急速充電がEV充電環境をどう変えるか：熱管理と温度センサの鍵

航続距離不安解消の鍵：DC急速充電

電気自動車（EV）のDC急速充電は、EV普及を阻むと多くの人が考える航続距離不安を解消する鍵となり得ます。バッテリーを4時間ではなく20分で充電できる堅牢な充電インフラがあれば、EV充電は内燃機関（ICE）車の給油体験に大きく近づきます。

そのインフラは今日完全には整っていませんが、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います。複数のEVメーカーが最近テスラの充電コネクタを採用し、テスラは現在急速充電ポートの展開で市場をリードしています。セニエンスが委託した調査では、DC急速充電が2030年までに世界の公共充電の70%以上を占めると予測されています（図1）。

図1. 2030年までのDC急速充電の予測成長。（画像：セニエンス）

急速充電が熱管理のハードルを引き上げる

急速充電がEV市場の成長を解き放つ一方で、EV充電チェーン全体での熱管理のハードルを引き上げます。DC急速充電器は50〜350kWの電力を出力するのに対し、レベル2充電器の典型値は7〜19kW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充電ポートより大幅に多くの熱を生成します。したがって、バッテリー寿命の短縮、充電効率の低下、安全リスクを引き起こす温度上昇を防ぐため、効果的な熱管理がこれまで以上に重要になります。

効果的な熱管理の一要素で、設計プロセスの後半まで見落とされがちなのが、バッテリーおよび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の仕様決定です。

EV充電チェーンにおける温度センサの役割

バッテリー内部：最優先の熱管理

センサは充電チェーン全体で使用されます。最も明確な用途はバッテリー内部で、ここでは熱管理が最高優先度です。バッテリー内のセンサ配置はバッテリー設計とサイズにより決まりますが、単一センサでは通常不十分です。急速充電中にセルやモジュールで発生するホットゾーンを検出できない可能性があるためです。理想的には、複数の場所でバッテリーセル温度を直接監視し、パック全体の熱分布を把握できることが望まれます。

車載充電器：冷却システムのトリガー

車載充電器は、温度センサにとってよりシンプルだが依然として重要な環境です。センサ監視が急速充電中の熱管理に必要な冷却システムをトリガーします。コンポーネント全体で温度変動が少ないため、必要なセンサ数は少なくなります。

充電ポート：安全停止の役割

車両の充電ポートも、充電チェーンにおける温度センサの重要な用途です。温度センサは車両の充電インレットと充電ガンの両方で、電気端子の温度を監視するために使用されます。このフィードバックは、端子の損傷や汚染による予期せぬ現象が発生した場合の安全停止を提供します。急速充電中は充電インレットで温度が最も高くなる可能性があり、この用途で使用されるセンサの仕様には特別な注意が必要です。

冷却システム統合センサ：インテリジェント冷却の要

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守る冷却システムと統合されたセンサも同様に重要です。EVに統合されたインテリジェント冷却システムは、それを支えるセンサと同じくらい効果的です。

EV充電チェーン向けセンサの仕様決定

高精度の必要性

高い精度はあらゆる温度センシングアプリケーションで不可欠ですが、バッテリーが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。センサ精度が低いと、実際の温度が望ましい範囲内でも、センサの誤差マージンを補うために充電を遅くしなければならず、充電効率が低下します。高精度センサは、車両システムがセンサ不正確さを考慮する度合いを減らし、より長い期間、より速い充電を可能にする場合があります。

応答時間の重要性

EV向け温度センサのもう一つの重要な特性は、応答時間、つまり温度が測定されてから通信され、対応可能になるまでの時間です。センサタイプによって応答特性は異なり、各タイプ内でもセンサ構成で応答時間を最適化できます。

例えば、負温度係数（NTC）サーミスタでは、金属ボディはプラスチックボディより導電性が高いため、より速い応答が可能です。しかし、金属ボディはセンサコストを増やし、このコストを特定用途でのより速い応答の価値と天秤にかける必要があります。温度がそれほど高くない、または冷却システムで管理されている場合（EV充電チェーンの主要コンポーネントではこれが当てはまります）、最速応答時間を達成するためにコストを増やすことは正当化されないかもしれません。例外は充電インレットで、ここでは応答時間の最適化をより高い優先度とすべきです。

サービス性のなさ＝信頼性が最重要

センサ選定で考慮すべきもう一つの要因は、サービス性、あるいはその欠如です。センサは一般的に、故障時に交換が非現実的なよう、EV充電チェーンに設計組み込まれます。センサが故障すればコンポーネント全体を交換する必要があります。したがって、EV充電チェーン全体で使用される温度センサにとって、信頼性が最も重要な属性となります。

幸い、EVでの温度センサ用途はICE車とは異なりますが、使用されるセンサ技術は類似しています。これらの技術の製造プロセスは成熟しており、自動化の恩恵を受けて一貫した品質を実現しています。試験と校正プロセスもよく理解されており、この用途での予測可能な信頼性と性能を確保するのに役立ちます。

EV充電チェーン向けセンサ技術の評価

図2. EVバッテリーでは温度がバッテリー全体で変化するため、センサ配置が特に重要。（画像：セニエンス）

EVで通常検討される3つの温度センシング技術：熱電対、NTCサーミスタ、抵抗温度検出器（RTD）。

熱電対：EV充電チェーンには不向き

熱電対は温度変化に比例した微小電圧を生成します。一般的に安価ですが、EV充電チェーンには適していません。EVバッテリーのような高電圧環境ではテストエンジニアに安全リスクをもたらす可能性があり、精度が電気ノイズによって損なわれる可能性があり、応答時間が通常必要とされるより遅いためです。

NTCサーミスタ：理想的なソリューション

NTCサーミスタでは、温度上昇に伴い抵抗が減少します。この技術はコンパクトなサイズで良好な精度を提供し、タイトなスペースへの統合を可能にします。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め、幅広いアプリケーション要件に合わせて設定できます。したがって、設計要件を効率的に満たすように設定でき、数十年にわたり自動車アプリケーションで実証済みであるため、これらのアプリケーションに理想的なソリューションと言えます。

RTD：高精度だがコスト高

RTDでは、温度上昇に伴い抵抗が増加します。これらのセンサは一般的にNTCより高い精度と広い動作範囲を提供しますが、より高価であり、この技術の利点が一般的にEV充電チェーンアプリケーションで追加価値をもたらすことはありません。コスト削減の継続的な圧力がある中、設計者はNTCサーミスタでより低コストで必要な性能を達成できることを見出すでしょう。

精度と信頼性を設計に組み込む

急速充電がより一般的になるにつれ、充電チェーン全体での精密で信頼性の高い温度センシングは、バッテリー技術が進化しても依然として重要です。温度センサを新設計に効果的かつコスト効率よく統合する鍵は、プロトタイプ開発段階で仕様を策定し、サプライヤーを選定することです。これにより、より合理化されたプロセスが可能になり、センサがアプリケーション要件をコスト効率よく満たすことを確実にし、設計がプロトタイプから量産に移行する際に修正が必要になるリスクを軽減できます。

本記事は、セニエンス（オハイオ州ウェスタービル）製品マネージャーのフィル・ティボドー氏によって執筆されました。詳細については、こちらをご覧ください。