高速で効率的なEV充電インフラの設計課題を克服する方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-10-04
マルツ掲載日：2024-01-29
電気自動車(EV)の充電ソリューションには、家庭やオフィスの充電器用の交流(AC)設計と、長時間の車での長旅で充電するための直流(DC)急速充電システムをサポートする、さまざまな電力変換技術が必要です。
あらゆるタイプのEV充電器に共通するのは、高電圧や高電流をサポートするために必要なさまざまなコンタクタ、リレー、コネクタ、受動部品が必要であること、また、EV充電インフラの高速化、安全性、小型化、効率化、柔軟性をサポートするために必要なコンパクト設計と高効率を実現することです。
効率的でフレキシブルなEV充電器を設計するには、さまざまな小型の高電圧デバイスが必要です。これらのデバイスは、信頼性が高く安全に動作し、低い電気抵抗を提供しなければなりません。場合によっては、これらのデバイスは、過酷な動作環境にさらされるため、長い電気スイッチング寿命も必要となります。
非常用遮断スイッチなど、一部の安全装置にはIP67の適合が義務付けられています。その他、電磁妨害(EMI)フィルタ、端子台、コンタクタなどは、特定の国際性能認証を取得する必要があります。
この記事では、ACおよびDCのEV充電器の設計と、関連する地域規格の概要を説明し、より高出力のEV充電器の必要性を検討し、超高速充電(XFC)の将来について考察します。最後に、EV充電システムにおけるコンタクタ、リレー、コネクタ、電力抵抗器、スイッチ、EMIフィルタ、パワーブロック相互接続システムの用途を簡単に紹介し、TE Connectivityの代表的な製品へのリンクを掲載します。
地域規格
ACおよびDCのEV充電を定義するさまざまな規格があります。各地域には独自のアプローチがあります。北米(NA)では、SAEJ1772がEV充電の3つのレベルを規定しているのに対し、欧州ではIEC61851が使用され、4つの充電モードが詳述されています。
中国での規格は交流充電、直流充電ともにGB/T20234で、日本では交流充電に日本自動車研究所(JARI)規格、直流充電にはCHAdeMO規格があります。AC充電は通常22kW程度まで使用され、DC充電はより大きな電力を供給します。
さらに、AC充電には車載用充電器(OBC)が必要ですが、DC充電器はバッテリパックに直接接続します(図1)。北米と欧州の充電規格を比較することで、充電器の設計と使用例に関する次のセクションの背景が見えてきます。
図1：AC充電はOBCを使用し、DC充電はエネルギーを直接バッテリに供給します。(画像提供：TE Connectivity)
NAには2段階のAC充電があります。レベル1は壁コンセントを使って最大1.9kWを供給し、レベル2は充電ステーションを使って最大19.2kWを供給します。レベル1の充電器は主に住宅で使用され、レベル2は住宅や商業施設で使用されます。
欧州ではAC充電に3つのモードがあります。モード1はNAのレベル1と同等で、モード3はNAのレベル2と同等です。欧州には、モード1と同様に壁コンセントを使用しますが、接続ケーブルに保護回路を追加し、2倍の電力を供給できるようにした中間タイプのモード2もあります。
速いだけでは不十分
北米のレベル2や欧州のモード3のようなAC急速充電器は、EV1台をフル充電するのに10時間から12時間かかる代替手段よりも高速です。とはいえ、高速AC充電は消耗したバッテリパックを充電するのに数時間かかるため、自動車をオフィスや自宅、その他の場所に長時間駐車する場合には有益です。しかし、EVドライバの航続距離不安を大幅に軽減するには、まだ十分な速さではありません。
そのため、高出力のモード3 AC充電器とレベル4 DC充電器が開発されました。DC急速充電の充電率は、充電器から利用可能な電流量とバッテリパックの電圧によって異なります。
DC急速充電器は当初、400Vバッテリパック用に開発されました。400V、200Aの充電器で80%の充電を達成するには約50分かかります。電流を350Aまで上げるのは難しいですが、そうすることで400Vパックを約29分で80%充電できるようになります。
電流を上げると必要な充電時間は短くなりますが、EV充電を他の給油方法に代わる時間効率の良いものにするには、さらなる工夫が必要です。目標は充電時間10分で、これは内燃機関(ICE)車のガソリンタンクを満タンにするのに必要な時間とほぼ同じです。
直流急速充電の次の段階は、超高速充電(XFC)です。XFCに到達するために、バッテリパックの電圧は400Vから800Vへと引き上げられ、1kVパックも視野に入れています。XFC充電器技術は、350から500Aで1kVを供給し、充電時間を10分以下に短縮するために開発されています。XFCの進歩により、航続距離への不安は解消されるでしょう。
XFC技術の開発に加え、設計者は、より安全で、より小型で、より効率的で、フレキシブルなEV充電をサポートするために、コンパクトな設計と高い効率を求められています。そのためには高度な部品と高度な設計が必要です。
図2：電気自動車用の、よりコンパクトで高出力の充電ソリューションを開発するには、先進的な部品が必要です。(画像提供：TE Connectivity)
狭いスペースへの設置
XFC充電器の設計は、高効率でコンパクトな電力変換ソリューションを提供するSiC(シリコンカーバイド)やGaN(窒化ガリウム)パワー半導体を使用して開発されています。しかし、電力変換はEV充電器設計の1要素に過ぎません。
EV充電器には、制御と監視のためにコンパクトで堅牢な基板と信号コネクタが必要です。より高速な充電体制に伴う高電圧に対応できる、スペース効率の高いリレーとコンタクタが必要です。
EV充電器に使用される電力抵抗器には、高い絶縁抵抗、低い表面温度、優れた抵抗温度係数(TCR)性能、限られたスペースで大電力を放散する能力、耐火構造などが求められます。
補助電源やその他の回路は、制御ロジックや監視回路との干渉をなくすために、小型の電磁妨害(EMI)用フィルタに依存しています。過酷な環境に耐えるためには、IP65の定格を持ち、誤ったスイッチング操作を防ぐのに十分な作動力を持つ非常用遮断スイッチが必要です。
レベル2/モード3 AC充電器
以下のリストは、レベル2/モード3のAC充電器を設計する際に必要な主要コンポーネントの詳細を示しています。記載されている番号は、以下の図3の丸で囲んだ番号に対応しています。
(1) TEのT92シリーズのようなパワーリレーは、AC充電ステーションのメインスイッチとして使用されます。これらの2極単投(DPST)リレーは、最大50Aの定格で、極端な温度条件下で使用できるように設計されています。モデルT92HP7D1X-12、優れた熱性能のために最適化され、最大85℃で50A、600Vacに定格されています。
(2) TEのDynamic Miniシリーズのような基板および信号用コネクタは、PCB内部の電源や信号接続をサポートするために必要です。これらのコネクタには、現場での取り付けとメンテナンスを容易にするため、可聴式のポジティブラッチ機構が含まれています。AC充電設備の需要に対応するため、－40℃～＋125℃の動作定格を備えています。たとえば、モデル1-2834461-2は、0.071インチ(1.8mm)の中心線上に12のポジションがあります。
(3) 電力抵抗器は、監視、管理、安全な運転を確保するために重要です。高い絶縁抵抗、300ppm/℃のような低いTCR、低い表面温度上昇、耐火構造でなければなりません。TEのSQシリーズは、1Ω±5%/5WモデルのSQPW51R0Jのように、AC充電器での使用に適しています。
(4) 非常用停止スイッチは、AC充電器の安全にとって重要です。TEでは、照光タイプと非照光タイプのPBE16シリーズ押ボタン式非常用停止スイッチを提供しています。これらのスイッチは、IEC60947-5-1とIEC60947-5-5の要件を満たしています。たとえば、モデルPBES16L1CRは、誤作動を防ぐために、20ニュートン(N)の作動力でIP65定格です。
(5) 充電ステーションの補助電源には、電源監視と制御に使用されるデジタル回路の動作への干渉を防ぐため、EMIフィルタが必要です。また、電力変換部のパワー半導体に電力を供給するための補助電源も必要です。TEのモデル6609065-3は、250Vac、50Hzまたは60Hzで定格6Aの単相EMIフィルタです。
(6) 最後に、現場での組み立てやメンテナンスを迅速に行うために、配線やパネルの識別のための電気的ソリューションが必要です。これらのラベルは取り付けが簡単で、耐久性が高くなければなりません。たとえば、TEのPL-027008-2.5-9は、EV充電ステーションなどの電気キャビネットで使用するために設計されたポリエステル粘着ラベルです。
図3：レベル2/モード3のAC充電器に必要な主要コンポーネント。(画像提供：TE Connectivity)
高速およびXFC DC
レベル2やモード3のAC充電器に必要な部品の種類は、DC急速充電器に使われるものと似ています。しかし、両者には微妙な、そして明白な違いがあります。
AC充電ステーションは通常、電力制御にリレーを使用しますが、DC充電器にはコンタクタが必要です。リレーとコンタクタは、どちらもDC12Vのような低電圧を使用して高電圧回路を切り替えるスイッチですが、デバイスは異なる電圧と電流レベルに最適化された異なる接点構造を使用しています。
リレーの定格電圧は通常600Vまでですが、コンタクタの定格電圧は800V以上です。また、リレーは通常数十アンペアに制限されていますが、コンタクタは数百アンペアをスイッチングできます。たとえば、TEのEV200AAANAコンタクタの定格は900Vと500Aで、急速DC充電器に適しています。
DC充電器で使用される信号コネクタと電力抵抗器は、AC充電器設計で使用されるものとは異なります。DC充電器は、交流充電器にはないEVバッテリパックとの通信など、より複雑な制御を伴います。
AC充電器、DC充電器ともに、0.050インチ×0.050インチ(1.00mm×1.00mm)のセンターラインを持つ基板対基板のファインピッチコネクタを使用するメリットがありますが、DC充電器は、30ポジションの1MM-R-D15-VS-00-F-TBPのようなピン数の多いコネクタを必要とする場合があります。
さらに、DC充電器の電力レベルが高いほど、TEのHSシリーズのようなアルミ製ハウジングの電力抵抗器の恩恵を受けることができます。これらの巻線型抵抗器は非常に安定しており、表面温度が比較的低く、限られたスペースで大電力を放散させることができます。たとえば、モデルHSA1010RJの定格は10Ω±5%、10Wです。同シリーズの他のモデルは、最大82kΩ、最大300Wの定格を持ちます。
AC充電器とDC充電器には同じタイプの非常用遮断スイッチを使用できることが多いですが、EMIフィルタの場合、DC充電器は設計によってはより大きなフィルタが必要になったり、より多くのフィルタが必要になったりします。
AC充電器とDC充電器のもう1つの違いは、DC充電器は、内部配電用にTEのENTRELEC小型配電ブロックのような電源端子台を必要とすることです。モデルCBS50-2Pの定格は150A、1kVです。
図4：急速DC充電器は、レベル2やモード3のAC充電器と同じコンポーネントの多くを必要としますが、微妙な違いもあります。(画像提供：TE Connectivity)
まとめ
先進的なEV充電器の設計は、航続距離不安を軽減し、EVの大規模な普及を可能にする上で極めて重要です。これらの先進的な充電器は、より高い電圧と電流を使用して充電時間を約10分に短縮し、EV充電をICE車の給油時間と同等にします。
このように、設計者は、高速AC/DC充電器や次世代のXFC設計のために、コンパクトで効率的、かつ環境的に堅牢な部品を幅広く必要としています。
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