EVおよびEV供給機器用の保護、補助電源、コネクティビティの実装方法

電気自動車（EV）は、気候変動の懸念に対処するために温室効果ガス（GHG）排出量を削減する上で、ますます重要な役割を果たしています。しかし、EVや充電器のようなEV供給装置（EVSE）の設計と配備を成功させるには、設計者が幅広い技術的課題に取り組む必要があります。それは、過電圧および過電流回路の保護、電磁干渉（EMI）の抑制、広い入力および動作温度範囲を持つ電源の設計、EVの航続距離を向上させるための継続的な軽量化の必要性などです。

たとえば、EVSEシステムのバッテリ管理システム（BMS）と制御インターフェースには、入力電圧範囲85～305ボルトAC（V_AC）、温度範囲-40～85°Cで動作する補助AC/DC電源が必要です。重量に対応するため、設計者は、優れたそして定評あるCANバスから、より軽量なケーブルでより高い帯域幅をサポートできる車載グレードのイーサネットへの移行を検討する必要があります。

この記事では、EV充電器の基本的なレベルについて簡単に説明します。次に、補助AC/DC電源（補助電源）に関する各タイプの異なるニーズについて説明し、過電圧および過電流保護オプションを提供し、イーサネットコネクティビティを実装し、高速信号が歪まないようにEMIを抑制する方法について説明します。Bel Fuse、 Signal Transformer、 Stewart Connector、 CUIなどのプロバイダが、さまざまな設計上の問題に対処するための実際のソリューションの例を紹介します。

EVおよびEVSE充電要件の紹介

バッテリチャージャおよび充電パイルを含む大量のEVSEの配備が、EV普及の鍵になります。なお、EVのバッテリチャージャはEVに内蔵されているもので、充電パイルは外部の充電ステーションを指します。EVコネクタの北米規格であるSAE J1772は、EVの充電レベルを以下の4段階に定義しています。

• ACレベル1は120V_AC を使用し、最大16アンペア（A）または1.9キロワット（kW）を供給 ACレベル2は208～240V_AC を使用し、最大80Aまたは19.2キロワットを供給
• DCレベル1は最大1,000V_DC で最大80Aまたは80kWを供給
• DCレベル2は最大1,000V_DC で最大400Aまたは400kWを供給

SAEはこの2つのDCレベルを別々に定義していますが、しばしばまとめてレベル3、またはDC急速充電と呼ばれます。異なる入力電圧と電力レベルに加え、AC充電パイルは、バッテリパックを安全かつ効率的に充電するために必要なAC/DC変換とBMS機能を使用するために、車両に別のオンボード充電器（OBC）を必要とします。DC急速充電の場合、OBCは不要で、電力変換とBMS機能は充電パイルに組み込まれています。各充電レベルには、車両と充電パイル間の通信（シグナリング）が含まれています（図1）。

図1：EV充電の3段階のレベルが一般的に認識されています。レベル3（下）は、SAE J1772で定義されたDC充電の2つのレベルを組み合わせたものです。（画像提供：CUI）

補助電源の必要性

SAE J1772 の要件に従って、補助電源は、充電パイルの一般的な動作と、充電パイルコントローラを車両コントローラに接続する際の信号機能をサポートするために必要です。信号プロトコルは、パイルと車両間の継続的な双方向コネクティビティを利用し、効率的で安全な充電を保証するように設計されています。

基本的な電源要件には、信号用に12V_DC を供給し、動作温度範囲が-40～+85°CのAC/DC電源が要求されます。完全なソリューションには電磁両立性（EMC）と保護回路が必要で、通常、マイクロコントローラユニット（MCU）に電力を供給するための3.3ボルトなど、他のコンポーネントに低電圧を供給するための独立したDC/DCコンバータがあります。

正確な必要電力は、充電パイルの設計によります。たとえば、レベル1充電器は、最小限の電力しか必要としないシンプルな設計で、補助電源は、プリント回路基板（pc基板）に搭載された小型の5ワットAC/DC電源で供給することができます。レベル2の充電パイルはより複雑で、約50ワットの補助電源を必要とします。どちらも単相AC入力で動作するが、レベル1は120V_AC 、レベル2は208～240V_AC と入力電圧が異なります。

レベル3の充電パイルで状況は大きく変わります。パイルの充電回路は三相電力で作動し、多くの場合480V_ACです。補助電源には単相電力が供給され、85～305V_ACのような広い入力電圧範囲を必要とします。出力電力も150ワット以上と高く、支払い機能、ディスプレイ、BMSなどの追加制御を含め、より幅広い機能が可能になります。システム全体の電源として、24V_DC などの単一出力を持つことができます。システムには、信号に必要な12V_DC 、BMS用の独立した12V_DC レール、MCUやその他のコンポーネント用の3.3V_DC を供給するための一連の分散型DC/DCコンバータが搭載されます。EMCや標準的な保護機能に加えて、これらの電源ソリューションには力率補正（PFC）、電源投入時の高突入電流からの保護が必要です。

補助電源

設計者にとって朗報なのは、補助電源をゼロから作る必要がないことです。その代わり、Bel FuseのCUI部門から、あらゆるタイプのEV充電パイル用の市販ソリューションがあります。たとえば、 PBOシリーズ の3、5、8、10ワット基板搭載AC/DC電源は、レベル1充電器に適しています。モデルPBO-5C-12 は、85～305V_AC の入力電圧範囲から12V_DC 出力で5ワットを供給し、-40℃～+85°Cの温度範囲で動作するよう定格されています。

レベル2の充電パイルは、より多くの補助電力を必要とし、12V_DC で830ミリアンペア（mA）を供給する付属の10ワットPSK-10D-12 のようなAC/DC電源PSKシリーズ を使用することができます。この電源は、PBO-5C-12と同じ入力電圧範囲と動作温度仕様を持っています。PBOシリーズとPSKシリーズはいずれも過電流および短絡保護機能を備えていますが、PSKシリーズにはさらに過電圧保護機能が追加されています。

レベル3の充電パイルには、CUIのAC/DC電源 VGSシリーズ 最大350ワットを供給できます。これらの電源は、短絡、過電流、過電圧、過温度保護、および突入電流制限とアクティブPFCを備えています。放射/伝導エミッションはCISPR/EN55032 Class Bに、高調波規制はIEC 61000-3-2 Class Aに適合しています。一例として VGS-100W-24があります。出力電圧24V_DC 、標準効率89.5%で出力は108ワットを供給します（図2）。

図2：VGS（左）、PSK（中央）、PBO（右）のAC/DC電源（実物大ではありません）は、それぞれレベル3、レベル2、レベル1のEV充電パイルに適しています。(画像提供：Jeff Shepard氏）

過電流保護

高電圧レールに過電流保護ができるように、Bel Fuseは 240、500、および 1,000ボルトの定格を持つ速断性と堅牢性を備えた セラミックヒューズ を提供しています。EV用メインバッテリパック、ジャンクションボックス、充電パイル、および関連アプリケーション用に設計されており、JASO D622/ISO 8820-8の道路車両用ヒューズ規格の要件を満たしています。モデル 0ALEB9100-PD カートリッジボルト取付けセラミックヒューズの定格は 10A、500ボルトです(図3)。

図3：0ALEB9100-PDボルトマウントセラミックヒューズは定格10A、500ボルトで、さまざまなEVアプリケーション用に設計されています。（画像提供：Bel Fuse）

過温度保護

過温度保護は、EV充電パイルやバッテリパックにおいても重要です。このような用途向けに、Bel Fuseは 0ZT シリーズ 高温リセッタブルヒューズを提供しています。これらの正温度係数（PTC）デバイスは、-40℃～+125°Cの高い動作温度範囲を持ち、堅牢な過熱保護に必要なトリップ電流とホールド電流を提供します。たとえば、 0ZTH0020FF2Eの定格電圧は30V、トリップ電流は500mA、ホールド電流は 200mAです(図4)。OZTシリーズの他のPTCデバイスと同様、高周囲温度環境での動作に適しています。

図4：高温リセッタブルヒューズOZTH0020FF2Eは、EV充電パイルやBMSでの使用に適した過温度保護用PTCデバイスOZTシリーズの1つです。（画像提供：Bel Fuse）

コネクティビティおよび信号の完全性

補助電源と保護機能に加え、EV充電パイルには、信頼性の高い動作のための高速コネクティビティと高度な信号の完全性が要求されます。最大10ギガビット/秒（Gbits/s）のデータレートを持つIEEE 802.3chベースの車載イーサネットによって、これらの要件を容易に満たすことができます。車載イーサネットは、1メガビット/秒（Mビット/秒）のデータレートを持つ従来のCANバスに急速に取って代わりつつあります。これは、車載イーサネットのデータ転送速度が速いためでもありますが、軽量かつ最小限のコストで設計されたシールドなしのシングルツイストペアケーブルでデータを転送するためでもあります。

イーサネットの利用は、2024年にIEEE 802.3dhがリリースされる予定であり、今後も拡大が見込まれています。この規格は、プラスチック光ファイバ（POF）上でマルチギガビットの車載イーサネットを実現します。車載用途におけるPOFの利点には、高い弾性ひずみ限界、高い破壊靭性、高い柔軟性などがあり、ツイストペアイーサネットケーブルの代替に適しています。

一方、今日の車載設計向けに、Bel FuseのStewart Connector部門は、振動およびシーリング要件に関するSAE/USCAR2-6規格に準拠した車載グレードのRJ45 イーサネットモジュール式コネクタを 提供しています。直角および垂直マウント設計があり、複数のLED構成で、動作温度範囲は-40℃～＋100°Cです。

コネクタは最大100ワットのPoE（Power-over-Ethernet）に対応します。このスタイルのPoEコネクタでは、クロストークおよびリターンロスがしばしば課題となるため、そのコンタクト設計は高周波アプリケーションでの高性能のために最適化されています。また、フットプリントが小さくなるように最適化されています。

SS-60300-011のようなStewart RJ45の非LEDバージョンは赤外線リフローに対応しており、製品ラインのすべてのデバイスは、性能向上のために接点に選択的に50マイクロインチの金メッキが施されています。SS-60300-011は横向きに設計されています（図5）。

図5：SS-60300-011は、車載アプリケーションでPoEをサポートできるコンパクトな水平イーサネットコネクタです。(画像提供：Stewart Connector）

信号の完全性を確保するため、Bel FuseのSignal Transformer部門は、差動モードノイズのEMI抑制用表面実装コモンモードチョーク SPDLシリーズ を提供しています。イーサネットおよびその他の高速インターフェース上の信号を、実質的に信号の歪みを発生させることなくフィルタリングします。これらのコモンモードチョークの定格電流は最大6.5A、インピーダンスは90～2200Ω、動作温度範囲は-40℃～+125°Cです。たとえば、モデル SPDL3225-101-2P-T の定格は5100Ω（標準値）、50ボルト、150mAです（図6）。

図6：SPDL3225-101-2P-T表面実装コモンモードチョークは、信号歪みを最小限に抑えながらEMIを制御します。（画像提供：Signal Transformer）

まとめ

大規模なEV利用とそれに伴う地球温暖化ガスおよび温室効果ガス（GHGs）削減を支えるには、EV充電パイルのようなEVSEシステムの普及が重要です。低速AC充電とDC急速充電の両方に対応できる、さまざまなタイプのEV充電パイルが必要です。EVとEVSEの設計と安全な配備を確実に成功させるために、設計者は、電力変換と供給、回路保護、EMI緩和のために、容易に入手できる特殊なシステムとデバイスを活用することができます。

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