参考資料

HEV/EV 用冷暖房システムの設計方
法

Arun T. Vemuri
General Manager, Automotive Body
Electronics and Lighting
Texas Instruments
Kevin Stauder
Systems Engineer, Automotive Body
Electronics and Lighting
Texas Instruments

何十年もの間、内燃エンジン (ICE) は車だけでなく冷暖房システムをも動かしています。自動車産業の電動化が進み、小型燃焼エンジンを搭載したハイブリッド電気自動車 (HEV) やエンジン無搭載の完
全電気自動車 (EV) への移行が進むにつれて、暖房、換気、空調(HVAC) システムはどのような仕組みになっていくのでしょうか。
冷房の場合は、送風機からの空気が蒸発器に流れ込み、そこのホワイトペーパーでは、48V、400V、または 800V のこで冷媒によって空気が冷やされます。次に、エンジンによりHEV/EV に搭載される新しい冷暖房制御モジュールについて駆動される空調 (AC) コンプレッサによって冷媒が圧縮され、説明します。その次に、これらのモジュールに固有のサブシス蒸発器から排出されます。

テムについて、システム図と例を交えて説明します。最後に、貴社の実装計画の着手に役立つよう、これらのサブシステム同様に、暖房の場合は、エンジンにより生成された熱が冷却の機能的なソリューションを改めて説明します。

剤に送られます。この温かい冷却材がヒーターの中心部に流れ込んで空気を温め、温められた空気がキャビンに吹き込ま

HVAC システムの燃焼エンジンの仕組みれます。このように、エンジンは車のキャビンの冷暖房においICE を搭載した車では、エンジンが冷暖房システムの基盤とて基本的な役割を果たしています。

なっています。図 1 に、この概念を示します。

図 1. エンジンは ICE 車の冷暖房システムにおいて基本的な役割を果たしている

1. ブラシレス DC (BLDC) モーターは、エンジンに代わってHEV/EV における冷暖房の仕組み

2. 正温度係数 (PTC) ヒーター、または代替となるヒート・ポAC コンプレッサを回転させる DC モーターの一種です。
ンプは、エンジンではなく冷却剤を加熱します。

HEV/EV で燃焼エンジンの小型化や省略化を図るためには、
図 2 に示すように、HVAC システムで重要な役割を果たす 2つの部品を別途導入する必要があります。

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図 2. HEV/EV の冷暖房システム

さらに、図 3 および 図 4 では、両方の制御モジュールにおける残りのサブシステム間の類似点も示しています。どちらのシこれらの部品を除けば、冷暖房システムのインフラの残りのステムにも、電源サブシステム、ゲート・ドライバ・バイアス電部分は ICE 搭載車と同じです。前述のように、BLDC モータ源、マイクロコントローラ (MCU)、通信インターフェイス、およーと PTC ヒーターまたはヒート・ポンプは、エンジンがない場び温度 / 電流監視機能が組み込まれています。

合に必要であり、消費電力、モーターと抵抗ヒーターの制御、および HVAC 全体の制御において別の課題をもたらします。

通信用のトランシーバや電流測定用の増幅器など、これらの制御モジュールで使用されるサブシステムの多くは、他の冷BLDC モーターと PTC ヒーターを制御する電子機器

暖房制御モジュールで使用されているサブシステムと同様で高電圧 HEV/EV では、BLDC モーターと PTC ヒーターの両ムは、車の冷暖房システムにおけるこれらの制御モジュール方で高電圧電力が使用されます。AC コンプレッサは 10kWに固有のものです。これらのサブシステムは高電圧ドメインへもの電力を必要とする場合があり、一方で PTC ヒーターはのインターフェイスだけでなく低電圧ドメインへのインターフェ5kW もの電力を消費する場合があります。

イスにもなっています。

図 3 および 図 4 はそれぞれ、AC コンプレッサの BLDC 制

この後このホワイトペーパーでは、これらのサブシステムに使御モジュールと PTC ヒーター制御モジュールのブロック図で用される回路トポロジの機能ブロック図について説明します。

す。これらのブロック図が示すように、どちらも AC コンプレッ

回路トポロジの選択にあたっては、サブシステムの機能性だ

サの BLDC モーターと PTC ヒーターが高電圧バッテリからけでなく、効率、電力密度、電磁干渉 (EMI) といったシステム電力を供給されていることがわかります。また、これらのモジ設計上の要件も達成する必要があることに注意してください。

す。ただし、電源サブシステムとゲート・ドライバ・サブシステ

ュールではどちらも、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT) と対応するゲート・ドライバを使用して、BLDC モータ
ーと PTC ヒーターへの電力を制御しています。

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図 3. 高電圧 AC コンプレッサの BLDC モーター制御モジュールのブロック図

図 4. 高電圧 PTC ヒーター制御モジュールのブロック図

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ヒート・ポンプが反転します。また、冷媒の流れを調整するためにシステムキャビンの暖房にハイパワー PTC ヒーターを使用する代わりに他のバルブを設けることもできます。ヒート・ポンプのバルブに、図 5 のように冷却回路をヒート・ポンプとして使用することはステッパ・モーターなどを使用して制御します。

もできます。このモードでは、反転バルブによって冷媒の流れ

図 5. ヒート・ポンプ・システム

図 5 から、ヒート・ポンプ・システムでも前述の AC コンプレッサ・モジュールが使用されると推測できます。また、ヒート・ポ

ヒート・ポンプに基づく冷暖房システムでは、次のタイプのバンプ・システムでもバルブの駆動にモーター・ドライバ・モジュルブが使用されます。

ールが使用されます。このため、冷媒の流れを得るためにバ• 膨張弁は、冷媒の流れを制御します。膨張弁により、液化ルブを駆動しなければならないという設計上の課題が新たに装置内で液化した高圧の冷媒が蒸発器内で低圧の冷媒生じます。

へと気化する変化が促進されます。電子式膨張弁は通常、特にステッパ・モーターを使用して膨張弁を制御する

図 6 は、バルブの駆動に使用されるモーター・ドライバ・モジ

場合に、負荷の変化に対してより高速かつ正確に応答すュールの標準的なブロック図を示しています。この図はステッるという利点を持ち、冷媒の流れをより正確に制御しまパ・モーター・ドライバを示しています。モーターがブラシ付きす。

DC モーターの場合、このブロック図ではブラシ付き DC モー
ター・ドライバがステッパ・モーター・ドライバの代わりになりま• 遮断弁および逆転弁は、冷媒の方向または経路を変更すす。モーター・ドライバ・モジュールの設計では、電力密度とるもので、暖房と冷房のどちらのモードでも一部の要素のEMI が要件に含まれます。

反転サイクルとバイパスを可能にします。遮断弁や逆転弁はソレノイド・ドライバでもブラシ付き DC モーターでも制御できます。

図 6. ステッパ・モーター・ドライバのブロック図

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HVAC 制御モジュール

圧バッテリの接続および切断に使用されます。ブロック図に

図 7 は、HVAC 制御モジュールの標準的なブロック図です。

は、ダンパ・モーター制御、霜取りヒーター、通信インターフェ

HVAC 制御モジュールは高電圧接触器を制御します。これら

イス、および電源サブシステムも示されています。の接触器は、BLDC モーターと PTC ヒーターに対する高電図 7. HVAC 制御モジュール

高電圧バッテリーの加熱と冷却に関する注意：
周囲温度によっては、高電圧バッテリの加熱または冷却が必要になる場合があります。これは、キャビンの冷暖房を行うのと同じシステムを使用して達成することが可能です。または、別のヒーターを使用して、バッテリに流入する冷却剤を加熱することもできます。この冷却剤は、低温でバッテリを加熱するために使用されていますが、バッテリから熱を抽出し、その熱を交換器に送ってキャビンの空気を加熱することもできます。こうしたシステムでは、ステッパ・モーターが追加のバルブを制御し、バッテリと熱交換器の配管に冷却剤を送ります。

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独自の HVAC サブシステムの標準的な機能ブロッ
ク図

電源

すでに説明したように、HEV/EV の新しい冷暖房システムで力を大量に消費する冷暖房サブシステムが存在します。ただ追加される制御モジュールには、これらの制御モジュールにし、モジュール内の残りのサブシステムである MCU、ゲート・固有のサブシステムとして、冷媒の流れの制御に使用されるドライバ、温度センサ、その他の回路などは、通常は低電力電源、ゲート・ドライバ、ステッパ・モーター・バルブ・ドライバなです。

HEV/EV では、BLDC モーターや PTC ヒーターといった、電どが含まれます。

標準的なアプローチとしては、図 8 示すように、電力を大量にこのセクションでは、高電圧 AC コンプレッサと PTC ヒーター消費する負荷には利用可能な高電圧 (800V、400V、または制御モジュールにおける、これらのサブシステムの回路トポロ

48V) から直接電力を供給し、基板上の回路には 12V レール

ジの標準的な機能ブロック図について説明します。これらのトから電力を供給します。

ポロジでは、HEV/EV の絶縁バリアや EMI といった独自の課題に対処する必要があります。これについては次のセクションで説明します。

図 8. 12V レールから制御モジュールの回路への電力供給

ずしも感電に対する保護として機能せずにシステムが正常に機能する絶縁) が使用される可能性が最も高くなります。

48V システムでは、スタータ / ジェネレータやトラクション・インバータなどの重要なシステムにおいて、通常は 12V レールと絶縁バリアはシステムの入力側にも出力側にも配置すること

48V レールからの電源間に O リングが必要になります。冷暖が可能です。図 8 はシステムの入力側での絶縁バリアを示し

房サブシステムでは多くの場合、この O リングは必要ありまています。ここでは、システム部品のほとんどを高電圧側に配せん。

置しています。この場合は、12V 電源と通信インターフェイスに絶縁部品が必要です。対照的に、絶縁バリアをシステムの図 8 では絶縁バリアも示しています。800V や 400V などの出力側に配置する場合は、回路部品のほとんどを低電圧側

高電圧システムでは、12V 側と高電圧側の間で常に絶縁がに配置する必要があります。この場合は、図 9 に示すように必要です。ただし、48V の車では対策はそれほど直接的ではモジュールで絶縁ゲート・ドライバを使用してトランジスタを駆ありません。電圧が低いため、車の 12V システムと 48V シス動します。

テムの間で電気的な絶縁を必要としない場合があります。実用上は、12V ドメインと 48V ドメインの間で機能的な絶縁 (必HEV/EV 用冷暖房システムの設計方法

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図 9. 12V レールから制御モジュールの回路への電力供給

コンプレッサ向けの自動車用高電圧高電力モーター・ドライバのリファレンス・デザインでは、LM5160-Q1 絶縁型フライバックブースト・コンバータを使用した例を示しています。このコンバータは、16V をゲート・ドライバに、3.3V (低ドロップアウト・レギュレータの後では 5.5V) を MCU、オペアンプ、その他すべてのロジック部品に供給します。このアプローチは比較的シンプルでコンパクトであり (単一のコンバータとトランスを使用して両方の電圧を生成)、優れたパフォーマンスをもたらします。

ゲート・ドライバ
インバータ・ステージのトランジスタの駆動には 3 相ブリッジ・ドライバ集積回路 (IC) を使用できます。ただし、駆動の強度が弱いため (500mA 未満)、3 相ブリッジ・ドライバ・ソリューシ
ョンでは通常、電流ブースタとして機能するバッファが別途必要になります。これは部品の追加を意味し、コストの増加、プリント回路基板 (PCB) の大型化、EMI のリスクによるパフォーマンスの低下、および、理想的でない PCB レイアウトに起因するシステム全体の伝搬遅延の増加につながります。
トランジスタのスイッチング損失を最小限に抑え、EMI を低減してシステム効率を高められるようにするには、図 10 に示す
ように、UCC27712-Q1 などのハーフブリッジ・ゲート・ドライバを使用してインバータ・ステージの各相を駆動することを検図 10. 3 つのハーフブリッジ・ゲート・ドライバを使用したインバータ・ステージの駆動討してください。

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ゲート・ドライバ側から見ると、EMI には多くの場合、ゲートのまとめオーバーシュートが伴います。図 10 に示すハーフブリッジ・HEV/EV の高電圧化による新しい HVAC 制御モジュールのゲート・ドライバによるアプローチでは、余分な部品を除去し導入により、電源遮断、EMI、マイクロステップ中のストールとやすくなり、PCB レイアウトの複雑さが軽減されます。これいった新たな課題が生じています。絶縁型フライバック・ブーは、ドライバをトランジスタのごく近くに配置できると同時に、ススト・コンバータ、ゲート・ドライバ、ステッパ・モーター・ドライバ

イッチ・ノードを最小限の領域に制限できるためです。こうしたなどの製品による標準的な回路トポロジーを活用することで、工夫により、EMI の問題が少なくなります。また、IC で大きなICE から HEV/EV の HVAC システムへの移行をスムーズにソース電流とシンク電流を実現できるため、ハーフブリッジ・ゲ進めることができます。

ート・ドライバはゲート駆動電流を増幅するための外部ブースタ・ステージを必要としません。ハーフブリッジ・ドライバは通常、インターロック機能とデッドタイム機能を実装しており、両方の出力が同時にオンになるのを防ぐことでハーフブリッジをシュートスルーから保護し、トランジスタを効果的に駆動するための十分な余裕を提供します。

HVAC の設計の開始にあたっては、テキサス・インスツルメン
ツの HVAC コンプレッサ・モジュール、または HVAC 制御モジュール ・システムの概要をご覧ください。HEV/EV 向けの製品および設計に関するリソースについては、テキサス・インス
ツルメンツのハイブリッド / 電気 / パワートレイン・システムをご覧ください。

ステッパ・モーター・ドライバ
ステッパ・モーター・ドライバがヒート・ポンプ・システムのバルブを駆動している場合に、ステッパ・モーター・ドライバに備えるべき重要な機能として、ストール検出があります。これはドライバ電子回路の機能で、特にモーターがマイクロステップ駆動されている場合に、機械的なブロックにぶつかったためにモーターが停止したことを検出します。マイクロステッピングは非常に正確なバルブ位置制御を実現できます。
モーター・コイルはパルス幅変調 (PWM) 信号によって駆動されるため、EMI が問題になります。ステッパ・モーター・ドライ
バには負荷トルクを駆動する機能も必要です。
DRV8889-Q1 などのデバイスには、マイクロステッピング中のストール検出に役立つモーター電流検出回路や高度な回路が組み込まれています。また、DRV8889-Q1 には EMI の軽減に役立つプログラマブル・スルーレート制御技術やスペクトラム拡散技術も組み込まれています。

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