800Vシステムの課題：充電システム用充電スタンド

800V充電「充電の基本」

この記事は主に800V充電スタンドのいくつかの予備要件について述べています。まず充電の原理を見てみましょう：充電ガンヘッドが車両側に接続されると、充電スタンドは①低電圧補助直流電源を車両側に供給し、電気自動車の内蔵BMS（バッテリーマネジメントシステム）を起動します。起動後、②車両側とスタンド側が接続され、最大充電要求電力や最大出力電力などの基本的な充電パラメータを交換し、両者が適切に一致します。

一致した後、車両側のBMS（バッテリーマネジメントシステム）は充電スタンドに電力要求情報を送信し、充電スタンドはこの情報に基づいて出力電圧と電流を調整し、正式に車両の充電を開始します。これが充電接続の基本原理であり、まずこれに慣れる必要があります。

800V充電：「電圧または電流の増強」

理論的には、充電時間を短縮するために充電電力を増やしたいのですが、 通常は2つの方法があります：バッテリーを増強するか、電圧を増強するか; W=Ptに従えば、充電電力が倍になれば、自然と充電時間は半分になります。P=UIに従えば、電圧または電流を倍にすれば、充電電力も倍になります。これは繰り返し述べられており、一般的な知識と見なされています。

電流が高くなると、2つの問題が生じます。電流が大きくなるほど、必要な電流導体ケーブルはより大きく、かさばるものになり、直径と重量が増加し、コストが上昇します。同時に、操作も不便になります。さらに、Q=I²Rtに従えば、電流が高くなると電力損失も増加し、その損失は熱として現れます。これにより熱管理の負担も増えます。したがって、充電電力の増加は望ましくなく、電流を増やすことで充電電力を増やすことは避けるべきです。充電電力の増加は、充電システムや車載駆動システムの両方にとって望ましくありません。

高電流高速充電と比較して、高電圧高速充電は熱生成が少なく、損失も低いため、現在、ほぼすべての主流自動車企業は電圧を上げるルートを採用しています。高電圧高速充電の場合、理論的には充電時間を50%以上短縮でき、電圧を上げることで充電電力を120KWから480KWに簡単に引き上げることが可能です。

800V充電：「電圧と電流は熱効果に対応する」

しかし、電圧や電流を上げるかどうかに関わらず、まず充電電力が増加すると熱が発生します。ただし、電圧と電流の熱の現れ方は異なります。高速での影響はバッテリーに少し多くの負担をかけ、比較的遅いが熱の隠れた上限もより明確です。前者の方が比較的望ましいです。 

導体内の電流が低抵抗を通ると、電圧を上げる方法は必要なケーブルサイズを減らし、発熱も少なくなります。同時に電流を増やすと、導体の断面積が大きくなり、外径とケーブルの重量も増加します。一方、充電時間が長くなると熱は徐々に増加し、より隠れた形でリスクが高まります。

800V充電：「充電スタンドの直接的な課題」

800V高速充電には、スタンド側にもいくつかの異なる要件があります：

物理レベルで見ると、電圧が上がると、関連する装置の設計サイズも増加します。例えば、IEC60664の汚染レベル2絶縁材料グループ1の高電圧装置の距離は2mmから4mmに必要となり、絶縁抵抗の要件も増加します。絶縁耐圧やクリーンページ距離も2倍に増やす必要があり、以前の設計においてより高い電圧に対応する必要があります。

これにより、コネクタ、銅行、ジョイントなどの関連装置のサイズを再設計する必要があります。電圧の増加はアーク消火の要件も高め、ヒューズ、スイッチボックス、コネクタなどの装置の性能向上も求められます。これらの要件は車両の設計にも適用されます。

上記のように、高電圧800V充電システムは外部のアクティブ液冷システムの増設が必要です。従来の空冷による能動冷却と受動冷却は、充電スタンドのガンラインから車両側への熱管理要件を満たせなくなっており、この部分のシステムの温度をどのように低減・制御するかが次の課題となります。

さらに、この部分の熱は過充電による熱だけでなく、高周波電力デバイスからの熱も含まれます。過充電による熱だけでなく、高周波電力デバイスからの熱もあり、リアルタイムの監視と安定的かつ安全に熱を除去する方法が非常に重要です。これには材料の革新だけでなく、充電温度のリアルタイムかつ効果的な監視システムの開発も含まれます。

現在市場に出ているDC充電スタンドの出力電圧は400Vであり、直接800Vの電池に充電することはできないため、追加の昇圧DCDC製品が必要となる。これにより400V電圧を800Vに変換し、その後バッテリーに充電する。これは高出力の高周波変換を必要とし、シリコンカーバイドを従来のIGBTモジュールの代わりに使用することが主流の選択肢となっている。シリコンカーバイドモジュールは充電スタンドの出力電力を増加させるだけでなく、出力電力を向上させることもできる。シリコンカーバイドモジュールは出力電力を増やし、損失を減らすことができるが、コストも大幅に上昇し、EMCの要求も高くなる。

要約すると、電圧の増加はシステムレベルとデバイスレベルの両方で改善が必要となる。システムレベルには熱管理システムや充電保護システムなどが含まれ、デバイスレベルには磁気デバイスや電力デバイスの改善が含まれる。