eモビリティへの道
eモビリティへの道：EV充電からゼロ・エミッション、そしてその先へ
回路保護による安全なEV充電
EV用急速充電器は、EVの充電に必要な時間と内燃自動車の給油に必要な時間の差を縮めることを目的としています。1～2kWの電力を供給するレベル1の家庭用充電器はバッテリを充電するのに40～50時間かかるが、DC急速充電器は最大350kWの電力を供給し、約20分でバッテリを80％まで充電することができます。回路保護は、急速充電アプリケーションでユーザーと機器の安全を守るために、電圧と電力レベルに合わせて拡張する必要があります。
急速充電器は、過電圧、過渡電流、送電網からのサージ、雷、ESDに耐えなければなりません。さらに、回路は潜在的な接地障害を検出するように設計されなければなりません。一方、充電器は屋外環境での安全性と寿命を確保するために、湿気やほこりに対する耐久性を備えていなければなりません。
Littelfuseは、急速充電器のようなハイパワーアプリケーション向けの回路保護およびスイッチングを幅広く提供しています。Littelfuse DCNHS 1000VDC 最大コンタクタリレー は、ハイパワーアプリケーションにおいて耐久性と信頼性に優れた性能を発揮し、充電器キャビネットの制御回路が高電圧ラインを安全に切り替えられるようにします。
堅牢な充電器設計には、高速電圧スパイク用のTVSダイオードとESDサプレッサ、過電圧用のヒューズ、高電圧回路と低電圧のユーザーインターフェイス部品を保護する温度センサが含まれます。このような設計では、充電器全体に回路保護が施されることになります（図1）。
図1：急速充電ステーション内部のイメージ。(出典: Littelfuse)
ゼロエミッションを目指す商用車
走行中の電気自動車（EV）のほとんどは、ドアが2つまたは4つの乗用車だが、充電技術とエネルギー貯蔵技術の向上により、大型商用車の電動化が可能になりました。長距離トラック、市バス、州間バス、配達用トラックは、自家用車よりも稼働時間が長いため、より大型のバッテリと強力な充電インフラが必要となります。
ほとんどの商用EVは、乗用EVと同じリチウムイオン（Li-ion）電池技術を使用していますが、より大規模なものです。リチウムイオン電池の原材料、特にニッケルとコバルトのコストは、世界的なリチウムイオン需要が価格を押し上げるにつれて、大型電池にとって制約となっています。リン酸鉄リチウムイオン（LFP）は、リチウムイオンのエネルギー密度には及ばないものの、より入手しやすい材料を使用し、充電サイクルを繰り返しても優れた寿命を発揮する、確立された電池化学です。商用および乗用EVの一部のモデルは、リチウムイオンに代わる、入手が容易で長持ちするLFPバッテリを採用しています。
充電インフラも、商用EVの需要を満たすためにアップグレードが必要です。オポチュニティ・チャージングは、停留所でバスを充電するパンタグラフのように、車両のルートに沿って充電することを可能にします（図2）。従来の有線充電では、充電出力レベルが高いほど充電時間が短縮されます。4MWの充電器は、500kWhの充電を15分以内で行うことができます。Littelfuse SiC MOSFET は、極めて低いオン抵抗と高速のスイッチング速度を提供し、高電力レベルでの効率を改善します。SiCの高い熱伝導率は、大きな冷却システムなしで熱を放散し、コンパクトで要求の厳しいEV環境において高い性能を発揮します。
図2：パンタグラフで充電する電動バス (出典: scharfsinn86/stock.adobe.com)
小型車両の電動化
商用車に加え、小型二輪・三輪乗用車も電動モビリティ市場の大きな部分を占めています。多くの都市では、オートバイ、スクーター、モペッドが最も人気のある交通手段です。これらの小型車の多くは2サイクルエンジンを搭載しており、その小ささに対して不釣り合いな量の汚染物質を排出しています。小型車の電動化は、大気の質を大きく改善し、排出削減目標の達成に貢献する可能性を秘めています。
ユーザーがバッテリの上に直接座ったり、あるいは自分でバッテリを交換するような小型車両（図3）の場合、回路保護は、怪我や危険なバッテリ火災につながる可能性のある電圧スパイクや過渡現象を緩和します。これらの小型車には、高性能モデルで最大72Vのバッテリが搭載されることがあり、低電圧ICやマイクロコントローラへの保護が必要となります。
図3：充電壁に設置された充電済みのバッテリと交換できる電動スクーター用バッテリのレンダリング図。(出典: Generated by AI).
過渡電圧サプレッサ（TVS）ダイオードは、大電流を安全に地面に流すことにより、電気的高速過渡（EFT）や静電気放電（ESD）のような電圧サージから回路部品を保護します。TVSダイオードは電圧サージには素早く反応しますが、ショートのような長時間の過電圧状態には適していません。そのため、回路保護には、ショートと継続的な過電圧を考慮し、TVSダイオードとヒューズの両方を含める必要があります。ヒューズは、継続的な過電圧時に回路を開いて下流の部品を保護します。Littelfuse 437A表面実装ヒューズ は、自動車アプリケーションでの使用に適した、AECQ準拠のヒューズで、ディスプレイ、バッテリ管理システム、照明などの自動車部品を保護します。
EV部品保護
高電圧バッテリとDC急速充電が一般的になるにつれ、設計者は貴重なEV部品を損傷から守るためにさらなる注意を払わなければなりません。バッテリパックに加え、EVには制御装置、インフォテインメント、ADAS部品が搭載されており、電力サージが損傷を与える可能性があります。
EV用バッテリパックは、一般的に総容量が35～100kWhのセルを密に詰め込んだ構成になっています。ショートからの保護は、非常に多くのセルと大電力を扱う上で非常に重要です。Littelfuse 881大電流サブミニチュアSMDヒューズ は、モジュールレベルでの保護を提供し、あらゆるレベルでバッテリを保護するため、セルレベルのヒューズおよびバッテリパック全体の大型ヒューズと共に使用する必要があります。
インフォテインメント・システムには、低電圧オーディオ、ビデオ、ディスプレイ、コネクティビティ回路が含まれます。インフォテインメント部品には、ESDやその他の電圧スパイクから保護するため、 Littelfuse AQ24COM & AQ27COM TVSダイオードアレイ などのTVSダイオードを含める必要があります。さらに、ADAS回路にはさまざまな繊細な機器が含まれ、重要なデータを伝送します。ADAS部品の保護に関しては、 Littelfuse AXGD Xtreme-Guard 車載用サプレッサ は、車載イーサネットのような高速ラインを保護する超低容量性を提供します。
メガワットEV充電用サイリスタ
350kWの充電器は乗用車に急速充電を提供しますが、より大きな商用車は、ダウンタイムを最小限に抑え、より大きなバッテリを充電する必要があるため、さらに高い出力レベルを必要とします。現在の商用車向けハイパワー充電（HPCCV）の規格では、最大1500Vから3000Aまで、最大2.2MWの充電が可能です。将来的には、最大電力レベルが4.5MWに拡張され、ダウンタイムがさらに短縮される可能性があります。
今日、高電力急速充電器には、三相交流入力の各相を出力に変換する整流器とコンバータが搭載されています。これらの回路にはSiCが使われており、効率は97～98％となっています。350kWをメガワットの充電器に増強するには、大量の熱を発生させる多数のSiC MOSFETが必要となり、その結果、大型で高価なソリューションとなります。
一方、サイリスタは、導通状態でないときの強力な遮断能力と、比較的小さな電力レベルで制御できる能力により、非常に大電力用途に優れています。サイリスタは回線周波数で動作し、高電力レベルではMOSFETよりも抵抗損失が少なく、高効率のAC-DC変換を提供します。IXYS N1718NC200カプセルタイプ位相制御サイリスタ は、2000Vと1718Aを処理する能力により、メガワット充電器の基礎を形成することができます。
次世代eモビリティの詳細については、LittelfuseのeBook 「未来のeモビリティを電化（Electrifying the Future of eMobility）」 をご覧ください。
執筆者紹介
Littelfuseの製品は、家電から自動車および産業施設にいたるまで、電気エネルギーを使用するアプリケーションにおける重要なコンポーネントとなっています。同社のイノベーションの歴史と技術的専門知識により、お客様個別のニーズに対応する客観的で包括的なソリューションの提供を可能にしています。Littelfuseは、業界で最も広く最も深いレベルの回路保護製品のポートフォリオを提供しており、電力制御とセンシングにおけるプラットフォームとして成長を続けています。また、パワー半導体、ヘビーデューティスイッチ、マグネティクス、光学、電気機械、温度センサをはじめ、電力の安全な制御と分配を実現する製品を提供しています。