EV充電ステーションの市場と技術動向

CO2排出規制により電気自動車（EV）の普及が急ピッチで進んでおり、内燃機関（ICE）車の新車販売が禁止されるなど各国が電動化に注力し、世界各国で自動車の電動化が進んでいる。また、EVの普及により、これまでガソリンとして流通していたエネルギーが電気に置き換わり、充電ステーションの重要性と普及が高まります。 EV充電ステーションの市場動向や技術動向、最適な半導体について詳しくご紹介します。

EV 充電ステーションは、AC レベル 1 – 家庭用充電器、AC レベル 2 – 公共充電器、および EV の急速充電をサポートする DC 急速充電器の 3 つのタイプに分類できます。 EVの世界的な普及が加速する中、充電ステーションの普及は不可欠であり、Yole Groupの予測（図1）では、DC充電器市場が年間複合成長率（CAGR 2020-26）15.6%で成長すると予測しています。

次の図 2 は、EV 用の DC 充電ステーションの回路例を示しています。 EV の導入は 2030 年までに 1 億 4,000 万台から 2 億台に達すると予想されており、これは合計 7TWH の蓄電量で少なくとも 1 億 4,000 万台の小型エネルギー貯蔵装置が車輪に搭載されることになります。 これにより、EV 自体への双方向充電器の採用が増加することになります。 通常、V2H (Vehicle to Home) と V2G (Vehicle to Grid) の 2 種類のテクノロジーが見られます。 EVの普及が進む中、V2Gは車両のバッテリーから大量の電力を供給してエネルギー需要のバランスを取ることを目指している。 さらに、このテクノロジーは、時間帯と光熱費に基づいてエネルギー使用量を最適化できます。 たとえば、エネルギー使用のピーク時に EV を使用して電力を系統に戻すことができ、オフピーク時に低コストで充電できます。 図 3 は、双方向 EV 充電器の一般的な実装を示しています。

直流充電方式とEV駆動用バッテリー電圧別の市場動向を次の図4に示します。 EVの普及には充電時間の短縮が不可欠であり、高出力・高電圧に対応した充電方式への移行が進んでいる。 また、内部の電源ユニットをモジュール化し、負荷に応じて電力を配分することで、複数台のEVの同時充電が可能となり、充電混雑の解消が期待されます。

次に、DC充電ステーションに使用される半導体について説明します。 DC 充電の傾向が高出力、高電圧に向かっていることがはっきりとわかります。 したがって、使用されるパワー半導体には電力損失が低いことが望まれます。 これは、システム効率が同じであっても、より高い電力供給では総電力損失が非常に大きくなる可能性があるためです。 例: 98% 効率の 50kW DC 充電器では 1KW の電力損失があり、同じ効率の 400KW DC 充電器では 8KW の電力損失があります。 したがって、非常に大規模な冷却システムが必要になります。 このため、エンジニアは電力損失を削減するために新世代のパワーデバイスを検討する必要があります。 近年、シリコン（Si）製のIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）だけでなく、炭化シリコン（SiC）製のMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）への期待が高まっています。 MOSFET ベースの設計により、同期整流、より高いスイッチング周波数、より安価な冷却システム、より小型の受動部品が可能になります。

表 1 に、DC 充電ステーションの半導体トレンドを示します。 前述したように、パワー半導体は、より低い損失で高電力および高電圧をサポートする必要があります。 マイクロコントローラーおよび電源管理 IC では、部品表 (BOM) を削減するために、安全および保護機能、高セキュリティ、ファームウェア オーバーザエア (FOTA) 無線通信アップデート、周辺機能を統合することが望ましいです。 ゲート ドライバ IC は、マイクロコントローラや電源管理 IC と同様であり、高電圧サポートや電力損失の少ない半導体を使用したスイッチング パワー半導体技術により BOM を削減することが求められています。