2021年の自動車電子機器のトレンドと将来の展望

投稿日 2021/12/3, 金曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

CES 2021では、車両用の未来的なガジェットや興味深いコンセプト車両が数多く登場しましたが、来るCES 2022のショーも期待を裏切ることはないでしょう。これらの車両の電子機器は、自動車メーカー、OEM、アフターマーケットの電子機器設計者、そして消費者が無視できない、より広範な自動車電子機器のトレンドを反映しています。PCBは自動車電子機器のバックボーンであり、現在、新車のコストの約40％を電子機器のコストが占めています。これは2030年までに50％に達すると予想されており、ちょうどその時点で新しい消費者向け自動車が部分的または完全に自動運転になると予測されています。1950年代のシボレーのフードの下を見れば、自動車産業がここまで進化したことを想像するのは難しいでしょう。増加が予想されるのは電子部品の数だけでなく、ハードウェアと組み込みソフトウェアの両方の観点から、これらのシステムの複雑さも同様です。これらの統計の下には、OEMやアフターマーケットの設計者のためのコンポーネントニーズを推進するいくつかの自動車電子機器のトレンドがあります。これらのトレンドが新しいおよび将来の自動車の電子システムの風景にどのように影響を与えているか見てみましょう。

自動車電子機器の主要トレンド

誰もが知っている最も顕著なトレンドは、現在の自動車チップ不足であり、残念ながらこれは電子機器業界のほぼすべての他の領域に波及しています。自動車電子機器は、電力からセンシング、無線通信に至るまで、複数のアプリケーション領域にまたがっています。

電気自動車の電力管理

経済的に進んだ国々のインフラが変化し、新しいバッテリーシステムが開発されるにつれて、より長い航続距離とより速い充電時間を持つ電気自動車が登場し続けることが期待されます。これはすべて、より高度な電力管理システムに依存しており、これらのシステムは基本的なコンポーネントの範囲に依存しています。これらのコンポーネントは、非常に多くの電力を扱う必要があるため、必ずしもSoCとして高度に統合されているわけではありませんが、高電力システムは依然として専用モジュール上の個別コンポーネントで動作する必要があります。

電気自動車に登場する主要な電力システムには以下が含まれます：

ワイヤレスBMSは、EVバッテリーパック内の充電分配を管理し、バッテリーを監視し、データを制御ユニットに通信するために使用されます。
充電ステーションでの電気自動車のV2G技術と双方向充電の出現。
高動作温度と高熱伝導率を持つより高度な半導体の使用によるパワーMOSFET。

これらの電力管理システムで使用する必要がある典型的なコンポーネントには、電流センスアンプなど、センスおよび制御ループ用の一連のコンポーネントが含まれます。EVは高電圧のバッテリーパックで動作するため、回路を保護するためのESD保護用コンポーネントも不可欠です。複数のレギュレータを備えた統合電力管理IC（以下のNXPのMC33PF8200A0ESを参照）がこれらのシステムを制御するために使用されているほか、自動車用プロセッサやASICのスイートも使用されています。

NXPのMC33PF8200A0ESアプリケーションプロセッサは、自動車用の統合電力管理ソリューションを提供します。

充放電管理で高出力で動作する必要があるパワーFETに関しては、SiCおよびGaN-SiCがこれらのスイッチングコンポーネントに理想的な材料プラットフォームです。特にSiCは、比較的低いスイッチング周波数での電力変換時の損失が少ない広い間接バンドギャップ半導体（3.3 eVバンドギャップ）であり、Siに比べて高い熱伝導率を持つため、電気自動車の高出力変換タスクに理想的な材料です。これらのコンポーネントはもともと、新しいモバイルインフラストラクチャなどのRFパワーアプリケーションを対象として開発されましたが、電気自動車の電力アプリケーションでも同様に有用です。実際、統合ドライバを備えた最初の自動車用GaN FETが昨年発表され、他の企業も続々と自社のコンポーネントを発表しています。

車内およびスマートインフラストラクチャネットワーキング

新しい車はこれまで以上に多くのデータを処理しており、使用するデータの量は今後も増え続けるでしょう。現在の消費者向け自動車の車内ネットワーキングは、Ethernet経由で1 Gbps未満ですが、ギガビット車内Ethernetおよび車内の無線接続デバイスにより、データの収集および車両によるデータの取り扱い方法、さらにはドライバーの体験が変わります。車内ネットワーキングとスマートインフラストラクチャネットワーキングは、新しい自動車にとって巨大な機会であり、自動車業界によって新たな成長市場と見なされています。車内ネットワーキングだけでも、2026年までに15億ドルの市場になると予測されており、これは統合プロセッサやSoCのホストによって促進されるでしょう。

テキサス・インスツルメンツのCC2541-Q1は自動車用に認定されており、IoT製品のSimpliLinkプラットフォームの一部です。

ワイヤレスの実装は、ドライバーやインフォテインメントをBluetoothで接続することを超えています。上述したようにワイヤレスBMSデザインに加えて、車両の他の領域でもワイヤレス接続を実装する動機があります。ECUは、それが対話するセンサーやアクチュエーターに非常に近い場所に配置する必要があります。その結果、新しい車両にECUを追加するたびに追加の配線を加える必要があります。その結果、現代の自動車のネットワークハーネスには、数千の接続が含まれ、数千メートルにわたって広がることがあります。有線インターフェースをワイヤレス接続に置き換えることで、重量とシステムの複雑さが減少し、接続された車両で見られる現在のパラダイムに従います。

より高度なADAS、自動運転車、および車両内外から発信される新しいサービスの範囲を可能にするために、新しい車両は互いに、スマートインフラシステム、さらには自転車やオートバイとも接続する必要があります。現在のWLANベースの車両間通信（V2X）ワイヤレス標準はIEEE 802.11pに基づいていますが、他の機能は既存の4Gまたは今後の5Gセルラーサービスに依存します。これらのシステムに必要なコンポーネントには、以下が含まれます：

4G/4G LTE、および5Gトランシーバー、モデム、アンテナモジュール
Txチャネル用のRFパワーアンプIC
RFトランシーバーIC（WiFi、DSRC、デュアルバンドパイプ最大5.9 GHzなどの範囲の周波数で動作）

最近まで、802.11p標準（専用短距離通信、またはDSRCとして知られている）またはセルラーが車両間ネットワーキングの主要なプロトコルになるかどうかについていくつかの議論がありました。2020年10月現在、FCCは5.85GHzから5.895GHzのスペクトラムをライセンス不要の帯域に再割り当てました。元のDSRCスペクトラムの残りは、新しいC-V2Xに割り当てられましたが、これはたまたま3GPPリリース14で標準化されています。これによりDSRCは事実上終了し、C-V2Xと5G対応サービスが接続された車両とスマートインフラの今後の技術として残されました。

3Gに別れを告げる

現在の私の車はWiFiホットスポットとして機能し、4G LTE/5G（Connected Carサービスとしてマーケティングされている）を介して私のセルラーサービスに接続し、その後Bluetoothを介して私のデバイスに接続できます。5Gが展開され続けるにつれて、セルラーサービスの機能は新しい自動車で引き続き反映されます。新しい自動車では利用できない可能性が高いサービスの1つは、3Gベースのナビゲーションおよび安全サービスです。

多くの車がナビゲーション、衝突検出、交通可視化、BMWアシストやOnStarのような特殊サービスに使用する3Gサービスを、電気通信事業者が計画的に切り替える予定です。ある意味で、これは10年前の2G切り替えの騒動の繰り返しです。一部のキャリアは他のキャリアよりも新しい技術への移行をうまく処理できますが、車の会社はドライバーに接続された車のサービスがいつ停止するかを知らせるのが遅れがちです。新しい車については、最先端のユーザーエクスペリエンスを可能にするために、新しいワイヤレス技術への継続的な移行が期待されます。

OnStarシステムは、間もなくサンセットされる3G対応サービスのひとつです。

スマートADAS用センサー

専門家の中には、消費者が自動運転車を購入できるようになるまで、およそ10年かかるだろうと言う人もいます。これには多くの理由があり、主に制御と意思決定を行うための高度なアルゴリズムスイートの開発を中心に展開しています。しかし、ハードウェアレベルで解決すべき他の課題もあります。それには、自動運転車をサポートするための規制上の課題やインフラが必要です。これらの課題は、車内外や人間が運転する他の車との関係においても存在します。

現在のADAS用センサーランドスケープは、超音波、レーダー、カメラのいくつかの組み合わせを含み、すべてECUに接続する必要があります。LidarもADASセンサーネットワークで一般的になるかもしれません。なぜなら、Lidarはカメラ画像では不可能な深度マッピングを可能にするからです。Lidarは自動車に限らず、スマートシティ全般でのセンシングやイメージングに役立つ技術として興味深いです。過去にLidarが主要な話題ではなかったとしても、企業は新しい車両のレーダーとビジョンシステムをサポートするための高解像度イメージングとマッピングを提供するという点で、スマートADASシステムのための高度なソリューションの一部としてLidarを推進し続けています。

ADASセンサーに必要なコンポーネントは、センサー自体を超えており、以下を含みます：

レーダートランシーバーおよびSoC（24 GHzおよび77 GHz）
Lidarシステムコンポーネント、パルスレーザーダイオードを含む
センサーフュージョン用のマルチチャネルADCおよび組み込みプロセッサ
カスタムカメラ用コンポーネント、CCD/CMOSセンサーモジュールを含む

一部のセンサーとそのサポートコンポーネントは、標準デジタルインターフェース（I2C、SPI、CANBusなど）を介して互いに通信する必要があるかもしれませんが、アナログセンサーは標準の0/5 V/4-20 mAインターフェースを使用するかもしれません（例：環境センサー）。

処理能力

現在の車には100を超えるECUが含まれており、その数は増えることが予想されます。自動車で収集および処理されるデータ量が増加するにつれて、ECUおよびシステム内の他のモジュールは、MCUおよび自動車用FPGAの形でより多くの処理能力を必要とします。これらのコンポーネントの正確なサイズ、速度、および位置はまだ未解決の問題です。特殊IC市場で見られる統合のトレンドを考えると、多くのメーカーがMCUを統合した自動車専用SoCを提供および/またはマーケティングし始めることが期待されます。

新しい車両に必要な無線サービス、電力管理システム、および処理能力の範囲は、新しい車両の複雑な電子機器の風景を明らかにすべきです。すべての自動車電子機器のトレンドに追いつくことは不可能ですが、これらのシステムのためにコンポーネントを選択する必要がある設計者は、強力な電子検索エンジンを使用してサプライチェーンの完全なビューを得ることができます。チップメーカーは、IoTやモバイル製品用の特殊なSoCと同様の、特殊なSoCで応答する可能性が高く、適切な検索エンジンを使用して、新しい車両用のこれらおよびその他の特殊コンポーネントを見つけることができます。

自動車業界向けの新しいソリューションを開発している場合、コンポーネントを探し始める最初の場所は強力な電子検索エンジンです。Octopartは、サプライチェーン管理およびコンポーネント選択のための完全なソリューションを提供し、高度なフィルタリング機能を使用して、必要な正確なコンポーネントを選択するのに役立ちます。統合回路のページをご覧ください、必要なコンポーネントの検索を開始します。

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