EV向けOBCの出力クラス比較: 3.3 kW / 6.6 kW / 11 kW / 22 kW

OBC (オンボード チャージャー) の電力クラス (3.3 kW、6.6 kW、11 kW、または22 kW) を適切に選択することで、あらゆるEVパワートレイン設計におけるトポロジーの選択、半導体技術、熱アーキテクチャが決まります。OBCの定格電力とAC充電レベルは別々の仕様です。OBCは車両が引き出せる電力の上限を定め、電力網インフラは利用可能な供給電力を定めます。

この記事では、AC系統インターフェースとOBCの電力クラス選定に焦点を当てます。バッテリー電圧アーキテクチャ (400 V、800 V、800 V+) とHV-HV DC/DCコンバーターのトポロジーは関連する設計要素であり、別途説明します。参照する系統仕様はIEC 61851 (欧州) およびSAE J1772 (北米) です。その他の地域規格も適用され、特に中国ではGB/Tが該当します。

例: 7.4 kWの家庭用ウォールボックスに接続された22 kWのOBCは、22 kWではなく7.4 kWで充電します。

重要なポイント: 充電速度は、OBCの定格電力と利用可能なインフラ電力のうち低い方になります。

AC充電レベルは、電圧と最大電流の観点から、インフラ規格 (欧州ではIEC 61851、北米ではSAE J1772) によって定義されています。OBCは車両側のコンバーターであり、AC系統電力を2段構成で安定化されたDCに変換します。AC側の力率改善 (PFC) ステージと、出力電圧をバッテリーの電圧レベルおよび充電状態に合わせて調整する絶縁型DC/DC変換ステージで構成されます。その電力定格は、規格で許容される上限の範囲内で決定される設計上の選択です。

3.3 kW～22 kWのすべてのOBC出力クラスでは、絶縁型DC/DC変換ステージが必要です。高出力OBCでは液冷が標準であり、PHEV用OBCの設計でも一般的です。低出力または特殊用途向けの設計では空冷を採用するものもあります。

OBC電力クラスの概要

OBCの選び方

ハードウェア プロファイル
ハードウェア プロファイル
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  • 三相PFCトポロジーが必要です (例: Vienna整流器、B6/B8インターリーブ ブースト)。ブリッジレス トーテムポールPFCは、3 × 単相構成にのみ適用されます
  • 1200 Vスイッチを使用できます
  • CoolSiC™ MOSFET (1200 V) はPFCおよびDC/DCステージで主流のスイッチ選択であり、96%以上の効率を目標としています
  • シングルステージ コンバーターは、薄型でコンパクトな設計と低コストを実現するための新たなトレンドであり、従来の2ステージ コンバーターに代わる選択肢です。
  • ゲートドライバ:  SiC MOSFET用のEiceDRIVER™ |  xEVアプリケーション向けEiceDRIVER™
ハードウェア プロファイル
  • B6/B8の三相PFCトポロジーが強く推奨されます。ブリッジレス トーテムポールPFCは、3 × 単相構成にのみ適用されます。
  • 1200 Vスイッチを使用できます。
  •  CoolSiC™ MOSFET (1200 V) はPFCおよびDC/DCステージで主流のスイッチ選択であり、96%以上の効率を目標としています。
  • シングルステージ コンバーターは、薄型でコンパクトな設計と低コストを実現するための新たなトレンドであり、従来の2ステージ コンバーターに代わる選択肢です。
  • 熱管理は主要な設計制約の1つであり、電力密度は重大な課題です。
  •  液冷アーキテクチャと電力密度目標は、コストのかかる後工程での再設計を防ぐため、アーキテクチャ段階で定義すべきです。
  •  ゲートドライバ:  SiC MOSFET用のEiceDRIVER™ | EVアプリケーション向けEiceDRIVER™
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  • 三相PFCトポロジーが必要です (例: Vienna整流器、B6/B8インターリーブ ブースト)。ブリッジレス トーテムポールPFCは、3 × 単相構成にのみ適用されます
  • 1200 Vスイッチを使用できます
  • CoolSiC™ MOSFET (1200 V) はPFCおよびDC/DCステージで主流のスイッチ選択であり、96%以上の効率を目標としています
  • シングルステージ コンバーターは、薄型でコンパクトな設計と低コストを実現するための新たなトレンドであり、従来の2ステージ コンバーターに代わる選択肢です。
  • ゲートドライバ:  SiC MOSFET用のEiceDRIVER™ |  xEVアプリケーション向けEiceDRIVER™
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  • B6/B8の三相PFCトポロジーが強く推奨されます。ブリッジレス トーテムポールPFCは、3 × 単相構成にのみ適用されます。
  • 1200 Vスイッチを使用できます。
  •  CoolSiC™ MOSFET (1200 V) はPFCおよびDC/DCステージで主流のスイッチ選択であり、96%以上の効率を目標としています。
  • シングルステージ コンバーターは、薄型でコンパクトな設計と低コストを実現するための新たなトレンドであり、従来の2ステージ コンバーターに代わる選択肢です。
  • 熱管理は主要な設計制約の1つであり、電力密度は重大な課題です。
  •  液冷アーキテクチャと電力密度目標は、コストのかかる後工程での再設計を防ぐため、アーキテクチャ段階で定義すべきです。
  •  ゲートドライバ:  SiC MOSFET用のEiceDRIVER™ | EVアプリケーション向けEiceDRIVER™

OBCの電力クラスがトポロジー、半導体、熱設計に与える影響

OBCの電力クラスを選択することは、単に性能上の判断ではありません。これは、電力変換器のトポロジー、半導体技術、熱設計、規制適合の範囲を決定し、これらすべてがエンジニアリングのスケジュールとシステムコストに影響します。

単相OBC (3.3 kWまたは6.6 kW) は、スイッチを追加するだけで11 kWまたは22 kWに拡張することはできません。三相化には、コンバーター アーキテクチャの根本的な変更が必要です。

OBCの電力クラスは、半導体選定における主要なフィルターです。

電力損失は電流の二乗に比例します。主な影響:

  • 22 kWのOBCは、11 kW設計の2倍の熱的課題を抱えるわけではありません。
  • パッケージ密度と熱界面材料は、初期段階から慎重な設計が必要です。
  • 液冷アーキテクチャと電力密度目標は、コストのかかる後工程での再設計を防ぐため、アーキテクチャ段階で定義すべきです。
ハードウェア プロファイル
  • 11 kWまたは22 kWに移行すると、次の規制適合要件が追加されます。
  • IEC 61851-1モード3: 専用インフラによるAC充電 (専用EV電源装置を使用するすべての電力レベルに適用)
  • IEC 61000-3-12: 1相あたり16 Aを超える機器の高調波電流制限 (単相高出力OBCはIEC 61000-3-2/3-4に準拠)
    双方向 (V2G/V2H) 設計: 一部の市場では追加の系統フィードバック認証が必要となり、これはすべてのOBC電力クラスに適用されます。参照: 双方向車載充電 (OBC)

11 kWまたは22 kWのOBCを指定する場合は、規制適合対応の期間が長くなることを見込んでください。

単相OBC (3.3 kWまたは6.6 kW) は、スイッチを追加するだけで11 kWまたは22 kWに拡張することはできません。三相化には、コンバーター アーキテクチャの根本的な変更が必要です。

OBCの電力クラスは、半導体選定における主要なフィルターです。

電力損失は電流の二乗に比例します。主な影響:

  • 22 kWのOBCは、11 kW設計の2倍の熱的課題を抱えるわけではありません。
  • パッケージ密度と熱界面材料は、初期段階から慎重な設計が必要です。
  • 液冷アーキテクチャと電力密度目標は、コストのかかる後工程での再設計を防ぐため、アーキテクチャ段階で定義すべきです。
ハードウェア プロファイル
  • 11 kWまたは22 kWに移行すると、次の規制適合要件が追加されます。
  • IEC 61851-1モード3: 専用インフラによるAC充電 (専用EV電源装置を使用するすべての電力レベルに適用)
  • IEC 61000-3-12: 1相あたり16 Aを超える機器の高調波電流制限 (単相高出力OBCはIEC 61000-3-2/3-4に準拠)
    双方向 (V2G/V2H) 設計: 一部の市場では追加の系統フィードバック認証が必要となり、これはすべてのOBC電力クラスに適用されます。参照: 双方向車載充電 (OBC)

11 kWまたは22 kWのOBCを指定する場合は、規制適合対応の期間が長くなることを見込んでください。

EVの充電レベルとOBCの電力定格に関するよくある誤解

誤解: 「レベル2充電とは常に11 kWを意味する」

事実: レベル2は固定の電力レベルではなく、電圧区分 (230～400 V AC) を定義します。レベル2回路は、ブレーカー定格と車両に搭載されているOBCの電力定格に応じて、3.3 kW～22 kWの範囲で電力を供給できます。7.4 kWのレベル2ウォールボックスに接続した11 kWのOBCは、7.4 kWで充電します。「レベル2」はインフラを指し、OBCはその電力のうちどれだけを使用するかを決定します。

事実: 充電速度は、OBCの定格電力と利用可能なインフラ電力のうち低い方の値に等しくなります。7.4 kWのウォールボックスに接続した22 kWのOBCは7.4 kWで充電され、22 kWの三相電源に接続した場合は22 kWで充電されます。OBCの定格電力は上限であり、固定された動作点ではありません。

事実: これらは根本的に異なるアーキテクチャです。AC充電では、AC-DC変換は車載充電器によって車両内で行われ、電力はType 2 (IEC 62196) コネクタ経由で最大22 kWに制限されます。DC急速充電では、変換はステーション内で行われ (OBCを完全にバイパスして)、CCS、CHAdeMO、またはGB/Tを介して50 kW～400 kWをバッテリーに直接供給します。

よくある質問

EVの充電レベルと車載充電器の定格電力の違いは何ですか？

EVの充電レベルと車載充電器 (OBC) の定格電力は、別のものを表します。充電レベルはインフラが供給できる電力を定義し、OBCの定格電力は車両が受け入れられる電力を定義します。充電レベルは、欧州ではIEC 61851、北米ではSAE J1772によって標準化されており、供給機器が供給する電圧区分と最大電流を規定します。OBCの定格電力は車両側の設計上の選択事項です。OBCは、系統のAC電力をバッテリー用の安定化されたDCに変換する車両内のコンバーターです。22 kWのOBCを搭載した車両を7.4 kWのウォールボックスに接続すると、7.4 kWで充電されます。OBCが上限を設定し、インフラがその上限のどこまで到達できるかを決定します。

いいえ。22 kWの車載充電器は、供給機器が許容する電力までしか受け取れません。充電速度は、OBCの定格電力と利用可能なインフラ電力のうち低い方の値に等しくなります。7.4 kWの家庭用ウォールボックスでは、22 kWのOBCは7.4 kWに制限されます。そのため、60 kWhのバッテリーは、22 kWの三相電源で約3時間で充電できるのに対し、約8時間かかります。OBCの定格は能力の上限であり、固定された動作点ではありません。22 kWのフル スループットには、車両基地や高級住宅で一般的な、三相400 V / 32 Aの設備が必要です。

6.6 kWから11 kWへの車載充電器のステップ アップは、部品のアップグレードではなく、根本的なアーキテクチャの変更です。6.6 kWのOBCは単相AC電源で動作し、単相PFCトポロジー (通常はブリッジレス トーテムポール型) を使用します。11 kWのOBCには、三相400 V電源と、B6/B8構成やVienna整流器などの三相PFCトポロジーが必要であり、これは全く異なるコンバーター アーキテクチャを必要とします。半導体の選択も変化します。6.6 kWではシリコンMOSFETは競争力を維持していますが、CoolSiC™ MOSFET はシステム効率の面で優位性を発揮し始めています。 11kWでは 1200 V CoolSiC™ MOSFET が主流であり、三相設計が要求する96%以上の効率目標によって選定されています。

はい。OBCの電力クラスは半導体選定における主要な基準です。3.3 kWでは、スイッチング周波数の要件がそれほど高くないため、シリコンMOSFETと TRENCHSTOP™ IGBT はコスト競争力があります。6.6 kWの出力で、CoolSiC™ MOSFET は数量に応じてシステム全体の効率で優位性を発揮し始めます。11 kWおよび22 kWでは、CoolSiC™ MOSFET (1200 V) が推奨されます。スイッチング周波数が高く、スイッチング損失が低く、熱放散が低減するため、SiCは三相OBC設計の96%以上の効率目標と電力密度要件を満たすためのキー テクノロジーです。

車両セグメントに適したOBC電力クラス

3.3 kWの単相から22 kWの三相OBCまで、インフィニオンの CoolSiC™ MOSFET および CoolGaN™ ファミリーは、各トポロジーの EiceDRIVER™ ゲートドライバ IC およびリファレンス デザインとともに、OBCの全電力範囲をカバーします。

 

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