世界的に電気自動車(EV)の需要が高まる中、ドライバーが求める車両性能はますます高まっている。バッテリーの性能に関係する航続距離や充電速度の向上が期待されていますそのため、バッテリー技術の最適化が電気自動車の性能向上の鍵となっています。

これらの課題に焦点を当てた研究はいくつかありますが最も有望なのは電池の電圧を上げることです現在、多くの電気自動車のバッテリーシステムは400ボルトの電圧を採用していますが、技術の進歩に伴い、いくつかの自動車メーカーはバッテリーの電圧を800ボルトまで上げる次世代電気自動車の設計に着手しています。

より高いバッテリー電圧は、より高いエネルギー、より高い充電電力、より高い効率、より高い性能、電気自動車のモーターやインバータなどの部品の軽量化を意味します。しかし高電圧には新たな課題もありましたここでは、なぜ電気自動車業界が高い電圧への移行に熱心なのか、エンジニアはどのようにしてそれを実現しているのかを見ていきます。

400 vや800 vのEVアーキテクチャを持つことの意味は何ですか?

電気自動車のアーキテクチャは、バッテリー、モーター、センサー、電子制御、補助機器、配線、その他多くのコンポーネントを網羅した複雑なシステムです。このうち、電池の電圧は400ボルトでも800ボルトでも影響を与えます。

固定されているように見えますが、実はそうではありません。例えば、300 ~ 500ボルトの電圧範囲を400ボルト型、600 ~ 900ボルトの電圧範囲を800ボルト型と呼びます。800ボルト方式への移行は、単にバッテリーを接続して800ボルトの電圧を得ることだけではありません。この動作電圧は、自動車のすべての高電圧デバイスを設計する際に重要な役割を果たします。このキーパラメータは、電気自動車全体の性能と安全性に直接影響を与えます。

なぜ電気自動車メーカーは800ボルトに切り替えるのでしょうか

バッテリー電圧が高くなることは、電気自動車にとって効率の向上、性能の向上、優れた充電効果を意味します。ドライバーにとっては充電速度が上がりエネルギー消費が減ります

充電速度の主要なパラメータは、電圧と電流に応じて充電器の出力です。充電電流を増やすと、より多くの熱とエネルギーの損失が発生します。そのため、電力を増やし、より速く充電できるより良い方法は電圧を増やすことです。電気自動車の充電器は電気自動車にほぼ2倍のエネルギーを供給できます当然のことながら、充電器や電気自動車のコンバータは、より高い出力を搭載できるように設計し直さなければなりません。

800ボルトの構造はエネルギー消費も低減します。もし電池の出力が電圧の増加と同じであれば、その電流は減少しなければなりません。発熱と電力損失は電流の2乗に比例するため、熱損失は電圧が高くなるほど減少します。低電流は電池の劣化にも良い影響を与え、寿命を延ばすことができます。

800ボルト電気自動車の挑戦

800ボルト電気自動車のアーキテクチャは、疑う余地のない優位性を持っていますが、市場でこの技術をうまく統合するには、克服しなければならない課題がいくつかあります。

充電インフラが第一の問題です充電速度は充電ステーションに依存しますが、多くの充電ステーションは400ボルトの電気自動車に電力を供給しています。より高速な充電能力を活用するために、800ボルトの電気自動車にはより強力な充電ステーションが必要になります。

もう一つの問題は電気自動車のデザインです800ボルトのアーキテクチャは、高電圧環境でコンポーネントの信頼性を証明するために、適切な絶縁、故障安全システム、正しいテスト手順を確保するために、回路とコンポーネントを再設計する必要があります。テストプログラムは最悪の場合をカバーしなければなりません。動作電圧は最大で5倍の800 vまでです。

800ボルトの電気自動車は設備コストが高くなりがちです例えば,より高価な炭化ケイ素(SiC)スイッチング素子を電源変換器に採用する傾向があります。従来のシリコンベースのコンバータ(5 ~ 6%)に比べて、SiCはスイッチング周波数を非常に低いエネルギー損失(2%)で向上させることができます。しかし、800ボルトの電気自動車は低電流であるため、電線やリンクが太くなり、冷却要件が低くなる可能性があります。

安全性の問題は,高電圧アーキテクチャへの移行において重要な要素となります。高電圧システムでは過圧やアークなどの問題を回避するために、より大きな物理的スペースが必要となるため、電気自動車メーカーは大きな課題を抱えています。例えば、アークの発生を防ぐために、キャパシタは一定の最小走行距離要件を満たす必要があります。しかし、電圧が高いほど必要な距離が長くなり、コンデンサの体積が大きくなってしまいます。これは、より小型・軽量を追求する電気自動車メーカーにとって、大きなハードルとなるでしょう。いかに効率を高めながら安全を確保するかが重要な問題となっています。

800 Vアーキテクチャのための異なるソリューション

電気自動車メーカーは、800 vアーキテクチャの課題を克服するために、多くの方法を検討し、分析してきました。現在、可能性が高いとされる3つの方法があります。

1つ目は、電気自動車の高電圧システム全体を800ボルトで動作させることで、部品間の電圧変換を回避する方法です。この方法は、より速い充電速度と効率を実現し、電気自動車に大きなメリットをもたらします。しかし、より多くの電気自動車の再設計が必要となり、製造コストが増加します。そのためエンジニアたちは、より経済的で効率的な解決策を求めています。

2つ目のアプローチは、バッテリーパックや駆動モーターなどの電気自動車の一部の重要機器を800ボルトの電圧で設計し、システムの残りの部分を400ボルトに維持するというものです。この方式では、800ボルトと400ボルトの間で電圧を変換する必要があり、コストと設計の複雑さだけでなく、さらなる電力損失をもたらす可能性があります。しかし、電気自動車の再設計を必要としない第1の方法と比較して、400 vシステムのコストを削減することができます。これらの課題にもかかわらず、この方法はより速い充電速度を実現し、ユーザー体験を向上させます。

3つ目の方法はハイブリッドソリューションで、充電時に800ボルトと放電時に400ボルトを切り替えることができるバッテリーシステムです。他の高圧装置は400ボルトに保たれていますこの単純で低コストの解決法はより高速な充電を可能にしますが、400ボルトではエネルギー消費を抑えることができません。

電気自動車メーカーが400ボルトから800ボルトに切り替わったことで、3つの方法がすべて見えてくるかもしれません。テストプログラムの発展と800ボルトの価格の下落に伴い、我々は完全に高圧アーキテクチャへの移行が期待できます。高出力を必要とする大型電気自動車では、800 vを超えるアーキテクチャも見られるかもしれません。

なぜテスラは800ボルトの電気自動車にこだわるのでしょう

800 v電気自動車への移行は順調に進んでいます自動車メーカーのポルシェ、ヒュンダイ、ジェネシス、キア、アウディはすでに電気自動車向けに800ボルトのバッテリーシステムを供給しています。ボルボや極星、ルータスも800 vアーキテクチャに力を入れています。日立オートモティブシステムズは、800Vバッテリーシステムの量産を開始しました。

興味深いのは、電気自動車業界のパイオニアであるテスラが、800ボルトへの移行を公言していないことです。最高経営責任者(ceo)のイーロン・マスク氏は、少なくともモデルYやモデル3のようなテスラの小型車については、現在の再設計のコストには価値がないと主張しています。しかし、長期的な視点から見れば、800 vアーキテクチャは大量生産車にとって意味があると考えています。

時間はかかるでしょうが、いずれにしても電気自動車業界は高圧的になっています。

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