電気自動車用充電設備（EVSE）はどのように機能するのか？

EVSEインフラストラクチャは、家庭用EV充電器から、大型の公共およびフリート向けEV充電ステーションまで、すべてを網羅しています。EVSEの主要コンポーネントと考慮事項のいくつかを見てみましょう。

充電方法

充電電力には主に2つのタイプがあります。

• 交流（AC）：EVSEはコネクタでAC電力を供給します。ACはその後、車両内でDCに変換され、バッテリーを充電します。
• 直流（DC）： EVSEは、EVのオンボード充電器をバイパスして、DC電力をEVのバッテリーに直接供給します。

それを補完するのが、電力伝送に使用される導管の性質です。

• 伝導／有線充電： これは最も一般的な充電オプションで、充電ケーブルがEVSEとEVを接続します。
• 誘導/ワイヤレス充電: プラグインケーブルの代わりに、誘導または共振技術を使用して電池に電磁的にエネルギーを供給します。
• パンタグラフ充電: パンタグラフは車両を架空充電線に接続します。これは、手動でのプラグ接続なしに迅速な自動充電が望ましいフリートおよび都市環境の電動大型車両に使用されます。

充電規格

充電規格は、EVSEとEV間の充電に関するいくつかの側面を網羅する包括的なフレームワークです。単一のグローバルに受け入れられた標準は存在せず、代わりにさまざまなグローバルおよび地域標準が存在します。

• Combined Charging System (CCS): CCS規格は、充電パラメータのネゴシエーション、認証、支払い、およびPlug and Charge (PnC) のような高度な機能などの側面を規定しています。CCSコネクタはACおよびDC充電の両方をサポートします。CCSタイプ1コネクタは北米で、タイプ2はヨーロッパおよびその他の地域で普及しています。
• 北米充電規格 (NACS): NACSは、ACおよびDC充電の両方に単一のコンパクトなコネクタを利用します。
• CHArge de MOve (CHAdeMO): CHAdeMO規格は日本で普及しており、ACおよびDC充電用に2つの別々のポートを使用します。
• 国標推奨 (GB/T)：これらの規格は中国で普及しています。以前はACとDCで別々のポートを使用していましたが、新しいChaoJiバージョンでは共通のポートが利用されます。
• メガワット充電システム（MCS）：MCS規格により、トラックやバスなどの電動大型車両を、高出力DCを使用して迅速に充電できます。

これらの規格は以下の側面をカバーしています:

• さまざまな充電速度に対応する充電レベル、対応電圧、電流、電力制限などの電気的パラメータ
• コネクタ、物理インターフェースの形状、ピン配置、および機械的ロック機構を含む
• EVSEとEV間、およびEVSEとグリッド間の制御信号を含む通信プロトコル
• 適切な接地や絶縁などの安全機構

充電レベル

充電速度は、以下で説明する充電レベルによって決まります。

AC充電

Society of Automotive Engineers (SAE) J1772規格のAC充電レベルは、CCSに統合されています。

• レベル1充電： 標準的な120ボルト（V）AC家庭用コンセントを使用し、10～16アンペア（A）で約1～2キロワット（kW）の電力を供給できます。小型の電動自転車には適していますが、電気自動車には適していません。
• レベル2充電： ほとんどの家庭用充電器と公共のEV充電ソリューションは、レベル2充電器を使用しています。これらは208～240 V ACで動作します。電力は7～19 kW、電流は32～80 Aの範囲です。

DC充電

CCSでは、これら5つのDC電力クラスを規定しています。

• 低電力充電: 充電電力は8 kW未満に維持されます。
• DC充電: これらのEVSEは、8 kW以上50 kWまでの電力を供給できます。
• 急速充電（FC）：FC EVSEは、最低30分間、50～100 kWを供給できます。
• 超急速充電（UFC）：これらは、最低20分間、100～150 kWを供給できます。
• 高出力充電（HPC）：HPC EVSEは、少なくとも10分間、150 kWを超える電力を供給できます。

これらのクラスと電力レベルは、双方向充電にも使用されます。

メガワット充電システム (MCS)

メガワット充電は、大型電気バス、セミトレーラー、土木機械、航空機器、さらには船舶までを対象としています。これは1,000 V以上のDC電圧と、数百Aから4,000 Aの電流を伴います。既存のMCSシステムは0.4～6メガワット (MW) を供給でき、将来のシステムは12～24 MWに対応するように設計されています。

MCSは現在、5つの電力レベルを指定しています。

• MCSレベル1: レベル1のEVSEは、非冷却充電ケーブルを使用して、1,250 Vで最大350 Aを供給します。
• MCSレベル2: これらは、液冷充電ケーブルを使用して、1,250 Vで最大1,500 Aを供給できます。
• MCSレベル3：レベル3 EVSEは、充電ケーブルとEVインレットの両方に液冷を使用し、1,250 Vで最大3,000 Aを供給します。
• 堅牢化MCS (R-MCS): 堅牢化MCSは、1,500 Vで4,000 Aに達する電流に対応し、最大6 MWの電力を供給可能です。鉱業、航空、海運などの過酷な環境向けに設計されています。
• X-MCS: この今後の規格は、R-MCSを強化し、12～24 MWを供給します。

EVSEとEV間の通信

EVSEとEVは、国際標準化機構（ISO）15118仕様のようなプロトコルを使用して相互に通信します。これは、以下の方法を定義しています。

• 充電レベルのネゴシエーション
• ハンドシェイクと認証を含む充電シーケンスを制御する
• スマート充電（充電時間と充電レートがリアルタイムの系統負荷、エネルギー価格、再生可能エネルギーの利用可能性に基づいて決定される）を促進する
• 自動認証と課金によるPnCを実装する
• 充電状態の報告とエラー処理を通じて安全性を確保する
• 安全に通信する

安全機構

充電規格では、次のような安全機構が規定されています。

• 感電防止のための接地と絶縁
• 安全な接続が確立された場合にのみ電力が供給されることを保証します。
• 過電流、過電圧、短絡、地絡、異常温度を検出し、安全に電源を遮断するメカニズム
• 温度監視、特に高出力DC充電の場合

グリッド統合

EVSEは、以下の実現のためにスマートグリッドへの統合が進んでいます。

• 双方向エネルギーフロー用V2G (Vehicle-to-grid)
• 負荷分散
• デマンドレスポンス
• 系統負荷と再生可能エネルギーの利用可能性に基づくスマート充電

一部のEVSEは太陽エネルギーやその他の分散型エネルギー源から電力を供給できます。

安全で信頼性の高いEV充電には、徹底的なEVSEテストが不可欠です。EVSEテストでは、以下に示す側面に対処する必要があります。

• 相互運用性： EVSEは、あらゆるメーカーやモデルのEVを正常に充電できる必要があり、Eモビリティに対する消費者の信頼を維持するために不可欠です。
• プロトコル適合性：多くの相互運用性の問題は、通信エラーに起因します。多数のEVSE規格と高度な機能があるため、相互運用性を確保するには徹底的なプロトコル適合性試験が不可欠です。
• 安全性: EVSEテストは、緊急シャットダウンや内部高電圧源の放電など、安全上重要なイベントを検証します。絶縁抵抗試験も重要な安全チェックです。
• 性能: EVSEテストでは、故障状態、極端な温度、および動的なグリッドイベント下での性能を検証する必要があります。
• シミュレーション： さまざまなEV、バッテリー、良好なシナリオ、およびエラー状態のリアルなシミュレーションにより、EVSEの設置やEVを危険にさらすことなく、初期段階から低コストでシステムを限界まで追い込むことができます。
• 自動化：テスト自動化により、何百ものテストを通じて再現性のある評価が可能になり、相互運用性と適合性が継続的に検証されます。
• 電磁両立性（EMC）: EVSEの放射は、他の電子機器やワイヤレス通信に干渉する可能性があります。EMCテストは、EVSEが常に意図された電磁環境で動作することを保証します。
• プロトコルセキュリティ：安全な認証とデータ交換は、トランスポート層セキュリティ、PnCの公開鍵インフラストラクチャ、およびアプリケーション層の整合性と否認防止のためのXMLセキュリティをテストすることで検証されます。
• デバッグ： デバッグおよび根本原因分析のために、プロトコルトレースビューアと中間者アナライザは、EVとEVSE間の通信および電力信号の観測、キャプチャ、およびデコードを可能にします。

相互運用性テストでは、特殊なテストシステムと手法を使用して、異なるグリッド、EVSE、EV間のシームレスな通信と電力伝送を保証します。これらの手法を以下で見ていきましょう。

• 適合性テスト: 様々な充電規格の公式テストケース仕様を用いた厳格なプロトコル適合性検証により、充電ネゴシエーションを規定する規則への厳密な準拠が保証されます。ネゴシエーションおよびフォールバック動作のテストは、新しいEVモデルと従来のEVモデルの両方との互換性を保証します。EVSEは進化する規格をサポートするように設計できます。
• EVSEエミュレーション： テストシステムは、あらゆるEVをテストするために、設定可能なACまたはDC EVSEをエミュレートします。
• EVエミュレーション: テストシステムは、EVSEの機能、安全性、および性能テストを可能にするユニバーサルな構成可能なEVとして機能します。電子負荷と回生電源を使用してEVの動作をシミュレートします。
• バッテリーエミュレーション： テストシステムは、あらゆるEVバッテリーの容量、テクノロジー、充電状態、または内部抵抗をエミュレートできます。
• 中間者テスト：実際のEVと実際のEVSEの間にテストシステムを配置し、通信および電力信号をパッシブに監視、捕捉、デコードします。これにより、実際の充電セッション中に発生するエラーとその原因をリアルタイムで分析できます。
• 自動テスト：業界仕様に基づいた自動テストケースの豊富なライブラリは、体系的かつ継続的に実行でき、動作を検証し、変更されたパラメータを注入し、合否条件を設定できます。
• コンポーネントレベルテスト：車両内のEV通信コントローラ（EVCC）と充電器内の供給機器通信コントローラ（SECC）は、対向コントローラをエミュレートし、事前にプログラムされたテストケースを実行する通信インタフェーステスターを使用して個別にテストされます。 

EVSE適合性テストと機能テストの違いは何ですか？

EVSE適合性テストは、通常、極限、およびエラー条件下での動作を含め、公式の充電規格および通信プロトコルへの準拠を厳格にチェックします。これは型式承認および認証の前提条件です。

機能テストは適合性テストを超え、EVSEがユーザーの意図どおり、期待どおりに動作し、性能を発揮していることを検証します。