急速充電がEVの充電環境をどう変えるか

電気自動車（EV）の急速DC充電は、EVの普及を制限していると多くの人が信じている航続距離の不安を軽減する鍵となる可能性がある。 4 時間ではなく 20 分でバッテリー充電を可能にする堅牢な充電インフラストラクチャにより、EV の充電は、ドライバーが内燃エンジン (ICE) 車に燃料を補給するときに慣れ親しんだ経験にはるかに近づきます。

現在、そのインフラは完全に開発されていませんが、成長しており、より多くの車両が利用できるようになってきています。最近、複数の EV メーカーが Tesla EV 充電コネクタを採用しており、Tesla は現在急速充電ポートの展開において市場をリードしています。 Sensience が委託した調査では、2030 年までに世界中の公共充電の 70% 以上が DC 急速充電になると予測されています (図 1)。

図 1. 2030 年までに DC 急速充電の成長が予測される (画像:Sensence)

急速充電はEV市場の成長を引き出す可能性がある一方で、EV充電チェーン全体の熱管理の基準も引き上げます。 DC 急速充電器の出力は 50 ～ 350 kW ですが、レベル 2 充電器の一般的な出力は 7 ～ 19 kW です。 DC 急速充電器で一般的な高電圧でも、これらのポートはレベル 2 充電ポートよりも大幅に多くの熱を発生します。したがって、バッテリー寿命の短縮、充電効率の低下、安全上のリスクを引き起こす可能性のある温度を防ぐために、効果的な熱管理がこれまで以上に重要になっています。

効果的な熱管理のコンポーネントの 1 つは、設計プロセスの後半まで見落とされることがありますが、バッテリーと車両管理システムが車両充電チェーン全体の温度変化に迅速かつインテリジェントに対応できるようにする温度センサーの仕様です。

EV 充電チェーンにおける温度センサーの役割

センサーは充電チェーン全体で使用されます。最も明白な用途は、熱管理が最優先されるバッテリー自体です。バッテリー内のセンサーの配置はバッテリーの設計とサイズによって決まりますが、単一のセンサーでは、急速充電中にセルまたはモジュール内に発生する可能性のあるホットゾーンを検出できない可能性があるため、通常は不十分であることがわかります。理想的には、複数の場所でバッテリー セルの温度を直接監視し、パック全体内の熱分布を把握できる機能が必要です。

オンボード充電器は、センサー監視により急速充電中の熱管理に必要な冷却システムが作動するため、温度センサーにとってよりシンプルですが依然として重要な環境を表します。コンポーネント全体の温度変動が少ないため、必要なセンサーの数が少なくなります。

車両の充電ポートは、充電チェーンにおける温度センサーのもう 1 つの重要な用途です。温度センサーは車両の充電インレットと充電ガンの両方で使用され、電気端子の温度を監視します。このフィードバックは、プロングの損傷や汚れによって意図しない現象が発生した場合に安全停止を提供します。急速充電中は、充電入口の温度が最も高くなる可能性があるため、このアプリケーションで使用されるセンサーの仕様には特別な注意を払う必要があります。

同様に重要なのは、バッテリー、車載充電器、パワーエレクトロニクスを過熱から保護する冷却システムと統合されたセンサーです。 EV に統合されたインテリジェント冷却システムは、それをサポートするセンサーと同等の効果しか発揮しません。

EV 充電チェーンのセンサーの指定

高度な精度はあらゆる温度検知アプリケーションに不可欠ですが、バッテリーを最高速度で充電できる温度ウィンドウが狭いため、EV 充電チェーンでは特に重要です。実際の温度が望ましい範囲内であっても、センサーの誤差を補うために充電を遅くする必要がある場合があるため、センサーの精度が低いと充電効率が低下する可能性があります。センサーの精度が高くなると、車両システムがセンサーの不正確さを考慮しなければならない度合いが減り、より長時間の高速充電が可能になる可能性があります。

EV 用温度センサーのもう 1 つの重要な特性は、応答時間、つまり温度が測定されてからその温度が通信され、対応できるようになるまでの時間です。センサーのタイプが異なれば応答特性も異なり、各タイプ内でセンサーの構成を通じて応答時間を最適化できます。

たとえば、負温度係数 (NTC) サーミスタでは、金属ボディは導電性が向上しているため、プラスチックボディよりも高速な応答が可能です。ただし、金属ボディによりセンサーのコストが増加するため、これらのコストと、特定の用途における高速応答の価値とのバランスを取る必要があります。 EV 充電チェーンの主要コンポーネントの場合のように、温度がそれほど高くない場合、または冷却システムによって管理されている場合、可能な限り最速の応答時間を達成するためにコストを増加させることは保証されない可能性があります。例外は充電インレットで、応答時間の最適化をより高い優先度で考慮する必要があります。

センサーの選択で考慮すべきもう 1 つの要素は、保守性、または保守性の欠如です。センサーは通常、故障が発生した場合にセンサーを交換することが現実的でないように EV 充電チェーンに組み込まれるように設計されています。センサーが故障した場合は、コンポーネント全体を交換する必要があります。そのため、EV 充電チェーン全体で使用される温度センサーにとって、信頼性が最も重要な特性となります。

幸いなことに、EV と ICE では温度センサーの用途は異なりますが、使用されているセンサー技術は類似しています。これらのテクノロジーの製造プロセスは成熟しており、自動化の恩恵を受けて安定した品質を実現しています。テストとキャリブレーションのプロセスもよく理解されており、このアプリケーションで予測可能な信頼性とパフォーマンスを確保するのに役立ちます。

EV 充電チェーンのセンサー テクノロジーの評価

図 2. EV バッテリーでは温度がバッテリー全体で異なる可能性があるため、センサーの配置が特に重要です。

EV では通常、熱電対、NTC サーミスタ、測温抵抗体 (RTD) という 3 つの温度センシング技術が考慮されます。

熱電対は、温度変化に応じて、温度変化に比例する小さな電圧を生成します。これらのセンサーは一般に安価ですが、EV 充電チェーンにはあまり適していません。 EV バッテリーなどの高電圧環境ではテスト エンジニアに安全上のリスクが生じる可能性があり、電気ノイズによって精度が損なわれる可能性があり、応答時間は通常必要とされる時間よりも遅くなります。

NTC サーミスタでは、温度が上昇すると抵抗が減少します。この技術は、コンパクトなサイズで優れた精度を実現し、狭いスペースへの組み込みを可能にします。 NTC サーミスタの応答時間と抵抗温度曲線は、充電チェーン内のさまざまなコンポーネントの要件を含む、幅広いアプリケーション要件を満たすように構成することもできます。したがって、これらは設計要件を効率的に満たすように構成でき、数十年にわたって自動車アプリケーションで実証されているため、これらのアプリケーションにとって理想的なソリューションとなります。

RTD では、温度が上昇すると抵抗が増加します。これらのセンサーは一般に、NTC よりも精度が高く、動作範囲が広いです。ただし、価格も高く、この技術の利点は一般に EV 充電チェーン アプリケーションに付加価値をもたらしません。コスト削減への絶え間ないプレッシャーにより、設計者は NTC サーミスタを使用することで低コストで必要なパフォーマンスを達成できることに気づくかもしれません。

正確さと信頼性を備えた設計

急速充電がより一般的になりつつあるため、バッテリー技術が進化しても、充電チェーン全体での正確で信頼性の高い温度検知は依然として重要です。温度センサーを新しい設計に効果的かつコスト効率よく統合するための鍵は、プロトタイプ開発中に仕様を開発し、サプライヤーを選択することです。これにより、より合理化されたプロセスが可能になり、センサーがコスト効率よくアプリケーション要件を満たせるようになり、設計がプロトタイプから製品に移行する際に変更が必要になるリスクが軽減されます。

この記事は、Sensience (オハイオ州ウェスターウィル) の輸送部門プロダクト マネージャーである Phil Thibodeau によって書かれました。詳細については、 ここをご覧ください。