はじめに | DC急速充電器が重要な理由とは？
各国政府が二酸化炭素排出規制を強化する中、eモビリティ は世界を低炭素の未来へと導き、化石燃料への依存を減らすための重要な要素と見なされている。
ここ数年、AC充電はEVの普及拡大に大きく貢献してきた。しかし、EVの大量普及を実現するには、充電時間を大幅に短縮し、充電体験を従来型車両の給油時間に近い水準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、急速充電ステーションを世界中に広く設置すべきである。
大規模な車両群の電動化には充電速度の向上と高出力密度の提供が不可欠であり、カーボンニュートラル達成において直流急速充電（DCFC）は極めて重要である。これらの充電器は直流電力を急速充電ステーションから直接供給することで、EV所有者が数分で車両を充電することを可能にする。しかし、直流充電器がeモビリティ 普及にもたらすこれらの利点には、いくつかの課題もeモビリティ 。
DCFCアーキテクチャ| 直流急速充電向け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）は3kWから22kWの範囲で動作しますが、レベル3充電器（DCFC）ははるかに高い電力レベルで動作し、50kWから350kW、あるいはそれ以上の電力を供給します。 この充電電力の増加に伴い、メーカーは車載充電器をバイパスし、車両のサイズや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による代替充電経路を提供する必要が生じました。 高電力密度を実現するため、DCFCは三相電力サービス（通常400V～480V）を活用し、AC充電器よりも高い電流で動作します。これは開発・設置・使用コストが高くなることを意味します。
現在、高出力DC充電器の設計では、図1に示すように主に2つの基本手法が用いられている。第一の手法では、充電器コントローラがEVと通信し、整流器に制御信号を供給する。これにより整流器は車両の要求に基づいて可変DC出力電圧を生成する。 次に、DC-DCコンバータが可変直流電圧バスとバッテリーを接続する。第二のアプローチでは、入力交流電圧が固定直流電圧に変換され、DC-DCコンバータは充電コントローラからの制御信号を受け取り、車両の要求に合わせて出力直流電圧を制御する。
いずれの方法においても、AC-DC段は通常、力率補正（PFC）に用いられ、高力率動作を確保して電力系統への高調波注入基準を満たす役割を担う一方、DC-DCコンバータはバッテリーの充電電圧を制御する。
課題 | 直流急速充電用パワーコンバータのコントローラ試験における主要課題
直流充電器の電力変換段は交流充電方式から変更されていないものの、車載充電器で使用される単相整流器は、より多くの電力を処理するために三相整流器に置き換えられている。例えばウィーン整流器は、より多くの部品と制御システムの複雑さを要求する。 DC-DC段では、CLLLC共振デュアルアクティブブリッジトポロジーなどの共振型ソフトスイッチングコンバータが、信頼性・効率・エネルギー密度の向上を実現している。しかしながら、これらの利点には制御システムの複雑化が伴う。
物理プロトタイプを用いたDCFC用コントローラの検証では、試験プロセスに多くの安全リスクが伴う。これらの電力変換器は高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、過酷な条件下で試験される。これらの条件は実験室で再現が困難であり、物理的なパワーエレクトロニクスに損傷が生じた場合、開発コストの増加要因となり得る。
さらに、新たな市場動向により直流充電器（DCFC）のコンバータと制御装置への改良が求められている。一例として、電気自動車（EV）のバッテリーから電力網へ電力を送電可能にする「Vehicle-to-Grid（V2G）」という新たな概念が普及しつつある。しかし、その実装には電力変換器の双方向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性を増大させる。
HILベースのDCFC|Typhoon レベル3充電器の開発をいかに支援するか
ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）デバイスにより、高忠実度のシミュレーションを構築し、バッテリー、電動モーター、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全コンポーネントをテストできます。 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、プロジェクトスケジュールの達成率を向上させ、ソフトウェアバグの数を削減し、チームの生産性を高め、テストカバレッジを拡大することが可能です。
Typhoon ワンソリューションは、eモビリティ パワーエレクトロニクス制御装置および通信システムのテスト用に特注設計されました。 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に基づき、産業用グレードのコントローラテストにおいて堅牢かつ極めて効果的でありながら、MatlabやSimulinkなどのサードパーティツールで構築されたモデルのインポートも柔軟に可能にします。これにより、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、実機プロトタイプを製作する前にコントローラと通信システムをテストできます。
HILを活用すれば、多様なシナリオに対するテストを実施し、実システムが予期せぬ状況にどう反応するか、また各ケースで制御システムがどう対応すべきかを評価できます。特に、系統故障、電圧振動、過電流などの検出と防止に有効です。
例えば、Typhoon Control Center を使用すれば、ウィーン整流器のブロック図を利用してDCFCのAC-DC段を構築できます。この整流器の電気回路を図2に示します。
アプリケーションノートでは、制御システムの実装方法を理解しやすくするため、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、電流波形と電圧波形を表示したSCADAの画面例です。さらに、半導体損失や温度の測定値も表示に含めることが可能です。
DC-DC段には、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2ブロック、トランス、および受動部品Schematic Editor 構築可能です。
HIL SCADAを使用すると、カスタマイズ可能なインターフェースに基づいてリアルタイム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、送電網にリアルタイム接続された状態で、DCFCステーションの全機能（状態、モード、電圧、周波数、P-Q基準値）を制御できます。 図5に、当社のドキュメントから、グリッドからEVバッテリーまでの全電力ステージを統合したDC急速充電モデルの例を示します。このパネルには、グリッドの電圧と周波数、電力交換、同期状態のグラフが含まれています。
TyphoonTest テスト自動化機能を活用しTyphoonTest Allure Frameworkとの連携で意味のあるグラフィカルレポートを生成TyphoonTest DC急速充電器の開発をさらに加速できます。さらに、当社のソリューションはDCFCソフトウェア向けのクラウド連携による継続的テストを実現し、プロジェクト管理ツールとの統合を通じてeモビリティ 簡素化されたワークフローを構築します。
要するに、eモビリティ 急速eモビリティ 。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、コスト削減を通じて新たなEVトレンドに対応し続けるべく、継続的な改善サイクルを堅持する必要がある。DCFC開発プロセス全体を通じたコントローラーのテストと検証は、効率的で信頼性の高い充電プロセスを確保する上で極めて重要である。当社のHILソリューションは、急速充電器メーカーがオールインワンツールチェーンによりソフトウェアを迅速に展開し、市場投入までの時間を短縮し、予算制約を克服することを可能にする。
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 | ヘロ画像：カール・ミッケイによる改変、図1：ミリカ・オブラドヴィッチによる改変
編集者 | デボラ・サント
