はじめに

特にインドと東南アジアで、2輪車と3輪車のEV（電気自動車）プラットフォームの急成長が続いている現状で、設計上の新しい課題が生じています。このような設計上の課題として、EV範囲の拡大、最終製品コストの削減、消費者への高性能パワートレインの提供を挙げることができます。性能、コスト、航続距離を最適化するには、効率的なトラクション・インバータとバッテリ管理システム（BMS）ソリューションが不可欠です。この記事の主な焦点は、メーカーがこれらの設計課題に対処し、進化する市場要件に対応するために、車載用TMS320F28P55xマイコン（MCU）がどのように役立つかを検討することです。これらのマイコンの高いリアルタイム性能、高度なアナログ機能および制御機能を、テキサス・インスツルメンツのオープンソフトウェアエコシステム、リファレンスデザイン、および製品サポートと組み合わせることで、メーカーは設計目標を達成し、トラクションインバータやBMSアプリケーションの製造スケジュールを満たすことができます。

パワートレインの効率を強化し、到達範囲の拡大と性能向上を実現

モーター制御向けの効果的なトラクション・インバータ・ソリューション

トラクション・インバータ・システムの電力効率は、EVの航続距離に最大の影響を及ぼします。これらのアプリケーションでは、アクセラレータを搭載したマイコンを利用してCPUの算術演算を支援し、モーター制御の効率と精度を強化することが重要です。この利点は、EVパワートレイン内でより効率的な電力使用を実現することで、トラクション・インバータ・システムに直接的な利点をもたらします。TMS320F28P55xマイコンには、浮動小数点ユニット（FPU）、三角関数算術演算ユニット（TMU）、制御補償器アクセラレータ（CLA）など、複数のCPUアクセラレータが搭載されています。

FPUは、浮動小数点演算に依存する制御アルゴリズムの移植プロセスを簡素化し、固定小数点演算をベースとするマイコンやFPUを使用しないマイコンに比べて、開発労力が大幅に低減されます。さらに、FPUにより、追加の浮動小数点レジスタおよび命令を提供することにより、IEEE-754単精度浮動小数点フォーマット演算を使用するハードウェアをサポートできます。FFTや平方根演算などの複素算術演算は、FPUを使用する場合に完了するサイクル数を大幅に削減します。固定小数点演算マイコン・ソリューションに比べて、所要サイクル数は2倍以上になります（を参照表 1）。

TMUは、CPUの命令セットをさらに強化することで、C28x CPUとFPUの両方に利点をもたらします。表 2TMUで利用可能な動作の一覧が含まれます。これらの命令機能により、パーク変換や逆パーク変換、空間ベクトル生成、FFTマグニチュード、位相計算など、三角関数の計算が多忙な一般的に使用される制御アプリケーションのサイクル数が大幅に削減されます。

CLAはC28x CPUや前述のアクセラレータと並列動作し、低レベルの制御ループを管理することで、CPUの帯域幅を削減します。TMS320F28P55xマイコン上の各種ペリフェラルにアクセスできるため、高速な割り込み応答を可能にし、MCUの割り込みレイテンシと制御ループ遅延を最小限に抑えることができます。に示すように図 1、CLAはCPUに送信される複数の異なるコマンドをパイプライン化するのに役立ち、より厳密な制御ループを実現できます。これらのハードウェアアクセラレータはすべて、HV/EV（ハイブリッド車とEV電気自動車）とパワートレインの動作におけるマイコンの主要な役割と効率をサポートしているので、EVの航続距離を延長できます。

これらのデバイスは、センシング・ペリフェラル、高い処理速度、高速動作を特長としており、リアルタイム動作と低レイテンシの制御を実現します。また、高速ADCと拡張PWM（ePWM）モジュールにより、これらのデバイスは車載市場の高性能モータ制御およびデジタル電源アプリケーションに理想的です。TMS320F28P55xデバイスには、コンパレータサブシステム（CMPSS）とプログラマブルゲインアンプ（PGA）も内蔵されており、BOMコストを削減でき、これらのマイコンを使用するという最終顧客の利点も得られます。

バッテリ・パック使用の最適化

EV市場における設計上の重要な課題は、EVの航続距離を向上させることです。BMSはEV範囲で重要な役割を果たします。BMSは、可能な限り最も効率的な方法でEVパワートレインに電力を供給する必要があるためです。時間の経過とともに設計要件が増大するにつれて、BMSソフトウェアの改善がより重要になってくる。一方、設計者の皆様は、BMSソフトウェアの性能と機能を向上させるために、ハードウェア機能を搭載したマイコンを探し求めています。TMS320F28P55x MCUに固有の統合型ニューラル・ネットワーク処理ユニット（NNPU）であり、特定の機械学習の操作を高速化できます。BMSの文脈では、この形式のエッジAIは、機械学習ベースの充電状態（SoC）と健全性状態（SoH）アルゴリズムに利点をもたらします。さらに、内部セルのパラメータに関する詳細な情報を得て、電気化学インピーダンス分光（EIS）を利用することがBMSに関心が高まっています。その後、この情報を使用して、バッテリ・パックのSoCおよびSoH測定値を非常に正確に取得でき、EVの距離測定の精度を向上させることができます。残りの耐用寿命（RUL）、SoC、SoHがすべて正確に維持されている場合、EVは元の最大許容範囲付近で動作する可能性が高くなります。

Xin-1の統合により、小型でコスト効率の優れた設計を実現

X-in-1との統合は、単一のマイコンがEVパワートレインの複数のコンポーネントを制御するシステム設計手法であり、一般的に普及が進んでいます。X-in-1の統合は、同じパワートレイン機能を達成するための材質使用量が減るので、これらのシステムの設計者はコストを大幅に削減できます。このトレンドに対応することは非常に重要です。特に、スペースの節減とコストの削減が必須である2輪車と3輪車のEVアプリケーションで、この戦略は市場規模で展開されると予測されているからです。TSM320F28P55xマイコンに搭載されている前述のCLAは、実質的にはそれほど強力ではないが、MCU用に追加のCPUとして動作できます。これにより、本デバイスは性能を犠牲にすることなく、帯域幅を多く含む制御アルゴリズムをサポートできます。この機能をマイコンに実装すると、コストの大幅な向上、製造の簡素化、ソフトウェア機能の統合を実現して、ワイヤレス（OTA）更新を容易にする可能性があります。X-in-1統合は、マイコンからより多くの帯域幅を必要としますが、EVパワートレインのサイズと重量の両方を最小化することができます。

まとめ

長距離対応でコスト効率に優れた高性能のパワートレインシステムを搭載した2輪車と3輪車のプラットフォームの設計は、プラットフォームの成長が継続する中で非常に重要です。メーカー各社が2輪車と3輪車のパワートレイン・アプリケーションとして自動車認証取得済みのデバイスへの移行を進めている現状で、安全性と信頼性に優れた高性能ソリューションに対する需要も増加を続けています。TIは2輪車と3輪車のEV市場のお客様向けに、豊富なリソースを取り揃えたサポートエコシステムも提供しています。このエコシステムには、TIDM-02017などのリファレンスデザイン、シミュレーションおよびコード生成用のMathWorksモデルベースの設計、C2000 Microcontrollers Forumと他のプラットフォームによる厳密なカスタマサポートが含まれています。TMS320F28P55xマイコンはスケーラブルな製品であり、高性能、拡張範囲、コスト親和性の高い次世代BMSとトラクション・インバータの実現に役立ちます。TMS320F28P55xマイコンを多様なハードウェア/ソフトウェアサポートシステムと組み合わせて活用すると、メーカーは2輪車と3輪車の市場で最も迅速かつ高性能のソリューションを実現できます。