充電器のテスト方法

常時オンの充電器は通常、固定出力を提供します。たとえば、鉛酸トリクル充電器は小さな定電流 (CC) 出力のみを提供します。このタイプの充電器は、定電圧 (CV) または定抵抗 (CR) のどちらかの電気負荷を使用して検証できます。

まれに、このタイプの充電器は、充電プロファイル中にCCまたはCVを提供する場合があります。この場合でも、定抵抗 (CR) 負荷を使用することで電子負荷を使用できます。NI負荷は、CC、CV、CRを提供するため、常時オンの充電器を評価する際に最大限の柔軟性を実現します。 

バッテリ充電器は、バッテリからの電圧を最初に検出するか、外部インターロックが閉じられるか、またはその両方になるまで、出力電圧または電流を提供しません。充電器は、これらのバッテリ検出条件を使用して、バッテリの充電を安全に開始する方法を決定することもあります。たとえば、充電プロファイルは、温度が許容レベルに達するまで待機したり、過放電状態のバッテリを回復するための追加の予備充電ステップを含めることができます。 

このような場合、テストフィクスチャには充電器を「起動」するために必要な小型電源またはリレーを含めることができます。NIの空冷負荷はデジタルI/Oを提供し、追加のテストフィクスチャデバイスを負荷で管理できるようにします。 

NIでは、充電器または小型電源にオン信号を使用できるように接続を提供しています。また、リレー/スイッチを制御して電源を充電器に接続して起動し、後で接続解除することもできます。

^{図1: オン信号の接続例}

充電器は、充電中にバッテリ自体の電力を減らしたり、電力を供給することで、バッテリを「テスト」することができます。一部のバッテリタイプでは、充電が適切に受け入れられ、内部圧力を下げ、またはバッテリ内の化学物質の再吸収を確認するために、これらの「テスト」が必要です。また、一部の充電器では、バッテリを安全に充電する、バッテリの状態を判断する、充電器自体のセルフキャリブレーションを行うために、これらの「テスト」を実行します。検証で使用される手法は、充電器がバッテリを「テスト」する方法、および充電器が通常のバッテリに何を期待するかによって決まります。

^{図2: ソースと負荷を制御PCと組み合わせる}

NIの負荷と電源をPCの制御アプリケーションと組み合わせることは、特に充電器がシミュレートされたバッテリからの素早い応答を必要としない場合、低電力充電器 (6 kW未満) の費用対効果の良いソリューションです。この場合、PCは電源と負荷を調整して、充電中に上昇するバッテリ電圧をシミュレートします。

このシナリオでは、PCをプログラムして、充電器がバッテリの「テスト」を実行するたびに、バッテリの実際の動作をエミュレートするように電源と負荷を制御できます。この場合、PCは充電器から供給される電圧と電流を連続的に測定し、電源と負荷を調整してバッテリ応答をエミュレートします。このプロセスは、シミュレートされた充電プロファイル全体で繰り返されます。

^{図3: バッテリ電圧と充電電流の関係}

より直接的なアプローチは、充電電流の変化によってバッテリの電圧が変化する理由を最初に理解することで実装できます。充電器が充電電流を減少または反転させると、バッテリ端子では電圧がわずかに減少します。同様に、充電器が追加の電流を供給すると、バッテリ端子では電圧がわずかに増加します。どちらの影響も、バッテリの化学的性質と配線接続の内部抵抗によって生じます。

NIの中電力および高電力バッテリサイクル/エミュレータには、バッテリモードがあります。このモードでは、直列抵抗 (RS) と無負荷開回路電圧 (VOCV) をプログラムできます。プログラムすると、システムは充電器に流れる電流の方向とレベルに基づいて出力端子電圧を自動的に調整します。

調整はハードウェアで処理されるため、シミュレーション速度が向上し、統合の複雑さが解消され、PCはテストに集中できるようになります。さらに、充電器は、CC、CP、またはCVの間で変化する場合でも、端子の電圧と電流を制御し続けます。

^{図4:等価バッテリモデル}

^{図5:バッテリモデルの公式}

充電器は、製造元の要件を適切に満たすように出力を変化させます。現在の多くの充電器は、バッテリ、電力会社、またはその両方と通信します。充電ステーションは、周波数を安定させたり、ピーク時の需要スパイクを減らしたり、一時的なバックアップを提供することで電力を供給できます。

バッテリ管理システム (BMS) と通信する充電器は、返されたバッテリデータ情報に基づいて出力を調整します。この方法は、ノートブックPC、車載充電器、ワイヤレス電力伝送システムなど、あらゆるサイズの充電器に採用されています。

^{図6:EV用急速充電システムの例}

テストステーションは、バッテリをエミュレートし、I2C、SMBUSS、またはCANなどの通信インタフェースを提供して、テスト対象の充電器と通信する必要があります。

充電器の出力は、現在の電力グリッドの使用量によっても変化する可能性があります。これらのグリッド対応充電器は、出力を調整して、充電を減らしたり、一時停止したり、遅延させたりする場合があります。これらの充電器は、スマートエネルギープロファイル (SEP) などの標準ベースのプロトコルを使用してスマートグリッドと通信できます。

^{図7:電力会社が管理するEV用の充電システムの例}

局所的なバックアップ電源として車両を使用したり、電力需要のピーク時に電力会社を支援するための多くのイニシアチブが存在します。このような場合、充電器は逆充電され、バッテリから電力を受け取り、電力網を補う分散型発電機として機能し、短期的な電力不足、周波数シフト、またはその他のグリッドの問題に対処します。

^{図8:EV充電器が逆充電され、分散型発電機として機能する車両からグリッドへのシステムの例。}

NIでは、ソフトウェアパッケージおよび完全にドキュメント化されたドライバを提供しており、これらのアプリケーションをテストセットアップに追加することができます。 

電気自動車の導電性充電システムの国際標準 (IEC 61851-1) では、EV充電の4つのモードが定義されています¹。NIのDC電源およびAC電源テストソリューションは、実環境をエミュレートし、EVコンポーネントとシステムのテストや検証に不可欠です。選択するテストソリューションは、充電モードによって異なります。

^{図9: 上から順に、EV充電モード1から4}

AC充電

モード1:AC充電が非常に遅い

モード1は、標準の住宅用ACコンセントから最大16 Aまでの非常に低速なAC充電です。充電は車載充電器 (OBC) に直接行われ、通信は行われません。

モード2/モード3:低速から準急速AC充電

モード2は最大32 Aの低速AC充電、モード3は最大80 Aの準急速AC充電です。これらのモードでは、電気自動車供給装置 (EVSE) プロトコルを使用してバッテリ充電器としての車載充電器 (OBC) に、交流 (AC) が供給されます。充電範囲は、住宅用のモード2で6 kW～22 kW、公共の充電ステーションのモード3で44 kWです。どちらのモードも通信機能を使用して充電を制御します。モード2ではケーブル信号が制御を行い、モード3ではケーブル信号と通信プロトコルの両方が使用されます。これらのモードは通常、モード4と比較してインフラストラクチャコストが低く、可用性が高くなります。ただし、OBCを使用しないモード4とは異なり、OBCを使用すると最大充電速度が低下する可能性があります。

^{図10: 低速/準急速AC充電コンポーネント}

NIは、以下のAC充電用機器を提供しています。

• NHR-9410回生グリッドシミュレータシステムは、電力網をシミュレートします。
• NHR-9430回生AC負荷システムは、AC負荷をエミュレートします。

^{図11: AC充電装置}

DC充電

モード4:DC急速充電

モード4は、通常は公共の充電器からの急速DC充電です。モード4では、DC電源がバッテリを直接充電します。このモードでは、OBCがないため、50 kWから300 kWを超える非常に高い電力で充電が可能です。この高速かつ高電力の充電には、より高いインフラストラクチャコストと、ケーブル信号や通信プロトコルの必要性など、複雑になります。

^{図12: DC急速充電コンポーネント}

NIは、以下のDC充電用機器を提供しています。

• NHR-9410回生グリッドシミュレータシステムは、電力網をシミュレートします。
• NHR-9200中電圧DCバッテリモジュールサイクラとエミュレータおよびNHR-9300高電圧DCバッテリパックサイクラとエミュレータは、バッテリまたはDC急速充電器をエミュレートします。

^{図13:DC充電装置}

グリッドシミュレーションとエミュレーション (車載充電器と車両からグリッド)

EV充電アプリケーションでは、テストエンジニアはバッテリエミュレータを使用して、OBCなどのコンポーネントをテストします。それらのコンポーネントがバッテリに接続されているように見せることで、エンジニアは安全かつ再現可能な環境で、短時間でテストすることができます。NIは、高速過渡機能、回生電力、内蔵安全絶縁リレー、接触器などを備えた、さまざまなモードのEV充電をシミュレートまたはエミュレートするための柔軟なモジュール式バッテリテストソリューションを提供しています。

^{図14: 車載充電器装置} 

• NHR-9410回生グリッドシミュレータシステムは、電力網をシミュレートします。
• NHR-9200中電圧DCバッテリモジュールサイクラとエミュレータおよびNHR-9300高電圧DCバッテリパックサイクラとエミュレータは、バッテリまたはDC急速充電器をエミュレートします。

^{図15: V2G (車両からグリッド) 充電装置}

• NHR-9410回生グリッドシミュレータシステムは、電力網をシミュレートします。
  
• NHR-9430回生ACシステムは、AC負荷をエミュレートします。

^{1.SAEは、これらの充電モードをレベル1=モード1、レベル2=モード2および3、レベル3=モード4のレベルで定義します。}

• バッテリエミュレーションの詳細
• NI 高電力テストソリューションの詳細
• NIのEV充電器テストに対するアプローチ