成果報告書詳細
管理番号20160000000078
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) リチウムイオン電池システム用アクティブ・バランサICの技術開発
公開日2016/7/28
報告書年度2014 - 2015
委託先名EVTD株式会社
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成26年度ー平成27年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) リチウムイオン電池システム用アクティブ・バランサICの技術開発

本研究開発では、高性能、低価格のアクティブ・バランス方式バッテリーマネジメントシステム(BMS)を実現する為、専用ICの開発に取り組んだ。BMSは、電気自動車やハイブリッド車等のリチウムイオン電池を搭載したシステムには不可欠であり、常に技術革新が求められている。そのBMSの主機能の一つであるバランス機能は、電池システムを構成する各電池の残量を均等化する事を目的とする。現在、バランス機能は、抵抗を介して残量の多い電池を放電するパッシブ・バランス方式と呼ばれる単純な方式が主流だが、エネルギー損失が大きい等の様々な問題を抱えている。アクティブ・バランス方式は、これらの課題を克服する新技術であり、その回路トポロジは、DC/DCコンバータに類似した構成になっている。この方式は、大きなバランス電流、高効率、電池システムの長寿命化などのメリットがある一方、コストが高くなり、制御も難しいという課題があった。今回開発したアクティブ・バランサICは、これらの課題を克服し、普及を促進する事を目標に仕様検討と設計がされている。開発を始めるにあたって、まず「ICファウンドリの選定と設計準備」を行った。幾つかの候補から、ICの目標仕様を達成できる可能性が高く、また将来の車載ビジネス対応を考慮してISO/TS16949取得済である事を選定基準とした。この条件を満たすファウンドリを選定後、対応するIC設計用CADおよびプロセスデザインキットを導入し開発環境を整えた。次に「アクティブ・バランサICの設計」に着手した。詳細な仕様書を作成し、Verilog-Aと呼ばれるハードウエア記述言語で機能設計をした後に、実際の半導体素子での回路設計を行うトップダウンの開発手法を採用した。Verilog-Aでシステム全体の検証を行いながら、半導体素子の回路設計が完了した要素から順番に置き換えていく事で、効率よく短期間で素子数8,000以上の高機能ICの設計をする事が出来た。設計データを出図後は、選定ファウンドリで試作ウエハを製造し、更にダイシングにより個片化したシリコン・ダイを約6mm角、高さ約0.9mmのQFNパッケージに封入する、「アクティブ・バランサICの試作」を行った。本研究では、シミュレーションによる特性予測だけに留まらず、この試作サンプルを用いて実際の特性を確認する「アクティブ・バランサICの特性評価」も実施した。その結果、目標としていた主機能および性能を満たしている事を確認した。その中でも、特に重要な特性である効率は、目標である最高85%に対し、90%超を達成する事ができた。以上が技術的な成果となるが、開発と並行して「ビジネス・プランのブラッシュアップ」も行った。顧客調査においては、低コストをはじめ、民生機器を含む幅広い分野での利用、高い品質レベルや品質保証体制の充実等の要望がある事が判った。仕様検討および設計段階で考慮した事もあり、現状でも、これらの要望に対応できると当社では考えているが、今後は更に完成度を高めて製品を量産化し、高機能BMS製品を市場投入して、ビジネスを拡大していく予定である。
英文要約Title:New Energy Venture Business Technology Innovation Program / New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Fuel Cells, Storage Battery) / Development of an Active Balancing IC Designed for Large Li-ion Battery Packs (FY2014-FY2015)Final Report

A high-functional BMS (Battery Management Systems) is necessary to improve the performance of a Li-ion battery system that is set in an EV(Electric Vehicle), a HEV (Hybrid Electric Vehicle) and various instruments. One of BMS's important functions is a cell balance which allows all cells to charge and discharge their full SOC (State Of Charge). The simplest balancing solution is discharging cells through bypass resistors, which is known as a passive balancing method. The passive balancing solution is the dominant way now but has large dissipating energy and other issues. Recently, a new solution known as an active balance is proposed to overcome weaknesses. The active balancing method has large-current capacity and a good effect on longer battery life. Instead of discharge through bypass resistor, the active balancer transfers charge between cells by means of DC to DC converters. This circuit topology brings high-efficiency balancing and allows higher balancing current. Now, therefore, developers of BMS are seeking the active balancing solution which is low-cost and easy to use. In this paper, we report our design and evaluation of an active balancing specific IC to achieve these improvements. The first step, we selected the suitable silicon foundry process which has 0.3μm CMOS, high voltage extensions and ISO/TS16949 certification. After the selection, we set up the process design kit (PDK) for our IC CAD. The second step, we designed the IC. All Verilog-A elements in the IC model which consists of many functionary cells were replaced by device-level circuits, for example, bandgap voltage reference, current bias, voltage regulator, oscillator, switching duty controller, output buffers, current limit circuit, input logics and so on, before layout design and verification. By this top-down design method, we could design the IC over 8,000 devices in a very short period. After the taping out, we started to run some silicon wafers. These fab-outed wafers were diced and assembled into QFN packages, the size of that was 6mm square and 0.9mm thick. Finally, we evaluated QFN samples. The performances of these were quite good. As an example, the efficiency was over 90% and the target was 85% at the maximum. In addition, we studied the market of Li-ion battery systems in parallel with the development. We knew customer’s popularities as followings, low-cost solution, using in consumer and industrial market, high quality and assurance systems. We think the IC already meets these needs, but continue our efforts to achieve further improvements.
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