電力回路は電子機器において常に重要な役割を果たしてきましたが、再生可能エネルギーの利用増加と電力貯蔵ソリューションの必要性により、既存の電力デバイスの開発が加速する可能性があります。なぜ再生可能エネルギーは貯蔵に関して課題を抱えているのか、この課題は電気自動車でどのように解決できるのか、そしてこれがパワーデバイス分野をどのように加速させるのか。
再生可能エネルギー源にとって、エネルギー貯蔵が大きな問題となるのはなぜですか?
過去数十年にわたり、政府に対して化石燃料を段階的に廃止し、太陽光、風力、水力などの再生可能エネルギー源を導入するよう求める圧力が高まっています。当初、再生可能燃料への移行は、気候変動に関連する地球規模の二酸化炭素排出量を削減したいという願望から主に生まれました。しかし、過去2年間で、気候変動よりもはるかに大きな影響を及ぼしたと言える2つの新しい要因、つまりお金と戦争が発生しました。
2020年のCOVIDパンデミックは世界経済全体に衝撃を与え、生活費の上昇、金利の上昇、サプライチェーンの課題をもたらしました。そして2022年初頭、ロシアとウクライナの戦争により、世界中の多くの国がロシアからの石油供給を遮断し、間違いなくエネルギー価格の大幅な上昇につながりました（特にロシアの燃料に依存してきたヨーロッパ諸国にとって）。
そのため、エネルギー自立という考え方は西側諸国の間で関心が高まっており、再生可能エネルギー源は実行可能な選択肢となっています。太陽光パネルの価格が大幅に下がり、再生可能システムのエネルギー効率が劇的に向上した一方で、電力供給という大きな課題に直面しています。
太陽光パネルは太陽が出ているときに最も効率的に作動し、風車は風の強い日に最もよく作動します。つまり、再生可能資源からのエネルギーは毎日大きく変動します。さらに悪いことに、北部地域（カナダ、英国など）のエネルギー消費は、正午には低く、夜間に最大になります（特に暖房が必要な冬季）。しかし、太陽光パネルは正反対の時間帯にピーク電力を生み出しています。
現在、エネルギーグリッドは電力を貯蔵することができないため、生成される余分なエネルギーは無駄になり、この事実が再生可能エネルギー源の信頼性を極めて低くし、運用コストを高くしている原因となっています。火に油を注ぐように（しゃれを許してください）、再生可能エネルギーの信頼性の低さは、100％再生可能な資源ではエネルギーグリッドが存在できないことを意味し、そのため突然のエネルギー需要を満たすことができるかなりの化石燃料のバックアップが必要になります。
この課題を解決するために、研究者たちは、ピーク生産時に余剰の再生可能電力を蓄え、再生可能電力の出力が低いときにこの電力を送電網に送り返すことができるエネルギー貯蔵ソリューションを作成する方法を検討しています。有望な解決策の1つは、エネルギー密度が高く (つまり、他のエネルギー貯蔵ソリューションと比較して占有スペースが小さい)、大量のエネルギーを迅速に放出できる大容量バッテリーを使用することです。しかし、このようなバッテリーシステムのコストの高さと可燃性が相まって、エンジニアにとって課題となっています。
電気自動車が問題をどのように解決するか
研究者が現在実験している革新的なアイデアの1つは、電気自動車を、大規模な専用施設ではなく、単一の大規模な仮想グリッド バッテリーとして活用することです。簡単に言えば、電源コンセントに接続された電気自動車は、充電のために電力を引き出すだけでなく、需要がピークのときに電源コンセントに電力を戻すように設計できるということです。社会において電気充電ポイントが普及し、駐車中のEVがほとんどの時間を主電源に接続された状態で過ごすと仮定すると、この技術は、グリッド技術や大規模な貯蔵設備への追加投資を必要とせずに、エネルギー貯蔵の課題を解決できる可能性があります。
EV所有者にインセンティブを与えるため、固有のシリアル番号を使用して登録された車両は、グリッド使用のためにバッテリーに出入りするエネルギーの量を測定し、これがEV所有者に支払われる料金に変換されます。さらに、リアルタイムのエネルギー料金により、エネルギーが最も安い電力生産のピーク時に車両を充電し、エネルギー価格が最も高いときに電力を送電網に戻すことができるようになります。
これは有望なアイデアのように聞こえるかもしれませんが、このようなシステムの現実には、エンジニアが直面しなければならない数多くの課題が存在します。まず、リアルタイムのエネルギー料金システムには、小型IoTデバイスがリアルタイムの電力生産に基づいて決定されるリアルタイムのエネルギー価格を要求できるようにするAPIが必要です。これは、電力を蓄積および生成するデバイスが、その時点で実際にその電力を生成したことを証明するために、タイムスタンプに対して出力を記録する必要があることを意味します。
2番目の課題は、双方向機能 (つまり、プッシュ電力とプル電力) が必要なため、このような車両の充電システムが複雑になることです。さらに、システムに接続されたEVは、蓄積されたエネルギーがユーザー定義のレベルを下回らないようにする必要があります。そうしないと、過剰に消費するとEVの航続距離が犠牲になるだけでなく、バッテリーの寿命も短くなります（充電サイクルの回数が限られていると仮定）。
再生可能エネルギーだけではない ― バッテリーも普及しつつある
EVや電力網のエネルギー貯蔵はバッテリー技術開発において大きな進歩をもたらしていますが、日常のデバイスへの電子機器の継続的な統合により、バッテリーとバッテリー管理ソリューションにも新たな機会が生まれています。デバイスの小型化の必要性は、エンジニアにとって特に大きな課題です。バッテリーはデバイス内で最も重く、最も大きなコンポーネントの1つであることが多いため、バッテリーのサイズを小さくすると、重量とサイズを大幅に削減できます。しかし、そうすると全体的な容量が減少し、バッテリー寿命が短くなります。そのため、エンジニアは、バッテリー動作用に特別に設計されたコンポーネント（デスクトップ プロセッサではなくモバイル プロセッサを使用するなど）を活用するだけでなく、エネルギー消費を最小限に抑えるための省エネ技術を開発する必要が生じることがよくあります。
ノートパソコンやスマートフォンがその顕著な例です。物理的に小型化され、消費電力も減少しているにもかかわらず、バッテリー寿命とプロセッサのパフォーマンスは向上し続けています。これは、トランジスタのサイズを縮小し、ゲート電圧を下げることでエネルギー消費を削減する半導体技術の進歩のおかげでのみ可能になりました。
エネルギー貯蔵の進歩を妨げる課題は何でしょうか?
これまで、再生可能エネルギー源がエネルギー貯蔵ソリューションの不足によって大きな影響を受けていること、EVが再生可能エネルギー貯蔵の ソリューションとなり得ること、日常の電子機器がバッテリー技術の向上にどのように役立っているかについて説明してきましたが、技術的な実装に関してエネルギー貯蔵ソリューションはどのような課題に直面しているのでしょうか。
まず、複数のセルから構成されるバッテリー システムでは、電荷が均等に分配されるようにする必要があります。これはセル数が少ないバッテリーでは問題になりませんが、EVや大規模貯蔵施設でよく見られる大規模なシステムでは、数百 (数千ではないにしても) の個別セルが使用されることがあります。結果として、セル コネクタの数、各セルの読み取りに必要なIC、および管理アルゴリズムの数が多くなり、このようなシステムの構築と保守が極めて複雑になる可能性があります。
第二に、バッテリーは、充電と放電の両方に問題のあるAC電圧ではなく、DC電圧としてエネルギーを蓄えます。エネルギーの無駄を最小限に抑えるために、ACからDCへの変換、およびその逆の変換は、可能な限り最もエネルギー効率の高い方法で行う必要があります。双方向変換システムの必要性により、特に複数のソースから回路に電力を供給できる電気システムを扱う場合には、回路の複雑さと安全性の懸念も生じます (通常、適切な絶縁のためにヒューズ ボードとスイッチに通知が必要です)。
第三に、電力網アプリケーションで使用される大型バッテリーシステムは、間違いなく大きな電圧と電流を扱うことになります。さらに、蓄えられるエネルギー量が多いため、そのような条件に耐えられるコンポーネントが必要になるだけでなく、バッテリーの損傷を防ぐための安全対策も組み込む必要があります。たとえば、バッテリーから過剰な電流を引き出すと、バッテリーが過熱し、過熱したバッテリーは火災を引き起こす重大なリスクを伴います。ほとんどの高エネルギーバッテリーはリチウムをベースとしていることを考慮すると、このような火災はすぐに大惨事に変わり、近くのバッテリーも故障するという暴走効果を引き起こす可能性があります。
4番目に、新しいバッテリー システムでは、充電電流を大幅に増加させることで充電時間を短縮しており、これにはより大きな電流を処理できる電源回路が必要です。コンポーネントのサイズは処理できる電流に比例するため、急速充電器には物理的に大きな回路が必要になることは間違いありません。さらに、電流が増加すると加熱効果が大きくなり、この追加の熱を適切に処理しないと火災の危険が生じます。
エネルギー貯蔵産業はパワーデバイス産業をどのように加速させるのでしょうか?
エネルギー貯蔵に関しては、充電、電流スイッチング、セル電圧監視など、電力デバイスが重要な役割を果たします。これまでに取り上げた問題は、パワーデバイス業界に進歩と統合の重要な機会をもたらすでしょう。
まず第一に、そしておそらく最も重要なのは、電力コンバータの効率を高める必要性です。コンバータの効率が95% であっても、大きな数字の5% は依然として非常に大きいため、エネルギーが無駄になるだけでなく、その無駄なエネルギーはほとんどの場合、熱の形で発生します。たとえば、効率が95% の1GWバッテリー ストレージ施設でも、配線、コンポーネント、ストレージ ユニットを通じて合計50MWのエネルギーが浪費されることになります。効率をわずか1% 向上させるだけでも、さらに20,000世帯に電力を供給できます。
さらに、世界各国の政府は、消費者向けデバイスや家電製品のエネルギー効率要件に関する法律を制定し続けています。そのため、エンジニアは設計から可能な限りの余分なワットのエネルギーを絞り出すことを余儀なくされ、より効率的な電力コンバーターとアンプの需要も増加するでしょう。
バッテリー寿命が長く、性能が向上した小型デバイスに対する継続的な需要も、新しいパワーアンプやパワーコンバータの開発を加速させるのに役立ちます。前述したように、バッテリーのサイズを小さくすることは製品の重量を減らす最良の方法の1つですが、バッテリー容量が減少するというコストがかかります。エネルギー効率の高いプロセッサはバッテリーの寿命を延ばすのに役立ちますが、パフォーマンスが低下するという代償を伴います。したがって、高効率のパワーアンプとコンバータを使用すると、エネルギー変換で無駄になるはずだったエネルギーを処理に使用できるため、より強力なプロセッサを使用する設計が可能になります。
パワーアンプとコンバータの開発を加速させるのに役立つ可能性があるもう1つの分野は、エネルギーハーベスターの分野です。電源が存在しない遠隔地でのIoTデバイスの使用が増えるにつれて、そのようなデバイスが独自の電力を生成することが必要になります。エネルギーハーベスターはこの電力を供給できますが、関係するエネルギーのサイズが小さいため、エネルギーハーベスターの電力コンバーターは無駄を最小限に抑えるために可能な限り効率的でなければなりません。
電力網で使用されるエネルギー機器には、間違いなく非常に大きな電圧と電流が関係します。従来の半導体はこのような環境でも動作できましたが、 SiCやGaN などの新しい電力技術の導入により、エンジニアは大幅に高い動作電圧、より高い効率、より小型の設計を備えた革新的な最新設計を実現できるようになりました。より高い電圧許容範囲とより小さな物理的フットプリントの組み合わせにより、重量が軽減され、より高い電力処理能力が得られるため、EVやその他のポータブル高電圧デバイスにもチャンスが生まれます。
最後に、高信頼性シナリオ (大規模グリッド バッテリーなど) に関係する電力デバイスには、高度な電力監視とデバイス保護のためのインテリジェント ソリューションが統合される場合もあります。たとえば、AIプロセッサを組み込んだ小型マイクロコントローラをパワーアンプに統合し、 電流と電圧をリアルタイムで監視できるようになります。従来のデバイス保護方法とは異なり、このようなシステムは予測的な保護を提供し、異常な動作から防御することができます。これは、損害が発生する前に潜在的な問題を中央ホストに通知するためにも使用できます。
結論
エネルギー貯蔵とエネルギー効率の重要性が高まり続けるにつれて、電力変換器と増幅器の重要性も高まります。再生可能エネルギー分野はエネルギー貯蔵に関して大きな問題に直面しており、大規模なバッテリーを建設できない限り、技術者は電力網に接続されたEVを大規模な仮想バッテリーとして使用することに頼らざるを得なくなるかもしれない。もちろん、このような電力システムには、バッテリー寿命への影響を最小限に抑えながら、高効率で双方向のエネルギー転送が可能な高度な電力供給システムが必要になります。
ポータブル デバイスでは、バッテリーを物理的に小型化できるようにエネルギー効率を継続的に改善する必要があり、IoT設計に統合されたエネルギー ハーベスターによって、パワー アンプとコンバーターに真の成長の機会がもたらされる可能性があります。
最後に、電力網で使用される大規模なバッテリー システムの開発には、間違いなくSiCやGaNなどの新しい半導体技術が必要になります。また、このようなシステムのコストが高いため、潜在的な損害を実際に発生する前に予見する予測機能を提供できるインテリジェント アンプの使用が促進される可能性があります。