バッテリー寿命が長くなると、システムパフォーマンスの向上、動作時間の延長、コストの削減など、さまざまな効果が得られます。バッテリー寿命を延ばす方法の1つは、回路設計を最適化して、負荷に到達する前に電力が流れるデバイスの数を制限することです。この記事では、PassThru™ テクノロジーがエネルギー貯蔵システムの寿命を延ばし、効率を高めるのにどのように役立つかを説明します。
導入
バッテリー寿命を延ばすということは、システムのパフォーマンスを向上させ、動作時間を長くし、コストを削減することを意味します。通常、これを実現する3つの方法は、バッテリー技術の改善、より優れたデバイスの設計、エネルギー管理システムの革新です。バッテリー技術の向上には、特定の用途に適したバッテリーの選択と、充電の制御、温度の調整、損失の最小化を行う適切なバッテリー管理システムの設計が含まれます。より優れたデバイスを設計するには、効率的なハードウェア コンポーネントと堅牢なファームウェアを考慮する必要があります。これらはどちらも、機能性と寿命の最適なバランスを実現するために必要です。エネルギー消費をインテリジェントに最適化するには、AIベースのアルゴリズム、新しいトポロジ、PassThruモードや省電力モードなどの効率的なコンバータ制御方法を採用した最新の電力管理システムを活用できます。
スーパーキャパシタを理解する
スーパーキャパシタなどのエネルギー貯蔵デバイスをバッテリーと一緒に使用すると、さまざまな使用例でメリットが得られます。利点としては、短時間の電力バーストのための急速充電と放電、寿命の延長、全体的なシステム効率の向上などが挙げられます。たとえば、スーパーキャパシタは、エネルギーを素早く蓄積し、バックアップ電源を供給するのに最適です。極端な温度や条件にも耐えることができます。電気自動車のようにバッテリーと組み合わせると、スーパーキャパシタは性能を向上させ、バッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。さらに、スーパーキャパシタは環境にも優しいです。
図1. 0.5 A負荷での24 VスーパーキャパシタとLi-Poバッテリーの一般的な放電特性の比較。
図1は、スーパーキャパシタとバッテリーの違いを示しています。同じ定格電圧の6セル、0.1 Ah、Li-Poバッテリーは、動作全体にわたってより安定した電圧を提供するため、電圧源の特性を示します。対照的に、2ファラッドのスーパーキャパシタから負荷に電流が流れると、電圧は直線的に低下します。そして、スーパーキャパシタのこの線形放電特性には、エネルギーを変換するためのより効率的なシステムが必要です。入力電圧が出力電圧設定を下回っているか上回っているかに関係なく、出力電圧を適切に調整できるため、昇降圧コンバータの機能が最も適している場合です。
PassThruモードとは何ですか?
PassThruテクノロジーは、幅広い入力を必要とするデバイスにとって不可欠な機能です。これにより、従来の制御 (標準のバックブースト コントローラー) を使用するシステムと比較して、効率が向上し、エネルギー貯蔵システムの寿命が延びます。パススルーは、事前に定義された電圧ウィンドウで、短絡したワイヤのように動作しているかのように、入力が直接出力に渡されるときに発生します。PassThruテクノロジーは、スーパーキャパシタなどの電源と負荷間のネットワークとして機能し、指定された許容範囲内での電圧調整を保証します。電源から負荷への直接パスを提供することで、デバイスが可能な限り効率的に動作することを保証します。PassThruモードは、スーパーキャパシタのロード/アンロード サイクルを削減し、EMIとデバイスの全体的なパフォーマンスを向上させるため、スーパーキャパシタ駆動のあらゆるデバイスで最適な効率を確保する上で重要な役割を果たします。
パススルーモードがエネルギー貯蔵システムの寿命を延ばす方法
4スイッチ バックブースト コンバータのPassThruモードは、図2に示すように、指定されたウィンドウ設定に従って、電源から出力負荷への直接パスを提供します。入力は直接出力に渡されます。これにより、スイッチング損失が排除され、指定されたPassThruウィンドウでの効率が向上します。また、PassThruモードではスイッチング周波数が発生しないため、電磁両立性も向上します。バックブーストコンバータのPassThruモードでは、ブースト出力電圧とは異なるバック出力電圧を設定できるオプションが提供されるため、柔軟性が向上します。これは、公称出力電圧が1つしかない一般的な昇降圧ICとは対照的です。この機能は、入力電圧が異常な動作をした場合にも負荷を保護します。PassThruテクノロジーはLT8210の動作モードであり、市場で入手可能なこの機能を備えた唯一の昇降圧コントローラICです。
図2. PassThruモードを備えた降圧昇圧コンバータ回路図。
LT8210のPassThruモードの動作を垣間見るには、データシートまたはデモ ボードの効率プロファイルを参照してください。図3は、入力電圧を4 Vから24 Vまで、負荷を10% から80% までスイープしたDC2814A-Aデモ ボードの効率プロファイルを示しています。LT8210を使用したこのデモ ボードは、4 V ～ 40 Vの入力電圧で動作し、全負荷電流は3 A、出力電圧は8 V ～ 16 Vです。PassThruモードで動作させると、昇降圧動作を基準にした場合、重い負荷では効率が最大5%、軽い負荷では効率が最大17% 向上します (10% の電流負荷など)。したがって、軽負荷の動作条件では、PassThruモードにより大幅な改善が得られます。
特に、LT8210のPassThruモードでは、降圧出力電圧とは異なる昇圧出力電圧を設定できますが、入力電圧が出力電圧設定付近にある場合、昇降圧領域が表示されます。LT8210に存在するこの降圧昇圧領域は、1つのインダクタ電流制御に関して降圧制御領域と昇圧制御領域が交差しているために発生します。
図3. DC2814A-A効率プロファイル。
PassThruモードの適用効果を理解するには、図4のシステムを検討してください。4スイッチのバックブースト コンバータは、モーター ドライバーとしても使用されるポイント オブ ロード コンバータのプリレギュレータとして使用されます。電源は24 Vスーパーキャパシタですが、DCモーターには9 Vおよび0.3 Aの入力仕様が必要です。昇降圧コンバータは、PassThruモードまたは連続導通モード (CCM) で動作する従来の4スイッチ昇降圧制御のいずれかを使用します。従来の昇降圧制御にはPassThruモードがないことに注意してください。図3に示すように、降圧、昇圧、および昇降圧動作のみを備えています。
PassThruモードを使用するシステムでは、ブースト出力電圧が12 Vに設定され、バック出力電圧が27 Vに設定されます。これにより、スーパーキャパシタの開始電圧がパス バンド制限内に収まります。5したがって、システムは24 Vから12 Vのスーパーキャパシタ電圧までPassThruモードを実行します。この間、効率は99.9% に達します。コンバータは昇降圧モードに移行し、昇圧モードに移行する前に効率が低下することに注意してください。一方、従来の昇降圧制御で動作するシステムは、16 Vの一定出力電圧で動作するように設定されています。これは、出力電圧を通過帯域制限設定の中間点付近に設定するためです。
図4. スーパーキャパシタ駆動モーターのブロック図。
図5. PassThru対応システムと従来のCCM駆動型バックブースト コンバータの効率比較。
図5は、電圧が2.7 Wで4 Vから24 Vにスイープされるときの2つの昇降圧コンバータの効率の比較を示しています。PassThruモードでは、従来の制御システムと比較して効率が22% ～ 27% 向上しました。2つのシステムの違いをさらに検証するために、ITECHのIT6010C-80-300のバッテリー エミュレーター機能を使用してテストしました。少なくとも120秒の実行時間でスーパーキャパシタの応答をエミュレートするために、開始電圧24 V、終了電圧0 V、電荷0.005 Ah、内部抵抗0.01 mΩ の設定が使用されました。図6は2つのシステムの波形を示しています。チャネル1はバッテリー エミュレータ電圧、チャネル2はモーター電圧、チャネル3はモーター電流を示します。PassThru制御システムは224秒間動作しましたが、従来制御システムは150秒しか動作しませんでした。したがって、PassThruモードを利用するシステムでは動作時間が49% 増加することが確認されました。
図6. スーパーキャパシタ駆動モーターの総動作時間。
PassThru制御システムをより効率的にするポイントをいくつか次に示します。
- パススルーモードでは降圧動作が不要
- バッテリー電圧は通過帯域内です
- スイッチング損失を重視し、軽負荷で動作するように設計されています。
結論
PassThruテクノロジーは、スーパーキャパシタを搭載したあらゆるデバイスで最適なパフォーマンスを実現するための重要なコンポーネントです。PassThruモードを備えたLT8210同期昇降圧コントローラを使用すると、従来の (CCMで動作する昇降圧) 制御システムと比較して、スーパーキャパシタ駆動デバイスの効率を大幅に最適化できます。この例では、PassThruモードにより効率が27% 向上し、システム全体の総動作時間が長くなり、エネルギー貯蔵システムの動作時間が49% 延長されました。
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