電気自動車のモータ効率を革新する新PWM戦略
世界的な自動車産業が電動化へと急速に移行する中、最大の課題の一つは、電気駆動システムの効率性、信頼性、性能の最適化である。バッテリー技術が注目を集める一方で、パワーエレクトロニクス、特にインバータとそのパルス幅変調（PWM）戦略は、電気自動車（EV）の実効効率と寿命を決定する上で極めて重要な役割を果たしている。中国電工技術学会の学術誌『Transactions of China Electrotechnical Society』に掲載された画期的な研究は、Tri-State PWM（TSPWM）に基づく新しい多モード変調戦略を提案し、インバータ効率の大幅な改善と同時に、電磁干渉（EMI）及び電動機のベアリング早期故障の原因として知られる共通モード電圧（CMV）の低減を実現する可能性を示している。
山東理工大学の夏岩氏を中心とし、濰柴動力有限公司の孫立鵬氏、李強氏、そして清華大学の李俊衛氏、呂海峰氏が共同で行ったこの研究は、EVモータ駆動システムの特有の要求に特化した総合的な解決策を提示している。固定周波数変調に依存する従来のアプローチとは異なり、この新戦略は動作条件に動的に適応し、電力変換をよりスマートかつ効率的に管理する方法を提供する。
EV駆動系における高周波数のジレンマ
現代のEVは、低速の市街地走行から高速の高速道路巡航まで、広い速度範囲で動作可能な高性能電動機を要求する。滑らかな制御と高い動的応答性を実現するため、インバータは通常、10～20kHz範囲の高いスイッチング周波数を使用する。これは優れた波形品質と正確なトルク制御を保証するが、代償としてIGBTやMOSFETなどのパワー半導体素子における高いスイッチング損失が生じる。
スイッチング損失は、インバータの非効率性の主要な原因であり、出力電力が最小である低回転数域では、スイッチング動作が活発なままであるため、特に問題となる。この不均衡は、日常的な走行シナリオにおいてシステム効率を低下させ、最終的には車両の航続距離を減少させる。さらに、高周波スイッチングは、モータ巻線と接地間の高周波電圧である著しい共通モード電圧を発生させる。このCMVはモータと駆動系内の寄生容量を通して結合し、シャフト電圧を誘起する。これがベアリングの潤滑油膜を破壊し、放電加工（EDM）現象を引き起こし、ベアリングの早期故障というコストがかかり信頼性を脅かす問題に至る。
空間ベクトルPWM（SVPWM）のような従来の解決策は、制御には効果的であるが、これらの問題を悪化させる。SVPWMはゼロ電圧ベクトルを頻繁に使用するため、DCバス電圧の最大半分に達する大きなCMVの変動を生み出し、頻繁なスイッチングを必要とするため損失が増加する。大電力トラクションシステムでよく使用される選択高調波除去PWM（SHEPWM）や同期変調のような代替戦略は、計算量が多く、EVに要求される高速な制御ループにはあまり適していない。
TSPWMベース多モード戦略の紹介
研究チームの解決策は、スイッチング損失とCMVの両方を本質的に低減する変調技術であるTri-State PWM（TSPWM）を中心に構築された多面的アプローチである。TSPWMは、各PWM周期において三相インバータの一相を正または負のDCレールにクランプ（固定）した状態に保つことで動作し、アクティブなスイッチング素子の数を3つから2つに効果的に減らす。このシンプルでありながら強力な概念は、従来のSVPWMと比較してスイッチングイベントの総数を約3分の1に削減し、スイッチング損失の低減とインバータ効率の向上に直接繋がる。
しかし、革新はそこで止まらない。チームの戦略は、TSPWMを実世界のEVアプリケーションでさらに効果的にする3つの重要な強化を導入している。
第一に、研究者らは動的クランプモード選択アルゴリズムを開発した。電圧ベクトルのセクターに基づいてクランプ相を固定する代わりに、システムは相電流を継続的に監視し、電流絶対値が最大の相を動的に選択してクランプ状態に保つ。クランプ相は通電損失（比較的小さい）のみを経験し、スイッチング損失が発生しないため、ピーク電流相にクランプを合わせることで損失低減が最大化される。この知的な電流追跡アプローチは、損失が発生しやすいスイッチングイベント、すなわち高電流時に発生するものが最小化または排除されることを保証する。
第二に、チームは分段可変キャリア比変調戦略を実装した。全速度範囲にわたって固定のスイッチング周波数を使用するのではなく、システムは動作範囲を複数の速度セグメントに分割し、それぞれに最適化されたキャリア周波数を設定する。高周波スイッチングが不必要かつ浪費となる低速域では、キャリア周波数を下げてスイッチング損失を最小限に抑える。モータ速度が上昇するにつれ、良好な電流波形品質と制御性能を維持するためにキャリア周波数は段階的に引き上げられる。この適応型アプローチは、走行サイクル全体を通じて効率と性能の最適なバランスを実現する。
しかし、このような分段戦略における課題は、異なるキャリア周波数間の滑らかな遷移を保証することである。スイッチング周波数の急激な変化は、基準電圧ベクトルに位相ジャンプを引き起こし、電流とトルクの擾乱を引き起こし、車両ではジャークや振動として現れる可能性がある。これを解決するため、研究者らは新しい電圧ベクトル位相補償アルゴリズムを開発した。スイッチング瞬間におけるキャリア周期の角変位を精密に計算することにより、このアルゴリズムは基準電圧ベクトルにリアルタイムの位相補正を適用し、モード間のシームレスで衝撃のない遷移を保証する。このレベルの制御精度は、現代のEVに期待される滑らかで洗練された乗り心地を維持するために極めて重要である。
実験による検証と実世界への影響
提案された戦略の理論的利点は、シミュレーションと物理実験の両方を通じて厳密にテストされた。チームは、乗用EVで一般的に使用される永久磁石同期モータ（PMSM）を、ベクトル制御システムで制御し、新しいTSPWMアルゴリズムをデジタルシグナルプロセッサ（DSP）ベースのコントローラに実装した。
結果は説得力のあるものだった。10kHzで動作する従来の固定周波数SVPWMシステムと比較して、多モードTSPWM戦略はインバータ効率の顕著な改善を示した。最大効率は約1%向上し、全動作範囲にわたる平均効率は5%改善した。さらに重要なのは、インバータが95%以上の効率で動作する効率マップ上の領域、「高効率領域」が劇的に拡大した点である。従来のSVPWMでは、この高効率領域は全動作領域のわずか33%をカバーしていた。可変周波数SVPWMはこれを68.3%に改善したが、新しいTSPWMベースの戦略はそれを73.1%まで押し上げ、航続距離の延伸に直接繋がる大幅な向上を実現した。
共通モード電圧の抑制も同様に印象的だった。測定結果は、TSPWMアルゴリズムによって生成されるピークtoピークのCMVが、変調指数に関係なく、SVPWMによって生成される値の常に3分の1であることを示した。この劇的な低減は、ベアリング損傷のリスクを軽減するだけでなく、電磁干渉（EMI）を大幅に低減する。トロリーバスでの実車テストによりこれが確認された：SVPWMを使用した場合、高周波EMIはコントローラハウジングに危険な電圧（最大280V）を誘起し、安全上のリスクとなった。TSPWMでは、これらの誘起電圧は安全なレベル（36V以下）まで低減され、より堅牢で信頼性の高い電気環境を創出するその有効性が実証された。
モード遷移の滑らかさも実験的に検証された。位相補償アルゴリズムなしでは、キャリア周波数を2kHzから10kHzに切り替えると、明らかな電流振動と9%のトルクリップルが発生した。これはドライバーが感知し、不快に感じるレベルである。補償アルゴリズムが動作している状態では、遷移はシームレスであり、目に見える電流擾乱はなく、トルクリップルは2%未満に低減された。このレベルの制御精度は、高度な駆動系統戦略が市販車で実用化されるために不可欠である。
EVパワーエレクトロニクスにおけるパラダイムシフト
この研究の意義は、単一の効率数値をはるかに超えている。これは、EVにおけるインバータ制御についてのエンジニアの考え方にパラダイムシフトをもたらすものである。PWM戦略を制御システムの静的で固定された構成要素として扱う代わりに、この研究は、変化する動作条件に智能的に対応する動的で適応的なアプローチの力を実証している。
これは、業界がより高速なモータとより過酷な走行サイクルを備えた高性能車両へと向かう中で特に関連性が高い。モータ速度が15,000～20,000rpmの範囲まで上昇し続けるにつれ、インバータがより高い周波数でスイッチングするという圧力は強まるばかりである。夏岩氏とその同僚らが提案するような戦略は、効率や信頼性を犠牲にすることなく高性能を維持することを可能にし、持続可能な前進の道を提供する。
さらに、EMIとCMVの低減という利点は、車両の電動化とコネクティビティが進むにつれてますます重要になっている。パワートレインからの高周波ノイズは、敏感なセンサー、通信システム、先進運転支援システム（ADAS）に干渉する可能性がある。TSPWM戦略は、このノイズを発生源で最小化することにより、より安定し堅牢な車両電気アーキテクチャに貢献する。
このアルゴリズムの計算の簡素さももう一つの重要な利点である。大規模なルックアップテーブルとかなりの処理能力を必要とするSHEPWMのような複雑な方法とは異なり、TSPWMベースの戦略は比較的軽量で、標準的な自動車用マイクロコントローラへの実装が容易である。これは、コスト、信頼性、開発時間が重要な要素となる大量生産において極めて実用的である。
展望：研究から実用へ
現在の研究は特定のIGBTベースのインバータに焦点を当てているが、多モードTSPWM戦略の原理は広く適用可能である。業界がシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）のようなより高い周波数でスイッチング可能なワイドバンドギャップ半導体へ移行するにつれて、智能的な変調戦略の必要性は高まるばかりである。これらの新しいデバイスはさらなる効率向上の可能性を提供するが、その利点を完全に実現するためにはより高度な制御も要求する。この研究の適応的で損失最小化の哲学は、パワーエレクトロニクスにおける将来の革新のための強固な基盤を提供する。
結論として、夏岩氏、孫立鵬氏、李俊衛氏、李強氏、呂海峰氏による研究は、EVモータ駆動の最適化において大きな前進を表している。TSPWMの本来の利点を、動的電流ベースクランプ、分段キャリア周波数制御、精密な位相補償と組み合わせることで、彼らは複数の課題に同時に対処する総合的な解決策を創り出した。その結果は、より効率的で静かで信頼性の高い駆動系統——より長い航続距離と低い所有コストという約束を現実に近づけるものである。自動車メーカーが電気自動車の提供を洗練させ続ける中、このような戦略は究極の電動駆動体験を追求する上で不可欠となるだろう。
Xia Yan, Sun Lipeng, Li Junwei, Li Qiang, Lu Haifeng, Transactions of China Electrotechnical Society, DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222255