モバイル化が進む現代において、効率的で汎用性の高いポータブル電源ソリューションの需要は加速度的に高まっています。 アウトドア活動、リモートワーク環境、非常用のバックアップシステムなど、ユーザーは複数のデバイスとエネルギー入力に対応できる信頼性の高い電源を必要としています。 ルネサスは、高性能かつ柔軟性に優れた包括的なシステムにより、これらのニーズに対応する先進のポータブル電源システムを開発しました。 このソリューションは、特にポータブル電源、エネルギー貯蔵システム(ESS)、無停電電源装置(UPS)、さらには電気自動車(EV)の充電などのアプリケーションに適したシステムです。さらに、これらのポータブル電源ソリューションのバッテリ残量管理システムは、ルネサスのデザイン済ファームウェアによるソリューション「R-BMS F」により容易に実現されます。
設計上の課題
現代の要求を満たすポータブル電源システムの設計には、いくつかの課題があります。 主なハードルの一つは、様々なデバイスや電源に対応するために複数の入力および出力オプションを備えた、電力の多様性です。 最大240Wの消費電力を必要とするノートパソコンなど、高出力を求める最新のデバイスでは、USB Power Delivery（USB PD）3.1拡張電力範囲（EPR）などの高度な充電機能が不可欠です。 USB-C、AC/DC 、 スマートソーラーバッテリーチャージャーを介したソーラー入力など、複数の電源入力と出力を統合することでこの課題に対処し、ルネサスのシステムがさまざまなユースケースで効率を維持しながらさまざまな電源を処理できるようにします。
もう一つの重要な課題は、エネルギー効率です。 電力変換効率を最大化は、特にポータブルアプリケーションにおいて、バッテリー寿命を延ばし、エネルギーの浪費を削減するために非常に重要です。 ルネサスのソリューションは、 RA6T2 Arm® コアMCUと 650V SuperGaN FETをベースにした高効率双方向デジタルAC/DCコンバータを組み込むことにより、この課題に対処しています。 これらのコンポーネントは、システムが充電中または放電中であるかどうかにかかわらず、最適な電力変換を保証し、エネルギー損失を最小限に抑えます。 さらに、バッテリー管理は、安全性、寿命、および最適なパフォーマンスを確保する上で重要な役割を果たします。 太陽光発電などの再生可能エネルギー源を統合しながら、複数のバッテリーを直列に管理することは複雑であるため、充電サイクルとセルバランスを正確に制御する必要があります。 ルネサスの 残量ゲージIC (FGIC)は、バッテリの状態を監視し、充電状態(SOC)および健康状態(SOH)の推定を高精度で管理することで、この制御を実現します。ルネサスはこのたび、バッテリ管理および残量管理システムの設計時間を大幅に削減する、ファームウェア開発が不要なソリューション「R-BMS F」を発表しました。このアプリケーションに適したR-BMS FソリューションキットはRTK0EF0136DK0002BUで、FGIC・RAJ240100GFPを使用しています。 スマートソーラーバッテリーチャージャーの統合により、全体的なパフォーマンスを損なうことなく、システムへのソーラーエネルギーの組み込みがさらに簡素化されます。
最後に、重量と携帯性を慎重にバランスし、さまざまなアプリケーションのユーザーにとってシステムが実用的であり続けるようにする必要があります。 このシステムは、双方向充電やソーラー統合などの複雑なタスクを処理するために複数のコンポーネントを統合していますが、ルネサスのモジュラー設計により、機能や電力出力を犠牲にすることなく軽量性を維持できます。 さらに、超低消費電力とコンパクトなサイズで知られる RA2E1 MCUは、システム全体の重量を削減しながら、システム内のさまざまなタスクを管理するための基本的な処理機能を提供します。
システムセットアップとソリューション
ルネサスのポータブル電源システムは、いくつかの主要コンポーネントをまとまりのあるシステムに統合することにより、これらの課題に対応します。 この包括的なシステムが、汎用性と効率性に優れた電力管理システムを構築します。 このソリューションの中心となるのは、車両電源、主電源AC入力(110V)、太陽光発電など、さまざまな電源から最大240Wを供給できるマルチ入力USB PD充電器です。 この充電器は、双方向機能を備えたUSB PD 3.1 EPRに対応しており、デバイスの充電と外部電源からの電力の受信の両方が可能です。 このソリューションは、最大3.6KWの電力を供給できるデジタル電力 力率補正+デュアルアクティブブリッジ(PFC + DAB)充電器システム も備えています。 このシステムは、ルネサスの高性能ARMコアMCUであるRA6T2 ArmコアMCUと650V SuperGaN FETをベースにした双方向デジタルAC/DCコンバータを使用しています。 この設計には、トーテムポール・ブリッジレス力率補正(PFC)トポロジーと、それに続くDAB絶縁型DC/DCコンバータが組み込まれており、高効率で双方向のデジタルAC/DC電力変換が可能です。 バッテリー対応としては、システムは3〜10直列リチウムイオンバッテリーを扱うことができ、さまざまなアプリケーションに柔軟性を提供します。 このバッテリーパックは、MCUデバイスとアナログ・フロントエンド(AFE)デバイスの両方を1つのパッケージに統合した残量ゲージIC(FGIC)によって管理されます。 このコンポーネントは、包括的なバッテリーの監視と制御を確保します。 このシステムにはソーラー充電器ボードも含まれており、ユーザーはソーラーパネルなどの再生可能エネルギー源を利用できます。 ISL95338バックブーストコントローラーは、ソーラー入力を効率的に管理し、オフグリッド時にソーラーパネルからの最適な充電を確保します。 この機能により、このソリューションは、従来の電源が利用できない可能性のある遠隔地やアウトドア活動に最適です。
高度なバッテリーマネジメント
ルネサスのポータブル電源システムの際立った特徴は、残量ゲージIC(FGIC)を中心とした高度なバッテリーマネジメントシステムです。 このICは、電圧測定用の±5mV精度の15ビットデルタシグマA/Dコンバータと、±10mA精度の18ビットデルタシグマA/D電流積分回路を通じて、高精度の電圧および電流測定機能を統合することにより、、バッテリー性能を正確に監視・制御します。 これらの正確な測定は、効率的なバッテリ管理と長寿命を確保するための重要な要素である、正確な充電状態と健康状態の推定に不可欠です。 また、FGICは自己診断機能や機能安全機能もサポートしており、全体的な堅牢性を高めています。 容量やインピーダンスなどの電池特性を自動で測定し、劣化パターンから交換時期を決定します。 さらに、バッテリーパック内のセル間の全体的な電圧差を分析することでセルバランスを強化し、各セルの容量を最大限効率的に活用できるようにします。 「シンク」モードでは、システムはUSB PDを介して外部デバイス(ラップトップなど)を充電しながら、DC出力で他のデバイスに同時に電力を供給したり、壁のソケットまたはソーラーパネルからのAC入力でれ自体を充電したりできます。 「パワーバンク」モードでは、AC/DC電源またはソーラーパネルの両方から充電を受けながら、USB-CジャックやDCジャックなどの複数の出力に電力を分配できるため、複数のデバイスを同時に充電する必要があるシナリオに最適です。
システム統合
このシステムは、モジュール性とスケーラビリティを活かし、さまざまなアプリケーションにシームレスに統合できるよう設計されています。 小型の個人用デバイスから大規模な産業機械まで、このソリューションは柔軟なアーキテクチャにより容易に適応できます。 このシステムは、AC(110V)、DC(最大28V)、USB-C(240W)、USB-A(12W)の複数の入出力タイプを対応し、専用のスマートソーラーバッテリー充電器を介したソーラー入力もサポートします。 この汎用性により、メーカーはコアコンポーネントを再設計することなく、さまざまなユーザーニーズに合わせたポータブル電源を作成できます。 冷却ファン(熱管理用)、LEDドライバ(照明用)、DC/DCコンバータなどの補助回路を追加することで、性能や安全基準を損なうことなく、さまざまな環境での使いやすさがさらに向上します。
実世界のアプリケーション
ルネサスのポータブル電源システムは、様々な業界に幅広く適用できます。
- ポータブル発電所: キャンピングやハイキングなど、従来の電力網へのアクセスが制限されている可能性のあるアウトドア活動に最適。
- エネルギー貯蔵システム(ESS)および無停電電源装置(UPS): 停電時や緊急時に信頼性の高いバックアップを提供。
- 電気自動車の充電: モバイルEV充電ソリューションの一部として使用可能。
- 産業機器: 従来の電力が利用できない遠隔地の工具/機械への電力提供。
- 再生可能エネルギーシステム: ソーラーパネルとシームレスに統合され、持続可能性への取り組みに焦点を当てたキャビンやエコリゾートなどのオフグリッド生活状況に最適。
いずれの場合でも、高効率なデジタルコンバータと堅牢なバッテリー管理の組み合わせにより、環境条件や負荷要件に関係なく、途切れのないサービスが実現します。
まとめ
このシステムは、ポータブルエネルギー技術における革新的な飛躍を表しており、高電力供給機能と高度なバッテリーマネジメント技術を組み合わせております。民生用電子機器から産業グレードのアプリケーションまで、様々なユースケースをサポートできるスケーラブルなモジュラーアーキテクチャに収容されています。 双方向デジタルコンバータや、バッテリー性能に関連するあらゆる側面を監視できるインテリジェントな残量管理ICなどの最先端技術を活用することで、どこに行ってもデバイスが常に電力供給され続けるという安心感が保証されます！ このソリューションとその他のルネサスのウィニングコンビネーションについては、 www.renesas/winをご覧ください。