燃料電池電気自動車（FCEV）用ドライブトレインシステム

概要

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インフィニオンのパワーソリューションによる革新的な燃料電池電気自動車技術

今日、地球の気候変動が直面する2つの大きな課題に、世界的なCO2排出量の削減と、新しいタイプの自動車用一次エネルギーへの移行の成功があります。インフィニオンは、水素燃料電池技術が、純粋なバッテリーによる電気駆動を補完するものとして、将来の交通機関において重要な役割を果たすと確信しています。CO2排出量を削減するには、エネルギー産業と自動車産業ともに脱炭素化が実現することが重要です。つまり、CO2を排出するエネルギー源からの脱却、化石燃料からの脱却を始める必要があるのです。

インフィニオンは、開発者が現在および将来の環境法規制と顧客の要求を満たせるようサポートすることで、次世代の燃料電池電気自動車ドライブトレイン システムをサポートします。電気自動車の燃料電池技術の中核となるのは、水素燃料電池スタックです。インフィニオンのパワー半導体ソリューションとスマート制御ICは、システムコストの削減、電力密度の向上、アプリケーション効率の向上、モジュール設計向けのマルチターゲットの最適化を可能にします。インフィニオンは、お客様の開発プロセスの迅速化に向けて、専用のソフトウェアやデザインハウスパートナー、リファレンスデザイン、ボード、レイアウトリソースを提供しています。

製品

水素燃料は安全？

水素燃料電池電気自動車は、通常の内燃機関やバッテリーを搭載した自動車と同様、またはそれ以上に安全な自動車です。自動車メーカーは、きわめて過酷な試験条件下で、水素燃料電池車の開発とテストを何年も行い、耐用年数にわたり安全性を継続的に確保しています。水を唯一の生成物とする水素燃料電池車は、最良の場合にゼロエミッションを実現するため、CO2汚染削減の解決策として検討されている主な理由の一つです。

長い航続距離と短い燃料補給時間が必要となる場合、水素燃料電池自動車は、純粋なバッテリー駆動の電気自動車に代わる、経済的に興味深い選択肢となります。さらに、長距離トラックだけでなく、小型の配送用トラックや軽自動車にもこれは当てはまります。

燃料電池電気駆動システムの中核をなす固体高分子 型 (PEM) 水素燃料電池スタックは、水素と酸素の反応により、トラクションモーターの駆動に必要なエネルギーを生成します。さらに、加速時のピーク負荷や、ブレーキ時のエネルギー回収を行う中間貯蔵ユニットとして、リチウムベースのバッテリーが使用されています。また、燃料電池スタックをレンジエクステンダーとして使用する場合、より長い距離をカバーするために必要となる。インフィニオンのような半導体は、燃料電池自動車の構成要素としても重要であり、エネルギー変換のすべてのフェーズで重要な役割を果たします。

燃料電池電気自動車は、バッテリー駆動の電気自動車に比べ、以下のようなサブシステムが追加されています。

インフィニオンの燃料電池用電気駆動系ソリューション

燃料電池自動車は、バッテリー駆動の電気自動車を補完する技術で、CO2削減という差し迫った課題に対する解決策を提供する、賢明な選択です。しかし、将来的に水素燃料電池技術が成功するには、水素充填ステーションの普及、消費者が自動車を所有するのにかかる総費用に大きく左右されます。インフィニオンの半導体ソリューションは、グリーン水素の製造と消費において、最小限の電力損失と最大の総合効率を実現し、自動車およびエネルギー産業における水素燃料電池技術への道を切り開くのに貢献します。

以下、自動車用燃料電池技術の運用に重要な役割を果たす、個々のシステム構成要素に基づいて説明しますす。

燃料電池用電動エアコンプレッサーは、水素燃料電池のスタックに空気を送り込み、酸素を取り出して燃料電池のカソードで反応を起こさせる高効率エアコンプレッサーです。エアコンプレッサーの重要な設計パラメーターには、幅広い回転数における高い効率と動特性、コンパクト性とモジュール性、コスト、低騒音、安全性、診断、燃料電池スタックの汚染防止が必要です。  そのため CoolSiC™ MOSFETインフィニオンの製品は、スイッチング周波数が非常に高い場合でも伝導損失が非常に小さいため、このアプリケーションに特に適しています。

燃料電池用ポンプとファンは、車両のドライブトレインシステムの熱と水の管理に役立ち、燃料電池スタックのアノード側に水素を供給するために使用されます。システム構成に応じて、高電圧、24 V、または12 Vのソリューションが最も経済的な意味を持ちます。インフィニオンは、パワートレイン補助インバータ用の適切なチップセット ソリューションを幅広く提供し、これをサポートします。

燃料電池用DC/DC昇圧コンバータは、燃料電池スタックとメイントラクションインバータのDCリンク電圧および高電圧トラクションバッテリーを相互接続します。これにより、異なる電気サブネット間で広い電圧範囲にわたってエネルギーフローが可能になります。燃料電池用DC/DC昇圧コンバータの設計上の主な課題の1つは、システム全体のコストを抑えながら、可能な限り高いレベルの効率を達成することです。また、DC/DCに必要なスペースも最小限に抑える必要があります。インフィニオンのポートフォリオは、これらの設計上の障壁を容易に克服できるように特別に設計されています。

燃料電池制御ユニット (FCCU) は、燃料電池システム全体のプロセス制御を担当します。FCCUのシステム要件には、容易なカスタマイズと迅速な市場投入を可能にする高性能プロセッシングユニットの幅広いラインアップと、AUTOSARおよび機能安全のサポートが含まれます。また、これらの要件には、最先端の通信インターフェースの包括的なラインナップ、サイバー攻撃や操作に対する保護、そして容易に拡張可能であることが求められます。インフィニオンのAURIX™ 32ビット マイクロコントローラーの幅広い製品ラインアップから、エンジニアは幅広いメモリ、周辺機器セット、周波数、温度、およびパッケージオプションを選択でき、しかもすべてが複数の世代にわたって高度な互換性を持っています。

インフィニオンのソリューションは、水素燃料電池車の運転に固有のさまざまな安全装置を包含しています。インフィニオンのOPTIREG™安全電源、圧力・濃度センサー、および燃料電池監視ICは、AURIX™ MCU製品ファミリーと組み合わせて使用し、ASIL-D/SIL3までの機能安全重要アプリケーションをサポートすることが可能です。最新のAURIX™世代の製品には、セキュリティが重視されるユースケース向けにEVITA HSMフル (ECC256およびSHA2) が搭載されています。保護レベルは、インフィニオンのOPTIGA™ TPMおよびF-RAMソリューションによって柔軟に拡張することができます。

燃料電池電気自動車のトラクションインバータはバッテリー駆動の電気自動車と同様に、電気モーターを制御し、走行挙動を決定するものです。このメイン インバータでは、インフィニオンのIGBTまたはCoolSiC™ MOSFETデバイスが、バッテリーからの直流をモータを駆動するための交流に変換します。メイン インバータは、エネルギー損失を最小限に抑え、熱効率を最大化する統合PCBによって制御され、その結果、より長い走行距離を実現することができます。

高電圧トラクションバッテリーは、ピーク負荷を吸収し、さらにトラクションエネルギーを供給する役割を担っています。このプロセスは、バッテリを早期老化から保護し、バッテリ容量を最大化するために監視する必要があります。インフィニオンのソリューションにより、バッテリー管理システム（BMS）は、バッテリーの健康状態、充電状態、および放電深度を正常に監視することができます。また、システムとバッテリーパックの両方が不正に操作されるのを防止することもできます。

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トレーニング
CAVelectrification

本トレーニングでは、以下のことをご理解頂けます。

  • 商用車、建設車両、農業車両 (CAV) の市場動向である「電動化」について
  • カスタマーイネーブルメントの重要性とインフィニオンがどのようにeCAVに貢献しているか

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CoolSic technology Training

本トレーニングでは、以下のことをご理解頂けます。

  • 炭化ケイ素のMOSFET構造とその特性
  • インフィニオンのCoolSiC™ MOSFET、その特徴、典型的なトレンチMOSに対する改善点、競合他社に対する性能

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CoolSiC_journey_of_electrification
  • ターゲット アプリケーションにおけるインフィニオンの CoolSiC™ ソリューションの特長と利点、また、インフィニオンの完全にスケーラブルな CoolSiC™ ポートフォリオをご紹介し、自動車市場の変化に対応します。
  • 車載用途でSiC (炭化ケイ素) 技術の導入が進んでいる理由をご説明します。

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