RECOMブログ2: 24Vバッテリー駆動のアプリケーション

バッテリー電気自動車（BEV）を含むすべての電気自動車（EV）には、従来の12Vの鉛蓄電池が搭載されています。これは、キーレスエントリーおよびアラームシステムの独立した電源として使用され、メイントラクションバッテリーが消耗した場合でも機能する必要があり、また、エアバッグシステム、シートベルトテンショナー、ダッシュボードディスプレイなど、異なる電源電圧で再認証すると時間とコストがかかるレガシー12V機器への電源供給にも使用されています。

ICE（内燃機関）車では、鉛蓄電池はエンジンのスターターバッテリーとしても使われます。原付やバイクでは6V、自動車では12V、大型トラックでは24Vのバッテリーが一般的ですが、6Vの倍数というのも偶然ではありません。 鉛蓄電池、リチウムイオン電池、LiFePO4電池など、さまざまな種類の電池がありますが、最も基本的な単位は電池セルで、そのフローティング開回路（例えばネガティブ）電圧は1～4V程度です。 したがって、より高い電圧は、正式にはバッテリーパック（特に保護回路と組み合わせたもの）として知られているものに多くのセルを組み合わせることによって得られますが、より一般的な用語で単にバッテリーと呼ばれることがよくあります。セルは必要な出力電圧を得るために直列に組み合わされます（出力電流を増やすために並列にすることもできます）。

鉛蓄電池の場合、セル電圧は2Vなので、3セル直列で6V、6セルで12V、12セルで24Vの電圧を供給することができます。軍用車両や航空機に搭載される鉛蓄電池は、軍用規格の28Vを供給するために14個のセルを使用します。リチウムイオン電池の場合、セル電圧は2.4～3Vなので、6本入りのリチウムイオン電池は、携帯用電動ドリルやその他の工作機械用の一般的な電池電圧である18Vを供給することができます。

一般に、鉛蓄電池は重量が価格ほど重要でないヘビーデューティー（大電流）用途に使われ、リチウムイオン電池は急速充電と軽量がより重要な場合に使われますが、電池化学（およびエネルギー貯蔵一般）は、この単純すぎる説明では伝わらないほど微妙で「気まぐれ」なので、この[1] RECOMブログを始めとして更に詳しい資料を参考にすることが推奨されます。

バッテリー駆動のアプリケーションで最も一般的な電圧は6、12、18Vですが、多くのアプリケーションでバス電圧を24、48Vなどより高い電圧に引き上げる傾向が強まってきています。次のセクションでは、様々なユースケースにおけるこのトレンドについて詳しく説明します。

12Vの鉛蓄電池は24Vや48Vのものよりも一般的であるため，高電圧のものよりも安価で入手しやすい傾向があるのは事実です。モーターを始動する場合、高電圧バッテリーは数百アンペアを供給できますが、配線器具の通電容量により最大連続電流は100アンペア程度に制限され、利用できる最大電力は約1,200Wに制限されます。

以下の式で示されるように、電力は電流と電圧に正比例しますが、抵抗経路（電線など）の電流には指数関数的に比例します。





ワットの法則をオームの法則と組み合わせると、消費電力に対する電流の指数関数的な効果が明らかになります。電線の抵抗は、最終負荷に到達するまでに電力散逸と電圧降下をもたらします。



ここから導き出される結論はいくつかあります。

• 同じ電力を供給するために電圧を2倍にすると、電流は半分になります。
• 電流が半分になるということは、システムの電流処理能力が半分になるということで、したがって同等の電力を供給するための導体のサイズを小さくすることができます。
• 同じ導体で電流を半分にすると、経路上の電圧降下が半分になるため、最終負荷に高い電圧を供給できます（例：システム効率が向上する）。
• 電流を半分にすることで、同等の電圧降下に対して導体長を2倍にすることができます。
• 同じ導体で電流を半分にすると、電力ネットワークの電力損失は4分の1になります。

世界は急速に電気自動車に移行していますが、少なくとも今後20年間は内燃機関自動車が生産され続け、2050年以降も道路を走ることになるでしょう。その間、技術革新は止まりません。例えば、あらゆる路面状況下で完璧な乗り心地を実現する電動調整式サスペンション、より高度なエアコン制御、機械式ポンプの電気式への置き換え、ターボチャージャー、即時エンジン始動・停止システムなど、いずれも電力を必要とし、標準の12Vバッテリーの電力供給能力を超えてしまうものばかりで、自動車のテクノロジー重視は加速するでしょう。

内燃機関車とハイブリッドEV車の48Vバッテリーシステムは、5kWの電力を供給できる一方で、SELV（Safe Extra Low Voltage）に分類され、従来の配線絶縁と整備士の安全教育で感電のリスクを十分に軽減できます（60V未満のすべての直流電圧は、ほとんどの使用例で「安全」として扱われます）。大型車やその他のバッテリー駆動の交通機関には非常に多くの配線が存在し、全体の重量に占める割合が大きくなっています。しかし、電気自動車と同様に、可燃物にも大きな配線の重量があることに注意しなければなりません。銅の使用量を減らすだけで、高電圧を正当化できる場合もあります。このような重量とコストの削減と高電圧バッテリーパックの使用を組み合わせることで、航続距離（燃料やバッ テリーの寿命）の点で有利になることがあります。

これらの要素はすべて、この記事で紹介する実際のアプリケーションにおいて、多くの価値を提案することにつながります。電力処理能力の向上、システムの小型化、エネルギー効率の改善、配線サイズの縮小、より長い配線のサポート、あるいは信頼性など、バス電圧の向上は非常に有利な要素です。

では、24Vや48Vのバッテリーの一般的な用途は[特に]何なのでしょうか？あらゆる種類の電気モーターが最適な候補となります。手工具、ボート、ゴルフカート、車椅子/スクーターなどに使用される小型モーターは一般的に固定されていないため、システム全体のサイズ/重量に影響を受けやすい傾向があり、バッテリーやパワーシステム/配線の重量を支えるだけでかなりのバッテリー電力を消費する可能性があります。一方、産業用モーターとモーター駆動システムは、あらゆる産業のエネルギー総量[2]の中で最大の消費者となる傾向があり、この分野での改善とエネルギー効率向上の可能性がいかに大きいかを強調しています。

モーター以外にも、様々な電気系統で高電圧バッテリーの恩恵を受けることができます。 太陽光発電（PV）はその好例で、太陽電池アレイは、アレイとアプリケーションに合わせたサイズの類似した適切なエネルギー貯蔵を提供するバッテリーのように、モジュール化することができるのです。24Vや48Vのオフグリッド・ソリューションは、山小屋や遠隔地の気象観測所、携帯電話基地などに十分なピーク電力を供給できる一方で、曇りの日でも数日間は重要なシステムに電力を供給できる十分なバッテリー容量を持っています。

前述したいくつかのアプリケーション領域の収束がより一般的になってきています。大型のボートでは、従来の船舶用バッテリーの高電圧化だけでなく、太陽光発電の導入によるメリットも期待できます。また、COVID-19によって急成長したRV（レクリエーショナル・ビークル）にも同じコンセプトが当てはまります。軍事用やその他多くの冗長性とバッテリーパワーを使用する高信頼性アプリケーションは、12Vベースから24または48Vベースシステムへの移行の有力候補となります。また、RECOMは船舶用に48Vバッテリー駆動のACインバータを提供しており、三相AC115Vで1,200VAの出力が可能です。

バッテリーが精密な電子機器や無線送信機の電源として使用されるようになると、調整された安定供給電圧が不可欠になります。電圧レギュレータは、蓄積されたエネルギーを最大限に活用するために効率的である必要があり、完全充電と完全放電のバッテリーの違いに対応するために広い入力電圧範囲を持っています。多くの場合、グラウンドループ干渉を避けるため、または落雷や外部電磁場などのイベントによるロードダンプ電圧サージや誘導電圧過渡から機器を保護するために電気的に絶縁した出力を持っている必要があります。一般に，露出度の高い環境ほど，高い絶縁障壁が必要となります。

RECOMは、広い入力電圧範囲、非常に高い効率、超低待機電力消費を特徴とするバッテリー駆動機器に特に適したボードレベル電源用の低コスト、超小型、非絶縁型電圧レギュレータRPMやRPXシリーズなど、12/24Vシステム（9～36V）または24/48Vシステム（18～75V）に適した4：1入力電圧範囲の絶縁型DC/DCコンバータを幅広く取り揃えています。ユニバーサル・ソリューションが必要な場合、RPA150EシリーズはDC9～60Vの入力電圧範囲で150Wのレギュレートされた絶縁型出力を提供し、1つの1/8ブリックパーツで12/18/24/48Vバッテリー・パック電圧に対応します。また、平面型トランスを内蔵した絶縁型DC/DCコンバータなので、24Vまたは48Vのバス電圧安定化ソリューションとしても機能し、入力電圧が出力より高い、同じ、または低い場合でも、一定電圧と耐短絡性のある出力を提供します。

バス電圧の上昇と豊富な機能を持つパワーエレクトロニクスを組み合わせることで、これらの進歩の恩恵 を受けるアプリケーションの数と種類をさらに拡大することができます。コンピューティング・アプリケーション（テザリングと非テザリングの両方、つまりデータセンターとラップトップ）には、上記の利点と同じ用途があります。例えば、コンピュータサーバーはバッテリーバックアップを使い果たす可能性があるため、決してダウンすることのない大規模な常時負荷の場合、エネルギーストレージをできるだけ負荷の近くに（物理的にも電圧レベルによっても）配置することは、設計を最適化し、データセンターの総所有コスト（TCO）を押し上げる傾向にあるエネルギーOPEXを軽減する上で非常に有利に働きます。これは、バッテリーバックアップユニット（BBU）を備えたシステムのフロントエンドで直接実現され、遷移時間ゼロで負荷が利用できるエネルギーストレージの形で重要なバックアップ電力を提供します。

12Vバッテリーが24Vソリューションへの道を開いたように、24Vバッテリーも48Vアプリケーションへの移行を可能にします。一般に、セルを高電圧バッテリーパックに統合すると、パッケージングオーバーヘッドが削減され、価値提案に拍車がかかることになります。現在のところ、24Vバッテリーは12Vと48Vバスの間のスイートスポットに位置しています。

電力ネットワークと同様に、どんな大規模システムでも、より高い配電電圧への永続的なプッシュによって利益を得ることができます。

[1] RECOM, “What is energy storage?” RECOM Blog, Nov 4, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-what-is-energy-storage--233.html
[2] IEA, “Motor-driven system electricity use as a share of electricity use by industry subsector,” IEA, Paris,https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/motor-driven-system-electricity-use-as-a-share-of-electricity-use-by-industry-subsector (accessed January 3, 2023).