はじめに| 充電インフラの拡大
近年、世界中で電気自動車（EV）の需要が爆発的に増加しており、市場動向を見ると、この需要はさらに増加し続けることが予想されます。そのため、この普及を支えるには、適切なエネルギー供給と充電インフラの整備が不可欠です。図1は、世界におけるEVの充電エネルギー需要の予測を示しています。2030年までに、EV充電器の年間エネルギー消費量は2,710億kWhに達すると予測されており、世界の電力需要の主要な供給源の一つとなるでしょう。これは、DC急速充電器（DCFC）が電力系統に多大な負担をかけることを意味します。そのため、将来的に信頼性、安全性、そして信頼性の高い電力系統を確保するためには、これらのリスクを軽減することが不可欠です。
課題| DC急速充電器が電力系統に与える影響
ガソリンスタンドに複数のポンプがあるように、複数のDCFC（直流燃料電池）が同じ場所に設置されることが一般的です。これは、様々なドライバーに対応できる充電施設を作るためです。しかし、液体燃料とは異なり、DCFCの電力は通常、その場で貯蔵されないため、電力網からの電力需要が急激に増加します。さらに、充電ステーションは、最大容量に近い状態で稼働する低電圧配電システムに接続されていることが多く、エネルギー品質にいくつかの問題が生じる可能性があります。
複数のEVをDC充電ステーションに接続すると、高電流レベルによって電圧降下が発生し、基準値を超える可能性があります。その結果、系統運用に影響が及び、保護装置が作動する可能性があります。さらに、DCFCを設置すると、従来から系統が抱えている一般的な故障事象に加えて、電圧不均衡、ちらつき、高調波、その他の系統バランス調整上の問題が発生する可能性があります。
明るい面としては、DCFCが前述のように高電流レベルを供給できる能力は、適切なタイミングで使用すれば、グリッド不均衡問題の解決に大きく貢献する可能性があります。DCFCは、障害発生後にグリッドを通常運用に復旧させ、障害の発生を未然に防ぐために迅速な補助サービスを提供できるように設計されるべきです。しかし、実験室でグリッド障害やグリッド擾乱に対するDC急速充電器の徹底的なテストを行うのは複雑でコストがかかり、高電力レベルでの動作による安全性の問題も生じます。まさにこの点において、HILソリューションがeモビリティの推進に不可欠であることが証明されます。
ソリューション| HILによるDC急速充電器の故障およびグリッド障害に対するテスト
Typhoon HILは、DCFCを無数の実世界シナリオで評価するためのエンドツーエンドのテストソリューションを提供します。超高忠実度のリアルタイムシミュレーションと自動テストを組み合わせた垂直統合型HILソリューションは、仮想環境で予期せぬ課題を安全に特定することで、設計サイクルの早い段階でリスクを軽減するのに役立ちます。HILソリューションは、IEC 61000などの規格に準拠した新しいDCFCのラピッドコントロールプロトタイピングや、DCFCの性能評価に使用されるUL 2231-2に記載されているテストケースなどに最適です。
これらのテストの一つは、数秒間続き、単一または複数の相に影響を与える可能性のあるグリッド電圧ディップ（瞬低）に関するものです。Typhoon HILは、このような事象を再現するために、図2に示すグリッドコンポーネントを提供しています。このコンポーネントを使用することで、グリッド電圧を動的に制御できます。これにより、エンジニアは、どの相が影響を受けるかに関わらず、擾乱発生中、DCリンクとDCFCの出力電圧が許容範囲内に維持されることを保証できます。
グリッド障害によって引き起こされる電圧変動や不均衡事象が発生した場合、テストでは充電器のDCリンクと出力電圧の評価に加えて、電流消費量も評価する必要があります。Typhoon HILは、図3に示すGrid FaultコンポーネントとDynamic Grid Faultコンポーネントを提供し、これらの障害を再現します。これらのコンポーネントは理想スイッチを用いて障害をエミュレートし、障害の種類と抵抗値を定義することができます。
系統の停電や中断は、より深刻な障害イベントの種類であり、これらの場合、DCFCは系統の復旧後に正常な動作に戻ることが期待されます。これらの障害に対するテストを行うために、エンジニアリングチームは制御された接触器を使用して可変の停電期間を選択し、これらの中断中のDCFCの動作を評価することができます。
規格では、周波数と周波数変化率（RoCoF）の許容限度も定められています。DCFCはこれらの限度内で適切に動作する必要があります。そのため、グリッドコンポーネントの周波数を変更することで、エンジニアは位相同期回路（PLL）が確実に機能し、消費電流、全高調波歪み（THD）、およびDCリンク電圧が規定の限度を超えないことをテストで確認できます。
Typhoon HILを使えば、DCFCコントローラーを様々な複雑なシナリオで徹底的にテストし、ラボで再現することができます。当社のチームによるサポートを頼りに、高忠実度のシミュレーションとテスト自動化を活用して、電動化の未来へと前進してください。
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| Typhoon HIL ドキュメント、Karl Mickei
編集者|ジュリアーノ・グリグロ、セルヒオ・コスタ、デボラ・サント
