エンジニア

Luca Martini 氏、アナログ・デバイセズ、システム エンジニア

21 世紀に入り、世界各国政府は CO2 排出削減における複雑かつ長期的な課題に取り組むための行動計画に取り組んでいます。 CO2 排出が気候変動の壊滅的な影響の原因であることが証明されており、新しい効率的なエネルギー変換技術と改良されたバッテリー化学のニーズが急速に高まっています。

再生可能エネルギー源と非再生可能エネルギー源の両方を含めると、世界の人口は昨年だけで約 18 兆 kWh を消費し、需要は増加し続けています。 実際、これまでに生成されたエネルギーの半分以上が過去 15 年間に消費されています。

私たちの送電網と発電機は絶えず拡大しています。 より効率的で環境に優しい電力に対するニーズはかつてないほど高まっています。 使いやすいため、初期のグリッド開発者は交流 (AC) を使用して世界に電力を供給しましたが、多くの分野では直流 (DC) の方が効率を劇的に向上させることができます。

GaN や SiC デバイスなどのワイドバンドギャップ半導体をベースとした効率的で経済的な電力変換技術の開発により、多くのアプリケーションが DC エネルギー交換に切り替えることでメリットが得られるようになりました。 その結果、特にエネルギー請求が関係する場合には、高精度の DC エネルギー計測が重要になってきています。 この記事では、電気自動車の充電ステーション、再生可能エネルギー発電、サーバー ファーム、マイクログリッド、およびピアツーピアのエネルギー共有における DC メーターの機会について説明し、DC エネルギー メーターの設計を提案します。

プラグイン電気自動車 (EV) の成長率は、2018 年の時点で CAGR +70% と推定されており1、2017 年から 2024 年まで毎年 +25% CAGR で成長すると予測されています。2 充電ステーション市場も、2018 年から 2024 年まで CAGR 41.8% で続くと予想されます。 2023.3 しかし、自家用交通機関による CO2 排出量の削減を加速するには、EV が自動車市場の第一の選択肢になる必要があります。

近年、バッテリーの容量と寿命の向上に多大な努力が払われてきましたが、航続距離や充電時間を気にせずに長距離旅行を可能にするためには、広範なEV充電ネットワークも基本的な条件となります。 多くのエネルギープロバイダーや民間企業が最大 150kW の急速充電器を導入しており、充電パイルあたり最大 500kW の電力を備えた超急速充電器に強い関心が寄せられています。 最大メガワットまでの局所的な充電ピーク電力を備えた超高速充電ステーションと、それに関連する急速充電エネルギー割増料金を考慮すると、EV の充電は大規模なエネルギー交換市場となり、その結果、正確なエネルギー請求が必要になります。

現在、標準的な EV 充電器は AC 側で計測されていますが、AC から DC への変換で失われるエネルギーが計測できないという欠点があり、その結果、最終顧客に対する請求が不正確になります。 2019年以降、EUの新たな規制により、エネルギープロバイダーはEVに転送されたエネルギーのみを顧客に請求することが義務付けられ、電力変換と配電の損失はエネルギープロバイダーが負担することになった。

最先端の SiC EV コンバータは 97% 以上の効率に達することができますが、急速充電器および超急速充電器の DC 側で正確な請求を可能にする必要があることは明らかです。充電器のバッテリーに直接接続すると、エネルギーが DC で転送されます。車両。 公共の EV 充電メーターへの関心に加えて、民間および住宅のピアツーピア EV 充電スキームには、DC 側での正確なエネルギー請求に対するさらに大きなインセンティブがある可能性があります。

図 1. 将来の EV 燃料ステーションにおける DC エネルギー計測。

図 2. 持続可能なマイクログリッド インフラストラクチャにおける DC エネルギーの計測。

マイクログリッドとは何ですか? 本質的に、マイクログリッドは商用電力システムの小型版です。 したがって、安全で信頼性が高く、効率的な電力が必要です。 マイクログリッドの例は、病院、軍事基地、さらには再生可能発電、燃料発生装置、エネルギー貯蔵装置が連携して信頼性の高いエネルギー分配システムを構築する公益事業システムの一部としても見られます。

マイクログリッドの他の例は建物にもあります。 再生可能エネルギー発電機の広範な導入により、屋上のソーラーパネルと小規模風力タービンが、独立しながらも送電網によってバックアップされ、使用した分だけのエネルギーを生成することで、建物を自給自足することもできます。

さらに、建物の電気負荷の 50% は DC で動作します。 現在、各電子機器は AC 電力を DC 電力に変換する必要があり、その過程で最大 20% のエネルギーが失われ、従来の AC 配電と比較して合計で最大 28% の節約になると推定されています。4

DC 建物では、AC を DC に一度に変換し、LED ライトやコンピューターなど、DC を必要とする機器に DC を直接供給することで、エネルギー消費を削減できます。

DC マイクログリッドへの関心は急速に高まっており、標準化の必要性も高まっています。

IEC 62053-41 は、住宅用 DC システムおよび DC エネルギー計測用の AC 相当品と同様の密閉型メーターの要件と公称レベルを示す保留中の規格です。

DC マイクログリッドセグメントは、2017 年時点で約 70 億ドルと評価されており5、新たな DC 配電トレンドによりさらなる成長が見込まれます。

データセンター事業者は、電力が最大のコストの 1 つであるため、施設の電力効率を向上させるためにさまざまなテクノロジーやソリューションを積極的に検討しています。

データセンター事業者は、AC と DC 間で必要な変換の最小数が減少し、再生可能エネルギーとの統合がより簡単かつ効率的になるため、DC 配電に関連する利点を認識しています。 変換段階の削減は次のように推定されます。

図 3. データセンターの DC 電源に必要なコンポーネントは少なく、従来の AC 配電よりも損失が少なくなります。

図 4. DC データセンターにおける再生可能エネルギーの統合。

配電バスの電圧範囲は最大約 380VDC であり、多くの事業者が電力使用量によってコロケーション顧客に充電するというより測定可能なアプローチに切り替えているため、正確な DC エネルギー計測に関心が集まっています。

コロケーションの顧客に電力使用量を請求する最も一般的な 2 つの方法は次のとおりです。

電力効率の向上を目的として、従量制出力アプローチが人気を集めており、顧客の価格設定は次のようになります。

経常コスト = スペース料金 + (IT 機器の検針 × PUE)

一般的な最新のラックは最大 40kW の DC 電力を消費します。 したがって、最大 100A の電流を課金グレードの DC メーターで監視する必要があります。

1900 年代初頭、従来の AC エネルギーメーターは完全に電気機械式でした。 電圧コイルと電流コイルの組み合わせを使用して、回転するアルミニウム ディスクに渦電流を誘導しました。 ディスク上に生じるトルクは、電圧コイルと電流コイルによって生成される磁束の積に比例します。 最後に、ディスクに制動磁石を追加することで、回転速度が負荷によって消費される実際の電力に直接比例するようになりました。 この時点で、消費エネルギーの測定は、一定期間にわたる回転数をカウントするだけです。

最新の AC メーターは大幅に複雑かつ正確になり、改ざんから保護されています。 現在、最先端のスマート メーターは、現場に設置されている間、その絶対精度を監視し、改ざんの兆候を 24 時間 365 日検出することもできます。 これは、mSure® テクノロジーで実現された Analog Devices ADE9153B 計測 IC の場合に当てはまります。 エネルギーメーター（最新型、伝統型、交流型、直流型）はすべて、kWh あたりのインパルスの定数とパーセンテージクラスの精度によって分類されます。 kWh あたりのインパルス数は、エネルギー更新レート、つまり分解能を示します。 クラス精度は、エネルギーの最大測定誤差を証明します。

古い機械式メーターと同様に、特定の時間間隔内のエネルギーは、これらのインパルスをカウントすることによって計算されます。 パルス周波数が高いほど瞬間電力は大きくなり、その逆も同様です。

DC メーターの基本アーキテクチャを図 5 に示します。負荷によって消費される電力 (P = V × I) を測定するには、少なくとも 1 つの電流センサーと 1 つの電圧センサーが必要です。 ローサイドがアース電位の場合、メーターを流れる電流は、測定されていない漏れのリスクを最小限に抑えるためにハイサイドで測定されるのが一般的ですが、設計アーキテクチャで必要な場合は、ローサイドまたは両側で電流を測定することもできます。 負荷の両側の電流を測定して比較する手法は、メータに故障および改ざん検出機能を持たせるためによく使用されます。 ただし、電流が両側で測定される場合、導体間の高電位に対処するために、少なくとも 1 つの電流センサーを絶縁する必要があります。

電圧は通常、抵抗分圧器を使用して測定されます。抵抗のラダーを使用して電位をシステムの ADC 入力と互換性のあるレベルまで比例的に低下させます。

入力信号の振幅が大きいため、標準コンポーネントを使用して正確な電圧測定を簡単に実現できます。 ただし、温度範囲全体にわたって必要な精度を保証するには、選択したコンポーネントの温度係数と電圧係数に注意を払う必要があります。

前述したように、EV 充電ステーションなどのアプリケーション用の DC エネルギー メーターは、車両に転送されたエネルギーのみを請求する必要がある場合があります。 測定要件を満たすために、EV 充電器用の DC エネルギー メーターには複数の電圧チャネルが必要になる場合があり、メーターが車両の入口点でも電圧を検知できるようになります (4 線式測定)。 4 線構成の DC エネルギー測定により、充電パイルとケーブルのすべての抵抗損失が総エネルギー料金から確実に割引されます。

図 5. DC 電力量計システムのアーキテクチャ。

電流は、直接接続によって、または電荷キャリアの流れによって生成される磁場を感知することによって間接的に測定できます。 次のセクションでは、DC 電流測定用の最も一般的なセンサーについて説明します。

直接接続電流検出は、AC および DC 電流を測定するための実証済みの方法です。 電流の流れは、既知の値のシャント抵抗を介して送られます。 シャント抵抗の両端の電圧降下は、よく知られているオームの法則 (V = R × I) で説明されるように、流れる電流に正比例し、増幅およびデジタル化できるため、回路に流れる電流を正確に表現できます。 。

シャント抵抗センシングは、理論上無制限の帯域幅で、mA から kA までの電流を測定するための安価で正確かつ強力な方法です。 ただし、この方法にはいくつかの欠点があります。

抵抗器に電流が流れると、電流の二乗に比例してジュール熱が発生します。 これは効率の面で損失を引き起こすだけでなく、自己発熱によりシャント抵抗値自体が変化し、結果として精度が低下します。 自己発熱効果を制限するために、低い値の抵抗が使用されます。 ただし、小さな抵抗を使用すると、検出素子にかかる電圧も小さくなり、場合によってはシステムの DC オフセットに匹敵します。 このような状況では、ダイナミック レンジの下限で必要な精度を達成するのは簡単な作業ではない可能性があります。 超低 DC オフセットと超低温度ドリフトを備えた最先端のアナログ フロント エンドを使用すると、小さな値のシャント抵抗器の制限を克服できます。 ただし、オペアンプのゲインと帯域幅の積は一定であるため、ゲインが高いと利用可能な帯域幅が制限されます。

低値の電流検出シャントは、通常、マンガン銅やニッケルクロムなどの特定の金属合金で作られており、構成成分の相反する温度ドリフトを打ち消し、全体のドリフトが数十 ppm/℃ のオーダーになります。

直接接続 DC 測定におけるもう 1 つの誤差要因は、ゼーベック効果としても知られる熱起電力 (EMF) 現象である可能性があります。 ゼーベック効果は、接合を形成する少なくとも 2 つの異なる導電体または半導体間の温度差により、両者の間に電位差が生じる現象です。 ゼーベック効果はよく知られた現象であり、熱電対の温度検出に広く使用されています。

4 線接続の電流シャントの場合、ジュール熱が抵抗合金要素の中心で発生し、PCB (または別の媒体) に接続されている可能性のある銅製のセンシング ワイヤ中に伝播します。違う温度。

感知回路は、異なる材料の対称的な分布を形成します。 したがって、負と正の検出ワイヤの接合部の電位はほぼ相殺されます。 ただし、負の検出ワイヤがより大きな銅の塊（グランドプレーン）に接続されているなど、熱容量に差があると、温度分布に不一致が生じ、その結果、熱起電力の影響による測定誤差が生じる可能性があります。

このため、シャントの接続と発生する熱の分布には注意する必要があります。

図 6. 温度勾配によって生じるシャント内の熱起電力。

センサーは、感知された電流ワイヤが通過する高透磁率リングで構成されています。 これにより、測定対象の導体の周囲の磁力線が磁気コアの断面積内に挿入されたホール効果センサー上に集中します。 このセンサーの出力は事前調整されており、通常はさまざまな形式で利用できます。 最も一般的なものは、0V ～ 5V、4mA ～ 20mA、またはデジタル インターフェイスです。 比較的低コストで絶縁と高電流範囲を提供しながら、絶対精度は通常 1% 未満の範囲にはなりません。

電流アンプによって駆動される透磁性コアの多巻き二次巻線は、負のフィードバックを提供して、総磁束ゼロ状態を実現します。 補償電流を測定することにより、直線性が改善され、コアヒステリシスがなくなり、開ループソリューションと比較して全体的に優れた温度ドリフトとより高い精度が得られます。 一般的な誤差範囲は 0.5% までですが、追加の補償回路によりセンサーが高価になり、場合によっては帯域幅が制限されます。

意図的に飽和させたコアの磁束変化を監視することで電流を測定する複雑な開ループまたは閉ループ システムですか? コイルは、対称方形波電圧で駆動される二次コイルによって意図的に飽和される高透磁率の強磁性コアの周りに巻かれます。 コイルのインダクタンスは、コアが正または負の飽和に近づくたびに減少し、電流の変化率が増加します。 コイルの電流波形は外部磁界を追加しない限り対称を保ち、外部磁界を印加すると非対称になります。 この非対称性の大きさを測定することにより、外部磁場の強度、ひいてはそれを生成した電流を推定することができます。 優れた温度安定性と最小 0.1% の精度を実現します。 ただし、センサーの電子機器が複雑なため、他の独立したソリューションよりも価格が 10 倍高く、高価なソリューションになります。

図 7. 磁束集中器と磁気センサーに基づく開ループ電流トランスデューサー。

図 8. 閉ループ電流トランスデューサの動作原理の例。

DC エネルギー計量の標準化は、既存の AC 計量標準エコシステムに比べて達成するのがそれほど難しくないように思えるかもしれませんが、業界の利害関係者は依然としてさまざまなアプリケーションの要件について議論しており、DC 計量の正確な詳細を解明するためにさらなる時間を求めています。

IEC は、精度クラス 0.5% および 1% の有効エネルギー用の DC 静的メーターに特有の要件を定義するために、IEC 62053-41 に取り組んでいます。

この規格は、公称電圧と電流の範囲を提案し、メーターの電圧チャネルと電流チャネルの最大消費電力に制限を設定します。 さらに、AC メータリング要件と同様に、特定の精度はダイナミック レンジ全体および無負荷状態の電流しきい値にわたって定義されます。

草案では、システムの帯域幅に関する特定の要件はありませんが、高速負荷変動テストを正常に完了する必要があり、システムの最小帯域幅に関する暗黙の要件が定義されています。

EV 充電アプリケーションの DC メーターは、ドイツの規格 VDE-AR-E 2418 または古い鉄道規格 EN 50463-2 に準拠している場合があります。 EN 50463-2 によれば、精度はトランスデューサごとに指定されており、結合されたエネルギー誤差は、電圧、電流、および計算誤差の直交和となります。

アナログ・デバイセズは、高精度センシング技術の業界リーダーであり、厳しい規格要件を満たす高精度の電流および電圧測定のための完全な信号チェーンを提供しています。 次のセクションでは、今後のアプリケーション固有の規格 IEC 62053-41 に準拠する DC エネルギー メーターの概念実証を示します。

マイクログリッドおよびデータセンターにおける課金グレードの DC エネルギー測定のスペースを考慮すると、表 3 に示す要件を仮定できます。

安価で正確な電流検出は、小さな値と低 EMF シャント (<1μVEMF/°C) を使用することで実現できます。 シャント抵抗を小さく保つことは、自己発熱効果を低減し、電力レベルを規格で要求される制限値以下に保つために重要です。

市販の 75μΩ シャントを使用すると、消費電力が 0.5W 未満に抑えられます。

図 9. DC メーター システムのアーキテクチャ。

ただし、80A の公称電流の 1% が 75μΩ シャントで 60μV の小さな信号を生成するため、サブマイクロボルトのオフセット ドリフト性能の範囲の信号チェーンが必要です。

ADA4528 は、最大オフセット電圧が 2.5μV、最大オフセット電圧ドリフトが 0.015μV/℃で、小さなシャント信号に対して超低ドリフト、100V/V の増幅を実現するのに適しています。 したがって、同時サンプリングの 24 ビット ADC AD7779 は、5nV/°C の入力換算オフセット ドリフト寄与で増幅段に直接接続できます。

高い DC 電圧は、AD7779 の ADC 入力に直接接続された 1000:1 比の抵抗分圧器を使用して正確に測定できます。

最後に、マイクロコントローラーは単純なサンプルごとの割り込み駆動の計測機能を実装します。ここで、ADC サンプルごとに割り込みルーチンが実行されます。

さらに、マイクロコントローラは、計測機能に加えて、RS-485、LCD ディスプレイ、押しボタンなどのシステムレベルのインターフェイスを可能にします。

図 10. 概念実証 - プロトタイプ。

1 トム・タレンタイン、スコット・ハードマン、ダリア・ガラス。 「持続可能性への電気自動車移行の舵取り」。 国立持続可能な交通センター、カリフォルニア大学デービス校、2018 年 7 月。

2 「世界電気自動車市場レポート」タイプ別（バッテリー電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車）、車両タイプ別（二輪車、乗用車、商用車）、地域別 - 業界動向、規模、シェア、成長、推定、予測、2017 ～ 2024 年。 価値市場調査。

3 電気自動車充電ステーション市場（充電ステーション（AC 充電ステーション、DC 充電ステーション）、設置タイプ（住宅用、商業用）、地域（北米、ヨーロッパ、アジア太平洋、列）別 - 2023 年までの世界予測。調査と市場、2018年4月。

4 ヴェンカタ・アナンド・プラバラ、バヌ・プラシャント・バディパディガ、ポリア・ファジリ、メフディ・フェルドウシ。 「直流配電システムのアーキテクチャと利点の概要」 MDPI、2018 年 9 月。

5 「タイプ別の世界マイクログリッド市場 (AC マイクログリッド、DC マイクログリッド、ハイブリッド)、接続性 (グリッド接続、リモート/アイランド)、提供内容 (ハードウェア、サービス、ソフトウェア)、電源 (天然ガス、太陽光、燃料電池、熱電併給、熱電併給)電力、ディーゼル、その他）、アプリケーション（ヘルスケア、産業、軍事、電力会社、教育機関）、地域（北米、ヨーロッパ、アジア太平洋、南米、中東およびアフリカ）、世界の産業分析、市場規模、シェア、成長、トレンド、予測、2018 年から 2025 年まで。 Researchstore.biz。

ルカ・マルティーニは修士号を取得しました。 2016 年にイタリアのボローニャ大学でエネルギーに関するエレクトロニクスおよび電気通信工学の学位を取得しました。 学位取得後、ドイツのニュルンベルクにあるフラウンホーファー IIS で 7 か月を過ごし、圧電エネルギー ハーベスターの特性評価のための高精度リアルタイム制御システムを開発しました。 2006 年から 2016 年まで、Luca は生物医学分野のシステムおよびハードウェア開発者として働いていました。 2016 年に、Luca は英国エジンバラにあるアナログ・デバイセズのエネルギーおよび産業システム グループに加わりました。 彼への連絡先は [email protected] です。