はじめに ｜ハイブリッド鉱山車のパワーマネージメントに革命を起こす
鉱業部門では、競争力と持続可能性のために、大型車両の運転効率が不可欠です。U&M Mineração e Construção社が使用するような採掘トラックは、燃料を大量に消費し、排出ガスとメンテナンス・コストに大きく寄与しています。これらの課題に対処するためには、エネルギー効率と信頼性を向上させ、排出ガスを削減する革新的な技術を統合することが重要です。
有望な解決策は、採掘トラックに蓄電システムを組み込むことである。この技術は、本来であれば無駄になるはずの制動エネルギーを利用し、蓄電して車両の推進力に再利用する。これにより、燃料消費量が削減されるだけでなく、排出ガスや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操業が可能になる。
このアプローチの顕著な例のひとつが、U&M Mineração e Construção社が使用する186トンの採掘トラック、コマツ730Eである。もともと、コマツ730Eにはバッテリー・システムが搭載されていないが、今回のプロジェクトでは、車両にバッテリーを組み込むことを目指している。この統合により、トラックは制動エネルギーを抵抗のグリッドを通して放散する代わりに回生することができるようになる。この複雑なシステムを効率的に管理するために、1.2MWのDC-DCコンバーターが設計された。このブログでは、このコンバータの開発におけるTyphoon HIL（Hardware-in-the-Loop）システムの役割について説明し、信頼性と性能の両方を向上させます。
課題 ｜ハイブリッド採掘トラック1.2MW DC-DCの検証
コマツ730E用の高出力DC-DCコンバータの開発には、いくつかの課題があります。このような巨大な車両を運転するには、燃料消費とスペース要件の両面で高いコストがかかります。コンバータは、過酷な運転条件下で効率と信頼性を維持しながら、大きな電力レベルを扱わなければなりません。さらに、大電力システムを扱うことは重大なリスクを伴い、いかなる不具合も機器に壊滅的なダメージを与え、人員の安全性に深刻なリスクをもたらす可能性があります。従来の試験方法では、このような複雑な作業に必要な洞察力と柔軟性を提供できないことがよくあります。エンジニアは、実環境を正確にシミュレートし、開発プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定するために、堅牢で柔軟なテスト環境を必要としています。
ソリューション ｜高度なシミュレーションとテストのためのTyphoon HIL
プロジェクトを検証するために、Typhoon HILが使用され、様々な条件下でのコンバータの動作の詳細な解析が可能になった。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保証し、システム開発を最適化するために不可欠であった。
プロジェクトのセットアップには、制御ボードとTyphoon HILの間にInterfaceボードが含まれている。この構成では、制御ボードで生成されたデジタル信号が、シミュレーションされたIGBTのデジタル入力としてHILに送られます。同時に、シミュレートされたコンポーネントの電流と電圧の測定結果であるアナログ信号は、振幅と接続タイプ（差動またはシングルエンド）の両方で現実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用のデジタル信号に再計算され、このサイクルが続きます。
バッテリーパック、コンタクター、DC-DCコンバーターから始まり、トラックのダイナミクスをエミュレートするために拡張されたシステム全体の完全なシミュレーションが実行されました。これには、空気抵抗、慣性、ギア比などの要素を考慮し、トラックのダイナミクスに対応するモデルにトルクを供給するDC電気モーターが含まれます。これらの要素を用いて機械速度を計算し、直流機械に戻すことで、制御基準に対する車両の実際のダイナミクスを詳細に観察することができます。
Typhoon HILはCANopenネットワークのエミュレーションもサポートしている。メーカーから提供されたファイルを使用して、コンバーターと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の後、回路、コンバーター、ケーブルの動作を確認するためのベンチテストが行われた。最後に、実際のアプリケーションでシステムをテストし、動作条件下での設計の性能を評価した。
HILの利点｜効率性、信頼性、費用対効果の向上
コマツ730E用の1.2MW DC-DCコンバーターの開発にTyphoon HILを使用するメリットは非常に大きい：
- 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し、軽減することができます。
- コスト効率：HILシミュレーションにより、複数の物理的なプロトタイプを用意することなく広範なテストが可能になり、開発コストを大幅に削減できます。
- 時間の節約：仮想環境で設計のテストと検証ができるため、開発サイクルが加速し、新技術の市場投入までの時間を短縮できます。
- 信頼性の向上：包括的なテストにより、最終製品の堅牢性と信頼性が保証され、採掘作業の厳しい条件下でも性能を発揮します。
- 柔軟性：Typhoon HILシステムは、様々なシナリオや構成をテストする柔軟性を提供し、DC-DCコンバータが多様な動作要求に対応できることを保証します。
結論として、コマツ730Eハイブリッド採掘トラック用の1.2MW DC-DCコンバータの開発にTyphoon HILシステムを使用したことは、エンジニアリング手法の大きな進歩を意味する。HILシミュレーションのパワーを活用することで、エンジニアは鉱業向けに、より効率的で信頼性が高く、費用対効果の高いソリューションを生み出すことができ、より持続可能で効率的な操業への道を開くことができる。
クレジット
著者 ｜チアゴ・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｜チアゴ・モッタ
ブログエディター｜デボラ・サント
