はじめに | 充電インフラの拡充
世界的な電気自動車（EV）の需要は近年急増しており、市場動向はこの需要がさらに増加し続けることを示している。したがって、この大規模な普及を支えるためには、適切なエネルギー供給と充電インフラの整備が不可欠である。図1は、世界中のEVにおける予想される充電エネルギー需要を示している。 2030年までに、EV充電器の年間エネルギー消費量は2710億kWhに達すると予測されており、これは世界の電力需要の主要な源泉の一つとなる。これは直流急速充電器（DCFC）が電力系統に多大な負荷をかけることを意味し、将来にわたって信頼性が高く安全で安定した電力系統を確保するためには、こうしたリスクを軽減することが不可欠となる。
課題 | DC急速充電器が電力系統に与える影響
ガソリンスタンドに複数の給油機があるように、複数のDCFC（急速充電器）が同一場所に設置されることが一般的であり、これにより様々なドライバーを支援できる充電施設が形成される。しかし液体燃料とは異なり、電力は通常その場で貯蔵されないため、電力系統からの電力需要が急激にピークに達する。さらに、充電ステーションは低電圧配電システムに接続されることが多く、これらはほぼ最大容量で稼働しているため、複数の電力品質問題を引き起こす可能性がある。
複数の電気自動車が直流充電ステーションに接続されると、高電流レベルにより電圧降下が発生し、標準的な制限値を超える可能性があります。これにより系統運用に影響が生じ、保護装置が作動する恐れがあります。さらに、直流急速充電器（DCFC）の設置は、系統が従来から直面している故障事象に加え、電圧不平衡、フリッカー、高調波、その他の系統バランス問題を引き起こす可能性があります。
明るい面としては、前述のDCFCが高電流レベルを供給できる能力は、適切なタイミングで使用されることで、系統の不均衡問題の解決に大きな影響を与える可能性があります。 DCFCは、故障発生後の系統正常運転復帰を支援するよう設計されるべきであり、そもそも故障を未然に防ぐための高速補助サービスを提供すべきである。しかし、実験室における系統故障や系統障害に対するDC急速充電器の徹底的な試験は、複雑で高コストであり、高電力レベルでの動作による安全上の問題も生じる。この点において、HILソリューションeモビリティ 不可欠であることが証明されている。
ソリューション | HILを用いたDC急速充電器の故障および系統障害に対する試験
Typhoon HIL 、DCFCを無数の実環境シナリオに対して評価するためのエンドツーエンドのテストソリューションTyphoon HIL 。超高精度のリアルタイムシミュレーションと自動テストを組み合わせた当社の垂直統合型HILソリューションは、仮想環境内で予期せぬ課題を安全に特定することで、設計サイクルの早期段階におけるリスクの低減を支援します。 HILソリューションは、IEC 61000などの規格や、DCFCの性能評価に使用されるUL 2231-2に規定されたテストケースに準拠した、新しいDCFCの迅速な制御プロトタイピングに最適です。
これらの試験の一つは、数秒間続き、単一または複数の相に影響を及ぼす可能性のある系統電圧の低下に関連しています。こうした事象を再現するため、Typhoon HIL 図2に示す「Grid」 Typhoon HIL 、これを使用して系統電圧を動的に制御することができます。したがって、エンジニアは、どの相が影響を受けていても、外乱が発生している間、DCFCのDCリンク電圧および出力電圧が許容範囲内に収まることを確実にすることができます。
系統障害に起因する電圧変動や不平衡が発生した場合、試験では充電器のDCリンクおよび出力電圧の評価に加え、電流の引き込み量も評価する必要があります。Typhoon HIL 、図3に示す「Grid Fault」および「Dynamic Grid Fault」Typhoon HIL 、これらの障害を再現することができます。これらのコンポーネントは、理想スイッチを使用して障害をエミュレートし、障害の種類や抵抗値を定義できるようにします。
系統停電および中断はより深刻な故障事象タイプであり、この場合、DCFCは系統復旧後に動作を正常化することが期待される。これらの故障に対する試験では、エンジニアリングチームは制御コンタクタを用いて変動する停電時間を選択し、これらの中断時のDCFCの挙動を評価できる。
規格では周波数および周波数変化率（RoCoF）の許容限界も定義されている。DCFCはこれらの限界内で適切に動作すべきである。したがって、グリッド構成要素の周波数を変化させることで、エンジニアは位相ロックループ（PLL）が確保され、電流、全高調波歪み率（THD）、直流リンク電圧が定義された限界を超えないことを確認する試験を実施できる。
Typhoon HILを活用すれば、DCFCコントローラーを数多くの複雑なシナリオで徹底的にテストし、実験室環境で再現することができます。当社のチームによるサポートをぜひご活用いただき、高精度なシミュレーションとテスト自動化の利点を最大限に活かして、電動化の未来へと前進してください。
クレジット
文 | カッシアーノ・F・モラエス、エイトール・J・テッサロ
画像|Typhoon HIL 、カール・ミッケイ
編集 | ジュリアーノ・グリグロ、セルジオ・コスタ、デボラ・サント
