次世代バッテリーシステムにとって HIL テストが重要な理由

はじめに| エネルギー貯蔵制御がなぜ重要なのか?

エネルギー貯蔵は、既存の電力網を解放し、再生可能エネルギーが日常の電力供給の大部分を賄えるようにするための鍵となります。これまで、ほとんどの電力網運用者は、エネルギー貯蔵ソリューションを既存のインフラに追加して、一時的な需要の急増を緩和する目的で利用しており、日常の電力供給の大部分を担うことはありませんでした。今後、先進的なバッテリーは、再生可能エネルギー電力の比率が高い電力系統の電力網管理サービスにおいて重要な役割を果たすことが期待されています。

エネルギー貯蔵システム（ESS）は、電力とエネルギーという2つの基本的なサービスの提供を目指しています。ほとんどのバッテリーシステムは、どちらか一方のサービスに最適化されていますが、 HYBRISプロジェクトで開発されているHESSのような革新的なハイブリッドバッテリーシステムは、電力とエネルギーの両方のサービスニーズを満たすように設計されています。これを実現するには、バッテリーシステムの新しい制御方法が必要であり、安全に動作することを保証するためにテストを行う必要があります。バッテリーエネルギー貯蔵コンバーターコントローラーとリアルタイムシミュレーションを組み合わせることで、開発初期段階で設計とサービス提供を最適化し、グリッドコードなどの認証や規格に準拠することができます。

例えばマイクログリッドでは、バッテリーは孤立状態の管理、グリッドシステムの同期、そしてグリッド需要を満たすために必要な蓄電エネルギーの供給に不可欠です。そのため、シームレスに孤立状態から再接続する能力が求められます。そのため、パワーエレクトロニクスベースのリソースにおけるインバータの故障応答を、グリッド接続モードと孤立状態の両方で理解する必要があり、ここでハードウェア・イン・ザ・ループ・テストが真価を発揮します。

HIL コンセプト| HIL テストとは何ですか?

ハードウェア・イン・ザ・ループ・テスト（HILテスト）とは、物理システムの仮想モデルによってリアルタイムに生成された信号に実際のハードウェアを接続するテストです。HILテスト中、テスト対象ハードウェアデバイス（DUT）は、実際のシステムと同じ種類の信号を同じ速度と電力レベルで受信するため、実際のシステムで動作していると「認識」します。テスト中に仮想システムモデルを操作することで、通常の動作条件だけでなく、系統障害や逆潮流などの稀な事象が発生した場合でも、DUTが期待どおりに動作することを検証できます。

一般的に、HILテストは2つのタイプに分けられます。図1の右側と中央に対応する電力ハードウェア・イン・ザ・ループ（P-HIL）とコントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）です。電力ハードウェア・イン・ザ・ループでは、バッテリーなどの実デバイスをパワーアンプに接続し、実際の条件下で発生するのと同じ電力レベルを供給できるようにテストします。これは新しいシステムの最終検証に最適ですが、実際の電力を使用するため、非常に高価になる可能性があり、安全上のリスクも伴います。

コントローラのハードウェア・イン・ザ・ループは、図2に示すように、DUTの電力段全体を仮想モデルに置き換えます。実際の電力フローは電力段モデル内のデジタル信号に置き換えられ、コントローラはそれを解釈して制御信号を送信します。このようにして、制御ソフトウェアの動作をマイクロ秒、さらにはナノ秒レベルの分解能でリアルタイムにテストできます。この手法は、複雑な制御、保護、監視システムの開発、検証、トラブルシューティングにおけるゴールドスタンダードです。高電力フローによる安全上のリスクを回避しながら、実際のコントローラを実際の条件下でテストできるためです。

HIL の利点| なぜ HIL なのか?

電気システムは常にバランスが取れていなければなりません。1マイクロ秒でも電力需要が急激に急増すると、高価な機器に壊滅的な損傷を与える可能性があります。ハードウェア・イン・ザ・ループ・テストのコンセプトにより、こうした技術的および商業的な問題を大幅に効率的に解決できます。簡素化されたモデルは、バッテリーシステムの潜在的な設計を迅速に特定する上で重要な役割を果たしますが、HILが提供するリアルタイムテストは、テスト条件下でこれらのシステムが故障する瞬間がないようにするために不可欠です。HYBRISプロジェクトにおいて、これはコンバーターコントローラーの信号が実際のバッテリーシステムに損傷を与えないようにするために特に役立ち、開発中のプロトタイプバッテリーを損傷するリスクを軽減します。

HILは、機器メーカー、製品インテグレーター、ソリューション開発パートナー、そして最終顧客間のコミュニケーションツールとしても役立ちます。HILテスト中に使用されるリアルタイムシミュレーション環境は、テストベンチを損傷することなく、電子機器の安全設定に関する制約を分析・実証するのに役立ちます。そのため、HILテクノロジーは、幅広い故障を高忠実度でシミュレーションし、制御ソフトウェアが適切に動作するかどうかを検証できます。つまり、適切なコンポーネントを選択、サイズ調整、統合し、それらの制御ソフトウェアをテスト・検証できるということです。HYBRISでは、バッテリーシステムとグリッドの両方の高忠実度仮想モデルを用いたバッテリー制御システムのHILテストにより、HESSバッテリーシステムを実際のパイロットサイトの状況に最適なパラメータ設定とサイズ設定を行うことができます。

最後に、HILテストは、シミュレーション環境内のリアルタイムモデルが実システムと実質的に区別がつかないほど高い忠実度を備えている場合、「デジタルツイン」のコンセプトを満たすことができます。このレベルの忠実度を持つリアルタイムモデルを作成するには、現場で使用されるデバイスの構成から、それら間で相互作用する通信プロトコルや通信遅延まで、あらゆる情報をキャプチャする必要があります。HYBRISプロジェクトは、このコンセプトをさらに発展させ、実現場からの実データを高忠実度のHiLモデルに入力することで、実質的に仮想のデモンストレーションサイトを作成することを目指しています。

クレジット

文| セルジオ・コスタ、エレニ・アポストロイドー
ビジュアル| ドラガン・ズーバー、カール・ミッケイ
編集者| デボラ・サント
謝辞| このブログは、Horizon 2020 HYBRISプロジェクトの一環として作成・投稿されました。元の記事はこちらでご覧いただけます。台風HILの助成研究活動の詳細については、助成研究ページをご覧ください。

このプロジェクトは、助成契約番号963652に基づき、欧州連合のホライズン2020研究イノベーションプログラムから資金提供を受けています。