次世代バッテリーシステムにおいてHILテストが重要な理由とは？

はじめに | エネルギー貯蔵制御が重要な理由とは？

エネルギー貯蔵は、既存の電力系統を解放し、再生可能エネルギーが日常的な電力供給の大部分を担うことを可能にする鍵である。これまで、ほとんどの場合において、系統運用事業者はエネルギー貯蔵ソリューションを既存インフラへの追加設備としてのみ利用し、一時的な需要の急増を緩和する補助手段としてきた。日常的な電力供給の大部分を担う手段としては活用されてこなかった。 今後、再生可能電力比率の高いシステムにおいて、高度な蓄電池は電力系統管理サービスで主要な役割を担うと期待されている。

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つの基本サービスを提供することを目的としています。ほとんどの電池システムはどちらか一方のサービス提供に最適化されていますが、HYBRISプロジェクトで開発中のHESSのような新規ハイブリッド電池システムは、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、電池システムを制御する新たな手法が必要であり、安全に実行できることを保証するために試験が必須です。バッテリーエネルギー貯蔵コンバータ制御器をリアルタイムシミュレーションと連動させることで、設計とサービス提供を最適化し、初期開発段階でグリッドコードなどの認証や規格への適合を実現できる。

例えばマイクログリッドでは、バッテリーは孤立運転の管理、系統システムとの同期、系統需要を満たすための蓄積エネルギー供給において極めて重要である。したがって、シームレスな孤立運転と再接続の能力が求められる。これにより、系統連系モードと孤立運転モードにおける電力電子機器ベースのリソースのインバータの故障応答を理解する必要性が生じ、ここでハードウェア・イン・ザ・ループ試験が真価を発揮する。

HILコンセプト| HILテストとは何か？

ハードウェア・イン・ザ・ループ試験（HIL試験）とは、物理システムの仮想モデルが生成する信号に、実ハードウェアをリアルタイムで接続する試験手法である。 HILテスト中、被試験ハードウェア（DUT）は、実際の設置環境と同様の信号タイプ・速度・電力レベルを受信するため、実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、DUTが通常動作条件下だけでなく、系統故障や逆電力流動といった稀な事象発生時にも期待通りの動作を示すことを検証できます。

一般的に、HILテストは2種類に分類される：パワーハードウェア・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）であり、図1の右側と中央に対応する。 パワーハードウェア・イン・ザ・ループでは、バッテリーなどの実デバイスをテスト対象とし、実使用時と同等の電力レベルを供給するパワーアンプに接続します。これは新規システムの最終検証に最適ですが、実電力を使用するため非常に高コストで安全上のリスクを伴います。

コントローラハードウェア・イン・ザ・ループでは、図2に示すように、DUTのパワーステージ全体を仮想モデルで置き換えます。 実際の電力フローは、パワーステージモデル内のデジタル信号に置き換えられ、コントローラがこれを解釈して制御信号を送信します。これにより、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。この技術は、高電力フローに伴う安全リスクなしに実環境下で実際のコントローラをテストできるため、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となっています。

HILのメリット| HILを選ぶ理由

電気システムは常に均衡を保たねばならない。わずかマイクロ秒単位の電力需要の急激な増加でさえ、高価な機器に壊滅的な損傷を与える可能性がある。ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストの概念により、こうした技術的・商業的問題ははるかに効率的に解決できる。 簡略化されたモデルはバッテリーシステムの潜在的な設計案を迅速に見出す上で重要な役割を果たす一方、HILが提供するリアルタイムテストは、試験条件下でシステムが故障する瞬間が存在しないことを保証する上で不可欠である。HYBRISプロジェクトにおいては、コンバータ制御信号が実際のバッテリーシステムを損傷しないことを保証し、開発中のプロトタイプバッテリーを損傷するリスクを低減する点で特に有用である。

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、最終顧客間のコミュニケーションツールとしても有用です。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、テストベンチの一部を損傷することなく、電子機器の安全な設定に対する制約を分析・実証するのに役立ちます。したがってHIL技術は、幅広い故障を高忠実度でシミュレートし、制御ソフトウェアが適切に動作することを検証できます。 これにより、適切なコンポーネントの選定・サイズ決定・統合が可能となり、それらに対する制御ソフトウェアのテストと検証が行えます。HYBRISでは、バッテリーシステムとグリッドの両方に対する高忠実度仮想モデルを活用したバッテリー制御システムのHILテストにより、実パイロットサイトの条件に最適に適合するようHESSバッテリーシステムのパラメータ設定とサイズ決定を実現しています。

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本質的に区別がつかないほど十分に高忠実度である場合に限り、「デジタルツイン」の概念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に至るまで、あらゆる要素を捕捉する必要があります。 HYBRISプロジェクトは、この概念をさらに発展させ、実サイトの実際のデータを高忠実度HiLモデルにフィードバックすることで、本質的に仮想実証サイトを作成することを目指している。

クレジット

テキスト | セルジオ・コスタ、エレニ・アポストロイドゥ
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。Typhoon 詳細については、当社の「助成研究」ページをご覧ください。

本プロジェクトは、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（助成契約番号963652）の資金提供を受けています。