電気自動車と電動二輪車の開発動向とソリューション

自動車の電化の進展は急速であり、この傾向は四輪車だけでなく、二輪オートバイにも積極的に電化が進んでおり、炭素排出の削減が図られています。この傾向は特に南アジアおよび東南アジアで顕著です。本記事では、電気自動車および電動二輪車の現状と動向、およびArrow Electronics、NXP、STMicroelectronicsによって導入された関連ソリューションを紹介します。

電気自動車の開発は、ヨーロッパやアメリカなどの多くの先進国で急速に進んでいます。中国では、政府や企業から多額の投資を受けています。2025年までに、中国の新エネルギー車の普及率が50%に達すると推定されています。2035年までに新エネルギー車の普及率を50%以上にするという当初の目標が、10年早く実現される可能性があります。

しかし、南アジアや東南アジアの多くの発展途上国では、アイコニックなトゥクトゥクは長らく主要な交通手段となっています。これらの二輪および三輪車は、都市内での短距離輸送に広く利用されており、手頃で柔軟な移動手段を提供しています。現在、この地域では二輪車と三輪車にも電動化のトレンドが広がっています。

報告によると、2024年2月にはインドにおける電動二輪車の登録が大幅に増加し、前年同月比で24%上昇しました。2024年2月の電動二輪車の普及率は5.7%に達し、1月の5.6%からわずかに上昇し、電動二輪車市場の持続的な成長の勢いを示しています。市場分析によれば、2030年までに二輪車の80%が電動化する可能性があります。主に、電動二輪車はガソリン車と比べて所有コストが20-70%節約できると予想されており、製造の参入障壁が低いことから多くの企業がこの市場への投資を促されています。

さらに、タイのオートバイ産業におけるオートバイの需要は依然として強く、2023年には市場の連続成長を遂げ、過去10年で3番目に良い業績を達成しました。オートバイ全体の販売台数は187万台（+4.4%）に達し、電動オートバイセグメントも低価格帯および中価格帯セグメントで力強い成長を示しています（+117.2%）。

予測によると、アジアの電動二輪車および電動三輪車市場は、それぞれ年間平均成長率 (CAGR) が30％以上および11％を超えるとされています。この電動革命はアジアに影響を与えるだけでなく、世界的に都市交通に新たな変革をもたらすことが期待されています。

電気自動車（四輪電気車両）の市場動向から、トラクションインバータは最も価値のある機能とされています。バッテリーパックの電圧は400Vから800V、あるいはそれ以上にも及び、設計は進化しており、効率と性能が市場の発展を促進する重要な要素です。

電気自動車の技術的なトレンドには、リチウムイオン電池、全固体電池、その他の新しいバッテリー技術の開発を通じてエネルギー効率を向上させることが含まれます。電気自動車の分野では、自動運転技術が積極的に開発されており、スマートコネクティビティ技術の統合により、電気自動車が他の車両、インフラ、ユーザーのスマートデバイスと相互に作用し、情報やデータを共有できるようになり、電気自動車の知能レベルをさらに向上させています。

さらに、軽量素材の使用により電気自動車の全体重量を軽減し、エネルギー利用効率を向上させることができます。そのため、将来的な傾向として、カーボンファイバーやアルミニウム合金のようなより軽量な素材の研究と応用が進んでいます。効率的なエネルギーマネジメントシステムを開発することで、電気自動車のエネルギーを最大限に活用し、走行距離を延ばし、ソフトウェアおよびハードウェア技術の革新を通じてエネルギーマネジメントシステムを最適化することができます。これらの技術動向は、電気自動車の開発を推進し、省エネルギー、知能化、安全性の面で継続的な進歩を遂げています。

一方、電動オートバイ（電動二輪車）市場では、トラクションインバーターや高速・長距離走行といった要因が市場における電動二輪車の順位を決定する主要な要素となっています。南アジア諸国の政府は、特に炭素排出量を削減するために電動二輪車の開発に注力しています。

電気自動車と同様に、バッテリー技術は電動二輪車においても重要です。将来のトレンドには、高容量、軽量、充電速度の向上、寿命の延長を備えたバッテリーの開発が含まれます。電動二輪車は自動車と比べて重量と車両構造に対する要求が厳しいため、軽量化設計が重要な開発方向となっています。これには、軽量材料の使用と車両構造の最適化を通じて、全体の重量を減少させ、エネルギー利用効率を向上させることが含まれます。

スマートテクノロジーは、スマート接続、自律運転支援システム、車両のリモートコントロールなど、電動二輪車にも広く適用されます。スマートテクノロジーのさらなる発展は、走行の安全性と利便性を向上させます。加えて、充電インフラの構築と普及は、重要な開発の方向性です。電動二輪車のエネルギー効率を改善し、電動モーターシステム、制御システムを最適化し、エネルギー利用効率を向上させて走行距離を延ばすことが重要な側面です。

電動二輪車の安全技術も継続的に進化しています。将来のトレンドには、アンチロックブレーキシステムや電子安定制御システム、衝突警告システムなど、より高度なシステムの導入が含まれます。これらの技術的トレンドは、電動二輪車の開発を推進し、省エネルギー化、インテリジェンス化、安全性の向上において継続的な進展を遂げ、消費者からますます支持を得ています。

電気自動車市場は現在急速な発展を遂げており、電気自動車の性能向上に対する需要も高まっています。設計者および自動車メーカーは、効率性とエンドユーザーの経験の改善を優先しながら、製品投入の速度を加速する必要があります。さらに、電気自動車用のトラクションインバーターを含む幅広いアプリケーションを開発するための適切なソリューションを模索する必要があり、これは間違いなく課題を呈しています。

NXP によって導入された S32K39 MCU は、S32K シリーズの新しいメンバーであり、車両および二輪車の電動化に非常に適しています。バッテリー管理、効率的なモータ駆動、急速充電、および電力網全体の負荷分散のような機能を支援できます。

S32K39 MCUシリーズは、電気自動車のトラクションインバータ制御の要件を満たすように特別に設計されています。堅牢な性能、広範な統合、信頼性の高い接続機能、高度なセキュリティ、機能安全機能など、いくつかの利点を提供します。したがって、電気自動車の正常な運転、バッテリー性能、運転体験において重要な役割を果たすトラクションインバータを正確に制御することができます。

S32K39 MCUシリーズは幅広い適用性があり、トラクションインバータ制御を超えて、バッテリーマネジメントシステム（BMS）、オンボードチャージャー（OBC）、DC/DC変換など、さまざまな電気自動車アプリケーションに使用できます。これらの情報セキュリティおよび機能安全性は従来の車載用MCUを上回り、ハードウェアイソレーション、時間敏感ネットワーキング（TSN）、高度な暗号技術などの技術をサポートし、ゾーン別車両E/Eアーキテクチャやソフトウェア定義車両に対応しています。

S32K39 MCUは、2つのトラクションインバーターを処理する能力を持つ独自の機能を備えています。これらは、4つのロックステップペアで配置された320MHzのArm® Cortex®-M7コア、2つのスプリットロックコア、2つのモーター制御コプロセッサユニット、およびデジタルシグナルプロセッサ（DSP）を装備しています。これらは、IGBTだけでなく、SiCおよびGaNパワースイッチと連携して効率を向上させ、より高いスイッチング周波数を達成するための200kHzの制御ループ2つをサポートできます。これにより、モーターのサイズ、重量、コストを削減し、走行距離を拡大します。さらに、最大6MBの組み込みフラッシュメモリと800KBのSRAMを備えています。このMCUはISO/SAE 21434認証のサイバーセキュリティとISO 26262の機能安全基準に準拠した開発プロセスを特徴としています。

NXP FS26 Safety System Basis Chip (SBC) と NXP GD3162 High-Voltage Isolated Gate Driver と組み合わせると、S32K39 MCU は ASIL D アプリケーション向けのデュアルトラクションインバータソリューションとして機能します。FS26 SBC はシステムに電力を供給し、隔離されたセキュリティモニタリングを保証します。一方、GD3162 ゲートドライバは、異なる運転条件に適応するための調整可能な動的ゲート強度を提供し、PWM デッドタイムの強制により、スイッチング損失を低減し、効率を向上させます。さらに、応答性の高いエラー保護メカニズムが存在し、NXP はエンジニアリングサンプル、評価用ボード、包括的なソフトウェアサポートおよびツールを提供しています。

FS26シリーズの自動車安全システム基盤チップは、エントリーおよびミッドレンジの安全性マイクロコントローラであるS32K3シリーズをサポートする複数の電源オプションを提供します。FS26デバイスは、パワートレイン、シャーシ、機能安全、ローエンドゲートウェイアプリケーションを含む自動車の電動化アプリケーションを対象とした他のマイクロコントローラもサポートします。

FS26は、マイクロコントローラ、センサー、周辺IC、および通信インターフェースに電力を供給するための複数のスイッチングモードレギュレータとLDO電圧レギュレータを備えています。システムのための高精度電圧リファレンスと、2つの独立した電圧トラッキングレギュレータの基準電圧を提供します。さらに、アナログマルチプレクサ、GPIO、選択可能なI/Oウェイクアップイベント、長時間タイマー、およびSPI通信など、システム制御と診断のためのさまざまな機能があります。

FS26は、ASIL BおよびASIL Dの安全性統合レベルをカバーするISO 26262規格に準拠しています。複数のフェイルセーフ出力を備えており、安全指向のシステム分割の重要な要素であり、最新のオンデマンド潜在故障監視が含まれています。

STによって導入されたSPC560ファミリーは、32ビットSystem-on-Chip (SoC)の自動車用マイクロコントローラーシリーズで、統合された自動車アプリケーションコントローラーの最新の進展を表しています。これは、特に電動油圧パワーステアリング（EHPS）および電動パワーステアリング（EPS）システム、さらに安全エアバッグアプリケーションに対処することを目的とした、自動車中心の製品の拡大ラインアップに属しています。

STDRIVE601は、BCD6sオフライン技術を使用して製造された高電圧デバイスです。3つのハーフブリッジゲートドライバを搭載した単一チップソリューションであり、三相アプリケーションにおけるNチャネルパワーMOSFETまたはIGBTに適しています。すべてのデバイス出力は、それぞれ350 mAと200 mAの電流をシンクおよびソースすることができ、相互コンダクションを防ぐためのインターロック機能とデッドタイム機能を備えています。

このデバイスは、各出力に専用の入力ピンとシャットダウンピンを備えています。ロジック入力はCMOS/TTLと互換性があり、3.3 Vまでの低電圧で動作するため、コントローラーデバイスとのインターフェースが容易です。ローサイドとハイサイドセクション間の遅延が一致しており、サイクルの歪みがなく、高周波動作が可能です。

STDRIVE601 に組み込まれているのは、デバイス内に直接統合された高度な Smart Shutdown (SmartSD) 機能を持つコンパレータです。この機能は、過電流や過温度などの故障イベントの迅速かつ効果的な防止を保証します。ロウサイドおよび各ハイサイド駆動セクションに専用の UVLO 保護を施し、電源スイッチが低効率または危険な条件で動作することを防ぎます。STDRIVE601 はブートストラップダイオードを統合し、この IC のすべての内蔵機能がアプリケーションの PCB 設計をより簡単かつコンパクトにし、資材の全体的なコストを削減します。デバイスは SO-28 パッケージで提供されており、三相モータードライブやインバーターなどのアプリケーションに適しています。

ソフトウェア実装: フィールド指向制御 (FOC) またはベクトル制御は、3相BLDCモータードライブの固定子を2つの直交成分を用いて可変周波数で制御する技術です。一方は固定子によって生成される磁束を定義し、もう一方はローターの位置によって決定されるモーターの速度により決まるトルクに対応します。

車や二輪車を含む電気自動車は、航続距離の向上や使用の利便性を高めるために、より高容量で高速充電、さらに長寿命のバッテリ技術を継続的に模索しています。また、より高度なインテリジェンスと安全性に向けて進化しており、エネルギー効率と炭素排出量削減における技術革新を強調しています。これらの進展は、市場の発展において重要な機会を提供します。本記事で紹介されている電動化ソリューションは、製造業者が関連製品の開発を加速するのを支援することができます。詳細情報については、Arrow Electronicsまでお問い合わせください。