プロジェクトの背景

48Vライトハイブリッドシステムは、車両電化の重要な移行ソリューションであり、効果的に車両全体の燃料消費を10-15%削減し、同時にCO₂排出量を削減することができる。国際的に有名な自動車部品Tier 1サプライヤー（Tier 1）は、欧州の多くの主流自動車会社向けに新世代の48V BMSモジュールを開発しており、高精度、高信頼性の電流検出ソリューションを必要としている。

システム仕様の要件：

• 測定範囲：±250Aの双方向電流
• 測定精度：全温度範囲で±1%以上
• 動作温度：-40°C～+85°C（保管温度：-40°C～+125°C）
• 耐用年数：15年／30万キロメートル
• 認証要件：AEC-Q200自動車グレード認証

直面する技術的課題

1.広い温度範囲の精度を維持

自動車用途の周囲温度は、北欧の冬場は-40℃、夏場のエンジンルーム内は85℃以上と大きく変化します。従来の銅マンガン合金シャントの温度係数は±100ppm/℃程度であり、125℃の温度変化範囲では抵抗値が最大1.25%変化し、±1%の精度要求を満足することができません。

2.ワイドダイナミックレンジ測定

アイドリングストップ時のバッテリーの自己放電は数十ミリアンペアであるのに対し、急加速時やエネルギー回収時の電流は200～250Aに達する。

3.電力損失と放熱

大電流時のシャントの電力損失は熱に変換される。信号の振幅を良くするために抵抗値を大きくすると電力損失が大きくなり、抵抗値が小さすぎるとノイズの影響を受けやすい弱い信号になる。両者のバランスを取る必要がある。

4.車両レベルの信頼性

車載環境は過酷であり、シャントは機械的振動、温度衝撃、湿度、熱サイクルに耐え、15年の耐用年数にわたって安定した性能を維持する必要がある。製品はAEC-Q200やその他の車載グレードの認証試験に合格する必要があります。

テクニカル・ソリューション

1.シャントのサイジングと設計

詳細な技術分析と比較試験の結果、最終的に定格電流300AのFL-U型200μΩシャントが選ばれた（最大動作電流250Aには20%のマージンを残した）。主なパラメータ

• 抵抗値：200μΩ±0.5%
• 定格電圧降下：60mV @300A
• 温度係数（TCR）：<25ppm>
• 熱電ポテンシャル（EMF）：<3µV/°C
• 長期的な安定性：<50ppm>

250Aの全負荷電流で、シャントは12.5Wの電力損失で両端に50mVの信号を生成する。この信号振幅は十分なS/N比を確保し、消費電力は許容範囲内である。

2.材料とプロセス

シャント抵抗器本体は、厳選された高純度マンガン銅合金（Cu-Mn-Ni）で作られており、温度係数と熱電位が非常に低く、精密シャントに適した材料です。抵抗器本体と銅端子は電子ビーム溶接プロセスで溶接され、溶接シームの強度が高く、熱影響部が小さく、長時間の熱サイクルでも誤溶接やクラックが発生しません。

3.四端子（ケルビン）接続設計

標準的な四端子測定方式を採用し、電流回路（C+、C-）と電圧測定回路（S+、S-）を完全に分離しています。電圧サンプリングポイントは抵抗器本体内部に設定され、リード線抵抗や接触抵抗による測定精度への影響を効果的に排除し、測定精度を0.1%以上向上させました。

4.コンパクトな構造設計

U字型構造設計を採用し、外形寸法はわずか35mm×15mm×8mmで、コンパクトなBMSモジュールにレイアウトしやすい。シャントは負バッテリー母線に直接接続され、大電流経路を短縮し、接触抵抗とEMCリスクを低減します。

システムの統合とテスト

このシャントは、TI の高精度電流センス・アンプ INA240-Q1 と組み合わせて使用します：

• ゲインオプション：20V/V、50V/V、100V/V、200V/V
• コモンモード電圧範囲：-4V～+80V
• オフセット電圧：±25µV（最大）
• ゲインエラー：±0.2%（最大）
• 帯域幅：400kHz

システムは厳密な検証テストを受けている：

• 温度サイクル試験：-40℃↔+125℃、1000サイクル
• 高温動作寿命： +125℃、1000時間
• 温湿度サイクル：+85℃/85%RH、1000時間
• 機械振動: ISO 16750-3に準拠した10-500 Hz。
• 機械的衝撃：50g/11ms
• 塩水噴霧試験：96時間

プロジェクト結果

• 精度の指標：システム電流測定精度は、-40℃～+85℃の全温度範囲で±0.8%と、設計目標の±1%を上回る。
• SoCの精度：高精度クーロンカウンティングに基づき、SoC（充電状態）推定精度を±3%に改善。
• 信頼性：製品はAEC-Q200自動車グレードの信頼性テストに合格しており、PPAP文書も完備している。
• バルク供給：2023年に量産開始、これまでに80万台以上を納入
• 顧客からの評価多くの有名な欧州車ブランドの48Vライトハイブリッドモデルに採用され、高い評価を得ている。

技術パラメータの概要