堅牢な車載コンピューター：2つの故障で1年間の業務が停止

タクシー端末がサプライヤーに返品される理由は2つあります。1つ目は、バッテリーが1年以内に膨張してしまうこと。2つ目は、ディスプレイが天候に耐えられないため、端末を駐車せざるを得なくなることです。

どちらも「デバイスの故障」として記録されますが、同じ故障ではありません。一方は予測可能な時間軸を持つ化学プロセスによる故障です。もう一方は、端末が実際に占める位置に対して規定されていない保護レベルによる故障です。稼働時間に合わせて選定された堅牢な車載コンピュータは、これらを2つの別々のエンジニアリング上の問題として扱います。なぜなら、それぞれに2つの異なる解決策があるからです。これは、精密農業用車載コンピュータに関するこのガイドにおける稼働時間アプローチの根底にある考え方と同じです。

この区別を正しく理解すれば、どちらの不具合も予測可能になる。最初の不具合は設計段階から完全に排除できる。

タクシーは温室のようなもので、その内部にあるリチウムイオン電池は消耗部品である。

密閉された機械の運転室は温室のような状態になります。トラクターの運転室に関する既発表の研究では、冷却されていない状態での室内乾球温度は約34℃で、アクティブ冷却が作動すると約29℃まで低下することが測定されています。これは晴れた日の待機状態における温度です。リチウムイオン電池の劣化は一般的に約35℃を超えると加速するとされていますが、これは駐車中の運転室がヨーロッパの夏に日常的に超える温度です。

熱だけなら対処可能だろう。常設型セルが他と異なる点は、熱が単独で発生することは決してないということだ。

高い充電状態が持続する。運転席に取り付けられた端子は、機械が稼働する日には毎日、機械の電源に接続される。そのまま接続しておくと、バッテリーは数ヶ月間ほぼ満充電状態を維持する。リチウムイオン電池の化学は、最大充電状態を維持するのではなく、充放電を繰り返すように設計されている。この点は、レディング大学のリチウムイオン電池膨張に関するガイドラインでも直接指摘されており、充電サイクルが完了した後もデバイスを継続的に充電したままにしないよう警告している。

振動。現場で作業する機械は、電子機器に継続的に負荷をかけます。Wiley社のEngineering Reportsに掲載されたレビュー論文「リチウムイオン電池への振動の影響の概要」によると、長時間の振動曝露は電極の剥離、セパレータの変形、電解液の漏れを引き起こし、電気的には内部抵抗の上昇と容量の低下として現れます。故障は電気的な問題よりも先に機械的な問題として発生します。

これら3つを合わせると、結果はもはや品質の問題ではなくなります。膨張は、密封されたパウチ内の電解液の分解によって発生するガスであり、外観上の欠陥ではなく、内部構造がすでに破損しているセルの目に見える症状です。高温の車両にさらされる消費者向けリチウムパックは、一般的に12～18か月で実用寿命を迎えると言われています。これは、供給業者ではなくメカニズムが寿命を決定づける場合、現場から報告される約1年のパターンと一致します。

重要なポイント：常設端末内部において、セルは単なる機能ではなく、寿命が限られた消耗部品であり、機械上で最も高温かつ振動にさらされる位置に設置されている。

実際的な影響は在庫問題です。10年プログラムで稼働する機械において、14ヶ月でセルが故障した場合、それは保証対象ではなく、繰り返し発生する故障となります。また、故障時にはハードウェアが取り付けられた状態で発生します。膨張したパウチがそれを囲む部品を押し付け、修理にはユニットをボルトで外し、機械から取り外して返送する必要があります。故障が発生した午後には、機械は停止してしまいます。

2つ目の故障は電気系統の故障であり、バッテリーとは全く関係ありません。

仕様レビューで最もよく失敗するのは、まさにこの点です。バッテリーを取り外しても、堅牢な車載コンピュータは依然として車両電源に接続されていますが、車両電源は実験室電源とは異なります。エンジンの始動、オルタネーターの動作、リレーのスイッチング、誘導性負荷など、すべてが端子に電力を供給するライン上で伝導性過渡現象を引き起こします。

ISO 7637-2は、道路車両におけるこれらの過渡現象を定義しています。「ISO 7637に準拠して試験を実施しました」というだけでは、実際に何が試験されたのかが分からないため、各パルスが何を表しているのかを知っておくことが重要です。

ロードダンプは、その適用範囲が変わったため、別途検討する必要があります。自動車用電源保護に関する半導体アプリケーション文献によると、ロードダンプの要件がISO 7637-2からISO 16750-2に移行した際、同時に最小試験要件も増加し、単一のイベントではなく1分間隔で複数のパルスを照射するようになりました。ISO 16750-2:2023では、ロードダンプは独立したサブ条項として扱われ、車両の電気系統におけるパルスの発生源を説明する補足資料が付属しています。2004年版のISO 7637-2を参照するサプライヤーと、最新のISO 16750-2レポートを参照するサプライヤーでは、同じ試験について説明しているわけではありません。

同じ規格では、機器が許容しなければならない供給電圧範囲も規定されています。2023年版では、12V公称システムの場合、最大供給電圧を16V、24V公称システムの場合、32Vと定めており、最小値は顧客と供給者の間で合意されたコードによって設定され、12Vシステムでは6Vから10.5Vの範囲となっています。また、オルタネータレギュレータの故障に関する長期過電圧試験についても別途規定されており、12Vシステムでは18Vで60分間、24Vシステムでは36Vで60分間、すべての関連入力に印加されます。これらの規定は、24Vシステムが一般的で、機械の電気構造によって供給品質が異なる農業機械に照らし合わせて解釈してください。

プロからのアドバイス：標準番号ではなく、パルスリストを要求してください。どのパルスタイプがどの強度レベルで適用され、テスト構成にハーネスとコネクタが含まれていたかを明確に説明できるサプライヤーは、エンジニアリングをきちんと行っています。標準番号しか言えないサプライヤーは、単にそれを読んだだけです。

これが、直感的な結論を覆すポイントです。内蔵バッテリーのない端末は、膨張機構を完全に排除しており、マシン上の他のデバイスと同様に、パルス2aやロードダンプイベントの影響を受けやすい状態にあります。この2つの対策は独立しており、一方を指定しても他方は適用されません。

車両電源式端末は、故障モードの一つを完全に排除する。

最初の問題に対する設計上の対応策は、より優れた細胞を開発することではない。そもそも、そのような細胞は必要ないのだ。

車両から電源を供給され、何も記憶しない堅牢な車両用コンピュータは、分解する電解液がなく、充電状態を管理する必要もなく、膨張するパウチもなく、14か月ごとに交換するセルもありません。また、スペアパーツ計画から項目を1つ削除し、サービスプロセスから返却クラスを1つ削除します。これらは、単価比較では決して示されない総コストの一部です。PDS端末は、このように構築されています。車両電源で内蔵バッテリーはなく、シフト間で取り外して持ち運ぶのではなく、機械に常時取り付けられており、ISO 7637-II車両電源規格を参照した9～36V DCの入力範囲と、-20℃～+70℃の動作範囲が公表されています。

そこから三つの結果が生じるが、これら三つはいずれも技術的な議論ではなく、調達に関する議論で取り上げるべき事項である。

まず、シャットダウンに関する問題が浮上します。システムを支えるセルがないため、端末は電源供給が途絶える前にデータを保存するために、定められた点火シーケンスと制御されたシャットダウンウィンドウに依存します。これはソフトウェアと配線に関する決定事項であり、暗黙のうちに判断するのではなく、文書化しておくべきです。

第二に、待機電流は実数になります。常時接続されている機器は24時間体制で機器のバッテリーから電力を消費し、3週間放置されている機器は、その端子がバッテリーに接続されたままになっている機器です。

第三に、バッテリーがないことは、侵入保護、過渡耐性、または温度範囲について何ら意味を持ちません。これらはそれぞれ個別の仕様であり、個別に検証されます。バッテリーレス設計は故障モードを一つ減らすものであり、一般的な保証ではありません。

IP66、IP67、IP69Kは3つの異なるテストであり、防水レベルの3つのレベルではありません。

さて、ここからは、その機械が雨天時に使用できるかどうかを決定する部分、そして防水車載コンピューターに関するほとんどの検索結果が誤解を招く部分についてです。

IP等級の2桁目はラダーではありません。これをラダーとして扱うのは、このカテゴリで最もよくある仕様上の誤りです。IEC 60529では、各数値の背後にある特定の試験が定義されており、試験によって測定される項目が異なります。

どちらの場合も最初の数字は同じで、 6は防塵性を意味します。

つまり、IP66規格の筐体は防塵性があり、強力なジェット噴射にも耐えられます。ただし、浸水試験（これはIP67規格）や、80℃、100バールの高温高圧洗浄機に対する試験（これはIP69K規格で、「K」は道路車両部品に関するISO 20653規格に由来します）は実施されていません。この規格に関するいくつかのガイドでは、IP66を一時的な浸水に対する保護と説明していますが、これは誤りです。このような誤りは、機械の清掃時や端末が水に浸かった状態になった際に、現場での故障につながる可能性があります。

この規格では、日光下での視認性、動作温度、振動、または接続されているケーブルやコネクタの状態は、いかなる数値においても保証されません。非密閉型コネクタを備えたIP66エンクロージャは、規格に準拠した筐体が規格に準拠していないアセンブリ内に収められている状態であり、証明書に記載されているのは試験済みの構成のみです。

密閉されたキャブ内に設置され、雨季を通して使用される端末の場合、実際的な問題はどちらの数値が高いかではなく、ハーネス、コネクタキャップ、取り付け穴など、設置する構成でその定格が取得されているかどうかです。PDS端末はIP66の定格を公表しています。設置場所が直接高圧洗浄される場所である場合は、要件が異なり、その旨を明記する必要があります。キャブに取り付けられたサラウンドビューディスプレイに関するDLGのテストレポートでは、乾燥したキャブ内の基本定格から、暴露が増加するにつれて期待値がどのように変化するかが示されています。

雨天ルールがシーズン中に実際にどれだけのコストになるか

これが重要な理由は端末ではなく、カレンダーにある。

雨が予報されるたびにディスプレイを機械から取り外さなければならない場合、3つの問題が同時に発生します。まず、再設置したユニットにはブラケット、コネクタ、位置の再設定が必要となるため、毎日セットアップ時間が必要になります。次に、機械を屋根の下に保管する必要がありますが、雨天時に駐車している農機具では、屋根のある場所を確保できないことがよくあります。そして、オペレーターは、最も必要とされる時期、つまり湿った畑が例外ではなく常態となる時期に、ガイダンスインターフェースを失ってしまうのです。

最後の点こそが、運用コストが集中するポイントです。雨天時や水浸しの地面でも動作し続ける端末は、単に毎日のボルト締め作業を省くだけではありません。作業の再現性が最も重要となる日に、 自動操舵ワークフローを利用できるようにし、濡れた圃場を二度通過すると、作業に著しい悪影響が生じることを防ぎます。端末はその一連の作業における構成要素であり、 農業用自動操舵ソリューションは、実際に作業が行われる日にインターフェースが表示され、読みやすい場合にのみ、ガイダンスを提供します。

⚠️警告：サプライヤーがテスト済みの構成を明示せずに耐候性に関する主張をしている場合は、その主張は未検証であるとみなしてください。筐体自体は耐候性評価を受けているかもしれませんが、設置方法が評価されていない可能性があります。

「車載タブレット」で検索した場合

語彙に関する注意点です。なぜなら、不適切な語彙を使うと、購入者を間違った製品カテゴリーに誘導してしまうからです。

車載用タブレットを探すと、ほとんどがまさにそれ、つまり一般消費者向けタブレット用のホルダーやブラケット（ダッシュボードマウント、シートレールブラケット、カップホルダーアーム、ヘッドレストホルダーなど）ばかりです。これらの製品は取り付けの問題を解決するものですが、電源アーキテクチャ、過渡耐性、侵入保護、温度範囲、発火特性といった点には対応していません。なぜなら、それらが固定するタブレットはそもそも機械用に設計されたものではないからです。

車載端末を指定するインテグレーターは、ホルダーを購入するわけではありません。 堅牢型車両用コンピュータと産業用車両用コンピュータの区別は、取り付け金具ではなく設計上の優先事項を区別するため、より有用です。そして、この区別こそが、ユニットが機械のプログラムに耐えられるか、あるいはたった1シーズンで故障してしまうかを決定づけるのです。

障害モード表、および各行に対して要求する内容

これは、サプライヤーレビューに持参する文書です。各行には、症状とその根本原因、それを規定する基準、そして問題を解決する証拠が対応付けられています。

1営業日以内に確認します

仕組みが設計の成否を左右する。構成がインストールの成否を左右する。自分のマシンで一日使ってみることで、単なる文書レビュー以上のことが解決する。

端末を取り付けた状態で、機械を通常通り稼働させてください。イグニッションを繰り返しオン/オフして、シャットダウンシーケンスで現在のジョブが保存されることを確認してください。端末を取り付けた状態で、機械を雨天時に屋外に一晩放置し、翌日は取り付け部やコネクタに触れずに作業を開始してください。洗浄が作業の一部である場合は、オペレーターが実際に洗浄するのと同じ方法で洗浄し、画面ではなくコネクタのシールとケーブルの挿入口を確認してください。一日の終わりに、端末の記録のタイムスタンプと現場の記録を比較してください。記録されたトラックに空白がある場合は、データシートよりも電源アーキテクチャについて多くの情報が得られます。

次に、まだ未確定の2つの数値、すなわち電源入力用の試験済みパルスリストと、密閉筐体内部に設置される機器の適合温度範囲を問い合わせてください。

よくある質問

堅牢な車載コンピューターには内蔵バッテリーが搭載されていますか？

内蔵セルを備えた端末とそうでない端末があり、その違いは外観上の問題ではなく、構造上の問題です。内蔵セルを備えた端末は、機械の最も高温になる位置に設置された密閉筐体内に消耗品を収納します。一方、セルを備えていない車載電源式の端末は、この故障モードとそれに伴う繰り返し発生するダウンタイムを排除します。どちらの設計の見積もりを受けているのかを確認してください。両者は12か月前後で動作が異なります。

IP66の防水性能は、雨天時の現場作業に十分ですか？

IP66は防塵性能を備え、あらゆる方向からの強力な水流（12.5mmノズル、約100L/分、約100kPa）にも耐えます。雨や濡れた地面は、この範囲内に収まります。IP66は、IP67で規定されている浸水や、IP69Kで規定されている80℃、8～10MPaの高温高圧洗浄機による洗浄には対応していません。IP66で十分かどうかは、端末の設置場所や洗浄方法によって決まり、定格値だけでは判断できません。

機械の運転室内でバッテリーが膨張する原因は一体何でしょうか？

密閉されたキャビン内の持続的な高温、毎日ターミナルが接続されているため常にほぼ満充電状態に保たれているセル、そして機械の継続的な振動という3つの要因が同時に作用する。高温は電解液の分解とガス発生を促進し、常時高い充電状態は本来想定されている充放電サイクルを阻害し、振動は内部の機械的損傷を引き起こす。膨張は、それ以前から始まっているプロセスの目に見える最終段階である。

端末にバッテリーが搭載されていない場合、電気的な損傷を受けないのでしょうか？

いいえ。バッテリーを取り外すことで、セル膨張という一つの故障モードは解消されますが、車両電源ラインにおける伝導性過渡現象への曝露は軽減されません。伝導性過渡現象は、別の規格で規定される別の危険要因です。過渡現象保護は、電源アーキテクチャの種類に関わらず、独自の基準で規定および検証する必要があります。

IP規格は、その端末が湿った環境でも動作することを意味するのでしょうか？

これは、試験済みの筐体構成が規定の防塵・防水レベルを満たしていることを示しています。日光下での視認性、動作温度、耐振動性、または接続されているコネクタやケーブルの状態については何も示していません。これらは別の仕様であり、別途証明が必要です。

堅牢な車載コンピュータを選定する前に、サプライヤーにどのようなことを尋ねるべきでしょうか？

次の4つの事項：電源入力でテストされたパルスタイプと強度レベル、およびハーネスが含まれているかどうか。ユニットに内部セルが含まれているかどうか、含まれている場合はその認定温度範囲。IP定格と、それが設置構成で取得されたことの確認。ユニット全体の認定動作温度範囲。

ここから先はどこへ行くべきか

この記事で取り上げた2つの不具合は、それぞれ異なる文書で解決されるため、仕様書テンプレート内で分けて記載することをお勧めします。電源アーキテクチャに関する質問（この密閉されたボックス内の機器がカレンダー上で劣化するかどうか）を、過渡的な問題と入力に関する質問の隣に配置し、それぞれについて証拠を要求してください。

具体的な例が必要な場合は、 T12 12インチ車載コンピュータの公開仕様書をご覧ください。そこには、ISO 7637-IIに準拠した9～36V DC入力、IP66の防水・防塵性能、-20℃～+70℃の動作温度範囲、MIL-STD-810の振動・衝撃試験、内蔵バッテリーなしといった仕様が記載されています。これを、ご自身の要件と比較検討する際の参考としてご利用ください。

次に、1日間のテストを実施してください。端末を設置した状態で雨の中を1日過ごすことで、1週間分のデータシートを読むよりも、仕様について多くのことが分かります。

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PDSテクノロジーについて

PDS Technologyは、高精度RTK GNSS端末および車載コンピュータの大手OEM/ODMメーカーであり、2011年以来、農業、建設、鉱業、タクシー、物流業界にサービスを提供しています。

15年以上にわたる車載グレードの研究開発経験に基づき、当社は堅牢なマルチOS（Android/Linux/OpenHarmony）デバイスを提供しています。これらのデバイスは、RTKによるセンチメートルレベルの測位精度、IP66の保護等級、そしてAI対応の性能を備えています。IATF16949認証を取得した当社の工場では、世界中で10万台以上の製品を生産し、中国の農業用自動操舵端末市場で30%以上のシェアを占めています。日本、米国、英国、トルコ、ロシアなど、世界各国に製品を輸出しています。