EV充電アプリケーションにおける熱問題の理解

電気自動車（EV）のコンセプトはガソリン車と同じくらい古くからありますが、広く受け入れられるようになったのはここ数年のことです。この人気の急上昇は、EV技術の大幅な進歩と政府の大幅な支援によるものです。たとえば、欧州連合（EU）が2035年までに内燃機関自動車を禁止し、2025年までに60キロメートルごとに急速EV充電ステーションを設置することを決定したことは、こうした需要の急増が予想されることを明確に物語っています。

EVが移動手段の主流になるにつれ、バッテリの航続距離や充電速度の向上といった要素が、世界経済を維持する上で極めて重要な役割を果たすようになるでしょう。EV充電インフラの強化には、さまざまな領域にわたる進歩が必要であり、中でも熱管理は、技術的進化を必要とする重要な領域として際立っています。

ACとDCのEV充電器 - その違い

より急速な充電ソリューションへの要求が高まるにつれ、アプローチには漸進的な変化と変革的な変化の両方が見られるようになりました。注目すべき変化のひとつは、DC充電器の採用が増加していることです。すべてのバッテリシステムが本質的に直流で動作することを考えると、この用語は最初は曖昧に思えるかもしれません。しかし、決定的な違いは、ACからDCへの変換がこれらのシステムのどこで行われるかにあります。

従来のAC充電器は、一般家庭で使用されるもので、主に通信、フィルタリング、車両へのAC電源の流れを調整する高度なインターフェースとして機能します。その後、車両に搭載されたDC充電器がこの電力を整流し、バッテリを充電します。一方、DC充電器は車両に電力を供給する前に整流を行い、高電圧のDC電源として供給します。

DC充電器の主な利点は、パワーコンディショニングコンポーネントをEVから外部システムに移すことで、重量およびサイズに関連する多くの制約を取り払うことができる点にあります。

図1：DC充電器は、複雑さと発熱の増大は伴うものの、充電速度の加速が顕著になっています。（画像提供： Same Sky）

重量およびサイズの制約を取り払うことで、DC充電器は、電流スループットと動作電圧の両方を向上させるための追加部品をシームレスに組み込むことができます。これらの充電器は、フィルタや電力抵抗器とともに、電力を整流するための最先端の半導体デバイスを活用していますが、これらはすべて、動作中にかなりの熱を発生します。フィルタや抵抗器の放熱に寄与することは重要なことですが、EV充電システムにおける主要な放熱源は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）です。これは、ここ数十年で採用が増加している半導体デバイスです。この堅牢なコンポーネントは、充電領域で多くの可能性を引き出しましたが、適切な冷却を確保することは依然として重要な問題です。

熱問題への取り組み

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）は、基本的に電界効果トランジスタ（FET）とバイポーラ接合トランジスタ（BJT）のハイブリッドとして機能します。IGBTは、高電圧、最小限のオン抵抗、高速スイッチングレート、優れた耐熱性で知られ、EV充電器のような大電力用途に最適です。

IGBTが整流器やインバータとして機能するEV充電回路では、頻繁なスイッチング動作が大きな熱の発生につながります。現在、熱的課題の最たるものは、IGBTに関連する熱放散の大幅な増大です。過去30年間で、放熱量は1.2kWから12.5kWへと10倍以上に急増し、さらなる増加が予測されています。下の図2は、この傾向を単位表面積当たりの電力で示したものです。

このことを考慮すると、現代のCPUの電力レベルは約0.18kWであり、7kW/cm²に相当し、控えめです。この驚異的な格差は、大電力アプリケーションでIGBTが直面する手ごわい熱管理のハードルを浮き彫りにしています。

図2：IGBTの電力密度は大幅に向上しました。（画像提供：Same Sky）

IGBTの冷却強化には、2つの要素が重要な役割を果たしています。まず第一に、IGBTの表面積はCPUの約2倍あります。第二に、IGBTはより高い動作温度に耐えることができ、最新のCPUが通常+105°Cで動作するのに対し、その動作温度は+170°Cまで達します。

熱状態を管理する最も効果的な方法は、 ヒートシンク と強制空気の組み合わせを採用することです。IGBTのような半導体デバイスは、一般的に内部では極めて低い熱抵抗を示しますが、デバイスと周囲の空気との間の熱抵抗は比較的高くなります。ヒートシンクを組み込むことで、熱を周囲空気に放散するための利用可能な表面積が大幅に増加し、熱抵抗が減少します。さらに、ヒートシンク上に空気流を導くことで、その効果をさらに高めることができます。デバイスと空気の界面がシステムで最も大きな熱抵抗となることを考えると、これを最小限に抑えることは極めて重要です。このストレートなアプローチの利点は、パッシブヒートシンクの信頼性と ファンの確立された技術にあります。

Same Skyは、EV充電アプリケーション向けに、最大950 x 350 x 75mmのヒートシンクをカスタマイズしています。これらのヒートシンクは、厳しい要求がさほど多くない場合にはパッシブで対応し、要求が多い場合には強制空冷によるアクティブで対応することができます。

図3：ヒートシンクおよびファンの活用は、IGBTにとって非常に効果的な熱管理ソリューションです。（画像提供：Same Sky）

空冷方式に加え、液冷方式もIGBTのような大電力部品の放熱に利用できます。水冷システムは、最も低い熱抵抗を達成できる点で魅力的です。しかし、空冷ソリューションに比べ、コストが高く、複雑さが増します。また、水冷システムであっても、ヒートシンクとファンはシステムから効果的に熱を除去するために必要不可欠なコンポーネントであることは注目すべき点です。

関連するコストや複雑さを考慮すると、ヒートシンクやファンを使ったIGBTの直接冷却が望ましいアプローチであることに変わりはありません。現在進行中の研究では、IGBTアプリケーションに特化した空冷技術の強化に重点を置いています。この活発な研究は、液冷方式に関連するコストとシステムの複雑さを最小限に抑えながら、放熱を最適化することを目的としています。

熱システム設計の考慮事項

冷却システムの効果は、空気流を最適化し、熱分布を向上させるコンポーネントの戦略的配置に大きく依存します。部品間の間隔が十分でないと、空気流が妨げられ、利用できるヒートシンクのサイズが制限されます。したがって、効率的な冷却を促進するために、システム全体を通して重要な発熱部品を戦略的に配置することが極めて重要です。

部品の配置に加え、熱センサの配置も同様に重要です。DC EV充電器のような大規模システムでは、制御システムによるリアルタイムの温度監視が、アクティブな熱管理において重要な役割を果たします。温度測定値に基づいて冷却機構を自動調整することで、システムの性能を最適化し、電流出力を調整したり、ファン速度を調整したりして過熱を防ぐことができます。しかし、こうした自動調整の精度は、温度センサの品質と精度に左右されます。センサの配置が悪いと、温度測定値が不正確になり、その結果、システムの応答が悪くなることがあります。したがって、温度監視と制御の精度および信頼性を確保するためには、温度センサの配置に慎重な配慮が必要です。

環境要因

EV充電ステーションは屋外に設置されることが多く、さまざまな気象条件にさらされます。したがって、適切な換気と、雨や極端な温度などの要因に対する保護を備えた耐候性エンクロージャを設計することは、最適な熱性能を維持するために不可欠です。空気の流れを妨げないようにしながら、水の浸入を防ぐために、空気の通り道と換気システムを確実に設計することが重要です。

外的要因の中でも、直射日光による太陽熱は、充電器エンクロージャの内部周囲温度のかなりの上昇につながり、大きな課題となります。これは当然の懸念ではありますが、最も効率的な解決策は比較的簡単です。日よけと充電ユニットの間に十分な気流があるようにうまく設計された日よけ構造を導入することで、太陽熱が効果的に緩和され、充電器筐体内の周囲温度を低い状態に保つことができます。

図4：充電器を直射日光から遮光することで、費用効率が高く、効率的な温度管理戦略が実現します。（画像提供：Same Sky）

今後について

近年、電気自動車の世界的な普及は目覚ましく、需要はさまざまな技術面で一貫した大幅な伸びを示しています。EVの普及が進むにつれて、充電インフラの普及も拡大することが予想されます。充電器の効果的な運用と効率性は、この急成長する充電インフラの発展にとって最も重要です。コスト効率も重要な要素であり、個人や企業がこれらの充電器を家庭や施設に導入するスピードは、手頃な価格で購入できるかどうかにかかっています。

EVと充電器の継続的な成長を予測するためには、基礎となる技術が進化していることを認識しなければならなりません。これには、充電電力と容量の潜在的な進歩、進化するソフトウェアとハードウェアの標準化、そして予期せぬイノベーションの余地を考慮する必要があります。この積極的な取り組みにより、熱管理システムは時間の経過とともに変化する需要に適応できるようになります。

電気自動車の充電器は、その中核において、他の高密度、高出力の電子機器と同様の熱管理に関する懸念を共有しています。しかし、EV充電器に使用される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）の電力密度は、IGBTへの要求の高まりと相まって、独自の課題を提示しています。充電速度とバッテリ容量が上昇を続ける中、充電器を効果的かつ安全に開発する必要性はますます厳しくなっており、熱管理設計者やエンジニアにはこれまで以上に多くのことが求められています。

Same Skyは、業界をリードする熱設計サービスと組み合わせた包括的な 熱管理コンポーネントを提供し、電気自動車充電エコシステムの進化するニーズをサポートします。