自動車の電子機器に関する基準：自動運転車の風景

個人的には、自分の車を運転することが好きで、そのプロセスが完全に自動化されることについてどのように感じるかはわかりません。必要なときに自分の車をコントロールできるというのはいいですが、長距離のドライブで後部座席にもたれかかっていられたら素敵ですね。自動運転車をこのレベルまで持ち込んでいる自動車業界はまだありませんが、それが近い将来現実になることは間違いありません。

無人運転車の規制と業界の状況を見ると、これらのシステムの安全性と信頼性に関連する多くの問題を考慮する必要があります。電子業界とPCBデザイナーにとって、標準の風景はまだ不明瞭であり、高度に規制された業界であるため、業界標準に基づいて設計することは重要な考慮事項になるでしょう。自動運転車の接続と制御のシステムに取り組んでいるPCBデザイナーのための現在の標準風景を見てみましょう。

自動運転車のための標準風景

IHS Marketは、2035年までに半自動運転または完全自動運転の車が7800万台道路上に出ると推定しています。SAEによって完全自動化され、運転者の注意が不要と定義されているレベル4の自動運転車はすでに道路上にありますが、商業的には利用可能ではありません。レベル2の自動運転車はすでに主要な自動車会社から購入することができますが、最初のレベル3の車はまだ米国で法的な難問に直面しています。

標準に関する問題は機能の問題ではありません。むしろ、信頼性の問題です。自動運転車は、乗客の安全を確保するために、冗長性とフェイルセーフ対策を必要とします。自動運転車の特定の重要な制御システムまたは安全システムのPCBが故障した場合、車両は最低限、自身を安全に停止させるための何らかのレベルの冗長性を持っている必要があります。これらのシステムは、事故を防ぐために運転者が車両を制御することも要求されるかもしれません。

規制の風景は十分に混乱しており、既に大きく異なっています。自動運転車を取り巻く混乱した規制の風景はさておき、業界はまだ、安全な自動運転車に必要なすべてのタスクを可能にする新しい電子機器の大量に対して統一された基準をまとめるに至っていません。既存のIATF、IPC、ISO、AEC、SAEの安全性および機能性に関する基準を超える新しい車両の基準がすでに期待されています。

上記の基準機関に加えて、Automotive Electronics Council（AEC）は、自動車グレードのコンポーネントおよびシステムに対するテスト要件を定義しています。ISO-26262基準は、自動車システムの設計、統合、および構成の機能的側面を既にカバーしています。ISO 26262基準は2011年に開発され、新しい車には2011年当時よりもはるかに多くのソフトウェアが含まれています。ISO 26262 第II部は最近リリースされ、ISO/WD PAS 21448 ADASシステム基準は最近、SAFECOMP 2019会議で議論の対象となりました。電気/電子システムの機能安全性に関する新しい認証が数多くの組織から出現しているのが既に見られます。これらの基準、およびPCBの製造に関する他のISO基準は、自動運転車の電子機器の現在の設計者にとって基準として受け入れられるべきです。

ソフトウェア開発者にとって、ASPICE認証は、自動運転車の道路上での数が増えても引き続き関連性を持ち続けるでしょう。ASPICEは「ソフトウェアがどのようにあるべきか」を定義しており、「ソフトウェアがどのように開発されるべきか」ではありません。自動運転車のソフトウェアは複雑ですが、ソフトウェア開発プロセスが大幅に変わることは考えにくいです。アジャイルモデルの一環としてASPICEを採用する開発チームが増えることを期待しています。

車両内および車両間のネットワーキング

自動運転車内のもう一つの標準問題は、大量の組み込みシステムがデータを収集・処理し、そのデータを使用して無人車内で制御機能を実行する必要があることに関連するネットワーキングです。車両は、標準化された無線プロトコルを使用して、他の車両と無線車両アドホックネットワーク（VANET）上で通信する必要があります。

これらの自動運転車は、運転中にアドホック無線ネットワークを形成する必要があります

VANETでの無線アクセスを規定する標準はすでに多数存在しており、4G LTE/5G、DSRC、WAVEなどがあります。既存のMANETルーティングプロトコルやトポロジーも、ネットワーク化された車両でのルーティング決定に使用されています。IEEE 802.11p標準は、実験システムで一般的に使用されており、このプロトコルを使用して自動運転車のネットワークシステムを設計することは、現在の研究トピックです。

車両内のネットワーキングも冗長性に焦点を当てるべきです。車両内の1つのECUが故障した場合、その機能は別のECUによって実行される必要があります。これには、冗長性を提供するためにメッシュトポロジを使用した車両内ネットワークが必要です。ここでは、信号の整合性を維持するという点で、ネットワークシステムを設計するための標準的な設計ルールに従うことができますが、これらのシステムは安全を確保するために非常に信頼性が高くなければなりません。これは、自動運転車の別の側面であり、現在も研究が進められています。

信頼性は基板から始まります

自動車用PCBは、他の用途で使用されるPCBよりも厳しい環境で生き残る必要があります。これには、厳しい環境での熱信頼性と長期安定性テストに合格することが含まれます。これらの信頼性要件を満たすことは、適切な基板材料を選択することから始まります。

エンジンコンパートメント内のPCBは、すでに高温に耐える必要があるため、コスト目標に応じてアルミナや窒化アルミニウムのセラミック基板、またはヘビーカッパーPCBが使用されることがあります。FR4は依然として安全システムの選択基板です。メタルコアPCBは、通常、アンチロックブレーキシステムに使用されます。自動運転車の衝突回避システムは、LiDARやレーダーに依存しており、高周波での低損失を必要とするPCBが必要です。

HDIデザインも、自動運転車のPCBに使用されるコンポーネントと接続の数が増え続けるため、より重要になっています。インフォテインメントシステムは、ディスプレイがより多くの機能を統合するにつれて、すでにより複雑になっており、ボードのサイズを大幅に増やすことなく、より大きな統合が必要とされています。

自動運転車のPCBでは、これ以上の高密度が期待されます

電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車のPCBの電力整合性と熱要件は無視できません。業界はすでに、これらのボードが充電、電力管理、電力分配システムでより高い電流と高温に耐えられるように、ヘビーカッパーを使用したPCBを使用しています。これらのボードでコンポーネントとボード自体への損傷を防ぐためには、熱管理技術を使用する必要があります。

自動運転車におけるより大きな統合

今後、従来は別々だったシステムの統合と、車両の処理能力の向上が進むことが期待されます。これには、センサー、ECU、自動運転車のすべての側面を制御する様々な電気機械システム間の統合が必要です。ソフトウェアの複雑さも増しており、大量のデータを即座に使用して物体認識、VANETs上での通信、ほぼリアルタイムでの他の多くのタスクを行う必要があります。最良の設計がその価値を証明するにつれて、標準の風景も変わり続けるでしょう。

限られたスペース内でのより大きな統合は、基板、コンポーネント、および接続レベルでのある程度の小型化も必要とします。これは美学以上の問題です。実験用の自動運転車に使用されるかさばるシステムは、車内に統合される必要があります。これにより、重要なシステムを厳しい天候、機械的振動、湿度から適切に保護することができます。これは車のダッシュボードを超えて拡張されます。

もし、あなたの設計チームが自動運転車の電子機器に取り組んでいるなら、重要な自動車基準に準拠しながらも、チームが創造性を発揮できる高度なPCB設計ソフトウェアが必要です。Altium Designer^®は、設計と生産計画ツールの完全なスイートを提供し、それらをすべて単一のプログラムで利用できます。どんなアプリケーションの電子機器を設計するにしても、必要な自由とツールを手に入れることができます。

今すぐ無料トライアルをダウンロードして、業界最高のレイアウト、シミュレーション、生産計画ツールについてさらに詳しく学ぶことができます。今日、Altiumの専門家に相談して、詳細を学びましょう。