仕様書の自動生成：充電制御のためのCコードからMATLABモデルへの変換

導入

電気自動車（EV）の充電制御システムがますます複雑化する中、従来のC言語ベースの実装からMATLAB/Simulinkモデルへの移行は、保守性、検証、モデルベース開発（MBD）ワークフローとの統合を向上させるために不可欠です。しかし、この移行には、機能ロジックを正確に変換すると同時に、ISO 26262などの自動車業界標準への準拠を確保する必要があります。さらに、仕様書の自動生成は、手作業の負担を軽減し、一貫性を保ち、開発サイクル全体でのトレーサビリティを向上させる重要な役割を果たします。

本記事では、充電制御システム向けのCコードをMATLAB/Simulinkモデルに変換するための構造化アプローチと、仕様書の自動生成プロセスについて、技術的な視点から詳しく解説します。

充電制御システムの概要

EV充電制御システムは、充電ステーションと車両バッテリー間の電力フローを管理し、安全性、効率性、標準プロトコルの準拠を確保します。主な制御機能は以下の通りです。

• 状態遷移制御：充電開始、アクティブ充電、バランス調整、充電終了のシーケンスを管理

• パワーエレクトロニクス制御：フィードバック制御を用いた電圧・電流・電力レベルの調整

• 充電ステーションとの通信：CCS（Combined Charging System）、CHAdeMO、GB/Tなどのプロトコルを実装し、充電パラメータを交渉

• 熱管理および故障管理：温度監視、故障検出、緊急遮断機構の実装

• バッテリー管理システム（BMS）との連携：SoC（State of Charge）、SoH（State of Health）の監視と適切なインターフェースの確保

C言語でのレガシー実装は、リアルタイム組み込みプラットフォーム向けに最適化されているため、MATLABへの移行には体系的なアプローチが求められます。

CコードからMATLABモデルへの変換プロセス

1. 静的および動的コード解析

まず、Cコードから機能要素を抽出するために静的コード解析を実施します。PolyspaceやClang静的解析ツールを活用し、以下を分析します。

• 制御フローの複雑性

• データ依存関係

• グローバル変数の使用

• 関数呼び出しの階層構造

• ポインタの参照とメモリアクセス

また、動的解析として実行プロファイリングツールを使用し、以下を特定します。

• 割り込みハンドラなどの時間依存処理

• 計算ループ内のボトルネック

• タスクスケジューリングの優先度

• 信号処理メカニズム

2. 機能分解とブロック表現

コード解析後、以下の方法でMATLABモデルを構築します。

• Stateflowによる制御ロジックの表現：充電制御の状態（Idle、Pre-Charge、Charging、Post-Chargeなど）を状態遷移条件とともにモデル化

• Simulink関数ブロックの活用：PIDベースの電流制御や電圧調整アルゴリズムをSimulinkサブシステムへ変換

• ルックアップテーブル（LUT）実装：C言語の配列から温度依存の充電レートなどのマッピングデータをSimulinkのLUTブロックに移行

• カスタムMATLAB関数：Cコードの数学変換やフィルタ処理をMATLAB Functionブロックで実装

3. 組み込みCパラメータをSimulinkデータオブジェクトへマッピング

Cコードで定義されたマクロや定数を、Simulink.Parameterオブジェクトとして定義し、適切なデータ型とチューニング可能な属性を割り当てます。

#define MAX_CHARGING_CURRENT 50.0 → Simulink.Parameter('MAX_CHARGING_CURRENT', 50.0) static const float overvoltage_threshold = 4.2; → Simulink.Parameter('overvoltage_threshold', 4.2)

4. 信号ルーティングとインターフェース定義

• I/Oポート設定：SimulinkのInport/Outportを対応する信号名とバス構造にマッピング

• 信号ログ記録：Data Store MemoryブロックやData Logging機能を活用し、シミュレーション挙動を記録

• 外部ハードウェア統合：S-FunctionやSimulink Real-Timeブロックを活用し、組み込みシステムとの連携を確立

5. モデル検証（MIL: Model-in-the-Loopテスト）

• バック・トゥ・バックテスト：MATLABスクリプトを使用して、CコードとSimulinkモデルの同一入力テストケースを実行し、機能同等性を確認

• コーナーケースのシミュレーション：電圧変動、熱ストレス、電流サージなどの異常条件をシミュレーション

• 浮動小数点精度解析：MATLABのFixed-Point Designerを活用し、C言語の固定小数点実装との数値安定性を検証

仕様書の自動生成

1. MATLABモデルからのメタデータ抽出

Simulink APIを使用して、仕様書に必要な情報を自動取得します。

• ブロック情報：Simulink.findBlocksを用いて、機能ブロックやパラメータ、接続情報を取得

• 信号フロー解析：Simulink.BlockDiagram.getGraphicalInfoを活用し、インターフェース図を自動生成

• Stateflow遷移情報：sfroot APIを使用し、状態遷移条件やロジックフローを取得

2. 仕様書フォーマットの自動化

Simulink Report Generatorを活用し、以下を自動的にレポートにまとめます。

• システムアーキテクチャ図：自動生成されたサブシステム間接続図

• 機能記述：ブロックの説明やコメントを抽出

• 検証テスト結果：MILテストの成功/失敗指標をレポート

• パラメータ一覧：チューニング可能なパラメータ、デフォルト値、制約情報

結論

C言語ベースの充電制御システムをMATLAB/Simulinkへ移行することで、検証精度、保守性、規格準拠が向上します。自動変換を導入することで、人的エラーを削減し、開発効率を大幅に向上させることが可能です。

さらに、仕様書の自動生成により、ドキュメントの一貫性と品質を確保し、コンプライアンス対応を効率化できます。

今後、AIを活用したモデル生成やHIL（Hardware-in-the-Loop）検証技術の発展により、より迅速かつ信頼性の高い開発が実現するでしょう。

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