なぜ電気自動車は今でも古い鉛蓄電池を使用しているのでしょうか?

電気自動車 (EV) は、ガソリン車に代わる環境に優しい選択肢として急速に人気が高まっています。EV には従来の内燃エンジンはありませんが、補助システムに電力を供給するために標準の 12 ボルト鉛蓄電池が必要です。環境に優しいはずの車両としては、これは直感に反するように思えます。なぜ EV は依然として古い鉛蓄電池に頼っているのでしょうか。この記事では、電気自動車における 12V バッテリーの役割、鉛蓄電池技術が依然として使用されている理由、検討されている代替手段、EV バッテリー技術の将来について考察します。

電気自動車の仕組み

電気自動車は、車両を駆動するドライブトレイン モーターに電力を供給するために、大型の高電圧バッテリー パックを使用します。この大型バッテリー パックにより、EV は完全に電気で走行できます。この高電圧システムは、ライト、コンピューター、ラジオ、パワー ウィンドウなどの機器に電力を供給する標準の 12 ボルト システムとは完全に独立しています。そのため、高電圧バッテリー パックがエンジンと燃料タンクの代わりになる一方で、EV にはガソリン車と同様に標準の 12 ボルト バッテリーが必要です。

高電圧バッテリー パックは、短距離 EV 用の 24 kWh から高級長距離車両用の 100 kWh まであります。このバッテリー パックは、高いエネルギー密度と効率を提供するリチウムイオン セル化学を採用しています。セルは大きなモジュールに組み立てられ、その後、完全な高電圧バッテリー パックに組み立てられます。高度なバッテリー管理システムが個々のセルを監視し、熱調節を制御します。

対照的に、EV で使用される 12V 鉛蓄電池ははるかに小さく、通常は約 50Ah です。このバッテリーは、車両の補助電気システムに電力を供給するために使用されます。車内および車外のライト、インフォテインメント システム、パワー ウィンドウとシート、センサー、オンボード コンピューター、安全システム、DC-DC コンバーターなどのアイテムに電力を供給します。高電圧バッテリー パックは駆動モーターに直接電力を供給しますが、12V バッテリーは、走行前に車がオンになっているときに電力を供給します。

12Vバッテリーの役割

12V バッテリーは電気自動車においていくつかの重要な役割を果たします。

• 制御システムに電力を供給 - 12V バッテリーは、車両のメイン コンピューター、制御モジュール、センサー、およびドライブトレイン、バッテリー管理、ブレーキ、運転支援などを制御するオンボード エレクトロニクスに電力を供給します。これらのシステムは、高電圧システムがオフの場合でも稼働している必要があります。

• プリドライブ電源の有効化 - 12V バッテリーは、高電圧システムと駆動モーターが起動する前に、ライト、ラジオ、パワーウィンドウなどのアクセサリ システムに電力を供給します。これにより、プリドライブ機能が可能になります。

• 安全システムに電力を供給 - エアバッグ、緊急ブレーキ、ドアロックなどの安全機能は、HV システムの障害や衝突が発生した場合のバックアップ電源として 12V バッテリーに依存します。

• DC-DC コンバータに電力を供給 - DC-DC コンバータは、走行中にバッテリー パックからの高電圧を降圧して 12V バッテリーを充電します。12V バッテリーは、走行中にアクセサリ システムに電力を供給するために使用されます。

• 車両通信を容易にします - 低電圧制御モジュールとコンピューターは、12V バッテリーで駆動する CAN バス ネットワーク システムを介して通信します。

• HV バッテリーの回生をバックアップ - 急ブレーキをかけると、HV バッテリーは必ずしも完全な回生電流を受け入れることができません。12V バッテリーは、このような状況で回生エネルギーを吸収して緩衝するのに役立ちます。

まとめると、12V バッテリーは、運転前、運転中、および緊急時に電力、制御、通信を可能にします。EV には、従来の自動車と同様の 12V バッテリー システムが必要です。

鉛蓄電池がまだ使われている理由

EV のハイテクな性質を考えると、シンプルで古い鉛蓄電池の化学反応が 12V バッテリーで依然として主流となっているのは意外に思えるかもしれません。EV で鉛蓄電池技術が標準のままであるのには、いくつかの理由があります。

• 実証済みの信頼性の高い技術 - 鉛蓄電池は、特性が十分に理解されている成熟した技術です。その信頼性は、何十年にもわたる使用を通じて実証されています。

• 低コスト - 鉛蓄電池は他の電池に比べて安価です。大量生産によりコストを抑えられます。リチウムイオン電池は依然としてはるかに高価です。

• 入手可能性 - 多くのメーカーが鉛蓄電池を製造しているため、供給量は豊富です。他の化学物質についてはサプライヤーが少なくなります。

• 安全性 - 鉛蓄電池はリチウムイオンよりも燃えにくいです。12V バッテリーは通常車内に設置されているため、この点は特に重要です。

• 動作温度範囲 - 鉛蓄電池は高温と低温によく耐えます。NiMH などの代替品は、寒冷地でのパフォーマンスが劣ります。

• リサイクル - 鉛蓄電池のほぼすべてがリサイクルされ、有害物質が埋め立て地に廃棄されるのを防ぎます。リサイクルは十分に確立されています。

• 厳密な重量制限はありません - 小型の 12V バッテリーの場合、重量はそれほど重要ではないため、非常に軽量な代替品は必須ではありません。

• 電流能力 - 鉛蓄電池は、車両のアクセサリや安全システムに電力を供給するための高いサージ電流能力を備えています。

まとめると、鉛蓄電池技術は、実証済みの信頼性、低コスト、可用性、安全性、耐熱性、リサイクル性、現在の機能の優れた組み合わせを提供します。別の化学物質に移行すると、リスクとコストの上昇が生じます。

鉛蓄電池の代替品

現在、12V EV バッテリーでは鉛蓄電池が主流ですが、代替品も研究され開発されています。

リチウムイオン - リチウムイオンは、軽量でコールドクランキング能力に優れているため、潜在的な代替品として浮上しています。ただし、コストは鉛蓄電池よりもはるかに高いままです。可燃性による安全上の懸念から、低容量の 12V バッテリーの使用が制限される場合があります。

ニッケル亜鉛 - Ni-Zn は鉛蓄電池に比べて 40% の軽量化を実現します。サイクル寿命は長くなりますが、コールドクランキング性能は劣ります。コストも高くなります。安全リスクが評価されています。

ニッケル鉄 - Ni-Fe は鉛蓄電池と同等の寿命があり、環境への影響も少ないです。ただし、エネルギー密度が非常に低いため、バッテリーは大型で重くなります。コストは数倍高くなります。

ナトリウムイオン - Naイオンは、ナトリウムが自然に豊富に存在するため、低コストになる可能性があります。ただし、性能は依然としてリチウムイオンより劣ります。化学はまだ開発中です。

固体電池 - 固体電解質により、高出力、長寿命、安全性の向上を実現したリチウムイオン電池が実現する可能性があります。現時点では、高コストが商用化の障壁となっています。

ウルトラキャパシタ - スーパーキャパシタは、優れた電力密度と寒冷地でのパフォーマンスを提供します。欠点は、自己放電が高く、コストが高いことです。バッテリーの化学的性質を補完したり、ハイブリッド化したりすることができます。

まとめると、リチウムイオンは短期的には最も実現可能な代替手段ですが、今のところコストが大きな障壁となっています。他の化学物質は独自の利点を提供しますが、実績のある安価な鉛蓄電池技術と比較すると、パフォーマンスや経済性の面で欠点もあります。

12Vバッテリーの未来

EV の 12V バッテリーの将来は、短期的には大きな変化は見られないものの、徐々に改善される可能性が高いでしょう。

• コストが徐々に低下するにつれて、より多くの高級EVがリチウムイオン12Vバッテリーを採用する可能性があります。これにより、重量が軽減され、寒冷地でのパフォーマンスが向上します。

• マイルドハイブリッド鉛蓄電池設計が登場し、サイズと重量が削減され、燃費が向上します。

• 鉛蓄電池の配合により、エネルギー密度、サイクル寿命、コールドクランキング能力が引き続き向上します。

• バッテリーの監視および管理システムはより高度になり、充電状態の精度と寿命が向上します。

• 固体リチウムイオンは、コストが大量市場で実現可能になるにつれて、2020 年代後半に段階的に導入される予定です。

• 鉛蓄電池の小型化を可能にする 48V システムへの移行など、より低電圧のシステムが検討される可能性があります。

• 電力システムの統合と適正化が進むと、高電圧システムと 12V システムが最適化されます。

要約すると、12V バッテリーは、パフォーマンス、統合、インテリジェンスの面で継続的に漸進的な改善が見込まれますが、少なくとも 2030 年までは鉛蓄電池技術が主流であり続けるでしょう。固体電池などの技術が期待に応えてコスト競争力を獲得すれば、2030 年代には革命的な変化が起こるかもしれません。

結論

結論として、電気自動車は、信頼性、低コスト、豊富さ、性能が実証されているため、従来の 12V 鉛蓄電池を依然として使用しています。12V バッテリーは、電子機器、安全システム、車両制御に電力を供給する上で重要な役割を果たします。リチウムイオンなどの代替品が登場していますが、依然としてはるかに高価です。鉛蓄電池の性能は徐々に向上し続けますが、固体電池などの破壊的技術が実証され、コストが下がるまでは、今後何年もの間、EV の主な選択肢であり続けます。したがって、電気自動車の技術は変化していますが、12V バッテリーは旧式のままです。