E-モビリティ時代の設計・テストを革新　 eパワートレインとHEV／EVエコシステム対応ソリューション

E-モビリティ：革新的な設計／テストソリューション eパワートレインとHEV/EVエコシステム www.keysight.co.jp 1

自動車とエネルギーに関するキーサイトのグローバルな事業展開 キーサイトのグローバルな事業展開がお客様の必要とするソリューション提供を保証します。 当社は、ミシガン州（米国）、ベーブリンゲン市（ドイツ）、八王子市（日本）、上海市（中国）に自動車用カ スタマーセンターを設置しています。 お客様の革新的なテクノロジープロジェクトを、お客様のそばでサポートすることで、自動車およびエ ネルギー業界の活性化に寄与することを方針として掲げており、このセンターは、その姿勢を明確に示 しています。 当社は、E-モビリティ (e-mobility)の規格を設定するための国際的な組織とパートナーシップを維持し ています。 これは、お客様の自動車設計とテストの要件に対応した、将来に備えたソリューションにつながります。 キーサイト Automotive Customer Center キーサイトのオフィス 2

目次 3

E-モビリティ エコシステム発展の原動力 4

E-モビリティ エコシステム発展の原動力 国際エネルギー機関(IEA)の予測によると、全世界の電気自動車(EV)とハイブリッド電気 自動車(HEV)の数は、2030年までに2億5000万台に達する見込みです。 • 政策が E-モビリティの 2018年時点の台数は、IEAの調査によれば510万台なので、今後急激に増加することにな 発展に与える大きな影響 ります。このような成長に伴って、パワートレイン、パワーエレクトロニクス、セル／ • 技術進歩で、電池のコ バッテリー、充電インフラも進化します（図1）。 ストが大幅に削減 • 電池技術のバリュー 自動車メーカーは、自社のEVがCO2排出規制に適合することを確認する必要があります。 チェーンの重要性をま また、エネルギー効率と走行距離の改善も必要です。 すます認識 IEAの2019年のレポート 新しいパワートレインテクノロジーが利益を生むまでには、2回以上のデザインサイクル 「Global EV Outlook が必要なのが普通です。EVパワートレイン・コンポーネント（トラクションモーター / 2019」のハイライト コンバータ、パワー・コンバータ、バッテリ）のコストに対するプレッシャーは、新しい 基礎技術の開発を推し進めています。これらのテクノロジーの進化に伴い、安全性および 性能規格に適合するため、エミュレーション機能とテストカバレージの向上をもたらすデ ザイン／テストソリューションが必要とされます。 また、プラグイン自動車市場の成長に伴い、隣接分野である再生可能エネルギーエコシス テムでも、新しいテクノロジーが発展しつつあります。その例としては、太陽光発電(PV) インバーターやスマート・グリッド・テクノロジーが挙げられます。 エネルギー・ストレージ ストレージ・インバーター ACウォールチャージャー セルの製造 太陽電池アレイ PVインバーター 充電ステーション バッテリーセル、モジュール、パックの 設計検証／特性評価 オンボードチャージャー バッテリー DC-DCコンバーター パワートレイン 低電圧システム モーター パック インバーター 電力グリッド 図1.　E-モビリティのエネルギーエコシステム 5

ハイパワー E-モビリティ環境でのテスト 6

ハイパワー E-モビリティ環境でのテスト 双方向テスト：双方向の電力フローをテストするには、コンバーターへの電力のソースと シンクが可能なテスト機器が必要です。従来のテスト方法では、外部回路と複数の測定器を 使用します。このような方法では、通常、ソースとシンクの間でスムーズなパワーの送受が 実現されず、動作状況の正確なシミュレーションは不可能です。また、テスト環境内の発熱 量が多いため、コストのかかる冷却手段が必要です。 新しいパワー半導体テクノロジー：設計者の間では、ワイドバンドギャップ(WBG)デ バイスの採用が広まっています。これらのデバイスは、従来のシリコンデバイスよりも電力 効率が高く、高い電圧と温度に対応できます。ただし、これらのデバイスを使用した場合、 DC/DCコンバーターのシミュレーションとデザインは複雑になります。パワーコンバーター のデザインに使用されている従来のシミュレーションツールでは、WBGデバイスの動作を 正確に表現できないため、これらのデバイスを使用したコンバーターの最適なデザインをサ ポートできません。今日のコンバーターの設計には、新しいシミュレーションとテスト技術 が必要です。 安全性と信頼性に関する懸念事項：新しい半導体を使用する場合、コンバーターが厳 しい動作条件に耐えられることを確認するため、通常より多くの検証および信頼性試験が 必要です。コンバーターで使用されるパワーレベルを考慮すると、テストの際には十分な 注意が必要です。このため、製造現場には特別な安全機構が必要になります。例えば、故障 発生時に作業者や機器が高電圧にさらされることを防ぐ冗長システムなどです。 効率の最大化：テストの際に、実環境でのコンバーターシステム全体の動作を評価するた めに、動作と環境が効率に与える影響をすべてシミュレートすることは困難です。効率のパー セント値のわずかな変化を測定するには、ダイナミックレンジの広い測定器が必要です。 7

EVおよびパワー向けテストソリューション 8

EVおよびパワー向けテストソリューション このような新しい設計とテストの課題に対応するため、キーサイトは革新的な 方法を開発し、発表しました。これは、開発や製造のプログラムの高速化に役立 ちます。このE-モビリティ カタログでは、このエコシステムにおいてキーサイト が提供する設計およびテストソリューションとサービスの概要を紹介します。 製品やソリューション eパワートレインのテスト：車載システム用インバーターおよびDC/DCコン のデザインや バーターのテストと、バッテリーモジュールおよびバッテリーパックのセル特性 テストに関する 評価および電力効率テストを通じて、パワー半導体レベルでエネルギー効率を ニーズについては、 実現するとともに、安全性、時間、コストに関する懸念事項に対処します。 お気軽に当社まで 充電テクノロジー／インフラのテスト：EVおよび充電ステーション(EVSE)を、 ご相談ください。 フィールドまたはラボでテストします。 www.keysight.co.jp/ エネルギーエコシステムのテスト：太陽光発電のMPPTアルゴリズム評価か find/e-mobility らPVインバーターの効率テストにまで及ぶ最先端のエミュレーションテクノロ ジーとソフトウェアを使用することで、安全性と性能に関する厳しい業界標準へ の適合を実現できます。 9

eパワートレインのテスト 10

eパワートレインのテスト HEVとEVの複数の異なるアーキテクチャー ストロング（またはパラレル）ハイブリッド車とピュアEV車（エンジンなし）の場合、大容 E-モビリティのエコシ 量バッテリーから供給される高電圧バスにて、電動パワートレインを駆動します（図2）。 ステムでは、交流送電 網から始まって、以下 インバーターおよびモーター／ジェネレータのパワーレベルは、50 kW前後から180 kW のようなポイントで 以上にまで及びます。大型のリチウムイオン(Li-ion)電池とともに、このようなアーキテ 電力変換が行われます。 クチャーの開発には多額の投資が必要です。 • 充電ステーション コンポーネントの大半は、双方向であり、バッテリーからインバーターに電力を送るこ • 車載充電器 とでモーターが回転し、自動車が動きます（トラクションドライブ）。減速するときには、 • パワートレイン コンバーター 自動車の慣性エネルギーがジェネレーターを作動し、インバーターを通じて電力を戻し、 バッテリーを充電します（回生ブレーキ）。HEV/EVのエネルギー効率を最大化するため、 このパワートレインの各ステップで徹底的なテストが必要です。 HVリチウムイオン トラクション バッテリー／ DC-DC インバーター 充電ステーション BMS コンバーター モーター／ジェネレーター トラクションドライブ（モーター） 280 VDC～ オンボード 60 - 180 KW + 800 VDC+ チャージャー < 4 KW 回生ブレーキ 充電12V （ジェネレーター） 12 VDC LVバッテリー 低電圧負荷 ENGINE DC-DC コンバーター 図2.　ストロング／フルハイブリッドEVの簡略ブロック図 11

マイルドハイブリッド車(MH)の場合も、モーター／ジェネレーター、インバーターおよ びバッテリーは双方向です。ただし、HEVやEVと異なり、そういったコンポーネントは それ自体で自動車を駆動する十分なパワーはありません。代わりに、加速中にエンジンの 電力を補助し、減速中のバッテリーを再充電するために使用されます。 MHの電圧レベルは通常48 Vで、バス構造をHEVの安全規格の60 V以下に維持します。 これによって得られる潜在的電力は、同じ電流定格の12 Vバスの4倍に達します（図3）。 これらのパワートレインシステムの各コンポーネントおよびステップに対する十分なテス トが必要です。 デザインと製造の段階では、各コンポーネントおよびサブシステムの全体の中での機能と、 安全性に対する考慮が必要です。 HVリチウムイオン トラクション バッテリー／ インバーター BMS モーター／ジェネレーター トラクションドライブ（モーター） 48 VDC < 20 KW < 4 KW 回生ブレーキ （ジェネレーター） 充電12V 事前充電 48V BUS 12 VDC LVバッテリー 低電圧負荷 ENGINE DC-DC コンバーター 図3.　マイルドハイブリッドEVのブロック図 12

インバーターのテスト インバーターは電圧を双方向に変換する機能を持ち、さまざまなアプリケーションに必要不可 欠なコンポーネントです。トラクションインバーターは、バッテリーからのDC電圧を電装機器 用のAC電圧に変換します。この機能のために、インバーターはE-モビリティや多数の産業アプ リケーションにおいて重要な役割を果たします。自動車産業では、品質、耐久性、安全性に関 する厳しい要件が課されます。すべてのコンポーネントは、開発と生産の過程で厳しいテスト の対象となります。開発の早い段階でテストを実行できるほど、以降のステップの効率が向上 します。包括的なテストシナリオと独立したコンポーネントテストによって、開発費用を削減し、 イノベーションを加速できます（図4）。 インバーター環境をエミュレートするには、バッテリーの代わりにキーサイトのScienlabダイ ナミックDCエミュレーターを使用します。電装機器の代わりにはScienlab マシン エミュレー ターを使用します。 コンポーネント ネットワーク内での テスト UAC UDC 電装機器 インバーター バッテリー power-HiL システムを使用した U 独立テスト AC UDC/AC マシン インバーター ダイナミック エミュレーター DCエミュレーター 図4.　実際のインバーター環境とエミュレーション環境 13

Scienlab Machine Emulator インバーターを徹底的にテストするには、広範囲にわたる電装機器をエミュレーション することが必要となります。キーサイトのScienlab Machine Emulatorは、Scienlabダ Scienlab Machine Emulator イナミックDCエミュレーターと組み合わせて使用することで、事前定義された負荷サイ を使用した包括的なテ ストシナリオと独立し クルによるインバーターのストレス試験を可能にします。ダイナミックDCエミュレー たコンポーネントテス ターの詳細については、「E-モビリティ テストを支えるその他の機材」を参照してくだ ト環境によって、EVの さい。 開発コストが削減され、 イノベーションを迅速に さまざまな種類のマシン（PMSM、ASM、誘導機など）の現実的なエミュレーションが 達成できます。 可能です。これはモーターモードとジェネレーターモードの両方で可能です（4象限 モード）。電装機器のエミュレーションには、必要なすべてのセンサも含まれます。 さらに、オープン・インタフェース・アーキテクチャーにより、Machine Emulatorを 既存の自動試験機に簡単に接続できます。このMachine Emulatorは、高電圧アプリケー ションにも、48 Vアプリケーションにも使用できます。 14

バッテリーセル、モジュール、 およびパックテスト E-モビリティでは、より優れたセルとバッテリー の必要性が高まっていますが、目的は同じです。 性能、走行距離、コストの改善です。これらの デバイスは、高い品質を持ち、電力、エネルギー 密度、安全性、耐久性に関する要求に応える 必要があります。市場で生き残るには、コスト の最適化が必要です。このような理由から、 デザインと生産の成功のためには、包括的なテ ストを実行しなければなりません（図5）。 セルの製造 バッテリーセル、モジュール、パックの 設計検証／特性評価 オンボードチャージャー バッテリー DC-DCコンバーター パワートレイン 低電圧システム モーター パック インバーター 図5.　EVのパワーは、電力と航続距離を向上させるためにバッテリーセル、 モジュール、パックをどのように連携動作させるかによって決まります。 15

セルの自己放電解析 32チャネル BT2152B 自己放電アナライザ リチウムイオン電池セ キーサイトBT2152B 自己放電アナライザは、多数のリチウムイオン電池セルの自己放電 ルの自己放電が大きい 電流を直接測定します。ポテンショスタット測定法を使用することで、セル放電性能の 場合には、潜在的な 合否識別に必要な時間を、数日または数週間から、数分または数時間まで短縮できます。 障 害 が 疑 わ れ ま す。 キーサイトの新しいポ セルメーカーにとっては、仕掛品在庫、運転資本コスト、設備コストの大幅な削減につ テンショスタティック ながります。セルのデザインと評価の際には、セル解析を高速化することで、デザイン ソリューションは、自己 サイクルを短縮し、市場への投入を高速化できます（図6）。BT2152Bと、補完的な 放 電 測 定 の 課 題 に BT2155Aソフトウェアの組み合わせによって、以下の重要な機能を実現できます。 対処し、時間の劇的な 短縮、コストの大幅な • 最大32チャネル（4チャネル単位）の自己放電電流測定 節約、市場投入までの 時間の短縮を実現し • 電流測定確度：±(0.30 % + 250 nA) ます。 • 電圧測定確度：(0.04 % + 0.1 mV) セルの自己放電 電流の測定 数分間で良好な セルと不良セルを 判別 図6.　キーサイトのポテンショスタット測定法により、セル放電性能の合否識別にかかる時間を短縮できます 16

セル充放電プラットフォーム キーサイトBT2200 充放電プラットフォーム キーサイト BT2200 充放電プラットフォームは、リチウムイオン電池セルの化成工程用 プラットフォームで、コスト効率が高く、チャネル数などの構成を簡単に変えることが BT2200は、新規あるい できます。モジュラー構成は、6～ 200 Aの最大電流を必要とするセルに対応し、シャー は追加の容量定格に合 シ わせて容易に構成変更 1台あたり8～ 256個のセルまたはユーザーチャネルに対応できます。このプラット できるため、さまざま フォームには次のような利点があります。 なセルタイプの要件に 低コストで迅速に対応 • 6～ 200A、8～ 256チャネルのモジュール構成：1シャーシあたり最大8モジュール、 できます。 1モジュールあたり32チャネル。 • 1つの物理チャネルあたり±6.25 A、最大32チャネルを並列接続して、1つのユーザー チャネルあたり最大±200 Aまでレンジ拡張可能、サンプリング間隔1秒。 17

セルサンプル、セル、モジュール、およびパックテスト Scienlabテストシステムは、バッテリーセル、モジュール、パックの包括的なテストを高い 信頼性で実行できます。E-モビリティ、モバイル、産業、定置用のバッテリー・マネージメント・ システム(BMS)にも対応できます。キーサイトのテストシステムは、クラス最高のScienlab Energy Storage Discover(ESD)ソフトウェアと組み合わせることで、カスタマイズされた性能、 機能、エージング、環境テストを実行でき、規格コンプライアンスおよびコンフォーマンステ スト（ISO、DIN EN、SAEなど）にも対応できます。 バッテリーセルのテスト セルサンプルのテスト SL1002A、SL1003A、 バッテリーモジュールのテスト バッテリーパックのテスト SL1004AおよびSL1005A SL1007A、SL1132A SL1001AおよびSL1006A SL1000A およびSL1133A • 電圧範囲：－2 to 8 V • 出力電圧：0～ 6 V • 出力電圧：20～ 300 V • 出力パワー最大±360 kW • 出力電流：最大±5 A • 出力電流：±25 A～±600 A • 出力電流：±100 A、 • 電圧レンジ：50～ 1,000 V • 測 定 レ ン ジ： ±150 μA、 （並列チャンネル接続により、 ±300 A、±600 A、±750 A （オプションで0～ 1,000 V、 ±5 mA、±150 mA、±5 A、 さらに大電流および大電力を • 電流ダイナミクス：－90 % 最大180 kWのシステムに対 自動レンジ切り換え 供給が可能） ～ 90 %：代表値 0.8 ms して） • 最大96チャネル • 最大150チャネル • 電流測定確度：±16 mV • 電流レンジ：±300 A、 • 手動並列接続：電流を最大 • 電流ダイナミクス：－90 % 測定値の±0.05 % ±600 A、±900 A（並列に切 ～ ＋90 %： 代 表 値 0.8 ～ り替える場合は±2400 A） 10 Aにするには2チャネルを • 電流測定確度： 使用 3.0 ms ±20/40/60/120 mA 測定値 • 電流ダイナミクス：－90 % • 電 圧 測 定 確 度： 代 表 値 の±0.05 % ～ 90 %：代表値 1.6 ms • 制御モード：電流、電圧およ びパワー ±1 mV 500 μV • 電流測定確度：±200 mV • オプションのエレクトロケミ • 電流測定確度：測定値の 測定値の±0.05 % カル・インピーダンス・スペ 0.05 % • 電流測定確度：最大 クトロスコピー • 最大3つの温度センサ（チャ ±60/120/180 mA 測定値の ネルごと） ±0.05 % • オプションのエレクトロケミ カル・インピーダンス・スペ クトロスコピー 18

セル、モジュール、パックのテストシステムを制御するソフトウェア キーサイトのテスト・システム・ソフトウェアは、個々のテストシステムを制御するEnergy Storage Discoverから始まり、セル、モジュール、バッテリーパックのテストに使用する複数のシ ステムでバッテリーテストラボ全体を管理および調整するバッテリーテスト用PathWave Lab Operationsまで、幅広く対応しています。 SL1091A Scienlab Energy Storage Discover (ESD) Scienlab Energy Storage Discover(ESD)は、個々のテストシステムに対するテストの開発、実行、 解析を行うための使いやすいテストソフトウェア環境です。 • あらゆるScienlabブランドのエネルギー・ストレージ・テスト環境の中核を制御するコンポーネントです。 • テストと結果を強力に視覚化。包括的な概要と使いやすい操作。 • ESDオフライン版でテストプログラムの作成に対応。 • オフライン時のテストで使用できるシミュレーション環境。 • バッテリーテストシステムとのイーサネット通信。 • オプションの標準化されたリモートインタフェイスにより、外部の制御およびモニタリングソフトウェアと 容易に統合可能。 • 電池セル、モジュール、パックレベルの視点からの車両エミュレーション。 • 環境槽、冷却および加熱装置など、外部コンポーネントをテスト環境やプロセスに統合。 図7：ESDソフトウェアで可視化されたインピーダンスグラフ 19

EP1150A バッテリーテスト用PathWave Lab Operations バッテリーテスト用PathWave Lab Operationsは、バッテリーテストの効率的な計画と運用をラボ 全体を通じて実現します。テスト設備、テストシステム、テスト対象やDUTなど、すべてのリソース を管理します。統合されたウェブベースのラボ管理プラットフォームを使用しており、これによりテ ストワークフローを最新化することができ、従来の紙ベースのプロセスから脱却、データの整合性と トレーサビリティーを向上することができます。 バッテリーテスト用Pathwave Lab Operations ラボ1 1つのクラスター - 複数の場所 ラボ2 サーバー ＋ DB サーバー ＋ DB 安全に複製されたマイクロ 安全に複製されたマイクロ サービスとデータベースを サービスとデータベースを 実行し高速な 実行し高速な アクセスを実現 アクセスを実現 オペレーターはモバイル ユーザーはブラウザーを介して デバイスで通知を受け取り すべてのラボにアクセス タスクの実行が可能 テストラボ1 テストラボ2 Energy Energy Energy Energy Storage Storage Storage Storage Discover Discover Discover Discover テストシステム テストシステム テストシステム テストシステム この強力なツールセットは、テストが必要なセルやバッテリーのテストスループットを向上させ、 プロジェクトのテスト要件をスケジュール通りに満たし、テスト資産の利用率を最適化するため に役立ちます。 • ラボのテスト対象を簡単に登録し、追跡。 • データと統計情報をすばやく解析。 • テストラボのワークフロー、ドキュメント、ラボ オーダー、タスクを整理。 • テスト能力とシーケンスを計画し、最適化。 • テスト計画、結果、データ、その他のドキュメントを共有し、管理。ラボのスタッフ間のコラボレーショ ンやディスカッションが容易になり、生産性が向上。 • ラボとそのデバイスをいつでもどこでもリモートコントロール。 • 通知を管理し、指定のデバイスまたは電子メール サービスに転送します。 • 自動化、ネットワーク化され、最大数千チャンネルまであらゆる規模のテストラボに対応するスケーラビ リティ。 20