何かが続けられない場合は、続けられません。自動車の旺盛な電力需要を 12 V バッテリーから供給することは、この現実の一例です。
トポロジーの変更はバッテリー電源に影響を与えます
12 V の問題により、多くの新しい ICE 車両とほぼすべての EV/HEV には 48 V バッテリーも搭載されています。このバッテリは、低電流負荷に対して 12 V 電源を維持しながら、高電圧によってより効率的に電力を供給される負荷に対応します。
48 V DC/DC コンバータは通常、高度なバッテリ管理 (BMS) の指示の下、必要に応じて電気エネルギーが一方のバッテリからもう一方のバッテリに双方向に流れるように設計されており、エネルギー源と負荷需要のバランスを最適化します (図1).
バッテリー管理は、高レベルのブロック図では単純に見えるにもかかわらず、非常に複雑なシステムになっています (図2).
ただし、上昇したのは基本的なバッテリー電圧だけではありません。システムの需要により、設計者は、バッテリの電圧と電力をどのように分配して電子機器の低電圧レールに変換するかという基本的なトポロジをやり直すと同時に、アクセサリ モーターやオーディオ アンプなどの高電力負荷に高い電圧を提供する必要があります。数十、数百ワットなど。
最新のEVのバッテリーエネルギー容量は、ミニクーパーSEのような小型EVの約30kWhから、GMCハマーEVトラックのような大型で強力なEVの200kWh以上まで多岐にわたります。 図3 実際の進化とそれがどこへ向かうのかを示します。
自動車が車輪を備えた「エレクトロニクスとコンピューター」になると (左の画像)、設計者は中央ノードを備えた分散トポロジーを使用しました。このアーキテクチャを使用すると、新しい電子制御ユニット (ECU) を追加するだけで新しい機能を追加できます。長年にわたって、これらの追加は 50 ～ 100 (またはそれ以上) の ECU と 4 km (2.5 マイル) ものワイヤー ハーネスにまで拡大し、場合によってはそれ以上にまで拡大されました。
このアプローチはシンプルかつ直接的です。しかし、分散アーキテクチャは、膨大な配線量、配電における電力効率の悪さ、信頼性の考慮事項 (サイバーセキュリティを含む)、およびコストと安全性の考慮事項により、もはや適切ではありません。また、追加された各機能には、DC 電源に加えてネットワーク接続も必要です。
分散型アーキテクチャが圧倒されるにつれて、設計者は部分的に分散された配電ネットワークを備えた「ドメイン」アーキテクチャに移行しています (中央の画像)。このアプローチでは、ADAS、インフォテインメント、テレマティクスなどの機能が論理的にグループ化され、それぞれが独自のプロセッサーを持ちます。このドメインへのアプローチは論理的には理にかなっていますが、実際には配線と接続の量が増加するため、車両の重量、電力損失、コストが増加する可能性があります。やや直観に反するかもしれませんが、このアーキテクチャは最終的には必然的に車両の電気および配電システムを構成する最も効率的な方法になります。
さらに数年先を見据えると、完全に集中化された「ゾーン」アーキテクチャへの移行が見られます。このアーキテクチャでは、システムは論理的および物理的にゾーンにグループ化され、効率的に編成できます。各ゾーンでは、単一の強力なプロセッサがすべての機能を管理し、ゾーンは高度に局所化されたユニットのアレイではなく、単一の配電ユニットによって電力を供給されます。また、ゾーンには単一のネットワーク接続 (イーサネットなど) があります。
ECU をアクチュエーターやセンサーの近くに移動することで、必要な配線と接続の数が減り、明らかなメリットとそうでないメリットが得られます。デバイス配置の最適化によりケーブル長が大幅に短縮され、機能統合により一部のケーブルが不要になりました。高電圧で低電流に対応する、より細くて柔軟なケーブルを、より重い丸い撚り線ケーブルの代わりに使用できます。これにより、BOM コストが削減され、ケーブル配線が簡素化され、生産現場でのロボットによる取り扱い、組み立て、設置がより容易になります (見落とされがちな利点)。
ゾーンへの影響には、高電圧システムの実装の容易化が含まれます。 12 V 電源システムは何十年もの間標準でしたが、ゾーン アーキテクチャではより高い電力消費と冗長性の要件をサポートするために 48 V が必要です。多くの車にはすでに 12 V および 48 V のバッテリー パックが搭載されているため、これは劇的な変更ではありません。 48 V 電源ネットは電力損失を低減し、ワイヤリング ハーネスの軽量化を実現します (図4).
次のセクションでは、ゾーン アーキテクチャの影響と、高度な DC/DC コンバータが 12 V バッテリ、さらには 48 V バッテリをどのように不要にするかを検討します。
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エンドツーエンドのコネクタ ポートフォリオは 48 V 車両電気システムのニーズを満たします
48V 配電でのパフォーマンスの向上
自律 テクノロジー車両の電気システムの刷新に対する影響力の増大
電力供給ネットワークの最適化
外部参照
Cadence Design Systems、「ゾーン アーキテクチャとは何ですか?」そしてなぜそれが自動車のサプライチェーンを一変させているのでしょうか?」
Vicor Corp.、「48V システム: 自動車メーカーが 12V に別れを告げる際に知っておくべきこと」
Vicor Corp.、「電気自動車: 48V は新しい 12V です」
Vicor Corp.、「Tesla Cybertruck では 12V の電気部品が不要になります」
TE Connectivity、「次世代自動車 E/E アーキテクチャの接続性」
インフィニオン「車載用配電システム」
Clore Automotive、「自動車バッテリーの進化」
コンチネンタル バッテリー システムズ、「自動車バッテリーの進化 – オールドテックからミックステックへ」
MDPI、「アクティブおよびパッシブセルバランシングプロセスを考慮した電気自動車のバッテリー管理システムの特性」
ResearchGate、「自動車用電力システム アーキテクチャの開発への体系的なアプローチ」
EV内部、「テスラは48ボルトシステムへの切り替えを確認」
テキサス・インスツルメンツ、「自動車におけるゾーン・アーキテクチャの利点の処理」