EV開発を加速するエミュレーションテスト　車両・バッテリー・充電インフラを仮想環境で検証

WHITE PAPER EVのエミュレーションテスト 電気自動車の機能をエミュレーションで評価する

電気自動車(EV)市場の急速成長により、電気自動車のデザイン検証や性能テストのパラダイムシフトが起きてい ます。電気自動車の増加により技術投資が促進されるにつれて、自動車エンジニアは、新しいデザイン方法やテス ト方法に移行しつつあります。その中には、今まで以上に、デザイン・サイクル・タイムの短縮および生産性の 向上を実現するエミュレーションテクノロジーがあります。 E-モビリティ社会は、走行距離への不安を中心とした消費者心理への対応や、電気自動車をより安価に提供する ためにEVバッテリーのコストをいかに引き下げるか、などの課題に取り組んでいます。デザインエンジニアやテ ストエンジニアがエミュレーション技術を使用して設計検証のサイクルタイムを短縮し、テストコストを抑制／ 削減する方法をご覧ください。そのメリットは、EVの価格が今よりも手頃になり、ドライバーの心理と信頼を 獲得するために大きく役立ちます。 自動車メーカーは変化する顧客に対応する ために方針を転換 ほんの10年前までは、自動車メーカーは一般的にかなり保守的でした。自動車のイノベーションは、他のテクノ ロジーと比較して、開発サイクルが長くなっていました。このように時間がかかってしまった理由には、さまざま なエンドマーケットの厳しい衝突試験基準および交通安全や歩行者に関する法的な要件に適合する必要性があった ことが挙げられます。 地球規模の気候変動やスモッグの発生増加に伴い、ドライバーは、過去1世紀にわたって燃費の悪い自動車を愛好 してきたことが汚染の一因だと認識しています。そのため、電気自動車のような低公害車や無公害車に対する関心 が高まっています。 IHS Markitのレポート1によると、2030年には新車販売される乗用車の4台に1台以上がEVになるとされています。 多くの自動車OEMが、内燃機関(ICE)やハイブリッド電気自動車の生産から完全な電気自動車への移行に投資して います。 従来のICE車では、設計者が取り組むべきパラメータの数は少なくなってきています。例えば、ICE車はガソリン でもディーゼル形式でも走行します。モデルの改良によってトルクや馬力が向上しています。これに対して、ICE の新時代のEVには、より多くの特有の要件があります。 1 IHS Markit Report：電気化の未来への転換 2

EV自動車メーカーは、高エネルギーのE-モビリティ エコシステム全体に取り組むことにより、安全基準や性能 基準への適合を確実なものとする必要があります。充電の相互運用性ももう1つの重要な要素です。電気自動車 用充電設備(EVSE)のメーカーは、プラグが異なる自動車モデルに対応する必要があるのに対して、世界中で 販売されるEVは、現地のEVSE電源仕様を満たしている必要があります。 図1からは、E-モビリティ環境の複雑さがわかります。最小のバッテリーセルから充電ステーションおよびインフ ラまで、各コンポーネントやサブシステムは、ミッションクリティカルな安全基準や性能基準を満たしている必要 があります。 エネルギーストレージ ストレージインバーター AC壁充電器 セル製造 太陽光発電アレイ PVインバーター DC充電ステーション バッテリーセル、モジュール、パックの デザインの検証／特性評価 オンボード バッテリー DC-DC パワートレイン 低電圧 モーター チャージャー パック コンバーター インバーター システム 電力グリッド 図1.　EVが、E-モビリティ エコシステム全体のテクノロジーへの投資を促進 電圧、コスト、リスクの増大 車載用電気／エレクトロニクスの設計で最も顕著な変更点は、高電圧、高出力バッテリーの追加でしょう。デザイ ナーにとっての主な課題は、300 Vレンジあるいはそれ以上のバッテリーを、これまで12 Vを使用してきた低電力 プラットフォームに組み込む必要があることです。メーカーはさまざまな車載の電気サブシステム用にスムーズで 安全なパワー変換を実現することに努めていますが、このような高電圧のために、コストとリスクが増加してい ます。 3

この新しい環境に対応するのに適したEVテスト機器は、場合によっては、同等の低電力機器（例えば1 kW電源と 10 kW電源の比較）の何倍も高価です。運用コストも高くなります。例えば、10 kWの電源が消費する電力は、 フルパワー供給時には、1 kW電源の10倍になります。これらの電力からはより多くの熱が発生するため、施設の 冷却能力を高める必要があります。 さらに、メーカーは、米国のNFPA 79などの高電圧安全性規制に準拠する必要があります。また、安全切断シス テムなどの機器の追加を考慮する必要があり、これらはすべて全体的なコストの増加につながります。 ハイパワー・オンボード・バッテリーを エミュレート EVで最も重要なサブシステムの1つが、バッテリーです。EVでは、エネルギーの貯蔵に大型バッテリーが使用さ れます。エネルギーは、回生ブレーキまたはグリッドから、充電時にバッテリーパックに流れます。自動車と自動 車のアクセサリに電力を供給するために、パックからエネルギーが放電します。このエネルギーは、電流と電圧に よって測定されます。 安全な充電および定格電力の供給を保証するためには、EVバッテリーの厳格なテストを行う必要があります。 EVバッテリーをエミュレートすることにより、バッテリーの動作寿命を正確に評価することができます。また、 製品の不具合を早期に検出することもできます。このため自動車メーカーは、現実的な条件下でデバイスをテスト できるバッテリー・エミュレーション・ソリューションに注目しています。 車載エネルギーサブシステムには、極端な温度や振動などの過酷な環境に耐えることが求められます。極端な温度 や振動もバッテリー性能に影響を及ぼします。エミュレーターを使用すれば、エンジニアは高出力バッテリーを 模倣して、他のデバイスに悪影響を及ぼす可能性がある、過渡電圧のドロップアウトや電力サージなど、さまざま な条件下でバッテリー性能が被試験デバイス(DUT)に与える影響を詳しく調べることができます。 エミュレーターは、DC/DC双方向パワーコンバーターとしても、DC/ACコンバーターとしても使用できます。 DC/DCコンバーターの例としては、デザインエンジニアはエミュレーターを使用して車載サブシステムの動作を テストできます。それには、自動車のエアコンなどの12 Vデバイスに電力を供給するための48 V DCのダウンコン バート、または12 Vバスから自動車のバッテリー・マネジメント・システムの48 Vバスへのアップコンバートが 含まれます（図2を参照）。 4

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 モーター／ BMS 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 12 Vの 48 Vの （ジェネレーター） バッテリー バスを を充電 事前充電 12 VDC LVバッテリー 低電圧負荷 エンジン DC-DC コンバーター 図2.　マイルドハイブリッド・eパワートレイン・アーキテクチャーにおけるDC-DC変換 ほとんどのEVバッテリーは、パワーグリッドからエネルギーを引き出します。しかし、エネルギー効率の革新に より、エンジニアは、余分なエネルギーを車載バッテリーまたはデバイスにシンクしてパワーグリッドに戻す EVの開発に取り組むことができるようになりました。パワーグリッドは通常ACで運用されているため、DC-AC 変換が必要です。エンジニアはエミュレーターを使用してこのような環境を構築し、車載用EVサブシステムから EVSEまで、さまざまなサブシステムの性能を検証することができます（図3）。 キーサイトRP7900などの一部の回生型電源は、シンクした電力の90 %以上をパワーグリッドに戻します。これ により、DUTが発生させる熱の量を減らして、冷却コストを削減することができます。 図3.　Keysight RP7900の回生電力機能は、EVからAC電源に戻る電力のシンクをエミュレートします 5

充電ステーションと電気自動車を エミュレート 充電ステーションへのアクセスに対する消費者の懸念を緩和するため、自動車業界は、EVSEインフラへの投資を 強化しています。 BloombergNEFによると、632,000個の公共の充電コンセントによって支えられた世界のEVフリートは、2018年 には500万台に達しました（図4）。2030年までに路上の自動車の3台に1台をEVにするというシナリオを実現する ためには、公共の充電器を世界中に1400万～ 3000万台配備して、普通乗用車に供給する必要があります。この ため、EVSEメーカーにとって非常に大きな可能性がある市場です。 高速 加速 中速 標準 中国 米国 ドイツ オランダ 日本 フランス 英国 オーストリア ノルウエー スイス 0 100K 200K 300K 400K 図4.　2018年の上位10か国の公共充電インフラの配置（出典：BloombergNEF） 6

充電ステーションはレベル別に分類されています。 レベル1 - AC低速充電 レベル2 - AC中速充電 レベル3 - DC急速充電 最も低速かつ安価で、主に夜間 小型から中型の自動車（24 kWh 充電が早く、24 kWhバッテリー 家庭内充電用。 バッテリー）を4～ 6時間で充電 を約30分で80 %まで充電可能。 可能。 120 Vの標準的な電源コンセン バッテリーの温度を上昇させる トからどこでも充電可能。 これらの一般的なAC壁面充電 ため、自動車用リチウムイオン 器は、急いでいない場合の バッテリーの性能に影響を及ぼ 家庭用。熱放出がレベル3より す可能性がある。外部温度が 小さいため、バッテリーに最適。 充電に影響を及ぼす。 電気自動車メーカーもEVSEメーカーも、世界中でビジネスを展開しようとする際は、さまざまなACおよびDC電 気プラットフォームに加えて、相互運用性や適合規制にも取り組む必要があります（図5）。 北米 日本 EU 中国 すべての市場 その他の市場 EUを除く J1772 (Type 1) J1772 (Type 1) Mennekes (Type 2) GB/T CCS1 CHAdeMO CCS2 GB/T テスラ社 図5.　世界中のさまざまな充電規格の例。ChaoJi(CHAdeMO 3.0)やMCS(Megawatt Charging System)といった新たな規格に より、さらに効率的な充電が可能に 7

従来は、エンジニアが手動テストを実施し、個々の自動車モデルをそれぞれ規格の異なるさまざまな充電ステーショ ンに接続しました。今日の急成長している市場においては、このテスト方法は現実的ではありません。代わりに、 EVメーカーもEVSEプロバイダーも、相互運用性を実現するためのデザインを検証する自動エミュレーションテク ノロジーに目を向けています（図6）。 手動テスト • 実装対実装（適切なケースのみ） • 成長市場には適していない 自動テスト • テストケース対実装（適切なケースと エミュレーション エラーケース） テクノロジー • スケーラブルで成長市場に対応可能 図6.　充電インタフェースのテストの進化。キーサイトのCharging Discovery System(CDS)などのエミュレーション ソリューションによって実現 主要なEVSEメーカーや自動車メーカーは、テストの専門家と緊密に協力し、充電インタフェースの性能をより 効率的にテスト／検証する新しい方法を実現しています。キーサイトは、自動車メーカーとEVSEメーカーのエミュ レーションテクノロジーを用いたこれらのテストをお手伝いします。 基本的にテストエンジニアは、高性能で汎用性が高い充電インタフェース・テスト・ソリューションを作成してき ましたが、双方向電源を用いることにより、あらゆるEV充電設備や電気自動車の充電コネクタおよび電源をエミュ レートすることができます。 8

Man-in-the-middleと呼ばれるテストでは、エミュレーターによってEVSEとEVの間の通信／電力信号が測定され、 デコードされるため、相互運用性に関する潜在的問題を特定するのに役立ちます。メーカーは、各国の充電規格ま たは充電ステーション／車両モデルに応じて、同じ機器を使用してさまざまなテストパラメータを実行できます （図7）。 EVテスト EVSEテスト Man-IN-THE-MIDDLEテスト EVSEのエミュレーションは、 各種EVのエミュレーションは、 EVおよびEVSEには、 すべての国際規格とグリッドに さまざまな国際規格で 同一の国際規格に従った 従って実行することが必要 実行することが必要 相互運用性が必要 回生型双方向 CDS(Charging CDS(Charging 回生型双方向 CDS(Charging 直流電源 Discovery System) Discovery System) 直流電源 Discovery System) EVSEエミュレーション EVエミュレーション Man-in-the-Middle 解析 図7.　エミュレーターが、コスト/時間のかかるテストセットアップに代わって、実環境で各DUTがどのように機能するかを検証 バッテリーセル、モジュール、パックを エミュレート より性能の良い安価なバッテリーセルがEV普及のカギです。これらの課題に対処するため、多くの自動車メー カーには、EV用のエネルギー貯蔵システムや使用量表示システムに取り組む専門チームがあります。新しいハ イパワー・エネルギー・ストレージ・テクノロジーの開発／テスト、およびEVを走らせるモジュール／パック を構成するために複数のエネルギー・ストレージ・セルを相互接続するには、インテリジェントなバッテリー・ マネジメント・システム(BMS)を必要とします。優れたBMSは、電圧、電流、温度、充電状態などのパラメー タを監視することにより、安全、制御および調整などの重要な機能を担っています。また、BMSは、熱管理、 エネルギー管理、セルのバランシング、およびバッテリーパフォーマンスにも関与しています。これらの機能の 実装は、BMSの開発と検証における最大の課題となっています。 再現性のあるテストとBMSの最適化を実現するために、キーサイトはScienlab BMS環境を提供します。実際の セルの代わりに、Scienlabセルエミュレータ―を接続することにより、さまざまなセルモデルのさまざまなセル タイプをエミュレートします。 キーサイトは、設計図から路上の走行まで、未来のEVが完璧に機能することを確認するために、Scienlab BMS 環境を使用する主要な自動車メーカーと連携して取り組んでいます。 9

関連情報 カタログ：eパワートレインとHEV/EVエコシステムを支援する革新的なデザイン／テストソリューション ポスター：E-モビリティ エコシステムの推進 技術記事：コネクテッドカーのエミュレーションテスト キーサイト・テクノロジーの製品、アプリケーション、サービスの詳細については、 ウェブサイトをご覧ください：www.keysight.co.jp 本書の情報は、予告なしに変更されることがあります。© Keysight Technologies, 2019 - 2022, Published in Japan, September 29, 2022, 5992-4209JAJP