2022 Fiscal Year Annual Research Report
電気自動車用超急速充電器への適用を目的とした絶縁型直流-直流変換器の研究
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22H01463
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
萩原 誠 東京工業大学, 工学院, 准教授 (20436710)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | パワーエレクトロニクス / 電気自動車 / 電動航空機 / 直流-直流変換器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電気自動車用急速充電器への適用を目的とした絶縁型直流変換器の検討を行っている。具体的には、従来型の三相DAB（Dual-Active-Bridge）変換器に、双方向チョッパ回路のカスケード接続からなる補助変換器を付加することで、従来のDAB変換器では実現できない主変換器の基本波力率を同時に1に制御可能、電流フィードバック制御によるロバストな制御性の実現、無効電流の低減による変換器損失の低減などが実現できる。
本年度は、提案変換器の制御法確立に注力し、補助変換器に使用する直流コンデンサ電圧を階層的に制御可能な革新的制御法を考案した。上記制御法の妥当性は、研究室で設計・製作した150 V、2.5 kWミニモデルにより、定常特性と過渡特性の両者において確認している。得られた研究結果は2023年1月の電気学会研究会において発表を行い、また、2023年5月に韓国にて開催予定の国際会議ECCE（Energy conversion Congress and Exposition）Asia 2013に採択され、発表を行う予定である。また、当研究分野におけるトップジャーナルの一つであるIEEE Transactions on Inductry Applicationsの投稿資格を得て、2023年4月末に投稿を完了した。同時に、提案変換器と三相DABの効率比較に関して検討を行い、特に導通損失に着目した結果、昇圧・降圧等の各種動作条件時において、提案変換器が三相DABと比較し、優れた特性を示すことを示した。
同時に、電気自動車用急速充電器への適用可能性を考慮し、従来型単相DAB変換器に補助変換器を適用した回路、および上記変換器の高周波変圧器を除去した非絶縁型直流変換器に関しても検討を行い、共に2022年9月に開催された電気学会研究会において発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度において、提案した制御法の有効性・妥当性を実験的に検証することができ、提案回路の動作原理に関しては概ね確立することができた。上記は、研究当初の予定通りであるため、順調に進展していると評価できる。また、従来型DAB（Dual-Active-Bridge）変換器に対する明確な優位性を示すことが、研究上の大きな課題であるが、導通損失に着目した数値解析による損失評価を行った結果、昇圧・降圧等の各種動作条件時において、提案変換器の優位性を示すことができた。上記は大きな成果であると考える一方で、他の損失に関する詳細な比較に関してはまだ検討が終えられていない状況である。例えば、変換器は導通損失に加えてスイッチング損失を含み、また変換器に使用している変圧器は銅損に加えて鉄損も発生し、変換器効率評価を行うためには、上記も正確に考慮する必要がある。スイッチング損失・変圧器鉄損の正確な評価は、本課題に限らず難しい問題ではあるが、本提案回路の優位性をより示すためにはより詳細な比較が必要と考える。上記課題があるため、現在の進捗状況としては、おおむね順調に進展している、と評価した。
また、当初は三相回路をベースとした絶縁型直流変換器のみを研究対象とする予定であったが、検討の結果提案した制御法が単相回路や非絶縁型直流変換器にも適用可能であることが判明し、電気自動車用急速充電器への適用可能性も大きいことが判明した。上記は、当初は想定していなかった予定外の成果であると考えている。提案技術を三相変換器に限定することなく、単相回路や非絶縁型直流変換器に積極的に適用することは、本変換技術の適用可能性をより高めることに繋がると考えるため、次年度以降も積極的に検討を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までは、双方型絶縁型直流変換器の挙動に着目して検討を行った。一方、電気自動車用急速充電器に適用される直流変換器の場合、必ずしも双方向電力伝送能力は必須ではない場合も多々あり、単方向電力伝送能力で十分な場合が想定される。この場合、安価なダイオード整流器が提案変換器に適用するできるため、低コスト化・高効率化・信頼性向上につながると期待できる。一方、ダイオード整流器適用時は制御上の自由度が低減するため、制御法の修正・改良が必須と考える。また、ミニモデルを用いた実験的検証も行う必要がある。上記を考慮し、初めにダイオード整流器適用時に適した制御法の提案・検証を行う。具体的には補助変換器を適切に制御することで、単方向電力伝送に機能を限定した場合も良好に動作をすることを実験により確認する。また、実験検証では定常時のみならず、電力急変時や直流電圧急変時の過渡時においても検証を行う。得られた研究成果は、国内外の権威ある学会において発表を行い、本研究分野で最も権威のある学術論文誌であるIEEE PELS（Power Electronics Society）もしくは、IEEE IAへの投稿を予定している。
一方、提案変換器の非絶縁型変換器への技術の適用可能性に関しても、応用拡大を実現する観点から検討を行う。具体的には、補助変換器を適用した各種非絶縁型直流変換器に対する本提案変換器技術の適用可能性に関して検討を行う。その結果、課題点の一つである高周波数化の実現を実現する。得られた成果は、国内外の権威ある学会において発表を行い、本研究分野で最も権威のある学術論文誌であるIEEE PELSもしくは、IEEE IAへの投稿を予定している。
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