次世代電気自動車充電向けの熱管理ソリューション

電気自動車 (EV) は内燃機関車両と同じくらい古くから存在していますが、主流となったのは過去数年のことです。EVが主要な交通手段として台頭するにつれ、バッテリーの航続距離や充電速度の向上が世界経済の円滑な運営において重要な要素となります。これらのEV充電システムの改良には、熱管理ソリューションを含む複数の技術分野における進歩が必要です。本記事では、EVの熱管理のニーズと開発、さらにはSame Skyが提供する熱管理ソリューションについて紹介します。  

EV技術の大幅な進歩と政府の強力な支援により、EVの需要は急増しています。しかし、消費者のEV受け入れをさらに高めるためには、航続距離と充電速度が購入時の重要な要素となるでしょう。

急速充電器の需要が高まるにつれて、充電方法は大きなものから小さなものまで変化を遂げています。その中のひとつが、DC充電器へのシフトです。すべてのバッテリーシステムが直流（DC）を使用するため、「DC充電器」という用語は混乱を招くかもしれません。しかし、重要な違いは交流（AC）から直流（DC）への整流化がどこで行われるかにあります。住宅用途で一般的に使用される典型的なAC充電器は、通信、濾過、そしてAC電力の車両への流れを制御する多用途のコネクタのような役割を果たします。その後、車載DC充電器が電力を整流化し、バッテリーを充電します。これに対し、DC充電器は整流化を行った後、高電圧DCソースとして車両に電力を送ります。DC充電器の最大の利点は、電力調整ハードウェアをEV本体から外部構造に移動させることで、多くの重量およびサイズの制約を取り除ける点にあります。

これらの制約が除去されると、DC充電器はさらなる部品を容易に統合できるようになり、その結果、電流のスループットと動作電圧が増加します。これらの充電器は、整流用に最先端の半導体デバイスを使用し、フィルターやパワー抵抗器と組み合わせていますが、これらはすべて多くの熱を発生させます。フィルターや抵抗器も無視できない熱源ではありますが、EV充電システムで最も熱を発散する部品は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）です。この半導体デバイスは過去数十年間広く使用されており、充電分野に多くの可能性をもたらしますが、その冷却を完全に行うことは無視できない課題です。

IGBTは、本質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）の中間のような存在です。高電圧耐性、低いオン抵抗、速いスイッチング速度、優れた熱安定性を備えているため、IGBTはEV充電器のような高電力用途に非常に適しています。これらのEV充電回路でIGBTは整流器またはインバータとして使用されるため、頻繁なスイッチングは大量の熱を発生させます。

今日の冷却における課題は、IGBTの熱放散が過去30年間で1.2 kWから12.5 kWに十倍以上増加し、さらに増加が予想されているという事実にあります。これに比べて、現在の最高性能のCPUの熱放散は約0.18 kW、つまりわずか7 kW/cm²です。この差は非常に大きいです！IGBTの冷却を助ける要素は2つあります。一つは、IGBTの表面積がCPUのほぼ2倍であること、もう一つは、IGBTが現代のCPUの105°Cに対して最大170°Cまで動作可能であることです。

最も簡単で信頼性の高い熱管理ソリューションは、ヒートシンクと強制空冷を組み合わせたものです。IGBTのような半導体デバイスの内部熱抵抗は通常非常に低い一方、デバイスと周囲の空気との間の熱抵抗は比較的高いです。ヒートシンクを追加することで熱放散面積が大幅に増加し、これにより熱抵抗が低下します。また、ヒートシンクに強制的に空気を流すことでその効率がさらに向上します。システム内でデバイスと空気の間の接続部が最大の熱抵抗になるため、この抵抗を最小限に抑えることが重要です。このシンプルなシステムの利点は、正しく設置されていれば、パッシブヒートシンクは決して故障せず、ファンは成熟し、精密に設計された技術であるため非常に信頼性が高いことです。

IGBTのような高密度の熱源に対しては、液体冷却オプションも利用可能です。水冷システムは、熱抵抗が低いため、より魅力的に思えるかもしれません。しかしながら、それらは費用が高く、構造が複雑であり、なおかつシステム全体の熱放散の主要手段としてヒートシンクとファンに依存しています。そのため、IGBTをヒートシンクとファンで直接冷却する方がより望ましいアプローチであり、IGBT向けの空冷技術を向上させるための活発な研究が進められています。

外部要因の中で特に懸念されるのは、充電器エンクロージャーへの日光によって生成される熱であり、内部の周囲温度を大幅に上昇させる可能性があります。この懸念は妥当ですが、最も効果的な解決策は驚くほど簡単です。それは、適切に設計された日除けと、日除けと充電ユニットの間に十分な空気流を確保することです。これにより、充電器の周囲温度が大幅に低下します。

EVの熱管理効率を向上させるため、Same SkyはEV充電用途向けに熱交換器を設計しました。カスタムサイズは最大で950 x 350 x 75 mmに対応しています。これらの熱交換器は、負荷の少ない充電需要をパッシブで対応するのに十分な大きさであり、強制空冷を用いることでより高い需要にも対応可能です。

Same Skyは、軸流ファンおよび遠心ブロワーを取り揃えたDCファンのラインアップを提供しており、フレームサイズは20 mmから172 mm、風量は0.33から382立方フィート毎分（CFM）の範囲です。Same SkyのDCファンには標準でオートリスタート保護機能が搭載されており、ボールベアリング、スリーブベアリング、またはSame Skyの先進的なomniCOOL™システムアーキテクチャが使用されています。豊富な選択肢とカスタマイズソリューションにより、Same SkyのDCファンはEV用途向けの最適な強制空冷ソリューションです。さらに、Same Skyは過酷な環境向けにIP68規格の防水軸流ファンモデルもいくつか提供しています。

Same SkyのDC軸流ファンは、5、12、24、48 Vdcに対応しており、タコメーター信号、回転検出器、PWM制御のオプションが用意されています。また、最大25,000 RPMの速度に達することが可能です。一方、Same Skyの遠心送風機は、フレームサイズが35 mmから120 mmまでの範囲で、5、12、24 Vdcに対応し、0.57から44.2 CFMの気流量を提供します。最大20,000 RPMまでのさまざまな速度オプションがあり、高背圧用途に最適です。

Same Skyは、幅広い熱管理コンポーネントを提供するだけでなく、業界をリードする熱設計サービスも提供しています。Same Skyの専門的な熱管理チームの専門知識により、冷却の課題が卓越したパフォーマンスに変わります。今日の電子デバイスは、ますますコンパクトな設計、高い電力密度、パフォーマンス向上の要求により、深刻な熱の課題に直面しています。Same Skyの最先端の熱設計サービスは、先進的なシミュレーションツールと数十年の専門知識を駆使して、潜在的なホットスポットを特定し、気流を最適化し、顧客の特定のニーズに合わせた効率的な冷却システムを設計します。

熱解析に関して、Same Skyは高度な計算流体力学（CFD）モデリングおよび解析サービスを提供し、熱解析の力を活用して、システム内の気流、温度分布、および熱伝達を正確に予測および最適化します。さらに、すべての設計には固有の冷却要件があるため、Same Skyはカスタム熱管理ソリューションを設計する製造能力も備えており、製品のカスタマイズや統合を含めた設計が可能で、これらをお客様のデバイスにスムーズに組み込むことができます。

さらに、Same Skyは、熱管理戦略の効果を最大化するための熱管理コンサルティングサービスを提供しています。PCBモデリングと最適化から、システム、ハウジング、シャーシ設計の専門知識の提供まで、Same Skyはお客様のデバイスが最善を尽くして動作するよう全力でサポートします。さらに、Same Skyは熱試験および検証サービスも提供しており、熱設計の精度と信頼性を確保します。シミュレーション結果を実地試験で検証することで、Same Skyはお客様にデバイスの熱性能に対する自信を与え、潜在的な不一致を発見し解決するお手伝いをします。

EV（電気自動車）の急速な普及と充電技術の進化に伴い、熱管理は充電効率、安全性、そしてバッテリー寿命に影響を与える重要な要素となっています。将来の充電向け熱管理ソリューションは、単一の冷却方法に限定されるのではなく、ヒートシンク、インテリジェントな温度制御システム、AI予測分析、その他多様な技術を組み合わせ、高出力の急速充電によって引き起こされる熱的課題に取り組むことになるでしょう。効率的でインテリジェントかつ持続可能な熱管理メカニズムを確立することでのみ、次世代EV充電システムの可能性を最大限に引き出し、グリーンモビリティの普及を加速させることができます。Same Skyは熱管理部品と設計サービスの両方を提供し、顧客が迅速にEV熱管理ソリューションを開発し、進化するEV業界における機会をつかむことを可能にします。