IEC62196規格に準拠した電気自動車の充電 - モード3

IEC62196タイプ2コネクタを使用した電気自動車のAC充電のデモンストレーション。EV充電器とEV間の通信は、IEC 61851-1およびJ1772に準拠したControl Pilot経由のPWM信号を用いて行われます。

導入

電気自動車（EV）を充電するには、EV供給装置（EVSE）とEVの間で情報交換を行い、充電条件（例：充電電力）を定義する必要があります。この信号伝達は国際規格IEC 62196-1に基づいており、4つのモード（AC充電用に3つ、DC充電用に1つ）が区別されています。図1はこれらのモードの特徴をまとめたものです。IEC 62196は、地域に応じて使用されるコネクタも定義しています。

図1 IEC 62196に準拠したEVのモードとコネクタ

DC充電を適用するには、バッテリーと外部電源間での重要な情報交換が不可欠です。そのため、高レベルの通信が必要です。AC充電の場合は、パイロット信号のみが必要です。定置設置型EVSEのほとんどは、最も柔軟で高い充電電力を可能にするモード3を採用しています。このアプリケーションノートでは、IEC62196モード3に準拠したAC充電におけるコンタクトパイロット（CP）ピンの信号伝達手順について説明します。

モデルの説明

図2は、EV、充電ステーション、接続ケーブル、および公共電力系統の実装モデルを示しています。EVバッテリーは、 Battery ESS（Generic）コンポーネントを使用してモデル化されています。次のセクションでは、各コンポーネント間の信号伝達について重点的に説明します。

図2 EVとEVSEの全体モデル
EV と充電ステーション間の接続は、SCADA 制御の接触器によって中断できる直接接続によって実現されています。 図3 ピンCP、PE、PPの信号を示します。ケーブル両端のPEとPP間に配置された抵抗器は、最大許容電流Imax_cableをコード化します。この抵抗値の測定は、EVサブシステムと充電ステーションサブシステムの両方に含まれています。 表1 測定された抵抗に対するケーブル特性を示します。様々なケーブルタイプを示すために、抵抗器は 可変抵抗器。
図3 CP、PE、PPを備えたケーブルサブシステム
表1 PPとPE間の抵抗器のコード化されたケーブル特性
抵抗器PP-PE 1500 Ω 680 Ω 220 Ω 100 Ω
最大電流 13 A 20 A 32 A 63 A
ケーブル断面積 1.5 mm2 2.5 mm2 6 mm2 16 mm2

ケーブルの最大電流容量が検出された後、EV の充電要求を信号で伝える必要があります。これは CP を介して行われます。 CP ピンでは、充電ステーションは振幅 ±12 V、周波数 1 kHz のパルス幅変調 (PWM) 信号を提供します。 これは、図 4に示す回路によって EV 側で評価されます。車が接続されると、抵抗器 R2 = 2.7 kΩ が並列になり、電圧 VCP_car が 8.8 V まで低下し、接続が適切であることを示します。充電要求があると、EV は接触器 Scar を閉じ、Rcon = 1.3 kΩ が R2 に並列に接続されます。これにより、VCP_car が 5.6 V まで低下し、充電の準備が整ったことを示します。これらのステータスは、EV 側と EVSE 側で C 関数ステータスによって評価されます。EVSE によって利用可能な最大電流は、CP の PWM 信号のデューティ サイクル (DC) を介して通信されます。EV は DC を評価します。このモデルは、主にエッジ検出と積分器を用いたデューティサイクル検出サブモデルでこれを実現します。最大電流Imax_DC = 0.6 DC[%]は、DCパーセントに0.6を乗じることで計算されます。最終的に、EVSEが供給できる最大電流は、Imax_cableとImax_DCの2つの制限値の小さい方になります。

図4 EV側CP信号の評価

シミュレーション

図5は、前述のモデルのSCADA表現を示しています。これは、すべてのコンポーネントの設定と状態を表しています。充電ステーションでは、主にデューティサイクルの設定と、Vcpでコード化された状態の確認が可能です。ケーブルはEVを接続し、適用するケーブルの断面積を選択できます。EV側では、通常の自動車と同様のユーザーインターフェースが表示されます。さらに、充電コントローラの内部値も表示されます。これには、検出されたDC、最大電流、検出された状態が含まれます。中央のスコープには、デューティサイクル検出による検出されたエッジを含む、EV側のVcpが表示されます。

図5 SCADAパネル

シミュレーションを開始したら、充電プロセスを開始できます。まず、EVをケーブルブロックに接続し、EV側で充電を有効にする必要があります。状態を把握するには、Vcpを観察すると役立ちます（図6 ）。Vcpは12Vから始まり、接続後に8.8Vまで低下し、充電要求後には5.6Vまで低下します。

図6充電ステーションでの接続および充電開始時のVcp信号のキャプチャ

図7はEVで測定されたPWM信号を示しています。信号パターンから、オン時間とオフ時間が等しいことがわかります。したがって、デューティサイクルは50%であり、充電ステーションは最大30Aを供給できることを意味します。

図7 .デューティサイクル50%でのVcpのキャプチャ（最大電流30A）

SCADAのEVユーザーインターフェースで充電電流を選択すると、EVの充電状態が上昇するのを確認できます。Iset値をImax_carよりも高く設定しようとすると、設定できませんのでご注意ください。充電ステーションが最大電流を制御するため、充電インフラへの損傷を防ぎます。

テスト自動化

提供されているテスト自動化スクリプトは、次の動作モードでの EVSE のパフォーマンスを検証します。

  • 車両接続の検証
  • EVSEはエネルギー供給の準備が整いました
  • EVはエネルギーを受け入れる準備ができている
  • 複数のデューティサイクルにおけるEV電流制御許容範囲の検証

これらの動作モードをテストした後、スクリプトは最大供給電流をパイロット信号のデューティサイクルの関数としてプロットします。このプロットには許容曲線が描かれており、最大供給電流の値が期待範囲内であることがわかります。これらの曲線は両方とも図8の右側に表示されており、図の左側にはすべてのテストケースのリストが表示されています。

図8 EV AC充電 - 最大供給電流とパイロット信号デューティサイクルの関係

TyphoonTest IDE からテストを実行すると、完全なテスト レポートを取得できます (簡単にアクセスするには、サンプル エクスプローラーの [テストを開く] ボタンを押します)。

要件の例

表2は、モデルをリアルタイムで実行するためのファイルの場所とハードウェア要件に関する詳細情報と、この最小限のハードウェア構成でモデルを実行した場合のHILデバイスのリソース使用率を示しています。この情報は、モデルの実行とカスタマイズを必要に応じて行う際に役立ちます。

表2 .最小要件
ファイル
Typhoon HILファイル

例\モデル\自動車\電気自動車のAC充電

電気自動車のAC充電.tse

電気自動車のAC充電。

\examples\tests\108_ev_ac_charging_test

test_ev_ac_charging.py
最小ハードウェア要件
HILデバイス数 1
HILデバイスモデル HIL101
デバイス構成 1
HILデバイスのリソース利用
処理コア数 2
最大マトリックスメモリ使用率

6.4%（コア1）

4.15% (コア0)
最大時間枠利用率

42.27% (コア1)

19.09% (コア0)
シミュレーションステップ、電気 1マイクロ秒
実行率、信号処理 マルチレート（10µs、400µs）

著者

このモデルは、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（ISE）のデジタルグリッドラボの活動の一環として作成されました。このサービスラボでは、EVSEの試験が行われています。詳細なご質問は、以下をご覧ください。

[1] ベルンハルト・ヴィレ・ハウスマン博士、フラウンホーファーISE、系統運用・計画部長、 bernhard.wille -haussmann@ise.fraunhofer.de