ハイブリッド電気自動車 (HEV) と電気自動車 (EV) を対象とするバッテリ管理システム (BMS) 内のパワー ディストリビューションは、自動車のコア機能に電力を供給すると同時に、高電圧または大電流イベントを確実に切断するメカニズムも搭載します。パワー ディストリビューション システムの 2 つのコア コンポーネントである高電圧リレーと切断ヒューズは、高電圧、大電流、高効率、信頼性のサポートに対する需要の増大に伴い、多くの設計上の課題を抱えています。図 1 に、高電圧リレーと切断ヒューズの概要を示します。

リセット不可のバッテリ切断ヒューズは、緊急時に作動して、バッテリと車両の他の部分との間の接続を切断します。高電圧リレー (コンタクタとも呼ばれます) は、通常動作時に HEV または EV 全体の電源ラインを接続および切断します。この記事では、BMS のいっそうのスマート化、安全性向上、効率向上に役立つ、コンタクタと切断ヒューズ ドライバの最新技術について解説します。

高速で信頼性の高いバッテリ切断システムの実現

衝突が発生した場合、問題や損傷がこれ以上発生することを防止するために、下流のシステムへの電力供給を切断する必要があります。現在の一般的な解決策は、溶断ヒューズとパイロ ヒューズの 2 つです。溶断ヒューズは、過電流事象の熱条件に基づいてトリガされ、これらのヒューズは工場で事前に設定されています。パイロ ヒューズが作動するには、電子ドライバが接続を切断する信号を送信する必要があります。電子ドライバは、主にディスクリート回路または従来型のエアバッグ スクイブ ドライバが使用されています。HEV と EV の各システムが大電力化を進めている現状で、パイロ ヒューズは信頼性の向上と導入の迅速化に貢献します。ただし、これらのパイロ ヒューズを駆動する一般的なソリューションは、高速な応答時間を達成しようとすると、すぐに複雑になります。国際標準化機構 (ISO) の要件である ISO26262 を満たす必要があるため、これらの設計はますます複雑になっています。

応答時間を短縮するために、DRV3901-Q1 パイロ ヒューズ ドライバには、シリアル パラレル インターフェイス (SPI) をバイパスできる 2 ピンのダイレクト ハードウェア インターフェイスが実装されています。DRV3901-Q1 ドライバは、電圧、電流、抵抗 (UIR) センサと組み合わせて使用できるので、導入をさらに迅速化できます。BQ79631-Q1 デバイスなどの UIR センサは 、ハードウェアピンを経由して DRV3901-Q1 ドライバと直接通信できるため、マイコンが不要になります。

パイロ ヒューズの最も重要な機能の 1 つは、クラッシュやその他の重大な障害が発生した場合に、システムの他の部分からバッテリの接続を切断することです。システム設計者は、パイロ ヒューズ機能が確実に作動するようにしておく必要があります。DRV3901-Q1 の内蔵診断機能は、ドライバのステータス、パイロ ヒューズの状態、バックアップ電力の可用性を監視します。バックアップ電源の可用性を監視するために、リザーバ コンデンサを測定します。このコンデンサは、バッテリからの主電源が利用できなくなった場合に、パイロヒューズ システムのバックアップ電源として機能します。このコンデンサの放電電圧を定期的にチェックすることで、 DRV3901-Q1 ドライバとマイコンはバックアップ電源の障害が処置を必要とする前に検出し、車両にアラートを送信できます。

ヒューズは、必要なときに展開することが重要ですが、ヒューズがミスファイヤしないことも同様に重要です。DRV3901-Q1 ドライバは、パイロ ヒューズが意図せず展開することを防止する安全診断機能を内蔵しています。これは、個別のハイサイド ドライバとローサイド ドライバ、ハードウェアを直接起動するための冗長ピン、シリアル ペリフェラル インターフェイス上の巡回冗長検査 (CRC) 保護など、さまざまな機能で構成されています。

車両全体のパワー ディストリビューションの改善

HEV または EV の電源ラインで最も一般的な接続は、高電圧バッテリ システムをトラクション インバータに接続するメイン コンタクタです。充電ステーションからバッテリへの接続である AC/DC 充電接触器や、室内灯やヒーターなど他の電気負荷を接続する補助コンタクタなど、他の電源レールが存在する場合があります。

コンタクタは、高電圧で大電流を供給できる機械式リレー スイッチを制御する低電圧ソレノイドです。HEV および EV 自動車のコンタクタは、より大電力のシステムを処理できるように進化しています。コンタクタの低電圧ソレノイド素子は、多くの場合、エコノマイザと呼ばれる制御回路によって駆動されます。エコノマイザ回路は、効率、信頼性、安全性に関する高度な要件を達成し、大電力条件での電力効率を改善するために、より重要かつ複雑になっています。これらの回路は、コンタクタを閉じた状態に維持するために必要な消費電流を低減するのに役立ちます。このエコノマイザは、接触器に直接統合することも、外部から追加することもできます。外部エコノマイザを必要とするコンタクタは、システム レベルの安全性を確保しようとすると、すぐに複雑になる可能性があります。

DRV3946-Q1 ドライバのような完全統合型の大電力コンタクタ ドライバは、 複雑なエコノマイザ設計を置き換えることができます。DRV3946-Q1 ドライバは、コンタクタの効率的なターンオンと安全なターンオフを可能にします。より効率的なターンオンを実現するため、 DRV3946-Q1 ドライバはピーク ホールド電流制御をプログラム可能です。 図 2 図 2 に、この機能の動作を示します。スタートアップ時に、より多くの電流を供給して、初期接続を確立できます。接続が完了した後、「ホールド」フェーズで電流をより低いレベルに下げることができます。統合されたピークおよびホールド位相をプログラムできるため、コンタクタをより堅牢で効率的に切り替えることができます。

コンタクタをオフにすることも重要です。コンタクタを迅速に切断できる能力は、接触溶接を防止するのに役立ち、何か異常が発生した場合に車両システムの他の部分に最初の防衛線を提供します。高速放電機能を備えたピーク ホールド電流制御を実装するための一般的なソリューションは、複雑な回路を必要とします。DRV3946-Q1 ドライバはこれら 2 つの機能をシングル チップに統合しており、システムの複雑さの緩和、効率と安全性の向上に役立ちます。

まとめ

コンタクタの効率と信頼性を向上させると、運転可能な走行距離の延長と HEV/EV の日常的な運転における安全性の向上につながります。パイロ ヒューズ ドライバをシングルチップ ソリューションに統合すると、バッテリ接続を切断するタイミングをよりスマートかつ迅速に決定できます。DRV3901-Q1 パイロ ヒューズ ドライバと DRV3946-Q1 コンタクタドライバを使用すると、システム設計者はよりスマートで安全な自動車を開発するための選択肢を得ることができます。