電気自動車バッテリーガイド

電池をイメージしてください。 テレビのリモコンや煙探知機など、さまざまな小型電気機器に電力を供給するために購入する種類の、標準フォーマットの AA または AAA セルを思い描いている可能性があります。

さて、電気自動車のバッテリーを思い浮かべてください。 あなたが想起したイメージは、おそらく小さな円柱というよりも大きな長方形のように見えます.

これらの 2 種類のバッテリーは非常に異なる蓄電デバイスとして認識されているかもしれませんが、さまざまな電子機器用の典型的な店頭購入のバッテリーと EV のバッテリー パックはどちらも同じ一般原理で動作します。 とはいえ、ハイブリッド車や電気自動車のバッテリーは、扱い慣れた口紅のようなセルよりも少しだけ複雑です。

HEV、PHEV、BEV (それぞれハイブリッド電気自動車、プラグイン ハイブリッド電気自動車、バッテリー電気自動車) のバッテリーは、さまざまな材料で作ることができ、それぞれが異なる性能特性を持っています。 . これらの大きなバッテリー パックに格納されている個々のセルも、さまざまな形状とサイズで提供されます。

EVバッテリーはどのように機能しますか?

電気自動車のバッテリー パック内の各セルには、アノード (負極) とカソード (正極) があり、どちらもプラスチックのような材料で分離されています。 正と負の端子が接続されると (懐中電灯のスイッチを入れることを考えてください)、イオンはセル内の液体電解質を通って 2 つの電極間を移動します。 一方、これらの電極が放出する電子は、セルの外のワイヤを通過します。

バッテリーが電力を供給している場合 (たとえば、前述の懐中電灯の電球) (放電と呼ばれる動作)、イオンはセパレーターを通ってアノードからカソードに流れ、電子はワイヤーを介してマイナス (アノード) からカソードに移動します。外部負荷に電力を供給するプラス (カソード) 端子。 時間が経つにつれて、細胞のエネルギーは、それが動力を与えているものは何でも駆動するので枯渇します.

しかし、セルが充電されると、電子が外部エネルギー源から反対方向 (正から負) に流れ、プロセスが逆になります。電子はカソードからアノードに戻り、セルのエネルギーを再び増加させます。

EVバッテリーの構造

前述の単三または単四電池について考えるとき、単一の電池セルを想像しています。 しかし、EV のバッテリーは、その単一セルの巨大なバージョンではありません。 代わりに、それらは通常、モジュールにグループ化された、数千とは言わないまでも数百の個々のセルで構成されています。 完全な EV バッテリであるバッテリ パック内には、最大で数十個のモジュールを配置できます。

EV セルは、さまざまな標準化された寸法の AA または AAA セルのような小型の円筒形セルである場合があります。 これは、Tesla、Rivian、Lucid、およびその他の自動車メーカーが採用しているアプローチであり、これらの小さなセルを何千も配線しています。 これらの企業が主張する利点は、小型セルは大量生産するのにはるかに安価であることです。 それでもテスラは、自動車のバッテリー パック内の接続数を減らすために、より大きな円筒形セルの数を減らす計画を立てています。

しかし、EV セルには他に 2 つの形式があります。角柱型 (硬質で長方形) またはポーチ型 (これも長方形ですが、極度の高温下でセル壁がある程度膨張できるように柔らかいアルミニウムのケースに入っています)。 標準化されたプリズム型またはパウチ型セルの寸法はほとんどなく、ほとんどの自動車メーカー (ゼネラル モーターズやフォードなど) は、中国の CATL、日本のパナソニック、韓国の LG 化学などのセル メーカーと協力して独自の仕様を定めています。

EVバッテリーの種類

電気自動車のバッテリーの化学的性質 (またはそのカソードに使用される材料) は、セルの種類によって異なります。 今日、本質的に 2 種類のバッテリー化学があり、どちらもリチウムイオンの傘下にあり、カソードは他の金属と共にリチウムを使用します。

2種類のリチウムイオン電池

最初のものは、北米とヨーロッパで最も一般的で、ニッケル、マンガン、コバルト (NMC) またはニッケル、マンガン、コバルト、アルミニウム (NMCA) の混合物を使用します。

これらのバッテリーは、エネルギー密度 (重量あたりのエネルギー、または体積あたりのエネルギー) が高くなりますが、極端な短絡や激しい衝撃の際に酸化 (発火) する傾向も高くなります。 セルメーカーとバッテリーエンジニアは、酸化の可能性を制限するために、製造中と自動車の使用中の両方で、セルとモジュールの監視に多大な時間を費やしています。

中国ではるかに広く使用されている 2 番目のタイプは、リン酸鉄リチウム (LFP) として知られています。 (これは、Fe が周期表の鉄の記号であり、F が実際にはフッ素であるという事実にもかかわらずです。)リン酸鉄セルはエネルギー密度がかなり低いため、同じ量のエネルギーを提供するには、より大きなバッテリーが必要です (したがって、範囲) NMC ベースのバッテリーとして。

ただし、LFP セルは短絡した場合に酸化する可能性が低くなります。 LFP セルは、希少で高価な金属も使用しません。 今日、鉄とリン酸塩はどちらもさまざまな産業用途で使用されており、どちらも希少または資源が限られているとは考えられていません。 これらの理由から、LFP セルはキロワット時あたりのコストが低くなります。

低コストがテスラを導いた（そして 最近ではフォード）は、ベースモデルの電気自動車に LFP セルを使用することで、ラインナップのより高価なモデルのために、より高価で高エネルギーの化学物質を節約します。

もう一方のセル電極であるアノードに関しては、今日ではほとんどがグラファイトでできています。

EVバッテリーソフトウェア

基本的な AA や AAA セルとは異なり、EV バッテリーには、物事を監視するための多くのソフトウェアが必要です。 AA または AAA セルは、せいぜい数年しか続かないと予想されるかもしれません。 しかし、自動車メーカーは自社の EV のバッテリー コンポーネントを、多くの場合、約 10 年間または 150,000 マイルの使用に対して保証しています。

すべての EV バッテリーは、時間の経過とともに充電容量をいくらか失います。 利用可能なデータが限られているため、これらの損失の詳細を掘り下げることは困難です。 一般に、100,000 マイル後の航続距離の損失は、10 ～ 20% 程度です。 言い換えれば、もともと 300 マイルの航続距離を提供できる EV は、ライフサイクルのこの時点で、240 ～ 270 マイルの航続距離を維持します。

それを確実に実現するために、バッテリー モジュールとパック自体には多数のセンサーがあり、各コンポーネントから供給される電力 (理想的にはすべてのセルとモジュールで同一) とパックの熱を監視します。 バッテリー管理システム (BMS) として知られる一連のソフトウェアが、この情報を監視します。

人間と同じように、バッテリーは温度変化の影響を受けやすく、華氏 70 度前後で最高の性能を発揮します。 EV のバッテリー パックが過熱の兆候を示している場合、最新の HEV、PHEV、および BEV バッテリーの BMS は、熱を逃がして温度を 70 度に近づけるために、冷却剤をパックに循環させます。 バッテリーは、極端な寒さでは電力が低下します。 EV の所有者が車両の事前調整を行っている場合、その制御ソフトウェアと BMS はグリッド エネルギー (プラグインされている場合) またはバッテリー エネルギーを使用してバッテリーを暖めます。 プリコンディショニングにより、EV バッテリーは、ドライバーが発進するとすぐに特定の電力レベルを提供できます。

電気自動車向けの新しいバッテリー技術

バッテリー技術は常に進化しています。 今日の EV は圧倒的にリチウム イオン パックを使用していますが、将来のバッテリー駆動車の多くは、異なる化学的性質のパックを使用する可能性があります。 たとえば、固体電解質を備えたセルを使用する全固体電池は、多くのメーカーが投資している有望な代替手段です。実際、トヨタは全固体電池を搭載した車両を2020年代半ばまでに導入する予定です。

全固体電池は、同様のリチウムイオン電池と比較して、より優れた走行距離を提供する、より大きなエネルギー密度を提供する予定です。 ただし、この画期的な技術にはまだ道のりがあり、エンジニアは固体セルの製造にかかる材料費を引き下げようと取り組んでいます。 同様に、これらのセルの寿命は、HEV、PHEV、または BEV の数千回の完全放電サイクルに対応するために劇的に改善する必要があります。

とにかく、バッテリー駆動の自動車の未来は有望です。 電気自動車の効率と航続距離を改善する新技術と、今後数年間でリチウム イオン バッテリー パックのコストが大幅に低下することを期待してください。