日本国土開発未来研究財団 学術研究助成事業 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

2023/11/24
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

Contents
・本研究の目標と進捗 （Summary）
・研究背景
市場における電動化の進展
電動化とCO2排出量削減について・提案する電力変換器D-EPCを用いたハイブリッドシステムの概要
・研究目標の進捗・成果
目標１ 損失(効率)計算手法と実験による検証
目標２ 昇圧電圧指令の生成方法 （実験結果は目標4とあわせて報告）
目標3 損失低減の駆動方法
目標４ 昇圧制御による、ハイブリッドシステム制御の実験確認
・今後の方向性・予定

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

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Tokyo Denki University

昨年度の進捗目標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今年度の進捗目標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
・損失計算のモデル化、実験検証により妥当性を確認
目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築
・昇圧制御の電圧指令値決定方法の提案
目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
・新たな電力配分制御による駆動方法のSim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
・電力配分を用いた昇圧制御によるモータ昇圧駆動の実験検証
実績：

論文誌投稿 1件
国際会議(査読付) 2件、 国内学会 3件
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Tokyo Denki University

Background
進む乗用車の電動化
2022では中国のBEV新車販売台数は、日本の新車販売台数全体よりも多い
BEV販売台数

2021

2022

EU

88万台 (新車販売9%)112万台 (新車販売12%)中国

291万台 (新車販売11%)536万台 (新車販売20%)“EUの2022年の新車登録台数、BEVが初めて100万台超え”, JETRO, https://www.jetro.go.jp/biznews/2023/02/9506f0fd1b5dc0f1.html“22年中国新車販売、2%増の2686万台 EVは536万台”, 日本経済新聞, https://www.nikkei.com/article/DGXZQOGM06B2I0W3A100C2000000/“中国EV販売、最高の291万台”,日本経済新聞, https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC127E30S2A110C2000000/

大型車・建機の電動化の課題
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
EU BEVトラック登録数

346台
CY20211041台 Heavy trucks 全体 25万台の販売台数
CY2022“Volvo Trucks leads the electric truck market in Europe”, Volvo, https://www.volvotrucks.jp/ja-jp/news/press-releases/2022/feb/volvo-trucks-leads-the-electric-truck-market-in-europe.html“Volvo leads the booming market for electric trucks”, Volvo, https://www.volvotrucks.com/en-en/news-stories/press-releases/2023/feb/volvo-leads-the-booming-market-for-electric-trucks.html“Commercial vehicle registrations: -14.6% in 2022; -5.1% in December”, ACEA, https://www.acea.auto/cv-registrations/commercial-vehicle-registrations-14-6-in-2022-5-1-in-december/

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e-fuel (合成燃料)は？
再生可能エネルギーによる水素とCO2を合成した燃料(燃焼してもCO2は増えない)
既存アセットを活用できる方法 ：燃料のインフラだけでなく、導入済みの車両・設備などにCO2

再生可能エネルギー

水素生成

電力

(水電気分解)電力

H2e-fuel
生成e-fuel

内燃機関
自動車

CO2

H2
航空機

BEVFCEV

再生可能エネルギーのストレージ・輸送手段の違い
バッテリー・水素・e-fuelF. Ueckerdt, et Al., "Potential and risks of hydrogen-based e-fuels in climate change mitigation", Nature Climate Change, vol. 11, no. 5, pp. 1-10 (2021)

船舶

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Tokyo Denki University電動化とLCA
走行時の比較だけでなく、製造・廃棄のCO2排出量を含めた評価
LCA : Life-Cycle Assessment
Life-Cycle Assessment(LCA)
Tank to Wheel

素材

部品製造

車両製造

走行

燃料採掘

燃料精製
石油精製・発電

燃料輸送

燃料供給

送電

給油・充電

廃棄Well to Wheel

税制全体のグリーン化推進検討会 第２回, 環境省, 令和2年11月 , https://www.env.go.jp/policy/post_40.html

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki UniversityLCAの報告例
MAZDA Webページより

製造

CO2 排出量

日本

具体的な算出方法や使用したパラメータは論文中に記載 （複数文献の情報、他社BEV情報などを利用）

燃料製造/燃焼、発電、メンテナンス

廃棄

バッテリー製造時CO2排出量177kg/kWh （複数文献の平均値として）

電気自動車
ガソリン車

ディーゼル車BEV 容量35.8kWh、電費 e-GOLF MY2018相当
バッテリーの性能を維持するためのバッテリー交換

バッテリ交換を走行16万kmで行う前提
２０万km走行後の廃棄時には
BEVはICEよりトータルCO2多い

走行距離
ガソリン車

欧州
CO2 排出量

電気自動車
ディーゼル車

欧州ではBEVがガソリンICEよりも優位
電力発電時のCO2が日本比６５％と少ない

走行距離
参考文献を元に、MAZDA webサイトに掲載されている図に相当するグラフを講演者が作図”LCA（ライフサイクルアセスメント）” , MAZDA Webサイト, https://www.mazda.com/ja/sustainability/lca/
Kawamoto et al., ”Estimation of CO2 Emissions of Internal Combustion Engine Vehicle and Battery Electric Vehicle Using LCA ”, Sustainability 2019, 11(9), 2690;

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LCAの報告例
NISSAN Webページより
CO2等価排出量を同クラスのガソリン車のを100%としたときのBEVを相対評価
具体的な算出方法や使用したパラメータは不明
%

%

廃車

100

メンテナンス

80

60

使用

40%

100

100

80

80

60

60

40

40

2020

燃料製造・電力製造
20

素材・部品・車両製造・物流
00

同クラスガソリン車
エンジン1.8リッター
2WD, CVT

日産リーフ
2WD
40kWh

0

同クラスガソリン車
エンジン2.0リッター
2WD, CVT

日産アリア
2WD
66kWh

同クラスガソリン車
エンジン0.66L
2WD, CVT

日産サクラ
2WD
20kWh

参考文献を元に講演者が作図“「EV」のライフサイクルにおけるLCA比較（CO2等価排出量）”,日産自動車Webサイト ,https://www.nissan-global.com/JP/SUSTAINABILITY/ENVIRONMENT/GREENPROGRAM/FOUNDATION/LCA/

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バッテリー製造におけるCO2の内訳 近年の状況
CATL: 10.5 kg/kWh (Scope 1 + Scope 2)
CATLのESGレポート2022

Greenhouse Gas （GHG) Emission
単位[t/MWh]であるので、数値そのままで[kg/kWh]indicator
Emission intensity
GHG emission intensity
Cell
ModulePackOthers
GHG emission intensity declineunit

2021

2022

tCO2e/MWhtCO2e/MWhtCO2e/MWhtCO2e/MWhtCO2e/MWh%

13.98
11.95
0.51
0.26
1.27
10.33

10.50
9.28
0.33
0.21
0.68
24.89

“Environmental, Social and Governance (ESG) Report 2022”, CATL, https://www.catl.com/en/about/responsibility/
上流

自社

GHG emission
intensityの内訳

レポートを元に講演者が表を作成

下流

Scope3

Scope1

Scope2

Scope3

原材料、輸送・配送

燃料の燃焼

電気の使用

製品の使用、製品の廃棄

ほか、通勤、資本財、Scope1,2に含まれない燃料・エネルギー関連活動、廃棄物、出張、ほか、輸送・配送、製品の加工、リース資産、フランチャイズ、投資

セル製造の前工程、原材料などは？
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Tokyo Denki University

バッテリー製造におけるCO2の内訳
Tesla, Samsung SDIのレポートから、前工程はセル製造の3.3倍程度

Tesla
セル製造 : 前工程= 23 : 77

Samsung SDI
製造 : 前工程= 16 : 53

両社ともに 前工程≒製造×3.3
E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University過去のレビューペーパーなどを元にLCA検討

バッテリー製造時CO2排出量 177kg/kWh（複数文献の平均値として）BEV 容量35.8kWh、電費 e-GOLF MY2018相当

現在のバッテリー製造のCO2排出量の推定値

35 kg/kWh（ESGレポートなどを元に）

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乗用車以外のCO2削減の取り組みも必要
廃棄までの走行距離・使用時間の長い車両「使用時のエネルギー消費削減」は大きな効果
大型トラック
廃棄まで～70万ｋｍ†

CO2 排出量

走行抵抗を減らす
空力性能の向上

使用時のエネルギー削減

軽量化

乗用車

パワートレイン効率を高める
電動化

製造

走行距離

廃棄

インバータ・モータ効率の向上
ドライブトレイン（ギア）効率の向上
走行中給電によるバッテリ搭載量低減（軽量化)† “トラックの市場要件の整理”, 環境省, https://www.env.go.jp/content/900444223.pdf

E-Mobility LAB.
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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

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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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
新たな変換システムとしての効率の計算手法を検討、妥当性を実験で検証した
計算手法＞
インバータの電力変換損失を求める方法をもとに、D-EPCの回路での変換損失をモデル化
計算手法の妥当性検証＞
計算手法の妥当性が確認できた
出力の小さい動作点では、変換損失の誤差が効率の誤差に表れるが高回転(出力大)領域では、変換損失の誤差が小さい

IGBT
RB-IGBT

定常損失

定常オン損失定常オフ損失ターンオン損失

過渡損失(SW損失)

D-EPC
電力変換損失FWD

ターンオフ損失

定常損失

定常オン損失定常オフ損失過渡損失 = 逆回復損失(SW損失)

効率測定実験結果と計算値の比較>

電源A 150V,電源B 50 V, iq_Ref = 1A

E-Mobility LAB.
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提案システムでの効率向上・損失低減のキーポイント
・昇圧チョッパ 昇圧不要時も損失発生
非線形な制御対象→ 高速制御の実現難・昇圧チョッパレス 損失部の削減
・電力配分制御により高速な昇圧制御→ 高電圧を必要な時間だけ昇圧駆動モータ

バッテリ

発電機
昇圧チョッパ駆動モータ

・SWの操作＝電力の配分
高速な電力制御可能
・SWの操作と出力電圧は非線形な関係
・大きなLを持ち、昇圧・電力制御の応答に影響

発電機

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築
モータ駆動に必要最低限のコンデンサ電圧を検討
不要に昇圧せず、スイッチング損失を削減
実験により提案制御の有効性を検証した （目標4と合わせて実験結果報告）

𝒗𝒗𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜

𝒗𝒗𝒃𝒃𝒃𝒃𝒃𝒃(𝒗𝒗𝒄𝒄𝒄𝒄𝒄𝒄𝒄𝒄 )𝑣𝑣𝑑𝑑_𝑓𝑓𝑓𝑓 ∗ = −𝐿𝐿𝑞𝑞_𝑚𝑚 � 𝜔𝜔𝑒𝑒_𝑚𝑚 � 𝑖𝑖𝑞𝑞_𝑚𝑚 ∗∗∗𝑣𝑣𝑞𝑞_𝑓𝑓𝑓𝑓 = 𝜔𝜔𝑒𝑒_𝑚𝑚 𝐿𝐿𝑑𝑑_𝑚𝑚 � 𝑖𝑖𝑑𝑑_𝑚𝑚 + 𝜓𝜓𝑑𝑑𝑑𝑑_𝑚𝑚

昇圧電圧指令𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ∗ = 2𝑘𝑘𝑣𝑣

23𝑣𝑣𝑑𝑑_𝑓𝑓𝑓𝑓 ∗ 2 + 𝑣𝑣𝑞𝑞_𝑓𝑓𝑓𝑓 ∗ 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)

新スイッチング制御

DEbA

DC (a)Ea

BCvun

マルチレベルインバータの動作方法をもとに電力配分制御とその電力の理論式を導出

DC

Sim確認完・変換損失を低減できるが、DC電流リプル増B
A
出力相電圧E + EvunaEab0

本制御とこれまでの制御の切替も一案として動作トータルでの損失低減を考える

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
発電機電力

ハイブリッドシステムの昇圧制御

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
実験環境 ： 駆動モータとそのD-EPCを新たに追加
制御 ： モータの駆動トルクに応じた昇圧電圧指令を生成
実験により、提案する昇圧制御の安定動作を確認できた
実験結果：

昇圧電圧指令コンデンサ電圧指令
コンデンサ電圧

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
実車相当での損失計算と従来システムの比較による効果検証
目標2 電源電圧の最適な設計手法の構築
出力要求に対する必要電源電圧と昇圧電圧の検討
目標3 新スイッチング制御の開発による損失低減
損失低減効果の実験確認と全体損失低減効果の見積
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
ミニモデルとしての評価方法とその検証
駆動車輪空転時の電力制御とその実験確認

E-Mobility LAB.
Tokyo Denki University