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2025-10-11 13:00:00
この記事は、IEEE Xplore と提携した独占的な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。
急速な発展 電気自動車用急速充電ステーション 今日の電力網の限界を試しています。個々の充電器は 350 ～ 500 キロワット (またはそれ以上) を消費するため、EV の充電時間はガソリン車またはディーゼル車の満タン時間と機能的に同等になり、完全充電サイトではメガワット規模の需要に達する可能性があります。緊張するのには十分です 中圧配電ネットワーク – 家庭や企業のエンドユーザーにサービスを提供する低圧送電線と高圧送電線を接続する送電網のセグメント。
DC 急速充電ステーションは、都市の中心部、高速道路沿い、車両基地に集中する傾向があります。負荷はネットワーク全体に均等に分散されないため、系統全体の容量が負荷に対応できるように評価されている場合でも、特定の変電所が過負荷になります。 電力需要が増大し、より多くの充電ステーションが稼働するにつれて、この問題を克服するには、コンパクトで効率的であるだけでなく、ローカルストレージと再生可能エネルギーの入力を管理できるパワーエレクトロニクスが必要です。
車両の電化や再生可能発電の需要に対応できるように送電網を最新化するための最も有望な技術の 1 つは、ソリッドステート変圧器 (SST) です。 SST は、電圧を昇圧または降圧するという、従来の変圧器と同じ基本機能を実行します。しかし、これは、受動的な磁気結合だけではなく、半導体、炭化ケイ素または窒化ガリウムスイッチによる高周波変換、およびデジタル制御を使用して行われます。 SST のセットアップにより、電力の流れを動的に制御できます。
何十年もの間、充電インフラは次のようなものに依存してきました。 ライン周波数変圧器 (LFT) – EV バッテリーが必要とする交流から直流への外部変換の前または後に、中電圧 AC を低電圧 AC に降圧する鉄と銅の巨大なアセンブリ。 典型的な LFT には、数百キログラムもの銅巻線と数トンの鉄が含まれることがあります。その金属のすべてが コストがかかり、調達がますます困難になっている。 これらのシステムは信頼性がありますが、特にローカルストレージと車両の間でエネルギーが流れる場合、大きくて非効率的です。 SST は、交換用に設計された LFT よりもはるかに小型で軽量です。
「当社のソリューションは、独立して制御される複数の DC 出力を提供しながら、シングルポートコンバータと同じ半導体デバイス数を実現します。」 –デルタ エレクトロニクス、シャシダール マサパティ
しかし、これまでに開発されたマルチポート SST のほとんどは、複雑すぎるか、コストが高すぎました (LFT の初期費用の 5 ～ 10 倍)。この違いと、SST が補助バッテリバンクに依存しているため、費用がかさみ、信頼性が低下していることが、ソリッドステートの明白な利点がまだ実現されていない理由を説明しています。 LFT からテクノロジーへの移行を奨励しました。
Surjakanta Mazumder、Saichand Kasicheyanula、Harisyam PV、Kaushik basu は研究室で SST プロトタイプを保持しています。Harisyam PV、SAichand KASICHYANLA、ETL。
ソリッドステート変圧器の効率を高める方法
8月20日に発表された研究では、 パワーエレクトロニクスに関するIEEEトランザクションインド科学研究所とデルタ エレクトロニクス インディア (どちらもベンガルール) の研究者らは、これらの妥協を排除する、いわゆるカスケード H ブリッジ (CHB) ベースのマルチポート SST を提案しました。 「当社のソリューションは、独立して制御される複数の DC 出力を提供しながら、シングル ポート コンバータと同じ半導体デバイス数を実現します」と、Delta Electronics の CTO であるシャシダール マサパティ氏は述べています。 「つまり、追加のバッテリーストレージ、追加の半導体デバイス、追加の高圧絶縁が必要ないことを意味します。」
チームは設計を検証するために 1.2 キロワットの実験室用プロトタイプを構築し、定格負荷で 95.3 パーセントの効率を達成しました。また、2 つの 200 キロワットのポートに分割された本格的な 11 キロボルト、400 キロワットのシステムもモデル化しました。
システムの中心となるのは、コンバータの低電圧側に配置された多巻線変圧器です。この構成により、高価でかさばる中電圧絶縁の必要性が回避され、補助バッテリなしでポート間の電力バランスが可能になります。 「以前の CHB ベースのマルチポート設計では、負荷を均等にするために複数のバッテリー バンクまたはコンデンサ ネットワークが必要でした」と著者らは論文に書いています。 「私たちは、よりシンプルで軽量、より信頼性の高い変圧器の配置でも同じ結果を達成できることを示しました。」
新しい変調および制御戦略は、グリッドインターフェースで力率を一定に維持します。つまり、グリッドから来る電流は、何の仕事もせずに電源と負荷の間で往復振動することによって無駄になりません。著者が説明した SST では、各 DC ポートが独立して動作することもできます。実際には、充電器に接続された各車両は、隣接するポートに影響を与えたり、系統接続を妨害したりすることなく、適切な電圧と電流を受け取ることができます。
直列に接続された炭化ケイ素スイッチを使用することで、システムは高効率を維持しながら中電圧入力を処理できます。 11 キロボルトのグリッド接続には、フェーズごとに 12 個のカスケード モジュールしか必要としません。これは、一部のモジュール式マルチレベル コンバータ設計のおよそ半分です。モジュールの数が少ないということは、最終的にはコストが削減され、制御が簡素化され、信頼性が向上することを意味します。
まだ実験室段階ではあるが、この設計により、コンパクトでコスト効率の高い新世代の急速充電ハブが可能になる可能性がある。提案されたトポロジーは、コスト、複雑さ、メンテナンスの追加となる中間バッテリー貯蔵の必要性を排除することで、EV 充電ステーションの運用寿命を延ばす可能性があります。
研究者らによると、このコンバータはEVの充電だけを目的としたものではないという。データセンター、再生可能エネルギーの統合、産業用 DC グリッドなど、中電圧からマルチポート低電圧への変換を必要とするあらゆるアプリケーションでメリットが得られます。
メガワット規模の需要に直面している電力会社や充電プロバイダーにとって、この合理化されたソリッドステート変圧器は、EV革命をよりグリッドフレンドリーにし、充電を待っているドライバーの速度を高めるのに役立つ可能性があります。
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