48V/12Vデュアルバッテリ自動車システム用双方向DC/DCコントローラ

著者 Rich Miron

Digi-Key Electronics の提供

自動運転車両と自動車用コネクティビティの進歩、さらに燃費の規制強化に伴い、従来の12V自動車用電子システムは実用上の限界に達しています。おまけに、自動車用電子システムに接続される機器がこれまで以上に増加していることでより多くの電力が必要になったことから、新たな課題も生まれています。結果として、従来の3kW/12V自動車用電力システムの拡充が必要になっています。

新たに提案された自動車用電源規格であるLV148では、既存の12Vシステムと2次48Vバス電源の組み合わせが定められています。48Vレールに含まれる商品としては、以下のようなものがあります。

  • ベルト駆動ジェネレータまたはインテグレーテッドスタータージェネレータ(ISG)
  • 48Vリチウムイオンバッテリ
  • 12Vと48Vの複合バッテリから10kWの電力を提供可能な双方向DC/DCコンバータ

徐々に厳しくなるCO2排出量目標に適合しようと各種自動車メーカーが奮闘する中、こうしたテクノロジの目的は、電気と従来の内燃機関を組み合わせたハイブリット自動車に置かれています。

多くの場合、12Vバスの役割は、これまでと同じく照明、娯楽情報サービス、オーディオ、点火などのシステムに電力を供給することでしょう。アジャスタブルサスペンション、電動ターボ/スーパーチャージャ、エアコン、回生ブレーキサポート付きのアクティブシャーシなどの他のシステムには、48Vバスから電力が供給されます。48Vバスはまもなくさまざまな量産型で利用可能になると見込まれており、エンジンの始動にも対応し、停車状態からの発進をよりスムーズに行えるようになります。

より高電圧のバスを利用することには、ケーブルの断面積を抑えてサイズと重量をともに削減できるというメリットもあります。今日の高級車では配線の長さが4kmを超えることもあるため、このメリットは非常に重要です。

自動車はますます、タイヤにコンピュータを乗せたものへ近づいています。この流れにより、多くのプラグアンドプレイデバイスとの連携の可能性が生まれています。平均的な通勤者は1日の9%を車両の中で過ごすことから、テレマティクスやマルチメディアの導入には、さらなるエンターテイメントを提供できるだけでなく、生産性を向上させられる可能性も秘められています。

前述のように、自動運転車両はレーダー、LiDAR、センサ、カメラ、コンピュータなどの装置を搭載しているため、より多くの電力が必要となる原因の1つとなっています。また、接続性の改善のため、車両に必要とされる電力も増加しています。自動車はインターネットだけでなく、交通信号、別の車、建物などの構造物にも接続できなければなりません。さらに、オイルポンプやウォーターポンプ、パワーステアリング、動力伝達経路部品も、最終的には機械駆動ではなく電動へと切り替わっていくでしょう。

多くの自動車部品メーカーは、今後数年で、自動運転車両に必要になる技術的なビルディングブロックのニーズが高まると期待しています。ただし、48Vバッテリシステムの利点は現時点でも得ることができます。たとえば、一部の自動車メーカーは、48V電気システムを採用した内燃機関では燃費が10%~15%向上すると主張しています。この結果として、CO2排出量も燃費が向上した分だけ減少することになります。

さらに、将来的には、エンジニアは48V/12Vデュアルシステムを搭載した車両に電気ブースタの技術を組み込めるようになるでしょう。この技術はエンジン負荷と独立して動作させることができ、加速性能の改善につながります。たとえば、すでに先行開発の段階にあるコンプレッサは、中間冷却器と吸気系統の間に配置される見込みです。このコンプレッサは48Vの電圧により、ターボの回転数を増加させます。

ただし、追加で48V電源のネットワーク対応車両を実装しなければならないことから、各種サプライヤにとってはさまざまな設計上の課題が生じることになります。具体的な例としては、半導体メーカーや電子制御ユニット(ECU)メーカーは、48Vバス電源で動作するように部品の設計を見直さなければなりません。また、DC/DCコンバータメーカーは、より大きな電力転送をIC処理できる専用のICを開発しなければなりません。こうしたニーズに応えるため、Linear Technologyはこのようなエネルギー輸送を非常に効率よく処理可能なDC/DCコンバータを発売しています。これらのコンバータでは、エネルギーの節約と必要な熱設計の最小化を同時に実現しています。

12V/48Vデュアル車載システムの登場が差し迫っていることを受けて、降圧型および昇圧型の双方向DC/DCコンバータが求められることは明らかです。こうしたコンバータでは、バッテリを充電することも、必要に応じて同じ負荷に電流を供給することも可能です。初期の12V/48VデュアルバッテリDC/DCコンバータの設計では、昇圧電力部品と降圧電源部品が分離されています。しかし、Linear Technologyが最近リリースしたLTC3871双方向DC/DCコントローラは違います。このコントローラでは、昇圧と降圧に同じ外部電源部品が採用されています。

双方向ICソリューションの一例

LTC3871は、100V/30Vの双方向2相同期昇圧/降圧コントローラです。12Vおよび48Vのシステムネットワーク間で、双方向のDC/DC制御とバッテリ充電を実現できます。昇圧モードの動作電圧は12Vbus~48Vbus、降圧モードの動作電圧は48Vbus~12Vbusです。どちらのモードになるかは、印加される制御信号によりオンデマンドで決まります。高電流用途(最大250A)では、最大で12相を並列化し位相をずらすことができるため、入出力のフィルタリング要件を最低限に抑えられます。最新の電流モードアーキテクチャにより、並列相間での電流整合を実現しています。12相の設計では、昇圧モードと降圧モードのどちらでも最大5kWを供給できます。

LTC3871では、エンジン始動時など追加の電力が必要となる場合に、両方のバッテリから同時にエネルギーを供給することができます。この装置で実現可能な最大効率は97%です。負荷に提供される最大電流は、チップに実装された電流プログラミングループにより制御されます。電圧用に2つと電流用に2つの計4つの制御ループが搭載されており、12Vbusと48Vbusのどちらでも電圧と電流を制御できます。

動作周波数は60kHz~475kHzの固定周波数からユーザーが選択でき、同じ周波数範囲の外部クロックとの同期が可能です。さらに、パルススキップモードと連続動作モードが用意されており、どちらのモードでも軽負荷動作をユーザーが選択できます。その他の機能としては、不足電圧/過電圧防止、昇圧モードおよび降圧モード用の独立ループ補償、過負荷および短絡回路保護、全温度範囲にわたって精度±1%の出力電圧レギュレーション、効率を高めるEXTVccなどがあります。LTC3871はISO26262規格の診断範囲に合わせて設計されており、自動車規格ACE-Q100の認定を受けています。

現在、LTC3871は48リードの耐熱LQFPパッケージで提供されており、温度等級を3段階から選択可能です。温度等級としては、高温の車載用途に対応した-40°C~150°Cと、拡張等級および産業用等級に対応した-40°C~125°Cが用意されています。この装置の代表的な適用例を図1に示します。この概略図の上部には、短絡および過電流保護のためPチャンネルMOSFETが配置されています。

Linear Technology LTC3871双方向コントローラの用途の概略図

図1:入力26V~58Vから出力12Vで30Aの電流を提供可能なLTC3871双方向コントローラの典型的用途の概略図(画像提供:Linear Technology)

インテグレーテッドスタータージェネレータ(ISG)

自動車のスターターとオルタネータはともに、電子制御式のISGに置き換えられるでしょう。これにより、以下のようなメリットが得られます。

  • 通常のエンジン運転では唯一の受動部品であるスターターの排除
  • クランクシャフトとオルタネータ間でのベルトとプーリーの連結を撤廃できる
  • 負荷遮断中にジェネレータ電圧を高速に制御できる
  • 現在使用されている巻線型オルタネータのブラシおよびスリップリングの撤廃

ISGの3つの主な特徴として、動力支援、発電、スタートストップ機能があります。ISGでは回生ブレーキにより発電することができるため、車両の減速に役立ちます。回生ブレーキにより発電された電力により48Vバッテリを充電することで、燃料の消費量を抑え、ひいてはCO2排出量を削減できます。また、ISGでは、従来のオルタネータと同様に、エンジンの運転中に電力が生み出されます。最後に、ISGでは、車両が停止した場合にエンジンを切って燃料消費量を抑えながら、アクセルが踏まれた瞬間に再始動させることができます。これは、一般にスタートストップシステムと呼ばれています。こうしたシステムにISGを導入することで、エンジンの始動がよりスムーズになります。

図2に、LTC3871、ISG、および12Vと48Vのバッテリを一般的な内燃機関に組み込んだブロック図を示します。

Linear Technology LTC3871の典型的な自動車用途のブロック図

図2:LTC3871の典型的な自動車用途のブロック図(画像提供:Linear Technology)

降圧モードと昇圧モード

LTC3871では、単純な制御信号により、降圧モードと昇圧モードの切り替えを動的かつシームレスに切り替えることができます。誤差アンプが独立して2つ搭載されているため(VHIGHレギュレーション用とVLOWレギュレーション用)、降圧モードと昇圧モードのループ補償を独立して微調整し、過渡応答を最適化することができます。降圧モードでは、対応する誤差アンプであるITHLOWが有効化され、ピークインダクタ電流を制御します。逆に昇圧モードでは、ITHHIGHが有効化され、ITHLOWが無効化されます。昇圧モードから降圧モードおよび降圧モードから昇圧モードへの切り替え時には、内部ソフトスタートがリセットされるとともに、ITHピンがゼロ電流レベルとなり新しいモードへのスムーズな切り替えを実現しています。

マルチフェーズ動作

複数のLTC3871をデイジーチェーン式につなげて位相をずらして動作させることで、入力電圧や出力電圧のリップルを増やすことなく出力電流を上げることができます。1台のLTC3871のSYNCピンを別のLTC3871のCLKOUTピンに接続することで、接続先のLTC3871を元のLTC3871に同期させることができます。CLKOUT信号を以降のLTC3871のSYNCピンに接続することにより、システム全体の周波数と相を揃えられます。最大で12種類の相をデイジーチェーン式につなげ、互いに位相をずらしながら同期的に動作させることが可能です。

LTC3871のデモ用基板であるDC2348Aでは、LTC3871を1つまたは2つ使用して2相構成もしくは4相構成とすることができます。図3に、4相バージョンを示します。このデモ用回路の降圧モードでの入力電圧範囲は30V~75Vであり、最大60Aで12Vを出力できます。この回路を昇圧モードで動作させた場合は、入力電圧範囲は10V~13Vで、出力は最大10Aで48Vとなります。

Linear Technology LTC3871の4相デモ用基板の画像

図3:4相バージョンのLTC3871デモ用基板(画像提供:Linear Technology)

図4に、LTC3871を2つ使用した場合の4相デモ用基板の典型的な効率曲線を示します。降圧モードの曲線は、最大60Aにおいてデモ用基板で48V入力を12Vまで低減させた場合の効率を示しており、昇圧モードの曲線は10Aを上限として12V入力を48Vまで昇圧した場合の効率を示しています。両方の曲線の最大効率がともに97%であることに注目してください。

Linear Technology LTC3871の降圧効率曲線および昇圧効率曲線の図

図4:4相設計のLTC3871の降圧効率曲線と昇圧効率曲線(画像提供:Linear Technology)

過電流保護

LTC3871の降圧モードには、過電流の発生時やVLOWがショートした場合の電力損失を抑える電流フォールドバック防止機能が組み込まれています。この機能は、ソフトスタート時に自動で有効になります。VLOWが公称出力レベルの85%を下回った場合、最大検出電圧はプログラムされた最大値から、最大値の3分の1まで徐々に低下します。LTC3871では短絡電流を制限するため、デューティサイクルが非常に低い短絡条件下においてサイクルスキップを開始します。

一般的な昇圧コントローラでは、同期整流ダイオードまたはMOSFET半導体のボディダイオードにより、入力から出力へ電流を流しています。このため、ブロッキングダイオードやMOSFETで電流が阻止されず、出力(VHIGH)の短絡により入力(VLOW)が低下してしまいます。VHIGHがショートした場合、LTC3871では、外部の低RDS(ON) PチャンネルMOSFETにより入力の短絡が防止されます。このPチャンネルMOSFETは常に通常動作となっており、ゲート-ソース電圧は最大値の15Vに制限されています。UVHIGHピンの電圧がしきい値の1.2Vを下回ると、FAULTピンが125μs後に低下します。このような状態になると、PGATEピンによりこの外部PチャンネルMOSFETの電源が切られます。

結論

LTC3871は新たなレベルの性能を備えているだけでなく、同じ外部電源部品を昇圧用途と降圧用途の両方に使用できるため、48V/12VデュアルバッテリのDC/DC自動車システムの制御性を高め簡略化することができます。48Vを12Vにまで低下させる降圧モードと12Vを48Vにまで上昇させる昇圧モードが自動で切り替えられます。エンジン始動など高い電力が必要な用途には、最大で12種類の相を並列化して、同じ負荷に両方のバッテリから同時にエネルギーを供給できます。追加された48Vバッテリは、車両内の一部の電気システムを駆動させるものであり、これにより利用可能なエネルギーを増やすとともに、ワイヤの重量を抑えて電気損失を緩和できます。このようにエネルギーが増えることで、車両の安全性を高め、効率を向上させ、CO2排出量を抑える新技術を実現できるようになります。

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著者について

Rich Miron

Digi-Key Electronicsのシニアテクニカルコンテンツ開発者であるRich Miron氏は、記事、ブログ、製品トレーニングモジュールの作成と編集に主に責任を持つ技術コンテンツグループに2007年から参加しています。Digi-Keyに加わる前は、原子力潜水艦の計装制御システムをテストし、認定していました。Richはノースダコタ州立大学ファーゴ校の電気電子工学の学位を取得しています。

出版者について

Digi-Key Electronics

ミネソタ州シーフリバーフォールズに拠点を置くDigi-Key Electronicsは、試作および設計段階、量産段階のいずれにおいても、電子部品を卓越したサービスとともにグローバルに提供し、Digi-Keyでは、750社以上の一流メーカーから提供される600万点以上の製品を取り扱っている。