EVの急速充電の全体像

著者:  Oriol Fillo  - 06-29-2021 

E - モビリティ普及の見通し

E - モビリティ、電動パワートレイン、車両の電動化技術は、古くから存在しています。実際、最初の電気自動車(EV)が登場したのは19世紀後半のことでした。しかし、近年、特に20世紀末には、この代替燃料技術への関心が再燃していました。気候への影響を軽減するために、業界では内燃機関(ICE)車からの移行が進んでいます。 ICE車は、環境を著しく汚染し、気候変動の主な原因となっている、ますます希少になっている資源である石油を燃料としています。この3〜5年の間には、規制の導入、インフラの整備、プラグインハイブリッド車(PHEV)やバッテリ車(BEV)のラインナップの拡充に加えて、具体的なアクションを伴うe - モビリティ・エコシステムが一貫して普及しているとは言えず、最終的にはEVが広く市場に受け入れられるようになっています。

 

図1. 19世紀末のEV

 

その背景には、世界の自動車メーカーに課せられた排出ガス規制があります。欧州では、昨年(2020年)から施行された規制強化策により、これに従わない自動車メーカーの収益に深刻な影響を与える可能性があります。[1] これらの規制は、今後数年間で徐々に厳しくなっていきます。自動車メーカーが迅速に動き、BEVモデルのパレットを増強しているのも不思議ではなく、実際の予測では2025年までに300モデルが路上を走ることになります。[2] [3]

 

消費者側では、政府がここ数年、代替燃料車への移行を促進するために、xEVの所有者にさまざまな特典を提供してきました。税金の免除、駐車場や充電サービスの無料化、高所作業車(HOV)レーンの利用など、さまざまな特典を提供しています。

 

図2. 製造日ごとのBEVの市場投入数

出典: McKinsey/IHS Automotive(2019年7月)

 

さらに、ごく最近の状況の変化に目を向けると、COVID-19は、ロボット化、5Gとコネクティビティ、そしてもちろんE - モビリティなど、舞台裏で硬化しているトレンドをインキュベートするためのアクセラレータであり続けています。特に、複数年にわたる投資計画では、官民ともに新技術やイノベーションを優先しています。これらの力が、特に現在の欧州でのEVおよびPHEVの販売台数の増加に拍車をかけています。普及率、市場成長率、商品数では中国が先行していますが、ここ数カ月は欧州が販売台数で中国に追いつき、全体で140万台(前年比137%増)に達しました。中国は134万台、米国は33万台にとどまっています。[4] [5] [6]

 

 

図3. 2020~2024年のxEV販売台数の予測

COVID-19インパクト前の2020年に発行されたレポートより

出典:IHS, Omdia, 2020.

 

急速なEV充電インフラ:需要が大きく伸びている

xEV の導入を促進する直接的なインセンティブや施策に加えて、E - モビリティへの移行を促進する全体的な環境の変化があります。歴史的に見て、新しいモデルへの進化を妨げる根本的な障害がありました。最も顕著なものは、航続距離に対する不安、xEV車の価格(ICEの「プレミアム」カテゴリーの価格帯に属する)、そして最後に、従来の自動車のタンクにガソリンを入れる(シンプルでよく知られたコンセプトで、短時間で完了する)のと比較した場合のバッテリの充電時間です。航続距離への不安は、バッテリ容量の増加と車両のkWh/km比率の向上によって解決されています。近年、BEVの価格は着実に低下しており、前節で述べたようにモデルの種類が増えたこともあって、より一般的な大衆車のカテゴリーに近づいています。

最後に残るハードルは充電時間です。遅いシステム(実質的に最大22kWまで)と速いシステム(22~400kW以上を対象)が共存しています。特に、低速充電システムは、一般家庭や公共の駐車場、職場の駐車場などで、すでに比較的広く普及しています(図4)。一方、急速充電システムは、多額の投資を必要とする専用の電気インフラを必要とするため、主に公共施設や商業施設、充電ステーションで利用可能です。低速充電の最高出力では、システムは50~60分程度で航続距離を100km延長することができますが、それでも一般家庭に簡単に配備することはできません。低出力側では、1.4~3.7kW(地域や適用される規制によってはさらに高出力になる可能性もある)のレートが、標準的なコンセントに直接接続された専用ケーブルを使用した場合に、家庭や個人で可能ですが、100kmの走行距離を追加するには約5時間(3.7kWの場合)かかります。一方、急速充電システムでは、この航続距離を10分以内に実現できます。かなりの割合の運転者やユースケースでは、低速充電が実現可能なソリューションになるかもしれませんが、すべての人、すべての状況で使えるわけではないことは明らかです。

 

図4. 2019年、国別の民間および公共のアクセス可能な充電器(IEA2020)

 

したがって、効果的で持続可能なE - モビリティへの移行には、道路上のBEVの増加に合わせて高速充電インフラを展開することが必要となります。量的な面だけでなく、定格電力の面でも充実されなければなりません。高出力であればあるほど充電時間は短くなります。これは、バッテリの容量が増加し、その技術が向上することで、より高いピーク出力(より速い充電速度)が可能になることを意味しています。急速充電器の成長予測では、2020年から2027年までの間に、数量で31.8%、市場規模で39.8%の年平均成長率が予測されているのも不思議ではありません。[9]  図4は、2019年における世界の低速充電器と高速充電器の分布を示しています。

 

AC充電かDC充電か:あいまいな境界線

E - モビリティを語る際、充電に使用するケーブルやコネクタを「チャージャ」と呼ぶことが非常に多くあります。交流(AC)コンセントに、充電用の電線を接続して車両を充電するためのインタフェースとなる専用のハードウェア機器(通称「ウォールボックス」)がある場合は「充電器」と呼ばれますが、「充電器」が電力変換を行う実際の機器であるとすると、上記の要素は「充電器」ではないことになり、混乱することがあります。

AC充電と直流(ダイレクトカレント、DC)充電は単純な概念ですが、前述のような理由で曖昧になりがちです。要するに、車両の充電ポート(バッテリではない)への電力の伝達モードの違いです。交流充電モードでは、グリッドからの交流電力がACコンセントや充電スタンドを介して車内に供給されます。車はオンボードチャージャ(On-Board Charger、OBC)(ここでは電力変換があるのでチャージャと呼ぶのが適切)を介してAC/DC電力変換を管理し、DC電圧と電流をバッテリに供給します。一方、DC充電モードでは、AC-DC変換は車外のオフボードチャージャ(ここでもチャージャと呼ぶ)によって行われます。図5は、電気自動車のさまざまな充電方法を示しています。DC充電の電力定格には幅広いスペクトルがあります。

車外ではスペース、重量、温度の制限がはるかに緩いため、DC充電の定格電力には幅広いスペクトルがあります。そのため、直流充電は11kW以下から最大400kWまでの範囲で行うことができます。もちろん、これらの範囲に入るユースケースは非常に異なるかもしれません。もう1つ注目すべき点は、すべての自動車が高い直流電力レベルでの充電に対応しているわけではないということです。最近の多くの自動車は、通常、DCモードで少なくとも50kWのレートをサポートしています。

 

 

図 5. AC 充電と DC 充電のコンセプト図

出典:Yolé Development

 

AC充電は、その電力制限(一般的には最高値で22kW)と充電に必要な最小時間のため、一般的には「低速充電」と呼ばれています。交流の高出力域(11~22kW)は、「高出力AC充電」や「高速AC充電」と呼ばれることもありますが、実際の定義はありません。一方、22kWから400kWまでのDC充電器は「高速」とみなされています。「超高速」という言葉は、50kW以上の出力にも使われますが、実際には明確な線引きや定義はありません。現在、最も一般的に使用されているDCパワーレンジは22~150kWで、200~350kWのパワーレンジも増えてきています。

200~350kWの範囲が人気を集めています。高速・超高速のDC充電器は、一般的には、送電網への三相電力接続が可能な専用の場所でのみ公に利用できます。これまで高速道路沿いに多く見られた充電ステーションには、複数の超高速充電器(各150kW以上)が設置されている場合があります。このような施設では、グリッドからの専用高圧トランスが必要となります。

 

充電速度と充電時間

現在の充電時間の目安を知るためには、簡単な計算が必要です。60kWh のバッテリを搭載した車両(現在発売されているBEVの搭載バッテリは 30~120kWh)[10] と、100kW の DC 充電器を考えると、以下のようになります。

充電時間=有効電池容量(注1)[kWh]/平均充電電力[kW] 満充電時の走行距離

=有効電池容量(注1)[kWh]/効率[kWh/100km] 60kWh/100kW

=36分

60 kWh / (18 kWh/100 km (注2)) = ~ 333 km

(注1)この試算では、バッテリの全容量を考慮しています。完全な「有効」容量に制限があるEVもあるかもしれません。

(注2)一般的な値であり、各車両の特性に依存します。通常は12-23kWh/100km
の範囲になります。

現在発売されているすべての車両が100kWまでの直流充電に対応しているわけではないことを考慮する必要があります。現時点で発売されているモデルの実際のばらつきは、通常、50kW以下から250kW以上の範囲となっています[11]。同様に、kWh/100kmの比率で測定される車両の効率にも、顕著なばらつきがあるります。複数のBEVに関する詳細な情報を提供するデータベースがあります [12]。さらに、バッテリの充電状態(SOC)の上昇に合わせて定格を制限する必要があるため、充電プロセスに沿った平均電力は、自動車が受け入れるピーク電力とは等しくありません。

いずれにしても、上記の例はICE車と比較するための指標となります。EVを平均100kWhで充電した場合、333kmの航続距離を得るためには36分、100kmの航続距離を得るためには約10分かかります。従来のICE車では、同じ操作をしても3〜5回で満タンになります。これだけの数字を見れば、市場が急速に進化し、350kWを超える充電電力を可能にする高出力ソリューションがEVSE(electric vehicle supply equipment。電気自動車用サプライ機器)側と車両側の両方に求められているのも不思議ではありません。市場では、350kWを超える高出力ソリューション(EVSE側、車両側)が急速に進化しています。

 

DC充電器の規格とプロトコル

ACおよびDC充電技術を規制・標準化し、E - モビリティをサポートする互換性のあるEVSEエコシステムの開発を促進するために、いくつかの規格やIEC規格が開発されています。これらは、可能な限りグローバルなフレームワークを設定し、協会や業界がプロトコルやEVSEを開発するのに役立っています。とはいえ、世界中でさまざまな組織による複数の規格や実装が共存しているため、些細なトピックであるとは言い切れません。

トップダウンのアプローチで、いくつかの重要な規格(および発行組織の本部所在地)を挙げると、以下のようになります。

  • IEC-68151(スイス)
  • IEC-62196(スイス)
  • IEC 61980 (スイス)
  • ISO17409:2020 (スイス)
  • SAEJ1772 (米国)
  • GB/T18487 (中国)
  • GB/T20234 (中国)
  • GB/T27930 (中国)

 

これらの規格を採用した実際の充電プロトコルやエコシステムを見てみると、世界的に普及しているDC充電の実装は、CHAdeMO(「charge de move」の略)、CCS(Combined Charging System)、Tesla Superchargerの3つです。中国では、唯一標準化されているプロトコルはGB/Tであり、これもこの地域限定のものです。次項では、これらのプロトコルや規格の特殊性について説明します。

 

DC充電の重要な規格にはどのようなものがあるか?

 

IEC 61851:国際電気標準会議(IEC)は、前項で挙げたいくつかの規格を策定しています。IEC 61851は、「Electric Vehicle Conductive Charging Systems」を意味し、電気自動車の充電に関するIECシリーズの中心となるものです。1000VまでのAC充電や1500VまでのDC充電など、電気自動車の導電性充電システムのさまざまなトピックに焦点を当てています[13]。この規格では、4つの異なる充電「モード」が定義されており、最初の3つの「モード」(1~3)はAC充電を、「モード」4はDC充電を対象としています。IEC 62196 は、「プラグ、ソケット・アウトレット、車両用コネクタ、車両用インレット」を定義しています。IEC 61980 は「EVワイヤレスパワートランスファー(WPT)システム」を規定しています。ISO17409:2020 は、国際標準化機構(ISO)によるEV充電に関する基本規格で、上述のIEC 61851 を独占的に補完するものです。この文書は、IEC 61851-1 で定義された充電「モード」2,3,4の「Electrically Propelled Road Vehicle - Conductive Power Transfer - Safety requirements」に対応しています。

 

図6. IEC-61851 で定義されている充電の「モード」の表現

モード 4 は DC 充電を定義

出典:フエニックス・コンタクト、SAEJ1772

 

北米では、SAEJ1772(AC および DC 充電をカバー)が規定されています。この規格では、1000V で 400kW までの DC 充電を規定しています。IEC-61851 の充電「モード」とは異なり、SAEJ1772 は充電「レベル」を設定し、次のように定義しています。「ACレベル1」、「ACレベル2」、「DCレベル1」、「DCレベル2」(2017年改訂)。ここで重要なことは、「レベル3」の充電は依然として未定義の用語であり、広く(かつ誤解を招くような)DC充電を指す言葉として使われていることです。「ACレベル3」については実際のプロジェクトがあり(完全には開発されていないものの)、「DCレベル3」についても議論されています。いずれにしても、これらは異なる概念であり、DC チャージングの同義語として使われることはありません。さらに、異なる地域や組織の規格が絡み合うこともあります。SAEJ1772では、まずAC充電用のコネクタタイプ(「SAEJ1772コネクタ」と命名)が定義され、主に北米で使用されています。その後、IEC-62196が同じコネクタを採用し、IEC-62196 Type1としたのに対し、欧州ではAC充電用にIEC-62196 Type2が使われています。IECコネクタ(タイプ1とタイプ2)は、同じSAEJ1772信号プロトコルを使用しているため、自動車メーカーは市場に応じてSAEJ1772-2009インレットまたはIECタイプ2インレットを搭載した車を販売しています。

 

DC充電プロトコル

前のセクションで紹介したように、世界で普及している充電プロトコルは主に3つあります。

 

CHAdeMO(チャデモ):2010年に日本で設立された団体で、同名のEV充電プロトコルを開発しています。このプロトコルと組織は、日本の主要な自動車メーカーとその他の業界関係者によって支えられ、推進されています。日産自動車、三菱自動車、トヨタ自動車、日立、ホンダ、パナソニックなどが参加しており、ヨーロッパの企業も参加しています。プロトコルは、前述のIEC6185-1、-23、-24およびIEC62196規格に基づいており、専用のコネクタを定義して使用します(図7)。プロトコルはCHAdeMO0.9からCHAdeMO2.0まであります。CHAdeMO1.2(2017年)とCHAdeMO2.0(2018年)は、それぞれ200kW / 500Vと400kW / 1000Vをサポートしています。CHAdeMOは、中国電力委員会(CEC)と共同で超高出力充電規格「ChaoJi」 [14]を策定し、900kWの充電器を目指しています。このコラボレーションは、超高速充電器のための最初の世界的なプロトコルになることも目指しています[15]。 2020年5月、CHAdeMOは、世界中に設置された急速充電器が32,000 台に達したことを報告しました[16]。そのうち14,400台はヨーロッパに設置されています。

 

図7. 急速DC充電器のコネクタの種類。

テスラは、北米などでは独自のコネクタを採用している。
欧州などCCSやCHAdeMOのネットワークが整備されている地域では、
これらのシステムに対応している。

出典エネルクス

 

CCS(Combined Charging System):欧米の自動車メーカー(フォルクスワーゲングループ、アウディ、BMW、ダイムラー、フォード、ゼネラルモーターズ、ボルボなど)やEVSEインフラメーカー、その他の業界関係者(Mennekes、Phoenix Contact、TÜV SÜDなど)が中心となって開発・推奨しているもう一つのDC急速充電プロトコル・システムで、アジアのメーカーも参加しています。これらの団体のほとんどは、正式にはCharIN協会として組織され、プロトコルの開発と普及に責任を持っています。CCSシステムは、IEC、SAE、ISOの各規格に準拠しており、以下の特徴があります。

を提供しており、350kWについても準備中です[17]。本稿執筆時点(2021年3月)で、CharINのウェブサイトには、33,800以上のDC充電ポイントが配備されており、次のような電力範囲に分布しています。50kW 未満が 6%、50kW が 58%、150kW が 29%、250kW が 7% です。CSSでは、DC充電用のコネクタとして、コンボ1とコンボ2(図8)を規定しています。これは、元々のAC充電用のコネクタ(タイプ1とタイプ2)をベースに、DC電流用の2ピンのソケットを追加したものです。このように、車両に搭載された独自のソケットタイプ(地域ごと)によってDC充電とAC充電の両方を可能にします。CharINのヨーロッパのメンバーのほとんどは、IONITYという名前のジョイントベンチャーに参加し、ヨーロッパ全体の急速充電ステーションネットワークの開発と展開を目指しています。

 

図8. AC、DC(CHAdeMO)、DC(CCS)の各コネクタを持つ充電ステーション

 

Tesla Supercharger (テスラスーパーチャージャ):Tesla社が独自に開発したDC急速充電器で、同社の車両のみを対象に独自の充電器ネットワークを展開・運営していますが、他のEVメーカーとの契約も始まっている。本稿執筆時点(2021年3月)で、Teslaは全世界で2,000カ所の充電ステーションに20,000台以上のスーパーチャージャを設置していると報告しています。テスラのスーパーチャージャは現在、2019年6月以降、最大充電電圧は480V、ピーク電力はバージョン1(V1)とバージョン2(V2)ともに72kWと150kW、バージョン3(V)は250kWで展開されています[18]。コネクタについては、テスラのスーパーチャージャは、北米では独自のソリューション(図7)を使用しています。世界の他の地域では、車両がCHAdeMOやCCS用のアダプタを提供しているか、すでにそのようなソケットタイプが装備されています。欧州では、Model S/X用にIEC 62196 Type 2とCCS Combo 2用のアダプタを、Model 3用にCCS Combo 2を提供しています[19]

 

高速 DC 充電のユースケースとコンフィギュレーション

これまでのセクションでは、高速 DC 充電について説明してきました。

  • 急速充電とは何か、何ではないか
  • 電力と電圧のレベルと充電時間
  • 既存の規格とプロトコル

このセクションでは、技術的に一歩踏み込んで、a) 実際のDC充電器が配置されている構成、b) E – モビリティの礎となっている「ボンネットの中」の重要なパワーエレクトロニクスを紹介します。当然のことながら、電気自動車の高速DC充電は、電気自動車に次ぐパワーエレクトロニクス分野のイノベーションの推進力であり、SiC (シリコンカーバード、炭化ケイ素)などの新しいパワーテクノロジが最も急速に採用されている市場の一つでもあります。

 

DC充電器のインフラ構成

DC EVSEが導入される最初の、そして最も一般的なユースケースは、グリッド(送電網)からEVのバッテリまでのエンドツーエンドのシステムです(図9)。このユースケースは、コンバータを複数台設置した充電ステーションと、単独の充電ポイントの両方で見られます。複数の急速充電器や超急速充電器を備えた充電ステーションでは、電力を確実に、かつ途切れずに供給するために、最大1MW(およびそれ以上)の高圧系統絶縁変圧器が必要になります。

これらの充電器の内部は、フロントエンドのAC-DC三相アクティブ整流ステージで構成されており、PFC (Power Factor Correction:力率改善)を行い、DCリンク電圧レベルを上昇させます。その後、絶縁型のDC-DC変換ステージが、EVのバッテリのニーズに合わせて出力電圧と電流を調整します。

図9にシステムブロックを示す。効率とサイズを両立させるために、より高電圧のシステムが求められています。これは、中間バス電圧(PFCとDC-DCコンバータの間)だけでなく、出力電圧についても同様で、800V以上のEV用バッテリが一般的になりつつあります。

このような高出力・高電圧アプリケーションには、高耐圧、低RDSONと低ダイナミックロス、そして優れた熱特性を持つSiCモジュール技術が有効です。損失の低減、スイッチング周波数の向上、熱放散の向上により、受動部品の小型化、冷却の必要性の低減など、システムの小型化が可能になります。これらのユニークな特性により、SiCモジュール技術は、高効率で電力密度の高いコンパクトな高速DC充電ソリューションを実現する重要な要素となります。急速充電器の内部モジュール性も注目すべき点で、ほとんどのシステムが15〜75kWのサブユニットを重ねて搭載しています(図9)。これにより、システムの柔軟性と堅牢性が向上し、製造が容易になります。

 

図9.高速DC EVチャージャの構成図(左)と、複数の電力段を積層した高出力DC EVチャージャ(右)

 

E - モビリティーが市場に浸透し、交通手段の重要な部分を占めるようになると、第二のEVSEの配置形態に、エネルギー貯蔵システム(energy storage systems、ESS)の統合が含まれます。このユースケースでは、主に太陽光発電などの再生可能な分散型エネルギー資源(distributed energy resources、DER)の統合も可能です。この種のインフラは、充電ステーションが消費の中心となり、高いピーク電力を必要とするE – モビリティ環境を維持するための重要な柱となるでしょう。例えば、定格100kWの充電を5回行うと、ピーク電力はハーフMWになります。このようなピーク電力を、地域全体に普及している複数の充電ステーションで維持することは、送電網(グリッド)だけでは現実的に不可能です。日中、確実にエネルギーを供給できるようにするために、エネルギーはグリッドから供給され、谷間の時間帯に高電圧ESSに転送されます。さらに、太陽光発電は蓄電されたエネルギープールをサポートし、エネルギーレベルの維持に役立ちます[20]

 

図10. EV充電ステーションへのエネルギー貯蔵と太陽光発電の統合の可能性を示すブロック図

このような構成では、整流PFCステージとDC-DCステージが別のユニットとする、異なるアーキテクチャのDC充電器が必要になります。図10は、そのような設置例を示しています。フロントエンドでは、三相PFC昇圧ステージ(AC-DC)がグリッドからの電力をDC BUSに供給します。後段では、太陽光発電によって生成され、SC-DC双方向コンバータで供給されたエネルギーを、EV充電器(DC-DCコンバータ)に供給したり、ESSに蓄えます。車両に接続された降圧型DC-DCコンバータは、その出力電圧をバッテリに五感の電圧レベル400V〜1000Vに適応させます。

 

急速DC充電器の一般的なトポロジとパワーデバイスとは?

前のセクションでは、DC高速EV充電器の標準的なインフラ構成と、将来的に想定されるインフラ構成を紹介しました。ここでは、高速DC EV充電器に使用されるAC-DCおよびDC-DCの代表的な電力変換器のトポロジとパワーデバイスの概要を紹介します。

アクティブ整流型三相PFC昇圧トポロジ

フロントエンドの三相PFC昇圧ステージは、複数のトポロジで実装される可能性があり、複数のトポロジが同じ電気的要件を満たす可能性があります。これらのトポロジごとの長所と短所、および動作についての詳細な概要と考察は、「Demystifying three-phase PFC topologies (三相PFCトポロジの解明)」で紹介しています。図11は、高速DC EV充電アプリケーションにおける一般的なPFCアーキテクチャを示しています。これらのトポロジの最初に区別されるのは双方向性です。T-NPC(T-Neutral Point Clamp)トポロジとI-NPCトポロジは、ダイオードの一部をスイッチに置き換えることで、双方向動作に適しています。6スイッチのアーキテクチャは、それ自体が双方向性です。

 

図11. EV高速充電用の典型的な三相力率改善(PFC)ブーストトポロジ

T-NPC(左上)、6スイッチ(右上)、I-NPC(下)

 

さらに、パワーデバイスの設計や定格電圧に影響を与える重要な要素として、アーキテクチャのレベル数があります。6スイッチトポロジは2レベルのアーキテクチャで、通常は高速DC EVチャージャ用の900Vまたは1200Vのスイッチで実装されます。ここでは、特に1ブロックあたり15kWを超える高出力の場合には、低RDSon(6~40mQ)のSiC MOSFETモジュールが推奨されるソリューションとなります。このような集積化は、ディスクリート部品のソリューションよりも優れた電力性能を示し、効率の向上、設計の簡素化、システム全体のサイズ縮小、信頼性の最大化を実現します。T-NPC(T-Neutral Point Clamp)は、3レベルのトポロジで、1200V レクティファイヤ(整流器、双方向フォーマットのスイッチに置き換え)を使用し、ニュートラルパスに650Vのスイッチを背中合わせに配置しています。I-NPCは3レベルのアーキテクチャで、650Vのスイッチで完全に実現できると考えられます。650V SiC MOSFETまたはco-packダイオード(同一パッケージ内にダイオードを内蔵)のIGBTは、これらの3レベルトポロジの優れた代替ソリューションとなります。

 

図12. ハーフブリッジ、1200 V, 10 mQ のF1-2 PACK SiC MOSFETモジュール

 

DC-DCトポロジ

DC-DC変換ステージを見ると、次の3つの主要な絶縁トポロジが採用されています。
(1) フルブリッジLLC共振コンバータ、(2) フルブリッジ位相シフトDAB(Dual Active Bridge)ZVT(Zero Voltage Transition)コンバータ、(3) フルブリッジ位相シフトZVTコンバータ(図13、14、15)。

 

フルブリッジ型LLC共振器

LLCコンバータは、一次側でZVS(Zero Voltage Switching)を実現し、共振周波数以下では二次側でZCS(Zero Current Switching)を実現することで、共振周波数付近で非常に高いピーク効率を得ることができます。純粋なFM変調方式では、システムの動作点が共振周波数から離れるとLLC効率が低下します。しかし、最新のハイブリッド変調方式では、PWM(Pulse With Modulation)とFMを組み合わせることで、最大周波数の暴走と高い損失を抑制することができます。しかし、このハイブリッド変調方式は、LLC制御アルゴリズムを複雑にしています。さらに、LLCコンバータを並列に接続して電流を共有し、同期させることは容易ではありません。一般的に、比較的狭い電圧範囲での動作が可能な場合や、FMとPWMを組み合わせた高度な制御戦略を実装するための開発技術がある場合、LLCは他の追随を許さない設計となります。最高の効率を実現できるだけでなく、あらゆる観点から非常に優れたソリューションとなります。LLCは、CLLCとして双方向フォーマットで実装することができ、これもまた洗練されたトポロジです。

 

図13. フルブリッジLLCコンバータ

 

フルブリッジ・位相シフト・DAB ZVTコンバータ

二次同期整流トポロジによる位相シフト型フルブリッジDABも非常に典型的です。これらはPWMで動作し、一般的に必要な制御はLLCコンバータよりもシンプルです。DABは、従来のフルブリッジ型位相シフトZVTコンバータを進化させたものと考えることができますが、1次側に漏れインダクタを配置することで、面倒な2次側の整流を簡略化し、2次側のスイッチやダイオードに必要となる降伏電圧を低減しています。また、ZVTを実現することで、広い出力電圧範囲で安定した高効率を実現しています。これは、800Vや400Vのバッテリ電圧に対応した充電器にとって好都合な要素です。DABのPWM動作にはメリットがあります。まず、コンバータの電磁干渉(EMI)スペクトルをFMシステムよりも狭く保つ傾向があります。さらに、スイッチング周波数が固定されているため、低負荷時のシステムの挙動にも対応しやすい。同期整流で実装されたDABは、双方向のネイティブトポロジであり、最も汎用性の高い選択肢の1つであり、高速EVチャージャに適したソリューションです。

 

 

 

図14. フルブリッジ型位相シフトDAB ZVTコンバータ

 

フルブリッジ・位相シフトZVT(Zero Voltage Transition)コンバータ

一方向動作では、従来のフルブリッジ型位相シフトZVT(図15)が、普及率を下げながらも依然として利用されています。このトポロジはDABと同様に動作しますが、2次側に配置されたインダクタによって整流動作に大きな違いが生じます。インダクタは、ダイオードに高い逆電圧をかけますが、これはデューティサイクルに比例・反比例するため、動作条件によっては、出力電圧の2倍や3倍を超える逆電圧がダイオードにかかることがあります。このような状況は、高出力電圧システム(EV充電器など)では対処が困難な場合があり、通常、複数の二次巻線(出力電圧が低い)が直列に接続されています。このような構成はあまり便利ではありません。特に、電力と電圧の定格を考慮すると、単一の出力を持つ別のトポロジの方が同等以上の性能を発揮できる場合があります。

SiCモジュールは、上述のDC-DC電力変換ステージのフルブリッジに非常に適した一般的なソリューションであり、15kWから使用できます。高い周波数の対応が可能になることで、トランスやインダクタのサイズが小さくなり、ソリューション全体のフォームファクタが小さくなります。

 

 

 

図15. フルブリッジ型位相シフトZVTコンバータ

 

トポロジのバリエーション

ここで説明したトポロジには複数のバリエーションがあり、それぞれにメリットとデメリットがあります。図16は、EVの急速充電に使用されるフルブリッジLLCコンバータの一般的な選択肢を示しています。位相シフトでは、スイッチが入力電圧の半分以下になり、600Vと650Vのブレークダウン電圧のデバイスが使用されています。650V SiC MOSFET650V SuperFET3 Fast Recovery (FR) MOSFET650V FS4 IGBTは、異なるシステム要件に対応するのに役立ちます。同様に、一次側のダイオードと整流器にも650Vの定格電圧が必要となります。この3レベルアーキテクチャは、ユニポーラスイッチングを可能にし、ピーク電流と電流リップルの低減に貢献し、結果としてトランスの小型化につながります。しかし、このトポロジの主な欠点の1つは、パワースイッチの数が少ない2レベルのバージョンと比較して、制御アルゴリズムが複雑になることです。デュアルアクティブブリッジは、高速EVチャージャの電流と電圧のニーズに合わせて、一次側と二次側の両方に容易に並列接続したり、スタックしたりすることができます。

 

 

図16. 3レベルのフルブリッジLLC

一次側に積層し(各トランスには入力電圧の半分しかかからない)、
二次側に並列接続したバリエーション

 

二次側整流

二次側整流ステージについては、図15に示すように複数のソリューションが考えられ、すべて異なるトポロジで使用することができます。400Vおよび800Vのバッテリレベルでフルブリッジ整流を行う場合、650Vおよび1200VのSiCショットキダイオードが、ユニークな性能対コストのソリューションをもたらします。これらのデバイスは、ゼロ逆回復特性を備えているため、シリコンベースのデバイスに比べて整流性能と効率が大幅に向上し、損失を大幅に軽減し、整流ステージを簡素化します。HyperFast、UltraFast、Stealthのようなシリコンベースのダイオードは、性能や複雑さを犠牲にしても、コストが非常に厳しいプロジェクトにおいて代替品として機能する場合があります。センタータップ整流のソリューション(図15)は、高電圧出力の整流ステージには向いていません。フルブリッジ整流の場合、ダイオードは出力電圧と同じ逆電圧に耐えられますが、センタータップ構成の場合、ダイオードはこの2倍の値に耐えられます。通常のフルブリッジ型位相シフトコンバータ(2次側にインダクタ)は、先に説明したように、整流方式(フルブリッジ整流、センタータップ整流)のいずれにおいても、より高い耐圧のダイオードが必要となります。従来のフルブリッジ型位相シフトコンバータでは、1200Vまたは1700V定格のダイオードが必要になるため、複数の出力を直列に接続することになります。

 

その他の重要な設計上の検討事項

電力変換器のトポロジやスイッチングデバイス以外にも、高速EV充電器の開発では、特に高周波で動作するSiCスイッチを使用する場合に考慮すべき重要な項目があります。

ゲートドライバシステム:

全てのトポロジに共通して、ドライバシステムは高速DC EVチャージャの重要な要素であり、システムの性能に直接影響を与えます。

アイソレーション

このテーマで最初に検討すべきことの一つが絶縁です。高速DC充電器は高出力・高電圧であるため、ハイサイドドライバにはガルバニック絶縁が必須となります。ローサイドのドライバは、安全性の観点から必ずしも必要ではありませんが、ハイサイドと同じゲートドライバシステムと回路を使用するのが一般的です。このようなアプローチは、ソリューションの実装とシステムの堅牢性の両方において、複数のメリットをもたらします。一方では、同じハーフブリッジ上のスイッチングデバイス間の遅延マッチングが有利になります。これにより、シュートスルー現象を防ぐためのPWMシーケンスとデッドタイムの制御と実装が容易になります。さらに、絶縁型ドライバは、コモンモードトランジェントイミュニティ(Common Mode Transient Immunity、CMTI)を最大化することで、システムの耐久性を向上させます。これは、SiCなどの高dV/dtで駆動する高速スイッチのワイドバンドギャップ技術を使用したシステムでは特に重要なことです。ここで重要なことは、ケルビン接続のパワースイッチは、損失を大幅に削減し、伝搬時間を向上させるため、この構成のメリットを享受するには、(ハイサイドとローサイドの両方に)フローティングまたはガルバニック絶縁されたドライバが必要になるということです。

 

オンチップの保護と機能

ゲートドライバのもう1つの重要な検討事項は、ガルバニックアイソレーション以外の機能や保護機能をオンチップで実現することです。システム要件やスイッチの種類によっては、IGBTSiC MOSFETに代表される過電流保護(「DESAT」)やミラークランプ(誤作動防止)などの保護機能が必要になる場合があります。これらの機能やその他の必要な機能を同一パッケージに含めることで、システムの小型化が可能になり、レイアウト内の寄生インダクタンスを最小限に抑えることができます。これは、SiCを使用した高スイッチング周波数システムの基本的な要件です。また、デジタル制御のシステムでは、オンボードでの保護を実現するために、内蔵型の保護機能が非常に有効です。システムの効率性に関しては、寄生ゲート容量を迅速に充放電することで高速なスイッチング遷移を可能にするために、ゲートドライバのシンク電流とソース電流の能力が重要になります。これは、SiC技術を使用する高出力アプリケーションでは特に重要であり、SiベースのIGBTSJ MOSFETよりも高速なトランジションが可能になります。

3.5kVおよび5kV定格のガルバニック絶縁ゲートドライバファミリ「NCD57XXX」および「NCD51XXX」は、複数の機能や保護機能をオンチップで搭載し、最大9Aの高駆動電流を実現することで、EV用急速充電器の開発に設計の柔軟性とシステムの信頼性をもたらします。本製品は、「NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x」、「NCP51152/7」などのシングルチャネル・ドライバと、「NCP51561, NCP51563, NCD57252/256」などのデュアルチャネル・ドライバで構成されており、あらゆるユースケースに対応します。

 

図17. ガルバニックアイソレーション・シングルチャネル
およびデュアルチャネル・ゲートドライバのブロックダイアグラム

 

ドライバの電源

ゲートドライバに関連する話題として、ゲートドライバを駆動するために必要な絶縁電源があります。SiCスイッチでは、+20V/-5Vのバイアス電圧で最高の性能が得られますが、IGBTでは通常、+15V/0Vまたは-15Vが必要です。詳細は、「Gen1 1200V SiC MOSFETs & Modules: Characteristics and Driving Recommendations (第1世代1200V SiC MOSFETおよびモジュール:特性と駆動に関する推奨事項)」をご覧ください。ゲートドライバと同様に、電源にも小型化と堅牢性が求められ、あらゆる動作条件で安定した電圧レールを確保する必要があります。「LVDCDC3064-IGBT」や「LVDCDC3064-SIC」などは、スイッチングレギュレータ「NCV3064」の周辺デバイスとして、これらのニーズを満たすのに役立ちます。

保護機能(プテクション):

高速DC EV充電のためのもう一つの重要な検討事項は、システムに必要な安全保護、特に規制によって義務付けられている保護です。人体への危険な感電を防止するために、オフボードの地絡電流(Ground Fault Current 、GFC)に対する保護が必須となっています。特に、充電回路遮断装置(Charging Circuit Interrupting Device、CCID)は、EV充電用に開発されたもので、前述のIEC 61851-1とUL 2231-1/2は、それぞれ欧州/アジアと北米での実装を規定しています。「FAN4147」と「NCS37014」のGFC遮断器は、これらの規制の要件に対応しており、安全に準拠したEVSEを開発するための既製のソリューションを提供しています。

補助電源:

補助電源ユニット(power supply units 、PSU)は、電源システムのどこにでもあり、高速DC EV充電も例外ではありません。低電圧システムに必要な通常10~40Wを供給するには、絶縁型フライバックトポロジが便利で信頼性の高い選択肢です。特に、高速EV充電では、DCバスの電圧レベルがシステム全体に影響を与える主要な要素の1つとなります。一定の電力に対するピーク電流を減らし、効率を向上させるために、この電圧レベルを上げる傾向にあります。現在、DCバスの電圧レベルは最大で800V(およびそれ以上)が一般的であり、従来のソリューションのすべてがEV充電に適しているわけではありません。ここでは、一次側の擬似共振バレースイッチ「NCP1362」や、二次側のコントローラ「NCP1252」、「NCP12700」を中心に開発されたPSUが、このようなニーズに応えることができます。スイッチ側では、高いRDSon(160mOhms)を持つ1200VのSiC MOSFETが、優れた性能対コスト比をもたらし、900VのDCシステムに最適なソリューションとして急速に採用されています。

 

すべてをボルトで固定する

本稿の最初のセクションでは、EV市場の成長がいかに加速しているか、そして、より多くのEVが道路を走るようになるにつれ、なぜ高速DC充電の牽引が必要なのか(そして、今後も牽引していくのか)を見てきました。ここ数カ月の間に、この方向性を示すニュースが急増しており、その一つが、米国大統領が発表した、2030年までに50万台のDC充電器ネットワークの計画があります[21]。最終的な目標は、E - モビリティの主流化を推進し、ICEベースの交通手段からの脱却を図り、気候変動に対処することです。急速・超急速DC充電器は、E - モビリティの重要な柱であり、家庭で利用できるAC充電器の代替品と合わせて、長時間の充電を可能にするエコシステムを完成させるために不可欠な要素です。急速に発展している新興市場であるため、急速DC EV充電器の要件やユースケースは常に変化し続けており、様々なソリューションや最適化が必要とされている分野です。これらに共通しているのは、出力、電圧レベル、効率の向上です。さらに、このようなインフラが大規模に展開され、競争環境が厳しくなり、設置のROIを最大化しなければならないため、サイズ、重量、コスト、信頼性に対する制約が厳しくなることが予想されます。SiCパワー技術が成熟し、その価格が魅力的なレベルに達していることを考慮すると、先進的なSiCパワー集積モジュール技術が活躍する場があると言えます。より高い効率と優れた熱性能により、最大400kWの充電システムを軽量・小型化し、コストを最適化することができます。SiC技術とパワーモジュールの本質的な利点に加えて、充電器の信頼性は、E - モビリティを効果的かつ広範に展開するための礎となっています。オン・セミコンダクターは、SiC技術とパワーモジュールのリーディングカンパニーであるだけでなく、品質面でも差異を有しています。オン・セミコンダクターは、SiCのサプライチェーンを完全に統合している数少ないサプライヤーの1社であり、SiCディスクリートおよびモジュール製品の最高の品質と信頼性基準を確保するとともに、卓越した運用と柔軟性を実現しています。

高速DC EV充電器ソリューションの詳細はリンク先をご覧ください。

 

追加情報と資料:

 

 

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Tags:EV charging , Industrial, MOSFET, Silicon Carbide (SiC)
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