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SynRMによる電気自動車のゲーム チェンジの可能性
希土類磁石の必要性をなくすことでEVの持続可能性が向上
電気自動車（EV）が広く普及すれば、二酸化炭素を多く含む排気ガスは過去のものになる可能性がある。しかし、こうした車両を生産するということは、ある環境問題を別の環境問題と引き換えることを意味している。EV自体は温室効果ガスを排出しないものの、バッテリーや電気モーターの製造に必要な原材料の採掘と精製により、大量の温室効果ガスが発生します。さらに、業界全体でこれらの原材料の需要が高まり、EVの製造コストが上昇し続けており、多くの消費者にとって手の届かない価格が続いています。
VEHICLEプロジェクトでは、INSA-ストラスブールそしてフランスのアイキューブ研究所の研究者は、自動車業界以外では一般的に使用されている技術、同期リラクタンスマシン（SynRM）と呼ばれる電気モーターでこれらの問題に対処しようとしています。従来、ロボット工学から木材粉砕機までさまざまな用途で使用されてきた SynRM は、電気自動車のドライブトレインに最適化されており、将来的にはより持続可能で手頃な価格の EV の実現につながる可能性があります。
現在、EV 業界が好んで採用しているモーターは永久磁石同期機 (PMSM) で、電気自動車市場の約 84% を占めています。しかし、この技術の基盤となる磁石は地球から採掘された希少な材料に依存しており、持続可能性の問題の一つに対処することで別の問題を生み出している。これらの材料は電子製品でも需要が高く、価格は上昇する一方です。EV ドライブトレインには誘導モーターやローター同期モーターなどの他のタイプのモーターも使用されていますが、それらの効率と全体的なパフォーマンスは PMSM に劣ります。
SynRM によって推進される簡素化された電気自動車のドライブトレイン アーキテクチャ。(画像著作権: ヤコブ・サーディ博士)
VEHICLE プロジェクトは主に欧州連合の資金提供を受けており、電気自動車に適した SynRM の開発に加え、バッテリーの性能とエネルギー貯蔵を改善することで、EV の所有コストを削減することを目指しています。VEHICLEプロジェクトは、 INTERREG V Upper Rhineプログラム、また、国境を越えた優れた研究プロジェクトに資金を提供している、グラン・テスト地域、バーデン＝ヴュルテンベルク州、ラインラント＝プファルツ州といった、科学攻勢イニシアチブのフランスとドイツの地域パートナーによって、共同出資されています。
古いマシン、新しいソリューション
INSA-ストラスブールの電気工学准教授テジャニ・メスバヒ氏は、この問題に長年取り組んできた。メスバヒは自動車部品メーカーのヴァレオの研究・イノベーションチーム、またリール大学の L2EP研究所の一員として、電気自動車の研究を開始しました。そこで彼は、低燃費のガソリン電気ハイブリッド車の開発に取り組みました。その後、彼は業界のプロジェクトからINSA-StrasbourgとICube Laboratoryの学術界に移り、EVドライブトレインの最適化に取り組みました。
SynRM は永久磁石を使わず、コストが低く、性能も良好で、PMSM とローター同期モーターまたは誘導モーターの中間の妥協点を見つけます。
「INSAストラスブールに来た時、同僚たちが同期リラクタンスマシンという別のタイプの電気自動車モーターに取り組んでいるのを知りました」とメスバヒ氏は語った。
SynRM は他の業界では広く使用されていますが、その欠点により、従来の EV ドライブトレインには適していません。元INSAストラスブールのVEHICLEプロジェクトの研究エンジニアで、現在はSATT Ouest Valorisationに所属するヤコブ・サーディ氏は、いくつかの問題を振り返った。「欠点としては、電力密度が低い、力率が低い、トルクリップルが比較的高い、などが挙げられます。SynRM は大量の熱も発生する可能性があるため、温度を下げるための戦略が必要になります」と サーディ氏は言います。「しかし、利点もあります。磁石を使わず、非常に頑丈で効率的です。」
SynRM は、電気回路の抵抗と同様に、磁気透過率の低い領域から高い領域へ移動する磁性材料の特性である磁気抵抗を利用します。SynRM では、モーターの固定された外側部分であるステータに、電磁場を生成するワイヤ コイルが収容されています。内部部品であるローターには磁石は含まれておらず、鉄が含まれています。鉄の磁気抵抗が低いため、ローターの空隙が回転磁界と一致し、ローターが回転してトルクが発生します。
同期リラクタンスマシンの断面図。(画像著作権: ヤコブ・サーディ博士)
SynRM の高トルクリップル、つまりトルクの変動により、大きな騒音が発生し、解決が特に困難な問題となります。トルクリップルを制御するには、従来の制御アルゴリズムを超えた制御戦略が必要です。
高いトルクリップルとそれに伴うノイズがなく、電力密度も高いため、SynRM は確実な代替品となる可能性があります。SynRM は永久磁石を使わず、コストが低く、性能も良好で、PMSM とローター同期モーターまたは誘導モーターの中間の妥協点を見つけます。SynRM は他の電気モーターよりも製造が簡単で、効率も優れています。しかし、彼らの弱点がEV市場への参入を妨げている。
厳しいスタート
VEHICLE プロジェクトは、カールスルーエ工科大学およびトリーア工科大学と提携し、INSA ストラスブールおよび ICube 研究所の Mesbahi 氏の主導で 2019 年に開始されました。「EVパワートレインに同期リラクタンスモーターを統合する必要がありました。「これが最初の挑戦でした」と、当時INSAストラスブールとICube研究所の研究エンジニアだったサーディ氏は語る。「2 番目の課題は、トルクリップルを克服する方法を見つけることであり、3 番目の課題は、この電気モーターに高度な制御戦略を実装することでした。」
「MATLABとSimulinkにより、この電気機械を迅速にモデル化できました。」
VEHICLE プロジェクトは開始直後に障害に遭遇しました。COVID-19です。「リモートワークの際にはやり方を変える必要がありました」とメスバヒ氏は語った。当初、彼らは制御戦略を開発し、それをテストベンチで並行して試すことでプロジェクトに取り組むことを計画していました。しかし、ロックダウンにより在宅勤務を余儀なくされると、チームは制御アルゴリズムの反復テストに完全にシミュレーションに頼るようになりました。MATLAB ®およびSimulink ®は、彼らが依然として進歩を遂げることができるようにするのに役立ちました。
「私たちは、スライディングモード制御理論、つまりH∞理論に基づいた新しいコントローラーを提案することを選択しました。「これはトルクリップルを低減するためのカスケード制御の新しいアルゴリズムです」とサーディ氏は語った。「通常、EV 業界では、比例積分 (PI) コントローラーという古典的な制御手法が使用されています。しかし、従来のコントローラーではトルクリップルを大幅に低減することはできません。」
モーターのトルクリップルを低減する制御手法。(画像著作権: ヤコブ・サーディ博士)
INSA-Strasbourg グループは、 Simulinkとその事前構築された SynRM および EV ドライブトレイン モデルを使用して、高度な制御戦略の開発とテストに取り組みました。Simscape Electrical™ を使用して、電気自動車のバッテリーとコンバーターをモデル化しました。「MATLABとSimulink、この電気機械を迅速にモデル化できました」と サーディ氏は述べています。
チームはシミュレーションを使用して、トルクリップルを最大限に低減する制御戦略を特定し、自宅で高度な制御戦略を検証しました。チームは、提案した高度なアルゴリズムを、(PI) コントローラーなどの一般的な方法に対してもテストしました。
再び研究室へ
COVID-19 による制限が緩和されると、メスバヒ氏、サーディ氏、そして彼らのチームは研究室に戻り、プロトタイプの SynRM でコントローラーをテストしました。彼らはスピードゴート®マシンを使うことにより、異なるソフトウェアや言語への面倒な変換を行うことなく、リアルタイムでテストを実行できるようになりました。しかし、彼らが Speedgoat をターゲットマシンとして選んだのは、利便性だけではありません。強力な制御ポートも必要でした。
「Speedgoat は強力なポートを提供しました。MATLABおよびSimulinkと互換性があり、 Simulinkモデルをリアルタイムでテストできます。」
「Speedgoat は強力なポートを提供しました」と サーディ氏は言います。「 MATLABおよびSimulinkと互換性があり、 Simulinkモデルをリアルタイムでテストできます。」
サーディ氏は、クリックするだけで、 MATLABおよびSimulinkアルゴリズムを Speedgoat ターゲット マシンに展開し、SynRM プロトタイプでテストすることができました。当初、初期のテストでは予想されていた通り、結果は完璧ではありませんでした。彼らはシミュレーションで制御手法をテストしましたが、理論モデルでは現実世界の状況を完全に模倣することはできませんでした。チームは結果に変動があることに気づき、試行錯誤しながら調整する必要がありました。
ついに、サーディ氏とその同僚たちは効果的な戦略を見つけました。テストを終えた後、サアディ氏はトルクリップル率の測定値と計算値を調べながら笑顔がこぼれ始めました。アルゴリズムが機能し、トルクリップルが管理可能なレベルまで低減されました。「この瞬間に至るまでに多くのテストがありました。「最高の気分でした」と、最初のテストが成功したことを思い出しながらサーディ氏は語りました。「それは、2年間にわたる私たちのすべての作業を一挙にまとめたものでした。」
同期リラクタンスモーターのテストベンチ。(画像著作権: ヤコブ・サーディ博士)
SynRMの未来
他の研究グループも高度な制御戦略で SynRM を改良する取り組みを行っていますが、サーディ氏は、VEHICLE プロジェクトの特徴は、モーター、バッテリー コンポーネント、コンバーターなど、電気自動車のドライブトレインのすべての部分をモデル化してモーター コントローラーを最適化することであり、これはMATLAB、 Simulink、Speedgoat によって可能になったと述べています。電気自動車の研究グループは通常、ドライブトレインの各部分とそれらがどのように連携するかではなく、車両の 1 つの側面に焦点を当てます。「電気モーターは、バッテリーとエネルギー管理にも重点を置くVEHICLEプロジェクトの一部に過ぎません」とサーディ氏は語った。
「磁石のない機械は、この新しい市場で有利になるでしょう。」
しかし、VEHICLE プロジェクトの SynRM はまだ自動車業界向けには準備が整っていません。高いトルクリップルは SynRM を EV で使用する上で大きな障害となっていましたが、研究者は依然として機械の電力密度を高め、熱管理を改善する必要があります。「私たちの研究者たちは、この課題に取り組み、同期リラクタンスマシンをEVアプリケーションでより実現可能なものにするために取り組んでいます」とメスバヒ氏は語った。INSA-ストラスブール チームは、熱管理ソリューションを作成するためにMATLABで AI アルゴリズムを開発しています。
SynRMの制御アルゴリズムのさらなる改良に加えて、このモーターは自動車業界にとってより魅力的なものになるかもしれません。欧州委員会のデジタル製品パスポートプログラムは今後数年以内に発効します。このプログラムは、製品の製造に関係する材料とサプライチェーンの透明性を要求し、顧客が製品の環境への影響をよりよく理解できるようにすることで、持続可能性と循環型経済を促進することを目的としています。「磁石のない機械は、この新しい市場で有利になるでしょう」とメスバヒ氏は語った。
しかし、このプロジェクトの主な目的は、EV の総所有コストを削減することです。「まだ開発すべきことはたくさんあります」とメスバヒ氏は語った。しかし、よりスムーズで静かな乗り心地を実現するアルゴリズムを作成することで、彼らは一歩近づきました。「これに沿って、当社の研究活動は、7か国にまたがる14以上の欧州パートナーが参加する500万ユーロの予算を誇る大規模な欧州研究プロジェクトを通じて、EVの総所有コストの最適化に向けて継続しています。」 ENERGETIC プロジェクトは、新世代のバッテリー管理システム (BMS) と統合されたスマート バッテリー テクノロジーと接続性を使用して、エネルギー貯蔵パフォーマンスを最適化することを目指しています。
