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気液混相流の格子ボルツマンモデリングおよび複雑構造周りの流体挙動解析

杉本 真 大阪府立大学 DOI:info:doi/10.24729/00017756

2022.07.21

概要

近年,エネルギー資源の枯渇化や地球温暖化といった地球環境問題が大きく取り上げられている。このような背景により,2015年には第21回国連気候変動枠組条約締約国会議(COP21)において,京都議定書に代わる2020年以降の温室効果ガス削減等のための新たな国際枠組みとして,パリ協定が採択された(1)。また,同年の国連総会においても「持続可能な開発のための2030アジェンダ」に記述された2030年までの17の世界的目標であるSDGs (Sustainable Development Goals) が採択された。そのうち,「7:すべての人々の,安価かつ 信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する」及び「13:気候変動及び その影響を軽減するための緊急対策を講じる」が達成すべき目標として掲げられている。日 本においてもこれらの目標を達成すべく,様々な検討がされている(2)。

温暖化対策のための取り組みとして,2020 年 10 月 26 日に菅総理大臣は所信表明演説に おいて,2050 年までに温室効果ガスの排出をゼロにするカーボンニュートラルの実現を宣 言し,さらに 2021 年 4 月 22-23 日に開催された米国主催気候サミットにおいて,温室効果 ガスを 2013 年度比で 46%削減を目指すとともに,さらに 50%の高みに向けて挑戦を続けて いく決意を表明した。この目標値は他の主要排出国と比較しても高い目標値である(3)。

日本のCO2排出量を部門別で表したものを図1.1に示す(4)。2019年において,国内のCO2総 排出量の内,約2割を運輸部門が占めている。運輸部門には自動車,鉄道,航空機,船舶が 含まれるが,その大部分を自動車が占める。そのため,CO2排出量削減に向けて自動車の燃 費規制が厳しさを増しており,環境性能に優れたハイブリッドカーや電気自動車といった次 世代自動車へ多様なニーズが強くなってきている(5),(6)。

温室効果ガスの排出を抑制し持続可能な社会を形成する上で省エネ化の追求は様々な分 野において共通の認識となっており,その省エネ化を支えるコア技術となるのがパワーエレ クトロニクスである。パワーエレクトロニクスはパワー半導体を用いて電気を所望の状態に 効率的に変換するための電力工学,電気工学,制御工学の融合技術であり,その技術はパワ ー半導体デバイスの発展に伴い,身近な家電機器をはじめ,情報・通信機器,電気自動車や 新幹線といった輸送機器,さらには太陽光発電や風力発電といった新エネルギー発電機器ま で電気を取り扱う幅広い分野で応用されている(7)-(9)。パワーエレクトロニクス技術が用いられる電力変換器は大きく分けて,直流を交流に変換するDC-ACインバータ,直流を別の直流 に変換するDC-DCコンバータ,交流を直流に変換するAC-DCコンバータ,交流を別の交流に 変換するAC-ACコンバータがあり,用途に応じて必要とされる電圧や周波数に変換するた めに利用される。環境問題への本格的な対応が重視される社会情勢の中で,今後パワーエレ クトロニクス市場は着実に拡大していくことが予想される。そして同時にパワーエレクトロ ニクス技術を発展させ,電力変換器の一層の小型化,高効率化,高信頼性等,高度な技術要 求をクリアしていく必要がある。

その中で,国内自動車メーカーの最大手であるトヨタ自動車は各種エコカー開発に必要な 要素技術を含み,様々な燃料と組み合わせることができるハイブリッド技術を「21世紀の環 境コア技術」と位置付け,エコカーの更なるラインナップの拡充に努め,環境への貢献を進 めていくとしている(10)。HEVは電気モータと内燃機関の双方の長所を組み合わせたような 自動車である。しかし,HEVには内燃機関が搭載されているため,EVとは違い走行時のCO2 の発生を防ぐことは出来ない。そのため,CO2の排出量削減に対しては,燃費を向上させる ことで対応していくことになる。図1.2にHEVのパワートレインシステムを示す(11)-(13)。

基本的にはメインのバッテリーからインバータを介して AC モータを駆動させる。一方 で,走行性能を上げるためのモータの高出力化の要望に対し,図 1.2 のようにインバータの 前段にバッテリー電圧を昇圧するためのコンバータ(昇圧型 DC-DC コンバータ)を用いて モータの印加電圧を高電圧化させたシステムの採用事例が増えきている。特に,新たに加え られた昇圧型 DC-DC コンバータは車内の居住スペースと燃費性能の観点から小型化,高効 率化,高電力密度化が強く求められる。

本要求に対して,車載用電力変換器は大電力駆動のため,マルチフェーズ方式が採用され ることが多い。この方式は単相 DC-DC コンバータを並列に多段接続し,スイッチングの位 相をシフトさせるインターリーブ動作を行っている(14)-(17)。これにより,スイッチング周波 数を上げること無くキャパシタの充放電に伴う電荷変動が低減できる。従って,静電容量の 低いキャパシタでの設計が可能となるため,回路の容積増加の主要因の一つであるキャパシ タの小型化が実現できる。さらに,インダクタ電流が各相に均等に分流するため,1 相あた りの導通損が低減できるだけでなく,パワー半導体デバイスに流れる電流も相数分低くなる。 そのため,従来よりも定格電流の低いパワー半導体デバイスを使うことが可能となる。さら に,電力を単相から各相に分割することもできるため,設計可能な電力レンジを単相時から 相数倍にすることも可能となる。

しかし,回路トポロジを改良することは電力変換器の小型化・高効率化・高電力密度化に ついて有効だが,電源の制御系において二つの問題点を有している。一つは制御系のモデリ ングが非常に複雑になってしまうことである。駆動相数の増加に伴い,制御モデルが複雑化してしまうため,電源の解析をするにあたって障壁となってしまう。もう一つは昇圧型 DC- DC コンバータ自身の制御系に不安定要素を含んでいるということである。この不安定要素 は重負荷であるほど不安定になるため,車載用電力変換器のような大電流アプリケーション においては非常に問題となる。

そこで,本論文では車載用電力変換器に用いられる昇圧型 DC-DC コンバータの小型化・ 高電力密度化を実現するための制御系を研究の対象とする。

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