自動車電動化の開発で直面する課題と解決策

さまざまな産業および消費者環境において、製品、システム、およびプロセスの電化が進んでおり、これは従来の油圧および空圧方式に代わる先進的な電子技術によって推進されています。これらの変革の中で、特に輸送業界での電化プロセスが顕著であり、最先端の機能と純電気式パワーシステムを備えた車両が記録的に増加しています。この記事では、自動車の電化開発の現状とトレンド、およびMolexが提供するソリューションについて紹介します。

自動車の電動化への道のりには、長年使用されてきた内燃機関 (ICE) を置き換える純電気パワートレインの急速な普及だけでなく、従来の車両における電気部品の大幅な増加も含まれています。以前は機械構造に依存していた多くの主要システムが、現在ではブレーキアシストや電動パワーステアリング (EPAS) システムのように、安全性と信頼性を向上させるために電子デバイスを利用しています。現在、先進運転支援システム (ADAS) をサポートするソリューションは、完全自動運転という究極の目標に向けて急速に進化しています。

近年、世界中で電気自動車（EV）とハイブリッド電気自動車（HEV）の数が着実に増加しており、2025年には新車販売の20%を占めると予測されています。有望な見通しがあるにもかかわらず、自動車の電動化は依然として多くの障害に直面しています。年間平均成長率が10.6%と推定される2,363億ドルの市場を獲得するには、自動車メーカーはまだ多くの課題に直面しています。これは、電子システムとモジュールの増加が、一般的な車両の電気アーキテクチャに重大な課題をもたらすからです。

消費者の要求を満たすために、高級車の設計には100以上のElectronic Control Units（ECU）が含まれることがあります。車両内のECU数の増加は、重要なコマンドを運び、車両の特定の機能を制御するためにそれらのシステムをどのように接続、パッケージ化、管理するかという課題を提示します。車両を複数のゾーンに分けることで、各ゾーンに機能を割り当て、必要に応じてゾーン間で情報を伝達することができます。ゾーンベースのアーキテクチャは、配線の総量を最適化し削減するだけでなく、ECUの統合も実現します。

さらに、自動車内の電子機器の増加（ICE車両とEVの両方を含む）に伴い、熱管理が重要な課題となっています。コンピューターやモバイル機器などの電子機器が過熱するとシャットダウンするため、高速で走行中の車両にとっては大きな問題となります。

小型化と電気設備の増加は、より高い部品密度を必要とします。小型化されたシステムで表面積が縮小する場合、同じかそれ以上の熱をより小さな空間で放散することは、過熱のリスクを引き起こす可能性があり、これを管理しなければなりません。電子機器が密閉されたECU内にあり、厳しい環境の車両エリア（エンジンルームなど）に配置されている場合、過熱のリスクが増加する可能性があります。次世代接続システムの高回路密度と小型パッケージサイズの要件と組み合わさると、設計が不適切なシステムは熱管理の課題を引き起こす可能性があります。コネクタにおける熱の問題は、安全性や信頼性、寿命に関する懸念を招く可能性があり、プロジェクト設計段階で慎重に対処する必要があります。

電化とエネルギー管理技術の進歩は、パワーセクターにおける科学的ルネサンスを引き起こしています。バッテリー技術は、電気自動車の動力供給から、必要な時にエネルギーを蓄える用途にまで幅広くサポートしています。政府は、電気自動車の充電インフラ、グリッドの近代化、農村部の接続性、遠隔地の開発に投資しています。

このルネサンスにおいて、2つの主要で密接に関連したテーマが浮かび上がっています。それは、電化とエネルギー管理です。電化に関しては、従来の燃料源を使用した技術が、再生可能エネルギー源によって駆動される同等のシステムに補完されるか、置き換えられています。一方、エネルギー管理とは、エネルギーの貯蔵、監視、分配を指します。

まず、スマートグリッド技術を通じて、送電網の近代化が実現され、伝統的な発電所を基盤とした老朽化したインフラが、現代の電化ネットワークまたはスマートグリッドに変革されます。これらのグリッドは再生可能エネルギー源で補完され、使用パターンを綿密に監視し、システムの故障を重大な問題になる前に特定するためのさまざまなセンサーを含んでおり、これは重要な必要性です。

スマートグリッドは、従来のエネルギーと再生可能エネルギーの利点をバランスさせます。太陽光や風力のような再生可能エネルギー源は周期的に停止することがあるため、Battery Energy Storage Systems（BESS）を広範なグリッドに組み込むことで、余剰エネルギーを後で使用するために蓄えます。総消費量にも周期的なピークと非ピークの使用期間というリズムがあるため、スマートグリッドは、従来、再生可能、または蓄えられたエネルギーのうち、最も必要とされる場所、時間、そしてエネルギー源から適切に配分することができます。

1950年代以来、12V電源モデルは自動車業界の標準となっており、車の設計やコンポーネントのデフォルト標準となっています。機能性や電動化が進化している中でも、この標準は自動車メーカーがコストを削減し、シンプルな電気アーキテクチャを維持することを可能にしました。

12V規格には利点がありますが、現代の消費者がより高性能で優れた車内体験を求めるようになるにつれて、これも進化する必要があります。ソフトウェア定義車両の登場、マイルドハイブリッドアーキテクチャへのシフト、ますます厳しくなる排出規制により、48V設計は消費者の要求と規制要件を満たすためにますます不可欠になっています。

48V規格への移行にはいくつかの課題がありますが、電気の革新者たちはこの新しい規格に基づいたより効率的なシステムへの道を切り開いています。より強力な電力規格への移行は一夜にしては行えませんが、いくつかの重要な電気および消費者の要因が、自動車メーカーによる48Vをマイルドハイブリッド車および純電気自動車の標準として採用することに影響を与えるでしょう。これらの重要な要因には、世界中の政府による排出削減の法制化や、消費者のカーボンフットプリントに対する意識の高まりが含まれ、それがハイブリッド車、プラグインハイブリッド車（PHEV）、および拡張距離電気自動車を強く好むことにつながっています。

さらに、電動ターボチャージャーシステムはモーターを使ってタービンを回転させ、エンジンへの空気の流れを改善することでエンジン性能を向上させます。12Vまたは24Vシステムによって駆動される従来のターボチャージャーシステムと比較すると、これらの電動ターボチャージャーシステムはより大きな電力を必要とします。より効率的で強力な電動ターボチャージャーシステムが標準になっていく中で、48V電源が重要となるでしょう。

48V規格のエンジニアリング上の利点には、パッケージサイズの削減、生産コストの削減、機能性の向上、排出量の削減、燃費の改善が含まれます。消費者にとっては、48V規格が車両性能を向上させ、車両コストを削減し、ハンドリングを改善することができ、48V規格の開発がますます重要になっています。

しかし、12Vの設計は自動車生産に深く根付いているため、48V規格への移行は予想よりも長引くでしょう。移行の速度は、48Vシステムの技術要件を満たすために必要な部品設計の変更や、システム自体の生産方法の考慮、および既存のインフラとの互換性に多少依存します。

Molex によって導入された MX150 Mid-Voltage コネクタは、自動車業界における 48 ボルト電気システムの需要増加に対応することを目的としています。Mid-Voltage ソリューションの導入により、顧客は自動車の電気システムをミッドボルテージ製品で自信を持ってアップグレードできるようになります。これらのコネクタは、検証された MX150 設計に基づいており、輸送業界のミッドボルテージ接続要件を満たす信頼性の高いフィールドテスト済みのソリューションを提供します。

MX150防水コネクタシステムは、極端な温度、さまざまな振動レベル、湿気や化学物質への曝露下でも非常に信頼性の高い性能を発揮することが実証されており、幅広い用途に適しています。MX150防水コネクタシステムは、コネクタ間の偶発的な切断を防ぐのに役立つコネクタ位置確認（CPA）オプションを提供し、圧着された端子リードがコネクタに正しくロックされることを確認するための事前組み立て端子位置確認（TPA）ハウジングを提供し、マットシールを保護し、適切な端子の整列を確保するのに役立つストレイングロメットキャップを備えています。MX150はIEC 60664-1規格に準拠しており、USCAR-2、USCAR-21、GMW3191認証を含む自動車業界の厳しい要件を満たすことが認定されています。

MX150は、厳しい安全要件を満たすために、単列および複列のV0バージョンを提供し、MX150（1.50mm）端子にマットシール技術を使用することで、個別のケーブルシールを不要にし、包装サイズを縮小します。その統合された3.50mmピッチハウジングはコンパクトなコネクタを提供し、組立コストを削減するのに役立ちます。60Vの中電圧に対応し、48V配線へのアップグレードが可能で、実証済みのMX150フォームファクタ仕様を使用して、軽量な48V配線へのアップグレードを簡素化します。

MX150は、ライト、電動窓またはワイパーモーターのアップグレードなどのアプリケーションにおいて、アップグレードされた48V配線と組み合わせて使用することができます。これにより、コネクタタイプを変更せずに既存の12V自動車配線を48Vにアップグレードすることが可能です。実証されたMX150コネクタと同じパッケージサイズとハウジング設計を使用することにより、既存のMX150コネクタからの直接アップグレードが可能となり、48V配線へのアップグレード時のエンジニアリングコストを削減します。

MX150は、市場で唯一の自動車コネクタであり、複数の機能を備えた低電圧オプションと、堅牢なシール設計のコネクタを組み合わせて、中電圧アプリケーション向けに48Vから最大60Vのアプリケーションをサポートしています。12V配線から48V配線への移行において、MX150中電圧コネクタはメーカーが実績のある堅牢なMX150のフォームファクタを活用して、エンジニアリングおよび設計コストを削減できるようにします。これにより、より高電圧の48V配線アーキテクチャへの移行を可能にし、より小さいワイヤサイズを使用することで銅の使用量と重量を削減しながら、追加のエンジニアリング時間と関連コストを最小限に抑えることができます。

自動車業界は、電動化によって変革的な変化を遂げています。電気自動車の急速な発展だけでなく、伝統的な車両も機能性と安全性を向上させるために電子システムを数多く取り入れています。これらの変化は、自動車業界にとって大きな課題と機会をもたらしています。Molexは、お客様が既存の伝統的方法から各中間段階を経て最終的には業界をリードする幅広い柔軟な製品を提供する移行を支援するさまざまなソリューションを提供しています。これらのソリューションは、アーキテクチャのパーティショニング、熱管理、ノイズの低減などの課題に対応しています。さらに、MolexはMX150中電圧コネクタを導入し、48ボルトの電気システムの要求を満たし、自動車メーカーがより軽量で高性能、柔軟性があり、効率的なソリューションを設計・展開することを可能にしています。