過酷な環境でのコネクテッド カー

顧客は、ドライバーの生産性と安全性を向上させるために、運転時に必要なタスクを自動化または拡張する機能を求めています。 このような機能は、多くの場合、総所有コストの低減ももたらします。自動ブレーキ・ステアリング機能、オンボード診断、車両対車両 (V2V) 通信、車両対インフラストラクチャ (V2I) 通信、ドライバーに 360° の視界を提供するカメラなどの機能は、顧客の基本的な要件になりつつあります。
これらの機能を実現するには、大量のデータを高速で伝送する必要があります。エンジニアがこのような顧客の要件に応える新しいモデルを設計する際は、トラックやオフハイウェイ車の過酷な環境下でどのようにして信号の完全性とデータ伝送を確保するかが大きな問題になります。

データ需要の増加と高速接続に対処するには、高度なネットワーク インフラが必要です。 CAN バス アーキテクチャ (取り扱える最高速度は通常 500 kbps) は、過酷な環境下での使用に耐える車両 (ヘビーデューティー車両) の通信ネットワークの確固たるバックボーンとして、過去数十年にわたって利用されてきました。ただし、安全性や生産性の向上を目的とする高度な車両機能や自動化機能に必要なデータ帯域幅は、CAN 単独で処理するには大きすぎます。

シングルペア Ethernet プロトコル (100 Mbps の 100BASE-T1、または 1 Gbps の 1000BASE-T1) であれば、データを高速に伝送できます。Ethernet ネットワークとコネクタを利用することで、OEM 設計者はより多くのデバイスをネットワーク上にシームレスに統合し、車両におけるデータ接続の高速化を実現できます。その一方で、Ethernet はポイント ツー ポイント (P2P) トポロジによって構成されるため、車内の電気・電子 (E/E) アーキテクチャも変更を余儀なくされます。OEM が機能やデバイスの追加を決定した場合、設計者は、信号の伝送経路を指定する Ethernet スイッチや、Ethernet と CAN 間の通信用のゲートウェイを使用することも検討する必要があります。

過酷な条件下においてスペース、重量、性能を最適化するにあたり、設計者は設計の最初の段階で、Ethernet を高度な機能にとって必要な場所にどのような形で組み込むかを吟味しなくてはなりません。Ethernet を必要とするすべての機能について、車内に配置するケーブルの本数と場所、Ethernet スイッチを配置する場所、スイッチを既存の電気制御ユニット (ECU) と新しい専用の ECU のどちらに組み込むかといったことを決定する必要があります。これらの検討は、電磁干渉 (EMI) やその他の機械的障害に関する問題を回避する、または少なくとも低減させるためにも極めて重要です。

たとえば、 ヘビーデューティー車両に搭載された 360° カメラは、車外から車内のディスプレイに高速にデータを伝送し、運転手が周囲の状況を確認できるようにします。カメラの信号は、(車両の四方に 1 台ずつ設置された) 4 台のカメラから 1 つの ECU に送られます。設計者は、4 台のカメラから送られたデータを 1 つの信号に統合して ECU に送信するために、スイッチの配置位置を検討する必要があります。スイッチは、車内またはいずれか 1 台のカメラに配置できます。スイッチが配置されたカメラは、他の 3 台のカメラからのデータ入力とデータ送出のために 4 つのポートを備えています。その他に、ビデオ表示モニタにスイッチを組み込むという方法もあります。

自動ブレーキ機能や先進運転支援システム (ADAS) などの多数のセンサを使用する能動的な自動化機能を搭載するには、設計の初期段階から十分な検討が必要になります。センサはそれぞれ、専用の通信リンクで ECU に接続されます。車載センサの数が増えればその分、ケーブルと通信リンクの数も増えることになります。将来登場する自動運転のヘビーデューティー車両では、レーダーが 16 基、ライダーが 10 基、カメラが 10 台といった具合に、車両全体でかなりの数のセンサが必要になるでしょう。その場合、ケーブルとリンクの数は 30 を超えます。シャーシ内外での信号の完全性を維持するため、また、リンクを 1 つの ECU に集約させるためには、接続スペース上の制約、重量、EMI などの影響を考慮した上で、EMI 耐性を備えた、すっきりとした取り回しにすることが求められます。データ量が増えるということは、より広い帯域幅が必要になる、つまりはコネクタとケーブルも高速な伝送に対応できなければならない、ということでもあります。

産業用車両や商用車両はサイズが巨大であることから、信号の完全性を維持しながらデータを確実に伝送することは乗用車よりも難題です。車両内での Ethernet 信号伝送に関して、Ethernet 規格では最大 15 m (49 フィート) までという技術的要件が定められています。ところが、トラック、バス、オフハイウェイ車の場合、この規定を上回る最大 40 m (131 フィート) の長さでも信号の完全性を維持できなくてはなりません。さらには、激しい振動や極端な温度、衝撃、大量のほこりなどにも耐える必要があります。

現在の Ethernet 規格では、セグメントの長さが 40 m になる場合、インライン接続を最大 4 つにするよう規定しています。設計者は、最適な信号の完全性を維持するには各セグメントの長さをどの程度に抑えるべきか、吟味する必要があります。信号の完全性に影響を及ぼす要因としては、車外環境への露出や高温への暴露、EMI の原因となりうるアンテナやその他のコンポーネントの近くへの配置などが挙げられます。ケーブルの取り回しが設計上の重要な要素となり、物理層全体も、想定した性能に見合ったものにしなければなりません。

「CAN と Ethernet による複合アーキテクチャを設計する場合、エンジニアは大量のデータを扱う高度な機能を搭載するにあたって、それらの機能に対応できるように接続インフラ全体を事前に検討する必要があります。」 TE Connectivity のデータ コネクティビティ担当エンジニアリング マネージャ、Abbas Alwishah はこのように説明します。「技術が進歩するにつれて、OEM とサプライヤの協力が重要性を増しています。顧客が高精細カメラや超低レイテンシで動作する近接検知システムを必要としている場合、私はその機能またはシステムに必要なコンポーネント 1 つ 1 つについて説明します。センサ、コネクタ、ケーブル アセンブリ製品、アンテナ、プロセッサ、ディスプレイなどですね。そして、性能、スペース、重量、コストが最適になるトポロジを提案します。」

過酷な条件に耐えられる Ethernet 互換コンポーネントを選択することは、寿命の長いヘビーデューティー車両で信頼性の高いデータ伝送を実現するために必要不可欠です。(元々乗用車向けに設計された) 車載用 Ethernet コネクタは、極端な衝撃、高温/低温、その他の物理的障害にさらされることのない車室内のような場所であれば使用できます。そのような場所では、頑丈なコネクタや長いケーブルは必要ありません。高品質の非シールド ツイストペア ケーブルは、車両内のほとんどの場所で Ethernet への使用に適しています。シールド ツイストペア ケーブルは、必要な箇所にだけ使用すれば済みます。設計者が何を選択するかは、コスト管理、省スペース、軽量化にも影響を及ぼします。

たとえば、車載 Ethernet 向けに TE が開発した拡張可能なモジュール式の MATEnet コネクタは、ヘビーデューティ車両でも、オンボード診断 (V2X 技術)、テレマティックス、ダッシュボード インフォテインメント、先進運転支援システム (ADAS) といったデータ量が中程度以上で低レイテンシが求められる用途に使用できます。このコネクタは、100 Mbps ～ 1 Gbps (IEEE 100BASE-T1/1000BASE-T1 に準拠) でのデータ伝送が可能で、非シールド ツイストペア ケーブルとシールド ツイストペア ケーブルの両方に対応しています。

シャーシ搭載コンポーネントには、堅牢性以上の性能が求められます。大前提となるのは、機械的な信頼性、高い保守性、極端な高温/低温への耐性、長いチャネルでも効率的に動作することです。高周波数においては、ケーブル/コネクタの品質と設計がチャネルの性能を大きく左右し、システム全体の性能、さらにはアプリケーションの性能にも大きな影響を及ぼします。シャーシ搭載コンポーネントについては特に、過酷な環境でも高速にデータを伝送できるように設計されたケーブルとコネクタを選択する必要があります。

TE のデータ コネクティビティ担当プロダクト マネージャである Mark Brubaker は、こう述べています。「機械的な障害耐性を求めるニーズに応えようとして、本能的に、より大型で堅牢なハウジングの追加を考えるエンジニアがいるかもしれません。ところが、壁を厚くすれば電気性能に悪影響を及ぼすおそれがあります。過去の仕事を参考にすることも確かに重要ですが、高速なデータ伝送やより高い周波数での接続性能試験といった新世代の電気的ニーズについて理解するために一歩踏み出すこともまた重要です。」 

高速データ伝送が不可欠となる高度な自動化機能を設計するならば、製品の選択と配置の問題を後回しにするわけにはいきません。ヘビー デューティ車両のアーキテクチャに Ethernet を追加する場合、設計者はこれまで以上に早い段階からその複雑性について深く考え、計画を立てなくてはなりません。そのようにして初めて、信頼性と機械的な障害耐性を巧みに両立させ、高速データ伝送とチャネルの長さに必要な電気的要件、さらには保守性に関するニーズを満たすことが可能になります。