採掘機器

トレンド

商用車へのイーサネット導入

大量のデータを扱う高度な機能を実現することは、複合アーキテクチャへのイーサネットの統合が簡単になることを意味します。

著者

Joachim Barth、研究開発/製品開発エンジニアリング マネージャ、および Christian Manko、データ接続プロダクト マネージャ、TE Connectivity

「oemoffhighway.com」 掲載記事より

農業、建設、採掘に使用するオフハイウェイ車両には、以前よりも多くの接続機器が使用されています。

より安全で環境にやさしく、生産性も高い商用車に対する需要が増え続けているため、先進運転手支援システム (ADAS)、360° カメラ システム、近接物検出システム、車両間 (V2V) 通信および車両 - インフラ間 (V2X) 通信などの機能は、オプション機能から必須の機能になりつつあります。これらの機能には大量のデータが必要で、機能がさらに追加されるに従って、そのようなデータは今後桁違いに増加します。
 

車内で伝送するデータの量と速度を増加するには、技術者がさらに多くの CAN ネットワークを追加するか、あるいは現在 1 秒間に 1 GB ものデータを処理できるイーサネットなどの、より高速な通信プロトコルを統合することにより、車両の電気/電子 (E/E) アーキテクチャに大幅な変更を行う必要があります。

設計エンジニアにはオプションがあります。

既存の通信ネットワークをまるごと交換せずに、必要に応じてエンジニアはイーサネット (CANbus プロトコルが最も一般的) に基づいて設計を行い、たとえばテレマティックス、診断、および ADAS などのお客様が最も必要とする機能を提供できます。  このような大量のデータを扱う高度な機能の実装が必要な場合、エンジニアはシステム全体の規模を決定し、イーサネット専用ラインを使用する必要があります。OEM の場合、特にイーサネットはヘビーデューティー車両市場向けの比較的新しい技術であるため、アーキテクチャへのイーサネットの統合が難しいことがありますが、このような課題は適切な専門知識により克服できます。設計の初期段階から、複雑さを理解しており、イーサネットの専門知識にも長けている顧問サプライヤと協力することが、設計から生産までを円滑に進める鍵となります。自動車用イーサネットを専門とするサプライヤは、OEM 設計者がトポロジを最適化し、適切な最新テクノロジを選択することにより、過酷な条件下で信号の完全性を確保しつつ、すべての最新の機能とアプリケーションにおけるセンシングとコンピューティング能力を向上させる際の助けとなります。

 

E/E アーキテクチャによっては、より高度で自動の機能が追加されるに従って、設計者はイーサネット スイッチの設計が必要となります。CAN や他の以前のプロトコルとは異なり、完全性が高く、レイテンシが低い信号を、目的の送信先に伝送するにはスイッチが必要です。このようなスイッチをどの場所に配置するか、スイッチを新しい専用の電気制御ユニット (ECU) または既存の ECU にするかに加えて、必要なケーブル、コネクタ、センサの数と使用場所を早期から検討することが重要です。イーサネットが必要な車両の高度な機能には、必ずこのような事項を考慮する必要があります。

一般的に、農業、建設、採掘などにおける部品は、特に車外にあるものの場合、堅牢性に関する追加基準を満たし、強い振動、物理的衝撃、粉塵、化学物質、および水から保護する必要があります。さらにこれらの部品は、-40 ℃ (-40 F) から 125 ℃ (257 F) までの温度に耐えられ、フィールド メンテナンスが可能であることが必要です。

 

自社製車両の部品、システム、およびネットワークのアップグレードが必要な OEM は、多くの高速データ用途が、本来は自動車業界向けに開発され、その性能が証明されたコネクタ技術を使用して設計できることを知れば、安心感が得られるでしょう。たとえば、TE Connectivity (TE) は、堅牢なハウジングを追加し、自動車用 MCON 端子の設計をアップグレードして、100BASE-T1 仕様に準拠した新しい気密型イーサネット コネクタ (enetSEAL+) を開発しました。このコネクタは、最大 100 MB/秒の速度でデータを転送できます。

 

また当社は、堅牢でヘビーデューティーに対応した熱可塑性樹脂イーサネット コネクタ (HDSCnet+) を、最大 1 GB の速度でデータを転送できる気密型ヘビーデューティー コネクタ シリーズに追加しました。これは TE の MATEnet 相互接続システムとの互換性があるため、柔軟で拡張性の高い設計が可能となり、これによって OEM は非シールドまたはシールド ツイストペア ケーブルを使用し、複数のハイブリッド インタフェースで設計することができます。

 

このようなソリューションを選択する利点とは、テレマティックス、オンボード診断、多機能ディスプレイ、オンボード カメラ、レーダー、およびライダーなどの、安全性、生産性、またはインフォテインメントを強化することを目的とした、実質的にあらゆる過酷な環境/ヘビーデューティー車両用途に適合できることです。

E/E アーキテクチャへのイーサネットの利用は大きな一歩!

CANbus プロトコルは、30 年以上にわたって車両に使用されてきました。速度が大幅に上昇し、より複雑になるため、E/E アーキテクチャにイーサネットを使用することは、非常に大きな一歩となります。  必要な部分にのみイーサネットを使用して複合アーキテクチャを設計する場合、このような高速なイーサネット ネットワークは速度が遅い CAN ネットワークとも「会話」できる必要があるため、エンジニアはより高速なメッセージを、CAN が受信して理解できるように解釈するゲートウェイで設計する必要があります。

 

すでにイーサネットを使用している大半のコネクタ システムの速度は、第 1 世代の 100 MB です。第 2 世代の速度は 10 倍となる 1 GB で、車内でのさまざまな種類のアーキテクチャとトポロジ基準を満たす ECU には、より周波数が高いトランシーバが必要となります。このプロトコルに関する豊富な経験がないため、エンジニアはヘビーデューティー車両における機械的環境がどのように通信の電気的性能に影響を及ぼすかを現在も学んでいます。

暗い雨の夜のバス
たそがれ時のトラック

イーサネットはより高い周波数で動作するため、他の電子機器または金属部品の付近に配置した場合、影響を受けやすくなります。許容差をより低くし、また設計者は EMI、機械的擾乱、ケーブルの品質問題などが発生する可能性を考慮する必要があります。部品レベルでは、物理層を設計する際、コネクタとケーブルは、専用ライン、機能、システム全体に関する要件を満たしている必要があります。各部品の設計者は、付近にある他のシステムに障害をもたらす有害な放射がないこと、また付近にある他のシステムの放射がその部品に障害をもたらさないことを確認する必要があります。

 

強い電磁場を発生させるアンテナまたはその他の部品からの干渉を防止するうえで、配置は重要です。シールドと非シールドの部品とシステムを、どの場所に使用するかを選択することも重要です。物理層のどの側面も、バランスと EMI に関して制御が必要です。

畑を耕すトラクター

電磁干渉と機械的擾乱に加えて、さまざまな作業現場 (農場、建設現場、または鉱山など) と製品用途により、車両の通信システムの電気的性能がどのように影響を受けるかを理解しておくことは不可欠です。極端な温度、高機械的負荷、化学物質への曝露、および過剰な粉塵などの要因は、イーサネット データ リンクに必要なケーブルとコネクタに悪影響を及ぼすことがあるため、設計の初期から考慮する必要があります。

 

40-m (131.2 フィート) ものリンクを維持しながら、オフハイウェイ環境による過酷な条件に耐えなければならない、膨大なサイズの多数のオフハイウェイ車両にも、イーサネット用途における信号の完全性に関する課題が生まれました。40-m ケーブルは、自動車ではなく、産業/商業用輸送に使用されているため、物理層で使用されているすべての ECU と製品 (ケーブル、コネクタ、およびトランシーバ) は、40-m の基準に適合している必要があります。イーサネット基準では、最大で 4 つのインライン接続が規定されています。通信リンクの品質は、各セグメントの長さ (コネクタと他の部品との距離) と車両全体での引き回し場所により異なります。

 

このような理由により、有効な試験が必須です。すべての部品 (ECU、ケーブル、コネクタ、トランシーバなど) とシステムは、商用車両での使用に関する検証を受けて、合格する必要があります。さまざなま方式で構成を検査して、どの方式が最も有効で安定しているかを確認することが重要です。次に車両全体を EMI チャンバに入れて、さまざまな方法で検査し、さらにトラック内部の構成の検査とさまざまな条件のシミュレーションに加えて、車両に発生しうるさまざまな条件の組み合わせのシミュレーションも行う必要があります。

設計者は、他の通信プロトコルと同じ方法でイーサネットにアプローチすることはできません。

イーサネットをヘビーデューティー車両用に設計する場合、ここですでに説明した複雑さという理由により、他のネットワークよりもかなり多くの事項を考慮し、努力する必要があります。TE は、設計者が RJ45 または USB などのオフィス環境と消費者向け商品によく使用されているインタフェースを採用しようとする様子を目にしてきました。これらのコネクタは、過酷な環境向けに開発されていないため、利用するべきではありません。

RJ45

オフィス環境で頻繁に利用

USB

消費者向け製品で頻繁に利用

一般的に、避けるべき高頻度の間違いとは、機械的作用が通信リンクにもたらす影響を過小評価してしまうことです。これには、材質的特性、ひいては通信リンクに影響を及ぼしうる温度、湿度、およびその他の環境条件が含まれます。現在自動車用イーサネットの規格は 2 つしかなく、これらも 100 MB と 1 GB (1,000 MB) という速度の違いしかありません。トランシーバ、コネクタ、ケーブルといった物理層の各部品と引き回しは厳格に検査し、またどのような条件においても、常に安定して動作することを確認する試験を実施する必要があります。

将来の要求に今対応します。

農業、建設、および採掘業界の購買担当者は、生産性、安全性、および持続性を向上させる機能を求めています。現在のテクノロジは、自動化を推進し、いずれは完全自動化に至る通過点であるため、イーサネットをこれらの車両と機械に導入することは、現在の需要だけでなく、大量データ通信の接続性に対する今後の長期的な需要に対応するうえで必須です。 

未来の車