マイルドハイブリッドEVの鍵: ベルト一体型スタータジェネレータ

著者:  Marc Bracken  - 2021-06-30 

自動車は100年以上前から内燃機関(ICE)で動いています。しかし、電気自動車(EV)の登場により、その状況が急速に変化していることに気づかないわけにはいきません。この話題は、自動車業界だけでなく、一般のニュースでも取り上げられています。

EVというと、多くの人は純粋なバッテリ式電気自動車(BEV)を思い浮かべます。しかし、EVセグメントは、MHEV(マイルドハイブリッド)、HEV(ハイブリッド)、PHEV(プラグインハイブリッド)、BEVの各バリエーションで構成されています。MHEVアーキテクチャは、自動車メーカーが既存の車両プラットフォームを変更してCO2排出量を削減しつつ、充電ステーションの有無にかかわらず長距離を走行できるという、負担の少ない方法を提供します。

ベルトスタータジェネレータ(belt starter generator、BSG)またはインテグレーテッドスタータジェネレータ(integrated starter generator、ISG)は、この急速なEV開発の一環として、特にMHEV向けに開発されました。このユニットは、ICE車のスタータモータとオルタネータの機能を効果的に組み合わせ、MHEVの実現を可能にしています。

MHEVには、従来の12Vの鉛蓄電池と48Vのリチウムイオン電池の2つの電池が搭載されています。12Vバッテリーは多くの「レガシー」システムに電力を供給し、48VバッテリはBSG/ISGによる車両の始動や電動ブースト/ドライブなどの高負荷に電力を供給します。

ICE車両にBSG/ISGを搭載すると、スタート/ストップ、惰性走行/ブレーキ時のエネルギー回収、ICEからのエネルギー生成、さらには車両によっては電気駆動(またはブースト)など、多くの追加機能が可能になります。これらの機能の中には、使用中にICEが停止した場合を除いて、MHEVが従来のICE車と異なることに運転者が気付かないほど微妙な場合があります。

BSG/ISGの機能と性能は、図1に示すように、パワートレインのどこに配置されているかによって決まります。また、その位置によって、BSG(P0または場合によってはP2)かISG(P1、場合によってはP2、P3、P4)かが決まります。

 

図1. マイルドハイブリッドスタータージェネレータのトポロジ

MHEVは、BEVのようなゼロエミッション車(ZEV)ではありませんが、ICE車に比べてCO2排出量を削減することができます。これは、大気汚染が最も深刻で、人間の健康への影響が最も大きいとされる大都市の低速交通において特に顕著です。

P0、P1に搭載した場合、機能はスタート/ストップとエネルギー回収に限定されます。P0やP1はユニットを搭載しやすい場所ですが、ICEが回転していないとエネルギー回収ができないため、排出ガスへの効果は最も低くなります。この配置では、ICEのシャットダウンアルゴリズムがあまり積極的ではないため、CO2削減量が少なくなります。

ドライブトレインのさらに後方(P2〜P4)に配置した場合、ISGが発電機として機能していれば、惰性走行やブレーキ時にエネルギー回収が可能です。ICEが停止していても、車両の動きによってリアアクスルやドライブシャフトが回転します。ISGがICEから独立したことで、より積極的なシャットダウン・アルゴリズムが可能となり、より大きなCO2削減を実現します。さらに、これらのポジションでは、電気駆動が可能です。つまり、モータとして機能しながらISGによって車両を動かすことができます。これは、スタート/ストップ時や、停止状態からICEを作動させて高速走行するまでの間の移動に有効です。

BSG/ISGの出力は、一般的に5kWから25kW以上の範囲ですが、ベルト駆動方式の場合は、高レベルのトルクと組み合わせるとベルトがスリップする可能性があるため、一般的には低レベルになります。

現在、販売されているEVのうち、MHEVは3分の1を占めています。この比率は少なくとも2026年までは安定しており、MHEVの販売台数はほぼ20%の年平均成長率で伸び続けると予想されています。

MHEVがCO2削減目標を達成するためには、高性能なBSG/ISGが不可欠です。常に電力負荷が高く、エネルギーのピークが頻繁に発生します。また、BSG/ISGは、高温やほこり、湿気にさらされる場所に設置されることもあります。これらのことを考えると、長期的に高効率で信頼性の高い、小型で軽量かつ強力なユニットを設計することが課題となります。

オン・セミコンダクターは、BSG/ISGの設計に適した先進の半導体技術を幅広く提供しています。オン・セミコンダクターの80Vおよび100VのハイパワーMOSFETは、ディスクリート・コンポーネントとして、または性能向上とデザインの簡素化を実現する車載パワーモジュール(APM17M)に組み込まれて提供されます。車載アプリケーション向けのすべてのコンポーネントは、AECQ-101認定、AQG-324認定(モジュール)、およびPPAP対応です。

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Tags:Automotive, EV charging
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