成果報告書詳細
管理番号20140000000548
タイトル平成25年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) ファンレス方式による完全防水・安全堅牢なポータブル蓄電システムの技術開発
公開日2014/10/29
報告書年度2013 - 2013
委託先名Mywayプラス株式会社
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成25年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) ファンレス方式による完全防水・安全堅牢なポータブル蓄電システムの技術開発

本開発では、SiCデバイスを使って超低発熱回路を開発し、冷却ファンのないポータブル蓄電システムを実現することを目的とする。災害時のバックアップ用途や節電のためのピークシフト用途として、ポータブル電源の需要が高まっているが、現行の電源装置は、家庭用電気機器を駆動する容量帯になると発熱量が大きく、冷却ファンを使った積極的な空冷を必要としている。そのため、雨天下での使用や粉塵のある場所での使用等、過酷な環境での電気使用は困難なものとなっていた。
電源を密閉型にするとこれらの課題が解決されるが、そのためには開口部を廃し、ファンに頼らずに放熱を行う必要がある。しかしながら、現在のパワー半導体及び変換回路では運転の際の熱損失が大きく実現が困難である。そこで、本事業では、電源装置をファンレスとすることを目的として、空冷を行わなくても十分な放熱が可能となるよう、電源内部の発熱を抑える設計に取り組んだ。中心となる開発項目を下記3点とし、以下の成果を得た。

(1)変換回路にSiCデバイスを採用し損失の少ない制御方式により変換効率を向上する
SiCデバイスを回路に採用し、仕様に応じた駆動制御を研究開発した。またリアクトルで発生する鉄損を抑えるべく、良好な特性を持つ磁性材料を選定し、回路配置の最適化を行った。これにより目標とする変換効率90%を概ね達成した(出力500W時92.8%、1000W時90.2%、1500W時87.4%)。

(2)基板及び筐体の放熱性向上に取り組み、強制空冷を要さない排熱を実現する
主な熱源となるSiCデバイス及びリアクトルについて、その冷却を基板への熱伝導のみで行えるよう、放熱設計に取り組んだ。また、基板から筐体への熱経路を見直し、筐体を通じた放熱量を増大させた。これにより、開口部を廃した密閉状態での連続運転を可能とした(外部温度20℃、1500W運転)。放熱に関する一部の開発成果については、特許出願を検討中である。

(3)電源としての基本性能を確保し、突入電流やノイズへの対応について、既存の電源と同等以上の性能を達成する
モータ製品の駆動に必要な突入電流に対応できる駆動力を持たせたほか、温度や負荷条件が変化しても問題なく電力を供給できるよう、制御機構を調整した。また、防水及び防塵性能を確保するため、筐体の密閉性を高め、防水防塵性能を定めた規格であるIP55を取得した。これにより、市場に流通する電源装置としての動的性能を確保した。
これらの開発成果を集約した試作機について、振動試験、ノイズ試験及び温度評価を行い、市場に投入する電源装置として基本性能を満たしていることを確認した。
このほか、ビジネスプランのブラッシュアップとして、構想段階から開発段階の各過程で複数のユーザーにヒアリングを行った。官公庁や企業に多数の意見を募り、電源スペックや安全性への要望などを多数収集した。これらを整理し、新たな機能の付加や回路方式の改善、開発優先度の見直しを行い、次期モデルの製品仕様を作成した。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program / New Energy Venture Business Technology Innovation Program (fuel cells and storage battery) / Technology development of completely waterproof by the fan-less method and full robust portable power storage system (FY2013) Final Report

The purpose of this development is to develop an extremely-lower heat generation circuit using a SiC device, to realize a portable power storage system without a cooling fan. The demand for portable power supplies is increasing as a backup application at the time of a disaster, or a peak shift application for power savings. However, since the calorific value of the current power supply unit becomes higher in the capacity range to drive household electronic appliances, efficient air cooling is required using a cooling fan. Therefore, it has been difficult to use electronics in harsh environments, such as using in rainy weather and dusty locations. Although the adoption of an enclosed type power supply can solve these issues, in order to realize this, it is necessary to remove the openings and dissipate the heat without relying on a fan. However, it is difficult to realize this with the current power semiconductors and conversion circuits, due to the high heat loss during operation. For this reason, for the purpose of developing a fanless power supply unit, a design to suppress the heat generation in a power supply was implemented in this project, so that a sufficient amount of heat can be dissipated without air cooling. The following three points were determined to be the main development items, and the following results could be acquired.
(1) Adopt a SiC device in a conversion circuit, to improve the conversion efficiency by a control method with less loss. A SiC device was adopted for the circuit, and research and development was conducted on the drive control according to the specification. Moreover, in order to suppress the core loss which occurs in the reactor, a magnetic material with excellent characteristics was selected to optimize the circuit layout. Accordingly, about 90% of the target conversion efficiency could be achieved (92.8% at 500W, 90.2% at 1000W, and 87.4% at 1500W outputs).
(2) Improve the heat dissipatability of the board and cabinet, to realize heat exhaustion without forced air cooling. Regarding the SiC device and reactor used as the main heat sources, a heat dissipation design was conducted so that the cooling could only be performed by heat conduction to the board. Also, the heat path from the board to the cabinet was improved to increase the amount of heat dissipation through the cabinet. Accordingly, continuous operation could be performed in the enclosed condition without openings (operating at an outer temperature of 20°C, 1500W). The filing of a patent application is being examined for the results of the portion of the development concerning the heat dissipation.
(3) Ensure the basic performance of the power supply and achieve a performance equal to or better than the existing power supplies for handling inrush currents and noise.
In addition to providing a driving force which can handle an inrush current required to drive motor powered products, the control mechanism was adjusted so that power could be supplied satisfactorily even if the temperature or load conditions change. Moreover, in order to ensure a waterproof and dustproof performance, the sealability of the cabinet was improved, and IP55 which is the standard that stipulates the waterproof and dustproof function was acquired. Thereby, the dynamic performance as a power supply unit to be distributed to the market could be ensured. Regarding the prototype built with these development results, we performed vibration tests, noise tests and temperature evaluations, and it was confirmed that the prototype satisfied the basic performance as a power supply unit to be supplied to the market.
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