はじめに | 双方向車載充電器とV2G
双方向充電はV2G技術の本質であり、電気自動車（EV）が電力網からエネルギーを消費すると同時に、必要に応じて電源として機能することを可能にします。EVは電源として動作する際、オフグリッド負荷に電力を供給したり、電力を電力網に還元したりできます。 双方向車載充電器（OBC）は、この動的なエネルギー交換を可能にする重要な接点である。これらの充電器は高度な電力電子機器と制御アルゴリズムを備え、双方向の効率的なエネルギー流動を実現する。双方向電力交換を促進することで、OBCはEVが電力系統の安定化に貢献し、再生可能エネルギーの拡大を支援することを可能にする。
双方向充電の変革的な可能性は、エネルギーの柔軟性を超えて広がっている。 EVの電力系統への統合は数多くの利点をもたらし、特にピークカットが顕著である。需要高期間における戦略的なエネルギー供給と、需要低期間におけるその後の補充を通じて、双方向充電は系統負荷を軽減できる。負荷平準化もまた利点として浮上しており、双方向OBC（オンボードチャージャー）が系統のエネルギー変動を多様なEV群に分散させることで、局所的な負荷不均衡を緩和し、系統のレジリエンスを強化する。
双方向オンボードチャージャー（OBC）には、いくつかの電力変換器トポロジーが実際に使用可能です。典型的なOBCは、主に二つの構成要素からなります：AC-DCコンバーターとDC-DCステージです。AC-DCコンバーターは、外部電源（例：充電ステーションや電力系統）からの交流（AC）を、車両のバッテリー充電用の直流（DC）に変換する役割を担います。 一方、DC-DCステージには二つの重要な役割がある。第一に、安全基準上不可欠な電気的絶縁（ガルバニック絶縁）を提供し、感電リスクを防止する。第二に、高電圧（HV）バッテリーの要求（例：1000V到達）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蓄積を保証する。 例えばトーテムポールPFCコンバータは高効率で知られており、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時と、車両が電源として機能する際にグリッドへエネルギーを戻す時、双方向で効率的にエネルギーを変換する必要があるためです（図1参照）。 また、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、他のトポロジーと比較してコンパクトに設計可能であり、スペースが限られる車載アプリケーションにおいて有利である。
3レベルNPC/ANPCトポロジー（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、低定格MOSFETの使用が可能となり、デバイスへの電圧ストレスが軽減される。これはSiC、GaN、シリコンスイッチと良好に機能し、多様なアプリケーションに対応する。 さらにNPC構成では、出力電流リップルが低減され出力電圧過渡現象が50%減少するため、大規模なフィルタリングが不要となり小型フィルタインダクタの使用が可能となる。これによりインダクタンスを低減しながら電力密度を向上させ、電流波形歪みを抑制できる。本トポロジーは出力電圧妨害も低レベルに維持し、デバイスへの負荷を最小化するとともにEMI性能を向上させる。
DC-DC段において、デュアルアクティブブリッジ（DAB）と共振コンバータのトポロジーは、車載充電器（OBC）向けの有力な選択肢として際立っている。DABコンバータは高い電力処理能力を誇り、急速充電対応EVに理想的である。その精密な制御と双方向電力フローにより効率的なエネルギー伝達が保証され、高電力用途に優れた選択肢となる。 一方、LLC（L-L-C）共振コンバータ（図3参照）などの共振コンバータは、高効率と電磁妨害（EMI）低減で知られています。これらのコンバータ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。これにより、特にEMI低減が重要なシナリオにおいて、OBCの効率と信頼性が向上します。 DABコンバータと共振コンバータの双方が、OBCの効率と性能に大きく貢献し、異なるアプリケーションのニーズと厳しい仕様要求に応えています。
課題 | 制御と通信の複雑性
双方向OBCの多様な車両システムとのシームレスな統合は、eモビリティ 重大な課題である。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）、充電インフラと完璧に通信しなければならない。正確なデータ交換、精密なコマンド実行、堅牢な障害処理メカニズムを確保するためには、徹底的な統合テストが必要である。 さらに、双方向動作には、無効電力補償、高調波抑制、負荷追従、電力共有、孤立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、これらは制御システムの複雑性を増大させる可能性がある。
フォールトトレランスとエラー処理の重要性は強調してもしすぎることはない。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する能力を備えていなければならない。異なる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る。
もう一つの障壁は通信規格への準拠である。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る。こうした技術仕様を正しく実装することは、特にこうしたプロトコルに関する経験がないメーカーや開発者にとって困難を伴う。 EVと充電ステーションを展開する前に、ISO 15118への準拠を確保するためには厳格な試験と認証プロセスが必要である。これには第三者試験機関や認証機関の関与が伴う場合があり、準拠の複雑さとコストを増大させる要因となる。
HILのメリット| HILによる双方向OBCテストの加速
ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストの力を活用することは、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上で極めて重要です。HILテストにより、制御アルゴリズムと通信プロトコルの早期段階での検証が可能となり、設計上の欠陥を事前に解決し、充電器の双方向機能が正確に調整されることを保証します。
実環境をシミュレートするHILテストは、物理的なハードウェア部品への依存を大幅に低減し、テストサイクルを加速させ、リソース配分を最適化します。さらに、数多くのシナリオ（リスクのない故障テストを含む）の作成と再現を容易にし、充電器の動作を包括的に評価することを可能にします。
HILテストは、ISO 15118などの安全および通信規格への適合性テスト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 、双方向OBCの検証を可能にする制御されたシミュレーション環境を提供します。超高忠実度モデルによる現実的なシナリオの再現、自動化テストによる効率的な制御アルゴリズム検証、早期問題検出を実現します。これによりリスクを最小化し、開発を加速させ、信頼性と最適化されたOBCシステムを保証します。
当社の提供内容について詳しく知りたい場合は、ISO 15118 Plug and ChargeおよびXCP over CANプロトコルの実装、最新のISO 15118充電プロトコル更新、ならびに25 ns DC-DCソルバーの実装に関する動画チュートリアルをご覧ください。
クレジット
テキスト | カシアーノ・F・モラエス、ヘイトール・J・テッサーロ
ビジュアル | ミリカ・オブラドヴィッチ
編集 | デボラ・サント、ジュリアーノ・グリグーロ
