電気自動車の充電と充電器の設計

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電気自動車とは

電気自動車は、電気駆動のモーターを動力源にしている自動車の総称で、車載の蓄電池から電力を供給してモーターを駆動させている。電気自動車はEV( electric vehicle )とも呼ばれている。

電気自動車は昔から遊戯施設などで使用されていたが、繰り返し充放電を行える性能を持ち、大電流による急速充電が可能なリチウムイオン電池が開発され、自動車分野における発展が進んでいる。

地球温暖化対策や、省エネルギー、CO2排出量の観点から、電気自動車が注目されており、国内での普及が急速に進んでいる。2つ以上動力源を持つ電気自動車として、ハイブリッドカーが以前から広く普及している。ハイブリッドカーも電池とモーターを持っている電気自動車の一種であるが、一部車種を除き外部電源から充電できない。

一般にEVと呼ばれる電気自動車は、内燃機関によるエンジンを一切持たず、100%電気のみで駆動する電気自動車として開発されており、日産リーフ、三菱i-MiEV、富士重工業プラグインステラが代表的である。日産リーフ、三菱i-MiEVは一般に市販されているが、富士重工業プラグインステラは業務用としての販売のみが行われている。

EVは100%電気自動車といわれるように、駆動はすべて電気エネルギーで賄われており、内燃機関を持っていない。電気自動車はフル充電で100km~160kmの航続距離を持っているが、スピードを出すほど、またはエアコンの空調機を使用するほど電力消費が激しくなり、航続距離が短くなる特徴がある。

電気自動車は、外部電力によって充電する必要があるため、電気自動車充電器の計画が不可欠となる。日本国内のエネルギー基本計画では、普通充電器200万基、急速充電器5,000基が示されており、公共・民間ともに設置を進めている。

電気自動車の充電システム

電気自動車の充電器は、単相100V・200V、動力200Vの3種類が普及している。一般家庭では単相100Vや200Vを得るのは容易であり、自宅の駐車場に充電器を設置すれば、簡単に充電できる。

電気自動車を充電するためには、専用の充電設備を設置し、一次電源として「単相電源」または「三相電源」を供給する。一般家庭では単相電源しか用意できないため、数時間かけてゆっくりと充電する「単相電源」の方式に限られる。業務施設やサービスエリアでは、高速で充電できる「三相電源」の充電器も使用可能である。

一般家庭用の電気自動車充電は「安価な深夜電力を利用して充電し、翌朝には満充電となっている」という使い方が想定されるため、急速に充電器できる上位機種を用いる必要はない。

充電速度による充電器の違い

電気自動車充電器は、充電速度により「普通充電」「急速充電」に分類されており、大電力を得ることが困難な家庭用、小規模事業所用では普通充電器を設置する。大電力を得られる公共施設では、短時間で充電できる急速充電器を設置できる。

急速充電器はその特性上、極めて大きな電力を必要とする。30分で80%程度まで充電できる急速充電器は、消費電力50kWという大電力を消費するので、低圧受電での利用は不可能である。業務用の高圧受電がなされていることはもちろん、50kWという大電力を問題なく供給できる受変電設備が完備されていることが条件となる。

単相電源による電気自動車の充電

200Vまたは100Vの単相電源で電気自動車を充電する方法である。200Vの場合約7時間、100Vの場合は約14時間でバッテリーの充電が完了する。電池容量が大きな「日産リーフ」は、200Vコンセントを用いても8~10時間もの充電時間を要する。

充電までの時間が長いため、単相電源による充電器は、自家用車など「深夜に継続的に駐車できる環境」に適している。家庭用としては比較的大きな電力を、10時間に渡って使用するので、深夜電力が安価なプランに加入していないと光熱費が増大してしまう。

単相電源での充電は、プラグ先端をコンセントに接続し、自動車側の充電ポートに接続するという単純なものである。充電は大きな電力を長時間使用するので、深夜など、電気料金の安価な時間帯だけ充電する「タイマー充電」が一般的に行われる。深夜電力が安価な電力契約プランを設定していなければ、膨大な消費電力による電気代の増加となるため注意が必要である。

電気温水器やエコキュートなど「深夜に使う蓄熱機器のみに適用される」契約は適用できない。東京電力を例にすると「おトクなナイト」契約など、家庭用の電力全てを夜間割安なメニューに変更すれば、比較的安価な電気料金での充電が可能である。

一部メーカーでは、単相電源で急速充電する充電器が開発されているが、電流値が非常に大きく、電源供給側の設備の変圧器・遮断器・ケーブルサイズなどが過大となる。動力電源とすれば、単相電源よりも各種供給設備を小さくできる。

100V充電用コンセントは、一般の家電製品でも使用されている平刃の15A接地極付きコンセントであるが、200V充電用コンセントの場合、いくつか種類があるので、コンセント側が接続可能か確認すべきである。従来は、回転ロック機構の引掛型20Aコンセントであるが、プラグロック機構の平刃20Aコンセントが対応されている。

マンションや戸建住宅、業務施設の駐車場において、メンテナンス用にコンセントが設置されるが、雑用コンセントは大電流を使用する想定がされていないため、近くにあることを理由にEV充電用のコンセントとして利用してはならない。

ブレーカーが落ちたり、異常発熱を引き起こす原因となるため注意を要する。

動力電源による電気自動車の充電

充電器に接続して、30分程度の充電時間で、電気自動車のバッテリーを80%まで充電できる大容量の急速充電器は、大きな電力を必要とするので、動力電源による供給が一般的である。

急速充電器は、サービスエリアやパーキングエリアなど、中距離や長距離を運転するユーザー向けとして、短時間での充電システムを提供する場合に採用される。動力電源を用いた急速充電器は、普通充電の30倍以上の速度で充電できる大容量充電器で、15分~30分という非常に短い時間で、バッテリ残量警告灯が点灯した電気自動車の蓄電池を、80%以上まで一気に充電できる。

しかし、急速充電器は消費電力が非常に大きいという問題がある。動力電源は49kWを超過すると、高圧受電による電源供給が必要である。急速充電器は40kW~50kWの動力電源が必要であり、高圧受電の建物でなければ設置は不可能である。

大容量の受電設備を備えた業務施設であっても、急速充電器は充電時に大きな電力を消費し、デマンドを押し上げてしまうため、電力会社の基本料金が増加してしまったり、従量料金が高くなることも考えられる。

大規模施設に充電器を採用する場合であっても、増加する電気容量が施設の負担にならないか、十分な検討が必要である。

最も容量の大きな50kW急速充電器は、電力管理の大きな負担となる。高圧受電で動力変圧器を導入している需要家でも、50kWの消費電力を持つ動力機器が追加されると、動力用変圧器の容量を大きく占有する。

既存の電気容量が不足する場合は、急速充電器を採用せず、中速・中容量である「中速充電器」を採用することを検討すべきである。

中速度の電気自動車充電器

中速度の充電器は、急速充電器の低容量版として生産販売されている電気自動車充電器で、普通充電の10倍程度、急速充電器の1/2~1/3程度の速さで充電できる電気自動車用充電器である。

記載の通り、充電時間は急速充電器よりも遅く、60分~90分程度の時間が必要になるが、消費電力を半分以下に抑えられるため、変圧器など施設の電気設備への負担を軽減できる。

サービスエリアなど、充電車両を数多く処理したい場合には不適であるが、ショッピングセンターやスーパーマーケットなど、利用時間が1~2時間以上の用途であれば、30分で帰ってしまうことは考えにくく、速度を落とした電気自動車充電器であっても、十分な充電時間が確保できる。

充電スペースに駐車して充電を開始し、買い物などを済ませて車両に戻ってくるまでの時間があれば、目標となる「80%以上」までの充電を完了できる。急速充電器を整備するための受変電設備への負担も軽減され、本体価格も安価であり大きなメリットがある。

超高速充電器の開発

ガソリンなど、燃料を使用する自動車と同様、数分で80%まで充電することが可能な、200kW充電システムの研究開発が進んでいる。400~500V、400Aの電源で充電することにより、50%充電まで3分、80%充電まで8分という短時間で、電気自動車の搭載バッテリーを充電できるという高性能充電器である。

大電力を供給するため、充電器本体に蓄電池を内蔵し、この蓄電池から電力を供給することで安定した充電を可能とする。

内蔵蓄電池には「SCiB」と呼ばれる二次電池が採用される。10,000回以上のサイクル充電回数、急速充電性能の向上、高い入出力性能などを持つほか、最大充電電流50Aという大電流で充電できるという特性があるため、最大電流であれば1セル5分で満充電可能という利点がある。

電気自動車の充電に必要な電力と電気代

電気自動車充電器の充電は、消費した電力が電気料金となる。「三菱i-MiEV」は16kWh「日産リーフ」は24kWhや30kWhの蓄電池を内蔵しており、この電池を充電する。急速充電器を使用した場合、30分で80%充電となる。30kWhの蓄電池を搭載した日産リーフに対して、25kWhの充電を行った例を計算する。

急速充電器を高圧受電の施設で使用した場合

諸所の条件を省略し、単純に「急速充電器を用いて25kWhの充電を行った」として計算する。実際の充電運用では、フル充電になる5~10分前に、充電器出力を少しずつ弱めることで、電気自動車側の蓄電池に過度の負担を与えないような充電設計がなされている。充電器の消費電力と、充電時間を掛け合わせた数値にはならない。

25kWhの消費電力は、高圧の業務用電力であれば、16円/kWh程度の電気料金なので、これを元に計算する。

  • 25[kWh] × 16円/kWh = 400円

結果、充電1回の電気料金は400円となった。

200Vの倍速充電器を家庭で使用した場合

同様に、家庭用の電気自動車充電器で、25kWhを充電する計算する。おトクなナイトなど、昼間割高であっても夜間電力が安価なプランを想定し、13円/kWhで計算する。

  • 25[kWh] × 13円/kWh = 325円

結果、充電1回の電気料金は325円となった。夜間電力の電気代が安価ではない「従量電灯」の契約では、さらに高い電気料金となる。従量料金体系は、1段、2段、3段と、使用量に応じて割増されていく計算方式となっているが、平均化して「24円/kWh」で算出する。

  • 25[kWh] × 24円/kWh = 600円

従量料金契約では、1回の充電で600円という結果となった。

ガソリン車と電気自動車の燃費比較

ガソリンを用いた普通常乗用車の燃料費と、電気自動車の充電費用を比較する。

ガソリン車の燃費が「20km/L」と仮定し、ガソリン「6L」の販売価格と比較すれば、電気自動車の充電料金と、ガソリンの燃料費の比較が可能と考えられる。ガソリン車の燃費を20km/Lと想定した根拠は、国土交通省 自動車燃費一覧(平成26年3月)である。

電気自動車の1回の充電で、100~150kmの走行が可能とのデータを元に、120kmを走行した場合の電気料金と、燃料費を比較する。電気自動車は、従量料金契約をしている一般家庭で、夜間割引がされていないパターンとする。

  • ガソリン車:120[km] / 20[km/L] × 120[円/L] = 720円
  • 電気自動車:600円(従量電灯)

計算上、電気自動車を充電する電気料金が、ガソリン価格を下回った。深夜電力が安価な契約であれば、より数値の差が開いていくものと思われる。電気自動車は、車両内部の電気機器を稼働させると、蓄電した電力を失っていくので、カタログ値である120kmを走行できない場合がある。

机上計算では電気自動車が有利に見えるが、条件によっては結果が反転することも考えられるので、参考値として理解頂きたい。

電気自動車充電器の設計(普通充電)

普通充電器は、単相100Vまたは200V電源から供給する。定格20Aが標準であり、通常の20Aの遮断器から電源供給を行う。自動車の充電という特性上、屋外に設置される電源設備という位置付けである。感電防止のため、漏電遮断器の二次側に配置する。

分電盤側で漏電遮断器が設置できるなら問題ないが、漏電遮断器で保護されていない場合は、充電器側に漏電遮断器を設けるのが原則である。充電時はほぼ定格一杯の電流が流れるので、必ず専用回路とすべきである。充電中は常に15~16Aの電流が流れるため、電源ケーブルは VVF-3C 2.6mm や CV-3C 3.5mm2 など、十分な許容電流値を持つものを選定するのが望まれる。接地工事はD種接地工事が必要である。

盗電を防止するため常時通電せず、オンオフスイッチを室内に設けることも考慮する。電源供給用の配線用遮断器でオンオフするのは、遮断器を著しく摩耗してしまい事故の原因となる。電源をオフにする必要がある場合は、必ず遮断器の二次側にスイッチを設けるよう計画すべきである。

コンセントの取付高さ

充電用コンセントは、電気自動車の充電口の位置、ケーブル長さ、水跳ねによる漏電被害などを考慮し、地上高さ1mの位置に設置するのが一般的である。メーカーでは、90cm~120cmの高さを推奨している。

積雪のある地域など、地上高さが変動する可能性がある場合は、さらに高い位置に設置することも検討しましよう。コンセント本体は防水性能を持つ製品を選定し、漏電に配慮する。

一般的な清掃用や、メンテナンス用コンセントのように、高さ30cm~50cmの位置に設置すると、毎日の利用では負担となりがちであり、屈んだりすることのない高さにすると、日々の負担が軽減できる。

コンセントの回路設計

一般家庭や小規模事務所では、駐車場にコンセントが設置されるが、電気自動車充電用コンセントは、充電のために大電流が長時間流れ続くので、作業用コンセントを充電用として流用するのは避けると良い。

電気自動車の充電器は、回路が受け持つ事ができるほぼ最大の消費電力を長時間使用するため、照明や他の設備が接続されていると、保護用の一次側ブレーカーの容量に達してしまい、過電流でブレーカーが落ちてしまう事が考えられる。

電気自動車充電用のコンセントは、必ず「分電盤から単独回路」とし、他の電気設備が接続されないような配線計画とすべきである。

電気自動車充電器の設計(急速充電)

急速充電器は、動力200V電源から供給するのが基本であるが、一部の中速度の充電器では単相電源からの供給もある。10kW~50kWの大電力を必要とする製品のため低圧需要家での設置は難しく、ほとんどの場合高圧受変電設備からの供給となる。高圧受変電設備を設置する場合、電気主任技術者の選任、保安規定の届出など、運用コストに大きな影響を及ぼす。

50kW級の急速充電器では、定格電流150Aが電源ケーブルに流れるので、この電流値に十分耐える許容電流を持つケーブルを選定しなければならない。充電器には接地を施す必要があるが、300Vを超える直流の電圧を発生させる場合、10Ω以下の接地抵抗値を確保したC種接地工事が必要になるため注意を要する。普通充電器、急速充電器のどちらを施工する場合も、電気工事士の免状所持者による工事が必須である。

急速充電が電気自動車の蓄電池を劣化させないかという点については、電池の充電を制御するマイコンにより、充電時の電池残量や温度などを監視し、電池に悪影響を及ぼさないように制御されているため、劣化はしないとされている。

車両による接続口の違い

EVは車種によって充電口の位置が違う。リーフは車両前面中央、ステラは車両後方右側、アイミーブは車両後方左側に充電口があるため、充電器設置位置によっては接続がしづらいといった問題がある。駐車スペースのセンター位置に設置するのではなく、若干左右に位置をずらし、車止めのセンター位置に設置することで、どの方向に対してもコネクタが届きやすくなる。

車止めの設置

充電装置と車両が接触しないよう、車止めを設置することも検討する。現行の3種類の電気自動車は車止めから大きく車両が飛び出さない形状をしているが、電気自動車充電スペースと一般車両の駐車スペースが同一となっている場合、充電装置と車両が接触しないよう、鉄製パイプバリカーなどを設置すると良い。

バリカーを設置する場合は、充電装置のメンテナンスの支障にならないような位置とすること、抜き差しができる形状とすることなど、設置位置に十分な配慮が必要となる。

充電作業時の雨対策

充電器本体は防雨仕様となっているため、雨天時でも支障なく充電できる。しかし作業者が雨に当たってしまうため、充電装置は軒下など雨の当たらない場所に設置するのが望まれる。

漏洩電流の対策

急速充電器の電源ラインには、ノイズを除去するためのノイズフィルタを搭載している場合がある。ノイズフィルタは特性上、発生したノイズを大地に流するので、mA単位の常時漏洩電流が発生する。

この漏洩電流は、一次側にある漏電遮断器や漏電警報器を不要動作させる原因となるため、メーカー推奨の漏電遮断器の動作感度に設定し、不要動作を予防する計画とする。複数台の急速充電器を設置する場合は、漏洩電流が重複して大きな電流となるため、漏電保護が不可能である。必要範囲で負荷を分散し、適切な漏電保護が可能になるよう計画すべきである。

急速充電器の設置と法規

急速充電器を設置する場合、各種法規に抵触しないかを確認する。駐車場に急速充電器を設置する場合、通常の駐車スペースとしてではなく、充電用の停車スペースとなるため、駐車場の台数から除外せざるを得ない。駐車台数が減となった場合、大規模小売店舗立地法(大店立地法)で届け出る駐車台数に変更が伴う。駐車場附置義務で規制されている場合、台数不足とならないよう確認が必要である。

急速充電器は10kW~50kWの大電力を使用するので、火災予防条例で規制されないか、所轄の消防署や消防本部に確認することも重要である。建物からの離隔距離の確保や、使用開始届の提出が求められる場合があるので、設置計画前に管轄する行政機関への相談を行うべきである。

東京消防庁の「変電設備」としての事例

東京消防庁では、電気自動車の充電設備のうち「設備内部の変圧器で変成する全出力20kW以上の電気自動車用急速充電設備」を、火災予防条例の「変電設備」として規制している。

充電器が変電設備に該当する場合、屋外駐車場に単独設置できないばかりか、建物からの離隔の確保、一般ユーザーが使用できないの制限が課せられ、運用に支障をきたす事が考えられる。東京消防庁では、電気自動車急速充電器の特例を申請し、一般ユーザーが使用しても問題ない安全性が確認できた場合は、火災予防条例の規定によらないことができるとしている。

特例の要件はいくつかあるが、電気工事士が施工を行う、可燃性・不燃性ガスのある場所に設置しない、充電前自己診断機能を持つ、充電コネクタが接続されないと作動しない、充電コネクタ電圧印加中はコネクタが外れない、といった要件を満足した電気自動車充電器を設置し、手続きを実施しなければならない。電気自動車充電器本体が変電設備に該当するため、専用の消火器を設置し、消防用設備等設置届を提出し検査を受ける。

電気事業者と電気事業法

電気自動車に充電するという行為は、電力会社の電気を再販しているようにも考えられるが、電気自動車充電器による電力の供給は「電気事業法における「一の需要場所」内の電気のやり取り」であり、電気自動車に内蔵した蓄電池に充電するだけであり、電気事業法に規定されている「需要に応じた電気の供給」には該当しないという見解になる。

電気を供給する事ができる事業者は「一般電気事業者:電力会社」「卸電気事業者:電力会社に電気を供給する事業者(200万kW超)」「卸供給事業者:一般電気事業者と10年以上1,000kW超の供給契約・5年以上10万kW超の供給契約を交わしている者」「特定規模電気事業者:契約電力50kW以上の需要家に、一般電気事業者の電線路を通じて電力供給を行う事業者」「特定電気事業者:限定区域に、自らの発電設備や電線路を用いて電力供給を行う事業者」に限られている。

電気自動車の充電器によって電気を販売するという行為は、これらのいずれにも該当せず、電力を供給できる。電気自動車の充電は、携帯電話の充電サービスと類似している。携帯電話の充電は「1回◯◯分の充電で◯◯円」というシステムで電力を販売しているが、これは「電力の再販」には当たらないとされている。考え方によっては「携帯電話充電サービスが大規模化したもの」と解釈することもできる。

CHAdeMO規格

急速充電の規格として、CHAdeMO方式が採用されている。「CHArge de MOve」から来ている造語で「CHArge de MOve = 動く,進むためのチャージ」「de = 電気」「充電中にお茶でもいかがですか」の3つの意味を持つとされている。

電気自動車は、車種によって容量や仕様が違う電池を搭載しているため、急速充電を行うためには、電池に過電流を流すことなく適正容量の電流に調整し、急速充電する。電気自動車にはECUと呼ばれる電池状況を監視するコントロールユニットが搭載されており、充電中の電池充電状況を常時監視し、充電に必要な電流値を予測することで最適な急速充電を実現している。

電気自動車充電器の補助金制度

電気自動車の充電器を設置する場合、補助金制度を利用することにより設置負担を軽減できる。次世代自動車振興センターにより、充電器を購入し設置する場合に、本体価格の半額(上限設定あり)まで補助を受ける事が可能である。

平成24年2月7日までに、電気自動車の充電器を設置する場合、所定のメーカーの製品であれば補助金を受ける事が可能である。財産の保有義務として8年間は、許可無く処分できない。許可無く処分した場合、補助金の返納を求められる。

電気自動車充電器本体価格は、普通充電器は200,000~400,000円、急速充電器は2,000,000円~4,000,000円が定価として設定されているが、補助金の交付額は定価ではなく実際の仕入れ価格が基準となる。

電気自動車充電器の課金

電気自動車充電器は、電気事業法における事業規制対象外と判断されている(平成23年9月現在)ため、充電サービスの提供によって課金を行うことは可能である。充電器を使用させることによって課金を行う方法はいくつか考えられるが、1回の充電に定額課金を行うもの、電力量計によって電力量を計測して課金する、充電時間によって課金するなどが考えられる。

使用した電力量で従量課金を行う場合、電力メーターは計量法の検定に合格したものを使用しなければならない。計量法の認定は期限が定められており、期限切れの電力メーターで課金するのは計量法違反となるため注意が必要である。

充電するために使用した電力量を使用せず、充電の回数による定額制にしたり、充電時間による定額制とする場合には、計量法に基づく電力量計の設置は不要である。

電気自動車(日産リーフ)をバックアップ電源として活用する事例

日産リーフは、深夜貯蔵した電力を家庭用の電源として活用できるシステムがある。LEAF to HOME という名称で販売されているが、電力消費のピーク時に電気自動車から電源供給することで、ピークシフトに貢献できる。

リーフは24kWhの蓄電池を搭載している。4人家族の月あたりの消費電力量を300~400kWhとした場合、2日間程度の電力を供給できる。瞬時の最大出力は6kW程度まで可能なため、エアコン、ドライヤー、電子レンジといった大型の電気機器を使用することも可能なため、非常時のバックアップ電源としても有効である。充電は、200Vを使用した普通充電となるが、2200V30Aによるため、約4時間で充電を完了できる。

リーフ本体を蓄電池として利用する場合、平日に車を外に出してしまっては意味がない。

  • 朝夕街乗り程度の自動車利用頻度
  • 昼間は自宅に自動車がある

というように、いわゆる週末ドライバーと呼ばれる自動車利用頻度でなければ、蓄電池設備として有効な利用は困難である。より大きな節約効果を生み出すには、電気の契約を「おとくなナイト」といった、深夜電力が安価なプランに契約していることが条件となる。

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