとマイクロプロセッサの開発により、1970年代にはさまざまな自動車アプリケーションが経済的に実現可能になりました。1971年、フェアチャイルドセミコンダクターとRCA研究所は、トランスミッション制御ユニット（TCU）、アダプティブクルーズコントロール（ACC）、オルタネーター、自動ヘッドライト調光器、電動燃料ポンプ、電子燃料噴射、電子点火制御、電子タコメーター、シーケンシャルウィンカー、速度表示器、タイヤ空気圧モニター、電圧レギュレーター、ワイパー制御、電子横滑り防止装置（ ESP）、暖房、換気、空調（HVAC）など、幅広い自動車電子アプリケーションにMOS大規模集積回路（LSI）チップを使用することを提案しました。[14]
1970年代初頭、日本のエレクトロニクス産業は、車載エンターテイメント、自動ワイパー、電子ロック、ダッシュボード、エンジン制御に使用される集積回路とマイクロコントローラを日本の自動車産業向けに生産し始めました。 [15]東芝TLCS-12 PMOSマイクロプロセッサを使用したフォードEEC（電子エンジン制御）システムは、1975年に大量生産されました。[16] [17] 1978年、キャデラックセビルは6802マイクロプロセッサに基づく「トリップコンピュータ」を搭載しました。電子制御の点火および燃料噴射システムにより、自動車設計者は、燃費と排出量の削減の要件を満たす車両を実現しながら、ドライバーにとって高いレベルのパフォーマンスと利便性を維持できるようになりました。今日の自動車には、エンジン管理、トランスミッション制御、気候制御、アンチロックブレーキ、パッシブセーフティシステム、ナビゲーションなどの機能で、12個以上のプロセッサが搭載されています。[18]
パワーMOSFETとマイクロコントローラ（シングルチップマイクロコンピュータの一種）は、電気自動車技術の大きな進歩をもたらした。MOSFET電力コンバータは、はるかに高いスイッチング周波数での動作を可能にし、運転を容易にし、電力損失を減らし、価格を大幅に引き下げた一方、シングルチップマイクロコントローラは駆動制御のあらゆる側面を管理でき、バッテリ管理の能力を持っていた。[ 3 ] MOSFETは、自動車[19]、[20]乗用車[21] 、 [ 20]電気自動車[3]、スマートカーなどの車両に使用されている。[22] MOSFETは電子制御ユニット（ECU）に使用され、[23]パワーMOSFETとIGBTは、モーター、ソレノイド、点火コイル、リレー、ヒーター、ランプなどの自動車負荷の負荷ドライバとして使用されている。[19] 2000年には、平均的な中型乗用車には推定100～200ドルのパワー半導体が搭載されていましたが、電気自動車やハイブリッド車では3～5倍に増加する可能性があります。2017年現在、平均的な車両には50を超えるアクチュエータが搭載されており、通常はパワーMOSFETやその他のパワー半導体デバイスによって制御されます。[19] [アップデート]
現代の高速道路走行可能な電気自動車を可能にしたもう一つの重要な技術はリチウムイオン電池である。[24]これは1980年代にジョン・グッドイナフ、ラシッド・ヤザミ、吉野彰によって発明され、 [25] 1991年にソニーと旭化成によって商品化された。[26]リチウムイオン電池は、2000年代までに長距離走行が可能な電気自動車の開発に貢献した。[24]
種類
自動車用電子機器または自動車用組み込みシステムは分散システムであり、自動車分野のさまざまなドメインに応じて次のように分類できます。
- エンジンエレクトロニクス
- トランスミッションエレクトロニクス
- シャーシエレクトロニクス
- パッシブセーフティ
- 運転支援
- 乗客の快適性
- エンターテイメントシステム
- 電子統合コックピットシステム
CNNビジネスのクリス・イシドール氏によると、2020年代の自動車には平均50～150個のチップが搭載されているという。 [27]
エンジンエレクトロニクス
自動車の電子部品の中で最も要求の厳しい部品の 1 つがエンジン制御ユニット(ECU) です。エンジン自体は自動車の非常に高速で複雑な部品であるため、エンジン制御は最も高いリアルタイムの期限を要求します。自動車の電子部品の中で、エンジン制御ユニットの計算能力は最も高く、通常は 32 ビット プロセッサです。[引用が必要]
現代の自動車には最大 100 個の ECU が搭載され、商用車には最大 40 個の ECU が搭載されます。[引用が必要]
エンジン ECU は次のような機能を制御します。
ディーゼルエンジンの場合：
ガソリンエンジンの場合:
さらに多くのエンジン パラメータがアクティブに監視され、リアルタイムで制御されます。エンジン内のさまざまなポイントで圧力、温度、流量、エンジン速度、酸素レベル、NOxレベル、およびその他のパラメータを測定するセンサが約 20 ～ 50 個あります。これらのセンサ信号はすべて、実際の制御を行うロジック回路を備えた ECU に送信されます。ECU 出力は、スロットル バルブ、EGR バルブ、ラック ( VGT内)、燃料インジェクタ (パルス幅変調信号を使用)、ドージング インジェクタなどのさまざまなアクチュエータに接続されます。アクチュエータは全部で約 20 ～ 30 個あります。
トランスミッションエレクトロニクス
これらはトランスミッション システムを制御し、主にギアのシフトを制御してシフトの快適性を高め、シフト中のトルク中断を減らします。オートマチック トランスミッションは操作にコントロールを使用しますが、多くのセミオートマチック トランスミッションも全自動クラッチまたはセミオート クラッチ (クラッチ解除のみ) を備えています。エンジン コントロール ユニットとトランスミッション コントロールは、操作のためにメッセージ、センサー信号、および制御信号を交換します。
シャーシエレクトロニクス
シャーシ システムには、さまざまなパラメータを監視し、アクティブに制御される多数のサブシステムがあります。
- ABS –アンチロック ブレーキ システム
- ASR / TCS –アンチスリップレギュレーション/ トラクションコントロールシステム
- BAS –ブレーキアシスト
- EBD –電子ブレーキ力配分
- EDC –電子ダンパー制御
- EDS – 電子差動装置
- ESP –電子安定性プログラム
- ETS –強化牽引システム
- PA – 駐車支援
パッシブセーフティ
これらのシステムは、衝突が進行中の場合、または危険な状況を感知した場合に衝突を防止するために常に作動する準備ができています。
- エアバッグ
- ヒルディセントコントロール
- 緊急ブレーキアシストシステム
運転支援
- 車線維持支援システム
- スピードアシストシステム
- 死角検知
- パーキングアシストシステム
- アダプティブクルーズコントロールシステム
- 衝突回避支援
乗客の快適性
- 自動気候制御
- メモリー機能付き電子シート調整
- 自動ワイパー
- 自動ヘッドランプ - ビームを自動調整します
- 自動冷却 - 温度調整
エンターテイメントシステム
上記のシステムはすべてインフォテインメント システムを構成します。これらのシステムの開発方法はメーカーによって異なります。ハードウェアとソフトウェアの開発にはそれぞれ異なるツールが使用されます。
電子統合コックピットシステム
これらは、インフォテインメント ヘッド ユニット、先進運転支援システム(ADAS)、計器クラスター、リア カメラ/パーキング アシスト、サラウンド ビュー システムなどの複数の ECU の機能を組み合わせた新世代のハイブリッド ECU です。これにより、電子機器のコストだけでなく、ECU 間の相互接続などの機械的/物理的部品のコストも節約できます。また、より集中化された制御により、システム間でデータをシームレスに交換できます。
もちろん課題もあります。このハイブリッド システムの複雑さを考えると、システムの堅牢性、安全性、セキュリティを検証するには、より厳格な手順が必要です。たとえば、オープン ソースの Android OS を実行している可能性のあるインフォテインメント システムのアプリケーションが侵害された場合、ハッカーが車をリモートで制御し、反社会的活動に悪用する可能性があります。通常、ハードウェアとソフトウェアに対応したハイパーバイザーを使用して仮想化し、互いの障害や侵害の影響を受けない個別の信頼ゾーンと安全ゾーンを作成します。この分野では多くの作業が行われており、すでに行われていなくても、すぐにそのようなシステムが導入される可能性があります。
機能安全要件
危険な故障のリスクを最小限に抑えるためには、安全関連の電子システムは、適用される製造物責任要件に従って開発する必要があります。これらの基準を無視したり、適切に適用しなかったりすると、人身事故につながるだけでなく、製品のキャンセルやリコールなど、重大な法的および経済的結果を招く可能性があります。
IEC 61508規格は、一般的に電気/電子/プログラム可能な安全関連製品に適用されますが、自動車開発の要件には部分的にしか適合していません。そのため、自動車業界では、この規格は、現在最終草案国際規格（FDIS）として公開されている既存のISO 26262に置き換えられます。ISO/DIS 26262は、道路車両の安全関連電気/電子システムの製品ライフサイクル全体を規定しています。これは、2011年11月に最終版で国際規格として公開されました。この新しい規格の実装により、コンセプト段階から廃止までの 製品ライフサイクル全体をカバーしているため、自動車エレクトロニクス開発プロセスに変更とさまざまな革新がもたらされます。
安全
自動車の機能が短距離または長距離ネットワークに接続されるようになると、不正な変更に対するシステムのサイバーセキュリティが必要になります。エンジン制御、トランスミッション、エアバッグ、ブレーキなどの重要なシステムが内部診断ネットワークに接続されているため、リモートアクセスによって悪意のある侵入者がシステムの機能を変更したり無効にしたりして、負傷や死亡事故を引き起こす可能性があります。新しいインターフェイスはすべて、新しい「攻撃対象領域」をもたらします。所有者がスマートフォンアプリから車のロックを解除して始動できるようにする機能も、リモートアクセスによるリスクをもたらします。自動車メーカーは、さまざまな制御マイクロプロセッサのメモリを保護することで、不正な変更から保護し、メーカーが認可した施設のみが車両の診断や修理を行えるようにしています。キーレスエントリなどのシステムは、暗号化技術に依存して、「リプレイ」または「中間者攻撃」攻撃がシーケンスを記録して後で自動車に侵入できないようにします。[28]
2015年にドイツ自動車協会は、ある自動車メーカーの電子システムの脆弱性について調査を委託した。この脆弱性は、車両の不正な遠隔ロック解除などの悪用につながる可能性があった。[29]
参照
- セルポートシステム
- ベトロニクス
- 先進運転支援システム（ADAS）
参考文献
- ^ https://www.statista.com/statistics/277931/automotive-electronics-cost-as-a-share-of-total-car-cost-worldwide/ 自動車エレクトロニクスのコストが自動車の総コストに占める割合、2017 年 7 月 11 日取得
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現在、当社は約 20 社の大手企業との契約に基づき、自動車、トラック、家電製品、事務機器、楽器、コンピュータ周辺機器、レジスター、計算機、データ伝送および通信機器向けの MOS/LSI 技術のアプリケーションなど、約 30 の製品プログラムに取り組んでいます。
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さらに読む
- William B. Ribbens および Norman P. Mansour (2003)。自動車エレクトロニクスの理解(第 6 版)。Newnes。ISBN 9780750675994。
外部リンク
- 国際自動車エレクトロニクス会議
- 自動車技術者協会
- クレムソン自動車電子工学研究所（自動車電子工学部門）