水素交通の可能性 - FCEVシステム全体の電磁両立性設計：コンポーネント間の干渉抑制と規格対応

FCEVシステム全体の電磁両立性設計：コンポーネント間の干渉抑制と規格対応

Tags: FCEV, EMC, 電磁両立性, パワーエレクトロニクス, システム設計

はじめに：FCEVにおけるEMC設計の重要性

燃料電池自動車（FCEV）は、燃料電池スタック、パワーコンディショナー（DC-DCコンバーター、インバーター）、高電圧バッテリー、モーター、および各種補機類を含む複雑なシステムで構成されています。これらの電動パワートレインコンポーネントは、高性能化と高効率化のためにスイッチング周波数の高速化や大電流の取り扱いが不可避であり、電磁干渉（EMI: Electromagnetic Interference）の発生源となり得ます。

FCEVシステムにおいて、発生したEMIが他のコンポーネントや外部システム（無線通信など）に悪影響を及ぼさないようにするためには、電磁両立性（EMC: Electromagnetic Compatibility）の確保が極めて重要です。EMC設計は、システムの機能安全性の確保、信頼性の向上、そして車両が満たすべき各種規格（車載規格、無線規格など）への適合に不可欠な技術領域です。特に、燃料電池システム特有のノイズ発生源や、水素関連機器へのEMIの影響は、従来のバッテリーEV（BEV）とは異なる設計課題を提示します。

本稿では、FCEVシステムにおける主要なEMI発生源、電磁干渉のメカニズム、EMC設計における特有の課題、そしてそれらに対する技術的な対策アプローチについて詳細に解説します。研究開発エンジニアの皆様が、FCEVシステムの高性能化と信頼性向上に向けたEMC設計に取り組む上での一助となれば幸いです。

FCEVにおける主要なEMI発生源と干渉メカニズム

FCEVシステムにおける主要なEMI発生源は以下の通りです。

パワーコンディショナー（DC-DCコンバーター、インバーター）： 最も支配的なEMI発生源の一つです。高周波・高電圧・大電流のスイッチング動作は、急峻な電圧・電流変化（di/dt, dv/dt）を伴い、広帯域のノイズを発生させます。特に、DC-DCコンバーターは燃料電池の低電圧を高電圧に昇圧する役割を担い、その高効率化のために高周波スイッチングが用いられます。インバーターはモーター駆動のためにDCを高周波ACに変換し、これも大きなEMI源となります。
燃料電池スタック: スタック自体は大きなスイッチングノイズを発生させませんが、DC-DCコンバーターからの入力電流リップルや、補機類（コンプレッサーなど）の駆動による電流変動が、スタック内部のインピーダンスを通して電圧変動として現れ、EMIとして伝搬する可能性があります。また、燃料電池の起動・停止時や負荷変動時の過渡応答もノイズ源となり得ます。
モーター制御システム: モーター駆動用インバーターからのスイッチングノイズに加え、モーター自体やセンサー信号線などもEMIの影響を受けやすく、また自身もノイズ源となり得ます。
高電圧・大電流配線: パワーラインは、発生したノイズをシステム全体に伝搬させる主要なパスとなります。不適切な配線設計は、ループ面積の増加やインピーダンス整合の不一致を引き起こし、伝導性・放射性EMIを増大させます。
補機類: エアコンプレッサー、水素循環ポンプ、ラジエーターファンなどの高圧補機類は、スイッチング電源やモータードライバーを内蔵しており、それぞれがEMI発生源となります。
低電圧制御システム: 車載ネットワーク（CAN, LIN, Ethernet）、各種センサー、ECUなども、スイッチングノイズを発生させたり、外部からのEMIに弱かったりするため、システム全体のEMC設計において考慮が必要です。特に、燃料電池システムの状態を監視するセンサー（圧力、温度、ガス濃度など）の信号線は、微弱信号を扱うためEMIに非常に敏感です。

これらの発生源から放出されたEMIは、伝導性（Conducted Emission）と放射性（Radiated Emission）の二つの形態で伝搬し、他のコンポーネントに干渉します。伝導性干渉は主に電源ラインや信号線を介して伝わり、放射性干渉は電磁波として空間を伝わります。これらの干渉は、容量性結合、誘導性結合、放射性結合といったメカニズムによって引き起こされます。

FCEVシステムにおけるEMC設計の課題

FCEVシステム特有のEMC設計における主要な課題は以下の点が挙げられます。

高電圧・大電流環境でのノイズ抑制: 燃料電池からの出力は比較的低電圧ですが、これを昇圧するDC-DCコンバーターは高電圧・大電流を取り扱います。また、モーター駆動には数百ボルトの高電圧が必要です。このような環境下では、ノイズレベルが大きくなりやすく、効果的なノイズ抑制がより困難になります。
水素関連機器と安全性: 水素センサー、バルブ、圧力調整器、配管などは、水素の漏洩検知や供給制御といった安全に関わる重要な機能を担います。これらの機器やその制御信号線がEMIによって誤動作したり、性能が劣化したりすることは許容できません。特に、本質安全防爆の観点からも、電気信号の設計には細心の注意が必要です。
複雑なシステム構成要素間の干渉: 燃料電池スタック、パワーコンディショナー、高電圧バッテリー、モーター、補機類、制御ECUなど、多様なコンポーネントが狭い空間に配置され、複雑に配線されています。これらのコンポーネント間でのEMIの相互干渉を予測・抑制することは、システム全体のEMC設計を複雑にします。
軽量化とシールド材のトレードオフ: 車両全体の効率向上や航続距離延伸のためには軽量化が不可欠ですが、効果的なEMIシールドには金属材料などが用いられることが多く、重量増加に繋がる可能性があります。軽量化要求とEMC性能の最適なバランスを見出すことが課題となります。
多様なEMC規格への適合: 自動車メーカーは、車両全体のEMC性能について厳格な社内規格および国際規格（例: CISPR 25, ISO 11452シリーズ, ECE R10など）への適合が求められます。さらに、無線通信機能（V2X, Wi-Fi, Bluetooth, 5Gなど）との共存や、外部からの電磁波に対する耐性（EMS: Electromagnetic Susceptibility）の確保も必要です。
熱マネジメントとの連携: 高周波スイッチングを行うパワーエレクトロニクス部品は発熱量も大きいため、熱設計も重要です。冷却構造や放熱経路の設計は、EMC性能（特にシールド効果や配線の取り回し）にも影響を与えるため、熱設計とEMC設計を連携させて進める必要があります。

FCEVシステムにおける技術的なEMC対策アプローチ

FCEVシステムにおけるEMC対策は、主に「発生源対策」「伝搬パス対策」「受信側対策」の3つの観点から行われます。

1. 発生源対策

スイッチング波形の最適化: パワー半導体のスイッチング速度（di/dt, dv/dt）を適切に制御することで、高調波成分の発生を抑制します。ソフトスイッチング技術（ZVS: Zero Voltage Switching, ZCS: Zero Current Switchingなど）は、スイッチング損失低減と同時にEMI低減にも寄与します。
PWMキャリア周波数の最適化/ランダムPWM: PWM（Pulse Width Modulation）のキャリア周波数を適切に選定することで、特定の周波数帯域へのEMI集中を避けることができます。また、ランダムPWMはノイズエネルギーを広帯域に拡散させ、特定の周波数でのピーク値を低減する効果があります。
ノイズフィルタリング: 電源ラインや信号線にEMIフィルター（コモンモードチョークコイル、コンデンサーなど）を挿入し、不要なノイズ成分を除去します。フィルタ部品の選定や配置は、対象とするノイズ周波数帯域やインピーダンス特性に合わせて最適化する必要があります。
低EMI特性部品の選定: 可能であれば、スイッチング特性が良好で、パッケージからの放射が少ないパワー半導体や、ノイズ発生が少ない制御ICを選定します。

2. 伝搬パス対策

シールド設計: EMI発生源となるコンポーネント（例: パワーコンディショナー筐体）やノイズに弱い信号線（例: センサー信号線）を、導体や磁性体で覆うことで、電磁波の放出・侵入を防ぎます。筐体シールド、ケーブルシールド、コネクターシールドなどがあります。シールド材の選定（導電率、透磁率）、シールドの連続性、およびグランドへの接続（グランディング）が重要です。
グランディング設計: グランドは電気的な基準点であり、EMI対策において極めて重要です。不適切なグランディングはコモンモードノイズを増大させたり、グランドループを形成して誘導ノ渉を引き起こしたりします。一点接地、多点接地、混合接地など、システムの特性に応じた最適なグランディング方式を選択し、低インピーダンスで確実な接続を設計します。
配線設計: パワーラインと信号線の分離、高周波電流が流れる配線のループ面積最小化、ツイストペアケーブルの使用（差動ノイズ抑制）、適切な配線ルート選定などが効果的です。高電圧配線と低電圧信号線のクロストークを避けるために、十分な物理的距離を確保したり、シールドで隔離したりします。
吸収材の活用: 特定の周波数帯域の電磁波エネルギーを熱に変換する吸収材（フェライトシートなど）を、EMIの強い場所やノイズに弱い部品の近くに配置することで、放射性干渉を抑制する効果があります。

3. 受信側対策

ノイズ耐性の高いコンポーネント選定: 制御ICやセンサーなど、外部からのEMIに対して高い耐性（EMS性能）を持つ部品を選定します。
信号処理によるノイズ除去: アナログフィルターやデジタルフィルター、エラー訂正コードなどを活用し、受信した信号からノイズ成分を除去または補償します。

システムレベルでのEMC設計とシミュレーション

FCEVシステム全体のEMC性能を最適化するためには、個々のコンポーネント単体の対策だけでなく、システム全体の視点での設計が必要です。

コンポーネント配置の最適化: EMI発生源とノイズに弱いコンポーネントを離して配置したり、相互の向きを調整したりすることで、電磁結合を最小限に抑えます。
電磁界シミュレーション: 有限要素法（FEM）、モーメント法（MoM）、FDTD法（Finite-Difference Time-Domain）などの電磁界シミュレーションツールを活用し、設計段階でコンポーネント配置、配線、シールド、グランディングなどのEMC特性を評価・予測します。特に、複雑な形状の筐体シールド効果や、複数コンポーネント間の電磁結合解析にはシミュレーションが有効です。
仮想プロトタイピング: システムのデジタルモデル上でEMCシミュレーションを行い、様々な設計変更の影響を評価することで、物理的な試作回数を削減し、開発期間とコストを削減します。
実機評価との連携: シミュレーション結果は、実際のEMC試験（伝導性/放射性エミッション、イミュニティ試験など）で得られた測定データと比較検証することで、シミュレーションモデルの精度を高め、設計の妥当性を確認します。実測データから得られる知見をシミュレーションモデルにフィードバックし、設計を改善するサイクルが重要です。

今後の展望と課題

FCEV技術の進化に伴い、EMC設計も新たな課題に直面しています。

高周波スイッチングと新たなパワーデバイス: SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）といった次世代パワー半導体は、従来のSi（シリコン）デバイスに比べて高速スイッチングが可能であり、システム効率向上に貢献します。しかし、スイッチング速度の向上は、より高周波のノイズを発生させるため、新たなノイズ抑制技術や高周波対応のEMC対策が必要となります。
ワイヤレス給電技術とのEMC共存: FCEVがワイヤレス給電に対応する場合、MHz帯の高い電磁界が発生します。この電磁界が車両内の電子機器に干渉したり、逆に車両内のEMIがワイヤレス給電システムに影響を与えたりする可能性があり、相互のEMC共存設計が課題となります。
AI/機械学習の活用: 大量のEMC測定データやシミュレーション結果をAIや機械学習で解析することで、最適なEMC対策の自動提案や、設計段階でのEMCリスク予測といった応用が期待されます。

結論

FCEVシステムの高性能化、高信頼性化、そして安全性の確保には、EMC設計が不可欠です。燃料電池システム特有の課題を理解し、パワーエレクトロニクス、システムインテグレーション、材料科学、シミュレーション技術など、多岐にわたる専門知識を結集して取り組む必要があります。

発生源対策、伝搬パス対策、受信側対策といった基本的なアプローチに加え、システムレベルでの統合的な設計、高精度な電磁界シミュレーションの活用、そして実機評価との連携を通じて、複雑なFCEVシステムのEMC課題を克服することが求められます。SiC/GaNデバイスの導入やワイヤレス給電といった新たな技術動向にも対応しながら、FCEVシステムのEMC性能を追求していくことが、将来の水素交通社会の実現に向けた重要な研究開発テーマとなります。