はじめに ｜双方向オンボード充電器とV2G
双方向充電はV2G技術の真髄であり、電気自動車（EV）がグリッド・エネルギーを消費し、必要に応じて電源として動作することを可能にする。EVは、オフグリッド負荷に電力を供給したり、電源として動作するときにエネルギーをグリッドに返したりすることができる。双方向オンボード充電器（OBC）は、このダイナミックなエネルギー交換を可能にする重要なリンクである。これらの充電器は、双方向のエネルギーの効率的な流れを可能にする高度なパワーエレクトロニクスと制御アルゴリズムを備えている。双方向の電力交換を促進することで、OBCはEVにグリッドの安定化への参加と再生可能エネルギーの拡大を支援する力を与える。
双方向充電がもたらす変革の可能性は、エネルギーの柔軟性にとどまらない。EVのグリッドへの統合は多くの利点をもたらすが、特に注目すべきはピークカットである。需要の多い時間帯に戦略的にエネルギーを供給し、需要の少ない時間帯に補給することで、双方向充電は送電網のストレスを軽減することができる。双方向OBCは系統エネルギーの変動を多様なEV群に分散させるため、局所的な負荷不均衡を緩和し、系統回復力を高めることができる。
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を使用することができる。通常、OBCはAC-DCコンバーターとDC-DCステージの2つの主要コンポーネントで構成される。AC-DCコンバータは、外部電源（充電ステーションや送電網など）からの交流（AC）を、車両のバッテリーを充電するための直流（DC）に変換する役割を担っている。一方、DC-DCステージは2つの重要な目的を果たす。第一に、ガルバニック絶縁を提供します。これは安全基準にとって重要であり、感電の危険を防ぐのに役立ちます。第二に、1000Vに達するような高電圧（HV）バッテリーの要件に合わせてDC電圧を昇圧または降圧することができ、効率的なエネルギー転送と貯蔵を保証します。例えば、トーテムポール型PFCコンバータは高効率で知られており、双方向充電器にとって極めて重要である。双方向充電器は、効率的にエネルギーを変換する必要があるため、車両のバッテリーを充電し、車両が電源として機能するときにはエネルギーをグリッドに戻す（図1参照）。また、パワーエレクトロニクス・スイッチを4つしか使用しないため、他のトポロジーに比べてコンパクトになり、スペースが限られている車載アプリケーションに有利です。
3レベルNPC/ANPCトポロジー（図2参照）では、スイッチはバス電圧の半分しかブロックしないため、低格付けのMOSFETを使用でき、デバイスへの電圧ストレスが軽減されます。これは、SiC、GaN、およびシリコン・スイッチでうまく機能し、さまざまなアプリケーションに適応します。さらに、NPCセットアップでは、出力電流リップルが低下し、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の必要性が削減され、フィルタ・インダクタの小型化が可能になります。これにより、電流波形の歪みを管理するための少ないインダクタンスで電力密度が向上します。このトポロジーはまた、低い出力電圧障害を維持し、デバイスのストレスを最小限に抑え、EMI性能を向上させます。
DC-DCステージでは、デュアル・アクティブ・ブリッジ（DAB）と共振コンバーターのトポロジーが、OBCの有力な選択肢として際立っている。DABコンバーターは高い電力処理能力を誇り、EVの急速充電に理想的です。正確な制御と双方向の電力フローにより、効率的なエネルギー伝送が保証されるため、大電力アプリケーションに最適です。一方、LLC（L-L-C）共振コンバーター（図3参照）のような共振コンバーターは、高効率と電磁干渉（EMI）の低減で有名である。これらのコンバーター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。これは、特にEMIの最小化が重要なシナリオにおいて、OBCの効率と信頼性の向上につながります。DABコンバーターと共振コンバーターはどちらもOBCの効率と性能に大きく貢献し、さまざまなアプリケーションのニーズに応え、厳しい仕様を要求します。
課題 ｜制御と通信の複雑さ
双方向OBCと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 業界における重要な課題である。これらの充電器は、バッテリ管理システム（BMS）、電子制御ユニット（ECU）、および充電インフラと完璧に通信する必要があります。そのためには、正確なデータ交換、正確なコマンド実行、堅牢な故障処理メカニズムを保証するための徹底的な統合テストが必要です。さらに、双方向運転には、無効電力補償、高調波緩和、負荷追従、電力共有、アンチアイランドなどの高度な制御アルゴリズムが必要であり、制御システムを複雑化させる可能性がある。
フォールト・トレランスとエラー・ハンドリングの重要性は軽視できません。双方向OBCコントローラは、様々な通信エラーを処理し、障害からシームレスに回復する機能を備えていなければなりません。さまざまな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挑戦的な課題でした。
もうひとつの障害は、通信規格への準拠だ。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。これらの技術仕様を正しく実装することは、特にこのようなプロトコルの経験がないメーカーや開発者にとっては難しいことです。EVと充電ステーションを展開する前に、ISO 15118への準拠を確実にするために、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が関与する可能性があり、コンプライアンスにかかる複雑さとコストが増大する。
HILの利点｜HILで双方向OBCテストを加速する
HIL（Hardware-in-the-Loop）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テストは、制御アルゴリズムと通信プロトコルの初期段階での検証を可能にし、設計上の欠陥に先手を打って対処し、充電器の双方向機能が正確に調整されていることを保証します。
実環境をシミュレートすることで、HIL試験は物理的なハードウェア部品への依存を大幅に減らし、試験サイクルを迅速化し、リソース配分を最適化します。さらに、多数のシナリオ（リスクのない故障テストを含む）の作成と再現が容易になるため、充電器の動作を包括的に評価することができます。
HILテストはまた、ISO 15118のような安全規格や通信規格への準拠テストのプロセスを簡素化し、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 HILテストは、双方向OBCを検証するための制御されたシミュレーションを提供し、超高忠実度モデルによる現実的なシナリオ、自動テストによる効率的な制御アルゴリズムテスト、問題の早期発見を保証します。リスクを最小限に抑え、開発をスピードアップし、信頼性が高く最適化されたOBCシステムを保証します。
当社の製品についてより詳しく知るには、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・アップデート、25 ns DC-DCソルバーの実装に関するビデオ・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、ハイトール・J・テッサロ
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・グリグロ
