はじめに

電気自動車 (EV) の進化は、多くの過酷な環境での信頼性の高い運転をサポートする新しい技術、増加する排出ガス規制への厳格な準拠、進化し続ける基準に適合する強化されたソリューションを必要とする、さらなる設計上の課題を生み出しています。これらの課題は、車内の快適性に対する消費者の需要の増加によって、より複雑になっています。

内燃機関 (ICE) が熱源ではないため、電気自動車 (EV) の設計者は他の暖房方法を探す必要があります。設計者が選択した暖房方法は、バッテリーの寿命と効率を最大化しながら、乗客に信頼性と安全性の高い内部快適システムを提供し、霜取り機能で視界を改善できるものでなければなりません。

ステアリングホイール、シート、パネル、センサー、ミラー、バッテリーを加熱するために使用されるシステムは、今日、ほとんどの車両モデルにおいて急速に標準装備になりつつあります。電気自動車 (EV) で、これらのシステムは、通常、快適な表面温度を提供するように設計された加熱素子および電子制御デバイスによって電力を供給されます。例えば、加熱素子の長いストリップをシートの材料の下に配置することができ、スイッチを入れると、電流が素子を加熱し、それによってシートを加熱します。

メーカーはエネルギー効率の最適化に重点を置いているため、従来の過熱保護ソリューションの置き換えを含む、効果的な「温度管理」の実装が課題となっています。

先進的なキャビンの快適性が著しく向上しているため、正確な温度測定と保護は、エネルギー効率を最適化し、発熱体が故障した場合にドライバーと乗客の安全を確保するために必要な重要な設計要素です。車両に損傷を与え、ドライバーや乗客に危害を与える可能性のある危険な短絡から保護するために、一次および二次の過熱保護が必要です。

ヒーター回路

ヒーターの設計には、電力定格、ワット密度、必要な表面温度など、考慮する必要がある要素が異なるため、幅広い選択肢があります。そのため、ヒーター回路には固定された設計はありません。温度を制御する方法も、サーモスタット制御から、温度センサー（NTC サーミスター、PTC サーミスター、RTD など）、制御 IC、スイッチング MOSFET を使用したより高度な制御まで大きく異なります。一部のヒーター設計者は、シングルブロー温度ヒューズやサーモスタットなどのバックアップ安全を提供するために、温度保護回路を使用することも選択します。これは、人体に接触する回路（シートヒーター、ハンドルヒーターなど）にとって特に重要です。このような回路の例を下図に示します。

ヒーター設計の理想的な回路アーキテクチャーが特定されていない主な理由の1つは、多くの既存のソリューションに潜在的なリスクがあることです。通常、ヒーター制御はバイメタルベースのサーモスタット、または最近では NTC サーミスターとパワー MOSFET の形で提供されます。温度センサー、制御ICおよびパワーMOSFETを使用する回路は、所定の温度レベルで回路を制御し、エネルギー効率を高めることができます。ただし、自動車アプリケーションの MOSFET は、熱不安定性のリスクがあり、最悪の場合は失敗する可能性があります。シングルブロー温度ヒューズを使用する回路は、組み立て中または現場で厄介なトリップを受ける可能性があり、交換にコストがかかることがわかります。表面実装コンポーネントの代わりに有線コンポーネントを使用すると、手の届きにくい場所で制御と保護をおこなうことができますが、手動での取り付けによるばらつきのために、組み立てと保守にコストがかかる可能性があります。

Bourns ミニブレーカーによる最適なヒーター保護

Bourns は、ほぼ20年にわたり主にノートブック PC やタブレットに使用されるリチウムイオンバッテリーパック市場向けにミニブレーカーのサーマルカットオフ (TCO) デバイスを製造してきました。Bourns ミニブレーカーはリチウムイオン保護を考慮して設計されているため、72℃～90℃ の範囲のトリップ温度を実現し、非常に小さな設置面積で実用的な保護ソリューションを提供します。過熱保護の経験を活かし、Bourns は現在、実績のある製品開発をヒーター市場に適用しています。新しい Bourns SD および AD シリーズのミニブレーカーは、55℃～150℃ の広いトリップ温度範囲で追加のヒーターアプリケーション要件を満たすことができます。これは特に、低いトリップ温度（例えば、化粧品および低/中リスクの医療用ヒーター）と高いトリップ温度（例えば、電気自動車の自動車用ヒーター）のいずれかを必要とするヒーターデバイスの範囲に適用できます。

電気自動車の暖房用途では、これらのデバイスを発熱体や電子制御システムに取り付けて、発熱体の温度を測定できます。温度がしきい値温度を超えると、Bourns ミニブレーカーデバイスがトリガーされ、電流を減らしてそれ以上の温度上昇を阻止します。その後、電源が停止するまでミニブレーカーのモードはオフ状態のままになります。これらの小型でリセッタブルなデバイスは、これまで適切なサイズや機能のソリューションがなかったヒーター回路の過熱保護に理想的なソリューションです。

ミニブレーカーのヒーター設計上の利点

Bourns SD ミニブレーカーは、フレキシブルフィルムヒーターに直接、またはヒーター制御ユニットの PCB に表面実装できます。設計が対応可能であれば、Bourns SMD ミニブレーカーをパワー MOSFET の近くに配置して、そのデバイスを保護するためにミニブレーカーを使用することもできます。AD ミニブレーカーデバイスにワイヤーを接続することも、有線ヒーターアセンブリーの保護ソリューションになります。このような小型パッケージのリセッタブルな過熱保護は、これらのアプリケーションに多くの利点を提供する新しいユニークなソリューションです。以下の図3 と図4 に例を示します。

図3 は、設計者がミニブレーカー、IC、FET、NTC およびその他のコンポーネントを含む単一パッケージを使用する方法を示しています。図4 は、ミニブレーカーと NTC サーミスターが分離された設計を示しています。保護回路にミニブレーカーを統合することで、独立した過熱保護要件を満たすことができ、ヒーター制御ユニットのサイズを縮小するのに役立ちます。Bourns の最新の AD および SD シリーズのミニブレーカーは、リチウムイオン電池アプリケーションで使用される従来の 6000 サイクルと比較して、最大 10000 サイクルに耐えることがテストされています。

効果的な EV ヒーター保護ソリューション

Bourns は実績のある一連のミニブレーカー TCO デバイスを提供しています。過熱状態から保護することが実証されています。Bourns ミニブレーカー TCO は、PTC とバイメタルスイッチという 2つの一般的な回路保護技術を組み合わせたものです。TCO の主要サプライヤーの 1つとして、Bourns は精密金属スタンピング、プラスチック射出成形およびハイエンドアセンブリープロセスを完成させ、これらのユビキタスな技術をますます効果的な保護ソリューションにしています。

図5 は、ミニブレーカーの構造の簡単な概略図です。2つの端子（アーム端子とベース端子）は、デバイスに電流が流れるように通常の閉じた位置で接続されています。両端子間の接点は、1mΩ という低い精度の接触抵抗をサポートするために重要な機能を果たします。

通常の状態では電流はアーム端子を通り、非常に低い抵抗の接点を通り、ベース端子を通ります（図6）。

ミニブレーカーデバイスは、環境温度の上昇または過剰な電流の流れによってトリガーされます。トリップ温度に達すると、バイメタルディスクが屈曲し、この動きによってアームが開きます（図7） 。バイメタルディスクによってアームが開くと、電流がバイメタルディスクを通って PTC デバイスに流れます。この電流によって PTC デバイスが電流制限ヒーターのように動作し、バイメタルディスクが屈曲してアームが開いた状態を維持するのに十分な熱を提供します。バイメタルディスクと PTC デバイスの組み合わせにより、ミニブレーカーアームの開閉が振動するのを防ぐことができます。代わりにこの設計では、より低く安全な温度レベル（ミニブレーカーの仕様下限の 40℃ から 10℃ の間）に達するまでアームが開いたままになり、その時点でアームがリセットされます。

具体的には、車載用途向けに小型サーマルカットオフデバイス「SD」および「AD」シリーズをリリースしています。ヒーター用途に最適化されたコンパクトなパッケージで、温度精度と優れたサイクル性能を提供します。これらのデバイスは、異常な過電流を定格限界までほぼ瞬時に効果的に制御します。

結論

電気自動車市場の急速な拡大が予想される中、運転者と乗員の安全は今後も最優先課題となります。また、電力密度の向上と電子回路の小型化の傾向には終わりが見えません。特に電動化においては、高精度で堅牢な温度計測システムの開発において、効果的な熱管理設計が重要な安全要素となります。

そのため、車両内のヒーターシステムの効率的な性能を確保するためには、過度な環境条件にもかかわらず、信頼性と安全性を確保するための適切な過熱保護が必要となります。AD および SD シリーズのミニブレーカーは、市場に投入されている中で最も小型の過熱保護デバイスです。Bourns 社が AEC-Q200 と同等の基準でテストした小型サイズは、限られたスペースの電子回路に最適なソリューションであり、正確な温度保護効果により、温度制御の信頼性を向上させ、安全性と効率性の向上を支援します。

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