イノベーションの舞台裏：電流検出を書き換える道のり

重要なポイント：

• TMCS2100 は、TI 初となる、電流測定精度を損なうことなく磁気コアの必要性を排除した、電気自動車のトラクション インバータ向け多軸コアレス ホール エフェクト電流センサです。
• 一方向に電流を取り巻く磁界を測定する従来のコアレス電流センサとは異なり、TMCS2100 は二方向に測定するため、振動の影響を受けにくく、物理的な変位に対する許容度が高くなります。
• 新しい多軸コアレス ホール エフェクト電流センサは、トラクション インバータ設計における長年のトレードオフに対処します。モーター相間のクロストークとトルク リップルを低減するコアレスで正確な電流検出を実現し、航続距離の向上とよりスムーズな乗心地に貢献します。
• TI の Kilby Labs と TI のセンシング チームのコラボレーションにより開発された TMCS2100 は、自動車メーカーがサイズや重量のトレードオフなしに必要な精度を達成することを可能にし、より小型で効率的なトラクション インバータに収まります。

何年もの間、同じ問題が電気自動車用のトラクション インバータを設計する何千人ものエンジニアを困惑させ、苛立たせていました。

トラクション インバータにおいて、精密なモーター制御を実現するには正確な電流測定が必要です。それは長年にわたり、根本的なトレードオフに直面することを意味していました。磁気コアは必要な電流測定精度を提供できますが、あらゆる設計において重量とサイズが増加します。磁気コアを取り除くと、振動だけで電流の読み取り値が損なわれる可能性がありました。

TI のエンジニアはこのトレードオフを最終的な答えとして受け入れようとはせず、代わりにそれをイノベーションへの招待状へと変換しました。

「当社の顧客は、トラクション インバータにおいてコアレスで正確な電流検出ソリューションに対する明確なニーズを示していました」と TI のセンシング製品担当バイス プレジデント兼ジェネラル マネージャである Jason Cole は語っています。ソリューションを開発するために、TI のセンシング ビジネス チームは、まだ明確な答えのないエンジニアリング上の課題に取り組むために TI のテクノロジ ビジネスと連携する TI の高度 R&D エンジンである、Kilby Labs と提携しました。

技術的課題をソリューションに変える

TI は、トラクション インバータのトレードオフにすでに直面していた 2 人の自動車エンジニアとの協業を開始し、当初から実際の設計制約をプロジェクトに取り入れました。設計者の最大の疑問が TI の出発点となりました。コアレス ソリューションは、エンジニアが長年受け入れてきた妥協をすることなく、トラクション インバータに必要な精度を提供できるでしょうか？

「理想的には、密接に協力できる主要な共同作業者が数人いることが望ましいです」と Kilby Labs のシステム マネージャである Lei Ding は語っています。「そうすれば、小さなチームで概念を迅速に試作、評価し、進化させることができます」

このコラボレーションがプロジェクトの初期の方向性を決定づけました。初期のコンセプトでは、事後的に測定エラーを補正するために、社外のマイコンに依存していました。しかし、Kilby Labs とセンシング チームの間の議論は、より野心的な目標を指し示しました。それは、測定エラーを内部で補正できるセンサです。

そこから、プロジェクトは異なる道を歩み始めました。最初の設計を洗練させるのではなく、TI のエンジニアはセンサがトラクション インバータ内の電流をどのように測定できるかを再考し始めました。

チームは間もなくプロトタイプをドイツにある顧客のラボに持ち込み、さまざまな電流レベル、さまざまな周波数、さまざまな変調など、センサが実際に直面する条件下で 3 日間テストを行いました。

時々、これらのテストから多くの質問が生まれました。例えば、実際のシステムでテストはどのように持ちこたえるでしょうか？しかし興味深いことに、不確実性は警告サインではなくプロセスの一部となりました。

「アイデアが機能することを証明する簡単な例を探すのではなく、失敗することを示すケースを探すという逆のアプローチをとりました」と Kilby Labs のプロセス開発エンジニア マネージャである Dok Won Lee は語っています。「そうすることで、迅速に答えが得られます」

ある 1 つの疑問が繰り返し浮上しました。既存のコアレス センサは、電流を取り巻く磁界を一方向に測定するが、センサが二方向に測定した場合はどうなるか？

共同で構築された、よりスマートなセンサ

これまで、複雑な電流検出を実行し、信号の多軸性を考慮できるソリューションは市場にありませんでした。TI のエンジニアは、精度を損なう意図しない影響を減らしたい場合、多軸センサ設計を採用する必要があることを知っていました。

多軸センサ設計では、業界が長年抱えてきたトレードオフを回避できます。二方向に磁界を読み取ることで、センサは振動の影響を受けにくくなります。多軸測定機能は、より正確で信頼性の高い磁気検出も提供し、物理的な変位に対するデバイスの耐性を向上させます。精度が向上すると、モーター相間のクロストークとトルク リップル (EV の航続距離と乗心地の滑らかさの両方に影響を与えるぎこちない動き) が低減します。

「単純な問題ではなかったので、非常にやりがいを感じました」と Dok Won は語りました。「ハイリスク、ハイリターンでした。行き詰まりにつながる可能性のある不確実性がたくさんありましたが、私たちは製品化につなげることができました」

多軸センサは最終的に実際の製品となりました。トラクション インバータ向けの TMCS2100 多軸コアレス ホール エフェクト電流センサです。

「これはイノベーションのほんの一部にすぎません」と TI の HEV/EV 兼パワートレイン担当ジェネラル マネージャである Jerry Shi は語っています。「お客様はこれをさらに一歩進められるようになります。車両に搭載すると、このデバイスは自動車メーカーがサイズや重量のトレードオフなしに必要な精度を達成するのに役立ち、より小型で効率的なトラクション インバータに収まります」

TMCS2100 の開発は、レビュー、洗練、再調整の幾度ものサイクルの中で、多くの方向へ進んだ可能性があります。しかし、その道のりは 1 つの場所に辿り着きました。

「私たちはエンジニアのために発明するエンジニアです。私たちの目標は、お客様の問題を理解し、可能であることすら知らなかったソリューションを共創することでした」と Jason は語りました。「このテクノロジーはそれを体現しています」