オンボードチャージャとは?

著者:  Marc Bracken  - 10-18-2021 

電気自動車(electric vehicles、EV)は新しいものと思われがちですが、19世紀に初めて作られた自動車の中には電気自動車もありました。その後、内燃機関(ICE)の自動車が急速に普及し、EVはほとんどの場面で忘れ去られていきました。1970年代のオイルショックや、1990年代にカリフォルニア大気資源局(CARB)がゼロエミッション車(ZEV)プログラムを策定した際にはEVが注目されましたが、定着するには至りませんでした。

その後、EV市場は順調に拡大しています。充電方法の観点から見ると、EVは主に2つのサブグループに分けられます。1つ目は、ハイブリッド車(HEV)とマイルドハイブリッド車(MHEV)で、ICEや回生ブレーキ、エネルギー回収によって自らバッテリを充電します。第2のグループは、プラグインハイブリッド車(PHEV)とバッテリ式電気自動車(BEV)で、充電のために「プラグイン」が必要なタイプです。これらの車両にはオンボードチャージャ(on board charger、OBC)が必要です。

OBCは単相または三相の電源に対応し、最大22kWの電力を供給することで最速の充電を可能にします。すべてのバッテリは充電のためにDC電源を必要とするため、OBCの主な機能は主電源の入力を整流し、バッテリに適した充電電圧に変換することです(400V、あるいは最近では800V)。

 

 

OBCには大きく分けて2つのステージがあります。第1ステージは、入力電流と電圧の位相関係を維持し、ライン/グリッド電流の全高調波歪み(THD)を最小化する力率改善(PFC)ステージです。これにより、無駄な無効電力を削減し、全体的な効率を向上させます。

第2ステージは、DC-DCコンバータで、PFCステージからのDC出力をバッテリの充電に必要なレベルに変換します。コンバータの出力電圧と電流は、バッテリの健全度(state-of-health、SOH)と充電率(state-of-charge、SOC)に応じて時間とともに変化します。

OBCの中には、グリッドから車両、車両からグリッドへの電力伝送を可能にする双方向機能を備えたものもあります。これにより、エネルギー会社や顧客は、電気自動車に蓄えられている膨大な電力を「利用」し、需要のピークに対応するための追加のエネルギー備蓄を行うことができます。電気自動車の所有者は、ピーク時には電力をグリッドに販売し(したがって価格は高くなる)、オフピーク時には車両に電力を補充することで、電力会社が蓄えたエネルギーを利用してわずかな収入を得ることができるというメリットがあります。

一方向性OBCの多くは、LLCまたはPSFB(Phase Shifted Full Bridge)トポロジーを採用しています。双方向の場合は、CLLCやデュアル・アクティブ・ブリッジ(DAB)が一般的で、人気が高まっています。炭化ケイ素(シリコンカーバイド、SiC)製のMOSFETは、スイッチング損失の低減、スイッチング速度の高速化、動作温度の上昇などのメリットがあるため、採用が進んでいます。

一方向性OBCの2次側整流には、パッシブ型(ダイオードを使用)と、パワースイッチを使用して効率を高めるシンクロ型があります。双方向のOBCでは、二次側の整流は、CLLCをサポートするフルブリッジ、またはデュアル・アクティブ・ブリッジの後半部分となる必要があります。いずれの場合も、SiCデバイス(ダイオードとスイッチ)を使用することで、効率を高め、堅牢性を実現します。しかし、コスト面で最適化されたOBC設計では、電力レベル、電圧、許容される効率に応じて、スーパージャンクションのMOSFETが使用される場合もあります。

電気自動車のバッテリ容量には大きな差があるため、OBCの設計には拡張性と柔軟性が求められます。例えば、小型乗用車のバッテリ容量は通常30kWhから100kWh強であるのに対し、SUVなどの大型車では150kWhに達することもあります。今後は、充電による走行距離を伸ばすために、バッテリパックの容量を増やす傾向にあります。市場に投入される乗用車の中には、バッテリ容量が200kWhに近づいているものもあり、より大きなバッテリは、充電プロセスを早めるために800Vに移行するでしょう。

オンセミは、3.3kW~22kW、800Vまでの車載用OBCパワーステージに対応するソリューションを提供しています。その製品群には、SiC MOSFET、SiCダイオードをコパック化したハイブリッドIGBT、スーパージャンクションMOSFET、オートモーティブパワーモジュール(Automotive Power Module、APM)、SiCダイオード、ゲートドライバ、調整電力、そして車載ネットワークソリューションが含まれています。

オンセミの技術を導入することで、お客様は、幅広いEVアプリケーションに対応した柔軟なOBCおよびインフラ充電ソリューションを提供できます。

 

オンセミの車両電動化およびエネルギーインフラのソリューションの詳細はこちらをご覧ください。

SiC MOSFETを用いた11kW OBC三相PFC

 

 

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