はじめに| 双方向オンボード充電器とV2G
双方向充電はV2G技術の真髄であり、電気自動車（EV）が系統電力を消費しながら、必要に応じて電源として動作することを可能にします。EVは、電源として動作する際に、オフグリッド負荷に電力を供給したり、系統に電力を戻したりすることができます。双方向オンボードチャージャー（OBC）は、このダイナミックなエネルギー交換を可能にする重要なリンクです。これらのチャージャーは、双方向の効率的なエネルギーフローを可能にする高度なパワーエレクトロニクスと制御アルゴリズムを備えています。OBCは双方向電力交換を促進することで、EVが系統安定化に貢献し、再生可能エネルギーの拡大を支援することを可能にします。
双方向充電の変革の可能性は、エネルギーの柔軟性にとどまりません。EVを電力系統に統合することで、数多くのメリットがもたらされますが、特にピークカットは顕著です。需要が集中する時間帯に戦略的なエネルギー供給を行い、需要が低迷する時間帯に再び補充することで、双方向充電は電力系統の負担を軽減します。また、双方向OBCは電力系統のエネルギー変動を多様なEVに分散させることで、局所的な負荷の不均衡を緩和し、電力系統のレジリエンス（回復力）を高めるため、負荷平準化という新たなメリットも生まれます。
双方向オンボードチャージャー（OBC）には、いくつかの電力コンバータトポロジを使用できます。通常、OBCはAC-DCコンバータとDC-DCステージという2つの主要コンポーネントで構成されます。AC-DCコンバータは、外部電源（充電ステーションやグリッドなど）からの交流（AC）を直流（DC）に変換し、車両のバッテリーを充電します。一方、DC-DCステージには2つの重要な目的があります。1つ目は、安全基準を満たす上で不可欠であり、感電の危険を防止するガルバニック絶縁を提供することです。2つ目は、高電圧（HV）バッテリーの要件（例えば1000V）に合わせてDC電圧を昇圧または降圧し、効率的なエネルギー伝送と貯蔵を実現します。例えば、トーテムポール型PFCコンバータは高い効率で知られています。これは双方向充電器にとって極めて重要です。双方向充電器は、車両のバッテリーを充電すると同時に、車両が電源として機能している際に電力網にエネルギーを戻すという双方向のエネルギー変換を効率的に行う必要があるためです（図1参照）。また、トーテムポール型PFCコンバータは4つのパワーエレクトロニクススイッチのみを使用するため、他のトポロジと比較して小型化が可能であり、スペースが限られている車載アプリケーションに有利です。
3レベルNPC/ANPCトポロジ（図2参照）では、スイッチがバス電圧の半分のみを遮断するため、定格の低いMOSFETを使用でき、デバイスへの電圧ストレスが軽減されます。これはSiC、GaN、シリコンスイッチと相性が良く、様々なアプリケーションに適応できます。さらに、NPC構成では出力電流リップルの低下と出力電圧過渡が50%減少するため、大規模なフィルタリングの必要性がなくなり、フィルタインダクタの小型化が可能になります。これにより、インダクタンスを低減しながら電力密度を高め、電流波形の歪みを抑えることができます。また、このトポロジは出力電圧の変動を低く抑えるため、デバイスストレスを最小限に抑え、EMI性能を向上させます。
DC-DC ステージでは、デュアルアクティブブリッジ (DAB) と共振コンバーターのトポロジーが、OBC の魅力的な選択肢として際立っています。DAB コンバーターは高い電力処理能力を誇り、EV の急速充電に最適です。精密な制御と双方向の電力フローにより効率的なエネルギー転送が保証されるため、高電力アプリケーションに最適なオプションとなります。一方、LLC (LLC) 共振コンバーター (図 3 を参照) などの共振コンバーターは、高効率と電磁干渉 (EMI) の低減で知られています。これらのコンバーターは共振周波数で動作し、スイッチング損失と発熱を最小限に抑えます。これは、特に EMI の最小化が重要なシナリオにおいて、OBC の効率と信頼性の向上につながります。DAB コンバーターと共振コンバーターはどちらも、さまざまなアプリケーションのニーズと厳しい仕様の要求に応えながら、OBC の効率と性能に大きく貢献します。
課題| 制御と通信の複雑さ
双方向OBCを多様な車両システムにシームレスに統合することは、eモビリティ業界における重要な課題です。これらの充電器は、バッテリー管理システム（BMS）、電子制御ユニット（ECU）、そして充電インフラとシームレスに通信する必要があります。そのためには、正確なデータ交換、正確なコマンド実行、そして堅牢な障害処理メカニズムを確保するための徹底的な統合テストが必要です。さらに、双方向動作には、無効電力補償、高調波抑制、負荷追跡、電力共有、単独運転防止といった高度な制御アルゴリズムが必要であり、制御システムの複雑さが増す可能性があります。
フォールトトレランスとエラー処理の重要性は軽視できません。双方向OBCコントローラーは、様々な通信エラーに対処し、障害からシームレスに回復できる必要があります。様々な通信異常を再現する包括的なテストシナリオを開発し、充電器の応答を評価することは、自動車エンジニアにとって課題となっています。
もう一つの障害は、通信規格への準拠です。例えば、ISO 15118は、データ交換フォーマット、暗号化、デジタル署名、認証メカニズムなど、EV通信に関する包括的な技術要件を定義しています。これらの技術仕様を正しく実装することは、特にそのようなプロトコルの経験がないメーカーや開発者にとっては困難な場合があります。EVと充電ステーションを導入する前に、ISO 15118への準拠を保証するために、厳格な試験と認証プロセスが必要です。これには第三者の試験機関や認証機関が関与することもあり、コンプライアンスの複雑さとコストが増大します。
HILのメリット| HILで双方向OBCテストを加速
これらの課題を克服し、双方向OBCテストをより高いレベルに引き上げるには、HIL（Hardware-in-the-Loop）テストの力を活用することが不可欠です。HILテストは、制御アルゴリズムと通信プロトコルの早期検証を可能にし、設計上の欠陥を事前に解決し、充電器の双方向機能を正確に調整することを可能にします。
HILテストは、現実世界の状況をシミュレートすることで、物理的なハードウェアコンポーネントへの依存を大幅に低減し、テストサイクルを迅速化し、リソース割り当てを最適化します。さらに、リスクフリーの故障テストを含む多数のシナリオの作成と再現を容易にし、充電器の挙動を包括的に評価できます。
HIL テストは、ISO 15118 などの安全性および通信規格への準拠テストのプロセスも簡素化し、双方向 OBC が業界で定義されたベンチマークに準拠していることを保証します。
Typhoon HILテストは、双方向OBCの検証のための制御されたシミュレーションを提供します。超高忠実度モデルによる現実的なシナリオの実現、自動テストによる効率的な制御アルゴリズムテスト、そして早期の問題検出を実現します。リスクを最小限に抑え、開発を加速し、信頼性が高く最適化されたOBCシステムを保証します。
当社の提供内容の詳細については、 ISO 15118 プラグ アンド チャージおよび XCP over CAN プロトコルの実装、最新のISO 15118 充電プロトコルの更新、および25 ns DC-DC ソルバーの実装に関するビデオ チュートリアルをご覧ください。
クレジット
テキスト|カッシアーノ・F・モラエス、ヘイトール・J・テッサロ
ビジュアル| ミリカ・オブラドヴィッチ
編集者|デボラ・サント、ジュリアーノ・グリグロ
