次のレベルのHEV：ハイブリッド車の性能を向上させる方法

オートモーティブ業界は変革の実に重要な段階に突入しています。ハイブリッド電気自動車（HEV）は、かつては完全な電気化に向けるための中間的な段階とみなされていたが、世界中で異なる市場関連性を持つ高性能スタンドアロンプラットフォームに進化しました。2024年から2032年の間に、HEVカテゴリーは20.70%のCAGRで成長すると予測されています。

もともと消費者の嗜好と厳しい排出規制に対応して設計されたHEVは、自動車メーカーがハイブリッド電気自動車のアーキテクチャーを一から再考している独自の製品ニッチに身を置いていると気づいています。

この新しい時代での成功は、フードの下にあるものと深く関連しています。パワートレインの性能は、もはやエンジン出力に関する単なる懸念ではなく、高電圧相互接続、分散型電力ネットワーク、拡張可能なモジュール式コンポーネントを通じて、システム全体、つまり電気と燃焼がどの程度うまく統合されているかに関する調査です。

ハイブリッド電気自動車のアーキテクチャーは、内燃機関（ICE）と電気パワートレインを統合し、燃料の利用率を高め、排出ガスを削減します。この構成は、機械エネルギー源と電源の間のエネルギーフローを管理する高度なパワーエレクトロニクス、制御モジュール、高電圧エネルギーシステムに依存しています。

初期のハイブリッドシステムは主に12Vの電気アーキテクチャーで動作し、照明、インフォテイメント、パワーウィンドウ、エンジン制御モジュールなどの基本的な車両エレクトロニクスをサポートしていました。従来の車両には十分ですが、12Vプラットフォームには推進および補助システムで意味のある電気化を実装するための電力密度がありません。

より高い効率と機能性に対する需要が高まるにつれて、HEVは48Vマイルドハイブリッドから400Vとそれ以上のフルハイブリッド車両およびEVまで、高電圧アーキテクチャーの導入を開始しました。これらの高電圧プラットフォームは、回生ブレーキ、電気ターボチャージャー、電気駆動アクセサリなどの高度な機能を解き放ちながら、より細いゲージ導線による配線の複雑さと銅の使用量を削減します。

2018年に一部のヨーロッパのOEMに広く採用された以来、48Vマイルドハイブリッドシステムは、中間的なソリューションから完全な電動化へと移行する長期的なソリューションとなっています。これらのシステムは、12Vシステムと比較して推定15 ～ 20%の燃料節約を実現し、フルバッテリー電気自動車（BEV）の範囲制限なしに、電化へのコスト効率の良い経路を提供します。

高電圧プラットフォームは、小型車からSUV、軽型商用車まで、複数の車両セグメントにわたってマイルドハイブリッド化をサポートできると同時に、停止始動動作や電気ブーストなどの省エネ機能も実現します。

しかし、電圧を次のレベルに引き上げることは、即時使用可能なアップグレードではなく、さまざまなモデルや市場セグメントにわたる特定の設計上の課題にも対処していません。HEVエンジニアリングでは、電気アーキテクチャーを完全に見直し、システム全体の多くのトレードオフについて交渉する必要があります。細いワイヤーは車両の重量を減らすのに役立ちますが、熱や電流の取り扱いに関する課題が生じます。電子制御ユニット（ECU）、インバーター、電動モーターの数が増えているため、複雑さが増し、電磁干渉（EMI）のリスクも増大します。

これらの課題を克服するために、エンジニアは、厳しいオートモーティブ環境における熱制御、EMI保護と信頼性のために設計されたコンポーネントであるシールド ケーブル アセンブリ、アルミニウム バスバー、柔軟な相互接続システムを導入しています。

フルEVセグメントは、固体およびリチウム硫黄化学の飛躍的な進展を追求し続けていますが、HEVは、より漸進的でありながら実用的な進歩のメリットを受けています。現在、リチウムイオン電池は依然として、NMC（ニッケルマンガンコバルト）およびLTO（チタン酸リチウム）化学が先導するほとんどのHEVプラットフォームの基礎です。電池化学に関する継続的な研究は、今後数年間、エネルギー貯蔵の方向性を急激に変える可能性があります。

NMCは、短時間の電気駆動モードに高いエネルギー密度を提供します。LTOは、その極端なサイクル寿命、高速充電/放電機能、および強化された熱安定性、特にストップアンドゴーが頻発する都市部の条件において重要です。

バッテリーの化学が進める一方で、バッテリーアーキテクチャーはさらに早い歩調で進歩しています。セルグループ間の分散型バッテリー管理システム（BMS）セグメント制御により、よりスマートな熱バランシング、障害分離と予測診断が可能になります。

BMWや他のハイブリッドメーカーが採用する新たなアプローチの1つは、デイジーチェーン配線をより軽く、よりコンパクトで、より一貫した接続に置き換えるバッテリーセル接触システムにおいて、フレキシブルプリント回路（FPC）技術を使用することです。これは、組み立ての簡素化、軽量化、高振動環境での信号ルーティングの改善をサポートします。

車両重量の削減は、燃料効率の最大化と電気のみの範囲を拡大するための一般的な設計戦略です。アルミニウム、炭素繊維、高度な複合材は、主要な構造部品やパワートレイン部品で従来の鋼に代わっていきます。

これらの軽量素材を統合することで、より小型で効率的なバッテリーで同じ範囲を実現しながら、安全性、空力性能、加速性能、ブレーキ性能も向上させます。

システム電圧が48Vを超えて160V以上の範囲、特にプラグイン ハイブリッド電気自動車（PHEV）に進化するにつれて、安全性は設計上のさらに高い優先事項となっています。業界標準は、これらの安全措置の指針として重要な役割を果たしますが、その実装はメーカーや地域によって異なる場合があります。ISO 6469-3などの新しい標準では、迅速な絶縁監視、アーク障害保護、および強化された絶縁バリアが求められています。かつてフルEV向けに確保されていた安全対策は、ハイブリッドプラットフォームへの道を模索しています。

すべてのアーキテクチャーと同様に、システムコンポーネントは、温度の変化、道路の振動、湿度、ほこり、化学物質への暴露などの過酷な条件下で動作し、製品寿命内で安全性を確保する必要があります。ハイブリッドプラットフォーム向けに設計されたコネクターは、オートモーティブの全方位的なストレス要因で長期的な性能を維持するため、セルフクリーニング接点、航空宇宙レベルのシールとロック機構を組み込んでいます。

ISO 26262要件を満たすために、障害発生時の障害検出と安全なシャットダウンを可能にする診断パスを備えたコネクターシステムの構築がますます進んでいます。設計完了後に追加された対策ではなく、最初から電気アーキテクチャーに安全措置が組み込まれています。

現代の車両プラットフォームは、モジュール式の電気バックボーンを中心として設計されることが増えており、自動車メーカーに複数の電気化バリアント（マイルドハイブリッド、フルハイブリッド、プラグインハイブリッド、BEV）を単一のシャーシに導入する柔軟性を提供します。このスケーラビリティは、OEMがモデルや市場全体でコアコンポーネントを再利用できるようにすることで、開発時間を短縮し、物流を簡素化し、ユニット当たりのコストを削減します。

モジュラー アーキテクチャーにより、設計チームはこれらの車両バリアント全体の電力、信号とデータのインターフェースを標準化できます。モジュール性は、共通の通信プロトコルと電源パスを各プラットフォーム用に再設計するのではなく再利用できるため、機械統合とソフトウェア開発両方の複雑さを軽減します。また、より洗練された製造プロセスをサポートし、追跡する部品番号が少なく、ビルド間の切り替えがより迅速になります。

システムエンジニアリングの観点からみると、モジュール性はプラットフォームの進化を加速します。新しく登場したパワートレイン技術（例えば、シリコンカーバイド（SiC）インバーターやソリッド ステート バッテリーなど）を、混乱を最小限に抑えて既存の車両構造に統合できます。この適応性により、自動車メーカーは、設計全体を見直すことなく、規制や消費者の好みの変化に対応することができます。

パワーエレクトロニクスはHEVエネルギー管理のコアを構成し、インバーターとコンバーターがバッテリー、電動モーター、内燃機関の間で電力を伝送します。インバーターがバッテリーからのDCエネルギーをモーター用のACエネルギーに変換すると同時に、DC-DCコンバーターはさまざまな車両サブシステムのニーズに合わせて電圧レベルを調整します。

炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの広帯域半導体への継続的な移行により、システム効率が向上しています。従来のシリコンに基づくソリューションよりも高価ですが、これらの材料はスイッチング損失を減らし、より高い電力密度をサポートし、熱性能を向上させます。これは、コンパクトで高出力のハイブリッド電気自動車アーキテクチャーの重要な利点です。

HEVシステムは、（特にインバーター、コンバーター、バッテリーモジュール）、最大負荷下で最大5kWの廃熱を生成できます。HEVは、液体冷却インバーターから空気冷却式の低電力システムまで、アクティブ冷却とパッシブ冷却の混合戦略を採用しています。相変化材料と統合された熱センサーは、負荷時の温度の調節に役立ちます。

熱管理は、各新設計にもエンジニアリング上の課題となっています。効率的な熱制御がなければ、コンポーネントの寿命が損なわれ、リチウムイオン電池の場合、性能の低下や熱暴走さえも起こります。コネクター温度を下げることで、自動車メーカーは長期的な耐久性と保証された目標を達成することができます。

成功するHEVアーキテクチャーでは、高速データ配信は配電と同じくらい不可欠になりつつあります。高度な制御アルゴリズムにより、燃焼システムと電気システム間の相互作用を最適化し、トルクブレンド、回生ブレーキやバッテリー使用を管理します。IoT駆動型の接続性は、ハイブリッド電気自動車アーキテクチャーを変革し、リアルタイム監視、予知保全、オーバーザエア（OTA）アップデートなどの機能を追加します。

ハイブリッドパワートレインが進化するにつれて、デジタルインフラストラクチャーも進化しなければなりません。ハイブリッド車プラットフォームには、CANおよびLINバス通信をサポートする高速コネクターとケーブルアセンブリー、先進運転支援システム（ADAS）用のギガビットイーサネットと接続モビリティ用のV2Xモジュールが必要です。

ハイブリッドの電気アーキテクチャーに対する需要は複雑で多面的であり、自動車用に特別に設計された高度なハードウェアが必要です。モレックスは、EMIと洗練された自動車システムの統合の課題に対応するように設計された、相互接続、電源、信号ソリューションの幅広いポートフォリオを提供しています。

実績のある製品プラットフォームとカスタム エンジニアリング サポートを組み合わせることで、モレックスは自動車メーカーが性能を拡張し、市場投入までの時間を短縮し、電気化の次の波に対応する将来を見据えたハイブリッド設計を実現できるよう支援します。

ハイブリッド電気自動車はもはや単なる中間的な段階ではなく、電気化された輸送の未来の根拠を証明しています。48Vスターターシステムから400Vとそれ以上の全電気プラットフォームまで、現在のハイブリッドは将来のEVのアーキテクチャー基盤を提供します。

この領域での成功は、バッテリー化学またはモータ電源だけに関連していません。シームレスな電力統合、リアルタイム制御、熱回復力、スケーラブルなアーキテクチャーを含むシステムレベルのエンジニアリングに関連しています。

オートモーティブのイノベーションの伝統と、高電圧、EMIシールド、熱最適化ソリューションのポートフォリオにより、モレックスはハイブリッド革命を一度に1つの接続で推進しています。

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