多機能電源システムがEVモータ試験を革新
電気自動車（EV）が急速に主流となる中、堅牢で柔軟、かつ省エネルギーな試験インフラの需要が高まっている。高性能なEVの背景には複雑な電動駆動システムがあり、その開発と検証は精密な試験環境に依存している。しかし従来の試験環境は、非効率性や高コスト、断片化といった課題に直面していた。新たに開発された多機能電源システムは、これらの課題を解決し、あらゆる種類のモータや電圧範囲、動作モードに対応する試験を可能にすることで、世界のEV研究開発施設に新たな標準をもたらす。
この革新の中心には、共有DCバスを基盤としたタイムシェア方式のAC/DC主回路トポロジーがある。これにより、直流モータや誘導機、永久磁石同期モータ（PMSM）、スイッチトリラクタンスモータなど、さまざまなモータを、配線の変更やハードウェアの交換なしに試験できる。さらに、超低リップルの直流出力を実現する「トリプルDC/DC変調」や、高効率な交流駆動を可能にする「SVPWM過変調」といった技術を採用し、エネルギー再利用、高調波抑制、システムのコンパクト化においても大きな進展を遂げている。
このシステムの意義は大きい。EVメーカーは、駆動システムの機能試験を自社で行うことを義務付ける中国の「新エネルギー自動車メーカー及び製品アクセス管理規則」などの規制に対応するため、試験の精度と運用の拡張性の両立が求められてきた。このプラットフォームは、その課題を解決する。予算やスペースに制約のある研究開発施設では、設備投資を最大40％削減し、設置面積を約半分に減らすことができる。また、高速・高トルク領域で過変調やリップル制御が重要な要素となるモータの性能限界を追求するエンジニアにとっては、これまでカスタム設計に依存していたダイナミックな精度を実現する。
EVモータ検証のボトルネック
この開発の重要性を理解するためには、数年前までのEVパワートレイン試験施設が直面していた現状を振り返る必要がある。試験インフラは分断されていた。試験施設では、モータコントローラに電力を供給する専用の直流電源装置と、交流モータを直接駆動するための交流可変周波数ドライブ（VFD）を別々に所有することが一般的だった。これらのシステム間の互換性は低く、PMSMの試験から誘導モータの試験に切り替えるには、ケーブルの切断、インターフェースモジュールの交換、センサの再調整、接地計画の再確認など、数時間に及ぶ再設定が必要だった。特に反復的な開発サイクルでは、貴重なエンジニアリングリソースが無駄に消費された。
さらに深刻だったのはエネルギー管理の未熟さである。従来の設定では、モータが回生（発電）モードで動作する場合（例えば制動シミュレーション時）、回生エネルギーは抵抗制動ユニットを通じて熱として放出されるか、最良の場合でも高調波歪みを伴う非効率な形で系統に戻されていた。これは、高電力・長時間の耐久試験では電気料金を膨らませるだけでなく、部品に熱ストレスを与え、電力品質の問題から測定精度を損なう要因にもなった。
一部の試験施設では、試験モータと負荷モータの両方をインバータと整流器を介して系統に接続する「共通ACバス」試験装置による回避策が試みられた。機能はするものの、このアーキテクチャでは、系統から直流への変換（コントローラ側）と直流から交流への変換（負荷側）という重複した電力変換段階が必要であり、被試験機器（DUT）が直流入力を必要とする場合（現代のモータドライブのほとんどが該当）には柔軟性が限られていた。
そこで注目されたのが「共通DCバス」アーキテクチャである。その潜在的可能性は以前から認識されていたが、交流直接駆動と直流供給試験の両方に対応できる真に適応的な電源が不足していた。不足していたのはハードウェアだけでなく、モード間を妥協なく切り替える統合された制御哲学、つまり「知性」であった。
統一された電源コアの設計
このブレークスルーは、モジュラーでありながら深く統合された電源設計にある。IGBTベースの同じ電力段を交流と直流の動作で共有し、配線を変更するのではなく、制御アルゴリズムをリアルタイムで再構成することで機能を切り替える。
「DCモード」では、システムは精密で広範囲な直流電源として動作する。50 Vから800 Vまでを供給可能で、リップル率は0.5％以下と、EVモータ試験に関する中国国家規格GB/T 18488.2-2015で定められる厳しいしきい値を十分に満たす。この性能は、単純な力任せのフィルタリングではなく、「トリプルDC/DC変調」によって実現されている。3台の並列接続されたDC/DCコンバータが、120度位相がずれたキャリア信号で動作する。その結果、個々のデバイスの定格よりも3倍高い実効的なスイッチング周波数が得られ、超高速半導体や大型の受動部品を必要とせずに電流リップルを大幅に低減する。
優れているのは高調波打ち消しである。3相PWM波形が意図的にずらされているため、非3倍高調波は加算時に打ち消され、3次、6次、9次などの成分のみがフィルタリングの対象となる。リップルエンベロープの解析モデルに基づいてインダクタンスとキャパシタンスの値をスマートに選択することで、リップルが伝統的に急上昇する低デューティサイクル（約15％）という最も困難な動作点でも、0.3％未満のリップルを維持する。
しかし、このプラットフォームが真に輝くのは「ACモード」である。ここでは、同じハードウェアが高性能な3相インバータに変貌し、PMSMの閉ループトルク制御や誘導機の速度制御が可能になる。鍵となる技術は「SVPWM過変調」である。これは、線形変調領域を超えて同じDCバスからより多くの電圧を引き出す技術だ。
従来のSVPWM（空間ベクトルパルス幅変調）は、基本波出力電圧を理論最大値の約90.7％に制限する。これは六角形の電圧空間に内接する円によって制約される。過変調は、参照ベクトルが意図的にこの境界を超えることを許容し、理想的な正弦波をわずかに歪ませる代わりに、実用的に最大10％の余分な電圧を絞り出す。これは些細な調整に聞こえるかもしれないが、基速近辺で動作する高速モータにとって、この余分な余裕は6,500 rpmで失速するか、7,000 rpmまでスムーズに回転するかの差、または電圧低下下でピークトルクを維持できるかを意味する。
決定的に重要なのは、このプラットフォームの開発チームが、過変調でよく使われる計算量の多いルックアップテーブル方式を避けた点である。代わりに、リアルタイムコントローラに合理化されたアルゴリズムを組み込んだ。変調指数が0.9517（「過変調ゾーンII」への移行点）を超えると、システムは完全な電圧トラッキングを試みるのではなく、位相コヒーレンスを優先し、外側の制御ループ（トルクまたは磁束レギュレータなど）が動的に補償するようにした。その結果は、より高速な応答、低減された高調波歪み（完全過変調時で約4.8％THD、5％という業界のしきい値を十分に下回る）、そして最も印象的なのは、同じ機械出力で最大10％低い電流消費である。
最後の点は効率だけでなく、試験精度に関わる。電流が低いということは、長時間試験中の巻線や母線でのI²R発熱が少なくなり、センサ读数の熱ドリフトを最小限に抑え、繰り返しのサイクルでモータの健全性を保つことができる。
実世界での検証：シミュレーションから試験現場へ
導入前、システムは徹底的なシミュレーションとハードウェアインザループ（HIL）検証を受けた。中型EV駆動ユニットを代表する、4極対、定格330 VDC、ピーク電力60 kWの20 kW PMSMを使用し、同一の機械的負荷下で比較試験が実施された。
650 rpm、3,000 N·mという要求の厳しい高トルク巡航条件では、過変調インバータは、標準的なSVPWMと比べて実効電流を8.5％削減しつつ同じ機械出力を達成した。これは、ケーブル、接点、モータ巻線における損失の直接的な低減を意味する。THDは3.87％から4.78％へと控えめに上昇したが、数時間の動作にわたって規格に適合し安定していた。
より顕著だったのは動作範囲の拡大である。無負荷条件下では、過変調によりモータは699 rpmに達した。従来の方法では650 rpmだったため、電圧ブーストやハードウェアの変更なしで使用可能速度範囲が7.5％拡大した。高回転モータ、特に高級セダンや高性能EVをターゲットとした15,000 rpm以上を評価する試験施設では、この能力により、高価な昇圧DC/DC段やデュアルバスアーキテクチャの必要性がなくなる。
続いて、完全なシステム試験が実施された。トルクセンサ、高精度電力アナライザ、熱監視、水冷管理を備えた完全な駆動試験装置に電源を統合し、統一された監視ソフトウェア層によって全てが orchestrate された。
このプラットフォームは、GB/T 18488.2で定義される全ての標準試験シーケンス（無負荷逆起電力マッピング、トルク-速度-効率マップ作成、ピーク電力/トルクバースト、回生制動プロファイル、9,500 rpmまでの高速ランアップ）を実行した。データはホストPCにシームレスにストリーミングされ、効率アイランド、温度勾配、電力流のリアルタイムプロットが表示され、駆動モード試験中に負荷モータによって発生したエネルギーが、損失を相殺するための系統からの少量の補填のみで、直接DUTに動力を供給するためにリサイクルされる様子が強調された。
エネルギー回収は理論上の話ではなかった。都市-高速道路-回生サイクルをシミュレートする4時間の耐久試験では、システムは正味85％以上のエネルギー再利用を実証し、従来の放散型設定と比較して電力消費を3分の2以上削減した。
次世代EVラボへの設計図
生の性能を超えて、このプラットフォームは使いやすさと将来性に優れている。整流器、多機能電源、インバータを接続する共有DCバスを特徴とするモジュラーラックレイアウトは、優雅にスケールする。別のモータペアを追加？ 同じバスに接続するだけ。1,000 Vシステムにアップグレード？ トランスフォーマを調整し、ファームウェアを更新—配線の変更は不要。
安全性とコンプライアンスは組み込まれている。このアーキテクチャは、かさばる受動フィルタではなく、トポロジー自体を通じて高調波を抑制し、隣接する計器に干渉したり系統コードに違反したりしない清浄な電力品質を保証する。また、全ての重要なサブシステム（電圧調整、過電流保護、サーマルシャットダウン）がファームウェアレベルで処理されるため、応答時間はマイクロ秒の範囲—外部のブレーカベースのシステムよりもはるかに高速である。
業界専門家はこれを単なる実験室のツール以上—戦略的イネーブラーと見なしている。EVプラットフォームが800 Vアーキテクチャに収束し、炭化ケイ素（SiC）インバータがスイッチング周波数を高める中、試験システムもそれに合わせて進化しなければならない。従来のAC/DC分離設定は、次世代パワートレインの帯域幅、電圧ダイナミクス、回生強度に到底対応できない。対照的に、この統一電源は本質的にスケーラブルである。そのトリプルDC/DCコアは4重や5重の構成に拡張可能で、その過変調ロジックはマルチレベルインバータに適合でき、その制御フレームワークはHIL（ハードウェアインザループ）やデジタルツインワークフローとのシームレスな統合をサポートする。
すでに、中国のいくつかのTier1サプライヤーおよび新エネルギーOEMは、このアーキテクチャのバリアントの採用を開始している—特に、積極的な電動化ロードマップと限られた施設面積を持つ企業である。再利用された工業スペースで操業するあるバッテリー電気自動車スタートアップは、導入後、モータ検証サイクルタイムを30％短縮したと報告している—試験が速く終わったからではなく、エンジニアが機器の再設定に費やす時間が減り、データ分析に多くの時間を割けるようになったからである。
大学も注目している。教育用実験室にとって、このプラットフォームは稀な機会を提供する。学生は直流機でモータの基礎を学び、その後、同じ試験台でPMSMのフィールド指向制御に移行できる—理論と実践の概念的なつながりを深める。
標準化へ—そしてその先へ
EVエンジニアリングコミュニティ全体に響くメッセージがあるとすれば、それは試験方法の標準化がバッテリー化学やモータトポロジーと同じくらい重要だということだ。効率目標、安全冗長性、機能安全（ISO 26262）、サイバーセキュリティにおいて世界的な規制が収束する中、モータ性能を公平に比較する能力は必須となる。
このようなプラットフォームは、その未来の基盤を築く。モータの種類を超えて再現性の高い高精度で省エネルギーな試験を提供することで、ベンダー固有の癖を超越したベースラインの確立を助ける。そして、高精度な検証を小規模なプレーヤー—スタートアップ、学術チーム、地域のサプライヤー—にもアクセス可能にすることで、革新を民主化する。
将来を見据えると、次の frontier は知能の統合にある。このハードウェアをAI駆動の試験オーケストレーションと組み合わせることを想像してほしい。トルク-速度グリッドを自律的に掃引したり、リアルタイムの振動スペクトルから異常の兆候を特定したり、リップル誘起ホットスポットパターンから絶縁劣化を予測したりする。電源システムは準備ができている—次はデータ層である。
現時点では、この成果はそれ自体が意義を持つ。交流と直流、試験と負荷、エネルギーの無駄と知恵といった古い境界を溶解する、単一の優雅なシステム。車両だけでなく開発ライフサイクル全体の脱炭素化を急ぐセクターにおいて、その種の効率性は単に印象的であるだけでなく、不可欠なのである。
劉 柯任¹†、羅 華²、李 紅¹ ¹長沙理工大学、長沙、湖南 410114、中国 ²中国機械国際工程設計研究総院有限公司、長沙、湖南 410021、中国 コンピューティング技術と自動化、第42巻、第2号、2023年6月 DOI: 10.16339/j.cnki.jsjsyzdh.202302011