自動車電子システムにおけるプリント基板の要件 (2) 車両制御システム

メタディスクリプション: VCU、ECU、TCU、ABS/ESC、ステアリングモジュールなど、EV車両制御システムにおけるPCB要件について学びましょう。安全性が重要なPCB設計、ISO 26262準拠、多層基板、EMI/EMC設計戦略を探求します。

はじめに

車両制御システムは、電気自動車（EV）の「頭脳と神経」として機能し、運転機能と安全メカニズムの連携を調整します。車両制御ユニット（VCU）、エンジン制御ユニット（ハイブリッドモデル用ECU）、トランスミッション制御ユニット（TCU）、電子パーキングブレーキ（EPB）、電動パワーステアリング（EPS）、ブレーキ制御モジュール（ABS/ESC）などの重要なモジュールは、スムーズな動作、応答性の高いハンドリング、乗客の保護を確保するために連携して動作します。これらのシステムは安全性が重要であるため、これらのシステムに障害が発生すると、車両の安全性が直接損なわれる可能性があります。そのため、制御システムのPCB設計と製造は、EVの信頼性の基盤となります。この記事では、EV車両制御システムにおける特定のPCB要件、製造上の課題、および新たなトレンドについて概説します。

車両制御システムの概要

EV制御システムは、車両の動作においてそれぞれ異なる役割を持つ複数の専門モジュールで構成されています。

• VCU（車両制御ユニット）: トルク配分、エネルギー管理、運転モード間のモード切り替えなど、車両全体の動作を管理する中央コーディネーターとして機能します。

• ECU（エンジン制御ユニット、ハイブリッド用）: ハイブリッドEVにおける内燃エンジンと電気モーターの相乗効果を調整し、燃費と出力出力を最適化します。

• TCU（トランスミッション制御ユニット）: ハイブリッドまたは多段EVトランスミッションにおけるギアチェンジを微調整し、スムーズな電力供給とエネルギー効率を確保します。

• EPS（電動パワーステアリング）モジュール: 精密で速度感応型のステアリングアシストを提供し、操縦性とドライバーの快適性を向上させます。

• ABS/ESC（アンチロックブレーキシステム/電子スタビリティコントロール）: ブレーキング中の車輪のロックを防ぎ、急な操縦中の車両の安定性を維持し、事故防止に不可欠です。

• EPB（電子パーキングブレーキ）コントローラー: パーキングブレーキの作動と解除を管理し、車両セキュリティシステムと統合して安全性を高めます。

PCB設計要件

安全性が重要な動作の厳しい要求を満たすために、車両制御システムのPCBは、専門的な設計基準に準拠する必要があります。

1. 機能安全（ISO 26262 ASIL-D）

機能安全は最重要であり、自動車の機能安全に関するグローバルスタンダードであるISO 26262に準拠しています。主な戦略には以下が含まれます。

• 冗長回路: 1つの回路が故障した場合でも動作を継続するために、重要な経路を複製します。

• デュアルMCU設計: 並列マイクロコントローラーユニットは、異常を検出するための相互チェックメカニズムを備えたフェイルセーフを提供します。

• フォールトトレラントレイアウト: PCBのトレースとコンポーネントは、単一障害のリスクを最小限に抑えるように配置され、重要な回路と重要でない回路の間を分離します。

2. 電磁両立性（EMC/EMI）

制御システムは、モーター、バッテリー、その他の電子機器からのノイズで満たされた電磁環境で動作します。EMC/EMI対策には以下が含まれます。

• 専用グランドプレーン: デジタル、アナログ、および電源信号用の別々のグランド層は、干渉を低減します。

• シールド層: 敏感な信号トレースの周りの金属シールドは、電磁放射が動作を妨害するのを防ぎます。

• 厳格な信号完全性: 制御されたインピーダンスルーティングとトレース長の最小化は、高速通信パスにおける信号品質を維持します。

3. 厳しい環境への耐性

車両制御モジュールは、極端な条件下で耐えなければならないため、以下が必要となります。

• 広い温度許容範囲: エンジンベイやアンダーキャリッジ環境に耐えるために、-40℃～+150℃で動作します。

• 高湿度耐性: さまざまな気候での信頼性に不可欠な、結露や湿気の侵入に対する保護。

• 耐衝撃性と耐振動性: 道路による振動や衝撃荷重に耐えるための構造補強。

4. 多層信頼性

複雑な制御機能には、洗練されたPCB構造が必要です。

• 4～8層スタックアップ: 最適化された層構成は、電源、グランド、および信号パスを分離し、クロストークを低減します。

• 戦略的接地: スター接地とグランドプレーンのパーティショニングは、敏感なコンポーネント間のノイズ伝搬を最小限に抑えます。

表1：制御ユニットの代表的な動作条件

製造上の課題

車両制御システムのPCBを製造するには、独自の技術的なハードルがあります。

• 信号完全性 vs. 電力処理: デジタル（制御信号）、アナログ（センサー入力）、および電源回路を単一のPCBに統合するには、高電力コンポーネントと低電圧コンポーネント間の干渉を回避するために、慎重なパーティショニングが必要です。

• 耐振動性: 連続的な振動に耐えるには、高ガラス繊維含有量の厚い基板（1.6～2.4mm）が必要ですが、これにより、穴あけやラミネーションの製造が複雑になります。

• 冗長設計の実装: 二重層の安全回路と並列コンポーネント配置は、製造中の正確なアライメントを必要とし、両方の冗長パスが同一に機能するように厳格な許容誤差が求められます。

表2：車両制御モジュールのPCB層構造

今後のトレンド

EV技術の進歩は、制御システムPCBの進化を促進しています。

• AI駆動型制御ユニット: リアルタイムデータ分析と適応制御アルゴリズムのために、高性能プロセッサをサポートするPCBによる、コンピューティング能力の向上。

• ドメインコントローラーの統合: 複数のECU/VCUをより少ない高性能基板に統合することで、配線が複雑になり、より多くの層数（10～12層）と高度な信号ルーティングを備えたPCBが必要になります。

• 先進材料: 高Tgラミネート（≥180℃）の採用により熱安定性が向上し、コンフォーマルコーティングにより過酷な環境での耐湿性と耐薬品性が向上します。

表3：ISO 26262安全要件とPCB戦略

結論

車両制御システムは、PCB設計から妥協のない安全性と信頼性を要求し、ISO 26262への準拠が基本的な要件として機能します。これらのPCBは、極端な温度、振動、電磁干渉に耐えながら、正確な信号完全性を維持する必要があります。EV技術が進歩するにつれて、将来の制御システムPCBは、より高い統合性、よりスマートなドメインコントローラー、および先進材料を特徴とし、安全で効率的な電気モビリティの重要なバックボーンであり続けることを保証します。