電気自動車 (e-mobility) は、おそらくテクノロジー企業や消費者が近年直面しなければならない最も重要な課題の 1 つでしょう。 移動方法に革命をもたらすような環境に優しいシステムを見つける必要性が高まる一方で、新しいグリーンテクノロジーを価格と性能の面でできる限り効率的かつ効果的にする必要もあります。
車両の OEM は、競争力を保つために車両性能を上げながら、ますます厳しくなる CO2 排出基準を満たす必要があります。 この重要な課題は、純粋電気自動車（EV）、ハイブリッド電気自動車（HEV）、内燃エンジン自動車（ICE）における電動化によって対処されています。 増大する電力要件を満たすために 48V、400V、800V などの高電圧バッテリを追加することにより、今度は電力供給アーキテクチャの複雑さが増し、サイズと効率という点で新たな要求が出されました
マイルドハイブリッド電気自動車 (MHEV) システムは、電動化へのゲートウェイとなります。 ライトハイブリッド推進としても認識されており、ハイブリッドモデルの急激な成長に貢献することになる。 MHEVシステムは、ブレーキ時に車両のエネルギーを回収することができ、車両の再起動時にエネルギーを供給することで、ガス消費量とCO2排出量を削減します。
HEVモデルの第2の電動化アプローチは、電気モーターがICEと一緒に作動し、数キロの間100％電気モードで走行することができます。 もう一つの人気のある代替案はプラグインハイブリッド車（PHEV）で、バッテリーをグリッドで充電することができ、ゼロエミッションでの走行距離は約50キロメートルまで増加する。 この場合、電化率はMHEVやハイブリッド技術よりも明らかに高く、購入コストも高く、何十ものPHEVモデルが市場に出ている。
バッテリー電気自動車（BEV）は、ICEがなく、代わりにインバータと電気モーターの組み合わせで駆動する。 BEVはグリッドを通じて充電でき、ブレーキングで回生することもできる。 電気自動車には、小型の内燃機関を搭載し、電池残量が少なくなったときに充電するための発電機としてのみ使用するEREV（Extended Range Electric Vehicle）もある。 8025>
ソリューションは、固体電池や水素燃料電池などの新しいエネルギー貯蔵技術だけではなく、軽量化と新しい電気アーキテクチャによる車の効率改善でも可能性があるのです。
今日の電動化の課題
「今日の電動化の課題は、コストの抑制、積極的な CO2 排出目標の達成、電力要件の変化の管理、従来の 12V 負荷への電力供給、軽量で高性能な自動車の実現、電力レベルの向上、充電時間の短縮、800V および 400V バッテリー システムの高電圧管理です」と Vicor Corporation の自動車ビジネス開発グローバル VP の Patrick Wadden は語っています。
自動車、トラック、バス、オートバイのメーカーは、内燃エンジンの燃料効率を高め、CO2 排出量を削減するために、急速に自動車の電動化を進めています。 電動化の選択肢はたくさんありますが、ほとんどのメーカーはフルハイブリッドパワートレインではなく、48ボルトのマイルドハイブリッドシステムを選択しています。 マイルドハイブリッドシステムでは、従来の12Vバッテリーのほかに48Vのバッテリーが追加されます。
「車両には800Vか400Vのバッテリーが搭載されています。 Vicorはバッテリーから800ボルトまたは400ボルトを取り出し、その電力を48ボルトに変換して、電動ターボ、ヘッド付きフロントガラス、冷却ポンプなどの負荷に電力を供給しています。 800ボルトまたは400ボルトのバッテリーから電力を供給されるシステムは、48Vバッテリーを完全に排除し、仮想的に48Vバッテリーを作るというオプションがあります。 この48Vバッテリーの廃止により、OEMはより高い出力密度と重量およびサイズの削減を実現し、車両航続距離の延長を可能にします。 これらのソリューションは拡張性があるため、エントリーレベルから高級車まで対応できます」とWaddenは述べています。
図 4: 48V 機械式からオーバーロードに移行する。 Vicor）
48V 技術は効率的に電力を分配します
48V 技術は電力能力を 4 倍にし（P = V – I）、始動時のエアコンや触媒コンバータなどの重い負荷に使用することができます。 車両性能を向上させるために、48V システムは、燃料を節約しながらより速くスムーズな加速に使用されるハイブリッド モーターに電力を供給できます。
「長年にわたってコストを最適化してきた 12 ボルトの電力供給ネットワーク (PDN) を変更することへの躊躇を克服することが、最大の課題かもしれません」と Wadden は述べています。 さらに、「自動車業界にとって、48Vマイルドハイブリッドシステムは、低排出ガス、長距離、高燃費の新車を迅速に導入する方法を提供し、実用的なアプローチになる。 また、CO2 排出量を削減しながら、より高い性能と機能を実現するための新しくエキサイティングな設計オプションも提供します。」
使用されている集中型 DC-DC コンバータの大部分は、古い PWM 低周波スイッチング・トポロジーを使用しているので、かさばり、重くなっています。 考慮すべきより最新のアーキテクチャは、パワー モジュールを使用した分散型電力供給 (図 4) です。
「分散型モデルを使用する利点は、車両周辺の軽量ケーブルでシステム レベルでさらに実現できます。インピーダンスと抵抗を最小限に抑えるという点で、コンバータを負荷に最も近い位置に置くことにいくつかの良い利点があり、冷却方法の一部を簡略化でき、場合によっては、コールドプレートまたは液体冷却を排除できます」。 Wadden 氏は次のように述べています。「機能安全性を実装するためのオプションが増え、柔軟性が発揮されるようになりました。 分散型電源アーキテクチャは、電源システムにおいて大きな熱管理上の利点をもたらします。
「集中型システムと分散型システムのハイレベルな図を見てみましょう。 左側は、従来の 3kW のシルバー ボックスで、400V の入力から 12V の出力で、車内の 12V の負荷に電力を供給しています。 右側は、48Vが車内でどのように使用されているかの例です。コンバータは負荷のある場所に設置されていますが、分散型モデルでは大きな銀色の箱はなく、車内の必要に応じて配電を分散させることができます。 これはまた、冗長電源によるASIL FUSAの実装を可能にします。 8025>
新しい 48V PDN は、電力要件が増加した従来の 12V 負荷と、ケーブルを使用する新しいハイパワー ドライブ、ステアリング、およびブレーキ システムをサポートする必要があります。 増加する負荷でより多くの48V電力を供給するには、大型でかさばるディスクリート・ソリューションと比較して、高密度なモジュールが必要です。 Vicorは、48Vからの電力供給のためのいくつかのモジュールを提供しています。 これらのデバイスには、降圧または昇圧モードで48Vと12Vの両方の負荷をサポートする固定比率およびレギュレートされた変換ソリューションが含まれます。 これらのコンバータは、単一の筐体に収めることも、小型軽量な48V PDNを使用して車両全体に分散させることも可能です。
Vicor NBM は、OEM が負荷に最も近い車両周辺に電圧変換ステージを配置し、48V を 12V に降圧するか、12V を 48V に昇圧する必要がある場合に、分散アーキテクチャで使用されます。
400Vおよび800Vの充電ステーションの使用により、どのステーションでも車両の互換性を確保するために、できるだけシンプルで、何よりも効率的な変換ソリューションが必要とされます。 NBM6123は、61 x 23mmのCM-ChiPパッケージで6.4kWの固定比率の400Vおよび800V変換を実現し、路上の充電ステーションと異なる車両間の互換性のためのスケーラブルで高効率な高密度ソリューションを提供します。 Vicorソリューションの双方向性により、同じモジュールを昇圧または降圧の変換に使用することができます。 NBM6123 は、充電中のエアコン用として車両への電力供給にも使用でき、バッテリー バランス回路を最小限に抑えます。
結論
車両の電動化への動きは、今日、多くの形態をとっており、電力供給は複雑になっています。 車両には多くの異なるシステムがあり、それぞれが異なる電力要件を持つ場合があります。 モジュラーパワーアプローチは、本質的に柔軟性と拡張性が高く、これらの無数の課題に対処することができます。 Vicor社の高性能ソリューションは、小型軽量で、あらゆるシステムの電力変換、充電、送電に対応するように設計されています。
Maurizio は重力波の研究分野と宇宙研究プロジェクトで設計技術者として働いています。 彼は時々、私たちが受け取っていない、あるいは解読できていないメッセージを、上空の誰かが送ってきているのではないかと思うことがあるそうです。 電子工学者であり、物理学の博士号を持つ。 テクノロジーやエレクトロニクスに関する文章を書いたり、話をしたりするのが好きです。 主な関心事は、電力、車載、IoT、デジタル。 現在、Power Electronics Newsの編集長およびEE Timesの欧州特派員を務める。 EEWeb.comのディスカッションも統括している。 また、様々な技術的、科学的記事を執筆しており、エネルギーハーベスティングとデータ収集・制御システムに関する2冊の本もSpringerから出版されています。