車載用48Vシステム技術詳細

車載用48Vシステム技術詳細

著者｜北港南巷
出版物｜カーエレクトロニクス＆ソフトウェア

自動車産業の完全電動化に向け、48Vシステムは徐々にその重要性を明らかにし、業界の発展を牽引する重要な力となっている。 このシステムは内燃エンジン車（ICE）に適用されるだけでなく、マイルドハイブリッド車（MHEV）や純電気自動車（BEV）にも広く使用され、あらゆるタイプの自動車に大幅な性能向上と効率改善をもたらしている。 世界の自動車市場は電気自動車革命の最中にあり、 ますます厳しくなる排ガス規制に対応するため、内燃機関自動車はパワートレインを常に最適化している。 加えて、利便性と自律走行技術の開発も、自動車の電動化レベルを押し上げている。 搭載される電子機器の数が増えるにつれて、自動車に必要な電力は増加の一途をたどっており、これはバッテリー電圧の調整と、それに見合った効率的な電気システムの開発に直結している。

48Vシステムの導入は、自動車の電動化の変革における大きなマイルストーンだ。 より高い電圧プラットフォームを提供することで、車両はエネルギー損失を減らしながら、より効率的にハイパワーの電子機器を動かすことができる。 このシステムの適用は、車両性能の向上に役立つだけでなく、より環境に優しく経済的な運転体験の可能性も提供する。 技術の進歩と市場の需要により、48Vシステムは将来、車両電化の新たな標準となり、自動車業界をよりクリーンで効率的かつスマートな未来へとさらに牽引するものと期待されている。

#01
48Vコンセプトの起源

自動車産業が完全な電動化へと移行する中、48Vシステムはこの変化を推進する重要な技術となりつつある。

例えば、MHEV車では、過大なロスを発生させることなく車載48Vバッテリーとエネルギーをやり取りするための効率的なインバーター回路が必要になる。 1990年代、業界は電力需要の増加に対応して42Vシステムのコンセプトを打ち出し、2011年までにドイツの自動車メーカーは48Vを新しい標準として採用した。 この変化は、ハイブリッド車や電気自動車がエネルギー効率と性能を向上させるために、より高い電圧を使用し始めたことを意味する。 電力方程式（ワット＝電圧×電流）に基づくと、電圧を上げる方が電流を増やすよりも効率的だが、そのためには太いケーブルや大きなコネクターが必要となり、ハードウェアのコストが上昇する。

全体として、48Vシステムの導入は車両電動化のトレンドの自然な進化であり、自動車メーカーに柔軟性と効率性を提供すると同時に、将来の高電圧全電気自動車技術への道を開くものである。 技術が発展しコストが下がるにつれて、48Vシステムは自動車産業においてますます重要な役割を果たすようになると予想される。

12Vと48Vは2つの異なる電圧レベルを指す。40.44Wと5.78Wは、それぞれ12Vと48Vシステムでの電力損失である。950W負荷は950Wの負荷電力を示す。パワーハーネス5m（16ft）の長さは、ケーブルの長さが5m（16ft）であることを意味する。4AWGと10AWGは、ケーブルの太さを示すアメリカのワイヤーゲージ規格で、数字が小さいほどケーブルが太く、より多くの電流を流すことがでる。2kg（4.1ポンド）と0.24kg（0.48ポンド）は、それぞれ12Vと48Vシステム用の長さ5m（16フィート）のケーブルの重さを示す。

図に示すように、12Vシステムでは、電圧が低いため、950ワットの電力を供給するためには、より高い電流（79A）が必要となり、そのため、より太いケーブル（4AWG）が使用され、その結果、電力損失（40.44W）が大きくなり、ケーブル重量（2kgまたは4.1ポンド）が重くなる。 一方、48Vシステムでは、電圧が高いため、同じ電力（19A）を供給するために必要な電流が少なく、そのため、より細いケーブル（10AWG）を使用することができ、その結果、電力損失が少なく（5.78W）、ケーブル重量が軽く（0.24kgまたは0.48ポンド）なる。 高電圧システムにおいては、エネルギー損失を減らしながら、ケーブルのサイズと重量を減らすことが可能なのだ。

48Vシステムには多くの利点があるが、実用化には課題もある。 例えば、なぜ12Vから24Vにアップグレードしないのか、あるいはもっと高い電圧のシステムを使用しないのか。 これらの質問に対する答えは、コスト、設計の複雑さ、安全基準、業界の受容性に関連している。24Vシステムに関する議論は10年ほど前に本格化したが、設計の混乱を補うだけの正味のメリットがなく、12Vシステムと24Vシステムの共存について議論があったため、シフトは広く実施されなかった。 また、48Vを超えるシステムでは、ほとんどの地域で60Vを超える直流電圧に対する特別な安全対策が要求されるため、ユーザーの安全に対するリスクが高まる。

#02
MHEVにおける48V

下図は、マイルドハイブリッド車（MHEV）に48Vを適用する際の主なシステム変更を示している。 従来型車両とMHEV車との最も明白な違いは、48Vバッテリーの追加である。

ベルト・スターター・ジェネレーター（BSG）としても知られる電気スターターは、48ボルトのライト・ハイブリッド・システムの重要なコンポーネントである。 当初はエンジンのベルトに装着され、素早いエンジン始動を可能にするだけでなく、エンジン走行中にバッテリーを充電し、必要に応じて車両に追加のパワーサポートを提供する。

AC/DCコンバーターはこのシステムで重要な役割を果たし、スターター・ジェネレーターが発電した交流電力を直流電力に変換し、48ボルトのリチウムイオンバッテリーを充電する。 この変換はエネルギー効率を向上させるだけでなく、バッテリーが効率的にエネルギーを蓄え、放出できるようにする。

48Vリチウムイオンバッテリーは、バッテリーコントローラーと連携して、特にエアコンシステムや電動パワーステアリングのようなエネルギーを大量に消費するアプリケーションを扱う際に、車両に強力な電気的サポートを提供する。 バッテリー・コントローラーは、バッテリーの充電状態を監視・調整し、性能と寿命の最適なバランスを確保する役割を担っている。

一方、DC/DCコンバーターは、旧システムと新システムをつなぐ重要な橋渡し役である。 48ボルト・バッテリーからの電力を12ボルトに変換し、車両オリジナルの12ボルト・システムで使用する。 この変換により、車両の従来の電気系統が新しい48ボルト・システムにシームレスに統合され、動作することが保証される。

12ボルトの鉛バッテリーは使い慣れたコンポーネントで、コールドエンジン始動時にも機能し続け、車両オリジナルの12ボルト電気システムをサポートする。 その存在は、車両の信頼性と安定性を保証する。

電動スーパーチャージャーは、従来のターボチャージャーにつきもののターボラグを解消し、より迅速でレスポンスの良い加速体験を提供するために導入された。 エンジンに瞬時に推進力を与えることで車両のダイナミクスを向上させ、燃費も改善する。

全体として、これらのコンポーネントの統合は、車両のエネルギー効率と動力性能を向上させるだけでなく、スムーズで快適な乗り心地を確保し、より高度で楽しいドライビング体験を実現する。 技術の進歩が進むにつれて、48ボルトのライトハイブリッドシステムは将来の自動車の標準装備となり、自動車業界をより効率的で環境に優しい方向へと導くことが期待されている。

48ボルト・バッテリーの主な目的は、システム全体の電流を抑えながら、消費電力の大きいアプリケーションに必要な余剰電力を供給することである。 この巧妙な設計により、より小さなケーブル断面積を使用することが可能になり、4キロメートル以上の電線を使用する今日のハイエンドカーで使用される銅の量を大幅に削減することができる。 その結果、大幅な軽量化とコスト削減が実現した。 マイルド・ハイブリッドの他の大きく異なる要素は、電動スターター・ジェネレーター、電動スーパーチャージャー、DC/DCコンバーターなどの新しい48ボルト・モジュールである。 後者は単純に48ボルトのバッテリー電力を変換し、すでに車両に搭載されている12ボルトのアプリケーションをサポートする。 受動的な12V鉛バッテリーとは異なり、この48Vバッテリーはより高い重量と体積エネルギー密度を提供するために、リチウムベースとなる。

12V/48Vマイルド・ハイブリッドは、ある面では妥協の産物であるが、多くの妥協とは異なり、即座に多くの利点を提供し、コスト、利益、リターンの比率で有利なものである。 (出典：デルファイ・テクノロジーズ）

上のグラフから、48ボルトのライト・ハイブリッド・システムが、自動車技術の将来において、急速に侮れない存在になりつつあることは明らかである。 2025年までに、世界で販売される自動車の10台に1台が48ボルトのライト・ハイブリッド・テクノロジーを搭載するようになると予測されている。 この革新的なシステムは、トルクを50％以上向上させるだけでなく、自動車メーカーがますます厳しくなる燃費と排出ガス規制をクリアするのにも役立つ。

48ボルトシステムの核心は、その強力なヘビーデューティ性能にある。 このシステムは、エアコンやエンジン・ファンなど消費電力の大きいコンポーネントをサポートするよう特別に設計されている。 主要コンポーネントには、48ボルトのリチウムイオンバッテリー、AC/DCコンバーター、エンジンマネージメントコントローラーに組み込まれたハイブリッド制御ソフトウェアが含まれる。 これらのコンポーネントが連携することで、48ボルトシステムは発進時に大きなパワーをクルマに供給することができ、従来の12ボルトシステムよりも速くスムーズな加速を実現すると同時に、大幅な燃料節約を実現している。技術が進化を続け、コストが低下するにつれて、48ボルトのライト・ハイブリッド・システムは、今後数年のうちに自動車市場で主流の構成になると予想される。

この革新的な自動車用電源アーキテクチャにおいて、48ボルトバッテリーは、従来の12ボルト鉛蓄電池を補完するものとして、業界が提案する自動車規格LV148のガイドラインに従っている。 この複合バッテリー設計は、2つのバッテリー・システムを最大限に活用している。この設計コンセプトの核心は、2つのバッテリーとその配電ケーブルが連動して、さまざまなニーズに応じて電力を供給するという事実である。
下図は、12Vシステムと48Vシステムを組み合わせたもので、48Vシステムが12Vシステムを補強し、より高い電力要件をサポートする。 (出典：デルファイ・テクノロジーズ）

#03
EVにおける48V - Tesla CyberTruckの登場

テスラ・サイバートラックの登場は、その革新的な48ボルト電気システムとステア・バイ・ワイヤによって、自動車業界に大きな飛躍をもたらした。 これらの技術的進歩は、テスラが特許を取得している自動車の配線と通信方法に関する斬新な洞察によって実現した。

サイバートラックのスペックは平凡に見えるかもしれないが、これはイーロン・マスクが長年にわたって性能を誇張してきた反動だ。 実際、テスラは技術面でも期待を裏切らない。サイバートラックは、量産車初の48ボルト低電圧電気システムを搭載しており、電気アーキテクチャの大幅な改善と簡素化により、次世代電気自動車の低コスト製造への道を開いた。

テスラは、サイバートラックの配線アーキテクチャがこれまでのテスラEVよりもはるかにシンプルになると発表した。 高速通信バスに接続された複数のローカルコントローラーを使用することで、テスラは各電装部品を中央コントローラーに接続する複雑さを回避している。 分散型コントローラーを使用することで、配線の数を減らすだけでなく、電気機器の効率と性能を向上させることができる。

電動ピックアップトラックにはステア・バイ・ワイヤシステムも搭載されており、ステアリングホイールの動きをリアルタイムで伝達するために高速通信バスが必要となる。 テスラはギガビット・イーサネット・アーキテクチャの変種を使用し、パワー・オーバー・イーサネット（PoE）を使って同じデータケーブルでコンポーネントに電力を供給する。 待ち時間がわずか0.5ミリ秒のこのデータネットワークは、ステアリング信号に対する完璧な応答性と、さまざまなコントローラー間のリアルタイム通信に十分な帯域幅を提供する。

さらにテスラは最近、製造プロセスを劇的に簡素化するモジュラー配線システムの特許を取得した。 この配線システムには、EMIシールド付きのフラットなバックボーン配線や、ボディ上の導電性コーティングや接着剤などが含まれる。 このモジュラー配線システムは、ロボットによる組み立てとテスラの新しいパッケージなし車両製造工程をサポートするもので、コンポーネントを簡単に「カチッ」とはめることができる独自のコネクターを使用することで、手作業による取り付けを不要にし、製造時間とコストを大幅に削減する。

サイバートラックがこのモジュラー式配線システムを採用するかどうかは不明だが、テスラが計画している低価格モデルは、高速通信バックボーンと同様のモジュラー式配線システムのサポートを確実に必要とするだろう。 テスラによるこれらのイノベーションは、自動車技術におけるリーダーシップを示すだけでなく、電気自動車製造の未来における新たな方向性を予感させる。

48V電源システムへの移行が予想される10年から15年の間も、すぐに再設計するにはコストがかかりすぎるため、多くの車両は、これまで良好な性能を発揮してきた既存の12Vアクセサリーやサブシステムに依存し続けることになる。この移行を行うために、車両は従来の12Vワイヤーハーネスを使用することで、これらの既存のコンポーネントを引き続き使用することができる。

しかし、より現実的なアプローチは、Vicor社が開発したシステムのような分散型電力供給アーキテクチャを実装することである。 この分散システムでは、車両の48V電力はメインの400/800Vバッテリーから供給され、その後、負荷点に近い12V電力変換器に送られる。 2つ以上の独立した絶縁された電圧コンバータを使用して電力を供給することで、ブレーキ、ステアリング、その他のASIL Dセーフティ・クリティカルな機能に冗長電力を供給することができる。

48V電源アーキテクチャへの移行は、48V電源の供給源についても問題を提起する。 例えばテスラは、車両のメイン・バッテリー・パックから充電される小型の独立型リチウムイオン補助バッテリーを介して48Vバスに電力を供給することを選択した。

他のメーカーは、低インピーダンス・コンバーター、レギュレーター、スーパーキャパシターのような小型エネルギー貯蔵デバイスからなる「仮想」バッテリーを作り、48Vバッテリーを別に用意する必要がないようにすることもできる。 これにより、メイン・バッテリーが切り離されても、ドアロックなどの重要なシステムに電力が供給されるようになる。

特定のメーカーの48Vへの移行の詳細は、そのメーカーの製品、技術の成熟度、顧客のニーズによって大きく異なる。 しかし、この道を歩み始めたばかりの人はほとんど誰でも、関係するテクノロジーと設計手法の基本をしっかりと理解しておくことで恩恵を受けることができる。 これには、公称電圧DC48Vの電気システムを備えた道路交通車両の電気・電子部品の要求事項と試験をカバーするISO 21780規格の理解も含まれる。

#05
48Vシステム用部品メーカー

12V電気システムから48Vシステムへの移行において、自動車産業は12Vシステムに多大な資源とインフラを投資してきたため、移行は一朝一夕にはできない。 その代わり、48Vシステムへの移行は漸進的なプロセスとなり、48Vインフラが徐々に導入されるにつれて、新しい48Vシステムが既存の12V「レガシー」システムと並行して稼働することになる。 典型的な48Vシステムには、48Vバッテリーとバッテリー・コントローラー、モーター発電機とインバーター、電源バスと接続、必要に応じてシステム間で電力を転送できるDC/DCコンバーターなどが含まれる。

48Vシステムへの移行には、より高い電圧で動作し、自動車業界の厳しい基準を満たすことができるさまざまな新しいコンポーネントの開発が必要になる。 例えば、マイルド・ハイブリッド車には、過度のエネルギー損失なしにバッテリーからエネルギーを引き出しながら、車載の48Vバッテリーにエネルギーを供給できる高効率のインバーター回路が必要になる。 さらに、ワイヤーハーネスも、より高い電圧と電流に対応できるようにアップグレードする必要があるし、48Vで大電力をスイッチングする機器も必要になるだろう。

この移行には、ハードウェアのアップグレードだけでなく、システムの安定性と効率を確保するためのソフトウェアや制御戦略の調整も含まれる。 48Vシステムの進化と改良が進むにつれて、自動車業界をより効率的で環境に優しい方向へと牽引するとともに、ドライバーにより高度で快適な運転体験を提供することが期待される。

① 48Vバッテリー（BOSCH）

ボッシュが自動車の48Vシステム用に設計したバッテリーは、現代工学の卓越性を示している。 このバッテリーの寸法はわずか309mm x 175mm x 90mmで、カーシートの下やトランクに簡単に取り付けることができ、車内の貴重なスペースを節約することができる。

ボッシュはこの48Vリチウムイオンバッテリーセルを利用可能なオプションとして提供している。 (出典：Robert Bosch GmbH）

② 48Vウルトラキャパシタ（EATON）

高度なエネルギー貯蔵ソリューションであるイートンの48VスーパーキャパシタのXLRシリーズは、ハイブリッド車と電気自動車に新しいエネルギー管理の可能性を提供する。

③ 電解コンデンサ（Panasonic）

48ボルトシステムでは、より高い電流と電圧を使用するため、電気環境は必然的にノイズが多くなる。この課題に対応するため、パナソニックのようないくつかのメーカーが適切なソリューションを開発している。 例えば、パナソニックのハイブリッドアルミ電解コンデンサEEH-ZEシリーズは、パワーコンバータや電圧レギュレータの入出力のフィルタリング、およびバッテリからの電源のデカップリング用に特別に設計されており、車載アプリケーションに最適化されている。

④ 表面実装パワーインダクタ（Vishay）

Vishayは、革新的な技術を使用して製造されたIHLP部品で、自動車業界向けに一連の高度な表面実装パワーインダクタを開発した。 これらのインダクタは、ピンフレームに銅コイルを巻いた後、粉末状の鉄とエポキシ樹脂で封止することにより、コンパクトでありながら強力な設計を実現している。

⑤ パワーエレクトロニクス（NXP/ON Semiconductor）

48Vシステムへの移行過程において、パワーエレクトロニクス分野の開発ペースは、この移行によってもたらされる機会に対応するために加速されるであろう。主要な開発分野は、充電制御とバッテリー管理である。例えば、NXPのような企業は、最大14個のバッテリーセルの内部電流バランシングに適したMC33771Bリチウムイオンバッテリーマネージャーのような関連バッテリー管理デバイスをすでに発表している。このようなマネージャーの登場は、バッテリー管理システムがより効率的でインテリジェントなものに発展していくことを示唆している。

また、効率的なDC/DC変換技術も重要である。この技術は、高電圧バッテリー・パックからのエネルギーを低電圧電子システムに必要な電力に変換する役割を果たす。 オン・セミコンダクターは、48V DC/DC変換用に設計された3相MOSFET内蔵の80V、低Rds(on)の車載グレード・パワー・モジュールであるFTCO3V85Aなどの高集積モジュールを開発してきた。

⑥ ドライブトレイン（ST Micro/Elmos）

ドライブトレインの主要部品サプライヤーは、電気自動車の性能と効率を高めるために、ドライブトレインの主要コンポーネントを多重化するさまざまな方法を模索している。 例えば、STマイクロエレクトロニクスは、三相ブラシレスDCモーター専用に設計されたインテリジェント・パワーFETドライバーL9907を発表した。

Elmosは、24Vおよび48V車用のプログラマブル高電圧ブラシレス・モーター・コントローラーであるE523.52を発表し、異なるアプローチをとっている。

⑦ パワー・トランジスタ（Infineon / ON Seimconductor / Yageo）

48V車載用集積チェーンの下流では、インフィニオンやオン・セミコンダクターなどの企業が、電気自動車の性能と効率を高めるために最適化されたパワー・トランジスタを開発している。 インフィニオンは、OptiMOS 80V/100Vトレンチ技術とリードレスTOLLまたはTOLGパッケージを使用して、48Vアプリケーション用の基本デバイスを製造している。

一方、オン・セミコンダクターは、コンパクトなTOLLパッケージで優れた性能を発揮し、大電流48Vアプリケーションに最適な超低抵抗80V NチャネルPowerTrench MOSFETシリーズを発表した。

台湾企業であるYageoは、車載市場向けにACシリーズとASシリーズの2つの積層セラミックコンデンサを製造している。 ACシリーズの積層セラミックコンデンサは、6.3V～630Vの幅広い動作電圧と0.2pF～2.2mFの容量値を持ち、エンターテインメント、快適性、安全性、インフォテインメントなどの車載アプリケーション向けに特別に設計されている。

⑧ 新しい受動部品（TDK/Aptiv）

TDKのCeraLinkコンデンサは、リップル電流サプレッサ、DCバスコンデンサ、車載電源やインバータで発生する高速スイッチング時のバッファとして設計されており、低等価直列抵抗やインダクタが重要な新型IGBTやMOSFETに対応している。

48Vへの移行、特に比較的大電流での移行は、車両電気システムの相互接続方法の変更も必要とする。低抵抗、密閉性、耐久性、信頼性、価格はすべて、コネクタを選択する際に考慮すべき要素である。

Aptivは、大電流、高密閉コネクタのPowerPack 1000シリーズでこの市場機会に対応している。 コンパクトで組み立てが簡単、耐振動性に優れ、実績のある端子設計を採用している。

コネクター、コンデンサー、磁気部品は、これらのシステムの信頼性と機能性において重要な役割を担っており、市場はこの分野における需要の高まりに応えるべく急速に進化している。

#06
まとめ

自動車産業が完全な電動化に向かう中、48Vシステムは進歩の重要な原動力として浮上している。 このシステムは内燃エンジン車（ICE）だけでなく、マイルドハイブリッド車（MHEV）や純電気自動車（BEV）にも適用可能で、あらゆるタイプの自動車に大幅な性能向上と効率改善をもたらす。

自動車産業における48Vシステムの開発は、より高いエネルギー効率と低排出ガスという市場の要求に応えるための必然的な傾向であり、自動車技術のさらなる革新のための強固な基盤を提供するものである。 技術の成熟と市場の受容により、48Vシステムは将来、自動車電化の新たな標準となり、自動車業界をよりクリーンで効率的かつスマートな未来へとさらに牽引していくことが期待される。

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