C-HILによる次世代UPSの設計・開発・試験・検証

はじめに | チーム紹介

このC-HILユーザーストーリーは、シュナイダーエレクトリックのSmart UPS Online C-HILコアチームから提供されています。シュナイダーエレクトリック・インディアでは、専門家のチームがUPSユーザーのあらゆるニーズと要件を満たすことを目指し、幅広いスマートUPSシステムの開発を継続的に進めています。

シバマニ・ククヌリはパワーエレクトロニクスチームのリーダーであり、電力変換製品向けの設計・開発手法と実践の新たな方法を実践し確立することに情熱を注いでいます。シヴァプラサド・エレンドゥラはチームの組み込み電力変換制御ファームウェアの専門家であり、デジタル化、自動化、DevOpsに情熱を燃やしています。サンジャイ・カンドゥラはチームのパワーエレクトロニクス上級ハードウェア設計者であり、様々なパワーエレクトロニクストポロジの電力・制御モデリングに情熱を傾けています。 以下は、新製品の開発・試験を行うラボでのチーム集合写真です。

課題 | UPSメーカーがUPSユニットの開発、試験、検証において直面する主な困難。

シュナイダーエレクトリックのスマートUPSポートフォリオは、1kVAから20kVAまでの幅広い電力オプションを備え、スタンドアロン型およびモジュラー型をラインナップしています。一般的なUPSは、信頼性の高い電力供給を確保するため、PFC回路、インバータ、各種DC-DCコンバータなど、様々な電力変換サブシステムを統合しています。図2はシュナイダー製6kVA UPSを示しています。

各コンバータは、設計、部品選定、制御アルゴリズムにおいて課題を抱えています。さらに、UPSシステム内の全コンバータをシームレスに統合するには、無停電かつ信頼性の高い電力供給を確保するため、慎重な同期化、障害処理、および連携が求められます。

UPSのライフサイクルにおいて直面する主な課題は以下の2点です：

1. 新製品開発における物理的電子基板の早期入手困難：
   UPSは電気的ファームウェアへの依存度が極めて高く、UPSサブシステムの検証は電力電子部品とデジタル制御基板で構成される物理ハードウェアに依存しています。開発初期段階における物理的なパワートレイン、ターゲット制御基板、AC/DC電源および負荷の入手困難は、新規トポロジーの開発・試験および関連するファームウェア開発に重大な遅延を招く可能性があります。この遅延は製品開発サイクルの大幅な長期化につながりかねません。
2. 継続的エンジニアリングライフサイクルにおける現場課題への対応遅延：
   継続的エンジニアリングフェーズでは、主に現場課題を再現するための複雑なテストインフラの必要性と、それに続く複数回のファームウェアリリースが原因で課題が発生します。効率的な問題デバッグとハードウェアおよび／またはファームウェア更新の迅速な提供は、顧客満足度を維持するために極めて重要です。

ソリューション | 使用したHILセットアップ構成およびテスト手順

当初、シュナイダーチームは継続的エンジニアリングフェーズに適用されたコントローラハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）インフラストラクチャから取り組みを開始した。 C-HIL試験手順は、UPSの設計・開発におけるファームウェアデバッグ、設計検証、ファームウェア回帰テストに関連する課題を克服する上で大きな利点を提供する。図3に示すように、彼らはインターフェースボードを用いて実際のコントローラをHILに統合した。発電プラントモデルはHIL装置で実行され、制御プラントモデルは実際のコントローラ上で実行されることで、UPSシステムを正確に再現している。この構成により効率的なファームウェアデバッグが可能となり、エンジニアは問題を迅速に特定・解決できる。

その後、チームは技術ロードマップの強化に向け、新たなトポロジー（PoC）の迅速な評価および関連するハードウェア／ファームウェア開発においてC-HILの活用を開始した。通常、特定のパワートレインの複雑性に対応する物理ボードの調達には約8～10週間を要する。しかしC-HIL技術により立ち上げ時間を1～2週間以内に短縮でき、これによりパワートポロジーとファームウェアの安定化を迅速に実現できる。

メリット | シュナイダーエレクトリックにおけるUPS設計・開発のためのC-HIL実装

シュナイダーエレクトリックのチームはC-HIL導入プロセスを大いに享受し、自らの経験から得た主なメリットを以下に共有しています：

1. 継続的エンジニアリング：
   1. 従来のテスト手法では、UPSステートマシンの検証に3週間以上を要します。一方、HIL自動化ツールを活用すれば、安全な環境下で同じ検証テストをわずか10時間で完了できます。
2. 垂直統合型ツールチェーン：
   1. 垂直統合されたTyphoon を用いた仮想ハードウェア・イン・ザ・ループによるシステムレベルモデリングの採用により、シームレスな開発とテストが保証されます。
   2. これにより、V-HILモデルをC-HILへシームレスに移行でき、ファームウェア開発、検証、厳密なテスト回帰、効率的なフィールド問題のデバッグを合理化します。
3. 新製品開発および新トポロジー（PoC）評価：
   1. 強力な内蔵仮想HILを活用したシステムレベルモデリングは、デバイスやトポロジーの選定においてオフラインシミュレーションが極めて有用となる初期設計評価において、真に有益である。
   2. ハードウェア・イン・ザ・ループ試験は、IEC 61000-3-11などの業界規格への事前適合性においてUPSの性能を検証し、様々な条件下での有効性を保証します。
4. 持続可能性とデジタル化：
   1. C-HILは、コンポーネントやシステムのシミュレーションを通じてデジタル化を推進し、物理的な試験を削減、炭素排出量を最小化し、より迅速かつ安全な設計最適化を実現するとともに、複数回の反復作業や製造過程での排出を削減することで、持続可能性を促進します。

HILを一言で | HILの体験をどのように表現しますか？

Typhoon 、将来を見据えた超安全な電力変換開発エコシステムを先駆けて構築しています。

シヴァマニ・ククヌリ
パワーエレクトロニクスチームリーダー
シュナイダーエレクトリック

ファームウェアを先に、ハードウェアは後で：初日からリアルタイムモデルを起動させよう！

シヴァプラサド・エレンデュラ
組み込み電力変換制御ファームウェア専門家
シュナイダーエレクトリック

ハードウェア・イン・ザ・ループ：パワーエレクトロニクス製品開発の領域において、革新と点火が交わり、ゲームチェンジングな革命を巻き起こす。

サンジェイ・カンドゥラ
パワーエレクトロニクス シニアハードウェアデザイナー
シュナイダーエレクトリック

クレジット

テキスト | シヴァマニ・ククヌリ、シヴァプラサド・エレンデュラ、サンジャイ・カンドゥラ
ビジュアル | カール・ミッケイ
編集者| デボラ・サント