日本国土開発未来研究財団 学術研究助成 研究成果発表会
中間発表

新しい電力変換器D-EPCを用いた電動モビリティの電力変換損失低減の研究

2022/11/25
東京電機大学 未来科学部
ロボット・メカトロニクス学科
吉本 貫太郎E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

Summary
Background
２つの直流電源を搭載するハイブリッドや燃料電池車も電動化として期待電源間を接続するDCDCコンバータは搭載性・効率・コストの課題
Key points
新しい電力変換器D-EPCを用いて「電力変換損失1/3」を目標
D-EPC : ２つの電源を入力に出来るインバータ４つの中目標
目標1 電力変換システムの直接変換化とその損失の計算手法の確立
目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築
目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
目標4 シリーズハイブリッドシステム適用へ向けたD-EPC応用研究
本日の報告内容
・背景・課題 インバータ・モータと2電源システム
・提案するD-EPCとそのアプリケーション
・各目標の進捗と今後の方向性

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

Background
進む乗用車の電動化CY2021

欧州 ： EV販売 120万台

新車販売の12%

中国 ： EV販売 291万台

新車販売の11%

日本での自動車全体の販売 444万台

大型車・建機の電動化の課題
CY2021

欧州EVトラック登録数 346台

大型車 ： 大容量バッテリ・充電が課題、EV化の開発・普及が進んでいない
建機 ： 充電ステーションへ移動が困難⇒ 完全なEVではなく、燃料電池EV, トロリー受電, ハイブリッドの開発が進む
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

電動化 インバータによるモータ駆動
効率の良い交流モータを半導体スイッチで駆動する技術

一般的なEVの構成

バッテリ

直流１電源を入力

インバータ

直流→交流モータ
インバータ

モータ

モータ駆動の主は交流モータ
EV,ハイブリッド,燃料電池車, 電車, 家電, エレベータ, ドローン

電気自動車のモータ・インバータ(日産リーフ)電源の直流を交流に変換するインバータを用いる

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

DCDCコンバータ・昇圧チョッパ
直流の電圧を可変にする回路 2電源システムや高出力ハイブリッドに用いられる
燃料電池車

2電源を入力ハイブリッド車

DCDCコンバータ

電圧を昇圧
駆動モータ

発電機
昇圧チョッパ異なる特性・電圧の電源は直接接続できない
２電源の入力では、DCDCコンバータが必須バッテリ電圧を高く昇圧し、高出力化

DCDCコンバータ・昇圧チョッパの課題
回路に用いるコイルは重く・大きい
電力損失が発生する
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

提案するD-EPCとは？
燃料電池車

D-EPC = 2電源入力のインバータ
Direct/Dual - Electric Power Converter

2電源を入力従来の回路構成

D-EPCを用いた回路構成

DCDCコンバータ

D-EPC
D-EPCを用いた回路構成
DCDCコンバータを用いず、インバータの回路に半導体スイッチを追加
低損失: モータと電源の間には半導体スイッチのみで直接接続
小型・軽量化 : 大きく重いコイルを用いない高出力化: 電源直列の電圧を出力し、モータの高出力化が可能
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

D-EPCを用いたハイブリッドシステム
ハイブリッド車

電圧を昇圧

従来の回路構成

D-EPCを用いた回路構成

駆動モータ

バッテリ

昇圧用コンデンサ

発電機
昇圧チョッパ駆動モータ

D-EPCを用いたハイブリッドシステム
D-EPCをモータ・発電機にそれぞれ適用
電源の１つは接続せず、コンデンサのみ⇒コンデンサの電圧を昇圧

発電機

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

D-EPCを用いたアプリケーション
2電源を入力燃料電池・架線式大型車
燃料電池車
燃料電池＋バッテリ

ハイブリッドシステム
大型車・建設機械
ハイブリッドシステム
エンジン発電機＋バッテリ

長距離走行の大型車

トロリー充電式ダンプトラック
架線＋バッテリ
鉱山用ダンプトラック
架線で走行とバッテリ充電
架線のないエリアも走行可

バッテリ充電・H2充填が難しい使用環境用
効率の良い発電点でエンジン動作⇒CO2の排出量を削減
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

どちらの電源をどれだけ使うか？
エネルギーマネジメント

D-EPCによる2電源の電力配分
電力＝電圧×電流

モータに流れる“電流”が回転トルクをつくる ＝ 電流は運転状態で決まる
２つの電源に接続するスイッチでモータに加える電圧をつくる ⇒ スイッチの操作で電圧をそれぞれ配分
バッテリの充電電力

電圧 電流

vu iu = vua iu + vubiu
バッテリの放電電力

iu= γ a vu iu + γ b vuMotor
燃料電池の供給電力 D-EPC

Motor
燃料電池の供給電力(ii) Ｖｕｂ* 燃料電池から供給

Ｖｕａ*

バッテリから供給

D-EPC(ii) Ｖｕｂ* 燃料電池から供給

Ｖｕ* モータに供給したい電圧 (iii) ＝(i)＋(ii)

（i）

モータ電力

モータ電力

Ｖｕ*
モータに供給したい電圧(iii) ＝(i)＋(ii)
（i）

Ｖｕａ*
バッテリを充電

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki Universityハイブリッドシステムの駆動バッテリでの駆動(EVモード)

発電機昇圧駆動(ハイブリッド)

直接変換：
バッテリとインバータ・モータの間で損失発生なし

昇圧と電力合成：発電電力を昇圧、バッテリ電力と合わせモータ駆動
発電機電力

昇圧
バッテリ電力バッテリ電力バッテリ電力

バッテリ

モータ電力

バッテリ
駆動モータ

駆動モータ

発電機電力

発電機発電機E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

本研究の目標

電力変換システムの電力変換損失1/3

目標1 電力変換システムの直接変換化とその損失の計算手法の確立
損失の理論的計算手法の確立、損失低減効果を明らかに

目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築
複数の電源電圧の低減・最適化によって電力変換損失を低減

目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
新スイッチング制御、高速処理FPGAを用いたコントローラによる実現

目標4 シリーズハイブリッドシステム適用へ向けたD-EPC応用研究
昇圧制御による、ハイブリッドシステム制御

FPGA: field-programmable gate array

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University目標1 電力変換システムの直接変換化とその損失の計算手法の確立
従来の昇圧チョッパでの損失削減、D-EPC回路の電力合成で損失1/2の見込

効率

電力損失

ハイブリッドシステムの損失見積(簡易計算)
従来システム 提案システム
モータ出力
[kW]
120
←
発電機出力
[kW]
60
←
モータ電力変換効率[%]98.098.6
発電機電力変換効率[%]98.098.6昇圧チョッパ効率[%]98.0
モータ入力電力(DC)
[kW]
122.4
121.7
発電機出力電力(DC)
[kW]
58.8
59.2
昇圧チョッパ出力電力
[kW]
63.6
バッテリ出力電力
[kW]
64.9
62.5
モータ電力変換損失
[kW]
2.4
1.7
発電機電力変換損失[kW]
1.20.8昇圧チョッパ損失
[kW]
1.3
-

電力変換損失合計

[kW]

4.9

2.5

今後、詳細な損失計算手法確立によって・簡易見積の妥当性検証
・損失1/3に向けての検討ツールとして活用
・最適な電源電圧の組み合わせによる損失低減（目標２）
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
D-EPCスイッチング制御 基本構想
DC (b)

DC (b)

D

Charging

Eb

A

DC (a)Ea

B

DC (a)

vun

D

Eb

C

D

Ea

A
B

Cvun

電源充電時に流れる電流の経路を選択

C
Bその間、スイッチのon/off切替停止⇒スイッチング損失低減

A
出力相電圧E + EvunaEa

新スイッチング制御b

基本構想の動作に加えて新制御を利用

0

それぞれのスイッチを順次on/off
モータへの交流電圧を合成・出力
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
実機実験（小出力での原理確認）
新スイッチング制御の動作・充電確認
課題となるモータ電流変動の抑制方法も確認

電源電力

20

新スイッチング制御開始

Power [W]0-20

電力が負＝電源を充電できている-40-60(三相交流を座標変換した電流)

0.2

0.3

新スイッチング制御開始

2.0
Current [A]Current [A]Time [s]

1.0

1.0
0.0
-1.0

0.0
-1.0
-2.0

-2.0
-3.0

0.1

3.0

新スイッチング制御開始

2.00.0モータ電流(新スイッチング制御＋補償制御)

モータ電流(新スイッチング制御)
3.0

例：燃料電池からモータ駆動しつつバッテリを充電するシーン

0.0

0.1

Time [s]

0.2

0.3

-3.0

0.00.1Time [s]0.2

0.3

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University目標4 シリーズハイブリッドシステム適用へ向けたD-EPC応用研究
新たなハイブリッドシステムの昇圧制御

発電機電力

昇圧

D-EPCの特徴の電力配分制御によりコンデンサの電圧を制御する

バッテリ電力

モータ電力

バッテリ

消費電力 モータ出力で決まる

昇圧

駆動モータ

充電電力 充電電力を電力配分制御で操作

発電機電力

発電機

モータ3相電圧指令値
コンデンサ消費電力[W]
コンデンサ目標電圧 ＋
V_dc _com [V]

配分比演算

配分比

配分比
ーPI制御

＋＋

PWM信号
変調率
三角波
変調率演算
D-EPC
比較

コンデンサ電圧V_dc [V]E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University目標4 シリーズハイブリッドシステム適用へ向けたD-EPC応用研究
実機実験（小出力での原理確認）
電力配分制御によるコンデンサの昇圧確認

昇圧コンデンサ電圧
目標電圧

昇圧

バッテリ

駆動モータ

電力配分指令値
目標電圧に応じ充電する電力
を多く指令

発電機

本実験では発電機側のみを模擬した装置
今後、発電機・駆動モータを模擬する装置を整え、ハイブリッドシステムとしての検証を行う
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

新たな知見
目標1 電力変換システムの直接変換化とその損失の計算手法の確立
・損失計算による電力変換損失半減の実現可能性
目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築

目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
・新スイッチ制御の実現、電流リプルの補償制御・新スイッチ制御時の充電電力の理論的導出
目標4 シリーズハイブリッドシステム適用へ向けたD-EPC応用研究
・電力配分を用いた昇圧制御の実現
実績：

論文誌投稿 1件査読中、2件準備中
国際会議(査読付) 1件、 国内学会 4件
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University

今後の方向性・予定
目標1 電力変換システムの直接変換化とその損失の計算手法の確立
詳細計算手法検討 ⇒ 実験結果と比較検証目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築
2電源の電圧の組み合わせ・最適化による損失低減
目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
損失低減のための応用、実験での効果確認
目標4 シリーズハイブリッドシステム適用へ向けたD-EPC応用研究
モータ・発電機での実験確認、効率測定
駆動車輪空転時の電力制御の検討

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University