BEVスマートインフラ向けDC充電ソリューション

地球温暖化と気候変動に対処するために、多くの国が2050年までに二酸化炭素排出量の実質ゼロを達成するという目標を設定しています。この目標を達成するためには、エネルギー集約度の高い運輸部門からの排出量を削減することが必要不可欠です。電気自動車（EV）への移行は、この取り組みにおいて重要な役割を果たします。本記事では、EV産業の開発トレンドと、村田が提供するバッテリー式電動自動車（BEV）スマートインフラ向けDC充電ソリューションについて紹介します。

2050年までにネットゼロ炭素排出量を達成するという目標に向けて、多くの国や地域が2035年までに新しい内燃エンジン（ICE）車両の販売を終了する政策目標を設定しています。このような政策の変化は、自動車業界全体が輸送による排出量削減の取り組みを強化する要因となっています。さらに、国際エネルギー機関（IEA）によると、2050年までに路上にあるほぼ全ての乗用車および商用車は電気自動車または燃料電池車になると予測されています。

さらに、自動車業界では、脱炭素化と持続可能性への明確な道筋を提供することを目的としたScience-Based Targetsイニシアチブへの参加を目指しています。このようなイニシアチブは、各企業内だけでなく業界全体で共通の排出削減目標を設定するのに役立ちます。

社会的な要求やOEM（オリジナル設備製造業者）による業界主導の取り組みによって、新しいインフラの開発も進んでいます。バッテリー電動車（BEV）やゼロエミッション車（ZEV）の採用が増加する中、これらの車両をサポートするDC充電器の需要が増加しています。この傾向は今後も続くと予想されており、多様な充電ソリューションとインフラ開発が求められています。

高出力DC急速充電技術は、電気自動車（EV）の普及を支援する上で重要な役割を果たします。現在、一部のDC急速充電器は350 kW以上を供給することができ、多くのBEVを約30～45分で最大80%まで充電することを可能にしています。この急速充電能力は、特に長距離移動における利便性を大幅に向上させ、航続距離に対する不安（レンジ・アングザイエティ）を軽減し、消費者がより簡単にEVを選択できるようにします。さらに、2030年までに生産されるBEVの約50%が200 kW急速充電対応能力を持つと予測されています。この進展により、高出力充電インフラへの需要が増加し、市場全体のEV普及率が向上すると期待されています。

さらに、一部のプレミアムモデルは300 kWを超えるピーク充電が可能となり、効率的かつ迅速な充電を提供しながら、高性能に対する顧客の期待に応えます。これらの技術的なトレンドは、より広範なEV市場における高出力DC急速充電器の重要な影響と進化を浮き彫りにしています。

充電ステーション設計において、中央の電力変換ユニットを充電ポールから離れた場所に移動させる方向へとトレンドが移行しています。このアプローチでは、電力変換ユニットと充電ユニットを分離することで、電力配分の柔軟性を向上させ、全体的な設置面積を削減します。

マルチポイントDC充電器は、利用可能な出力を充電器間で配分することで、単一の充電器が2台以上の車両を同時に充電することを可能にします。最近では、DC出力を2つ以上備えたDC充電器を提供するメーカーが増加しています。この傾向は、レンタカー、タクシー、バスなどの商業用途で需要が高まる中、その利点から人気を集めています。2台の車両を同時に充電する（電力共有技術）ことで、高い需要に対応する効率的な電力配分が可能となります。さらに、このような技術の進歩は、高精度・高速な無線通信技術を必要とすることが期待されています。

持続可能な脱炭素社会を構築し、業界全体が迅速かつ責任を持って対応するよう促進するために、Murataは「脱炭素社会の実現」を重要な課題として位置づけ、事業活動における温室効果ガス（GHG）排出削減目標を設定しました。

さらに、村田製作所はその全バリューチェーンにわたる脱炭素化の取り組みを加速させており、2050年までにサプライチェーン全体でのカーボンニュートラリティの達成、2035年までにRE100を目指しています。また、村田製作所は、グローバルな気候変動緩和の取り組みに積極的に貢献するため、ステークホルダーと協力しています。特に売上の25%を占めるモビリティ分野において、BEVを中心としたゼロエミッション車両の推進が重要とされています。村田製作所は、急速充電システムを重要な分野として注力し、技術革新と価値創造を通じて、脱炭素型ビジネスモデルへの移行を支援しています。

村田製作所は、事業プロセスにおいてマテリアリティに基づき、微細化技術や環境に優しい製品開発に焦点を当て、社会課題に積極的に取り組んでいます。特に、多層セラミックコンデンサ（MLCC）の開発は、軽量でコンパクトな技術を通じて、お客様の製品の利便性を向上させ、持続可能な資源利用を促進するものとして評価されています。さらに、村田製作所はエコフレンドリーな包装やリサイクルシステムを導入し、環境負荷を軽減する多面的な施策を実施しています。

DC充電器が急速充電の需要を満たすためにより高い出力電力を必要とする中、急速充電回路用のMLCCは不可欠です。村田製作所は、高出力電力に対応可能なMLCCを提供しており、特にAC-DCおよびDC-DC回路での強みを持っています。

EV DC充電器用電力デバイス市場は、炭化ケイ素（SiC）および窒化ガリウム（GaN）技術への移行により大きな変革を遂げつつあります。2023年において、EV DC充電器デバイス（分立部品やモジュールを含む）の市場規模は3億3,000万ドルと評価されており、2029年までに8億1,000万ドルに達すると予測され、年間平均成長率（CAGR）は17.8%となっています。

特にSiC技術は急速に注目を集めており、EV DC充電インフラが今後数年間でSiCウェーハ需要を牽引する重要なアプリケーションとして位置付けられています。SiC MOSFETデバイス市場は、2023年から2029年の間に40.3%の高いCAGRで成長すると予測され、市場規模は2億9500万ドルに達する見込みです。この成長は、高出力かつ効率的なエネルギー変換が重要となる超高速充電セグメント（350 kW以上）での需要拡大によって促進されています。さらに、多くのメーカーが30–40 kWモジュールを使用したモジュール設計を進化させており、これらのモジュールは大規模な超高速充電ステーションにも展開されています。

一方で、GaNテクノロジーは、その高いスイッチング速度と効率性により、ある種の低電力DCチャージャーや特殊な用途において注目を集めています。しかしながら、GaNテクノロジーはまだ初期段階にあり、広範な採用に向けて、コスト削減や信頼性向上といった課題に取り組む必要があります。それにもかかわらず、将来的な研究開発により、この分野でのさらなる成長が期待されています。

現在のEV DC充電器に使用されるパワー半導体は、Si MOSFET/Si IGBTからSiC MOSFET/GaNへ移行しており、これはより速い充電速度と高出力を求める需要によって推進されています。この移行の背景には、SiCとGaNの優れた電力変換効率があり、それによりエネルギー損失が減少し、充電時間が短縮され、コスト削減が実現します。また、これらの材料は高温環境での動作が可能であり、冷却要件を減らし、製品の小型化やコスト削減が可能になります。さらに、それらは高速電力変換をサポートし、急速充電システムの性能を向上させます。この高速スイッチング特性により、よりコンパクトで軽量な設計が実現され、省スペースなソリューションにつながります。部品はより高い電圧、より小型化、そして優れた耐熱性へと進化し続けています。

半導体仕様がSi MOSFET/Si IGBTからSiC MOSFET/GaNへと移行する中で、MLCCはこれまで使用されていなかった分野にも適用されています。村田製作所のMLCCラインアップは、高電圧、小型化、耐熱性に貢献します。従来の設計（Si MOSFET/Si IGBT）と同様に、村田製作所の強みはAC-DCおよびDC-DC回路にあります。

一般的なDC-DCコンバータのアーキテクチャには、フルブリッジコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、共振コンバータの3種類があります。村田のソリューションはこれらの回路設計に対応し、高電圧をサポートする製品ラインアップを提供しており、現在も継続的に拡充しています。これには、スナバコンデンサ（クラス2）であるGRMシリーズ（定格1,250Vまで）、GR3シリーズ（高リップル電流耐性）、KRMシリーズ（GRMを用いた金属端子）、KR3シリーズ（GR3を用いた金属端子）、RDEシリーズ（リード付きエポキシコーティング）、およびスナバおよび共振コンデンサであるGRMシリーズ（C0GおよびU2J特性で定格1kVまで）やKRMシリーズ（C0GおよびU2J特性で定格1kVまで）が含まれます。例えば、サイズ制約のあるDCチャージャーモジュールで小型化を実現するために、フィルムコンデンサの代わりに共振コンデンサとしてMLCCが使用されることがあります（共振コンデンサはLLC回路で推奨されています）。

急速充電ステーションの運用を迅速にリモート監視できるようにするためには、充電器に接続モジュールを装備することが不可欠となっています。最も一般的に使用される技術はWi-Fi™とBluetooth®であり、これらによりデバイスがインターネットに直接接続でき、IoT製品にとって最も柔軟な無線ソリューションとなります。これらの技術は、市場投入までの時間短縮、高性能と信頼性、地域およびグローバルのFAEサポート、製品寿命保証、RFおよび認証サポートなどの利点を提供します。

村田製作所のワイヤレス接続モジュールは、Wi-Fi4、Wi-Fi5、およびWi-Fi6/Bluetoothをサポートし、FCC/ISEDおよび日本の認証を取得しており、CEテストレポートを提供します。それらはLinuxまたはRTOSプラットフォームに統合可能で、リアルタイムの充電状況の監視、ソフトウェアアップデート、スマートフォンアプリの統合、リモートトラブルシューティングなどのDC充電アプリケーションで使用されています。

Wi-Fi™の範囲および伝送距離を拡張するために、Wi-Fi HaLow™技術が開発されました。Wi-Fi HaLow™はWi-Fi/IPに基づいた長距離無線通信規格で、標準化は「IEEE 802.11ah」として行われ、1キロメートル以上の広範囲で通信が可能です。4MHz帯域幅（SISO）により、Wi-Fi HaLow™は理論的には数Mbpsのデータ伝送速度を達成し、ビデオや音声ストリーミングに適しています。

Wi-Fi HaLowはIoTおよびスマートデバイス向けに最適化されており、長距離通信とバッテリー動作に適した低消費電力を特徴としています。900MHz帯で動作し、通信距離は数百メートルにも及び、従来のWi-Fiが使用する2.4GHzまたは5GHz帯を大きく上回る性能を提供します。また、通信キャリアサービスが不要となり、コストを削減できます。従来のLPWAに比べてWi-Fi HaLowはより高いスループットを実現し、数Mbps（帯域幅4MHz、SISO）までの高速で大容量のデータ通信をサポートします。また、ネイティブIPサポートを提供しており、従来のWi-FiのようにIPネットワークに直接接続することが可能で、WPA3など最新のセキュリティプロトコルにも対応しています。用途はIoTデバイス、スマートビルディング、スマート農業、スマートファクトリーなどが含まれます。

村田製作所は、Wi-Fi HaLowモジュールを2種類開発しました。世界的に適用可能なSKU向けの低送信電力バージョン「Type 2HL」と、米国およびAPAC（日本を除く）で許可されている高送信電力バージョン「Type 2HK」です。これらのモジュールは、最新のWi-Fiセキュリティメカニズムをサポートし、サブ1GHz帯域（非認可周波数帯域）で作動すると共に、複数の省電力モードを提供します。従来のWi-Fiの範囲が不十分な広い駐車場に充電器を設置するなど、DC充電用途においてWi-Fi HaLowは代替手段として利用できます。

バッテリー電気自動車の急速な普及に伴い、スマートインフラの整備が高品質な産業発展を推進する鍵となっています。高効率、高速応答、そしてインテリジェンスを持つDC充電ソリューションは、未来の交通エネルギーシステムの重要な部分となりつつあります。スマートインフラ向けのDC充電システムは、充電体験と運用効率を向上させるだけでなく、エネルギー管理やスマートスケジューリング技術と深く統合することで、都市がグリーンで低炭素、そして持続可能な発展を実現するのを支援します。村田製作所のMLCCおよびWi-Fi HaLow接続製品ラインはDC充電ソリューションにおいて重要な役割を果たし、電動モビリティのインテリジェントおよびデジタル変革をさらに前進させます。