電気自動車のモーターコントロールユニットの役割

導入

電気自動車（EV）への移行は、今日の自動車産業で最も重要な傾向の1つです。消費者、政府、産業は、従来の燃焼エンジン車両の持続可能で環境に優しい代替品に向けて推進するにつれて、電気自動車が重要なソリューションとして浮上しています。 2022年に国際エネルギー機関（IEA）によると、世界の電気自動車販売は1,000万台に達し、2020年の4.3％から全世界の自動車販売の14％を占めています。EV市場は急速に成長し続けると予想されます。電気自動車の販売が2030年までに世界の自動車販売の58％を占めると推定されています（IEA、2023）。この急速な成長は、EVパワートレイン、特にモーターコントロールユニット（MCU）とそれに関連するモーター制御システムの技術的進歩によって部分的に促進されています。

モーターコントロールユニットは、電気自動車のパワートレインの重要なコンポーネントです。車両の電気モーターの「脳」として機能し、速度、トルク、および全体的な性能を制御します。このユニットは、電気モーターがバッテリーやその他の車両システムと効率的、安全に、そして調整することを保証します。このブログでは、電気自動車におけるMCUの役割をより深く掘り下げ、それがどのように機能するかを探り、最先端の技術を調べ、モーター制御システムの革新が電気輸送の未来をどのように形成しているかを調べます。

モーターコントロールユニット（MCU）とは何ですか？

aモーターコントロールユニット（MCU）電気モーターの性能を調節する電子システムです。モーターのコントローラーとして機能し、速度、トルク、方向などの主要なパラメーターを制御することにより、モーターが最適な方法で動作することを保証する責任があります。電気自動車では、MCUは、バッテリー管理システム（BMS）、再生ブレーキシステム、ドライバーインターフェイスなど、いくつかの車両システムと通信する責任があります。

高レベルでは、MCUはいくつかのコアコンポーネントで構成されています。

• パワーエレクトロニクス：パワーエレクトロニクス回路は、バッテリーから電気モーターへのエネルギーの流れを制御する責任があります。 IGBT（絶縁ゲート双極トランジスタ）やMOSFET（金属酸化酸化伝達器のフィールド効果トランジスタ）などのパワートランジスタを使用して、モーターが使用するためのDC電力を交互の電流（AC）に変換します。
• マイクロコントローラー：これは、MCUの中央処理ユニット（CPU）であり、モーター動作を決定するアルゴリズムを実行します。さまざまなセンサーから入力され、このデータを処理し、モーターパフォーマンスを調整するためにパワーエレクトロニクスにコマンドを送信します。
• 通信インターフェイス：最新のMCUは、MCU、バッテリー管理システム、再生ブレーキ、およびEV内のその他のサブシステム間の情報を中継するためのコントローラーエリアネットワーク（CAN）バスなどの通信プロトコルを使用します。

モーター制御システムには、モーター性能を調節するために必要なすべてのコンポーネントが含まれていますが、MCU自体は機能性と効率の観点からの運動挙動の重要な推進力です。ドライバーからの入力と、速度、トルク、バッテリーの充電などの要因を監視するさまざまなセンサーからのデータに基づいて動作します。

モーターコントロールユニットの種類

モーターコントロールユニット（MCU）は、制御するモーターの種類に基づいて分類されます。モーターには交互の電流（AC）または直接電流（DC）のいずれかを搭載できるため、MCUは各モータータイプの運用特性と要件を満たすために異なる設計を異なります。大まかには、モーターコントロールユニットは、ACモーターコントロールユニットとDCモーターコントロールユニットの2つの主要なカテゴリに分けることができます。各タイプ、それらの特定の機能、および電気自動車（EV）でのアプリケーションをより深く掘り下げましょう。

ACモーターコントロールユニット

ACモーターは、DCモーターと比較してより高い効率、より良いパフォーマンス、およびより長い寿命を提供する能力のために、電気自動車で一般的に使用されています。 ACモーターコントロールユニット（AC MCU）は、同期モーターと非同期（誘導）モーターを含むACモーターの動作を制御する責任があります。

ACモーターコントロールユニットの重要な機能

• DCからACへの変換：EVでは、バッテリーは直流（DC）電力を提供します。 AC MCUは、このDC電力をACモーターに必要なACに変換する必要があります。これは、MCUの重要なコンポーネントであるインバーターを使用して行われます。
• 速度とトルク制御：AC MCUは、モーターに供給されるAC電流の周波数と振幅を調整することにより、モーターの速度とトルクを制御します。これにより、車両は安定した速度を効率的に加速、減速、または維持できます。
• 再生ブレーキ：DCモーターと同様に、ACモーターは再生ブレーキを使用することもでき、AC MCUはモーターの動作の方向を逆転させて運動エネルギーを電気エネルギーに変換することでこのプロセスを制御します。
• 運動保護：AC MCUには、過電流保護、熱管理、障害検出などの組み込みの安全機能が含まれています。これらは、モーターが安全なパラメーター内で動作することを保証し、過熱、電気断層、または機械的な問題による損傷を防ぎます。

電気自動車のACモーターの種類

• 同期ACモーター：同期モーターでは、ローターはステーターの回転磁場と同じ速度で回転します。これらのモーターは、高速でより効率的であり、高性能の電気自動車でよく使用されます。
• 誘導モーター（非同期モーター）：電気自動車で使用される最も一般的なタイプである誘導モーターは、ローターに永久磁石を必要とせず、コストと複雑さを削減します。誘導モーターは堅牢性で知られており、主流のEV（多くのモデルで誘導モーターを使用するテスラによって作られたEVなど）で広く使用されています。

DCモーターコントロールユニット

ACモーターは電気自動車でより一般的に使用されていますが、DCモーターにはパフォーマンス特性が有利な特定の用途があります。 DCモーターコントロールユニット（DC MCU）は、DCモーターを制御するように設計されています。DCモーターは、特定のタイプのEVまたはより大きなEVプラットフォーム内の補助システムで見つけることができます。

DCモーターコントロールユニットの重要な機能

• 速度とトルク制御：DCモーターは、速度とトルクの点で自然に制御するのが自然に簡単です。 DC MCUは、モーターに供給された電圧を調整して、速度またはトルクを変更します。これは、PWM（パルス幅変調）またはフィールドの弱体化などの他の手法のいずれかを使用して実行できます。
• モーターの方向の逆：DCモーターは、供給された電圧の極性を交換するだけで簡単に逆転できます。 DC MCUは、電流の方向を切り替えてこれを促進し、車両がスムーズに前方または後方に移動できるようにします。
• 再生ブレーキ：ACモーターと同様に、DCモーターは再生ブレーキを使用することもできます。 DCモーターコントロールユニットは、車両の運動エネルギーがブレーキング中に電気エネルギーに変換され、バッテリーに送り返されることを保証します。
• バッテリー保護：DC MCUは、バッテリー管理システム（BMS）と組み合わせて動作し、過電流、過熱、および深部放電からバッテリーを保護します。

電気自動車のDCモーターの種類

• ブラシ付きDCモーター：これらのモーターは、一連のブラシを使用してローターに電流を供給し、モーター回転に必要な磁場を作成します。ブラシ付きDCモーターはシンプルで費用対効果が高いですが、ブラシと整流子の間の摩擦のために時間の経過とともに摩耗しています。それらは一般に、小規模または強力なEVまたは補助システム（電気スクーターなど）で使用されます。
• ブラシレスDCモーター（BLDC）：これらのモーターにはブラシがなく、代わりに電子コントローラーを使用して、ステーターの巻線の電流を切り替えます。これにより、メンテナンスが削減され、モーターの効率と寿命が向上します。ブラシレスDCモーターは、電子バイクや電気スクーターなどの小型車両を含む現代のEVで一般的に使用されています。

電気自動車におけるMCUの重要な機能

1。モーター動作制御

モーターコントロールユニットの主な役割は、電気モーターの動作を制御することです。これには、速度、トルク、方向の3つの重要なパラメーターの調節が含まれます。 MCUは、モーターが効率的に実行され、ドライバーのコマンドにリアルタイムで応答することを保証します。

• スピードコントロール：MCUは、供給された電力の電圧と周波数を調整することにより、電気モーターの速度を管理します。電圧を変化させることにより、MCUはモーターの速度を増加または低下させ、車両がスムーズに加速または減速するようにします。ドライバーのスロットル入力は、MCUの速度レギュレーションアルゴリズムに直接影響し、モーターに送信する電力の量を指示します。
• トルク制御：トルクとは、電気モーターによって生成される回転力を指します。車両が加速したり、丘を登ったり、オンデマンドを迅速に電力を供給する能力が重要です。 MCUは、車両の速度、負荷、バッテリー充電状態などの要因に基づいて、モーターのトルク出力を調整する責任があります。トルクを制御することにより、MCUは、車両が停止から始まるか、高速道路の速度で加速しているかにかかわらず、滑らかで効率的な運転を保証します。
• 方向制御：MCUはモーター回転の方向を変更し、車両が前方または逆に移動できるようにすることができます。ほとんどの電気自動車の場合、方向はモーター巻線の電気の流れを逆転させることによって制御されます。 MCUは、ドライバーからの入力に基づいて、この調整をシームレスに行います。

これらのコアモーター動作制御により、EVがさまざまな運転条件で予測可能かつ効率的に動作することを保証します。 Stop and-goの交通であろうと高速道路での巡航であろうと、MCUは電気モーターが精度と応答性でドライバーの入力に応答することを可能にします。

2。エネルギー管理

電気自動車では、運転範囲を最大化し、バッテリーの寿命を確保するために効率的なエネルギー管理が不可欠です。 MCUは、バッテリーと電気モーター間のエネルギーの流れを管理し、バッテリーを損傷から保護しながら、車両がピーク効率で動作するようにします。

• エネルギー効率：MCUは、運転条件に応じてモーターに届ける電力を調整します。モーターコントロールユニット（MCU）は、電気自動車のエネルギー効率に大きく影響します。たとえば、誘導モーター（テスラのモデルSで使用）は高効率で知られており、一部のモデルは電気エネルギーを機械的なパワーに変換するのに93〜95％の効率を達成しています。 MCUの効率は、EVSが駆動範囲を最大化するのに役立ち、適切に設計されたシステムが最適化されたソリューションと比較して最大5〜10％改善します。
• バッテリー保護：MCUは、バッテリー管理システム（BMS）と緊密に連携して、過充電、深い放電、過熱からバッテリーを保護します。バッテリーの電圧、温度、充電状態を監視することにより、MCUはバッテリーが安全な制限内で動作することを保証し、寿命を延ばします。
• バッテリー再生：MCUは、特に再生ブレーキを通じて、エネルギー再生にも役割を果たしています。ドライバーがブレーキをかけると、電気モーターが逆に動作し、運動エネルギーを電気エネルギーに戻し、バッテリーに送り返します。これにより、特定の運転条件（頻繁なストップアンドゴートラフィックを備えた都市運転など）で、全体的なエネルギー回収率を最大15〜20％増加させる可能性があります。 MCUはこのプロセスを規制し、ドライバーの入力と車両の条件に基づいてブレーキ力を調整します。再生ブレーキは、省エネの節約に貢献し、EVの運転範囲を延長します。

3。安全機能

安全性は車両メーカーと消費者の両方にとって最も重要な懸念であり、モーターコントロールユニットは、電気自動車の安全な操作を確保する上で重要な役割を果たします。 MCUは、事故、機器の故障、または重要なコンポーネントの損傷を防ぐために、電気モーターと関連システムの性能を監視する責任があります。

• 障害検出：MCUは、過熱、短絡、またはパワーエレクトロニクスの誤動作などの障害について、モーターと関連システムを継続的に監視しています。不規則性が検出された場合、MCUは、モーターをシャットダウンしたり、システムをさらなる損傷から保護する電力を制限するなどの安全メカニズムを自動的にトリガーできます。
• 過電流保護：電気モーターとバッテリーの両方に対するリスクの1つは過電流であり、電気の流れが安全なレベルを超え、過熱または損傷を引き起こす可能性があります。 MCUには、過電流条件が発生したときに検出し、モーターの出力の削減やモーターの一時的にシャットダウンするなど、是正措置を講じる保護アルゴリズムが組み込まれています。
• 熱管理：電気モーターとモーターコントロールユニットは、動作中に熱を発生させ、過度の熱はモーターと電子機器の両方に損傷を引き起こす可能性があります。 MCUは、多くの場合、液体または空冷システムを介してモーターの温度を調節し、温度が安全な動作制限内にとどまることを保証します。

4。コミュニケーションと統合

モーターコントロールユニットは単独で動作しません。これは、車両内のシステムのより大きなネットワークの一部であり、それらはすべて、効率的な動作を確保するために協力する必要があります。 MCUは他の車両システムと通信して、データを共有し、パフォーマンスを調整し、全体的な運転体験を改善します。

• バッテリー管理システム（BMS）との通信：MCUはBMSと直接通信して、バッテリーの充電と健康状態を管理します。これにより、MCUはバッテリーの現在の充電レベルに基づいてモーター性能を調整し、エネルギーが効率的に使用されるようにします。
• 車両全体の統合：最新の電気自動車には、すべてのセンサー、コントローラー、システムが装備されており、すべて一緒に作業する必要があります。 MCUは、パフォーマンスを最適化するために、再生ブレーキ、気候制御、車両安定性システムを含むさまざまなサブシステムと接続します。この統合は、すべての車両システムが調和して機能することを保証し、スムーズで効率的な運転体験を提供します。
• ユーザーインターフェイスフィードバック：モーターコントロールユニットは、車両のドライバーインターフェイスとも通信し、車両のパフォーマンスに関するリアルタイムのフィードバックを提供します。これには、モーター速度、バッテリーの充電状態、再生ブレーキの状態などの情報が含まれます。このデータは、ドライバーがエネルギーの使用と運転行動について十分な情報に基づいた決定を下すために不可欠です。

MCUがEVのパフォーマンスを強化する方法

電気自動車の性能は、モーターコントロールユニットの効率と応答性に大きく依存します。 MCUのモーターパフォーマンスを管理し、エネルギーの流れを最適化し、安全性が車両の全体的な運転体験に直接影響を与える能力。

1。効率的なエネルギー使用

モーター制御システムの主な機能は、電気モーターが効率的に動作するようにすることです。バッテリーとモーターの間の電気の流れを制御することにより、MCUはエネルギーの使用量を最大化し、車両の範囲を拡張します。たとえば、高速道路の速度で巡航するとき、MCUはモーターパワーを調整してエネルギー消費を最小限に抑えますが、停止から加速するには、必要なトルクを提供するために燃焼が必要です。

効率的なエネルギー管理は、従来の内燃焼エンジン車両よりも電気自動車の重要な利点の1つであり、燃料からのエネルギーの多くが熱として失われます。高度なモーターコントロールユニットの助けを借りて、EVSははるかに高い効率を達成でき、一部のモデルはエネルギー効率に90％を超えています。

2。スムーズな加速と減速

電気自動車は滑らかで静かな加速で知られていますが、これは主にモーターコントロールユニットの正確な制御によるものです。 MCUはモーターに供給される電力を調整し、ドライバーがアクセラレータペダルを押すと瞬時のトルクを提供します。その結果、ペダル入力と車両加速の間に遅れがないスムーズで応答性の高い乗り心地が発生します。

同様に、モーターコントロールユニットは、再生ブレーキを介してスムーズな減速を保証し、突然の衝撃や不安定性なしに適切な量のブレーキ力を提供します。これにより、特に緊急ブレーキ状況では、ドライバーの快適性と車両の安全性が向上します。

EVのモーター制御システムの将来

電気自動車技術が進化し続けるにつれて、モーターコントロールユニットはさらに高度になります。以下を含む、MCUの未来を形作るいくつかの革新が期待されています。

• ワイドバンドギャップ半導体：将来のMCUは、炭化シリコン（SIC）や窒化ガリウム（GAN）などのワイドバンドガップ半導体を取り入れている可能性があります。これにより、充電時間が短縮、パワー密度が高まり、全体的なパフォーマンスが向上します。
• 高度な制御アルゴリズム：人工知能と機械学習の台頭により、将来のMCUには、運転条件を予測し、エネルギー使用量をリアルタイムで最適化する高度なアルゴリズムが装備されている可能性があります。これにより、効率がさらに向上し、範囲が拡張され、運転体験が向上する可能性があります。
• 自律運転統合：自律運転技術が発展するにつれて、モーター制御システムは、スムーズで応答性の高い乗り心地を提供するために、車両センサー、カメラ、AI駆動型制御システムでシームレスに連携する必要があります。 MCUは、この統合において重要な役割を果たす可能性が高く、車両のモーター機能が自律システムの全体的な運転戦略と調和するようにします。

より速い充電と改善されたバッテリー管理：将来のMCUは、高速充電とより洗練されたバッテリー管理システムを管理するのに適しています。

結論

モーターコントロールユニットは電気自動車の重要なコンポーネントであり、モーターパフォーマンス、エネルギー効率、安全性、および他の車両システムとの統合の管理において極めて重要な役割を果たします。電気自動車産業が成長し続けるにつれて、モーター制御システムの重要性は増加するだけです。半導体テクノロジー、制御アルゴリズム、および自律システムの革新は、パフォーマンス、効率、安全性の改善を引き続き促進し、電気自動車体験をさらに強化します。

モーターの動作を最適化し、バッテリーの寿命を延ばし、スムーズな運転を確保する機能により、モーターコントロールユニットは次世代の電気自動車で最も重要な要素の1つであり続けます。 EVテクノロジーが進むにつれて、MCUは、持続可能で効率的で高性能輸送の新しい時代の先駆けに役立ちます。