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蓄電システムにより、電気自動車用の高速充電インフラを強化

製品カタログ

現在電気自動車のシェアが高まっていますが、いずれはEVが内燃エンジン車の地位を引き継ぐことになるでしょう。それに伴い直流高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両者の統合が進むはずです。

充電ステーションへの電力供給には、太陽光や風力などの再生可能エネルギーが利用されるようになるでしょう。しかし、人々はEVの充電に15分もかけたいとは思いません。また、1つしかない充電パイルの前で順番待ちの行列を作りたくはないはずです。
複数の充電パイルを用意する場合、グリッド(送電網)から充電する際のピークの電力量は1MWを超えます。そうすると、グリッドの多くの個所で障害が発生してしまう可能性があります。そのような事態を引き起こさないようにするには、どうすればよいでしょうか。そのためには、はるかに高いベース・ロード(基礎負荷)に対応できるように、送電線や中央発電所を改善しなければなりません。このことは、巨額の投資が必要になるということを意味します。また、そのような負荷は瞬間的に発生するので、再生可能エネルギーによって断続的に生成されるエネルギーの利用法にも工夫が必要になります。

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ドキュメント名 蓄電システムにより、電気自動車用の高速充電インフラを強化
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取り扱い企業 アナログ・デバイセズ株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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Technical Article 蓄電システムにより、 電気自動車用の高速充電 インフラを強化 著者:Stefano Gallinaro、戦略的マーケティング・マネージャ 概要 す。この数字を見て、人によってはEVの市場はまだ小さなもの 自動車の市場では、電気自動車(EV)のシェアがより高ま だと感じるかもしれません。しかし、EVの販売台数は、2025 っています。いずれは、EVが内燃エンジン車の地位を引き 年に最大1000万台に達する見込みです。また、2040年には 継ぐことになるでしょう。それに伴い、直流(DC)高速充 5000万台を超え、総台数は1億台まで急成長すると予想されて 電ステーションが旧来のガソリン・スタンドに取って代わる います。そうすると、2040年までに販売される自動車の50% か、あるいは両者の統合が進むはずです。そうした充電ステ がEVに置き換わることになります。それらすべての車両を対象 ーションへの電力供給には、太陽光や風力などの再生可能エ として充電が行えるようにしなければならないのです。そのため ネルギーが利用されるようになるでしょう。しかし、人々は の方法は、いくつか考えられます。例えば、単純な電源ボックス EVの充電に15分もかけたいとは思いません。また、1つし (wall box)を使用して、自宅で一晩かけてゆっくり充電する方 かない充電パイルの前で順番待ちの行列を作りたくはないは 法があります。その場合、電源ボックスの代わりに、太陽光発電 ずです。 (PV:Photovoltaics)システムと蓄電用バッテリを組み合わせ 複数の充電パイルを用意する場合、グリッド(送電網)から た数kW規模の住宅用DCチャージャを使用することもできるで 充電する際のピークの電力量は1MWを超えます。そうする しょう。あるいは、充電パイルを使用して高速に充電する方法や、 と、グリッドの多くの個所で障害が発生してしまう可能性が 将来の燃料ステーションによって超高速に充電する方法も考えら あります。そのような事態を引き起こさないようにするに れます。 は、どうすればよいでしょうか。そのためには、はるかに高 成長しているのはEVの市場だけではありません。再生可能エネ いベース・ロード(基礎負荷)に対応できるように、送電線 ルギーを利用する発電の市場も、PVシステムを中心として活況 や中央発電所を改善しなければなりません。このことは、巨 を呈しています。この市場では、過去10年の間に約80%の価格 額の投資が必要になるということを意味します。また、その 低下が実現されています。脱CO2の動きも活発になっていること ような負荷は瞬間的に発生するので、再生可能エネルギーに から、現在も順調に成長を続けています。現在、PVによる発電 よって断続的に生成されるエネルギーの利用法にも工夫が必 量は、全世界の発電量の5%に満たない状況にあります。しかし、 要になります。 2050年には、PVによる発電量が1/3以上を占めるようになると この問題は、蓄電システムを構築することによって、シンプ 予想されています。 ルかつエレガントに解決することができます。内燃エンジン 車の時代には、ガソリンやガスのような流体としてエネルギ 将来的には、PVや風力発電などによって断続的に生成されるエ ーを保存しておき、必要なとき(給油時)にそれらを利用で ネルギーを使って、EVのような断続的な負荷に充電する仕組み きるようにしていました。それと同じような考え方で、電子 も必要になります。それに向けては、グリッドを中央に位置する や化学物質を使用して電気エネルギーをバッテリに蓄えるの エネルギーのエコシステムにおいて、新たな要素をどのようにし です。そのエネルギーを使用してEVの充電環境を増強すれ て組み合わせるのかといったことが課題になります。EVなどの ば、ピークの電力量を抑制してグリッドを安定させたり、停 断続的な負荷を対象とする場合、大きなピーク電力量に対応する 電が発生した際に電力を供給できるようにしたりすることが ために、より大規模な送電線が必要になります。 可能になります。 PVの普及が進めば、グリッドに対する需要が過大にならないよ うにしつつ、人々がより簡単に電気を利用できるようにするため 自動車の市場には大きな変化が訪れています。2020年には300 に、中央の発電所の運用方法にも変化が訪れるでしょう。そして、 万台近いEVが販売され、総台数が8000万台に達する見込みで 住宅用のPVシステムにより、自宅で発電した電力を自家利用す るケースがますます増えていくはずです。 VISIT ANALOG.COM/JP
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すべてが円滑に連携して動作し、再生可能エネルギー源やゼロエ 以下では、EVの充電用インフラにおけるESSの活用法に焦点を ミッションのEVの恩恵を享受できるようにするには、蓄電シス 絞ることにします。 テム(ESS:Energy Storage System)を導入する必要がありま AC充電用のインフラは、個人向けであっても公共向けであって す。ESSを使用すれば、需要が少ない時間帯に発電した電気エネ も簡素なものになります。ただ、いずれの場合も電力に関する ルギーを蓄えて再利用することが可能になります。例えば、昼間 制限が存在します。レベル1のACチャージャの場合、120V に発電したPVエネルギーを夜間に使用するといった具合です。 AC で動作し、最大2kWの電力を供給できます。レベル2の場合、 また、ESSを採用すれば、余ったエネルギーを使用することが可 240VACで動作し、最大20kWの電力供給に対応可能です。いず 能になり、グリッドのバランスを維持することにも貢献できます。 れにせよ、ACからDCへの電力変換は、車両に実装されたチャー ESSは、燃料タンクや石炭の貯蔵庫に相当する電気設備です。住 ジャを使って行う必要があります。AC電源ボックスは、チャー 宅の分野、産業の分野を問わず、多くのアプリケーションで利用 ジャというよりも、計測/保護のための機器だと言えます。車両 できます。住宅の分野では、PV用のインバータを蓄電池に接続 に実装されるチャージャは、コスト、サイズ、重量に関する制限 することで、家庭でエネルギーを保存したり使用したりすること により、定格は必ず20kW未満に設定されています。 ができるようになります。もちろん、昼間の太陽光によって生成 一方、DC充電であれば、ACよりもはるかに高い電力でEVを したエネルギーを使用し、一晩かけてEVを充電するということ 充電することができます。レベル3のチャージャの定格は最大 も可能です。グリッドに接続されるサービスなど、産業や公共事 450VDC/150kWです。最新のスーパー・チャージャ(レベル4に 業のような大規模な用途においても、ESSは様々な目的で活用で 相当)では、800VDC/350kWを超える定格も許容されます。な きます。例えば、PVや風力発電で生成したエネルギーのレギュ お、出力コネクタを車両に差し込む際の安全性を確保するために、 レーションやエネルギーの裁定取引などに利用可能です。また、 電圧の上限値は1000VDCに設定されています。DCチャージャを バックアップのサポートやブラック・スタート(ディーゼル発電 使用する場合、電圧変換は充電パイルで行われます。そして、充 機の排除)などにも利用できます。そして、最も重要なメリット 電パイルと自動車のバッテリを直接接続することでDC電力が供 としては、トータル・コストの観点から投資を先送りできること 給されます。この方法であれば、自動車にチャージャを実装する が挙げられます。グリッドのノードにおけるピーク電力に対応す 必要はありません。そのため、占有スペースと重量の削減という るためにESSを活用することで、多大なコストをかけて既存の送 面でメリットが得られます。ただ、現状は過渡期の段階にあり、 電線を刷新する必要がなくなるのです。もう1つの重要な用途は、 EVの充電用インフラとしては国/地域ごとに異なる種類のもの オフグリッドの電力源としての活用法です。ESSを利用すること が使用されています。ほとんどのEVは、11kWに対応する小型 により、マイクログリッドや島しょにおける電力の自給自足が可 のチャージャを搭載しており、必要に応じてACのコンセントか 能になるのです。 ら充電できるようになっています。 充電用の電力を増やすにはどうすればよいのでしょうか。電流は ケーブルのサイズやコストに見合う範囲内に維持しなければなら ないので、電力を増やすには動作電圧を高める必要があります。 また、充電ステーションを設置するマイクログリッドやサブグ リッドのサイズを適切に決定し、適切な設計を行う必要がありま す。 ここで、2030年の時点における充電ステーションがどのような ものになっているのか考えてみます。その頃には、自動車の燃 料としては電子が利用されるのが当たり前になり、送電線と呼 ばれるパイプによって電子がやり取りされるようになっている とします。送電線は、トランスを介して中電圧(MV:medium 図1. 再生可能エネルギーによる発電システム、蓄電システム、 EVの充電用インフラの統合 voltage)に対応するグリッドに接続されます。現在、自動車の 燃料は地下の大きなタンクに貯蔵されており、タンクローリーに 可能性のあるすべてのアプリケーションを考慮すると、ESSの市 よって定期的に燃料ステーションに運ばれています。電子は新た 場は現在の10GWの電力、20GWhの電力量(ワット時)とい な種類の燃料ですが、それをグリッドから常に利用できるように うレベルから急速に成長を遂げると考えられます。具体的には、 するのは、特に難しくはなく、何ら問題のないことのようにも思 2045年までに1000GWの電力、2000GWhの電力量というレ えます。しかし、15分もかからずにEVを充電できるようにした ベルに達する見込みです。 い場合、単純な方法では持続可能な手段にはなりません。 2 蓄電システムにより、電気自動車用の高速充電インフラを強化
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ここでは、5基 のDC充 電 パ イルを 備 え、そ れ ぞ れ が 最 大 PVシステムは500kWの電力を供給することができ、グリッド 500kWのピーク電力を出力できる充電ステーションを想定しま に要求される電力を500kWに制限することができます。しかし、 す。充電ステーションのサイズを決める際に考慮すべき最も厳し PVシステムからの電力供給は断続的になる可能性があり、電力 い状況は、5台のEVを対象として完全に空になったバッテリを同 を常時供給できるとは限りません。そのため、グリッドが不安定 時に充電するケースです。計算を簡素化するために、電力変換段 になる可能性が生じます。また、太陽が最大限に照りつけている とバッテリ充電経路で生じる損失はゼロであると仮定します(電 とき以外、自動車を最速で充電することはできないということに 力チェーン全体の小さな電力損失に対し、どのような設計が必要 なります。これは、ユーザが望んでいる状況ではありません。つ になるのかということについては後ほど説明します)。 まり、この方法は持続可能なものではないということです。 現在市場に出回っている完全なEVは、30kWh~120kWhの 上述したパワー・エレクトロニクスのパズルに欠けているピース バッテリを搭載しています。そこで、5台のEVは、それぞれ がESSです。ESSは、今日のガソリン・スタンドの地下燃料タン 75kWhのバッテリを搭載しているものとします。10%充電され クのような役割を果たします。また、大型のバッテリのようなも ている状態から80%まで充電する必要があるとすると、必要な のだと考えることもできるでしょう。ESSを使用すれば、再生可 電力量は次式で表されます。 能エネルギー源からのエネルギーを蓄えることができます。蓄 えたエネルギーはグリッド/充電パイルに供給することが可能で 5 × (70% × 75 kWh) = 5 × 52.5 kWh = 262.5 kWh す。ESSの重要な特徴は、グリッドの低電圧側で動作し、双方向 262.5kWhのエネルギーをグリッドからEVに15分で伝送する 性を有していることです。この新たな設備では、再生可能エネル 必要があるとすると、以下に示す電力が必要であることがわかり ギー源、EV用の充電パイル、ESSのバッテリを1500VDCのDC ます。 バスで結ぶことが目標になります。また、ピーク電力とエネル ギー容量のバランスが最適になるように、ESSのサイズを適切に (262.5 kWh)/(0.25 h) = 1050 kW 設定する必要もあります。この設定は、太陽光や風力などのエネ ルギー源を利用するローカル発電の規模、充電パイルの数、サブ つまり、グリッドからEVに対し、1MWを上回る電力を15分間 グリッドに接続されている他の負荷、電力変換システムの効率に で供給する必要があるということです。リチウム・イオン・バッ 大きく依存します。 テリの充電プロセスには、定電流、定電圧の充電プロファイルが 必要です。バッテリを80%まで充電するためには、最後の20% 先述した数値に基づくと、ESSは500kWh~2.5MWhの電力量 を充電するよりも多くの電力が必要です。この例では、最大電力 と最大2MWのピーク電力に対応しなければなりません。 を想定して80%で充電を停止するものとします。 充電ステーションでは、エネルギー源、負荷、エネルギー・バッ 充電ステーションが設置されているグリッド/サブグリッドは、 ファが重要な構成要素となります。これらについて定義した上で、 断続的に1MWを超えるピーク電力に対応しなければなりませ 充電ステーションのエネルギー経路を形成する4つの電力変換シ ん。この問題に対処するためには、複雑ではあるものの非常に高 ステムについて分析を実施する必要があります(図2)。 い効率が得られるアクティブ力率補正(PFC)段が実装されます。 EV(×5) それにより、周波数に影響を及ぼしたり、不安定な状態に陥った 50kW~ PV用のインバータ DC充電パイル(×5) 200kW(×5) りすることなく、グリッドを効率が高い状態に確実に維持するの PVの 100kW~500kW 150kW~500kW(×5) エネルギー源 DC DC です。このことは、低電圧の充電ステーションを中電圧のグリッ 1000V~1500V DCバス 1000V~1500V ドに接続するために、非常に高価なトランスを使用しなければな AC DC らないということも意味します。加えて、生じ得るピーク電力に 400V~600V 400V~1000V ACバス 対応できるように、発電所から充電ステーションへ電力を伝送す MVグリッド用 る送電線のサイズも適切に決定しなければなりません。充電ス のトランス AC DC 400V~600V 1000V~1500V テーションにおいて、自動車、トラック、バスが混在する状態で 充電が行われる場合には、必要な電力も増えます。 DC DC 1000V~1500V 1000V~2000V ESSのバッテリ 500kWh~ 最もシンプルで、最もコストがかからない解決策は、太陽光や風 スマート・ ESSの双方向PFC ESSのチャージャ 100kW~1MW 100kW~1MW 2.5MWh グリッド 力などの再生可能エネルギー源を使ってローカルで発電した電力 図2. 将来のEV用充電ステーション向けに行われる電力変換 を使用することです。この方法であれば、新たな送電線や大きな トランスは必要ありません。また、電力が余っている充電ステー ションに直接接続することも可能になり、グリッドだけに頼る必 要がなくなります。現実的には、100kW~500kWのPVシス テムを、充電ステーションまたは充電ステーションが接続されて いるサブグリッドの近くに設置すればよいでしょう。 VISIT ANALOG.COM/JP 3
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4つ の 電 力 変 換 シ ス テ ム は、い ず れ も 定 格 が1000VDC~ PFCインバータが対応しなければならない1MWに対し、5%は 1500VDCのメインのDCバスに接続されます。必要な電力が多い 50kWに相当します。一方、IGBTからSiCに置き換えることで ほど、DCバスの電圧を高くする必要があります。ただ、今後20 効率が向上することから、合計で250kWの電力を削減できます。 年間は1500VDCが業界標準の値になるはずです。より高い電圧 つまり、充電パイルを追加できるレベルの効果が得られるという を採用することも可能ですが、それに伴い、安全に関する規制、 ことです。また、負荷の実際の需要量とエネルギーの経時的な消 電力部品、システム設計に関連する複雑な問題が生じます。その 費量のバランスを良化させることも可能でしょう。 結果、現在利用可能な技術を適用するだけでは効率が低下してし 上述した効果を得るには、SiCベースのMOSFETへの移行が必 まうでしょう。但し、パワー・スイッチや保護システムなどに関 要になります。また、それだけで問題を解決できるわけではあり する新技術については、10年以内に2000VDC以上への移行に対 ません。SiCベースのMOSFETを駆動する方法は、システムのコ 応できるようになる可能性があります。 スト(MOSFET、コイル、インダクタに依存)と効率の間のトレー 次に、PV用のインバータについて考えると、2つの電力段が存在 ドオフを最適化するために必要なスイッチング周波数を選択する することがわかります。PVパネルからDCバスへ向かう電力経路 上での鍵になります。スイッチング周波数は50kHz~250kHz には、DC/DCコンバータの機能が存在します。また、PVパネル に設定することが目標になりますが、ゲート・ドライバに対する からACバスを経由してグリッドへ向かう電力経路には、DC/AC 要件はより厳しくなっています。なぜなら、伝播遅延の短縮と短 インバータの機能が設けられます。ここではDC/DC変換段の機 絡保護性能の向上を図ることが求められているからです。 能がより重要になります。AC/DC変換段は、DCバスからACグ アナログ・デバイセズの「ADuM4136」は、絶縁の手段とし リッドへ向かうメインの双方向PFCインバータに統合できるから て最先端のiCoupler®技術を採用したゲート・ドライバです。 です。最先端のパワー・エレクトロニクス設計を考えると、最高 iCoupler技術により、150kV/マイクロ秒のCMTI(Common の効率を得るには、SiCベースのパワーMOSFETを中心にして変 -mode Transient Immunity)を実現でき、SiCベースの 換段を設計することになるでしょう。それにより、シリコン・ベー MOSFETを数百kHzのスイッチング周波数で駆動することがで スのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と比較して、 きます。ADuM4136を採用すれば、単一または並列に接続した 効率が5%(最大負荷時)~20%(部分負荷時)向上するはずです。 SiCベースのMOSFETを最大1200Vで適切に駆動することが可 定格が500kWのPVインバータの場合、効率が5%向上すると、 能です。併せて、非飽和保護など、高速の障害を管理する機能を 損失が25kW減少します。もちろん、その分だけ電力の出力を 利用できるようになります。 高めることが可能です。これは、5軒の家で消費される電力に相 当します。あるいは、温水を生成したり、夏に充電ステーション なお、絶縁ゲート・ドライバに対する給電方法については、アプ の建物の冷房を稼働したりするために使われる大型ヒートポンプ リケーション・ノート「AN-2016」をご覧ください。このドキュ の電力消費量と同等だと表現することもできます。 メントには、ゲート・ドライバであるADuM4136をプッシュプ ル・コントローラ「LT3999」と組み合わせることで、ノイズが DCの充電パイルとESSのチャージャについても同様に計算でき 極めて少なく、効率の高いビルディング・ブロックを実現し、 ます。どちらについても、2つのアプローチで設計を行うことが SiCベースのMOSFETを適切に駆動する方法が記されています。 可能です。1つは、定格が100kWを超える大型かつモノリシッ 絶縁型の電源コントローラであるLT3999は、ADuM4136用の クのパワー・コンバータを使用する方法です。もう1つは、定格 バイポーラ絶縁電源を制御するために使用します。EMI(電磁妨 が25kW~50kWの小型のコンバータを多数並列に使用する方 害)性能が非常に高いので、最高1MHzのスイッチング周波数を 法です。どちらの方法にも長所と短所があります。最近では、ス 選択できます。同ICを採用すれば、小型で費用対効果に優れた ケールメリットが得られ、設計が容易なので低コスト化を図れる ソリューションを実現することが可能です。 ことから、小型コンバータを複数台使用する方法が選択されてい ます。当然のことながら、その場合には高度なエネルギー管理シ デッド・タイムと伝播遅延を含めたトータルの伝播遅延は、ター ステムを併用する必要があります。 ンオン時に226ナノ秒、ターンオフ時に90ナノ秒です。ドライ バの遅延時間は、ターンオン時に66ナノ秒、ターンオフ時に68 これらのDC/DCコンバータにおいても、シリコン・ベースの ナノ秒です。デッド・タイムは、ターンオン時に160ナノ秒、ター IGBTからSiCベースのMOSFETへの移行を図ることになりま ンオフ時に22ナノ秒です。 す。それにより、効率を大きく高められることに加え、スペース や重量を削減できるからです。その代償として、コストは25% パワー・コンバータにおいて非常に高い電力密度を実現するとい ほど高くなります。ただ、このコストの上昇分は、今後5年の間 う目標を、効率を損なうことなく達成できます。 に5%まで圧縮されると予想されます。また、効率の向上による 効果だけでも、このわずかな価格差を吸収することが可能です。 次式のように、電力を削減できるからです(最大負荷時の5%を 使用する場合)。 (5% × 5[充電パイルの数]× 500 kW = 125 kW) + (5% × 1 MW = 50 kW) = 175 kW 4 蓄電システムにより、電気自動車用の高速充電インフラを強化
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GDU 30%の寿命延伸を達成できるとされます。このレベルでバッテ トップ側のパワー・コンバータ リの寿命を延伸すれば、運用コストや所有コストを少なくとも +15 V (ISO) 30%削減できます。SOCの情報の高精度化と併せて、バッテリ +5 VDC LT3999 –3 V (ISO) に蓄えられたエネルギーをすべて利用し、可能な限り最良の方法 Ready でバッテリを充電することが可能になります。その結果、過充電 Fault Reset や過放電を防止し、非常に短い時間でバッテリが空になったり、 デッド・タイムの発生 ADuM4136 短絡や火災といった危険な状況を生み出したりする可能性があ LT1720 トップ側の ゲート・ドライバ る状態を回避することができます。予知保全を実現したり、エネ PWM_T_D ルギーと電力の流れを適切に管理したりするためには、バッテリ ボトム側の のSOCとSOHを正確に把握する必要があります。それにより、 PWM_B_D ゲート・ドライバ グリッドの安定化、EVの充電プロセス、車両を蓄電ユニットと LT1720 VOUT Ready 見なした場合の車両からグリッドへの(V2G:Vehicle-to-Grid) Fault ADuM4136 Reset VGS_B SiCの 接続に関連するアルゴリズムを導き出し、調整を加えることが可 –3 V (ISO) 温度測定 能になります。 LT3999 +15 V (ISO) 正確なモニタリングを行うためには、トータルの測定誤差を ボトム側のパワー・コンバータ LT3080 2.2mV未満に抑えつつ、最大18セルの測定を実行できるマルチ + 10 V セル対応のバッテリ・モニタIC「LTC6813」を採用するとよい でしょう。これを使用すれば、18個のセルの測定を290マイク ADuM4190 ロ秒以内に実行できます。また、ノイズを低減する効果を高める ために、低いデータ・アクイジション・レートを選択することも 図3. ADuM4136とLT3999によって構成した ゲート・ドライバ・ユニット(GDU) 可能です。LTC6813は複数個を直列接続することができるので、 高電圧を得るためにスタックされた数多くのセルを同時にモニタ パワー・コンバータは電力変換経路の基盤になるものです。た リングすることが可能になります。同ICは、RFノイズに対する だ、蓄電システムの場合、最良の総所有コストを保証する上での 耐性を備える高速/長距離通信向けの絶縁型SPI回路(isoSPI) 重要な構成要素としては、バッテリ管理/監視システム(BMS: を内蔵しています。複数個のLTC6813をデイジー・チェーン接 Battery Managing/Monitoring System)が挙げられます。コ 続すれば、1つのホスト・プロセッサによって全LTC6813を制 ストの内訳を分析すると、MWクラスの蓄電システムにおいてコ 御できます。このデイジー・チェーンは双方向の動作が可能なの ストの半分以上を占めるのは、バッテリ・ラックのコストである で、通信経路で障害が発生した場合でも、通信の完全性を確保で ことがわかります。現在、このコストは1kWhあたり約200米 きます。このICに対しては、バッテリ・スタックから直接給電す ドル(約2万1300円)です。2025年には、このコストは100 るか、または個別の電源から給電することが可能です。各セルに 米ドルまで低下すると見込まれています。精度と信頼性に優れる 対するパッシブ方式のバランス機能を備えており、PWM(Pulse BMSソリューションを適用すれば、バッテリの寿命を30%延伸 Width Modulation)のデューティ・サイクルをセルごとに個別 できます。また、大幅なコスト削減と充電ステーション全体の操 に制御することができます。その他にも、5V出力のレギュレー 作性の向上が図れます。保守の回数を抑えられるということは、 タ、9本の汎用I/Oライン、消費電流を6μAまで低減するスリー 稼働時間が長くなり、ユーザにとって問題がない状況が得られる プ・モードなどを備えています。 ということを意味します。その結果、修理に関連するリスクを低 減でき、安全性のレベルが高まります。 BMSのアプリケーションでは、短期的/長期的な精度が要求さ れます。そのため、LTC6813はバンドギャップ・リファレンス 上記の内容を実現するためには、充電ステーション周辺のエネル ではなく、埋め込みツェナー・リファレンスを採用しています。 ギーの流れを制御するエネルギー管理システムが、蓄電用のバッ それにより、小さなドリフト(20ppm/√kh)、小さな温度係数 テリの充電状態(SOC:State of Charge)と劣化状態(SOH: (3ppm/℃)、小さなヒステリシス(20ppm)を実現し、長期 State of Health)を極めて正確に把握している必要があります。 安定性に優れる1次側電圧リファレンスとして使用できるように 高い精度、高い信頼性でSOCとSOHを算出することにより、 なっています。このICでは、リファレンスの精度と安定性が非常 バッテリの寿命を10年から20年に延ばすことができます。一般 に重要になります。なぜなら、これらの特性は、全バッテリ・セ 的には、BMSに関連する電子機器のコストを増やすことなく、 ルの測定値の基盤になるからです。その測定値に誤差があると、 取得したデータの信頼性、アルゴリズムの一貫性、システムの性 能に累積的な影響が及びます。 VISIT ANALOG.COM/JP 5 TEMP_SiC PWM_B PWM_T
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高精度のリファレンスは、優れた性能を確保するために必要な機 能ブロックです。ただ、それだけで十分だというわけではありま 著者について せん。AC/DCコンバータの動作は、電気的なノイズが多い環境 Stefano Gallinaro(stefano.gallinaro@analog.com) でも仕様を満たしている必要があります。問題になるノイズは、 は、2016年にアナログ・デバイセズに入社し、再生可能 システムが備える高電流/高電圧のインバータをPWM制御する エネルギー事業部門に加わりました。電力変換技術を中 際の過渡現象に起因して発生します。バッテリのSOCとSOHの 心に、太陽エネルギー、電気自動車、充電、エネルギー貯 正確な評価には、電圧、電流、温度の相関がとれた状態での測定 蔵の分野でストラテジック・マーケティングのマネージ 値が必要です。 ングを担当しています。ミュンヘンを拠点とし、全世界の 事業の責任者を務めています。イタリアのトリノ工科大 BMSの性能に影響を与えないようにシステムのノイズを低減す 学で電気工学の学士号を取得。イタリアのアオスタにあ るために、LTC6813のA/Dコンバータのトポロジとしては、シ るSTMicroelectronicsでアプリケーション・エンジニア グマ・デルタ(ΣΔ)方式を採用しています。また、ノイズの多 としてキャリアをスタートさせました。アナログ・デバイ い環境に対処できるようにするために、ユーザが選択可能な6種 セズに入社する前は、ドイツのウンターハヒングにある 類のフィルタ・オプションを用意しています。ΣΔ方式を採用し Vincotechで2年半、プロダクト・マーケティング・マネー ていることから、EMIなどの過渡的なノイズの影響を低減するこ ジャを務めていました。 とが可能になります。ΣΔ方式では、1つのサンプルの取得に向 けて多数回のサンプリングを行います。それによって得られた結 果に対し、平均化とフィルタリングを施す機能を備えていること ® から、ノイズの低減という効果が得られます。 EngineerZone オンライン・サポート・コミュニティ なお、アナログ・デバイセズはスタック・モニタICの最新製品群 アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュ として、「LTC681x」と「LTC680x」の両製品ファミリを提供し ニティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者と ています。LTC681xファミリの製品の中で18チャンネルに対応 の連携を図ることができます。難易度の高い設計上の問 するバージョンがLTC6813です。 題について問い合わせを行ったり、FAQを参照したり、 最後に、本稿で説明した内容をまとめます。高速なDC充電を可 ディスカッションに参加したりすることが可能です。 能にするためには、将来のインフラで生じるであろういくつかの 課題を解決する必要があります。それらに対処する上では、電 力変換システムと蓄電システムが重要な要素になります。それら の構成例として、本稿では、アナログ・デバイセズの製品を利用 Visit ez.analog.com する2つの回路ブロックを提示しました。1つは、SiCベースの MOSFETを採用する電力変換段向けの絶縁型ゲート・ドライバ *英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 (ADuM4136)と電源コントローラ(LT3999)を組み合わせた 回路です。もう1つは、蓄電用バッテリ向けのバッテリ・モニタ・ デバイスであるLTC6813を利用した回路です。それらの回路に は、電流の測定から故障に対する保護まで、あるいはガスの検知 から機能安全までといった具合に、多くの重点領域が存在しま す。これらはいずれも極めて重要なものであり、大きな利点をも たらす要素でもあります。アナログ・デバイセズは、これら全サ ブシステムに対して積極的に取り組んでいます。信頼できる重要 なデータを取得することで、あらゆる物理現象の確実な検知、測 定、接続、解釈、安全の確保、給電が行えるようになります。取 得したデータは、ハイ・エンドのアルゴリズムによって、再生可 能エネルギー源から得たエネルギーを負荷(EV)に供給するた めのエネルギーへと確実に変換するために使用されます。 VISI T A N A L O G . C O M /JP お住いの地域の本社、販売代理店などの情報は、analog. ©2020 Analog Devices, Inc. All rights reserved. com/jp/contact をご覧ください。 本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possibleはアナログ・デバイセズの商標です。 オンラインサポートコミュニティEngineerZoneでは、アナ ログ・デバイセズのエキスパートへの質問、FAQの閲覧がで きます。 TA21853-2/20