電気自動車（EV）の世界市場における普及が加速する中、それを支えるインフラも効率性と安全性を確保するために進化が求められている。充電システムはこのインフラの中でも特に重要な要素の一つであり、ユーザーを電気的危険から保護する仕組みが不可欠である。このたび『湖北電力』に掲載された最新の研究は、EV充電ステーション向けに特別に設計されたB形漏電遮断器（RCD）の新たな設計を提案し、電気安全技術における重要な進展を示している。
長江調査計画設計研究院（Changjiang Survey, Planning and Design Research Co., Ltd.）の勒玲玲（ルオ・リンリン）、沈瑞鑫（シェン・ルイシン）、葉磊（イェ・レイ）らによる本研究は、EVエコシステムにおいて懸念が高まっている充電システムでの漏電による感電リスクに着目した。従来のAC形やA形RCDは、家庭用および商業用電気保護の標準として長年利用されてきたが、現代のEV充電環境では次第に不十分となっている。これらの従来装置は、主に正弦波交流（AC）および脈流直流（DC）を検出するように設計されているが、平滑直流や高周波複合波形——まさにEV充電回路で発生し得る電流の種類——には効果的に対応できない。
ACとDCの両充電技術の台頭に伴い、漏電電流の性質はより複雑化している。AC充電システムでは、車載充電器がACをDCに変換する過程で、電流に高調波歪みや高周波成分がしばしば生じる。DC急速充電システムでは、変換が外部で行われるため、純粋なDC電力が直接バッテリーに供給される。いずれのシステムでも——充電ユニット、ケーブル、または車両自体の——絶縁劣化が生じれば、従来のRCDでは検出できない危険なDC漏電電流が発生する可能性がある。
この技術的格差は重大な安全リスクをもたらす。人体の電流耐性、特にDCに対するそれは限られており、30mAという低い電流値から生理学的影響が現れ始める。適切な保護がなければ、故障状態が重傷や死亡事故に繋がる恐れがある。これを認識した国際安全規格は現在、EV充電用途でのB形RCDの使用を推奨している。先行する形式とは異なり、B形装置はAC、脈流DC、平滑DC、および1,000Hzまでの複合波形を含む、幅広い残留電流を検出することが可能である。
その重要性にも関わらず、B形RCDは高コストや外国メーカーによる技術的独占により、これまでほとんど利用可能ではなかった。場合によっては、単一の220V家庭用B形RCDの価格が10kV遮断器に匹敵することもあり、EVの広範な普及に対する重大な障壁となっている。勒、沈、葉らによる本研究は、革新的な磁気コアトポロジと先進的な材料選択を活用し、国内で実現可能かつ費用効果の高い設計を提案することで、この依存状態の打破を目指している。
彼らの設計の核心は、異なる電流種別を独立して検出できる二重コア構造である。上部磁気コアはACおよび脈流DC成分の監視を担当し、下部コアは平滑DC漏電の検出を専門とする。この役割分担は検出精度を高めるだけでなく、複雑な波形認識アルゴリズムの必要性を回避することで、システム設計全体を簡素化する。
上部コアは、従来のRCDで一般的な零相変流器と同様の原理で動作する。しかし研究者らは、平坦なヒステリシスループと高い透磁率を備えたコア材料の選択の重要性を強調する。これらの特性は、現実の充電シナリオで一般的なDCバイアスが存在する場合でも、コアがその線形動作範囲内に留まることを保証する。これにより信号歪みが防止され、残留電流のAC成分が二次巻線に正確に反映される。このような材料がなければ、磁気コアは早期に飽和し、装置を無効にしてしまう可能性がある。
DC検出を担当する下部コアについては、チームは磁気変調技術——強磁性材料の非線形飽和特性を利用する方法——を採用している。この設定では、高周波の方形波励振信号が二次巻線に印加され、コアを磁気飽和の反復サイクルに駆動する。一次側（つまり充電回路）にDC漏電電流が流れると、磁気バイアスが生じ、コアの飽和タイミングを非対称にシフトさせる。この非対称性は、励振電流における測定可能なDCオフセットとして現れ、容易に検出されて遮断機構の作動に利用できる。
この設計における主要な革新の一つは、下部磁気ユニットのコア材料の選択である。研究者らは、高い残留磁気（外部磁場除去後も保持される残留磁化）を有するアモルファスまたはナノ結晶合金の使用を推奨している。これらの材料は、低い鉄損と優れた高周波特性で知られ、磁気変調システムでの使用に理想的である。さらに重要なのは、高い残留磁気が磁歪（磁性材料が磁場の下で形状を変化させる現象）を抑制する助けとなり、ヒステリシスループの歪みを防ぎ、正確なDC測定を可能にすることである。
チームはシミュレーション目的で、日立のMetglas-2605S3Aという高残留磁気アモルファス合金を選択した。Multisimソフトウェアを使用し、様々な条件下での磁気変調回路の挙動をモデル化した。DC漏電電流が存在しない場合、励振電流は完全な対称性を示し、正と負の半波が等しく、正味のDC成分はゼロとなった。一次側に0.5AのDC漏電を導入すると、励振電流波形は下方にシフトし、負のDCオフセットを示した。計算によれば、測定されたDC成分は約-4.98mAであり、巻数比100:1を考慮した理論値-5.0mAに極めて近い値であった。この高い精度は、磁気変調アプローチの有効性を確認している。
この研究を従来の試みと区別するのは、信号処理に対する実用的なアプローチである。複雑な電流波形をリアルタイムで識別・分類しようとする——計算集約的でエラーが発生しやすい作業——のではなく、著者らはより単純な方法：直接整流を提案する。検出された残留電流を単方向信号に変換し、所定のしきい値と比較することで、システムは波形のスペクトル内容を分析する必要なく、遮断が必要かどうかを判断できる。これによりハードウェアの複雑さとソフトウェアのオーバーヘッドの両方が削減され、量産装置への実装がより堅牢かつ容易になる。
充電システム内でのB形RCDの配置もまた、重要な検討事項である。著者らは、装置を充電ケーブルの下流や車両内ではなく、充電ステーション自体に設置すべきであると主張する。これにより、ユーザーだけでなく充電インフラ全体に対する保護が提供される。充電ユニットまたはその内部配線で故障が発生した場合、下流に設置されたRCDは漏電を検出できず、システムは無防備なままとなる。RCDを源流に配置することで、ケーブル、コネクタ、車両インレットを含む全ての下流コンポーネントが単一の保護の傘の下でカバーされる。
システムレベル観点から、この設計の意義は広範囲に及ぶ。都市部がEV充電ネットワークを拡大するにつれ、信頼性が高く手頃な価格の国産安全装置を展開する能力が不可欠となる。輸入B形RCDへの依存は、コストを押し上げただけでなく、サプライチェーンの脆弱性も生み出してきた。実行可能な代替案を示すことで、研究チームは現地製造への道と製品仕様に対するより大きな管理権を開く。
さらに、この設計はスマートグリッド開発とエネルギー転換政策におけるより広範な潮流にも合致する。より多くの再生可能エネルギー源が系統に統合されるにつれ、インバータや整流器などの電力電子変換器の普及が増加する。これらの装置は、従来の保護システムを妨害する非正弦波電流を発生させる。したがって、このような波形を扱えるB形RCDは、EV充電だけでなく、太陽光発電設備、エネルギー貯蔵システム、産業用駆動装置にも適用可能である。
有望な結果にもかかわらず、研究者らは残るいくつかの課題を認めている。最も重要なものの一つは、高性能磁性材料の入手可能性である。中国は材料科学において進歩を遂げているが、特に磁性特性が厳密に制御された特定の先進合金は、輸出規制の対象となるか、特殊な生産技術を必要とする場合がある。国内の代替材料が開発されない限り、これは提案されたRCDの大規模な商業化を妨げる可能性がある。
加えて、磁気コアと関連巻線の物理的配置は性能に影響を与える可能性がある。漏洩磁界、電磁妨害、熱影響などの要因は、製造過程中に注意深く管理されなければならない。現在の研究はシミュレーション目的でこれらの側面を簡素化しているが、実世界での実装には厳格なテストと最適化が必要となる。
将来の探求すべきもう一つの領域は、デジタル通信機能の統合である。現代のRCDは、監視とデータ記録機能を備えることが増えており、ビル管理システムや utility ネットワークとの連携を可能にしている。このような機能を提案されたB形RCDに追加すれば、スマートシティアプリケーションにおけるその価値を高め、遠隔診断、予測的保守、および改善された系統可視性を可能にするだろう。
設計の環境への影響も注目に値する。電気的故障を防止し火災リスクを低減することで、RCDはシステム全体の信頼性と長寿命化に貢献する。さらに、アモルファスおよびナノ結晶材料の使用は——製造にエネルギーを要するものの——低い鉄損により長期的な効率上の利点を提供する。装置のライフサイクルを通じて、これらの節約は初期の環境コストを相殺することができる。
結論として、勒玲玲、沈瑞鑫、葉磊らによって設計されたB形漏電遮断器は、EV充電インフラにおける電気的安全に対して前進する重要な一歩を表している。二重コアトポロジを先進的な磁性材料と簡素化された検出戦略を組み合わせることで、チームは技術的に健全かつ経済的に実行可能な解決策を創り出した。彼らの仕事は差し迫った安全上の必要性に対処するだけでなく、エネルギー自立と技術的自立というより広範な目標も支持する。
世界が電動輸送へ移行する中、このような革新は国民の信頼を構築し、EVの安全で広範な採用を確保する上で極めて重要な役割を果たすだろう。このような技術の成功は、工学的卓越性だけでなく、研究者、製造業者、規制当局、政策立案者間の協力にも依存する。継続的な投資と支援により、ここで提示されたような解決策は、より安全で、より清潔で、より持続可能なエネルギー未来への道を切り開く一助となることができる。
勒玲玲、沈瑞鑫、葉磊、長江調査計画設計研究院、湖北電力、DOI: 10.19308/j.hep.2024.01.004