電気自動車の充電タイプと一般的なトポロジー

EV充電への需要の増加 - 世界的に電化と脱炭素化へのトレンドが進化し続ける中で、電気自動車（EV）の需要は年平均成長率（CAGR）10%と予測されています。2025年末までには、約5,000万台の電気自動車が道路を走行すると予測されており、それに伴い、EV充電ステーションの増設や充電速度の向上が急務となっています。本記事では、電気自動車の充電タイプと一般的なトポロジーについて紹介するとともに、Wolfspeedが提供する関連ソリューションについてもご説明します。より詳細な情報を深く掘り下げたい場合は、Wolfspeedのアプリケーションノートをご覧ください：PRD-08367: EV充電用パワートポロジー設計ガイドブック | Wolfspeed。

道路上の電気自動車（EV）の増加に伴い、それらを充電するために必要な電力の需要も指数関数的に増加しています。2030年には、これらの車両を充電するために約230TWhのエネルギーが必要になると推定されており、今日の11TWhの需要と比較して大幅な増加です。この多くの車両とそれに伴う電力需要に対応するためには、ほぼ3,000万台の充電器が必要とされます。充電器のほとんどは個人の家庭に設置される予定ですが、移動中のEVに対応するために120万台以上の公共充電器の設置が必要となるでしょう。

家庭用充電器は通常、一般的で容易に利用可能なAC電源を使用します。一方で、公衆充電器は、従来の内燃機関（ICE）車両の燃料補給のように、迅速かつ信頼できる充電体験を提供するよう設計されています。つまり、公衆の高速充電器は、EVに15分以内でフル充電を提供できるような十分な電力供給能力（最大600kW）が必要です。このような充電はDC充電でのみ可能です。

充電の種類

AC充電とは、通常の家庭で利用可能な交流電流（AC）を利用して充電することを指します。そのため、この名前が付けられています。この種類の充電には、EV内のオンボード充電器（OBC）が必要で、ACからDCへの変換を行います。バッテリーの充電にはDCが必要なためです。

レベル 1 AC

これは最も基本的な充電器で、電力網から120〜240Vac（13〜16A）を受け取り、それを充電ケーブルを通じてEVに供給します。このタイプの充電器は最も充電速度が遅いですが、最も携帯性が高く、ほぼどこにでも接続することが可能です。ほとんどのモデルは通常最大1kWまで対応しています。

レベル2 AC

レベル2のAC充電器は、依然として一般的に利用可能な120-240Vacの電源を使用します。主な違いは、より高い電流（32-40A）に対応している点です。このようなAC充電器は通常、家庭に固定接続されているか、公共スペースの柱に設置されています。通常、11-22 kWまでの定格があります。

DC充電

EVの充電時間を短縮するには、DC充電が唯一の方法です。DC充電器は、EV内蔵のオンボード充電器を介さずに、直接EVバッテリーへ電力を供給します。

レベル2 DC充電 / レベル2+ / DCウォールボックス

約20〜25kWの電力レベルの場合、一般的なソリューションは「レベル2」DC充電器と呼ばれることが多いですが、これは公式な命名規則ではありません。これらは住宅地および商業施設の両方で見られます。   AC充電と比較した場合の最大の違いは、ACをDCに整流するための追加の内蔵パワーブロックコンバーター（例：「AFE」- アクティブフロントエンド）があることです。その後、このDC電流が充電ケーブルを介して車に供給され、バッテリーの充電が行われます。使用するパワーデバイスの選択によっては、双方向の機能を提供することも可能です。

レベル3 DC急速充電（DCFC）/ ラピッド / スーパーチャージャー

レベル3 DC充電器は、DC急速充電器（DCFC）またはスーパーチャージャーと呼ばれることがよくあります。このタイプの充電器の出力レベルは、50kWから最大1MWまで簡単に変動することがあります。これらの充電器は、20kW、30kW、50kW、60kW、またはそれ以上の複数の出力ブロックで構成されており、必要な出力レベルを得るように設計されています。容量によっては、これらの急速充電器は標準的なEVバッテリーを20分以内に充電することが可能です。

充電規格

充電レベルによって電力の違いを区別するのと同じように、使用されるコネクタにもさまざまな規格があります。

一般的なAC-DCトポロジー

AC/DC電力変換においては、単相および三相トポロジーが使用できます。電力量が6.6kW未満の場合や家庭での充電では、単相トポロジーが最も一般的ですが、より高い電力レベルの充電ブロック（11kW以上）には三相トポロジーの方が適しています：

各トポロジー回路に関する知識、推奨部品およびリファレンスデザインについては、Wolfspeedのアプリケーションノート 「PRD-08367: EV Charging Power Topologies Design Guidebook | Wolfspeed」をご覧ください。

一般的なDC/DC電力トポロジー

AC電力を一般的なDCバス電圧である400V～800Vに変換した後、これをEVバッテリーを充電するために必要な電圧に変換することができます。この目的を達成するために、以下で説明するさまざまなDC/DCトポロジが役立ちます:

各トポロジー回路に関する知識や推奨部品、リファレンスデザインについては、Wolfspeedのアプリケーションノートをご覧ください: PRD-08367: EV充電用電力トポロジー設計ガイドブック | Wolfspeed.

概要

電気自動車の充電が絶えず進化を遂げている中で、通常の内燃機関車両に比べて充電時間を短縮するため、高出力および高密度ソリューションへの強い需要が存在します。この課題は広く見られるボトルネックとなっており、それを克服するために革新的なマルチレベルトポロジーの採用が進んでいます。これにより、操作していない時期にピーク需要時のグリッド支援をバッテリーに求め、双方向の電力供給をサポートできるトポロジーの必要性も増しています。   これら双方の要件により、より効率的な電力半導体スイッチの需要がさらに強化されています。Wolfspeedのシリコンカーバイドデバイスは、これら次世代の要求を完全に満たすのに最適です。Wolfspeedのウェブサイトを訪問し、製品情報、参考デザイン、そして設計支援ツールを見つけて、EV充電器設計への第一歩を踏み出してください。