はじめに| DC 急速充電器が重要な理由
各国政府が二酸化炭素排出量の規制を強化する中、e-モビリティ業界は世界を低炭素の未来へと導き、化石燃料への依存を減らすための重要な要素であると考えられています。
ここ数年、AC充電はEVの普及に大きく貢献してきました。しかし、EVの普及を加速させるには、充電時間を大幅に短縮し、従来の車両の燃料補給時間に近づける必要があります。さらに、長距離走行を可能にするために、急速充電ステーションを世界中に広く整備する必要があります。
大規模フリートの電動化には充電速度の向上と高電力密度化が不可欠であり、DCFCはカーボンニュートラル達成に不可欠な存在となっています。これらの充電器は、急速充電ステーションから直接DC電力を供給することで、EVオーナーが数分で車両を充電することを可能にします。しかし、DC充電器がeモビリティの普及にもたらすこれらの利点には、いくつかの課題が伴います。
DCFCアーキテクチャ| DC急速充電用パワーエレクトロニクスの現状
レベル2充電器（AC充電器）は3kWから22kWの範囲で動作しますが、レベル3充電器（DCFC）ははるかに高い電力レベルで動作し、50kWから350kW、あるいはそれ以上の電力を供給します。充電電力のこの増加により、メーカーは、EVのサイズや重量に影響を与えずに、車載充電器をバイパスしてバッテリーに直接DC電力を供給する、オフボード充電器を介して車両を充電する代替経路を提供する必要が生じています。高電力密度を実現するために、DCFCは通常400Vから480Vの範囲の三相電力サービスを活用し、AC充電器よりも高い電流で動作します。つまり、開発、設置、使用の面でコストが高くなります。
現在、高出力DC充電器の設計では、図1に示すように、2つの基本的な方法が一般的に採用されています。1つ目の方法では、充電器コントローラがEVと通信し、整流器に制御信号を送信することで、車両の需要に応じて可変DC出力電圧を生成します。次に、DC-DCコンバータが可変DC電圧バスをバッテリーに接続します。2つ目の方法では、入力AC電圧を固定DC電圧に変換し、DC-DCコンバータが充電コントローラからの制御信号を受信して、車両の要件に合わせて出力DC電圧を制御します。
どちらの方法でも、AC-DC ステージは通常、力率補正 (PFC) に使用され、グリッド高調波注入基準を満たす高力率動作を確保する役割を果たします。一方、DC-DC コンバータは、バッテリーの充電電圧を制御します。
課題| DCFC電力コンバータ用コントローラのテストにおける主な課題
DC充電器の電力変換段はAC充電方式から変わっていませんが、車載充電器で使用されている単相整流器は、より多くの電力を処理するために、ウィーン整流器などの三相整流器に置き換えられています。これにより、制御システムの部品数が増加し、複雑さが増します。DC-DC段では、CLLLC共振デュアルアクティブブリッジトポロジなどの共振ソフトスイッチングコンバータにより、信頼性、効率、エネルギー密度が向上しています。しかし、これらの利点は制御システムの複雑さの増加を伴います。
DCFC用コントローラを物理プロトタイプで検証する場合、テストプロセスには多くの安全上のリスクが伴います。これらの電力変換器は高電力レベルで動作し、系統障害、電流／電圧スパイク、過電流／過電圧状態、EVまたは充電ステーションの故障など、過酷な条件下でテストされます。これらの条件は実験室で再現することが困難であり、物理的なパワーエレクトロニクスに損傷が発生した場合、開発コストの増加につながる可能性があります。
さらに、新たな市場動向により、DCFCコンバータとコントローラにも変更が求められています。例えば、EVバッテリーから電力系統に電力を送ることができるVehicle-to-Grid（V2G）と呼ばれる新しいコンセプトが注目を集めています。しかし、これを実装するには、電力変換器に双方向の電力フロー機能が必要となり、制御とハードウェアの複雑さが増します。
HILベースのDCFC | Typhoon HILがレベル3充電器の開発をどのように支援するか
ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）デバイスを使用すると、バッテリー、電動モーター、パワーエレクトロニクス、インテリジェント充電システムなど、電動パワートレインを構成するあらゆるコンポーネントを高忠実度シミュレーションでテストできます。テスト駆動型モデルベース設計を活用することで、DC急速充電器を設計サイクルの早い段階で評価し、プロジェクトスケジュールのパフォーマンスを向上させ、ソフトウェアバグの数を減らし、チームの生産性を向上させ、テストカバレッジを拡大することができます。
Typhoon HILオールインワンソリューションは、eモビリティアプリケーション向けのパワーエレクトロニクスコントローラと通信システムのテスト向けに特別に設計されています。コンポーネントライブラリに収録された超高忠実度モデルをベースにしたこのソリューションは、堅牢で業界標準のコントローラのテストにおいて極めて効果的です。また、MatlabやSimulinkといったサードパーティ製ツールで構築されたモデルをインポートできる柔軟性も備えています。これにより、DC急速充電ステーションのデジタルツインを迅速に構築し、実際のプロトタイプを作成する前にコントローラと通信システムをテストできます。
HILを使用すると、様々なシナリオでテストを実行し、実際のシステムが予期せぬ状況にどのように反応するか、そして各ケースにおいて制御システムがどのように反応すべきかを評価できます。特に、グリッド障害、電圧変動、過電流などの検出と防止に役立ちます。
例えば、Typhoon HIL Control Centerモデルライブラリを使用すると、 Vienna Rectifierのブロック図を利用してDCFCのAC-DC段を構築できます。この整流器の電気回路を図2に示します。
アプリケーションノートには、 NPC T型ウィーン整流器のモデルが掲載されており、制御システムの実装方法をより深く理解していただけます。図3は、電流と電圧の波形がSCADAでどのように表示されるかを示しています。さらに、半導体の損失と温度の測定値も組み込むことができます。
DC-DC ステージでは、デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) コンバータを選択できます。これは、図 4 に示すように、単相インバータの 2 つのブロック、トランス、および受動部品を使用して回路図エディターで構築できます。
HIL SCADAを使用すると、カスタマイズ可能なインターフェースに基づいて、リアルタイムシミュレーションを管理、再構成、監視できます。これにより、DCFCステーションのすべての機能（ステータス、モード、電圧、周波数、PQリファレンス）を、リアルタイムでグリッドに接続しながら制御できます。図5は、グリッドからEVバッテリーまでのすべての電力ステージを統合した、当社のドキュメントに掲載されているDC急速充電モデルの例です。このパネルには、グリッドの電圧と周波数、電力交換、同期ステータスのグラフが含まれています。
TyphoonTestのテスト自動化機能を活用し、Allure Frameworkとの統合により有益なグラフィカルレポートを作成することで、DC急速充電器の開発をさらに加速できます。さらに、当社のソリューションは、DCFCソフトウェアのクラウド統合により継続的なテストを可能にし、プロジェクト管理ツールとの統合によりeモビリティチームのワークフローを簡素化します。
eモビリティは急速に進化しています。そのため、自動車メーカーはコストを削減し、EVの新たなトレンドに対応して市場競争力を維持するために、継続的な改善サイクルを堅持する必要があります。DCFC開発全体を通してコントローラのテストと検証を行うことは、効率的で信頼性の高い充電プロセスを確保する上で不可欠です。当社のHILソリューションは、急速充電器メーカーがソフトウェアを迅速に導入し、市場投入までの時間を短縮し、オールインワンのツールチェーンによって予算の制約を克服することを可能にします。
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| ヒーローイメージはKarl Mickei氏によるアレンジ、図1はMilica Obradovic氏によるアレンジ
編集者| デボラ・サント
