CUI IncのEV充電器向け補助電源ソリューション

すでに進行している最大の変化の1つは、化石燃料自動車からよりクリーンかつ効率的な電気推進自動車 (EV) への移行です。車両自体には取り組むべき課題が山積しているが、十分な数の充電ステーションを世界規模で提供することが業界と政府にとって課題となっている。EVの販売が期待ほど伸びない理由として、航続距離不安（立ち往生する恐れ）とEVの充電にかかる時間が挙げられます。明らかに、この課題を解決することは、自動車メーカー、一般のドライバー、そして環境にとって大きな利益をもたらすでしょう。この技術記事では、開発され展開されている充電器の種類を詳しく見ていき、それぞれの主要機能に必要な電力について検討します。

背景

史上最初に作られた乗り物のいくつかは電気自動車でした。しかし、電動スターターが発明されて状況は変わりました。これにより、内燃機関 (ICE) 車両が最前線に躍り出て、電気自動車は歴史の中に埋もれてしまいました。1970年代初頭の石油危機と1990年代のカリフォルニア州のゼロ排出規制の期間中、電気自動車への関心が再び高まりましたが、主流にはなりませんでした。

近年、新しいバッテリー技術が登場しました。環境への懸念が広まり、化石燃料に代わるよりクリーンな代替品を求める顧客層も増え、電気自動車はついに実現可能な技術になりつつあります。

市場は急速に成熟していますが、まだ初期段階であり、さまざまなタイプの車両が利用可能です。ハイブリッド車にはICEモーターと電気モーターの両方が搭載されており、どちらか一方または両方が推進力として使用されるように設計されています。純粋なバッテリータイプは完全に電気で動いており、走行にはバッテリーに蓄えられた電荷に依存しています。大まかに言えば、市場はICEを使用して独自のバッテリーを充電するハイブリッドタイプ (HEV、MHEV) と、プラグインして充電できるタイプ (BEV、PHEV) の2つのセクションに分けられます。

バッテリー技術が向上し、EVの効率が向上するにつれて、EVの航続距離は増加し、ICE車両の航続距離に近づき始めています。毎日の通勤など、最も一般的な移動の多くは、充電せずに行うことができます。それでも、EVで長距離旅行をする際の航続距離の不安は依然として障害となっており、多くの顧客が新技術を採用するのを妨げている。ICE車両の燃料が少なくなった場合は、従来のガソリンスタンドで簡単に素早く燃料補給できます。一方、電気自動車のバッテリーの充電には、充電状態、バッテリー容量、充電器の種類など、いくつかの要因に応じて、何時間もかかることがあります。明らかに、移動中に数時間充電するのは極めて非現実的であり、そのためEVは、ショッピングモールでの短時間の充電、職場での終日充電、自宅での一晩充電など、目的地で充電されることが多くなっています。

EV充電器の概要と市場

EV充電市場は、EV自体の販売、より具体的には、プラグイン充電が可能なタイプ、つまりBEVとPHEVの販売によって推進されています。マッキンゼー・アンド・カンパニーの最近のレポートによると、2020年に道路を走行していた約800万台のBEVとPHEVは、2030年までに約1億2000万台に大幅に増加すると予想されています。

図1: 2030年までに、路上にはBEVとPHEVの車両が約1億2000万台存在すると推定されています。

2030年までに米国では1,800万台のBEV/PHEVと約1,300万台の充電器が導入され、1.38台の車両につき1台の充電器が設置されることになります。EUでは、EVドライバーにとって、2,900万台の車両に対して1,500万台の充電器（車両1.87台につき1台の充電器）という、やや恵まれたサービスが提供されないことになるが、地理的にコンパクトであることで、これをある程度補えるかもしれない。

マッキンゼー・アンド・カンパニーの100km（約60マイル）あたり20kWhという数字を使用すると、2020年に必要な180億kWhの充電容量は、2030年までに2,710億kWhと同程度の成長を示し、10年半ばまでに5倍に増加し、10年後半には需要がさらに3倍になります。これらの数字は驚異的ですが、文脈から考えると、2,800億kWhは米国の全エネルギー需要の約8％に相当します。

EVの成長の初期段階では、特に米国とヨーロッパでは、充電のほとんどは自宅で行われるでしょう。今後の状況は多くの要因に左右されますが、時間の経過とともに、職場、高速道路の脇、その他の公共スペースでEVを充電する方向に徐々に移行していくでしょう。

導入される充電器の種類は、技術がどのように進化するか、充電が行われる場所、およびその場所で利用可能な電力によって異なります。数分で車両を充電できる直流駆動の「急速充電器」については多くの議論があるが、設置と維持のコストが高額で、高電力と高電圧の要件があるため、これらは特定の場所でしか実行できず、特に米国では少数派のままとなるだろう。

AC充電とDC充電

充電場所や電源供給が異なることを考えると、異なるタイプの充電器が設置されるのも不思議ではありません。主な区別は、車両に供給される電力の種類と、供給可能な電力によって行われます。

図2: 充電杭は一般的に3つのタイプに分類されます

業界内では、さまざまなレベルの充電ステーションを定義するいくつかの標準が登場しています。一般的な規格は、SAE Internationalが発行するSAE J1772であり、4つの充電器レベルを定義しています。

• •  ACレベル1は、最大16Aまたは1.9kWの120V AC電圧を指定します。
• •  ACレベル2は、最大80Aまたは19.2kWの208～240VのAC電圧ステーションを指定します。
• •  DCレベル1は、最大1000 Vおよび80 Aまたは80 kWのDC電圧を指定します。
• •  DCレベル2は、最大1000 Vおよび400 Aまたは400 kWのDC電圧を指定します。

DCレベル1と2は、一般的に総称してレベル3またはDC急速充電器と呼ばれます。類似しているが異なる電圧および電力レベルを定義する他の規格も存在します。

バッテリーは直流でのみ充電可能で、主電源網は常に交流であるため、電気パワートレインのどこかの時点で変換（整流）が必要になります。高出力のDC充電器では、この変換は充電パイル内で行われるため、車両にDC電力が供給されます。これは通常、バッテリー管理システム (BMS) に直接供給され、バッテリーの充電を管理および監視します。

図3: AC充電とDC充電の主な違いは、ACからDCへの変換が行われる場所です。

AC充電では、充電パイル内で整流が行われないため、AC電力が車両に供給されます。オンボード充電器 (OBC) はこの電圧を整流し、必要に応じてBMS/バッテリー ストリングに適した電圧レベルに変更します。

AC充電スタンドはシンプルで安価ですが、OBCが必要になるため車両の重量が増加し、走行距離が短くなるという欠点があります。現代の自動車のスペースは非常に狭いため、OBCを設置するスペースを見つけるのは困難であり、いずれの場合も電力密度を可能な限り高くする必要があります。これにより、高温での動作が発生し、コンポーネントにストレスがかかります。また、OBCは (定義上) 車両が移動するあらゆる場所に移動するため、ユニットは移動のたびに衝撃や振動を受けます。

DC充電パイルは、理論上はOBCの必要性を排除しますが、少なくとも現時点では、ほとんどの車両にはバイパス機能を備えたOBCが装備されているため、DCは不必要に整流されません。OBCを組み込むと、範囲内で利用できる充電ステーションがACパイルのみの場合に役立ちます。

自宅や職場に駐車している時間の大半を過ごす可能性のある車両に蓄えられたエネルギー量を考えると、エネルギー会社は、電力網の負荷分散の方法としてこの予備電力を活用し、追加の発電能力の必要性を減らす機会を感じています。需要がピークに達し電気料金が高騰する時間帯には、車両はバッテリーを使い切って家庭に電力を供給したり、電力網に貢献したりします。通常は夜間に電気料金が下がると、車両はバッテリーを充電し、朝の通勤に備える。

初期段階では、車両のバッテリーに蓄えられたエネルギーを使用するには、電力を送電網に戻すこともできる双方向充電器/インバータが必要です。

充電規格と接続性

ほとんどすべての新興技術と同様に、車両の充電にはさまざまな競合する規格が存在します。現在、車両との通信とコネクタ タイプをカバーする3つの主要な充電プロトコルが利用可能です。

CHAdeMO（チャデモ）

• •  2010年に日本でスタート
• •  ホンダ、日産、トヨタを含む日本の主要自動車メーカーと一部のEU企業で構成
• •  プロトコルは、標準固有のコネクタの定義を含むIEC6185 / IEC62196に基づいています。
• •  現在、最大400kW / 1000Vがサポートされていますが、中国電力評議会（CEC）との協力により、これを900kWまで引き上げることができます。

図4: それぞれの充電規格には、電力と通信を運ぶための独自のプラグ設計がある

複合充電システム（CCS）

• •  主に米国/ヨーロッパ
• •  フォード、ゼネラルモーターズ、VAG、BMW、およびいくつかのアジアのメーカーが含まれます
• •  該当するIEC、SAE、ISO規格に準拠しており、AC充電（単相および三相）とDC充電をサポートします。
• •  現在、DC充電能力は200kWを超えており、350kWのプロトコルが準備中です。
• •  CCSは、オリジナルのACコネクタにDC電流用の2ピンソケットを追加してDC充電コネクタ（コンボ1とコンボ2）を作成し、同じコネクタを介してACとDCの両方の充電を可能にしました。

テスラ スーパーチャージャー

• •  独自の技術であり、主にテスラ車専用
• •  現在、ピーク電力レベルは72kW、150kW（バージョン1とバージョン2の両方）、250kW（バージョン3）で導入されています。
• •  コネクタは北米では独自のソリューションですが、他の地域では車両にCHAdeMOまたはCCS用のアダプタが付属しています。

充電パイル内部

グリッドと車両間の高電力パスは、ACおよびDC充電パイル内で必要な主要な電力変換ですが、これらの高度なデバイスには、専用の電源ソリューションを必要とする大量の制御および保護回路が含まれています。

図5：大まかに言えば、すべての充電システムは比較的シンプルです

本質的には、AC充電システムとDC充電システムはどちらも非常に似ていますが、主な違いはACからDCへの変換の場所です。AC充電器にはシンプルなパススルー接触器があり、変換は車両内で実行されます。DC充電の場合、充電パイル内に大型のAC-DCコンバータが組み込まれています。

最もシンプルな充電パイルはレベル1 AC充電ユニットで、主に車両のOBCに充電電力を切り替える大きなリレーで構成されています。電源レールに関しては、プライマリレールは12 V DCで、通常はよりコンパクトな設計を可能にするために外部EMC回路を備えた小型ボードマウントAC/DCから供給されます。

図6: 一般的なレベル1 AC充電器の補助電源の必要性

充電状態を伝達し、保護されたアース接続を監視するコントロール パイロットには、+/-12 VのDC電源が必要です。正のレールはAC/DCユニットから供給され、負のレールは小型のPCBマウントDC-DCコンバータで生成できます。

マイクロコントローラに電力を供給するには、12 Vレールを低い電圧に降圧する必要があります。ここでは5 V dcとして示されていますが、選択したデバイスによってはより低い電圧になることもあります。MCUの電圧はいくつかの方法で生成できます。絶縁は必要ないため、小型の低ドロップアウト レギュレータ (図を参照) を使用するか、同様に単純な「降圧」コンバータ (非絶縁ポイント オブ ロード - NiPOL) をより効率的なオプションとして使用することもできます。

レベル2のAC充電ユニットはレベル1のユニットよりも複雑になる傾向があり、追加の機能により、より多くの補助電源が必要になります。ただし、レベル2充電器では通常、作業スペースが広くなるため、内部EMIフィルターを備えたAC/DCを使用することで設計を簡素化できます。

図7: 一般的なレベル2 AC充電器の補助電源の必要性

AC-DCの下流では、ソリューションは以前とほぼ同じです。DC-DCはコントロール パイロットの負のレールを生成しますが、今回はLDOの代わりに5 Vレール用のDC-DCコンバータを示しました。ただし、どちらも使用できます。

DC充電器に移行すると、アーキテクチャが多少変わります。セキュリティ監視、制御電子機器、LCDディスプレイと測定などの追加機能、および車両内にあるBMSユニットに電力を供給する必要があるため、より多くの電力とレールが必要になります。

充電器には三相交流電源が供給され、通常は480 V交流です。補助レールに電力を供給する150 WのAC/DCには、277 V ACの単相電圧で動作できるように、非常に広い入力が必要です。この電力レベルでは、力率補正 (PFC) が必須であり、各AC-DC電源に含まれています。図8の場合、メインの補助レールは24Vであり、制御、モニター、および表示回路に電力を供給します。2番目のAC/DCは、コネクタを介してBMSユニットに直接供給される12 Vレールを供給します。

図8: 一般的なレベル3 AC充電器の補助電源の必要性

ここでも、MCUには5 V電源が必要です。これは、5 V DC-DCコンバータを介して24 Vレールから直接生成されます。

正しい電圧を供給することに加えて、使用する電源ソリューションに影響を与えるその他の考慮事項がいくつかあります。これらの高密度に実装された高出力システムでは、特に暑い国で動作させる場合には、周囲温度が高くなることが予想されます。ただし、寒い国の冬には、充電パイルがしばらく休止状態になっていると、電源ソリューションを氷点下の気温から正しく起動する必要がある場合があります。

EMIパフォーマンスは重要であり、既製のモジュールを使用する場合、これは既知の量であり、再現可能です。特にレベル3 DC充電器では、サージ性能が重要な考慮事項であり、サージ耐性を強化した電源の使用や、電源システム内に保護回路の追加が必要になる場合があります。

これらの例では、3つのレベルそれぞれにおける充電杭の典型的な配置を示しています。実際のアプリケーションでは、違いがあり、機能の多寡も考えられます。ただし、どの充電スタンドでも、モジュール式電源とコンバーターを設計および選択するための原則は同じです。

競合する規格があるにもかかわらず、EV充電スタンドは急速に進化しており、電力供給も増加しているため、最終的にはEVバッテリーをわずか数分で大幅に充電できるようになります。これらの電力システムには幅広い電力ニーズがあり、そのすべては既製のモジュールで対応できます。

まとめ

明らかに、電気で推進する車両のコンセプトが復活し、今回は成功すると思われます。しかし、航続距離の不安や、特に旅の途中で必要になった場合のバッテリーの補充にかかる時間など、克服すべき課題はまだ多く残っています。

競合する規格があるにもかかわらず、EV充電スタンドは急速に進化しており、電力供給も増加しているため、最終的にはEVバッテリーをわずか数分で大幅に充電できるようになります。これらの電力システムには幅広い電力ニーズがあり、そのすべては既製のモジュールで対応できます。