3 軽量電気自動車システムの概要

LEV にはいくつかの種類があり、電動自転車 (e-bike)、電動スクータ (e-scooter)、電動オートバイ (e-motorcycle) などがあります。E-bike は最も電力が低く、航続距離も短いですが、よりコンパクトな設計になっています。その次に位置するのが e-scooter で、航続距離と出力は中程度ですが、設計はやや大きくなっています。さらにその後に続くのが e-motorcycle で、航続距離と出力が最も大きい一方、最もかさばる設計になっています。

LEV システムは複数のステージで構成されています：DC/DC コンバータ、モーター駆動ステージ、バッテリ パック、そして車載または外部の充電器があります。非絶縁ゲート ドライバは、統合型モーター ドライバよりも高い駆動電流が必要な場合、すべてのステージに配置されます。非絶縁ゲート ドライバは、スマート モーター ドライバよりもディスクリート実装が望まれる場合に、FET を駆動するための代替手段として検討することができます。

図 3-1 オフボード充電器向けのインターリーブ方式ブースト PFC の例

オフボード充電では、LEV は外部の電力変換用ウォールボックスやモジュールと組み合わせて使用されます。オフボード チャージャの場合は、電力レベルが高くなり、時には 1kW を上回ることがあります。LEV の急速充電器は、家庭用のガレージ壁面充電器や公共の充電ラック / 急速充電器などから、電力網の AC 電圧を受け取り、充電器内で AC 電圧を DC 電圧へ変換して、LEV のバッテリを充電します。この電圧は一定の値に調整し、維持され、パワー ファクタ補正が行われることで、性能と効率が向上します。高効率で駆動する目的で、UCC27624 などの非絶縁型ゲート ドライバを使用できます。LEV 用バッテリ充電器では、産業用グレードの代わりに自動車用グレードの部品が使用されることもあります。TI には、産業用グレードと自動車用グレードの両方で多数のデバイスをそろえた、非絶縁ゲート ドライバのラインアップがあります。

車載充電器 (OBC) は、より低いバッテリ電圧や低出力のシステムで一般的に使用されます。通常、これらの OBC は PFC 段と DC/DC 変換段を LEV 上に構築します。詳細については、高性能の非絶縁型ゲートドライバを使用した次世代の xEV オンボード チャージャと DC/DC コンバータの駆動を参照してください。

図 3-2 代表的なバッテリ パック トポロジ

LEV のバッテリ パックは、DC/DC コンバータを使用してモーターに電力を供給するのに役立ちます。これらのバッテリ パックは、加速時にモーターへ十分に高い電圧を供給できる必要がありますが、長時間の使用や周囲温度が高い環境でも過熱しないようにしなければなりません。さらに、バッテリーは航続距離を伸ばすために大容量である必要がありますが、その一方でバッテリーの重量も考慮する必要があります。そのため、高効率で電力密度の高いバッテリが不可欠であり、非絶縁ゲート ドライバがその実現に役立ちます。UCC27624-Q1 のようなデュアル チャネル ローサイド ドライバを使用して、大きなバッテリで複数の FET を駆動できます。UCC27517A-Q1 のような小型のローサイド ドライバは、バッテリ放電 FET を迅速にスイッチングすることで、短絡や過電流応答時間を最小限に抑えるのに役立ちます。詳細については、TI の 16s バッテリパックのリファレンス デザインをご覧ください。大容量アプリ向けのローサイド MOSFET 制御を備えたリファレンス デザインでは、UCC27524 が示されていますが、現在は UCC27624、UCC27624V、UCC27624-Q1、UCC27624V-Q1 とピン互換になっています。図 3-2また、E2E フォーラムの投稿もご覧ください：[FAQ] 非絶縁型ゲート ドライバを使用するべきバッテリ アプリケーションとは？

図 3-3 代表的な 96V〜12V の DC/DC コンバータ トポロジ

図 3-4 代表的な 48V ～ 12V の DC/DC トポロジ

DC-DC サブシステムには、高電圧から低電圧への DC-DC 変換が含まれており、通常は 96V、72V、48V といった高電圧バッテリを 12V に降圧して、ライト、ホーン、その他の小さな電装部品に電力を供給します。この段では、選択する部品にとって、高い電力密度、信頼性、効率が重要な要素になります。もう一つの考慮点は、ハーフ ブリッジ ゲート ドライバのハイサイドにあるブートストラップ供給ピンの電圧です。これは十分な電圧マージンを確保する必要があり、通常はバッテリー電圧のおよそ 2 倍が必要になります。適切なバッテリレベルで FET を迅速にスイッチングすることは、ゲートドライバにとって重要です。TI の UCC27834-Q1 は、96V および 72V システム用の 230V VHB を、UCC27301A-Q1 または LM2105 は 48V バッテリ システム用にそれぞれ 120V VHB と 107V VHB を供給します。

図 3-5 代表的なモーター ドライブ段トポロジ

LEV のモーター ドライバ段は、モーターのバッテリパックから電気エネルギーを受け取り、このバッテリは LEV のホイールを回転させます。LEV で一般的に使用されるトポロジの 1 つは、BLDC モーターです。このトポロジでは、ゲート　ドライバは各相の 2 つの FET を駆動し、3 相ブラシレス モーターの各相をグランドまたは電源電圧へと切り替えます。LM2105 や UCC27301A-Q1 などの 3 つのハーフブリッジ ドライバを使用すると、ドライバを FET のできるだけ近くに配置してノイズを最小限に抑えることができます。また、LM2105 の 2×2mm パッケージなどの小型パッケージは PCB サイズを縮小するため、設計を最適化できます。詳細については、DC モーター ドライブ用のゲート ドライバを選択する方法をご覧ください。