はじめに ｜DC急速充電器はなぜ重要なのか？
各国政府がCO2排出規制を強化するなか、eモビリティ 産業は、世界を低炭素な未来へと導き、化石燃料への依存を減らすための重要なピースとみなされてきた。
ここ数年、交流充電はEVの普及に大きく貢献してきた。しかし、EVの大量普及を達成するためには、充電時間を大幅に短縮し、充電体験を従来型自動車の給油時間に近づける必要がある。さらに、長距離走行を可能にするために、急速充電ステーションが世界中に広く普及する必要がある。
大規模な車両を電化するためには、充電を高速化し、より高い電力密度を提供する必要があるため、DCFCはカーボンニュートラルの達成に不可欠なものとなっている。これらの充電器は、急速充電ステーションから直接直流電力を供給することで、EV所有者が数分で自動車を充電できるようにする。しかし、DCチャージャーがeモビリティ 普及にもたらすこうした利点には、いくつかの課題が伴う。
DCFCアーキテクチャ｜DC急速充電用パワーエレクトロニクスの現状
レベル2充電器（AC充電器）が3kWから22kWで作動するのに対し、レベル3充電器（DCFC）は50kWから350kW、あるいはそれ以上と、はるかに高い出力レベルで作動する。このような充電電力の増加により、メーカーは、車載充電器をバイパスしてEVのサイズと重量に影響を与えず、バッテリーに直接直流電力を供給するオフボード充電器を通じて車両を充電する代替経路を提供する必要があった。高電力密度を達成するために、DCFCは、通常400Vから480Vの三相電気サービスを利用し、AC充電器よりも大電流で動作する。
現在、高出力DC充電器の設計では、図1に示すように、2つの基本的な方法が一般的に使用されている。最初の方法では、充電器コントローラーがEVと通信し、整流器に制御信号を供給して、自動車の需要に応じて可変の直流出力電圧を生成する。その後、DC-DCコンバータが可変DC電圧バスをバッテリーに接続する。第2のアプローチでは、入力交流電圧は固定直流電圧に変換され、DC-DCコンバータは充電制御装置から制御信号を受け取り、自動車の要求に合わせて出力直流電圧を制御する。
どちらの方式でも、AC-DC段は通常、力率改善（PFC）のために採用され、系統高調波注入基準を満たすための高力率運転を確保する役割を担い、一方、DC-DCコンバーターはバッテリーの充電電圧を制御する。
課題 ｜DCFC電力変換器用コントローラーの試験における主な課題
DC充電器の電力変換段はAC充電のアプローチから変わっていないが、車載充電器で使用されていた単相整流器は、現在、ウィーン整流器のような、より多くの電力を処理するための三相整流器に置き換えられており、より多くの部品が要求され、制御システムがより複雑になっている。DC-DCステージでは、CLLLC共振デュアル・アクティブ・ブリッジ・トポロジーのような共振型ソフト・スイッチング・コンバータが、信頼性、効率、エネルギー密度を向上させている。しかし、これらの利点は、制御システムの複雑さを増大させます。
DCFC用コントローラを物理的なプロトタイプで検証する場合、テストプロセスには多くの安全リスクが伴います。これらの電力変換器は高い電力レベルで動作し、系統故障、電流/電圧スパイク、過電流/過電圧状態、EVや充電ステーションで発生する故障など、極端な条件下でテストされます。これらの条件を実験室で再現することは困難であり、物理的なパワーエレクトロニクスにダメージが発生した場合、開発コストが増大する可能性があります。
さらに、新たな市場動向により、DCFCコンバーターやコントローラーにも改良が求められる。その一例が、Vehicle-to-Grid（V2G）と呼ばれる新しいコンセプトで、EVバッテリーがグリッドに電力を送ることを可能にします。しかし、V2Gを実現するには、電力コンバータに双方向の電力フロー機能が必要となり、制御とハードウェアの複雑さが増す。
HILベースDCFC｜Typhoon HILがレベル3充電器の開発を強化する理由
HIL（Hardware-in-the-Loop）デバイスを使用することで、バッテリー、電気モーター、パワーエレクトロニクス、インテリジェント充電システムなど、電動パワートレインのすべてのコンポーネントを忠実にシミュレーションし、テストすることができます。テスト駆動型モデルベース設計を活用することで、設計サイクルの早い段階でDC急速充電器を評価し、プロジェクトのスケジュール性能を向上させ、ソフトウェアのバグ数を減らし、チームの生産性を高め、テストカバレッジを向上させることができます。
Typhoon HILオールインワン・ソリューションは、eモビリティ 向けのパワーエレクトロニクス・コントローラと通信システムのテスト用に構築されました。コンポーネント・ライブラリで利用可能な超高忠実度モデルをベースとしたこのソリューションは、業界グレードのコントローラをテストする上で堅牢かつ非常に効果的でありながら、MatlabやSimulinkなどのサードパーティ製ツールで構築されたモデルを柔軟にインポートできます。DC急速充電ステーションのデジタル・ツインを迅速に構築し、実際のプロトタイプを構築する前に、コントローラと通信システムをテストすることができます。
HILを使用すれば、多数のシナリオに対してテストを実行し、実際のシステムが不測の事態に対してどのように反応するか、また、それぞれのケースで制御システムがどのように反応すべきかを評価することができます。特に、系統故障、電圧振動、過電流などの検出と防止に役立ちます。
Typhoon HIL Control Centerモデル・ライブラリを使用すると、例えば、ウィーン整流器のブロック図を利用してDCFCのAC-DCステージを構築することができます。この整流器の電気回路を図2に示す。
当社のアプリケーションノートには、制御システムの実装方法をよりよく理解するためのNPC T型ウィーン整流器のモデルが掲載されています。図3はSCADAが電流波形と電圧波形でどのように見えるかを示しています。さらに、半導体損失と温度の測定も含めることができます。
DC-DCステージには、デュアル・アクティブ・ブリッジ（DAB）コンバータを選択できます。これは、図4に示すように、単相インバータの2つのブロック、トランス、および受動部品を使用して回路図エディタで構築できます。
HIL SCADAを使用すると、カスタマイズ可能なインターフェイスに基づいてリアルタイムのシミュレーションを管理、再構成、監視できます。これにより、グリッドに接続されたDCFCステーションのすべての機能（ステータス、モード、電圧、周波数、P-Q基準）をリアルタイムで制御できます。グリッドからEVバッテリーまで、すべてのパワー・ステージを組み合わせたDC急速充電のモデル例を図5に示します。このパネルには、グリッドの電圧と周波数、電力交換、および同期の状態のグラフが含まれています。
TyphoonTestのテスト自動化機能を活用し、Allure Frameworkとの統合により有意義なグラフィカルレポートを作成することで、DC急速充電器の開発をさらにスピードアップすることができます。さらに、当社のソリューションは、DCFCソフトウェアのクラウド統合による継続的なテストを可能にし、プロジェクト管理ツールとの統合により、eモビリティ ワークフローを簡素化します。
要するに、eモビリティ 進歩は速いということだ。したがって、自動車メーカーは、市場競争力を維持するために、コスト削減によって新しいEVのトレンドに対応するために、継続的な改善サイクルにこだわる必要があります。効率的で信頼性の高い充電プロセスを確保するためには、DCFCの開発を通じてコントローラをテストし、検証することが不可欠です。当社のHILソリューションは、急速充電器メーカーがソフトウェアを迅速に導入し、市場投入までの時間を短縮し、オールインワンのツールチェーンで予算の制約を克服することを可能にします。
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・テサロ
ビジュアル ｜ヒーロー画像はカール・ミッケイ、図1はミリカ・オブラドヴィッチが脚色
編集 ｜デボラ・サント
