家庭での電動モビリティ機器の充電安全性

米国のアンダーライターズラボラトリー（UL）認証は、電動スクーターや電動自転車の充電においてますます重要になっています。政府機関は、電動モビリティ機器の充電安全性を高めるために、UL認証製品の必要性を強調しています。UL認証とは何か、そしてなぜより安全なユーザー体験を創出する上で重要なのでしょうか？

UL認証

アンダーライターズラボラトリーは、米国の独立した組織で、さまざまな製品の安全基準を設定しています。これらの基準は、電気配線に使用される原材料から、水処理のようなプロセス、さらにはクリスマスライトのような最終製品に至るまで、広範な項目を網羅しています。

ULは政府機関ではなく、その基準を企業や産業に強制する権限はありません。しかし、これらの基準を策定するための厳格なテストのため、対象となる業界や製品にとってベストプラクティスと見なされています。たとえば、建築基準はしばしば関連するUL基準を参照します。最近では、ニューヨーク市議会が電動モビリティ充電器にUL基準を義務付けました。

もし製品が損害を引き起こした場合、企業は損害賠償を求めて訴えられる可能性があります。訴訟の過程で、企業は何が問題であったか、そしてなぜ自社製品が安全であると考えたのかを説明することができます。関連するUL基準に準拠した製品を製造することで、企業は安全な操作を決定するためのULの広範なテスト、研究、および実証済みの経験から恩恵を受けることができます。ULに準拠していない場合、企業の防御は自社の研究とテストのみに依存し、それは包括的ではなく、挑戦を受けやすくなります。

電動モビリティ機器の充電は難しいことがあります。

米国では、多くの電動スクーターのレンタル会社がギグワーカー（柔軟な勤務時間を持つ独立請負業者）を使ってスクーターを充電しています。ギグワーカーはアプリを使って充電が必要なスクーターを見つけ、それらを回収し、自宅で家庭用電源から充電し、充電が完了したら再び街に戻します。

多くの電動スクーターは、サービスに迅速に戻るために交換可能なバッテリーパックで設計されています。レンタル会社は、再充電されたスクーターを運用に戻すたびに支払いを行います。このモデルでは、通常、複数のスクーターが家庭環境で同時に充電されることになります。さらに、スクーターや電動自転車の個人所有者も、盗難防止のためにデバイスを屋内に持ち込むことがあります。オフストリート駐車場がある場合でも、内部の電源コンセントを使用し、外部に延長コードを伸ばすことがよくあります。

単一の電動自転車や電動スクーターを充電することは、配線やブレーカーが基準に適合し、適切な安全システムが使用されていれば、安全上の問題を引き起こすことはありません。電動スクーターは通常、20Aのコンセントから充電するよう設計されており、16Aの連続負荷に対応しています。この定格は、16Aの連続負荷に1.25の係数を掛けて20Aとすることで計算されます。UL準拠の充電器は、20Aの回路から16Aを連続して引き出すだけです。一方、UL認定されていない充電器は、より高い電流を引き出す可能性があり、複数の充電器が延長コードに接続されると、過負荷状態に陥ることが容易です。

過負荷のコンセントは、配線が損傷し、時間とともに劣化する原因となります。ケーブルや端子に高抵抗ノードが形成される可能性があり、火災のリスクが高まります。特に、複数の電動スクーターが同時に充電されている場合、特にスクーター会社のために複数のバッテリーを充電する人がいる場合は、多世帯住宅でのリスクがさらに高まります。

法的措置と消費者の安全性

米国では、消費者製品安全委員会（CPSC）が、消費者が安全問題やその解決策に精通していないことを認識し、すべての小売業者、輸入業者、およびディストリビューターに対して、電動モビリティ機器のUL安全基準に従うことを義務付けています。ニューヨーク市議会もこれに倣い、すべての電動自転車、電動スクーター、個人用モビリティ機器がULまたは他の全国的に認められた実験室で認証されることを義務付ける法律を可決しました。ニューヨークの多く のアパートメントビル、特に公営住宅では、住民にUL認証の充電器のみを使用するよう求めています。これらの立法措置により、電動モビリティ機器の製造業者は、広告やウェブサイトでUL認証を目立つように表示することで、消費者にUL安全基準について教育するようになりました。

過負荷のバッテリーは、バッテリー式電動車両（BEV）アプリケーションでの火災の主な原因です。2024年5月のUL基準およびエンゲージメント報告によると、約50%の電動モビリティ機器所有者が、自分のバッテリーがリチウムイオン電池であることを知らないとされています。リチウムイオン電池は30年間使用されており、科学および工学のコミュニティによってその挙動が十分に理解されていますが、一般の人々はそれを安全に使用する方法についてはあまり教育されていません。この知識の欠如が、火災リスクを増大させる行動につながっています。同じ報告では、49%の電動モビリティ所有者が、自宅の火災出口を塞ぐ形でデバイスを充電していると指摘しています。ユーザーはまた、バッテリーが完全に充電された後も充電器に接続したままにしたり、複数の充電器を一箇所にまとめて充電したり、夜間に充電したり、充電中に放置するなど、すべてがバッテリー火災のリスクを高める行為を習慣的に行っています。

UL基準は安全な環境の構築に貢献します。

ULには、リチウムイオン電池の安全性に関する80以上の基準があり、そのうち3つは電動自転車や電動モビリティ機器のリチウムイオン電池に直接関連しています：UL2271、UL2272、UL2849。これらの基準は、重要な機能や操作条件の範囲に対する規則を制定することで、熱過負荷による火災のリスクを減らすのに役立ちます。

• UL2271：この基準は、軽電動車両（LEV）のバッテリーパックの設計、構造、試験に関する要件を定めています。これには、過充電、過放電、短絡、不均衡充電、および定義された最高温度での安全操作に耐えられるようにするための電気的、機械的、および環境的試験が含まれます。試験結果として、バッテリーは爆発、火災、破裂、電撃の危険を引き起こさず、または保護機能を失うことはありません。保護回路は、電源が失われた場合でも機能し続ける冗長機能を備えている必要があります。これは、LEVに最初にインストールされたバッテリーだけでなく、アフターマーケットバッテリーにも適用されます。

• UL2272：この基準は、個人用電動モビリティ機器の電気システム全体の安全性に焦点を当てています。デバイス全体の設計、構造、試験に関する基準を設定し、電気的および火災の危険に対する安全性、耐久性、および安定性についてデバイスを試験します。電気的試験は、UL2271における試験と類似していますが、バッテリーだけでなくシステム全体に適用されます。

• UL2849：この基準は、電動自転車の電気システムに特化したものです。バッテリーパックおよびシステム全体を対象とし、他の電動モビリティ機器で経験される同じ範囲の安全問題に対処しています。この基準はアフターマーケットコンポーネントを対象としていないため、UL2271は消費者の安全を確保する上でも重要です。

UL 2849はバッテリーだけでなく、安全性を確保するための全体的な電気システムアプローチを重視しています：

バッテリーセル

• 電気的または環境的な感受性
• 機械的な完全性

バッテリーパック

• 火災の拡散防止
• バッテリーマネジメントシステムの機能安全性

電動モーター

• 材料および電気的安全性
• 制御システムの機能安全性

バッテリー充電器

• 感電や火災の危険がない
• 家庭の電力要件に適合

電動自転車

• バッテリー限界内での充電と放電
• バッテリー限界内での温度
• 用途や環境からの不利な条件に対する感受性
• ホストまたは充電器のエラー時に充電を中断

Power Integrationsは、UL充電基準を満たす設計をサポートします。

Power Integrationsは、電動スクーターや電動自転車の充電に適した高集積、高電圧のオフライン電源変換ICを提供しています。設計例DER-930は、180W、20V、9Aの電源で、Power Integrationsの3つの製品、 InnoSwitch™4-CZ PowiGaN™ INN4177-H189、ClampZero™ CPZ1076M、およびHiperPFS™-5 PFS5177Fを使用しています。

この設計は、満載時に最大95%の効率を提供し、熱としての電力損失を削減し、ソリューションをより冷却し、コンパクトに保ちます。これらは、電動モビリティソリューションの重要な特徴です。安全機能には、過電圧保護、過電流保護、および統合された熱保護が含まれています。これらの機能は、電動モビリティ設計におけるUL基準を満たすために重要です。

過温保護

熱保護により、充電器は温度の上昇を検出し、火災などの熱イベントを防ぐための対策を講じることができます。熱シャットダウン回路は、プライマリースイッチのダイ温度を感知し、過温状態が検出された場合にスイッチングを中断します。大きな熱ヒステリシスにより、スイッチが再有効化される前に充電器が安全な温度に戻ることが保証されます。ヒステリシス回復やラッチオフ（AC電源の手動サイクルを必要とする）など、さまざまな温度応答が可能です。ヒステリシス応答では、温度が2つ目の低いしきい値を下回るまでスイッチの再起動が防止されます。ラッチオフ応答では、AC主電源供給をサイクルすることにより、BP制御ピンを別のしきい値以下に下げてプライマリ側を有効にする必要があります。

過電圧、欠電圧および過電流保護

出力電圧保護は、主トランスのバイアス巻線を使用して、InnoSwitch4-CZ ICのプライマリバイパスピンに電流を駆動します。バイアス巻線から生成される電圧は、電源の出力電圧を追跡します。バイアス巻線出力とプライマリバイパスピンとの間に接続されたツェナーダイオードは、確実に二次過電圧障害を検出し、選択された障害応答タイプに応じてプライマリ側コントローラをラッチオフまたは自動再起動にさせることができます。

InnoSwitch4-CZは、ISENSE（IS）ピンとセカンダリグラウンド（GND）ピンの間の外部電流検知抵抗を介して出力電流を調整します。この抵抗で発生する電圧は、内部リファレンスISV（TH）（約35mV）と比較されます。

過電圧および過電流保護により、充電器は希望する範囲外の動作条件を安全に管理し、バッテリーと電力変換ステージの両方を保護します。これらの安全機能をデバイスに組み込むことで、Power Integrationsは設計者が迅速に堅牢で安全なソリューションを作成できるよう支援し、市場投入までの時間を短縮し、UL安全基準を満たすタスクを容易にします。

結論

ULのような独立した企業が作成した安全基準は、安全で信頼性の高い製品を作成するための重要なツールです。これらの基準は、消費者を保護するだけでなく、製造業者が強力な市場評判を築き、全体の市場水準を引き上げるのを支援します。Power Integrationsのような企業は、安全機能を統合したソリューションを設計し、設計コミュニティが設計を進化させるのを支援し、発展する市場のニーズに対応し、最終的には消費者の安全を確保します。