電気自動車充電時の電気的安全性を確保するための残留電流モニタの使用方法

電気自動車（EV）の高電圧電池を頻繁に充電する場合、充電ケーブルやコネクタに高い機械的応力が要求されます。絶縁が破損して通電中の金属部品が露出したり、オンボードエレクトロニクスにシャントが発生したりすると、EVユーザーの身体に生命を脅かす残留電流が流れる可能性があります。特に問題となるのは、ACに敏感なタイプAの残留電流装置（RCD）では検出できないさまざまな形態のDC残留電流です。

感電事故を防止するため、EV給電装置（EVSE）メーカーは、数mAのACおよびDC残留電流の両方で数ミリ秒以内にトリップするパワーエレクトロニクス製品にRCDを組み込む必要があります。

この記事では、残留電流の形態、測定方法、充電回路のどこにRCDを設置するかについて説明します。次に、システム設計者がコスト効率および時間効率に優れた方法でEVSEデバイスにDC感電に対する保護を追加するために使用できる、Littelfuseの残留電流モニタ（RCM）を紹介します。また、この記事は、これらの電流センサがどのEV充電モードに適しており、それらがどのように使用されるかも示しています。

EV充電回路の残留電流

最大400V AC、1000V DCまでの電圧でEVを充電するには、EVユーザーが充電装置を取り扱う際の広範な保護対策が必要になります。充電ステーションやオンボード充電器の高調波が豊富で非対称なスイッチングパルスや、数百ボルトのDCリンク電圧により、シャント、カップリング効果、絶縁不良、リーク障害を介して、さまざまなタイプのACおよびDC残留電流が発生する可能性があります。

インバータおよび位相角制御システム、整流器、スイッチングコンバータ、周波数インバータなどのパワーエレクトロニクス回路には、多種多様な負荷電流特性があります。結果として生じる可能性のある残留電流は、正弦波AC、パルスDC、ストレートDCに分類されます。これらの形態の残留電流は人間にとって危険です。表1は、さまざまな回路トポロジの標準的な負荷電流信号と、その結果として生じる残留電流波形を示しています。1列目から3列目には、検出に適したRCDのタイプが割り当てられています。

表1：最適なRCDのタイプによる故障電流の形態とその検出（1～3列）。（画像提供：Wikipedia）

EV基板エレクトロニクス、EVSE、または充電ステーションの残留電流を追跡する際、残留電流波形に関する豊富な知識は、EV修理工場や電気技師にとって役立ちます。

RCDタイプのトリップ特性

一般に、電気設備における感電に対する個人保護は、IEC 60479およびUL 943で規定されています。両規格とも、6、30、100、300、500、および1000mAの範囲の有意なACおよびDC残留電流を、20～500msの範囲のトリップ時間で定義しています。EV充電回路の一般的なトリップ閾値は、6mA DCと30mA ACです。

システム設計者は、適切な規格のRCDタイプを選択することで、充電回路に特定の個人保護要件を簡単に実装できるようになりました。表2に、さまざまなRCDまたは漏電遮断器（GFCI）タイプの残留電流の形態とトリップ許容差を示します。

表2：さまざまなGFCIまたはRCDタイプのトリップ特性。（表提供：abb.com）

EV充電回路におけるRCDの設置

タイプAまたはタイプFのRCDは、AC残留電流とDC脈動電流しか検出しないため、EV充電回路を保護するには不十分です。オンボード充電器やバッテリ管理システムで発生する可能性のある幅広いストレートDC残留電流も考慮する必要があります。

したがって、IEC 62196規格は、2つの残留電流保護オプションを定義しています。タイプB（またはタイプB+）の全電流高感度RCDの使用か、タイプAのRCDとI_Δn DC ≥ 6mAのIEC 62955に準拠した残留DC監視システムの併用です。DC故障電流の監視は、ウォールボックス内、建物の電気設備内、またはその両方の場所に配置することができます。

通常、建物の電気システムにはACに敏感なタイプAまたはタイプFのRCDが存在するため、設計者は、モード3のウォールボックスや充電ステーション、およびモード2の充電ケーブルのケーブル内制御ボックス（ICCB）に、6mAの残留DC監視をコスト効率よく追加することができます（図1、ケース2および3）。

図1：EVSEデバイスは、ACに敏感なタイプAのRCD（ケース2）のDC RCMダウンストリームを追加するか、タイプBのRCD（ケース4）を介してAC主電源に直接接続する必要があります。（画像提供：goingelectric.de）

EVの充電モード

EVバッテリは、利用可能な現場での電力接続、接続プラグ、充電ケーブル、車両や充電ステーションに搭載された充電技術に応じて、さまざまな充電モードで充電することができます。欧州では、単相AC（230V/3.6kW）、3相AC（400V/22kW）、または高電圧DC充電ステーション（最大1000V DC/500kW）を介して、電気エネルギーを車両に供給することができます。図2は、IEC 61851規格で定義された4つの充電モードを示しています。

図2：IEC 61851規格で定義された4つの充電モードの図。（画像提供：bestchargers.eu）

モード1 （最大3.6kWまでの単相AC充電、デフォルトの充電モード）

この場合、電気自動車またはハイブリッド車は、シンプルなパッシブケーブルを使用して標準的な230Vの家庭用ソケットに接続され、オンボード充電器を介して最大3.6kWの低電力で充電されます。この充電シナリオは、ユーザーの残留DCに対して十分な保護を提供しません。通常、建物の電気システムにはACに敏感なタイプAのRCDのみが設置されています。

モード2 （ICCB充電ケーブルを介した最大22kWまでの単相/3相AC充電）

タイプ2の車両プラグを装備したモード2の充電ケーブルにはICCBが内蔵されており、家庭用ソケットや3相ソケットを使用してEVを充電する際に、過負荷を防ぐための安全機能と通信機能を果たします。

以下の保護機能は、ICCBと統合する必要があります。

• 極性の決定と保護導体（PC）の監視。ニュートラルとPCの間には数Ωのループインピーダンスしか許されません。
• PCと金属ボディ間の電気的接続のテスト。
• ACおよびDC残留電流回路ブレーカが電流事故を防ぎます。
• 異常発生時の充電プロセスの監視/シャットダウン（たとえば、プラグ接点の腐食やケーブルの断線による電流変動）。
• ICCBと両プラグ内部の温度を監視し、必要に応じてシャットダウンを実行します。
• 充電電力の制御：制御パイロット（CP）線のプルダウン抵抗で、ケーブル電流の負荷定格をウォールボックスとEVの両方に通知。充電制御（CC）線のパルス幅変調（PWM）信号で、ウォールボックスの充電能力をEVに通知。

モード3 （ウォールボックスを介した最大22kWまでの単相/3相AC充電）

EV充電では、パッシブのモード3ケーブルが、一般家庭のウォールボックスや駐車場の公共AC充電ステーションに接続されます。どちらも上記のICCBと同じ保護機能を統合しています。

モード4 （最大500kWの直接バッテリDC急速充電）

EV用のDCハイパワー充電器（DC/HPC）ステーションは、モード2やモード3と比較して、大幅に高い充電電流を供給します。このスーパーチャージャには、残留ACおよびDCからの衝撃保護が実装されており、異なる充電ケーブルが常にしっかりと接続されています。

EVSE回路におけるACおよびDC故障電流の測定

Littelfuse Inc.のRCM14シリーズが提供するRCMは、ACまたはDCシステムのDCおよび/またはAC残留電流を検出し、外部ディスコネクト（遮断リレー）を制御する出力信号を送ります。対照的に、RCDと残留電流回路ブレーカ（RCCB）には遮断リレーが内蔵されています。

AC残留電流は誘導電流トランス（CT）を使用して検出されます。この目的のために、電流フォワード導体（I_L）と電流リターン導体（I_N）は軟磁性トロイダルコアを介して供給され、両方の電流ベクトルは通常互いに補償し合い、ゼロになります。検出器の背後の回路で、人体を経由して接地電位に故障電流（I_g）が流れ込むと、RCMまたはGFCIの総電流がゼロでなくなり、回路ブレーカがトリップします（図3）。

図3：故障電流（I_g）が人体を経由して接地電位に流れ込むと、GFCIの総電流がゼロでなくなり、回路ブレーカがトリップします。（画像提供：Littelfuse）

フラックスゲート地磁気センサプローブをトロイダルコアのスロットに組み込み、補償コイルによって磁束をゼロに補償することで、CTは差動DCを検出することもできます。ホール効果センサやシャント抵抗器よりも正確なこの方法は、最大500Aの重いDC負荷電流で、6mAから微小なDC故障電流を検出します。

断路器用制御出力を備えたRCM

LittelfuseのRCM14シリーズは、EV向けICCB充電ケーブル（モード2）およびEV充電ステーション（モード3）での使用に最適です。IEC 62752（モード2）、IEC 62955（モード3）、UL 2231に準拠した3種類の残留電流検出オプションがあります。

各RCMには、1つの動作LEDと1つのフォールトLEDがあります。4ピンJSTコネクタは、取り付けを簡素化します。ピン1と2は12V電源用、ピン3は外部機能テスト用、ピン4はオープンドレインスイッチング出力で、最大100mAおよび24V（最大）で遮断リレーなどの外部断路器を駆動します（図4）。

図4：RCM14シリーズ モジュールには2つのステータスLEDがあり、4ピンJSTコネクタで簡単に接続できます。（画像提供：Littelfuse）

これらのアクティブRCMは、単相または多相DC設備のACおよび/またはDC残留電流の検出にも使用できます。単相動作では負荷電流は100Aに制限され、3相動作では40Aです。最大3000Aの負荷電流パルスに対応可能です。

RCM14-01：IEC 62955に準拠した6mA DC RCMモジュール、14mmの開口部

RCM14-01残留電流モニタは、50Hz/60Hz ACシステムのDC故障電流を検出します。これは、EV用モード3充電ステーション（IEC 62955規格）で使用するために開発され、DC故障電流が6mA以上になるとEVの充電回路を遮断します。この検出器は、建物の電気システムの既存のタイプAおよびタイプFのRCDに、費用効果が高く簡単な方法でDC残留電流監視機能を追加します（図5）。

図5：RCM14-01は、建物の電気システムのACに敏感なタイプAのRCDに、6mA以上のDC残留電流の監視を追加します。（画像提供：Littelfuse、Western Automation）

RCM14-03：IEC 62752に準拠した6mA DC/30mA AC RCMモジュール、14mmの開口部

RCM14-03は、充電モード2のEV用ICCBまたは内蔵保護装置での使用を意図し、ACまたはDC故障時にEVへの供給を遮断します。

RCM14-04：UL 2231-2に準拠した56mA DC/20mA AC RCMモジュール、14mmの開口部

RCM14-04モジュールは、60Hz AC設備のACおよびDC故障電流を検出します。これは、充電回路遮断装置（CCID）EV充電ステーションのアプリケーションで使用するために設計されており、ACおよび/またはDC残留電流状態が発生した場合にEVへの供給を遮断します。

RCM20-01：RCM20-01は、50Hz/60Hz AC設備でDC残留電流の検出を目的とした残留電流モニタです。これは、モード3の電気自動車充電スタンドでの使用を目的としており、DC残留故障電流条件下で電気自動車への供給を遮断します。この製品は、IEEE 62955に完全に準拠しています。

RCM20-03：RCM20-03は、50Hz/60Hz AC設備でDCおよびAC残留電流の検出を目的とした残留電流モニタです。これは、モード2の電気自動車充電スタンドでの使用を目的としており、DCおよびAC故障電流条件下で電気自動車への供給を遮断します。この製品はIEC 62752に完全に準拠しており、30mAのAC故障検出が必要なIEC 62955アプリケーションにも使用できます。

より大きなデバイス回路に統合するために、以下に示すRCMモジュールはオープンフレームシステムとしても利用可能です。

• RCM14-01_SYS_V、RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V、RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

各システムは、はんだ付け可能なセンサプリント基板と個別の電流トランスで構成されています（図6）。

図6：RCM14-04_SYSモジュールは、センサプリント基板と電流トランスで構成されるオープンフレームシステムです。（画像提供：Littelfuse、Western Automation）

まとめ

ACに敏感なタイプAのRCDは、建物の電気システムにおける一般的な設置標準ですが、EV充電回路におけるDC残留電流の危険から保護することはできません。このように、RCM14シリーズは、ICCB充電ケーブル（モード2）やEV充電ステーション（モード3）で必要なDC残留電流監視を実行することができます。接続ピンが4本しかないため、システム設計者はコンパクトなRCMモジュールまたはオープンフレームシステムをEVSEに簡単かつコスト効率よく実装することができます。