電気自動車のV2Gシステムにおける漏電検知方式に関する議論

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電気自動車の急速な発展に伴い、V2G スキームが常に話題になります。 その中心的なアイデアは、電気自動車の大量のエネルギー貯蔵を電力網と再生可能エネルギーのバッファーとして使用することです。 電力網の負荷が高すぎる場合には、電気自動車のエネルギー貯蔵装置が電力網に電力を供給し、電力網の負荷が低すぎる場合には、無駄を避けるために電力網の余剰発電を貯蔵するために使用されます。 V2G技術の下では、電気自動車は電力網との相互充電機能を実現できます。 このようにして、電気自動車のユーザーは、低い電気料金で車両を充電し、電気自動車の電力を高い電気料金で送電網に販売して収入を得ることができます。 電力網会社にとっては、電力不足の場合に、電力圧力を軽減し、電力網の負荷のバランスをとり、電力網の運用効率を確保することができます。

V2G の主要技術の 1 つは、双方向高出力充電器の開発です。 自動車メーカーにとって、車載充電器には小型、軽量、低コスト、そして優れた信頼性が求められます。 現在、主流の充電器のトポロジーは、三相無制御整流器と高周波トランス絶縁型 DC/DC コンバーターで構成されています。 この絶縁トランス付き充電器は体積が大きく、変換効率が低く、コストが高くなります。 したがって、非絶縁充電器の使用が現在主流の開発方向です。 双方向高出力充電器は、図1の下図に示すように、新しいトポロジーを採用しています。

図 1 効率的な高力率充電器のトポロジー

前段の三相電圧形PWM整流器と後段の電流可逆チョッパ回路で構成されています。 後段の電流可逆チョッパー DC/DC 回路は、昇圧回路と降圧回路からなる複合回路として理解できます。 この回路は、回路の順方向の流れを実現するだけでなく、電流の逆方向の流れも実現し、充電器全体のエネルギーの双方向の流れを実現します。

非絶縁DC/DCトポロジーにより、高周波トランスが除去され、変換効率が向上し、システムのコストと損失が削減されます。 ただし、考慮しなければならない状況の 1 つは、システム全体の漏れの問題です。 複雑なパワー エレクトロニクス デバイスとして、双方向高出力充電器の漏電問題を避けるのは困難です。 設計における適切な制御戦略により、漏れを特定の範囲に制限する必要があります。 そうしないと、電力網、デバイス自体、または人命と財産の安全にリスクが生じます。 同時に、予想を超える漏洩が発生した場合に、漏洩による被害を防ぐための基本的な保護手段を採用することも必要です。

図2 オンボードモータ入力制御パイロット回路

上の図 2 は、電気自動車用の QC/T 895-2011 導電性車載充電器でインターセプトされており、電力網と充電器の間の接続の一般的なモデルを反映しています。 車載充電器は、充電ケーブルを通じて電気自動車の車載充電器に電力を供給します。 車載充電器は、接続されたACをDCに変換して蓄電池を充電します。 電力網に電力を供給する場合、バッテリーは搭載された充電器を通じて DC を AC に変換し、充電ケーブルを通じて電力網にフィードバックします。 漏電保護装置は電力供給設備（充電パイル）内に設置され、電力網全体と電気自動車のエネルギー交換プロセスを保護します。 漏れ電流保護装置は、残留電流保護装置 (RCD) とも呼ばれます。 RCD は基本的な保護手段であるため、その信頼性は非常に重要です。

ご存知のとおり、電源方式には三相3線式と三相4線式があります。 国際電気機械委員会（IEC）では、TT方式、TN方式、IT方式を規定しています。 この双方向ハイパワー充電器を使用すると、DC / DC 絶縁トランスの制限がなくなり、バッテリーが最初に自由を獲得し、システムから絶縁されなくなります。 したがって、バッテリーの長期使用中に、DC バスが絶縁不良を起こした場合、漏洩電流がボディアースの PE ラインを介して AC 側にフィードバックされます。 バッテリー DC バスの正の漏れを例として、漏れモデルを以下の図 3 に示します。

図 3 バッテリのプラス側がアースに短絡した場合の漏電モデル

見てわかるように、バッテリーの DC バスの正の漏れが AC 側にフィードバックされて回路を形成しています。 この予期しない DC 電流はシステム全体に影響を与えます。 等価回路をシミュレーションすると、充電電流全体が歪んでおり、その結果、充電効率が低下し、さらにはバッテリーの耐用年数が短くなることがわかります。 さらに深刻なのは、PE ラインが切断され、アース線がなくなった場合、電流のこの部分が人体を通過し、人体に害を及ぼす可能性があります。 DC 電流が電力網に入ると、その影響は想像を絶し、配電網全体に悪影響を及ぼします。 したがって、直流漏電が発生した場合には、回路を切断して機器を確認する必要があり、漏電を検出して回路を切断する機能は当然残留電流保護装置（RCD）によって完了します。

IEC 61851-1-2017 では、残留電流の保護要件は次のとおりです。各 AC 接続ポイントは残留電流機器 (RCD) によって個別に保護され、各接続ポイントを保護する RCD は少なくともタイプ a RCD の要件を満たしている必要があります。定格残留動作電流は 30mA を超えてはなりません。 EV 充電ポイントに IEC 62196 に準拠したソケットまたは車両コネクタが含まれている場合、スムーズな DC 故障電流のために追加の保護措置を講じる必要があります。 漏れ電流保護は少なくともタイプBまたはタイプAである必要があり、6mA/DCを超える電流が検出された場合は分離できます。

図4 IEC 61851-1の旧ビジョンと新ビジョンの比較

スムーズな DC 6mA を検出する理由を理解するには、標準と安全性から始める必要があります。 充電パイルの漏れ電流保護の本質は、iec61851 規格に導入されており、「感電に対する保護」です。 国内の安全規格も海外の安全規格も、人体に危害を及ぼさない微小な電流であるため、人体安全保護電流として平滑なDC6mAを設定していません。 それが検出される理由も非常に単純です。 平滑な DC 成分が過剰に存在すると、タイプ A の磁気リングが早期に飽和し、最終的にはタイプ A の漏電保護による AC 漏電の不正確な検出につながります。

国際仕様における DC 漏れを滑らかにするためのさまざまな漏れ保護の抵抗要件:

1) AC タイプ: 直流漏れが滑らかな環境では検出できません。

2) タイプ A: 6mA 未満の滑らかな DC 漏れのある環境でのみ動作します。

3) タイプ F: 10mA 未満の滑らかな DC 漏れのある環境でのみ動作可能

4) タイプ B: 滑らかな DC 漏れに敏感

結論: 滑らかな DC 6mA を検出する目的は、タイプ A 漏電保護の精度を確保することです。

したがって、タイプ A の理論検査に基づいて平滑 DC 6mA を検出して保護することが非常に必要です。タイプ A の漏電保護は交流杭の現場向けに設計されておらず、過度の平滑 DC 成分は失明につながる可能性があるためです。タイプ A の漏洩保護。 したがって、この検出をバグにパッチする必要があります。

タイプ B は、すでに完全な包括的なカバレッジ漏洩保護対策です。 滑らかな DC リークの影響を受けやすいため、パッチを適用する必要はありません。 平滑DC 6mAの保護値は非常に小さいため、追加すると電気自動車充電時の漏電保護の誤動作確率が高くなります。

電気自動車のV2Gを実現する過程では、システム全体のあらゆるコンポーネントを考慮しながら、どのように集積化や小型化を実現するかを検討する必要があります。 電気自動車分野の現状と将来の発展方向を観察すると、漏電保護の観点から、現在のタイプAの残留電流保護装置をタイプBに早急にアップグレードする必要があり、これは業界全体の責任ある実践です。

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