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EV充電器から電力網アセットまで：Enphaseとともに柔軟なエネルギー源を開発
電力需要が急増しています。街を走るEVの数は急速に増えています。データ・センターも猛烈な勢いで増えており、2030年までに電力需要が2倍以上に達すると予測されています¹。同時に、再生可能エネルギーの供給元は分散化が進み、柔軟性が増しています。今日の問題は、電力網のひっ迫だけではありません。現在のエネルギーの生産方法と消費方法が、根本的にかみ合っていないのです。
Enphase Energyは20年以上にわたり、電力管理テクノロジの分野で最先端を走ってきました。Enphaseは全世界に500万台以上のマイクロインバータ・ベース・システムを展開し、これまで107テラワット時間のクリーン電力を供給してきました²。これは一般家庭1,500万軒近くの1年分の需要をまかなえる電力です。
Enphaseの次のステップは、こうしたクリーン電力を電力網の大規模なニーズに動的に対応しながら供給できるようにする、インテリジェント・コーディネーションです。このビジョンでは、住宅が発電所になります。つまり住宅が柔軟性に優れたコネクテッド・アセットとなり、電力網の負荷を高めるのではなく、電力網の安定性を支える存在となります。
Enphaseはこの移行を可能にするために、NXPとパートナーシップを結び、次世代のグリッド・インタラクティブ・システムを実現するためのセキュアなリアルタイム制御基盤を開発しています。その最初の成果が、双方向型のEV充電器です。
課題：スケール、セキュリティ、スピード
Enphaseは新製品のIQ Bidirectional EV Chargerで、受動的な負荷だったEVを電力網に積極的に参加する存在に変えようとしています。この構想では、停電時には自動車バッテリーから住宅に電力を供給し、電力需要のピーク時には電力を電力網に送り返し、電力網からの信号にリアルタイムかつ動的に応答できるようにします。これにより住宅の所有者は電気料金を節約することができます。
大きな枠組みで機能する双方向充電器の開発には、システム・レベルのエンジニアリングの問題が立ちはだかりました。この充電器は、ベンダーを問わない車両内通信を実現するためのISO 15118-2およびISO 15118-2–20プロトコルをサポートする必要がありました。また、高電圧DC電源を安全に管理しながら太陽光発電や家庭用蓄電池と同期し、さらにオーケストレーションやOTA (Over-The-Air) アップデートのためのセキュアなクラウド接続を維持する必要もありました。
数百万世帯に導入できるようにするためには、インフラストラクチャ・レベルの要件も達成する必要がありました。電力会社がEVバッテリーの集合体を利用してギガワット・レベルの電力を柔軟に提供する場合、通信を認証して暗号化し、ファームウェアの完全性を確保し、制御経路をすべての条件下でセキュアに保つ必要があります。
安全性と耐久性に優れたシステムで高く評価されている企業にとって、信頼はすべての基盤でした。このプラットフォームは技術的な要件を達成するだけでなく、標準に準拠し、セキュリティを確保して、できるだけ早く生産を開始できるようにする必要がありました。
「当社のビジョンは、人々が自分でクリーン・エネルギーを作り出し、利用し、共有できるようにすることで、すべての人にとって持続可能な未来を推進することです。当社はインテリジェントなシステム・レベル・テクノロジと設計ノウハウを提供しているNXPを主要パートナーに迎え、優れた信頼性、柔軟性、レジリエンスを備えたエネルギー・ソリューションを構築し、人々に電力を供給してまいります」
Enphaseが求めていたのは、単なる半導体製造メーカーではありません。すべてのレイヤで高い信頼性を確保しつつ、製品を早期に市場投入できるシステム・レベル・パートナーを必要としていました。それに該当したのが、NXPでした。
ソリューション：信頼性の高いインテリジェント・システム
EnphaseとNXPは研究開発の初期段階からコラボレーションを開始し、完結したシステム・ソリューションとしてのIQ Bidirectional EV Chargerの開発に取り組みました。NXPは設計を支援し、i.MX 93アプリケーション・プロセッサを中心とする包括的なEVSEリファレンス・プラットフォームを提供しました。このソリューションは、リアルタイムの双方向通信と複雑なオーケストレーションに求められるコンピューティング性能と電力効率を実現しました。
Enphaseが採用したNXPの検証済みプラットフォームでは、Wi-Fi®、Bluetooth® Low Energy、NFC認証、USB接続、パワー・マネジメント、リアルタイム制御が1つの統合アーキテクチャとして集約されています。
システムの内訳
| カテゴリ | 製品 | 説明 |
|---|---|---|
| プロセッシングと時間管理 | i.MX 93 | Arm®Cortex®-A55コア、統合エッジAIアクセラレーション、ディスプレイ、インターフェース・コントローラ（CAN、イーサネット、USBなど）を搭載した、インダストリアル・グレードのアプリケーション・プロセッサ |
| PCA2131 | 信頼性の高い時間管理を実現する、車載グレードの超低消費電力RTC | |
| パワー・マネジメント | PCA9452 | 複数の降圧コンバータを搭載し、動的電圧制御 (DVS)、立上がり/立下り時間のプログラム機能、リモート・センシング、IR降下補償に対応した、i.MX 8/9シリーズ・プロセッサ向けに最適化された電源ソリューション |
| セキュリティ | SE051 | IoTデバイス向けのハードウェア・ベースの信頼の基点、セキュア・オーセンティケータ、キー管理 |
| コネクティビティ | 88W9098 | インテリジェント・エッジ・デバイス向けの高性能トライラジオ・ワイヤレス・ソリューション |
| PN7160 | 非接触の通信と認証に対応する統合NFCコントローラ | |
| PTN5150 | デバイス・ロールの検出とケーブルの向きのためのUSB-C構成チャネル・コントローラ |
NXPエンジニアリング・サービスは開発の全工程でEnphaseの研究開発部門を直接的に支援し、設計の適合性を確保して量産に進むためのサポートを行いました。このコラボレーションにより、電力網に接続されるインフラストラクチャに求められる厳しい基準を達成しながら、概念設計から導入までをスピーディに進めることができました。
結果：エネルギー・エコシステム全体に価値をもたらす
IQ Bidirectional EV Chargerは、エコシステム全体に相当の価値をもたらすと期待されています。
住宅所有者にとっては、停電発生時のバックアップ電源が得られ、電力コストが最適化され、電力網サービスを通じて新しい収益源が生み出されることになります。電力会社にとっては、EVバッテリーの集合体によってピーク需要時に柔軟に呼び出せる電力容量が得られます。これによって、新しい発電所を建設しなくてもギガワット級の電力が得られる可能性があります。
Enphaseにとっては、この充電器によって同社のプラットフォームにVehicle-to-Everything (V2X) 機能が追加されることになります。NXPにとっては、このコラボレーションを通じて電力＆エネルギー分野に車載グレードの性能と信頼性をもたらし、セキュア・エッジ・コンピューティング分野でのシステム・レベルの技術力を披露することができました。
このテクノロジによって、電力網レベルの柔軟な電力をわずか数か月間で提供することができます。これは、従来型の電力インフラストラクチャの構築に必要な期間の数分の一です。
「双方向充電は複雑です。車両、充電器、住宅、クラウドの間で行われる通信を調整しなければなりません。またこのシステムを大規模かつ安全に運用するには、適切な処理能力と適切なレベルのセキュリティが必要です。完結したシステム・ソリューションを共同開発することで、市場投入までの期間を短縮しながら、電力会社が信頼できるプラットフォームを構築することができました」
次の展開：電力網の未来を切り開く
IQ Bidirectional EV Chargerは、始まりに過ぎません。EnphaseとNXPは、将来のエネルギー・ゲートウェイから先進的なバッテリー・マネジメントまで、次世代型グリッド・インタラクティブ・システムに関連するコラボレーションを引き続き模索していきます。目標は、このセキュアかつインテリジェントな制御を実現する基盤技術を分散型エネルギー・エコシステム全体に拡張することです。
電力網は変わりつつあります。エネルギーの未来は変えられます。そして、それはコラボレーションによって構築されます。
Enphase Energyについて
カリフォルニア州フリーモントに拠点を置くグローバルなエネルギー技術企業であるEnphase Energyは、マイクロインバーター・ベースの太陽光発電および蓄電システム、EVチャージャ、ホーム・エネルギー管理システム、仮想発電所（Virtual Power Plant：VPP）ソリューションの大手サプライヤです。Enphaseの製品を使用すると、ユーザーが太陽エネルギーを利用して独自の電力を生成、使用、保存、販売することが可能になり、それらすべてをEnphaseのアプリを通じて制御できます。同社はマイクロインバーター・ベースの技術でソーラー業界に革命をもたらしており、これまでに約8,480万台のマイクロインバーターを出荷し、160か国以上で500万台を超えるEnphaseベースのシステムを導入しています。
Enphaseの詳細はこちらAuthor
Alex Dopplinger
Alexandra Dopplinger, P.Eng., is the Senior Director, Power and Energy + Data Center, with more than 25 years of experience in the semiconductor industry, 10 years in telecom, and a patent for a redundant network solution. Her B.Eng. Electrical Engineering, from Memorial University of Newfoundland (Canada), has led to roles ranging from hardware and system design, product management and marketing. Today, she leverages her extensive knowledge of industrial automation and control technology to grow NXP's industrial business.