エネルギー貯蔵システムを活用してEV急速充電インフラの開発を加速する

市場動向によれば、電気自動車（EV）は市場での占有率を増加させ、最終的には内燃機関車両に取って代わると予測されています。将来的には、DC急速充電ステーションがガソリンスタンドに取って代わるか、または統合され、太陽光や風力といった再生可能エネルギーによって運営されるでしょう。EVの普及において重要な要因となるのは、車両を15分以内で充電する能力です。本記事では、EV急速充電インフラにおけるエネルギー貯蔵システムの役割を探り、ADIが提供する関連ソリューションについて紹介します。

自動車市場は急速な変革を遂げており、EV販売が急激に成長すると予測されています。2025年までに1,000万台、2040年までには5,000万台を超えると見込まれています。その頃、総車両販売台数は1億台に達すると予想されており、2040年には販売される全車両の50%が完全電動車となることを意味します。

しかし、EV充電の需要が急増している状況に対応するためには、ローカルグリッドの電力ピークが1MWを超える必要があり、既存のインフラが圧倒される可能性があります。増加する基本負荷に対応するためには、送電線や集中型発電所をアップグレードするための大規模な投資が必要です。この負荷は衝動的であるため、太陽光や風力などの再生可能エネルギーによって生成される断続的なエネルギーと統合する必要があります。

エネルギー貯蔵システムは、この課題に対する洗練されたソリューションを提供します。電子と化学的方法を使用して電池に電気エネルギーを貯蔵することにより、このエネルギーはEV充電を強化したり、電力のピークを平滑化してグリッドを安定させたり、停電時にバックアップ電力を供給したりするために使用できます。

電気自動車 (EV) の充電ニーズに関して、自宅でのゆっくりとした夜間充電はシンプルな壁面ボックスを使用すること、または太陽光発電システムや蓄電池を備えた住宅の場合はマルチキロワットのDC充電器を使用することで実現できます。EVが走行中の場合、公共充電ポールを通じた急速充電や、将来の燃料補給ステーションでの超高速充電により充電することが可能です。

断続的な電力負荷が特徴の未来において、EVや太陽光や風力などの断続的なエネルギー源を電力網に統合することには課題があります。例えば、EVのような断続的な負荷は、より高い電力ピークに対応するために送電線のアップグレードを必要とします。

すべての潜在的な用途を考慮すると、エネルギー貯蔵システム市場は、発電量で1,000 GW、容量で2,000 GWhを2045年までに超えると予測されており、現在の10 GW/20 GWhから劇的に増加します。この成長の中で、EV充電インフラ向けのエネルギー貯蔵システムは大きな市場機会を表しています。

民間および公共のAC充電インフラは簡単ではあるものの、電力が制限されています。レベル1のAC充電器は120Vで最大出力2kW、レベル2の充電器は240Vで20kWまで対応します。どちらの場合でも、車載充電器がACからDCへの変換を処理します。壁設置型AC充電ステーションは、充電器というよりもメータリングおよび保護装置としての機能を果たします。コスト、サイズ、および重量の制約により、自動車用の車載充電器は通常20kW未満に調整されています。

対照的に、DC充電はより高出力なEV充電を可能にします。レベル3充電器は最大450 V DCおよび150 kWで評価されており、最新のスーパーチャージャー（レベル4に相当）は800 Vを超え、350 kWに達します。安全性の観点から、出力コネクタが車両に接続される際、電圧制限は1,000 V DCに設定されています。DC充電器では、充電装置内で電力変換が行われ、DC出力は直接装置から車両のバッテリーに接続されるため、車載充電器が不要となり、スペースと重量が削減されます。しかし、EV充電インフラがまだ断片的で地域や国によって異なる移行期において、ほとんどのEVには必要に応じてACコンセント充電が可能な小型の11 kW車載充電器が搭載されています。

現代のパワーエレクトロニクス設計では、シリコンカーバイド (SiC) パワーMOSFETを基盤としたコンバータが高効率を達成します。シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) と比較すると、最大負荷で5%、部分負荷では20%効率が向上します。例えば、効率が5%向上した500 kWの太陽光発電インバータの場合、損失が25 kW減少するか、出力が25 kW増加します。これは、5世帯分のエネルギー消費量や、夏季に充電ステーション建物の冷却や温水供給を行う大規模なヒートポンプの出力に相当します。

DC充電ポールおよびエネルギー貯蔵システム用充電器では、2つの設計アプローチが考えられます。一つは定格が100 kWを超える大型モノリシック型パワーコンバーターを使用する方法、もう一つは定格25 kWから50 kWの小型コンバーターを複数並列で使用する方法です。これら両方のソリューションにはそれぞれ利点と欠点があります。現在では、スケールメリットおよび設計の簡易化の観点から複数の小型コンバーターが市場で優勢となっています。しかし、インテリジェントなエネルギー管理システムが不可欠です。

これらのDC-DCコンバータの場合でも、シリコンIGBTからSiC MOSFETへの切り替えは、効率の大幅な向上、省スペース化、重量軽減をもたらします。ただし、現在25%高いコストがかかり、今後5年以内に5%まで下がると予測されています。効率の向上だけでも、このコスト増を相殺することができます。PFCインバータでは、1 MWで5%の効率向上が50 kWの節約に相当し、システム全体で合計250 kWの節約となります。これは、追加の充電スタンドを設置することや、実際の負荷需要に対するエネルギー消費のバランスをより良くすることに相当します。

SiC MOSFETの駆動方法は、必要なスイッチング周波数を達成するための重要な要素であり、それによりシステム設計コスト（MOSFET、コイル、インダクタの影響を受ける）と効率のバランスを取ることができます。設計者は50 kHzから250 kHzのスイッチング周波数を目指しています。ゲートドライバの要件はますます厳しくなっており、特に伝播遅延の短縮や短絡保護の改善に重点が置かれています。

電力駆動アプリケーションの需要を満たすために、ADIは先進的なiCoupler® 技術を採用した絶縁型ゲートドライバ「ADuM4136」を提供しています。この絶縁技術により、150 kV/µsの共通モード過渡耐性（CMTI）が可能となり、SiC MOSFETを数百kHzで駆動できます。障害管理のためのデサチュレーション保護などの機能を備え、設計者は1,200 Vまでの単一または並列のSiC MOSFETを確実に駆動することができます。ADuM4136はIGBT駆動に最適化されており、必要に応じて負のゲートドライブを含む単極または双極の二次電源をサポートします。

アイソレートゲートドライバには電源が必要です。ADuM4136ゲートドライバとLT3999プッシュプルコントローラの組み合わせは、SiC MOSFETを管理するための低ノイズで高効率な構成要素を形成します。LT3999は、ADuM4136用の双極アイソレート電源を制御します。その超低EMIノイズ設計と最大1 MHzのスイッチング周波数により、コンパクトでコスト効率の高いソリューションを実現します。 

LT3999には、2つの位相反転して動作する1 Aの電流制限定電スイッチが含まれています。デューティサイクルはプログラム可能で、出力電圧の調整が可能です。スイッチング周波数は最大1 MHzに設定でき、外部クロックと同期させることで正確な高調波制御が可能です。入力動作範囲は、精密な低電圧および過電圧ロックアウトにより構成されます。シャットダウンモードでは、供給電流が1 µA未満に低下します。ユーザー定義のRC時定数により、起動時の突入電流を制限することで調整可能なソフトスタートを提供します。LT3999は、10ピンのMSOPパッケージまたは露出パッド付き3 mm × 3 mm DFNパッケージで提供されます。

正確なモニタリングのために、総測定誤差が2.2 mV未満の、最大18セルのセルをサポートするバッテリーモニタリングICとしてLTC6813-1を利用できます。18セルすべてを290 µsで測定可能で、ノイズ削減のために低いデータ取得レートも利用可能です。0 Vから5 Vの測定範囲は、ほとんどのバッテリー化学に適しています。複数のバッテリースタックモニタを直列に接続して、長い高電圧バッテリーストリングを同時に監視することが可能です。各モニタには、高速、RF耐性、長距離通信を実現するアイソレートされたシリアルペリフェラルインターフェース（isoSPI）が備わっています。複数のデバイスが単一のホストプロセッサの接続でデイジーチェーン接続され、デイジーチェーンは双方向に動作することで、故障が発生した場合でも通信の完全性が確保されます。このICは、バッテリースタックまたはアイソレートされた電源から直接電力を供給できます。個別のPWMデューティサイクル制御を備えたパッシブセルバランシング、オンボード5 Vレギュレーター、9つの汎用I/Oライン、および消費電流を6 µAに抑えるスリープモードを搭載しています。

BMSの性能に影響を与える前にシステムノイズを軽減するために、スタックモニタのコンバータは、ノイズの多い環境向けに6つのユーザー選択可能なフィルタオプションを備えたシグマデルタ (Σ-Δ) トポロジーを採用しています。Σ-Δアプローチは、変換ごとに複数のサンプルを平均化することで、EMIとトランジェントノイズを本質的に低減します。ADIのポートフォリオでは、LTC681xおよびLTC680xファミリがバッテリースタックモニタの最先端を代表しており、18チャンネルのLTC6813は顕著な例です。

将来のDC急速充電インフラの課題への対応は、電力変換とエネルギー貯蔵システムにかかっています。ADIのエネルギー貯蔵システム向けソリューションは、物理現象を確実に検知、測定、接続、解釈、保護、そして電力供給し、先進的なアルゴリズムに信頼性の高い堅牢なデータを生成します。EV充電インフラにおいて、これらのアルゴリズムは再生可能エネルギーを利用可能な電力に変換するプロセスを最適化し、システム効率を向上させます。