はじめに| ハイブリッド鉱山トラックの電力管理の革新
鉱業分野において、大型車両の運用効率は競争力と持続可能性にとって不可欠です。U&M Mineração e Construção が使用するような鉱山トラックは、大量の燃料を消費し、排出量とメンテナンスコストに大きく影響します。これらの課題に対処するには、エネルギー効率と信頼性を向上させ、排出量を削減する革新的な技術を導入することが不可欠です。
有望な解決策の一つとして、鉱山トラックへの蓄電システムの統合が挙げられます。この技術は、本来であれば無駄になるブレーキエネルギーを有効活用し、蓄電して車両の推進力として再利用します。これにより、燃料消費量を削減できるだけでなく、排出量と内燃機関の摩耗も低減し、より持続可能で費用対効果の高い操業が可能になります。
このアプローチの顕著な例として、U&M Mineração e Construção が使用する186トンの鉱山トラック、Komatsu 730Eが挙げられます。Komatsu 730Eは元々バッテリーシステムを搭載していませんでしたが、現在のプロジェクトでは車両にバッテリーを統合することを目指しています。この統合により、トラックはブレーキエネルギーを抵抗器グリッドで消費するのではなく、回生できるようになります。この複雑なシステムを効率的に管理するために、1.2MWのDC-DCコンバータが設計されました。このブログでは、このコンバータの開発において、信頼性と性能の両方を向上させるTyphoon Hardware-in-the-Loop（HIL）システムが果たした役割について考察します。
課題| ハイブリッド採掘トラック 1.2 MW DC-DC 検証
Komatsu 730E用の高出力DC-DCコンバータの開発には、いくつかの課題があります。このような大型車両の運用には、燃料消費量と設置スペースの両方において多大なコストがかかります。コンバータは、過酷な動作条件下で効率と信頼性を維持しながら、高い電力レベルに対応する必要があります。さらに、高出力システムを扱うには大きなリスクが伴い、故障は機器に壊滅的な損傷をもたらし、人員の安全に深刻なリスクをもたらす可能性があります。従来のテスト方法では、このような複雑なタスクに必要な洞察と柔軟性を十分に提供できないことがよくあります。エンジニアは、現実世界の状況を正確にシミュレートし、開発プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定するために、堅牢で柔軟なテスト環境を必要としています。
ソリューション| 高度なシミュレーションとテストのためのTyphoon HIL
プロジェクトの検証にはTyphoon HILが使用され、様々な条件下でのコンバータの動作を詳細に分析することができました。このシミュレーションプロセスは、すべてのコンポーネントの調和のとれた動作を保証し、システム開発を最適化するために不可欠でした。
このプロジェクトには、制御ボードとTyphoon HILの間にインターフェースボードが組み込まれていました。この構成では、制御ボードで生成されたデジタル信号が、シミュレートされたIGBTのデジタル入力としてHILに送信されます。同時に、シミュレートされたコンポーネント間の電流と電圧の測定から得られたアナログ信号は、振幅と接続タイプ（差動またはシングルエンド）の両方において、実世界の信号をエミュレートするようにスケーリングされます。これらのアナログ信号は制御ボードにフィードバックされ、制御アルゴリズムによって処理された後、IGBT用のデジタル信号に再計算され、このサイクルが継続されます。
バッテリーパック、コンタクタ、DC-DCコンバータから始まり、トラックのダイナミクスをエミュレートするまで、システム全体の完全なシミュレーションを実施しました。これには、空気抵抗、慣性、ギア比などの要素を考慮し、トラックのダイナミクスに対応するモデルにトルクを供給するDC電気モーターが含まれます。これらの要素を使用して機械速度を計算し、DCモーターに返すことで、制御基準に対する車両の実際のダイナミクスを詳細に観察できます。
Typhoon HILはCANopenネットワークエミュレーションもサポートしています。メーカー提供のファイルを使用することで、コンバータとIGBTモジュール間の通信をエミュレートすることができました。これは、モジュール間の通信を理解し、通信機能を準備するために不可欠でした。シミュレーションによる検証の後、回路、コンバータ、ケーブルの動作を確認するためのベンチテストを実施しました。最後に、実際のアプリケーションでシステムをテストし、動作条件下での設計の性能を評価しました。
HILのメリット| 効率性、信頼性、コスト効率の向上
Komatsu 730E 用の 1.2 MW DC-DC コンバーターの開発に Typhoon HIL を使用することで得られるメリットは大きいです。
- リスク軽減: 現実世界の状況をシミュレートすることで、エンジニアは開発プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定して軽減することができ、現場でのコストのかかる障害のリスクを軽減できます。
- コスト効率: HIL シミュレーションにより、複数の物理プロトタイプを必要とせずに広範なテストが可能になり、開発コストが大幅に削減されます。
- 時間の節約: 仮想環境で設計をテストおよび検証できるため、開発サイクルが加速され、新しいテクノロジーの市場投入までの時間が短縮されます。
- 信頼性の向上: 包括的なテストにより、最終製品が堅牢で信頼性が高く、採掘作業の厳しい条件下でも機能することが保証されます。
- 柔軟性: Typhoon HIL システムは、さまざまなシナリオや構成をテストする柔軟性を提供し、DC-DC コンバータが多様な動作要求に対応できるようにします。
結論として、コマツ730Eハイブリッド鉱山トラック向け1.2MW DC-DCコンバータの開発においてTyphoon HILシステムを採用したことは、エンジニアリング手法における大きな進歩を表しています。HILシミュレーションの力を活用することで、エンジニアは鉱業業界向けに、より効率的で信頼性が高く、費用対効果の高いソリューションを構築し、より持続可能で効率的な操業への道を切り開くことができます。
クレジット
著者|チアゴ・モッタ、エルマーノ・カンポス
ビジュアル| エルマノ・カンポス
テクニカルエディター| チアゴ・モッタ
ブログ編集者| デボラ・サント
