EVにおけるパワーエレクトロニクスの紹介

より持続可能なエネルギー環境へと方向転換するのに伴い､電気自動車 (EV) は近代的な交通の基礎として登場してきました。この革命におけるパワーエレクトロニクスの役割は最も重要です。パワーエレクトロニクスは、電気を効率的かつ迅速に制御して変換することができるため、EVの普及・運用に不可欠な技術的基盤となっています。

EVにおいて、パワーエレクトロニクスの中心的な機能は、電気エネルギーの効果的な変換と制御です。主電源はバッテリーパック、高電圧直流 (DC) 電源であり、このDC電力を電動モータが推進に必要とする交流 (AC) に変換するためにパワーエレクトロニクスデバイスが採用されています。この変換は、重要なパワーエレクトロニクスデバイスであるインバータを使用して行われます。

逆に、回生ブレーキの間、モータは発電機に変わり、バッテリーを再充電するためにDCに戻す必要があるAC電力を生成します。整流器と呼ばれるパワーエレクトロニクスコンバータは、この作業を実行します。

パワーエレクトロニクスはバッテリー管理システム (BMS) においても不可欠です。これらのシステムはバッテリーパックの健全性、安全、最適な使用法を監視し、バッテリーパックの長寿命と効率的なエネルギー利用を保証します。パワーエレクトロニクスによって制御された高度な充電システムは、安全な動作限界を維持しながらEVバッテリーの迅速かつ効率的な充電を可能にします。

HVACシステム、ライティング、インフォテイメントなどの車両の他の補助システムも、必要な電圧および電流レベルを得るためにパワーエレクトロニクスを利用しています。DC/DCコンバータは、高バッテリー電圧をこれらのシステムに適した低レベルにステップダウンするために広く使用されています。

パワーエレクトロニクス技術の進歩に伴い、EVの性能と効率も向上しています。炭化ケイ素 (SiC) や窒化ガリウム (GaN) のような半導体材料の進歩は、高効率、小型化、より良い熱特性を持つパワーエレクトロニクスデバイスの開発をもたらしました。

図1にバッテリー式電気自動車のスキームを示します。

図1 : バッテリー式電気自動車のスキーム

図2は、バッテリー式電気自動車の主要部品を示しています。

図2 : バッテリー式電気自動車の主要部品

EVの主要部分の定義は次のとおりです。

充電ポートまたは車両インレット: 電気自動車にあるコネクタで、充電のために外部電源に接続できます。

パワーエレクトロニクスコンバータ: パワーエレクトロニクスコンバータは、高速スイッチとして機能する高出力の高速動作半導体デバイスで構成されています。スイッチング状態が異なると、容量性素子と誘導素子を使用して入力電圧と電流が変化します。その結果、入力とは異なるレベルにある出力電圧と電流が得られます。

オンボードチャージャ: AC/DCパワーエレクトロニクスコンバータ (整流器とも呼ばれる) であり、充電ポートを介して供給されるAC電力をDC電力に変換して駆動用バッテリーを充電します。バッテリーマネージメントシステムを使用して、電圧、電流、温度、充電状態などのバッテリー特性を調整します。

トラクションバッテリーパック: 電気自動車にエネルギーを蓄え、電動トラクションモータで使用する電力を供給するために使用される高電圧バッテリーです。

バッテリー電源コンバータ: これは、トラクションバッテリーパックの電圧を、トラクションモータとの電力交換に使用されるDCバスの高電圧に変換するDC/DCパワーエレクトロニクスコンバータです。

モータ駆動: これはDC/AC (インバータまたは可変周波数ドライブと呼ばれることがよくある) または時々DC/DCパワーエレクトロニクスコンバータであり、モータの動作のために高電圧DCバスからAC (または時々DC) 電力に電力を変換するために使用されます。コンバータは双方向であり、走行モードと回生ブレーキモードの両方で動作します。

トラクション電動モータ/発電機: 電気自動車の主な推進装置であり、トラクションバッテリーからの電気エネルギーを車輪を回転させるための機械的エネルギーに変換します。また、ブレーキング時に回転するホイールからエネルギーを取り出し、そのエネルギーを駆動用バッテリーパックに戻すことで発電します。

トランスミッション: 電気自動車のために、通常、車輪を駆動するためにトラクションモータから機械的な力を伝達するために差動装置を備えた単一のギヤトランスミッションが使用されます。

パワーエレクトロニクスコントローラ: このユニットは、電気自動車内のさまざまなパワーエレクトロニクスコンバータの電力の流れを制御します。

バッテリー (補助): 電気駆動車両では、補助バッテリーはトラクションバッテリーが動作する前に車両を始動するための電力を供給し、車両アクセサリにも電力を供給するためにも使用されます。

電気自動車におけるパワーエレクトロニクスの役割

電気自動車 (EV) 駆動システムでは、パワーエレクトロニクスはバッテリーから推進ユニットに電気エネルギーを効率的に供給し制御する重要な部品として機能します。

EV駆動システムは通常、バッテリーパック、パワーエレクトロニクスコンバータ (インバータとDC/DCコンバータを含む)、電気モータ、制御ユニットで構成されます。バッテリーパックからの高電圧DC電源は、電動機に適した三相AC電源に変換する必要があります。このプロセスは、重要なパワーエレクトロニクスデバイスであるインバータによって促進されます。

インバータはパルス幅変調 (PWM) 技術を利用して、DC入力からAC出力波形を生成します。現代のインバータはまた、可変周波数駆動を可能にするインテリジェント制御アルゴリズムも組み込んでおり、電動モータの効率と性能を向上します。

逆に、回生ブレーキの間、モータは発電機として機能します。生成されたAC電力は、バッテリー充電のためにDC電力に変換して戻さなければならなりません。この変換プロセスは、整流器として知られるパワーエレクトロニクスデバイスによって再び促進されます。

EV駆動システムのパワーエレクトロニクスは、主電力変換機能に加えて、電気システムの効率、力率補正、高調波の低減も行っています。シリコンカーバイド (SiC) や窒化ガリウム (GaN) のようなワイドバンドギャップ材料を使用して構築された先進的なパワーエレクトロニクスデバイスは、高効率、コンパクト、優れた熱特性を可能にし、車両全体の性能を向上しています。

パワーエレクトロニクスは、マルチモータEVのトルクベクタリングなどの高度な機能も実現し、個々のモータを個別にインバータで制御することで、各ホイールでの正確なトルク制御が可能になります。この強化された制御レベルは、車両の操縦性、性能、および安全性を向上させることができます。

最後に、パワーエレクトロニクスは充電中に車両とグリッドを接続する上で重要な役割を果たします。これには、従来の充電状態と急速充電状態の両方で電力を制御して変換することが含まれます。

バッテリー充電システムとパワーエレクトロニクス

電気自動車のバッテリーを効率的かつ安全に充電することは、EVの設計と運用における中心的な関心事です。このプロセスは主にパワーエレクトロニクスシステムによって統制されており、充電プロセス中の電気エネルギーの制御、変換、管理を提供します。

パワーエレクトロニクスは、車載およびオフボードEVの充電システムにおいて重要な役割を果たします。オンボードチャージャでは、AC/DCコンバータを含むパワーエレクトロニクスコンバータを使用して、AC電圧を主電源から車両のバッテリーの充電に適したDC電圧に変換します。これには、整流プロセスに続いてDC/DC変換段があり、必要な電圧レベルを提供し、バッテリーへの電流フローを制御します。バッテリーの健全性と寿命を維持するために、充電プロセスがバッテリーの充電プロファイルに確実に準拠していることを確認することが不可欠です。これには通常、定電流および定電圧フェーズが含まれます。

直流急速充電ステーションのようなオフボード充電システムは、パワーエレクトロニクスに大きく依存しています。これらのシステムのパワーエレクトロニクスコンバータは、AC電源を高電圧DC出力に変換し、オンボードチャージャをバイパスして車両のバッテリーを直接充電できます。充電速度を調節し、潜在的な害からバッテリーを保護するために、パワーエレクトロニクスを介して高度な制御戦略が実装されています。

双方向充電またはV2G技術の出現により、EVバッテリー充電におけるパワーエレクトロニクスの役割にさらなる複雑さと能力が加わりました。これらのシステムでは、パワーエレクトロニクスは、ピーク需要時や停電時に車両の充電と車両バッテリーからグリッドや家庭への電力の供給を容易にします。双方向DC/DCコンバータは、この双方向電力の流れを可能にするために不可欠であり、グリッドと車両システムの安全性と完全性を維持しながら効率的に電力を伝達することができます。

EV用のワイヤレス充電システムでは、パワーエレクトロニクスを使用して、グリッド、一次コイル (送信機)、二次コイル (受信機)、および車両のバッテリー間の電力伝達プロセスを管理します。これには、安全性と規格の遵守を確保しながら効率的な電力伝達を促進するための修正、反転、および制御プロセスが含まれます。

エネルギー管理と回生ブレーキ

電気自動車 (EV) のエネルギー管理は、パワーエレクトロニクスの支援を受けて実行される電力フローの高度なオーケストレーションを表しています。これには主に、バッテリーからの電力を、電動モータ、暖房、換気、空調 (HVAC) システム、およびその他の補助システムなどの車両のさまざまなサブシステムに分配することが含まれます。さらに、エネルギー管理には、回生ブレーキ中のエネルギーの回復が含まれます。

回生ブレーキは、通常ブレーキ時に熱として失われる車両の運動エネルギーを、バッテリーに蓄えて後で使用できる電気エネルギーに変換することを可能にするメカニズムです。EVの走行距離を延ばし、機械式ブレーキへの負荷を軽減する効率的な方法です。パワーエレクトロニクスは回生ブレーキを実現する上で重要な役割を果たします。

運転者がブレーキをかけるとプロセスが開始されます。電気モータは発電機として働き、運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。パワーエレクトロニクスコンバータ (通常はインバータ) はこのプロセスを調整します。モータ (発電機として機能する) からバッテリーへ戻るエネルギーの流れを制御します。

この動作は安定性を維持するためにインバータを正確に制御する必要があり、十分な制動力を提供しながら適切なエネルギーがバッテリーにフィードバックされることを保証します。バックグラウンドで動作する制御アルゴリズムは、通常車両の電子制御ユニット (ECU) の一部であり、他のパラメータの中でもバッテリーの充電状態と運転者のブレーキ要求を考慮する必要があります。

さらに、パワーエレクトロニクスはEVのエネルギー管理システム (EMS) に貢献し、これはバッテリーから車両のさまざまな負荷への最適なエネルギー配分を決定します。この配分は、運転条件の変化や運転者の入力に動的かつ応答性の高いものである必要があります。例えば、高速走行中や急加速中に、より多くのエネルギーを駆動モータに向けるべきです。対照的に、低速時やアイドル時間中にHVACのような補助システムにより多くのエネルギーを割り当てることができます。

DC/DCコンバータのようなパワーエレクトロニクスコンバータは、正しい電圧レベルを提供し、異なる車両サブシステムへの電力フローを管理するためにこの状況で使用されます。これらのコンバータは、エネルギー使用の最適化、走行距離の延長、車両性能の維持を目的とした洗練されたアルゴリズムによって制御されます。

ケーススタディ : EVパワーエレクトロニクスにおける実装と革新

本項では、電気自動車 (EV) 向けパワーエレクトロニクス分野における現実世界の実装と最先端のイノベーションについて、一連のケーススタディを通して探ります。

ケーススタディ1 : テスラモデルS

電気自動車業界のリーダーとして、テスラはパワーエレクトロニクスを活用して車両の性能と効率を向上させることで大きな進歩を遂げました。テスラのパワーエレクトロニクス設計の鍵となる側面は、電動モーター、パワー電子インバータ、ギアボックスを1つのコンパクトなモジュールに統合したドライブユニットです。

テスラのインバータはシリコンカーバイド (SiC) パワー半導体を採用しています。従来のシリコンデバイスとは異なり、SiCデバイスは低損失、高い熱伝導率、高周波で動作する能力を提供し、より小型で軽量で効率的なシステムを実現します。SiCパワー半導体をモデルSとモデル3のインバータに採用することは、効率向上、充電時間の短縮、航続距離の延長という点で大きな変革をもたらします。

ケーススタディ2 : ポルシェ・タイカン

高性能電気自動車のポルシェ・タイカンは、パワーエレクトロニクスのもう一つのマイルストーンを表しています。ポルシェは、EVの世界でも珍しいリアアクスルに2速トランスミッションを使用し、優れた加速と高速トップスピードを実現しています。この2速ギアボックスの制御はパワーエレクトロニクスに大きく依存しています。

さらにポルシェのタイカンは一般的な400Vシステムではなく800Vシステムを使用した最初の量産EVとなりました。この技術革新により、電圧が2倍になり、より高速な充電とより少ない発熱が可能になります。DC/DCコンバータやインバータなどのパワーエレクトロニクスは、この高電圧レベルに対応するよう慎重に設計され、損失を最小限に抑えながら安全性と信頼性を確保する必要がありました。

ケーススタディ3 : WiTricityを使用したワイヤレスEV充電

ハイテク企業のWiTricityは、電気自動車のワイヤレス充電という形でパワーエレクトロニクスの革新的なアプリケーションを提供しています。ファラデーの誘導の法則に基づく原理である共振誘導結合を使用すると、電力は地上の充電パッドから車両の受信機に無線で送信することができます。パワーエレクトロニクスは、送信機と受信機の間の共振を調整し、電力伝達を制御するのに不可欠です。

この技術は、ケーブルフリー充電の利便性を提供し、駐車中や走行中にもシームレスに充電できる公共インフラに組み込まれる可能性を秘めています。