電気自動車 (EV) や太陽エネルギー貯蔵システム (ESS) などのアプリケーションを含め、ワイヤレスおよびバッテリー駆動のデバイスが日常生活にますます浸透しています。バッテリーをいかに効率的に管理するかが重要な課題となる。この記事では、バッテリー管理システム (BMS)、バッテリー構成、GaN FET、リチウム カーボン コンデンサ (LCC)、エネルギー貯蔵モジュール システム、およびその他のソリューションを紹介し、バッテリー アプリケーションの関連技術をさらに包括的に理解できるようにします。
現在、EVやESSの急速な発展の傾向により、さまざまな充電容量のバッテリーの生産に対する需要が着実に増加しています。特に、電池の形成は、電池を使用してエネルギーを蓄えるさまざまな用途において非常に重要な役割を果たします。
完全なバッテリー形成電源システムソリューション
市場におけるバッテリーの需要が増加するにつれ、バッテリーメーカーは生産プロセス全体を通じて効率を改善し、必要な量を満たすという課題に直面しています。製造プロセスにおいて各バッテリーが通過する必要がある基本的な段階は、バッテリーの形成です。特に、新しく組み立てられたバッテリーは、まずバッテリー材料を活性化するために、高い電圧と電流精度で充放電されます。形成サイクルはバッテリーの寿命、品質、コストに大きな影響を与えますが、コストが高く、消費時間が長いため、現在の生産プロセスではボトルネックとなっています。
Infineonは、包括的なコストと効率性を備えた製品ポートフォリオを最適化し、高精度、高効率、電力密度のアプリケーション要件を完全に満たす包括的な電源システム ソリューションを提供します。Infineonのソリューションは、充電および放電サイクル中に高い電圧と電流の精度 (最大0.01%) を提供し、高い電力密度と効率を実現し、動作中の最適な熱管理と、高いシステム信頼性を実現する24時間365日の動作サイクルを提供します。
インフィニオンのバッテリー形成アプリケーションにおける主な製品には、OptiMOS™ およびStrongIRFET™ 低電圧パワーMOSFET、CoolMOS™ 高電圧パワーMOSFET、EiceDRIVER™ ゲート ドライバIC、TRENCHSTOP™ ディスクリートIGBT、XMC™ マイクロコントローラなどがあります。これらの製品は、効率的で革新的、かつコスト効率に優れたソリューションであり、全体的なBOMを節約し、高電力密度半導体のサイズを縮小し、シミュレーション、ドキュメント、デモ ボードなど、市場投入までの時間を短縮する完全なエコシステムを備えています。Infineonの品質により、製品の耐用年数と信頼性が向上し、ワンストップ ショップのサービス ポートフォリオが提供されます。
自動車用バッテリー管理アプリケーション向けの高度に統合されたソリューションを提供します
自動車およびエネルギー貯蔵バッテリー管理アプリケーションのニーズを満たすために、Arrow Electronicsは電気自動車およびエネルギー貯蔵アプリケーション向けのBMSリファレンス デザインを発表しました。BMSは、バッテリーの充電と放電を監視および制御する電子制御回路です。リファレンス デザインは、Infineonの強力な車載グレードTraveo II MCU CYT2B97、AFE TLE9012D、およびトランシーバーTLE9015Dで構成されています。TLE9012DQUは、セル電圧測定、温度測定、セルバランス、絶縁通信の4つの機能を果たし、TLE9015Dは、TLE9012DQUとMCUメイン バッテリー コントローラーを接続するトランシーバーとして使用されます。さらに、このソリューションには、圧力検出、RTC、システム電圧および電流検知機能が統合されています。
このBMSリファレンス デザインには、コストの削減、サイズの最適化、ソフトウェアの労力の軽減、市場投入までの時間の短縮などの利点があります。直列に接続された最大12個のバッテリー セルのバランス調整と監視が可能です。精度約5.8 mVの12チャンネル専用16ビット デルタ シグマADCバッテリー電圧モニターを備えています。2Mbit/s iso-UARTによる7μSの高速かつ同期されたセル電圧サンプリングが使用されます。最大200mAの内部電流バランスと5チャンネルの温度センサーを備えています。圧力センサーと外部RTCは、システム電圧と電流の検知をサポートするために予約できます。
現在の変換ソリューションの完全な機能
市場では、AC電源は三相または単相のいずれかです。パワーステージの3相AC入力に関しては、Arrow ElectronicsはSTと協力して、15kWのバッテリー形成やエネルギー貯蔵アプリケーションに使用できる双方向AC-DCコンバータソリューションを開発しています。このリファレンスデザインは、完全な三相AC/DCおよびDC/AC（800V直流 400Vまで交流) デジタルプラットフォームに基づく電力変換ソリューション。高出力充電ステーション、産業用バッテリー充電器、UPSのアクティブ フロント エンド (AFE) ステージに最適です。SiC MOSFETの高スイッチング周波数とマルチレベル構造により、ほぼ99% の効率が実現され、受動電力コンポーネントのサイズとコストの面で最適化されます。
定格公称DC電圧800Vをサポートする3相3レベル双方向AC/DCコンバータがあります。直流 定格公称交流電圧400V交流 @ 50 Hz、公称電力最大15 kW。AC-DC整流モードでは、突入電流制御とソフト起動により、力率 (PF) 制御が0.99より大きくなります。DC-ACインバーター モードでは、有効電力と無効電力の制御をサポートし、統合されたグリッド接続ソリューションを備えています。このリファレンス デザインでは、高周波 (70 kHz) で動作し、98% を超える高効率を備えたSiC MOSFETベースの電源セクションを使用し、受動要素の重量とサイズを削減します。
STM32G474マイクロコントローラ ファミリをベースとする制御セクションP2Pは、さまざまな電力コンバータ ソリューションと互換性があり、4つの統合型高性能オペアンプ、SWIM、UART、I²C、DAC制御および監視インターフェイスを備え、64ピン デジタル電源コネクタ、過電流および過電圧保護をサポートします。
電力段の単相AC入力アプリケーション向けに、Arrow ElectronicsとSTは、6.6kWバッテリー形成およびエネルギー貯蔵アプリケーションに重点を置いた双方向AC-DCコンバータ ソリューションを提供します。この6.6kW双方向エネルギー貯蔵システムは、最大充電電力6.6kW、AC入力電圧範囲180〜265VでAC/DC双方向電力変換をサポートできます。交流、60〜90VのDC出力電力直流、最大反転電力は6.6kWです。反転の定格入力は80VDC、定格出力は220Vです。交流 50Hz。このシステムの効率は95% を超えており、100 kHzのトーテム ポールPFCと200 kHzのCLLLCをサポートします。このソリューションは、エネルギー貯蔵機能を備えた太陽光インバータ、フォークリフト充電器、ACおよびDC負荷装置、その他の同様のアプリケーションにも適用できます。
さらに、Arrow ElectronicsとSTは、デュアル対称CLLC DCDCコンバータをサポートし、最大6.6kWの双方向電力変換を実現できる6.6kW双方向CLLC電力コンバータも発売しました。このコンバータの効率は98% を超えると予想されます。入力電圧は550Vです直流出力電圧は60～90Vです。直流。反転の定格入力は80Vです直流定格出力は550Vです直流。このコンバーターのPCBサイズは450mm x 330mm x 100mm (LxWxH) です。上記のソリューションは、STM32G474マイクロコントローラ ファミリと最新のSTアナログおよび電源デバイスに基づいています。
バッテリーアプリケーションにおけるGaNの設計スキームと主な利点
リチウム複合電池には電池保護要件があり、電池保護チップは過電圧、低電圧、放電過電流、短絡など、電池のさまざまな異常状態を検出します。EPCのGaNは、GaN FETの独自の固有特性 (ドレインとソースの間に寄生ダイオードがない) に基づいており、ダイ内で双方向の電圧ターンオフ機能を実現します。GaNには2つの利点が1つあるという利点があります。高電流アプリケーションでは、システムコストの利点は明らかであり、パッケージが小さいため、PCBサイズを効果的に削減し、高密度PCBのレイアウトを容易にし、内部抵抗を低く抑えることができるため、システムの伝導損失を効果的に削減し、システム全体の耐久性を向上させることができます。
シリコンMOS方式と比較すると、トポロジ的にはシリコンMOSFET (100V 2.7mΩ) に2つの背中合わせの共通ドレインが必要であり、パッケージはSO8 (6.15 x 5.15 mm)、Vdsは100V、Vgs_maxは +10V、Ron_maxは2.7×2=5.4mΩ、Idは194Aであるため、16個のシリコンMOSが必要です。しかし、EPCのGaN方式（EPC2302 (100V 1.8mΩ）ではGaNが1個しか必要ありません。パッケージはQFN 3x5mmを採用し、Vdsは100V、Vgs_maxは+5V、Ron_maxは1.8mΩ、Idは408Aなので、必要なのは6個だけで、パッケージが小さく、システムコストが低いという利点があります。
GaNデバイスは、効率、サイズ、重量、長寿命の点で明らかな利点があるため、現在、太陽光発電アプリケーションでも広く使用されています。太陽光発電アプリケーションでは、20年以上の耐用年数を保証する必要があり、同じフォーム ファクターの電力を増大させたり、パネルと統合したりするために、優れた熱性能と高い電力密度が必要です。電力密度の上昇傾向により冷却システムは非常に高価になり、最先端のシリコンMOSFETソリューションでは必要な電力密度を満たすことができなくなります。そのため、大手太陽光発電会社はGaNを採用しています。
GaN FETは非常に小型で、スイッチング損失も非常に低いです。これにより、スイッチング周波数を高くして電力密度を高めると同時に、シリコンMOSFETソリューションよりも高い効率を実現し、熱の課題に対応して冷却コストを節約できます。GaNの優れた信頼性により、25年の耐用年数をサポートします。
EPCの100V、150V、170V、および200V GaNデバイスは、マイクロインバーターのプライマリステージまたは個別のMPPT/オプティマイザーに非常に適しています。EPC 200Vおよび350Vデバイスは、バッテリー エネルギー ストレージ システム (BESS) またはストリング インバータのマルチレベル トポロジでも使用できます。
GaN FETは、各ソーラーパネルの電力を最適化できるソーラーパネル オプティマイザーにも使用できます。マイクロインバータアプリケーションでは、GaNはより高い電力密度、優れた熱性能（冷却の容易化や電力増加を含む）、優れた信頼性、実証済みの耐用年数を提供できます。さらに、GaN FETは200Vおよび350Vのマルチレベル トポロジカルESSでも使用できるため、より小さなフォーム ファクタでより低電圧のデバイスを使用でき、dV/dtが低減し、等価出力周波数が上昇するため、効率と密度が向上し、冷却が簡素化され、コンポーネントのストレスが制限されて耐用年数が延長されます。
GaNの産業用途には、60～150V ESS、<60V ESS、EV/HEV、電動自転車、電動工具、ドローン、掃除機、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンなどが含まれます。
リチウムカーボンコンデンサは従来の電池よりも優れた特性を持っています
LCC (リチウム カーボン コンデンサ) は非対称スーパーコンデンサです。負極材料はスーパーキャパシタと同じです。正極を改良することでエネルギー密度が大幅に向上し、従来のスーパーキャパシタの15～20倍になります。イオン吸着とリチウムイオンの浅い挿入・脱離の組み合わせにより、高エネルギー密度が実現され、高率充放電、高安全性、長寿命、メンテナンスフリーなどの特徴を備えています。従来の電池の安全性は不均一で、鉛蓄電池とリチウム電池はどちらも安全上の問題があり、リチウム電池は短絡すると爆発する可能性がありますが、LCCは安全性能が高く、直接短絡しても爆発や火災は発生しません。
従来の電池は、一般的にニッケルクロム/鉛蓄電池とリチウム電池です。充電効率の点では、LCCの充電速度はリチウム電池の50倍、鉛蓄電池/ニッケルクロム電池の250倍であり、充電時間が非常に短くなります。LCCは超急速充電に属しており、充電にはわずか1分しかかかりませんので、充電を待つ必要がありません。LCCの放電率も高く、過渡状態では50倍、連続状態では20 ～ 30倍に達するため、より大きな出力が得られ、非常に広い温度範囲で動作し、-40 ～ 65℃ で充放電できます。°LCCの充電および放電回数は50,000回に達し、バッテリー寿命は5年以上と非常に長くなります。そのため、実用上は電池交換の必要がなく、一生使えると言えるでしょう。
近年、社会の発展に伴い、昼間と夜間の電力需要のピーク・バレー差が拡大しています。現在、多くの都市では、一日平均電力需要のピークと谷間の差が60%を超えています。省エネと排出削減の目標を真に達成するためには、LCCモジュールの重要な応用分野である昼夜の電力需要の大きなピークと谷の差という主な矛盾を解決するための努力をする必要があります。
高電圧・高電流に対応したエネルギー貯蔵モジュールシステム
風力発電/重工業用エネルギー貯蔵モジュールシステムは、さまざまな風力発電施設の補助エネルギー貯蔵システムとして使用でき、マイクロスマートグリッドの電力品質を大幅に向上させ、マイクロスマートグリッドシステムに無効電力サポートを提供し、高出力、高電圧（≧500V）および高電流（〜1000A）をサポートし、長寿命でメンテナンスフリーという特徴があり、さまざまな電圧または容量要件に応じてモジュール方式で使用できます。
Manyue Technologyが発表した（ANGA POW®）モジュールは、超低内部抵抗と超高出力（≧200kW）を特徴とし、50万回以上の充放電回数をサポートし、スーパーキャパシタ管理システム（CMS）を統合し、セル間の電圧バランス、過電圧および温度監視信号出力、RSまたはCAN出力インターフェースをサポートします。モジュール構造は堅牢かつコンパクトで、完全に密閉されており、飛沫を防止します。
(ANGA POW®) モジュールは、定格電圧129V、定格容量62F、サージ電圧134.4V、漏れ電流 ≦10mA、DC ESR (等価直列抵抗) ≦20mΩ、最大充放電電流640A、標準充放電電流32Aをサポートし、動作/保管温度 -40°C ～ +60°Cで動作します。サイズは644×465×285mm、IP41クラスの保護をサポートし、重量は約51kgです。さまざまな風力発電/重工業アプリケーションに最適な補助ESSです。
結論
EVおよびESS市場の急速な発展に伴い、バッテリーのアプリケーション要件は日々高まっています。バッテリーの動作効率と安全性をどのように向上させるかが、バッテリーアプリケーションにおける大きな課題となっています。この記事では、さまざまなバッテリー アプリケーション向けのさまざまなソリューションを紹介します。これにより、バッテリー アプリケーションの充電、放電、管理に必要なさまざまなデバイスとモジュールをさらに理解し、製品設計の参考にすることができます。さらにご要望がある場合は、Arrow Electronicsまで詳細をお問い合わせください。