精密DCエナジーメータリングにおける設計課題の克服

ワイドバンドギャップ半導体ベースの効率的な電力変換技術の発展により、精密DCエナジーメータリングが特にエネルギー課金が関わる場面で重要になっています。本記事ではDCメータリングの課題を議論し、DCエナジーメータ設計の提案を行います。

初期のグリッド開発者は、交流（AC）を用いて世界に電力を供給しました。それはより使いやすかったためです。しかし多くの分野では、直流（DC）が効率を劇的に改善できます。ワイドバンドギャップ半導体ベースの効率的で経済的な電力変換技術の発展により、多くのアプリケーションがDCエナジー交換への切り替えメリットを見出すようになりました。その結果、精密DCエナジーメータリングが特にエネルギー課金が関わる場面で重要になっています。

この2部構成シリーズの最初の記事では、EV充電ステーション、再生可能エネルギー発電、サーバファーム、マイクログリッド、ピアツーピアエネルギー共有におけるDCメータリングの機会について議論しました。本記事ではDCメータリングの課題と、DCエナジーメータ設計の提案について議論します。

1900年代初頭、従来のACエナジーメータは完全に電気機械式でした。電圧コイルと電流コイルの組み合わせで、回転アルミニウムディスクに渦電流を誘導しました。ディスクにかかるトルクは、電圧と電流コイルが生成する磁束の積に比例しました。最後に、ディスク用の制動磁石の追加により、回転速度が負荷による実効電力に直接比例するようになりました。この時点で、エネルギー消費の測定は、一定期間の回転数をカウントするだけの問題となりました。

現代のACメータは、はるかに複雑で、精度が高く、改ざんから保護されています。最新のスマートメータは、現場に設置された状態で24時間365日、絶対精度を監視し、改ざんの兆候を検出できます。これはAnalog DevicesのADE9153BメータリングICで、mSure^®テクノロジーにより実現されています。エナジーメータ—モダン、伝統、AC、DCを問わず—はすべて、kWhあたりのインパルス数定数とパーセントクラス精度で分類されます。kWhあたりのインパルス数は、エナジー更新レート、つまり分解能を示します。クラス精度は、エナジーの最大測定誤差を認証します。

古い機械式メータと同様に、与えられた時間間隔のエネルギーはこれらのインパルスをカウントすることで計算されます。パルス周波数が高いほど瞬時電力が高く、逆もまた然りです。

DCメータアーキテクチャ

DCメータの基本アーキテクチャは図1に示されています。負荷による消費電力（P = V × I）を測定するには、少なくとも1つの電流センサと1つの電圧センサが必要です。

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図1. DCエナジーメータシステムアーキテクチャ（出典: Analog Devices）

ロー側がアース電位の場合、メータを通る電流は一般的にハイ側で測定され、未計測漏れのリスクを最小化します。しかし、設計アーキテクチャで要求される場合はロー側や両側で測定することも可能です。負荷の両側で電流を測定し比較する手法は、メータに故障検出と改ざん検出機能を付与するためによく使用されます。ただし、両側で電流を測定する場合、導体間の高電位に対処するために、少なくとも1つの電流センサを絶縁する必要があります。

電圧測定

電圧は通常、抵抗分圧器で測定されます。抵抗ラダーを用いて電位をシステムADC入力と互換性のあるレベルまで比例的に低下させます。

入力信号の振幅が大きいため、標準コンポーネントで精密な電圧測定を容易に達成できます。ただし、選択コンポーネントの温度係数と電圧係数に注意を払い、温度範囲全体で必要な精度を保証する必要があります。

前の記事で議論したように、EV充電ステーション向けDCエナジーメータは、車両に転送されたエネルギーのみを課金することが要求されることがあります。測定要件を満たすため、EV充電器向けDCエナジーメータは複数の電圧チャネルを備え、車両のエントリーポイントでの電圧も検知できる必要があります（4線式測定）。4線式構成でのDCエナジーメータリングにより、充電パイルとケーブルのすべての抵抗損失が総エナジー請求から差し引かれます。

DCエナジーメータリングのための電流測定

電流は直接接続で測定するか、電荷キャリアの流れが生成する磁場を検知することで間接的に測定できます。次のセクションでは、DC電流測定で最も一般的なセンサについて説明します。

シャント抵抗

直接接続電流検知は、ACとDC電流測定の試された信頼できる方法です。電流の流れを既知値のシャント抵抗を通じてルーティングします。シャント抵抗両端の電圧降下は、よく知られたオームの法則（V = R × I）により流れる電流に直接比例し、増幅・デジタル化することで回路を流れる電流の正確な表現が得られます。

シャント抵抗検知は、mAからkAまでの電流測定に安価、精密、強力な方法であり、理論上無制限の帯域幅を持ちます。しかし、いくつかの欠点があります。

電流が抵抗を流れると、ジュール熱が電流の二乗に比例して発生します。これは効率の面からだけでなく、自己発熱がシャント抵抗値自体を変化させ、結果として精度劣化を招きます。自己発熱効果を制限するために低抵抗値が使用されます。しかし、小さな抵抗を使用すると、検知素子両端の電圧も小さくなり、システムのDCオフセットと比較可能になることがあります。これらの条件下では、ダイナミックレンジの下限で必要な精度を達成することは容易ではありません。超低DCオフセットと超低温度ドリフトを持つ最新のアナログフロントエンドを使用すれば、小値シャント抵抗の限界を克服できます。しかし、オペアンプは一定のゲイン帯域幅積を持つため、高ゲインは利用可能な帯域幅を制限します。

低値電流検知シャントは通常、マンガン銅やニッケルクロムなどの特定の金属合金で作られ、構成要素の相反する温度ドリフトを相殺し、全体のドリフトを数十ppm/°Cのオーダーに抑えています。

直接接続DC測定における別の誤差要因は、熱起電力（EMF）現象、いわゆるゼーベック効果です。ゼーベック効果は、少なくとも2種類の異種電気導体または半導体が接合を形成し、それらの間に温度差があるときに、両者の間に電位差が生じる現象です。ゼーベック効果はよく知られた現象で、サーモカップルでの温度検知に広く利用されています。

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図2. 温度勾配によるシャント内の熱EMF（出典: Analog Devices）

4線式接続電流シャントの場合、ジュール熱は抵抗合金素子の中央で発生し、銅検知線（PCBや別の媒質に接続され、異なる温度を持つ可能性がある）に向かって伝播します。

検知回路は異種材料の対称的な分布を形成するため、負と正の検知線の接合部での電位は概ね相殺されます。しかし、負の検知線がより大きな銅質量（グランドプレーン）に接続されているなど、熱容量の差異があると、温度分布のミスマッチを生じ、熱EMF効果による測定誤差をもたらします。

そのため、シャントの接続と発生熱の分布には注意を払う必要があります。

磁場検知—間接電流測定

開ループホール効果

センサは高透磁率リングで構成され、測定対象の導線を通します。これにより、測定導体周りの磁力線が、磁性コアの断面積内に挿入されたホール効果センサに集中されます。このセンサの出力は前処理され、通常さまざまなフレーバーで利用可能です。最も一般的なのは：0 V〜5 V、4 mA〜20 mA、またはデジタルインターフェース。絶縁と比較的低コストで高電流レンジを提供しますが、絶対精度は通常1%を下回りません。

閉ループホール効果

透磁性コア上の多巻き二次巻線を電流アンプで駆動し、ゼロ総磁束条件を達成するための負のフィードバックを提供します。補償電流を測定することで直線性が向上し、コアヒステリシスがなく、開ループソリューションと比較して全体的に優れた温度ドリフトと高い精度を実現します。典型的な誤差範囲は0.5%まで低下しますが、追加の補償回路によりセンサがより高価になり、帯域幅が制限されることがあります。

フラックスゲート

意図的に飽和させたコアの磁束変動を監視して電流を測定する、複雑な開ループまたは閉ループシステムです。高透磁率フェライトコアにコイルを巻き、対称方形波電圧で駆動される二次コイルによって意図的に飽和させます。

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図3. フラックスコンセントレータと磁気センサベースの開ループ電流トランスデューサ（出典: Analog Devices）

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図4. 閉ループ電流トランスデューサの動作原理例（出典: Analog Devices）

コイルのインダクタンスは、コアが正または負の飽和に近づくたびに崩壊し、電流の変化率が増加します。コイルの電流波形は、外部磁場が追加で印加されない限り対称のままです。外部磁場が印加されると波形が非対称になります。この非対称性の大きさを測定することで、外部磁場の強度、結果としてそれを生成した電流を推定できます。優れた温度安定性と0.1%までの精度を提供します。しかし、センサの複雑なエレクトロニクスにより、他の絶縁ソリューションの10倍の価格となる高価なソリューションです。

DCエナジーメータリング: 要件と標準化

DCエナジーメータリングの標準化は、既存のACメータリング標準エコシステムと比較してそれほど困難ではないように見えますが、業界関係者は依然として異なるアプリケーションの要件について議論しており、DCメータリングの正確な詳細を詰めるためにより多くの時間を求めています。

IECは、精度クラス0.5%と1%で有効電力用DC静止メータの要件を定義するIEC 62053-41の策定に取り組んでいます。

この標準は、公称電圧と電流の範囲を提案し、メータの電圧と電流チャネルの最大消費電力に制限を設けます。さらに、ACメータリング要件と同様に、ダイナミックレンジ全体での特定精度と、無負荷条件の電流閾値が定義されています。

草案にはシステム帯域幅に関する特定要件はありませんが、高速負荷変動テストの成功が要求され、システムの最小帯域幅に関する暗黙の要件を定義しています。

EV充電アプリケーションでのDCメータリングは、ドイツ標準VDE-AR-E 2418や旧鉄道標準EN 50463-2に準拠することがあります。EN 50463-2によると、精度はトランスデューサごとに指定され、結合エナジー誤差は電圧、電流、計算誤差の二乗和の平方根となります：

表1. EN 50463-2による最大パーセント電流誤差

電流範囲 クラス 0.2R クラス 0.5R クラス 1R 1%〜5% I_N 1% 2.5% 5% 5%〜10% I_N 0.4% 1% 1.5% 10%〜120% I_N 0.2% 0.5% 1%

表2. EN 50463-2による最大パーセント電圧誤差

電圧範囲 クラス 0.2R クラス 0.5R クラス 1R <66% V_N 0.4% 1% 2% 66%〜130% V_N 0.2% 0.5% 1%

標準準拠DCメータの概念実証

Analog Devicesは精密センシング技術の業界リーダーとして、精密電流・電圧測定の完全なシグナルチェーンを提供し、制限的な標準要件を満たします。次のセクションでは、今後のアプリケーション固有標準IEC 62053-41に準拠したDCエナジーメータの概念実証を示します。

マイクログリッドとデータセンターにおける課金グレードDCエナジーメータリングの空間を考慮すると、表3に示す要件を仮定できます。

表3. DCエナジーメータ仕様—概念実証

定格

公称 ダイナミック
レンジ 測定
(最大レンジ) 電圧 ±400 V_DC 100:1 ±600 V 電流 ±80 A 100:1 ±240 A 精度 1%〜5% I_NOM 1% 5%〜120% I_NOM 0.5% 温度 –25°C〜+55°C –40°C〜+70°C 保存 メータ定数 1000 imp/kWh 電圧と電流帯域幅 2.5 kHz

安価で精密な電流検知は、小値かつ低EMFシャント（<1 μV_EMF/°C）を使用して達成できます。シャント抵抗を小さく保つことは、自己発熱効果を低減し、標準で要求される限界以下に電力レベルを抑えるために不可欠です。

市販の75 μΩシャントで、消費電力を0.5 W以下に抑制できます。

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図5. DCメータシステムアーキテクチャ（出典: Analog Devices）

しかし、80 A公称電流の1%は、75 μΩシャントで60 μVの微小信号を生成し、サブマイクロボルトオフセットドリフト性能のシグナルチェーンを必要とします。

最大オフセット電圧2.5 μV、最大オフセット電圧ドリフト0.015 μV/°CのADA4528は、小さなシャント信号に対する超低ドリフト、100 V/V増幅に適しています。したがって、同時サンプリング24ビットADCのAD7779を増幅段に直接接続でき、5 nV/°Cの入力換算オフセットドリフト寄与で動作します。

高DC電圧は、1000:1比の抵抗分圧器で精密に測定し、AD7779 ADC入力に直接接続できます。

最後に、マイクロコントローラがシンプルなサンプルバイサンプル、割り込み駆動メトロロジー機能を実装し、各ADCサンプルで割り込みルーチンが：

• 電圧と電流サンプルを読み取り
• 瞬時電力を計算（P = I × V）
• 瞬時電力をエナジーアキュムレータに蓄積
• エナジーアキュムレータがエナジー閾値を超えるかチェックし、エナジーパルスを生成してエナジー蓄積レジスタをクリア

さらに、メトロロジー機能に加えて、マイクロコントローラはRS-485、LCDディスプレイ、プッシュボタンなどのシステムレベルインターフェースを可能にします。

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図6. 概念実証—プロトタイプ（出典: Analog Devices）

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Luca Martini氏は、2016年にボローニャ大学（イタリア）でエネルギー向け電子通信工学のM.Eng.学位を取得。学位の一環として、フラウンホーファーIIS（ドイツ・ニュルンベルク）で7か月間、圧電エナジーハーベスタの特性評価のための精密リアルタイム制御システム開発に従事。2006〜2016年、生物医学分野でシステムおよびハードウェア開発者として勤務。2016年、Analog Devicesのエナジー・産業システムグループ（英国エディンバラ）に入社。連絡先: luca.martini@analog.com.

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