ハイブリッド採掘トラック用 1.2 MW DC-DCコンバータ HIL検証

はじめに | ハイブリッド採掘トラックにおける電力管理の革新 

鉱業分野において、大型車両の運用効率は競争力と持続可能性にとって不可欠である。U&M Mineração e Construçãoが使用する鉱山用トラックなどは、大量の燃料を消費し、排出量と維持コストに大きく寄与している。これらの課題に対処するには、エネルギー効率と信頼性を向上させ、排出量を削減する革新的技術の統合が極めて重要である。 

有望な解決策として、鉱山用トラックへの電気貯蔵システムの統合が挙げられる。この技術は、本来なら無駄になる制動エネルギーを回収し、蓄積して車両推進に再利用する。これにより燃料消費が削減されるだけでなく、排出ガスと内燃発電機の摩耗も低減され、より持続可能で費用対効果の高い運用が実現する。 

このアプローチの顕著な例として、U&M Mineração e Construção社が使用する186トンの鉱山用トラック「コマツ730E」が挙げられます。もともとコマツ730Eにはバッテリーシステムは搭載されていませんでしたが、現在のプロジェクトでは、この車両にバッテリーを統合することを目指しています。この統合により、トラックはブレーキエネルギーを抵抗器群を通じて放散させるのではなく、回生できるようになります。 この複雑なシステムを効率的に制御するため、1.2 MWのDC-DCコンバータが設計されました。本ブログでは、このコンバータの開発においてTyphoonのハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）システムが果たした役割について解説し、信頼性と性能の両方を向上させた経緯を紹介します。 

課題 | ハイブリッド採掘トラック 1.2 MW DC-DC 検証   

コマツ730E向け高出力DC-DCコンバータの開発には複数の課題が存在する。このような大型車両の運用には、燃料消費量とスペース要件の両面で高いコストが発生する。コンバータは過酷な作動環境下でも効率性と信頼性を維持しつつ、膨大な電力レベルを処理できなければならない。さらに、高出力システムを扱う際には重大なリスクが伴い、いかなる故障も機器への壊滅的な損傷や人員の安全に対する深刻な危険をもたらしうる。 従来の試験手法では、このような複雑な課題に必要な知見と柔軟性を提供できない場合が多い。エンジニアは、実環境を正確にシミュレートし、開発プロセスの早期段階で潜在的な問題を特定できる、堅牢かつ柔軟な試験環境を必要としている。 

ソリューション | 高度なシミュレーションとテストTyphoon HIL 

プロジェクトの検証にはTyphoon HIL 、さまざまな条件下におけるコンバータの動作を詳細に分析することが可能となった。このシミュレーションプロセスは、すべてのコンポーネントの調和のとれた動作を確保し、システム開発を最適化するために不可欠であった。 

このプロジェクトの構成には、制御ボードとTyphoon HILの間にインターフェースボードが組み込まれていました。この構成では、制御ボードで生成されたデジタル信号が、シミュレートされたIGBTへのデジタル入力としてHILに送信されます。 同時に、シミュレートされたコンポーネント間の電流および電圧測定から得られるアナログ信号は、振幅および接続方式（差動またはシングルエンド）の両面で実世界の信号をエミュレートするようにスケーリングされます。これらのアナログ信号はその後、制御ボードにフィードバックされ、そこで制御アルゴリズムによって処理され、IGBT用のデジタル信号として再計算され、このサイクルが繰り返されます。 

システム全体の完全なシミュレーションが実施された。バッテリーパック、コンタクタ、DC-DCコンバータから始まり、トラックの動的特性のエミュレーションにまで及ぶ。 これには、空気抵抗、慣性、ギア比などの要素を考慮したトラックの動的挙動に対応するモデルにトルクを供給する直流電動機が含まれる。これらの要素を用いて機械速度を計算し直流電動機にフィードバックすることで、制御参照値に対する車両の実際の動的挙動を詳細に観察することが可能となる。 

Typhoon HIL CANopenネットワークのエミュレーションTyphoon HIL 。メーカーから提供されたファイルを使用することで、コンバータとIGBTモジュール間の通信をエミュレートすることができました。これは、モジュール間の通信を理解し、通信機能を準備するために不可欠でした。シミュレーションによる検証を経て、回路、コンバータ、および配線の動作を確認するためのベンチテストが実施されました。最後に、実稼働環境でのアプリケーションにおいてシステムをテストし、運用条件下での設計性能を評価しました。 

HILの利点| 効率性、信頼性、費用対効果の向上 

コマツ730E用1.2 MW DC-DCコンバータTyphoon HIL を採用することには、次のような大きなメリットがあります： 

1. リスク低減：実環境をシミュレートすることで、エンジニアは開発プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定・軽減でき、現場での高コストな故障リスクを低減します。 

2. コスト効率性：HILシミュレーションにより、複数の物理プロトタイプを必要とせずに広範なテストが可能となり、開発コストを大幅に削減します。 

3. 時間短縮：仮想環境で設計をテストおよび検証する能力により開発サイクルが加速され、新技術の市場投入までの時間を短縮します。 

4. 信頼性の向上：包括的な試験により、最終製品は頑丈で信頼性が高く、鉱山作業の過酷な条件下でも確実に機能します。 

5. 柔軟性：Typhoon HIL 、さまざまなシナリオや構成をテストできる柔軟性を備えており、DC-DCコンバータが多様な動作要件に対応できることを保証します。 

結論として、コマツ製ハイブリッド鉱山用トラック「730E」向けの1.2 MW DC-DCコンバータの開発においてTyphoon HIL を採用したことは、エンジニアリング手法における大きな進歩である。HILシミュレーションの力を活用することで、エンジニアは鉱業向けに、より効率的で信頼性が高く、コスト効率に優れたソリューションを構築することができ、より持続可能で効率的な操業への道を開くことになる。  

クレジット

著者 | ティアゴ・モッタ、エルマーノ・カンポス
ビジュアル | エルマーノ・カンポス
テクニカルエディター| ティアゴ・モッタ
ブログエディター| デボラ・サント