エネルギー貯蔵システムの概要と現在の開発状況

世界的なカーボンニュートラル目標に後押しされ、大規模蓄電システムは新しい電力システムの重要な一部となりつつある。ピーク周波数調整用のグリッドレベルのエネルギー貯蔵から、産業用・商業用のピークカットや谷間充填エネルギー貯蔵、家庭用エネルギー貯蔵システムまで、リチウム電池エネルギー貯蔵技術は電力系統のあらゆる側面に完全に浸透しつつある。

業界のデータによると、世界のエネルギー貯蔵システムの設置容量は2024年に100GWhを超え、2030年には500GWh以上に達すると予想されている。この市場の急成長により、エネルギー貯蔵システムの安全性、信頼性、経済性に対する要求が高まっており、正確な電流検出はこれらの目標を達成するための重要な基盤となっている。

I. 蓄電システムのアーキテクチャと電流検出ポイント

1.1 システム・アーキテクチャ分析

大規模なエネルギー貯蔵システムは通常モジュール式で、並列接続された複数の電池クラスタから構成される。典型的なシステム・アーキテクチャは以下の通り：

• コアレイヤー：個々のセルを直列に接続してモジュールを形成する
• モジュール階層：複数のモジュールがバッテリーパックを構成している。
• バッテリーパックの階層：バッテリーパックは直列に接続され、クラスターを形成する。
• システム階層：PCS（電力貯蔵コンバーター）に並列接続された複数のバッテリー・クラスター

このアーキテクチャでは、電流検出は通常、以下の主要ノードに配置される：

• バッテリー・クラスター電流：各クラスターの充放電状態を監視し、SOC計算と均等化管理を行う。
• バス電流をシンクする：電力制御と保護のための全システム電流の監視
• PCS入出力電流：効率計算のためのコンバーター運転状態の監視

1.2 電流検出の技術的要件

エネルギー貯蔵システムには、電流検出に関して以下のような重要な要件がある：

高精度：精度は、SOC計算の精度と、計量・決済の公平性に直接影響する。グリッドレベルの蓄電システムは通常、0.2または0.5の電流検出精度を必要とする。

範囲が広い：エネルギー貯蔵システムは、スタンバイ、低電力充放電、フルパワー動作などのさまざまな動作条件下で、1:1000またはそれ以上の電流変動幅を持つ。電流検出ソリューションは、その全範囲にわたって優れた精度を維持する必要があります。

高い信頼性：エネルギー貯蔵プラントの設計寿命は通常15年から20年であり、電流検出素子は長期運転において安定した信頼性を持つ必要がある。

II.蓄電用BMSにおけるシャントの応用

2.1 シャント選択の考慮事項

エネルギー貯蔵システムでシャントを選択する際には、以下の要素を考慮する必要がある：

抵抗値の選択：シャント抵抗値の選択には、測定精度と消費電力のバランスが必要です。抵抗値が大きすぎると、消費電力が増加し、電圧降下が過剰になります。抵抗値が小さすぎると、出力信号が弱くなりすぎ、測定精度に影響します。エネルギー貯蔵システムの場合、典型的なシャント抵抗値は50μΩから200μΩの範囲である。

定格電流：シャントの定格電流は、過渡的な過負荷や異常な使用状況に対処するため、通常、システムの最大動作電流の1.2～1.5倍として十分なマージンを残しておく必要があります。

温度特性：エネルギー貯蔵システムの使用温度範囲は通常-20℃~+55℃である。シャントは低温ドリフト材料（高精度マンガン銅合金など）を選択し、TCRは±20ppm/℃以内に制御する必要があります。

2.2 ケルビン接続の4端子構造

高精度シャントは4端子（ケルビン）設計。2つの電流端子は高電流ループにアクセスするために使用され、2つの電圧端子は電圧信号をサンプリングするために使用されます。この設計により、電流経路が電圧測定経路から分離され、接触抵抗やリード抵抗による測定精度への影響が排除されます。

実際には、電圧サンプリングラインはシャントの電圧端子にできるだけ近づけるべきであり、電磁干渉を抑制するためにツイストペア配線を使用すべきである。シャントへの負荷影響を避けるため、サンプリング回路は高い入力インピーダンスを持つべきである。

2.3 熱設計

大電流シャントは動作中に大きな熱を発生します。100μΩ、500Aのシャントを例にとると、定格消費電力は25W。放熱が間に合わなければ、シャントの温度上昇を招き、測定精度に影響を与えるだけでなく、デバイスを損傷することさえある。

効果的な熱設計には以下が含まれる：

• 高出力シャントを選択する：十分な電力マージン
• 放熱用の銅製列：大断面銅列による熱伝達
• 強制空冷：必要に応じて、冷却を補助するファンを追加する
• 温度補正：ソフトウェア補正用NTCによるシャント温度モニタリング

III.高電圧絶縁とシグナル・コンディショニング

3.1 分離の要件

エネルギー貯蔵システムのDCバス電圧は通常600V~1500Vの範囲にあり、高電圧システムです。電流検出回路と制御システムの間には、作業員の安全と装置の正常な動作を確保するために、信頼性の高い電気的絶縁を実現する必要があります。

絶縁対策は通常、絶縁 ADC または絶縁アンプを使用して実現されます。絶縁レベルは関連する安全規格（IEC 62109 など）の要件を満たす必要があり、標準的な絶縁電圧は 3000Vrms 以上です。

3.2 信号調整回路

シャントの出力は、ミリボルトの範囲の小さな信号（典型的な値は50mV〜150mV）であり、ADCに入力する前に増幅され、フィルタリングされる必要がある：

• 計装アンプ：高精度、低ドリフトの計装アンプの選択、CMRR ≥ 100dB
• ローパスフィルタリング：高周波ノイズを抑制し、カットオフ周波数は通常サンプリング周波数の1/10に設定される。
• 過電圧保護：回路への過渡過電圧のダメージを防ぐため、TVSやその他の保護デバイスを増やす。

IV.EMC設計と干渉対策

4.1 蓄電システムのEMC環境

大規模蓄電システムの電磁環境は非常に複雑である。複数のPCSを並列運転すると、スイッチング周波数（通常は8～20kHz）によって発生する高周波高調波が、DCバスや寄生容量を介してBMS回路に伝導する。さらに、落雷や系統擾乱などの過渡擾乱も考慮すべき要因である。

4.2 干渉防止設計対策

電流検出の精度を確保するためには、複数の干渉対策が必要となる：

• シールド設計：シャントとシグナル・コンディショニング回路は金属シールドでシールドされている
• ディファレンシャル・トランスミッション：ツイストシールド線によるサンプリング信号の差動伝送
• 接地設計：グラウンド・ループを避けるため、健全なアース・システムを確立する。
• デジタル・フィルタリング：残留干渉を抑制するために、ソフトウェアにフィルタリングアルゴリズムが使用されている。

V. 代表的な応用例

5.1 100MWhグリッド規模エネルギー貯蔵プロジェクト

地方の送電網のための100MWhのエネルギー貯蔵発電所プロジェクトは、リン酸鉄リチウム電池技術ルートを使用している。このシステムは、並列接続された40のバッテリー・クラスターで構成され、それぞれの容量は2.5MWh、定格電流は800Aである。

このプロジェクトでは、電流検出方式に高精度マンガン銅シャントを採用し、24ビット・シグマ・デルタADCと組み合わせることで、0.2レベルの測定精度を実現している。シャントは100μΩ/1000A仕様が選択され、銅列による直接放熱設計となっている。このソリューションにより、全温度範囲におけるシステムの電流測定誤差は±0.2%以内に制御され、SOCの正確な計算とエネルギー計測・決済を効果的にサポートします。

5.2 商業・産業用エネルギー貯蔵システム

液冷式バッテリーパック設計の工業団地向け500kWh商業・産業用蓄電システム。システムの直流電圧は750V、定格電流は300A。

システムの比較的小さな容量と敏感なコストを考慮し、プロジェクトは経済的なシャント・ソリューションを採用している。シャント抵抗値は150μΩで、16ビットADCにより、測定精度は0.5レベルに達する。技術要求を満たす前提の下で、システムコストは効果的に制御される。

今後の開発動向

6.1 より高い精度と安定性

蓄電システムの容量が増加し、運用管理が洗練されるにつれて、電流検出精度に対する要求は向上し続けるだろう。新しい合金材料の研究開発と加工技術の向上により、分流精度は0.1レベル、あるいはそれ以上のレベルにまで高まるだろう。

6.2 インテリジェンスと統合

統合シャントモジュール（内蔵ADC、温度センサー、通信インターフェース）は、システム設計を簡素化し、信頼性を向上させるための重要なトレンドになる。同時に、AIベースの自己診断機能が徐々に導入され、シャントの健康状態の監視と予知保全を実現する。

6.3 標準化された開発

エネルギー貯蔵産業の標準化に伴い、電流検出に関する技術標準も改善される。これにより、製品仕様の統一が促進され、業界全体のコストが削減される。

結語

大規模蓄電システムの急速な発展により、電流検出技術に対する要求が高まっている。その高精度と高信頼性により、シャントはエネルギー貯蔵BMSにおいてかけがえのない役割を果たしている。合理的な選択と設計、完璧な絶縁対策と効果的なEMC保護により、シャント・ソリューションはエネルギー貯蔵システムの技術要件を十分に満たすことができます。

サフランは長い間エネルギー貯蔵産業に深く携わり、豊富なアプリケーション経験を蓄積してきました。お客様のニーズに合わせて、シャントの選定からシステムインテグレーションまで、総合的な技術サポートを提供いたします。