蓄電池用PCSは1日に数十回の充放電切替を行い、電流が繰り返しゼロクロスする。なぜこの測定点がセンサーの「ゼロ戻り」性能を最も問うのか？

蓄電池用PCSは1日に数十回の充放電切替を行い、電流が繰り返しゼロクロスする。なぜこの測定点がセンサーの「ゼロ戻り」性能を最も問うのか？

太陽光発電インバータの直流入力側では、モジュール電流は通常、決まった方向に流れ、大きさは日射に応じて変動するが、方向が何度も反転することはない（交流側が周期に応じて交番するのは、系統周波数における正常な転流である）。蓄電池用PCSは異なる。電池と系統の間に接続され、四象限で動作する双方向装置である。谷埋め・充電時には交流を直流に整流し、ピークカット・送電時には直流を交流に逆変換する。ピークシフトや周波数調整のような頻繁な調整を行う用途では、1日に何度も充放電電力の切替が発生し得る。

電力方向が切り替わるたびに、電池側の直流電流は一方向からゼロまで減少し、さらに逆方向へ増大するため、ゼロ点を繰り返し通過する。指令が小さい場合、待機・電力保持時、電池が満充電・放電終止に近い場合には、回路が長時間にわたって非常に小さい電流にとどまることもある。電流測定点にとって、ゼロクロス付近と小電流の区間は、まさに誤差が最も顕在化しやすい区間である。

[図：蓄電池直流側 → 直流母線 → PCS 双方向電力変換 → 交流側 → 系統。電流センサー測定点は電流方向の変化とゼロ点付近の測定に注目]

一、ゼロ点に近づくほど、固定オフセットの相対影響が大きくなる

まず、センサーがゼロ付近でどのように誤るかを理解する必要がある。データシートにはしばしば「定格点精度±0.数%」と記載されるが、この割合はフルスケール定格電流に対するもので、大電流領域の相対誤差を表している。しかしゼロ点付近で実際に効いてくるのは別の種類の誤差、すなわちオフセットである。被測定電流がすでにゼロであっても、出力はゼロにとどまらず、ある非ゼロ値に固定されてしまう。

この固定バイアスの厄介な点は、電流が小さくなっても小さくならないことである。1000A定格の測定点を想定し、ゼロ点に数A相当のオフセットがあるとする。900Aを測定するときにはその影響はわずか千分の数程度だが、実際の電流が10A、5Aまで低下すると、この数Aのオフセットが数十%を占め、読値の方向すら逆に引っ張られる可能性がある。電流がゼロに近づき、制御アルゴリズムがフィードバックに基づいて方向判定、電力調整、零電流制御を行う場合、この誤差は制御精度に影響し得る。それがさらに指令の振動や系統連系電力のゼロ点付近での変動を引き起こすかどうかは、制御戦略、フィルタ、デッドバンド、システムの動特性にも依存し、センサーのオフセットだけで結論づけることはできない。しかし測定点がゼロ点でどれだけ確定的であるかは、制御がクリーンに動作するための前提であることは明らかだ。さらに難しいのは、オフセットが一定ではないことだ。温度ドリフトにより、盤内の夏冬の温度差やパワーデバイスの発熱によってゼロ点は徐々に移動し、コントローラが固定パラメータで完全に校正することは難しい。

[図：電流ゼロクロス曲線。凡例：時間_s、理想電流_A、測定電流_示意_A（固定+3A偏移）、偏移量_A]

二、満載充電後に放電し切ると、磁心が「直前の方向」を覚えてしまうことがある

磁心を用いる開ループホールセンサーでは、ゼロクロス性能が磁心や残留磁気の影響を受けることがある。磁心の磁化状態はそれまでに受けた磁界に依存するため、同じ一次電流でも磁化履歴が異なれば異なる測定偏差に対応し得る。開ループ方式では、磁心によって一次電流が生じる磁界をホール素子に集めるが、強磁性材料の磁化は単一値の直線ではない。磁界が正方向から増大する場合と負方向から戻る場合では同じ経路を通らず、両者はゼロ点付近で幅をもって分かれる。これがヒステリシスループである。その直接的な結果が残留磁気である。電池が満載近い電流で長時間充電された直後、磁心は強い一方向磁化を受ける。この状態で静置または直ちに逆方向放電へ切り替えると、電流はゼロに戻り、あるいは逆方向になっても、磁心内には元の方向に沿った磁化の一部が十分に消えずに残ることがある。するとセンサーは「直前の方向」を覚えており、ゼロ電流時に元の方向へ偏った値を出力する。次に逆方向から来た場合には、残留が反対側へ偏る。正方向と逆方向でゼロへ戻る経路が一致しないため、ゼロ点は履歴によって変化する方向性のある区間となり、確定した点ではなくなる。常に一方向で動作する機器ではヒステリシスの影響は限定的だが、満載充放電を頻繁に切り替える蓄電池PCSでは、この「記憶」が繰り返し引き起こされる。

三、閉ループゼロ磁束は、この「記憶」をどのように抑え込むのか

閉ループ（補償式）ホールは別の道を取る。信号を取るホール素子に加えて、磁心に補償コイルを巻く。ホール素子が磁心内の磁束を検出すると、回路は直ちに補償コイルに逆方向磁界を発生させ、一次電流によって形成される磁束を打ち消し、磁心をできるだけゼロ磁束に近い状態で動作させる。一次電流が大きいほど、補償電流は巻数比に応じて同期して増大する。開ループ方式と比較して、これは磁心の非線形性やヒステリシスによる結果への影響を低減するのに役立つ。ただし閉ループだからといってゼロ点誤差が完全になくなるわけではなく、オフセット、温度ドリフト、磁気オフセット、回路自体の誤差は依然として存在し、それぞれ評価する必要がある。芯森CM4A1000H00はまさにこの構造を採用している。

蓄電池PCSにとって重要なのは、センサーが理論上「絶対にゼロへ戻れる」かどうかではなく、正逆方向の切替、温度変化、定格電流の印加後に、再現性があり予測可能なゼロ点挙動を維持できるかどうかである。ゼロに直接関係するいくつかの指標は、まさにこの問いに答えるためのものである。

四、過負荷レンジを余裕をもって確保したいなら、出力信号側で妥協が必要

CM4Aの仕様書（25°C、±24V電源、測定抵抗20Ω）を基準とすると、二次側は電流出力で、理論感度は0.2mA/Aである。ゼロに関係するいくつかの指標は、それぞれ異なる誤差要因に対応している。25°Cでのオフセット電流±0.2mAは一次側換算で約±1A、−40～85°Cでのオフセット温度ドリフト±0.6mAは一次側換算で約±3A、「定格電流印加後、一次側がゼロに戻ったときの磁気オフセット電流」±0.1mAは一次側換算で約±0.5Aである。この項目は、一次側が定格電流を経験した後にゼロ電流へ戻ったとき依然として存在する磁気オフセットを反映し、電流履歴がゼロ点に与える影響を評価する助けになるが、完全な正負サイクルにおけるセンサーのヒステリシス全体を単独で代表するものではない。

これらの項目は単純に合算して総誤差にすることはできない。オフセット、温度ドリフト、磁気オフセットはもともと異なる条件・異なるメカニズムの独立した指標である。定格点精度±0.3%（1000A時で約±3A）にも明確な試験条件があり、仕様書にはオフセット誤差を含まないと注記されている。直線性誤差は±0.1%である。正しい見方は、これらを誤差要因ごとに分解したバジェットとして捉えることであり、一つの合成総精度として扱うことではない。

これらの数字は誠実に受け止める必要がある。閉ループは定格電流印加後の磁気オフセットを一次側0.5Aオーダーまで抑え、kA級主回路の測定点にとって、充放電のゼロクロス区間のフィードバックをより安定させ、満載履歴によるゼロ点ドリフトを小さくするのに役立つ。しかしこれはPCS主功率回路の大電流向けに設計されたデバイスであり、mA・A級の小電流を精密に分解する用途には適していない。待機損失や電池の微小自己放電を長期にわたり精密測定する場合には、小電流支路にレンジの合った別の測定点を用意するのが合理的である。このセンサーが得意とするのは、大電流の双方向ゼロクロス区間をできるだけ対称・安定・再現性のあるものにすることである。

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電流センサー

製品型番

CM4A1000H00

[図：CM4A1000H00 外観]

本センサーは一次側と二次側が絶縁されており、直流・交流・パルス電流の測定に用いられます...

四、過負荷レンジを余裕をもって確保したいなら、出力信号側で妥協が必要

この電流出力型閉ループセンサーを選ぶ際には、開ループ電圧出力品とは大きく異なる考慮点がもう一つある。それは測定抵抗である。二次側補償電流は外部抵抗を流れて初めて電圧に変換されるため、抵抗値は任意に決められず、仕様書では電源、温度、電流ごとに区分して許容範囲が示されている。H00、85°Cの場合を例にすると、±24V電源で±1000Aのみを測定するときは10～54Ωを選択できるが、±2100Aの上限までカバーする場合は1～10Ωまで狭まる。これらの境界はすべて条件付きであり、電源や温度が変われば変化する。実際の値はピーク電流に応じて該当型番の仕様書の抵抗曲線を確認すべきであり、一組の数値をそのまま適用してはいけない。制約は、電源電圧による補償能力の制限に由来する。一次側が2100Aまで達すると、二次側補償電流は最高±420mAとなり、外部抵抗にも自身の二次側コイルにも流れる。H00ではコイル抵抗が25°Cで約39Ω、85°Cで約51Ωと、温度上昇に伴って増大する。この二部分の電圧降下の合計は電源レールのマージンを超えてはならない。超えると増幅段が飽和し、補償電流を供給できなくなり、閉ループはゼロ磁束動作から外れてしまう。測定抵抗が大きいほど出力電圧が高くSN比は良くなるが、大電流では飽和しやすくなる。したがって「過負荷レンジを確保する」ことと「高い出力電圧を得る」ことは直接衝突し、レンジを大きく取るほど抵抗上限は低くなるため、実際のピークに応じて両者の平衡を取るしかない。

五、絶縁指標が示すのはデバイス層であり、装置全体の絶縁は自分で計算する必要がある

蓄電池直流システムの電圧は上昇を続けており、1500Vはすでに一般的である。主回路測定点の絶縁は軽視できない。引き続きCM4Aを例にすると、一次側－二次側間で50Hz、1minの3.8kV商用周波耐電圧、および1.2/50μs波、16kVの衝撃耐電圧に耐え、空間距離19.6mm、沿面距離20.6mmである。仕様書には絶縁配合の例も二つ示されている。1000V系統では強化絶縁、2000V系統では基本絶縁として使用できるが、対応する過電圧カテゴリ（CAT III）および汚染度（PD2）を満たすことが前提である。注意が必要なのは、これらはCM4Aという特定型番の数値であり、同シリーズの他のサフィックス（H11など）では耐電圧が異なるため、選定は対応する型番の仕様書に基づく必要があり、混用してはいけない。

しかしデバイスが耐電圧試験に合格することは、装置全体のPCS絶縁がそれで合格することを意味しない。1500V系統で強化絶縁か基本絶縁か、どの程度の距離を確保するかは、系統電圧、過電圧カテゴリ、汚染度、装置規格に基づいて再計算する必要がある。これらのデバイス値は選定の入力であり、装置全体の結論ではない。温度も区別する必要がある。H00の仕様書では一次側導体温度100°Cが絶対最大定格に記載されているが、周囲動作温度は−40～85°Cであり、周囲温度が85°Cと記載されているからといって、通電するバスバーもその温度まで達してよいと誤解してはならない。さらに仕様書では、単根のバスバーをできるだけ一次側貫通穴に満たすようにした場合、電流変化率への追従性と応答時間が最良になると述べられている。これは直接引用してよいが、異なる断面のバスバーに交換する場合は実際の設置に合わせて検証する必要がある。応答時間について、H00は定格電流90%の試験条件で典型値約0.5μs、最大値1μs、帯域幅150kHzを示しており、PCSの電流閉ループおよび通常の過電流保護には十分高速である。ただしセンサー自体が速いことは保護チェーン全体が速いことを意味せず、後者にはサンプリング、判定、パワーデバイスの遮断時間も加算する必要がある。

結び

蓄電池用PCSと一方向機器の最大の違いは、電流が本質的に正負の間を繰り返し行き来し、ゼロ点が毎日最も多く通過する場所であることだ。ここでは百分比精度は役に立たず、実際に良し悪しを決めるのはオフセット、温度ドリフト、満載後にゼロへ戻ったときの残留である。センサーがきれいに「ゼロ戻り」できるか、前回の方向を「覚えて」しまうかどうかである。閉ループゼロ磁束は磁心をゼロ点に固定し、正負対称で残留の極めて小さいゼロクロス特性をもたらす。これが双方向PCS主回路におけるこの方式の価値である。

ただし閉ループを選べば万事解決ではない。測定抵抗は実際のピークに応じてレンジとSN比の間で取捨選択する必要があり、デバイス絶縁は1500V装置全体の中で再び落とし込む必要があり、小電流精度についても物理的限界を認め、必要なら別の測定点を用意する必要がある。これらの帳尻を「ゼロ戻り」とともに計算し尽くして初めて、蓄電池PCSは無数の充放電の間で、方向判定が正確でゼロ点に戻れる信頼できる起点を持てるのである。