電気自動車の充電

科目：

はじめに
充電プラグと接続
電子車両供給装置 (EVSE)
充電オプション
ロード時間
ロードする価格
充電ステーションと車両間の通信
近接パイロット
コントロールパイロット
電力網

導入：
電気自動車またはプラグインハイブリッドのバッテリーは、外部充電設備を使用して充電できます。充電ケーブルを使用して車を公共充電ステーション、公共充電ステーション、または専用ウォールボックス（屋外ファサードまたはガレージ内）に接続し、電力網経由でバッテリーを充電できます。壁のコンセントから充電できるモバイル充電器もよく販売されていますが、この充電器は緊急時のみに使用することをお勧めします。

次の図は、電気自動車の充電を示しています。車両の側面には、内燃機関を搭載した車両の燃料フラップによく似たフラップがあります。フラップの後ろには、充電プラグを挿入できるプラグ接続があります。

フラップのステッカーは、特定の状態でプラグの隣にある LED がどの色に点灯するかを示します。

充電プラグと接続:
充電プラグと接続はヨーロッパで標準化されています。 AC（交流）充電にはMennekes（タイプ2）を使用し、DC（直流）充電にはCCS2プラグを使用します。

次の画像は、Mennekes Type 2 と CSS2 充電プラグを組み合わせたものを示しています。このプラグにより直流充電（急速充電）が可能となります。

下の画像は、世界の他の地域で使用されているプラグを示しています。 AC と DC は区別され、DC バージョンは多くの場合 AC コネクタの拡張です。

電子車両供給装置 (EVSE):
公共の充電設備には、EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment) とのインターフェースが必ず装備されています。これにより、セキュリティと通信が確保されます。 EVSE の機能には次のものが含まれます。

接続の確認：すべてのプラグが接続され、ロックされていることを確認した後、充電モードが開始されます。
自己診断: エラーが検出されると、主電源が遮断されます。
漏れ電流検出: 何らかの形態の漏れ電流が発生した場合、主電源が遮断されます。
電流制御: PWM 信号を使用して車内の車載充電器と通信し、電流を制限します。

読み込みオプション:
交流 (AC) で充電する場合、車内の電力網からの電力は直流 (DC) に変換されます。 AC充電の欠点は、導体抵抗による誘導現象や損失のリスクが高いことです。 AC から DC への変換は、エネルギーがバッテリーに到達する前に車内で行われるため、充電電流が制限されます。

直流 (DC) 充電により、「超」高速充電が可能になります。 AC/DC 変換は車載充電器ではなく、車両の外で行われます。したがって、バッテリーはより大きな充電容量で充電できるため、より速くフル充電できます。これは、残りの旅の高速道路沿いでのコーヒーブレイク中に充電するのに最適です。

車両への積み込み方法と速度は、1 つの異なるモードに分類できます。モード 2、3、4、および XNUMX は、車両が電源ポイントにどのように接続されているかを示します。

モード 1: 充電は、家庭用接続の電力網を介して直接行われます。車両内では、電圧がAC（交流）からDC（直流）に変換されます。充電デバイスには電流制限や車両からソケットへのフィードバックがないため、安全性が提供されます。この積載方法は、危険や欠陥の危険性があるため、ほとんど使用されず、多くの国で禁止されています。

モード 2: モード 1 と同様に、家庭用コンセントが使用され、充電電流は 16 A に制限されます。権力 3,68kW。ただし、過負荷を防ぐために、充電ケーブルを介した電力は通常 2,3 kW (約 10 A) に制限されています。充電モード 2 では、充電ステーションはモバイル充電器として設計されており、持ち運ぶことができます。車両では、車載充電器が AC を DC に変換します。

モード 3: 充電には、モード 2 と同様に、建物の電力網に接続された固定充電ステーションまたはウォールボックスを使用します。モード 3 充電器は、AC 充電および 3,68 ～ 22 kW の電力に適しています。再び、AC は車両のパワーエレクトロニクスで DC に変換されます。

モード 4: 充電モード 1 ～ 3 では交流が使用され、これを車両内で直流に変換する必要がありますが、モード 4 の充電では、交流から直流への変換が充電ステーション自体で行われます。直流電流はバッテリーパックに直接供給されます。これは、DC 充電または急速充電として知られています。モード 4 充電用の DC 充電ステーションは、少なくとも 480 ボルトの入力電圧を必要とし、43 kW の電力を供給します。

ロード時間:
ハイブリッド車や電気自動車の充電時間は、バッテリー容量納入金額で割る権力充電器から。
利用可能な充電電力は、充電器と充電ケーブルの種類だけでなく、車両のパワーエレクトロニクスが適した最大充電電力によっても決まります。新しい高級車では、より長い航続距離を実現できるよう、より大容量のバッテリーが搭載されることが増えていますが、充電容量が増加するため、充電時間が短縮される可能性もあります。例として、VW e-Golf (32 kWh) と Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh) を比較します。すべての車両が DC で最大 100% 充電できるわけではありません。 DC充電は80%で停止します。最後の 20% は、AC 経由での充電容量が低くなります。これはHVバッテリーを保護するためです。

VW e-ゴルフ (32kWh)

AC充電:
タイプ 2 充電プラグを使用すると、バッテリーパックを AC 経由で充電できます。車載充電器の最大充電電力は 3,7 kW です。充電ステーション (モード 20) を使用してバッテリーパックを 3% から充電する場合、これには約 7 時間かかります。説明: 80 kWh の 32% (充電) = 25,6 kWh。必要な電力を供給される電力で割ることにより、充電時間を計算します: (25,6 / 3,68) = 6,96 時間 (6 時間 58 分)。

ソケット経由で充電する場合 (モード 2)、電力は 2,3 kW に制限され、充電時間は 11,13 時間 (11 時間 8 分) です。

DC充電:
44 kW の出力の直流を使用して急速充電する場合、バッテリーは 0,58 時間 (35 分) 後に完全に充電されます。

メルセデス EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)

AC充電:
タイプ 2 充電プラグを使用すると、バッテリーパックを AC 経由で充電できます。車載充電器の最大充電電力は 11 kW です。もう一度、20%から請求すると仮定します。充電装置によって供給される電力は 86,72 kW です。充電ステーション経由で充電する場合、充電時間は 7,88 時間 (7 時間 53 分) です。

DC充電:
モード4では最大207kWまで充電可能です。充電時間は (86,72 / 207) = 0,42 時間 (25 分) です。

ロードする価格:
充電カードのプロバイダーは数多くあります。さまざまな Web サイトで料金の概要が提供されています。このセクションでは、2023 年 XNUMX 月に適用されたエネルギー料金を前提とし、サブスクリプション料金や充電セッションごとの開始料金は考慮せず、エネルギー価格のみを考慮します。

オランダ AC 0,60 ユーロ/kWh
オランダ DC €0,85/kWh
ベルギーとルクセンブルク 0,65ユーロ/kWh
ヨーロッパ: AC 0,51 ユーロ/kWh
ヨーロッパ: DC €0,87/kWh

VW e-Golf と Mercedes EQS の例では、充電容量と 20% の範囲から充電するという事実に基づいて充電価格を計算します。

VW e-Golf: 25,6 kW の充電電力に基づくと、オランダでは AC 充電で 15,36 ユーロ、DC 充電で 21,76 ユーロかかります。総航続距離: 190 km。
Mercedes EQS: 充電容量が 86,72 kW で、オランダでは AC 充電が 52 ユーロ、DC 充電が 73,70 ユーロです。航続距離は約485km。

0 から 100% までの充電にかかる費用を計算するには、合計金額を計算する必要があります。ラードフェルモーゲン（使用可能量に基づく）バッテリー容量) には、kWh あたりの価格を掛ける必要があります。 e-ゴルフとメルセデスの価格は20％高くなる。ただし、すべての HV バッテリーが 80% を超える DC で完全に充電できるわけではないという事実を考慮する必要があります。

充電ステーションと車両間の通信:
充電インターフェースモジュールは、充電ステーションと車両間の通信を提供します。いわゆる「近接パイロット」および「コントロールパイロット」は、「PP」および「CP」と略され、充電プラグが接続されていることを示し、許容される充電電流の大きさを決定します。次の XNUMX つの段落では、PP と CP の動作について説明します。

画像では、米国タイプ 1 (左) と欧州タイプ 2 メネケスプラグ (右) の CP と PP が示されており、どちらも DC 充電プラグと組み合わされています。 CP、PP を備えた右側のプラグ、中性線 (N) を備えた 1 相 (L3 ～ LXNUMX)、およびいわゆる保護アース (PE) に焦点を当てます。

このセクションでは、欧州規格 (IEC 62196-2) に基づいた次の図を使用します。これは、Mennekes とも呼ばれるタイプ 2 コネクタに関するものです。この図には、(左から右に) 次のコンポーネントが表示されます。

EVSE コントローラー: これは、充電ステーションまたはウォールボックスに組み込まれるモジュールです。
充電プラグ: 充電電流に加えて、PP および CP を介して EVSE コントローラーと車両コントローラーの間で通信が行われます。
車両コントローラー: 車両内の電子機器は、いくつかの条件が満たされるとすぐに充電プロセスを起動します。

近接パイロット:
近接パイロットには、充電ケーブルが接続されているかどうかを登録する機能と、接続されている充電ケーブルの種類を登録する機能があり、最大充電電流を知ることができます。

以下の図では、PP 回路が赤色で示されています。ここでは、R1 と R2 の間に分圧器があり、5 ボルトで電力が供給されています。制御ユニットは R1 と R2 の間の電圧を測定します (これはわかりやすくするために電圧計で示されています)。抵抗 R1 はプルアップ抵抗として機能します。

充電プラグが接続されていない場合、分圧器はありません。抵抗器 R1 は電圧を吸収しないので、測定された電圧は 5 ボルトです。
充電プラグが接続されると、直列接続が作成されます。指定された抵抗値により、コントロールユニットは 3,1 ボルトの電圧を測定します。

充電プラグの抵抗値は、充電ケーブルに流れる最大電流を示します。これらの抵抗値は次のとおりです。

100オーム：最大63A;
220オーム：最大32A;
680オーム：最大20A;
1500オーム：最大13A。

この例の抵抗値は 220 オームです。これは、この充電ケーブルを流れる電流が最大 32 A になる可能性があることを意味します。抵抗が高くても低くても、異なる分圧が確保されるため、コントローラの入力電圧も異なります。

北米のコネクタは、SAE J1772 規格に該当します。このタイプ 1 充電プラグは欧州バージョンとは異なります。

欧州タイプ 2 プラグの三相交流電圧の代わりに単相交流電圧。
手動ロックフック。追加の分圧器により、追加の安全性を組み込むことができます。ボタンが押されたことが認識されるとすぐに、充電システムはすぐにオフになります。

以下の図は米国版を示しています。

特にロッキングフックは近接パイロット回路を拡張します。

コネクタには分圧器があります。
スイッチ S3 は抵抗 R7 と並列です。停止時にはスイッチが閉じられ、抵抗 R7 がブリッジされます。
プラグを取り外す際は、ドライバーがロックフックを操作してプラグを車両から引き抜く必要があります。このフックを押している間、S3が開きます。抵抗 R7 は分圧器の一部です。

コントロールパイロット:
CP は、充電開始要求からバッテリーが完全に充電される充電終了までの充電プロセスを監視します。 CP により、充電施設の EVSE コントローラーと車両間の通信が可能になります。

充電ケーブルを充電ステーションに接続した後、EVSE コントローラーは充電プラグのコントロールパイロット接続に 12 ボルトの電圧を印加します。
充電プラグが車両に接続されるとすぐに、R9 と R3 の間の分圧器により、電圧は約 4 ボルトに低下します。
コントローラは、ST2 (シュミットトリガ) を介して入力電圧を測定します。

充電ケーブルを接続した場合の電流の流れは赤色でマークされます。

9 ボルトを登録した後、EVSE コントローラーはリレー K2 に通電します。 12 ボルト電源の代わりに発振器が回路に組み込まれています。
発振器は -12 ～ +12 ボルトの方形波電圧を生成します。
ダイオードは、CP 接続の電圧が +9 ボルトと -12 ボルトの間で変化することを保証します。
EVSE コントローラは、PWM 信号のデューティサイクルを使用して、車両が消費できる最大充電電流を示します。

PWM 信号を確立した後、車両が充電を開始する準備ができると、車両コントローラはリレー K1 をオンにします。

リレー K1 は抵抗 R5 をグランドに切り替えます。
R4 と R5 の間の並列接続により、PWM 信号の正パルスは 6 ボルトに低下します。
6 ボルトの電圧は充電装置の EVSE コントローラーによって測定され、電源を充電ケーブルに接続してバッテリーを充電します。

下の画像は、コントロールパイロットからの信号を示しており、時間に対する電圧の変化を示しています。この電圧プロファイルは、充電プラグが接続されている間、充電プラグのコントロールパイロット接続で測定できます。

ステータス A: 車両に接続されていません。充電ケーブルが接続されていない限り、電圧は 12 ボルトのままです。
ステータス B: 電気自動車が接続されています。リレー K2 が通電されます。回路内のダイオードにより、電圧は 9 ボルトに低下します。
ステータス C: リレー K1 が通電されています。これは、充電ユニットが充電プロセスを開始するための「信号」です。

ステータス D および E は、エラーが検出されたために換気のためのアクションが必要な場合、または充電プロセスを終了する必要がある場合を示します。

電力網:
「充電オプション」セクションでは、モード 1 ～ 4 が表示されました。自宅で家庭用充電器、ウォールボックス、充電ステーションを使用して車両を充電するか、高速道路沿いの急速充電器を使用して車両を充電するかを選択できます。特に、自宅の充電設備を介して自宅で充電することがますます人気が高まっています。家庭用充電器はソケットに接続するだけで済みますが、より多くの充電電流で最短の充電時間を得るために、配電ボックスを調整して独自のウォールボックスを接続することもできます。まず、1 相交流と 3 相交流の概念を見ていきます。

単相接続では、1 つのコアを持つ「標準」電力ケーブルが表示されます。

茶色: 相線。
青: 中性線。
黄/緑: アース線。

単相充電ステーションまたはウォールボックスでは、電気は 1 本の線 (相線と中性線) を流れます。

単相ウォールボックスまたは充電ステーションは、家電製品の標準 1 V 接続を使用します。最大電力は 230 A で、単相充電器の最大充電電力は 16 kW になります。この充電容量では、1 kW のバッテリパックは約 3,7 時間で充電され、比較的長い時間がかかります。新しい電気自動車のほとんどは、より高い容量を備えています。

家電製品の配電ボックスの最大電流を増やすことができるため、32 A 単相充電器の容量を増やすことができます。その場合は最大1kWで充電が可能です。ただし、単相充電器を使用すると、配電ボックスが過負荷になり、停電が発生する可能性があります。充電ステーションに加えて、洗濯機、食器洗い機、コンロ、ヒートポンプなど、電気ネットワークを使用する電化製品がさらにあります。負荷分散の助けを借りて、最大の容量を利用できます。

日中はいくつかの電化製品が使用される可能性が高くなります。車両の充電電流が減少します。
車両の充電容量を増やすため、夜間はほとんどのデバイスの電源がオフになります。

より速く充電するには、三相接続を介して充電ステーションまたはウォールボックスを配電ボックスに接続することができます。これは必ずしもパワーフローである必要はありません。 3 相接続では、3 本の余分なワイヤが表示されます。

黒: 追加の相ワイヤ。
グレー: 追加の相ワイヤ。

三相充電ステーションでは、電気は 3 本の線 (三相線と中性線) を流れます。
三相接続の充電ステーションまたはウォールボックスの充電容量は単相接続よりも大きいため、車両の充電が速くなります。車両の最大充電電流を超えることはありません。一部の車両は最大 3 kW までの充電にのみ適しています。その場合、三相接続を作成することは意味がありません。車両は 1 kW または 3,7 kW に適している場合もあります。配電ボックスの容量 (3 * 7,4 A) を増やすことは価値があります。

古い住宅では、配電ボックスに単相接続 (最大 1 A) が見られることがよくあります。 35 つの相がすべて存在しますが、接続されているのは XNUMX つだけです。
配電ボックスは、3 相すべてを使用できるように変換できます。より多くの電力消費者 (ソーラーパネル、IH コンロ、ヒートポンプなど) 用に配電ボックスが準備されている新しい住宅では、納入時からすでに 3 相接続を装備できます。その場合、電力メーターには「220×230/3V または 380×400/1ボルト」と表示されます。配電ボックスの底部からは、三相線と中性線の合計 25 本の線もあります。配電ボックスに応じて、グループは最大 1x30A、1,35xXNUMXA、または XNUMXA まで保護されます。記載されたアンペア数が大きいほど、より多くの電流を同時に使用できます。

下の図は、配電ボックスでの単相から三相への接続と、単相または三相の充電器の使用までの 1 つの状況を示しています。

1フェーズ: 緊急充電器を使用すると、ソケットを介して車両を充電できます。ウォールボックスを使用すると、単相グループは負荷分散なしで最大 1 A、負荷分散ありで 16 A まで充電できます。 32A は、家の中に他の消費者がいない場合にのみ達成できます。

最大 7,4 kW の電力については、負荷分散を備えた単相ネットワークが可能です。家庭内で洗濯機/乾燥機、食器洗い機、ヒートポンプなど消費量の多い複数の電気製品を使用すると、過負荷から保護するために電力が減少します。実際には、これは電力が 1% も減少する可能性があることを意味します。したがって、50 相から 1 相への切り替えは合理的です。

3フェーズ: 同時に要求される電力が多すぎると、過負荷が発生して保護が作動し、停電が発生する可能性があります。したがって、ネットワークが十分な電力を供給できることが重要です。三相接続すると、より多くの電流を同時に供給できます。三相グループは標準で最大 3A まで保護されます。

11kW：メーター戸棚の補強が必要です。 1 相から 3 相までの調整で十分です。
22kW：単相から三相への調整に加えて1Aの増加が必要です。

22 kW および 35 A への調整は、個人にとってはほとんど興味深いものではありません。この値上げにより、年間 1000 ユーロの追加料金を支払う必要があります。より重いステップ (3x63A または 3x80A) ごとに追加料金を支払う必要があります。さらに、多くの電気自動車は、そのような高い交流での充電には（まだ）適していません。

AC で 22 kW を充電できる車両の数は今後数年で増加すると予想されます。