5s スーパーキャパシタ設計は、より多くのエネルギーを供給できるため、主に集中型アーキテクチャで使用されます。次のセクションでは、5s スーパーキャパシタ向けの三種類の電源管理設計を示します。

• 昇降圧充電 + ダイオード放電

スーパーキャパシタの充電には、昇降圧コンバータを使用します。ダイオードは、スーパーキャパシタのエネルギーをモーター ドライバへ放電するために使用されます。5s、2.7V、25F のスーパーキャパシタを例にとると、スーパーキャパシタの定格電圧は 13.5V となります。自動車の 12V 主バッテリの動作電圧範囲は 9V ～ 16V であるため、TPS552892-Q1 などの昇降圧チャージャが必要です。モーターに電力を供給するための放電として、ダイオード LM74700-Q1 を使用しています。モーターの動作範囲が 9V 〜 16V であるため、スーパーキャパシタは 9V までしか放電できず、9V 以下のエネルギーは利用できません。スーパーキャパシタの生産と製造上のばらつきにより、スーパーキャパシタを直列接続した場合、各直列セルにかかる電圧が不均衡になることがあります。そのため、BQ79607-Q1/BQ78709-Q1 (ASIL-B 対応版) のようなセルバランス IC が必要となり、各セルの電圧をリアルタイムで監視し、パッシブ放電を行うことで各セルの電圧を均一化し、スーパーキャパシタの寿命を延ばします。

また、CPM には、マイコン、SBC、モーター ドライバも必要とします。マイコンは CPM を制御する中央システムとして動作するため、MSPM0G3107-Q1 を使用することを推奨します。SBC には、CAN-FD トランシーバと 3.3V LDO を内蔵した TCAN2845-Q1 も使用できます。このデバイスは、マイコンへの電源供給および ZCU との通信に使用できます。DRV8244-Q1 などのモーター ドライバを使用してモーターを駆動します。システム全体のブロック図を、図 4-1に示します。

図 4-1 5s スーパーキャパシタのシステム ブロック：昇降圧充電およびダイオード放電

図 4-2はスーパーキャパシタを充電する TPS552892-Q1 のテスト波形です。チャネル 1 〜 3 は、それぞれイネーブルピン EN、スーパーキャパシタ電圧 VOUT、充電電流 IOUT です。波形から分かるように、イネーブル ピンが high になった後、TPS552892-Q1 は定電流充電フェーズに入り、電圧が約 12.5V に達するまで 2.5A の定電流でスーパーキャパシタを充電します。その後、IC は定電圧充電フェーズに入り、この間、充電電流は徐々に減少していきます。充電プロセス全体は 25 秒間続きます。アプリケーションの詳細については、『昇降圧コンバータを使用する 5S SuperCaps ソリューションを使用する E-latch』を参照してください。

図 4-2 スーパーキャパシタの充電に対する TPS552892-Q1 のテスト波形

• 昇降圧充電 + 昇圧放電

放電時には、ダイオードの代わりに LM5122-Q1 のような昇圧コントローラを使用することで、スーパーキャパシタのエネルギーを最大限に活用できます。スーパーキャパシタの電圧が 9V 以下になった場合でも、昇圧コントローラによって出力を 12V まで昇圧し、モーターを駆動することができます。図 4-3にこの機能ブロック図を示します。

図 4-3 5s スーパーキャパシタのシステム ブロック：昇降圧充電 + 昇圧放電

• 充放電用の双方向昇降圧コントローラ

下記の設計では、昇降圧チャージャと、放電用の昇圧コントローラが必要になります。TI は、双方向昇降圧コントローラである LM51772-Q1 を発表しました。この製品は、同じ回路を使用して充放電を行います。より高い集積度を備えており、システム コストを大幅に削減することができます。図 4-4にこの機能ブロック図を示します。テキサス インスツルメンツ、『LM51772 によるバッテリまたはキャパシタ バックアップ動作』アプリケーション ノート。

図 4-4 5s スーパーキャパシタのシステム ブロック：充放電用の双方向昇降圧コントローラ