電気自動車の充電時間短縮の可能性

質問

最近は30~50kwの急速充電器でも、それをいったん電池に蓄電して直流充電で200kwとかの充電を可能にする超急速充電器が出てきました。交流部の出力を大きくするといろいろコストがかかるので蓄電池にためておくというのは賢いです。

で、直流充電は500Vの400Aとかいうすごい大電力なんですが、ここまで速いと今度は電池側の受け入れ能力がどうなのかと思います。電池側のポテンシャルとしてはどのくらいの速さまで充電可能なのでしょうか？
もしもその気になれば500kwとか可能だったら30kwhくらいものの数分で充電出来ちゃいます。

実際に日産のリーフのサイトを見ると50%とか80%の充電までは100Aとか50Aとかいけるけれど、80%を超えると20Aくらいまで落ちてきてあとはちょぼちょぼみたいなことが書かれています。ちなみに充電の速さは電流だけで決まるのでしょうか？ 例えば100Vでも200Vでも20Aなら２０Aが上限になるのでしょうか？

回答No.4

kouki-koureisya · ベストアンサー

＃３です。
まとまりのないダラダラ文を読んでくださってありがとうございます。

＞すなわち素人としては充電器側が200V・100A＝20kwで充電すれば1時間に20kwh充電される、これを110V・100A＝11kwで充電すれば1時間に11kwh充電される、と思い込んでいたのですが、どちらのケースもバッテリーの出力電圧が100Vであれば100V・100A＝10kwh充電されるだけという事になるのでしょうか？

「バッテリーの出力電圧が100Vであれば」100Ｖより少し高い電圧で充電します。
充電器の能力が200Ｖであっても、200Ｖで充電することはできません。
「100V・100A＝10kwh充電されるだけという事」になります。
（ただし、単位がｋＷｈですから、この条件で１時間充電した場合です）

＞最近の車は燃費向上のために充電制御をしているので常時発電しているわけではありませんし、充電時は14.0Vとかエアコンがかかっていると13.2Vとか、エンジンをかけて数分すると充電が終わってするすると12.0Vまで下がるとか、見てるといろいろ面白いです。

充電制御車は、条件に応じてＩＣレギュレータの制御電圧をHigh（車種によって異なるが大体１４－１４．５V）にしたり、Low（１２．５V）にしたりしています。
鉛電池は、寿命面でほぼ満充電近い状態に保っておくのが理想的ですが、これでは、減速エネルギーを回収できないので、少し放電した状態になるように制御することも必要です。
しかし、下手するとSOC(State of Charge) が下がりすぎて、冬季翌朝の始動困難となるおそれがあります。
また、High / Low の切り替えでランプの明るさが変動したりすることもあるので、制御は難しい面もあります。

先の回答で
「放電時のバッテリー電圧が12.0V時、発電電圧は、12.5ほどです。
バッテリー電圧が徐々に上がるにつれて、発電電圧も徐々に高くなり、やがてICレギュレータの基準値で決まる値で止まります。」
と書いたのは、充電するには、そのときのバッテリー電圧よりちょっと高い電圧でよい、という意味で書きました。
上記のHigh の“基準値”が１４．０Vであっても、「エアコンがかかっていると13.2V」になることもあれば「13.5」になることもあります。
ランプ点灯時、電圧が上がることも、下がることも、同じ値であることもあるでしょう。
しかし、原則、どんな場合でもオルタネータの発電電圧は、バッテリー電圧よりはやや高めです。

＞「ハイブリッド車の場合、常時５０％前後を基準目標」というのは

前回は、寿命の面の話の続きで書きましたが、車の走行面から見れば、減速エネルギーを回収する（充電を受け入れる）用意のためでもあります。
話の範囲が広がりすぎるので割愛しましたが、きちんと書いておくべきでした。

お礼

再度のご回答ありがとうございます。平素はなかなか得難いやり取りをさせて頂き当初の質問以外にも勉強になりました。大変ありがとうございました。

回答No.3

kouki-koureisya

30年ほど前、ＥＶの開発にちょっと関わったので、ＥＶには大いに関心があります。
しかし、時代遅れの知識なので新技術をなんとか理解しようと努力しています。
その程度のレベルの者の回答です。
うまくまとめることができず、あれもこれもと書き足したので長文になってしまいました。

確かに充電器は、いくらでも大容量（大出力）品を作ることができますから、数社が先行して発表していますが、実用化されているのでしょうか、疑問です。
現実には「CHAdeMO規格」の、充電用プラグの仕様が500Ｖ、125Ａですから。

＞で、直流充電は500Vの400Aとかいうすごい大電力なんですが、ここまで速いと今度は電池側の受け入れ能力がどうなのかと思います。電池側のポテンシャルとしてはどのくらいの速さまで充電可能なのでしょうか？

電池は、とてもじゃないですが、そんな大電流を一気に受け入れる能力はありません。
「500Vの400Aとかいうすごい大電力」の数値は、充電器の能力にすぎません。
仮に、リーフを400Ａで充電するとすれば、それは寿命や破壊を無視した限界能力テストになってしまいます。
現行の標準仕様である「CHAdeMO規格」では、充電器が供給する充電電流値は、車に搭載されたバッテリーマネジメントユニット（バッテリーの充電量、温度、電圧を管理している）からの指示で決まります。
充電器側に、車のバッテリーの充電量・温度・電圧を測定する機能を持っていません。
つまり、自動車メーカーが電池寿命の面から最適と判断した値で充電されるわけです。
５０ｋＷ充電器の最大供給可能電流は125Ａですが、実際にはそんなに大電流で充電されるケースは稀だと思います。
走行直後に充電しておくというパターンでは、電池の温度が高くなっていますから、大電流を流せば、さらに高温にしてしまう危険性があります。
温度が上がる理由は、内部抵抗と充電電流によるジュール熱ですが、電流の二乗に比例します。

＞ちなみに充電の速さは電流だけで決まるのでしょうか？ 例えば100Vでも200Vでも20Aなら２０Aが上限になるのでしょうか？

「充電の速さ」を満充電に近付けるまでの時間の速さだと解釈すれば、それは、電流で決まります。
電池の容量を表す単位が「Ａｈ」であるところからでも、充電量は電流と時間の積です。

充電時、電池に印加する電圧は、そのときの電池の電圧よりやや高い値です。
例えば、放電した電池の電圧が360Ｖの場合、充電に必要な電圧は、ほんの数Ｖ高ければ十分です。
これは、一般的な鉛電池の車でも同じです。
放電時のバッテリー電圧が12.0V時、発電電圧は、12.5ほどです。
バッテリー電圧が徐々に上がるにつれて、発電電圧も徐々に高くなり、やがてICレギュレータの基準値で決まる値で止まります。

ご存知だと思いますが、日産リーフの公式サイトです。

「実際の充電時間はどの位ですか？」
https://ev1.nissan.co.jp/LEAF/RORA/QUESTIONS/DETAIL/266

一部抜粋します。
「急速充電器ではバッテリーの状態により充電電力量を変化させますので、バッテーリー温度、バッテリー残量により充電される電力量が変わってきます。
CHAdeMO規格の最高電圧はDC500V、125Aですが、30kWhリーフの場合充電残量30%以下から充電すると44kWh以上の急速充電器ではDC365Vから390V、109Aから120Aで充電が始まり約10分経過後から充電電流が下がっていきます。
よって実際の充電時間はと聞かれても回答は難しいです。」

充電電流の値は、電池ユニットの内部抵抗で決まるのですが、この値を10 ｍΩとすれば、１Ｖの電位差があれば、電流は100Ａも流れることになります。
内部抵抗値はなかなかネットには公表されませんが、常識的な値はｍΩ単位です。
リーフの３０kWhとは、比べものになりませんが、東芝のリチウムイオン二次電池10Ａｈ品の「ＳＣｉＢ」の最新資料によれば、０．６５ｍΩです。

「東芝レビュー」アイドリングストップ車向け二次電池　１０Ａｈ級ＳＣｉＢ
http://www.toshiba.co.jp/tech/review/2016/02/71_02pdf/f07.pdf

実際の電池は、電池パックと呼ばれ、何十個かのモジュールを直列・並列につないだものです。
充電の速度を上げるには、充電電流を大きくする必要がありますが、数百アンペアの充電電流を受け入れるには、この多数の接続箇所を大電流に耐える構造にしなければなりません。

＞例えば100Vでも200Vでも20Aなら２０Aが上限になるのでしょうか？

電池の充電に関して「100Vでも200Vでも」の意味を理解できかねますが、20Ａが上限であれば、その値が上限です。

＞日産のリーフのサイトを見ると50%とか80%の充電までは100Aとか50Aとかいけるけれど、80%を超えると20Aくらいまで落ちてきてあとはちょぼちょぼみたいなことが書かれています。

ハイブリッド車の場合、走行時の充電容量は、常時５０％前後を基準目標としています。
つまり、満充電・完全放電状態を避け，真ん中を中心にある程度の幅で，充電・放電することで，長い耐久性を保持しています。
満充電に近い状態では、電池温度も高くなり、高温状態を持続すれば寿命を短縮します。
高温状態は電池を劣化させるので、（多分どんな車でも）液温を６０℃以下に収まるよう管理されています。
一方，プラグインハイブリッド（PHV）では，走行開始時は，燃費面からできるだけEV 走行をするために満充電にしておきたいのですが，電池を劣化させる懸念がないとは言えません。
メーカーとすれば８０％充電を推奨したいところですが、航続距離の面から満充電での走行可能距離を無視できない、ところでしょう。
リーフのようなＥＶも同じことが言えます。

鉛電池では、満充電近くで高温になれば、充電電流の一部は水の電気分解に使われ、非効率となります。
リチウムイオン電池では、高電圧や高い環境温度に放置されると，有機電解液の分解が進み，劣化します。
とにかく、高温、高電圧になる満充電状態をできるだけ避けるように、車としては設計されています。
以上のように実用面からは、80％充電に達する時間が重要です。

お礼

まず多分よくわかっていなかったのが、充電速度は電力だと思っているところなのかもしれません。すなわち素人としては充電器側が200V・100A＝20kwで充電すれば1時間に20kwh充電される、これを110V・100A＝11kwで充電すれば1時間に11kwh充電される、と思い込んでいたのですが、どちらのケースもバッテリーの出力電圧が100Vであれば100V・100A＝10kwh充電されるだけという事になるのでしょうか？

興味があるのでいろんな断片的知識を集めているのですが、なんせ基本がわかっていないのでお恥ずかしい限りです。

「放電時のバッテリー電圧が12.0V時、発電電圧は、12.5ほどです。」ですが、これって最近のナビはバッテリーの電圧が見られるので、実は観察したことがあります。
最近の車は燃費向上のために充電制御をしているので常時発電しているわけではありませんし、充電時は14.0Vとかエアコンがかかっていると13.2Vとか、エンジンをかけて数分すると充電が終わってするすると12.0Vまで下がるとか、見てるといろいろ面白いです。

おそらく電池の構造はセルで区切られて並列になっていて、つまり充放電の速さは並列にすることであがるので一概に言えないのだろうと思いますが、リーフの例では50％以下のところでは100Aを超えるようですね。

「ハイブリッド車の場合、常時５０％前後を基準目標」というのは読んだことがあて、SOC(State of Charge)を40～60％でコントロールするような話でしたね。ただトヨタのTHSはニッケル水素だし、EVはリチウムイオン電池なのでメモリ効果があるとか、満充電で傷みやすいとか特性が違うので使い分けも違うだろうと思います。その意味ではメモリ効果があって出し入れは苦手なはずのニッケル水素電池をハイブリッド車に使って、ブレーキ回生電力も併せて充放電を繰り返すのってメモリ効果をどう対策しているのか疑問ではありました。2系統に分けて片方は充電、もう片方は放電用にしてカラになったら役割を入れ替えるとか素人の頭で考えましたが。

やはりユーザー視点から考えると航続距離の短いEVは少しでも多く充電したい気持ちはありますが、設計者的には満充電によるリチウムイオン電池の劣化や充電速度的に80％充電で使ってほしいというのはよくわかりますね。

回答No.2

cwdecoder

将来、充電池をコンデンサに置き換えられれば、充電時間を格段に短縮できるはずです。

お礼

ご回答ありがとうございます。電池でお願いします。リチウムイオンキャパシタとかならコンデンサとしては容量を飛躍的に上げられますが、電池としては容量が圧倒的に少ないです。

回答No.1

trytobe

リチウムイオン電池でも、基本的には、「充電＝電荷で化学反応をさせて物質の状態を変えている」ので、

充電できる速度＝化学反応を安全に進行させてエネルギーが蓄えられる上限速度（それを超えると、化学物質の劣化や充電以外の化学反応に電荷が使われる）

という蓄電池（二次電池）の素材の性能と、いかに負荷を分散させてバッテリー全体を均等に充電する＝電荷を送り込むか、というバッテリー内の回路・構造、で受け付けられる最大電流が決まるのです。