インフィニオンおよびイートロンテクノロジーズと次世代AIバッテリーマネジメントシステムを探る

はじめに

最新の電気自動車（EV）アーキテクチャは、異なる性能と効率要件に対応するため、400Vと800Vの両方のシステムを組み込み、細部まで細心の注意を払って設計されています。これらのシステムの中心には、電気エネルギーを貯蔵・放出する電気化学セルの複雑な配列であるバッテリーパックがあり、EVの推進力と航続距離のための動力源となっている。

バッテリーの基礎知識

最も基本的なレベルでは、バッテリーパックをバッテリーセルまで分解することで、これらの基本的な電気化学ユニットがどのように電気エネルギーを貯蔵・放出するかがわかる。直列に接続された複数のバッテリーセルが1つのユニットに組み合わされ、中間レベルのエネルギー貯蔵として機能するモジュールを形成する。最後に、通常は直列に接続された複数のモジュールが、完全なバッテリーパックを形成する。パックの構成は、EVに必要なエネルギー（kWh）と電力（kW）に応じて選択される。パック全体の容量（アンペア時、Ah）は並列に接続されたセルの数の関数であるが、パックの総電圧は直列に接続されたモジュールによって決定される。図1はこの概念を視覚的に示している。

図1-最新のEVにおけるセルからモジュール、バッテリーパックまでのセル接続の概要。

個々のセルの化学的性質、容量、電圧はさまざまです。図1に示すように、これらのセルを並列に接続することで、合計容量（Ah）が増加し、同じ電圧レベルを維持しながら、より高いエネルギー予備を提供することができます。この構成は、利用可能な総アンペア時間を増やすことで、EVの動作範囲を広げるのに有益です。

イートロンテクノロジーズは効率的にバッテリーパック構成を管理するために一括スーパーセルモデルアプローチ（図2）を採用した。このアプローチは、並列接続されたセル群をスーパーセルという一つの実体として扱うことで、複雑な構造を単純化する。イートロンがスーパーセルモデルを使用することで、各スーパーセルの状態に対する詳細な洞察を提供し、AI機能を可能にする。

図2 - 一括スーパーセルコンセプト。

バッテリー管理システムの基本

高度なバッテリー管理システム（BMS）は、性能と寿命を最適化するためにバッテリーパックの状態、温度、健全性を監視します。BMSは、パック内の各セルが安全かつ効率的な動作範囲内で動作することを保証し、充放電サイクル中にセルのバランスを取ってパック全体の健全性を維持します。以下の図3は、インフィニオン・ハードウェアをベースとしたバッテリー管理システムの簡略化された概要を示しています。

図3-BMSソリューションの簡略ブロック図。

この概念実証では、Neutron ControlのECU8ベースのデモンストレーターを開発のためのハードウェア・リファレンス・プラットフォームとして使用しました。コンポーネントの一部を以下に説明する。

並列処理ユニット（PPU）と一般的な車載インターフェース（CAN、LIN、イーサネットなど）を統合したAURIX™ TC4xマイクロコントローラ（MCU）は、高度なBMSソリューションに最適な演算、周辺機器、安全サポートを備えています。AURIX™ TC4xの統合並列処理ユニット（PPU）ハードウェアアクセラレータは、典型的な電気化学PP-p2D電池モデルやニューラルネットワークのエッジベースのリアルタイム実行を可能にし、TriCore™スカラー実装と比較して最大20倍の高速化を実現します。従来のMCUが直面していたスケーラビリティと計算量の課題に対処し、複雑なAIアルゴリズムのオンザフライで効率的な並列処理と実行を可能にします。ISO 26262準拠のASIL-DコンプライアンスとISO 21434認定のセキュリティ機能を備えたこのMCUは、現在および将来のBMS実装のための最適なソリューションです。

TLE9012DQUは、セル電圧測定、温度測定、セル・バランシング、メイン・バッテリ・コントローラとの絶縁通信という4つの主要機能を備えたマルチチャネル（最大12セル直列）バッテリ・モニタリング/バランシングICです。このデバイスは、ノイズの多い条件下でクラス最高のアプリケーション信頼性と堅牢性、高精度（はんだドリフトを含む25℃で±0.2mV）、ASIL-DレベルまでのISO 26262 Safety Element out of Context（SEooC）機能を達成し、これらはすべてBMS環境にとって理想的な機能です。独立した16ビットΔΣアナログ・デジタル・コンバータ（ADC）を搭載したTLE9012DQUは、各セルの同期測定を可能にし、その性能を最大限に引き出し、安全なバッテリー動作を保証します。このICのもう1つのユニークな点は、負温度係数（NTC）センサへの直接接続をサポートする電流源を内蔵していることです。TLE9012DQUは、機能アップグレードのためのスケーラビリティを可能にするマルチチャネル・バッテリ・モニタリングICファミリの1デバイスに過ぎません（例：
TLE9016DQKまたはTLE9018DQK、それぞれ16チャネルおよび18チャネル）。

TLE9015DQUは、TLE9012DQUと共に開発された絶縁型(iso)UART通信ICで、デイジーチェーンアーキテクチャを可能にする容量性絶縁または誘導性絶縁のいずれかで動作します。このデバイスは、ホストマイクロコントローラとのシリアル通信用にデュアルUARTポートを提供し、バッテリパック内のデイジーチェーン通信用にデュアルiso UARTポートを提供します。最大2Mビット/秒の通信速度をサポートし、リング・モード/トポロジーではデイジーチェーンに必要なデバイスは1つだけです。安定した容量性絶縁通信は様々なテストで確認されており、リング・トポロジーによる機能的冗長性を提供しながら、絶縁通信の最低コストを実現します。

高精度シグマデルタADC（16～20ビット）を搭載したPSoC™ 4 高電圧（HV）プレシジョンアナログ（PA）デバイスは、AIベースのBMSソリューションなどの高度なアプリケーション向けに、高精度で正確なバッテリモニタリング（シャントによる電流センシングなど）を提供します。プログラマブル・システム・オン・チップ（PSoC™）MCUは、TLE9012DQUバッテリ・モニタリングおよびセル・バランシングICと同じデイジーチェーンで通信することにより、他のBMSデバイスとの同期をサポートします。また、PSoC™ 4 HV PA のプログラマビリティにより、パックモニタ、コンタクトモニタ、絶縁抵抗、パイロヒューズ駆動などの追加機能を 1 つの IC に統合できます。

イートロンのAI-ISLソフトウェアソリューションは、リアルタイムの高度なバッテリー保護および予測AI機能を可能にするインフィニオンのフルBMSハードウェアと相乗効果を発揮します。図4はAUTOSAR環境におけるBMSスタックの異なるコンポーネントを強調する高電圧BMSソフトウェアアーキテクチャの例を示す。アプリケーションソフトウエア層では、ISLソフトウエア（緑色でハイライト）が従来のBMS機能、ハードウエア抽象化のための基本ソフトウエア（BSW）、ランタイム環境（RTE）と統合されています。

図4 - 最新のBMSソフトウェア・スタックの概要。