スウェーデンの研究が示す新しい電気自動車バッテリー設計で寿命が20%以上延長可能

スウェーデンの研究者たちによると、新しい電気自動車バッテリー設計により、電流が劣化したバッテリーセルを迂回することを可能にすることでバッテリー寿命を延長でき、20%以上の向上が見込まれる。このアーキテクチャは、電子スイッチと制御システムを用いて、動作中のバッテリーセルの接続方法を変更する。チャルマース工科大学の研究者たちは、この手法が高電圧車両のバッテリー寿命を大幅に改善できることを発見した。これには電気トラックや長距離乗用車が含まれる。あるシミュレーション例では、80キロワット時のバッテリーが対象となり、このシステムによりバッテリー交換時期が約14か月遅らせられた。 研究者たちはまた、延長された使用寿命とより高い残価が電子機器の追加コストを相殺できることも発見した。これらの知見はコンピュータシミュレーションに基づくものであり、量産車両での長期テストに基づくものではない。研究者たちは、最大の寿命改善は最良条件下での理論的上限を表していると述べている。

新アーキテクチャの動作原理

従来の電気自動車バッテリーは、相互に接続された多数のセルで構成され、時間の経過とともにそれらの容量は徐々に減少する。セルの劣化速度が異なるため、1つの損傷したセルがバッテリーパック全体の利用可能容量を制限する可能性がある。提案されたアーキテクチャは、スイッチが弱ったセルを切り離しつつ、健全なセルを動作させ続けることを可能にすることで、この制限を解決する。バッテリーマネジメントシステムは固定された電気的接続に依存するのではなく、セルの状態の変化に応じてその接続方法を調整できる。「我々の研究では、このソリューションによりバッテリーが問題のあるセルを迂回し、動作を継続できるようになる。」 この研究の筆頭著者であるチャルマースの博士課程学生アルベルト・スクグロ氏は述べた。 研究者たちは、実験で検証されたバッテリーモデルと大規模シミュレーションを用いて、さまざまなセル化学、バッテリーパック構成、運用条件、劣化パターンを調べた。各シナリオには、セル間のばらつきを考慮するために1,000回のモンテカルロシミュレーションが含まれていた。彼らの分析では、15社のメーカーから20種類の代表的な電気自動車モデルも考慮された。潜在的な寿命改善は一般にバッテリー電圧の上昇に伴い増加するため、この手法は多くのセルが直列接続されている車両に特に有望である。しかし、最大のメリットを得るには、各セルを個別に制御する必要がある。 商用設計では、ハードウェアの複雑さとコストを低減するために、セルをグループ単位で制御する可能性が高い。

経済合理性の分析

研究者たちはまた、追加の電子機器が経済的に合理的かどうかを検証した。あるシナリオでは、年間走行距離7,456マイルの80キロワット時バッテリーをシミュレートした。従来のバッテリーは10年後に想定される交換時期を迎えるが、再構成可能な設計ではその時期が約14か月延長された。分析の結果、容量が約50キロワット時超、年間走行距離が7,550マイル未満、追加の初期コストが7.16%未満のバッテリーパックに対して有利な経済条件が特定された。この技術は、バッテリーパックがセル性能の差異により適応できるため、製造工程におけるバッテリーセルの精密なマッチングの必要性を減らすこともできる。 研究者たちによると、この手法により、より多くの廃棄された電気自動車バッテリーを定置型蓄電に再利用できる可能性がある。 この技術は研究および産業用プロトタイプでのテストが行われたが、まだ大量生産車両には搭載されていない。シミュレーション上の寿命とコスト効果が実践で実現できるかどうかを確認するためには、長期的な車両テストが依然として必要である。この研究は、ScaniaやPHINIAなどの業界パートナーと共同で実施され、『Nature Communications』誌に掲載された。

この技術が電気自動車市場に与える影響

新しい電気自動車バッテリー設計の可能性は、バッテリー寿命の延長だけでなく、全体的な性能の向上にもあり、これは電気自動車市場の発展にとって極めて重要である。電気自動車の需要が増加する中、バッテリー寿命と性能を向上させることで交換頻度を減らし、ユーザーコストを下げることができる。研究によると、この設計は従来のバッテリーの劣化問題に効果的に対処でき、廃棄バッテリーの再利用を促進する可能性があり、環境保護と資源リサイクルにプラスの影響を与える。しかし、技術は実際の応用における実現可能性と経済性を確保するために、さらなるテストが必要である。