カテゴリー別アーカイブ: 日産リーフ

電池性能の指標 面抵抗

騒がれている割に市場に出てこない全固体電池。ブレイクスルーっぽさを感じるニュースが定期的に出てくるけれど、その発見にはどのような価値があるのか。

最近、次のようなニュースが流れてきた。いわく、電極と固体電解質の界面で大きな抵抗が生じるのが問題だったが、界面抵抗を低減する方法を見つけたという。

東京工業大学物質理工学院の一杉太郎教授、日本工業大学の白木將教授および、産業技術総合研究所(産総研)物質計測標準研究部門の白澤徹郎主任研究員らによる研究グループは2018年11月、界面抵抗が極めて小さい高性能な全固体電池を実現するためには、界面における原子配列が、規則的であることがポイントになることを発見したと発表した。


全固体電池、界面の規則的原子配列が高性能の鍵
eetims 2018年11月27日

ここで見慣れない単位を見かけた。界面抵抗Ωcm2である。調べてみつと、界面での電位降下[V]を電流密度 [A/cm2]で割った単位だった。中学校の理科で勉強する電気抵抗Ωは、回路の大きさを考えていない。実際には、回路の電線が太くすれば電気抵抗は小さくなる。これは単位面積あたりに流れる電流が小さくなるためと考えればよい。すると、材料として電気を通しやすいか否かは電流が流れる面積を揃えてあげないと、公平な比較ができない。このため、単位面積で比較する界面抵抗という単位が用いられる。

界面抵抗を使った簡単な計算をしてみよう。たとえば、以下のような問題を考えてみる。

急速充電時の発熱を見積もるには、電極面積の値が必要である。接触抵抗率[Ω cm2] = 電圧 [V] / 電流密度 [A/cm2]をもとに、日産リーフの電池をモデルに考えてみよう。まず電池パックが2並列であることから、CHAdeMO規格50 kWの充電電流120 [A]は2並列に分かれるのでひとつのセル、電極には60 [A]が流れる。
電極面積はシート形状(261 mm×216 mm)からおよそ500 [cm2]と見積もれるので、電流密度は0.12 [A/cm2]と求まる。
接触抵抗率 5.5 [Ω cm2 = V / (A /cm2)] であれば、界面の電圧が0.66 [V]になるので、界面全体での消費電力は60 [A] * 0.66 [V] ~ 約40 [W]になる。ちなみに、40 [W]というと、オフィスの直管型蛍光灯1本の消費電力と同程度である。

ところで、60 [A]での充電というのは、どれほど電池にとって厳しいことをしているのだろうか。電池容量が1 [Ah]のものと1000 [Ah]のものがあったら、同じ60 [A]という電流値であっても電池にとってのキツさは異なる。そこで、所定の時間で完全に充放電できる電流値を比較の物差しにする。先ほどと同じく2018年現在のリーフの電池をモデルに考えてみよう。定格容量56.3 [Ah]なので、60 [A]なら約1時間で充放電される。1時間で完全に充放電される電流値が1Cといわれる値であり、電池容量に電流の大きさとしては普通の値である。この2倍、3倍、5倍、10倍というような電流値になると、電池にとって厳しいハイレート充電・放電という言われ方をする。

電池パック全体では300 [A]のような大電流で充電したとしても、並列回路で電流を分けたり、広い面積の電極をつかったりすれば、それほど高い電流密度になるわけではない。一方で、電池の大きさはできる限り小さくしたいという要望があるので、このバランスとして車載電池のスペックが決定される。

2018年11月

11月の走行距離は1270 kmでした。

電費は7.3 km/kWhで10月から0.3 km/kWh低下しました。暖房の使用頻度が上がって、消費電力が大きくなっています。

月額2,160円のZESP2に対して、ガソリン149 円/Lとして燃費87.5 km/Lと同等です。

急速充電 14回、普通充電は2回、急速充電1回あたりの走行距離は91 kmでした。

2018年10月

10月の走行距離は1018 kmでした。

電費は7.6 km/kWhで9月から0.7 km/kWh低下しました。寒くなりだして暖房を使ったことや、9月はほとんど遠出をしなかったことが影響しています。

月額2,160円のZESP2に対して、ガソリン153 円/Lとして燃費72.2 km/Lと同等です。

急速充電 11回、普通充電は0回、急速充電1回あたりの走行距離は93 kmでした。

BMW i3の製造工程

BMV i3は、三菱i-MiEV (2010年)、日産リーフ (2010年)とともに、現在のEVブームの初期 (2014年) から日本国内で個人が入手できるpure EVのひとつです。軽量化のためCFRPでつくられたボディ、細いタイヤ、ワンペダルドライブなど、おもしろい特徴を備えています。

BMW i3の製造工程を紹介する動画をYouTubeで見つけたので紹介します。40分と長いですが、なかなか見ごたえがあります。よくこれだけの製造ラインをつくったなと。自動車産業が資本と技術を集積した先進工業国の象徴のように扱われる所以を見たような気分です。

神奈川県EV・FCV認定カード

EV・FCVへの優遇政策としては、購入時に国から補助金が出たり、税金が減免されたりする制度がよく知られている。一方で、各自治体からも補助金をはじめとしたさまざまな優遇が用意されている。

たとえば、神奈川県に住所がある個人や、事務所がある法人には、県営駐車場の料金が割り引かれる制度がある。詳しくは神奈川県の駐車場料金の割引を参照してほしい。江の島や箱根といった観光地に近い駐車場も割引対象になっている。

申し込みには申請書と車検証の写しを郵便またはFAXで県に送ればよい記載例もあるので、申請は難しくない。申請すると1週間弱で認定カードが郵送されてくる。

神奈川県EV・FCV認定カード
金太郎さんは箱根のあたり出身らしい

割引対象駐車場一覧

横浜

三浦半島

鎌倉

江の島 (島側)

江の島海岸~鵠沼海岸

湘南 (辻堂~大磯)

箱根

相模原

丹沢

2018年9月

9月の走行距離は329 kmでした。

電費は8.3 km/kWhで8月から1.0 km/kWh改善しました。9月は気温が落ち着いてきたのでエアコンの消費電力が抑えられたのと、忙しくて遠出をしなかったので高速走行がなかったのが理由でしょう。

月額2,160円のZESP2に対して、ガソリン147 円/Lとして燃費22.5 km/Lと同等です。あまり距離を走らないと、EVのコストメリットは弱くなります。

急速充電 3回、普通充電は0回、急速充電1回あたりの走行距離は110 kmでした。

2018年8月

8月の走行距離は2,464 kmでした。

電費は7.3 km/kWhで7月と同等でした。

月額2,160円のZESP2に対して、ガソリン146 円/Lとして燃費166 km/Lと同等です。イニシャルコストが高いだけランニングコストが低いというのをひしひしと感じます。

急速充電 29回、普通充電は1回、急速充電1回あたりの走行距離は85 kmでした。

リチウムイオン電池と燃料電池は適材適所で

エコカー界隈では、次世代自動車は電気自動車(EV)か燃料電池車(FCV)かという議論が繰り返されています。FCVがトヨタMIRAIくらいしかない現状ではEVが有利に見えるものの、航続距離と充電時間の問題から、ガソリン車と同様に使えるはずのFCVが最終的には有利になるという意見が見られます。EV vs. FCV論争に決着がつくのは、おそらく何十年も先の未来の話で、それまでは不安定な過渡期にすぎません。

EVにしろFCVにしろ、時代の最先端の技術に違いはないわけで、未来を先取りする気分で私は日産リーフに乗っています。実際に車を購入するときに問題なのは、価格です。自分のお財布の限界を超えてモノを買うことはできません。私が乗っている2代目リーフXは400万円から補助金40万円を引いて自己負担額360万円でした(2017/9)。一方、トヨタMIRAIなら車体724万円から補助金202万円を引いて自己負担額522万円です (2018/9)。私は夢を買おうと背伸びしてリーフを購入しましたが、さらに150万円近く上乗せしてFCVを買うのは不可能です。

ところが、最近になって驚くべき記事を読みました。トヨタはMIRAIを4年リース価格362万円で販売しているというのです。仕組みとしては、いわゆる残価設定ローンで4年後の買い取り価格を50%に設定しているそうです。国からの補助金は相変わらず202万円出るので、正味160万円。残価設定ローンの金利が乗って最終的な自己負担額は220万円くらいでしょう。これは背伸びすれば手が届く!
近所に水素ステーションがない問題 (2018/3時点で全国100か所)と、水素価格がガソリン並みに高くランニングコストが案外高い問題が解決できれば、あるいは気にならなければ、FCVをマイカーにすることも現実的に可能です。実際に、愛知県では休日にマイカーとしてMIRAIに乗っている方をちらほら見かけます。

FCVの普及を妨げているのはコストの問題が大きいです。車体価格が高い問題はいずれ解決されるかもしれませんが、水素補充インフラの整備にも大きなコストがかかります。たとえば、水素ステーションの建設に1か所5億円(ガソリンスタンドは7千万円)ほどかかるといわれています。ガソリンスタンドは全国で3万件ほどありますが、FCVが普及期に入ってコスト低下が起きない限り、水素ステーションを全国津々浦々に設置するのは難しいでしょう。

こういう書き方をしていることからお分かりなると思いますが、マイカー、乗用車の分野においては、FCVよりEVが現実的だと私は考えます。充電インフラは家庭や宿泊施設などに設置される普通充電器なら30万円、道の駅やサービスエリアに設置される急速充電器でも1000万円程度です。数字の出所は2013年の資料ですから、普及期に入ればもう少し下がるでしょう。水素補充インフラと比べれば桁で安いのです。結果として、2017/3時点で急速充電器の数は7千件を超えています。都市部ではよく見かけるようになり、自家用車としてどうにか運用できるレベルになっていると思います。

それでは、FCVに未来はないのでしょうか。私はそうは思いません。むしろ、FCVに適した車の使い方があり、コストが高い過渡期においても優位性を発揮できる分野があると考えています。

最近、ドイツの地方鉄道に燃料電池列車が導入され運行を開始したというニュースが出てきました。ドイツの鉄道は電化区間が49%でディーゼル機関車が多く走っており、電化工事を進めるよりも燃料電池列車を導入する方がコスト面で優位になったそうです (日本は電化区間が7割弱)。鉄道のように決められた経路を決められたスケジュールで移動するのであれば、水素補充インフラの建設費は最小限で済みます。燃料電池を鉄道に使うのはインフラ整備コストの点で適しています。

日本でも燃料電池列車の研究開発は行われています。ただし、非電化路線への電動車両導入という点では、EVが先行しました。JR東日本の烏山線では、2014/3から宝積寺駅から烏山駅の約20 kmでEV-E301 系(ACCUM)が運行しています。宝積寺駅と烏山駅で停車中に急速充電してEV走行、電化された宇都宮線では普通の電車と同じように架線から電気を取り込んで走行しています。2017/3から烏山線はすべてEVに置き換わっているそうです。

鉄道においてFCVを選択したドイツと、EVを選択した日本。この違いは何なのでしょうか。私の予想では、運行区間の距離が選択を分けていると考えています。FCVを導入したドイツのブクステフーデ駅からクックスハーフェン駅の間は124 kmあり、烏山線の6倍もの長さです。自動車のFCVとEVの比較で航続距離が問題になるの同じく、鉄道でも長い距離を自立走行するにはFCVの方が適しています。

航続距離の違いは、水素とリチウムイオン電池のエネルギー密度の違いに由来します。水素タンクにしろ、リチウムイオン電池にしろ、車両のエネルギー源に使うことを考えると、重すぎては使えないし、大きすぎても使えないという制限があります。したがって、同じ重量でどれだけのエネルギーを蓄えられるかを表す重量エネルギー密度、同じ体積でどれだけエネルギーを蓄えらえるかを表す体積エネルギー密度の両方が高いエネルギー源が求められているわけです。

ガソリンと比べて、水素のエネルギー密度は重量エネルギー密度がやや高く、体積エネルギー密度が1/6ほどです。リチウムイオン電池は重量でも体積でもガソリンの数十分の1から1/100程度のエネルギー密度しかないので、現状のEVは大きな走行用電池を搭載せざるを得ません。また、FCVなら水素タンクのほかに燃料電池ユニットや補助バッテリーがあったり、EVなら急速充電用の配電装置や走行用電池の冷却ユニットがあったりして、システム全体としては前述の値よりもエネルギー密度が小さくなります。

リチウムイオン電池のエネルギー密度を桁で上回るような二次電池が今後20年以内に登場する可能性はほぼありません。ネットで最新の情報を調べてリンク先のような計算をすればエネルギー密度は自分で計算できますので、「革新的」だとか「画期的」という電池のニュースがあったら現状と比較してみてください。私の乗っている日産リーフ (2017) の電池は体積エネルギー密度460 Wh/L, 重量エネルギー密度224 Wh/kgです。電池パック全体で300 kgなので、重量エネルギー密度を計算すると132 Wh/kgですから、電池のまわりにいろいろと追加したシステム全体では見かけの上でエネルギー密度が小さくなるのがわかると思います。

EVの航続距離がリチウムイオン電池のコストで決まるなら、電池が安くなれば航続距離が延びます。しかし、実際にはエネルギー密度という材料の性質で決まっています。材料の研究開発は難しいので、10年で2倍になったら万々歳という程度の進歩しか期待できません。

5人乗りの自家用車であるリーフが満充電で高速を走ったとき、ようやく300 km走れるくらいのレベルになりました。それでは、より大きく、重たい車両の航続距離はどうなるでしょうか。大型車両にはより大型の電池を搭載できるとはいえ、大型バスや大型トラックがリチウムイオン電池の電力だけで長距離走行するのは難しいだろうと予想されます。逆にいえば、このような分野はEVよりFCVに優位性があります。

長距離走行する大型トラックや大型バスは、ある程度走行ルートが決まっているという点もFCVに向いています。バスターミナルや物流拠点と高速道路のサービスエリアに絞って水素ステーションを建設すれば、効率的に全国をカバーする水素インフラが成立するでしょう。前述した鉄道についても、非電化区間が長い四国、中国、北海道地方はコスト次第でFCVに置き換えることができる可能性があります。

EVにしろ、FCVにしろ、エネルギー密度で考えれば、生活の足はEV、長距離移動や大型車はFCVが向いているとわかります。2018年の時点では乗用車としてのEVが普及しだしていますが、大型車のような社会を支える働く車まで考えると、将来は適材適所に住みわけることになるでしょう。


2018/9/30追記
9/27にJR東日本とトヨタが燃料電池で連携することを発表しました。本稿で述べたように、非電化路線やバス路線への燃料電池車両投入はインフラ整備コストからして現実性のある分野です。水素燃料の貯蔵・輸送技術をはじめとして、まだまだ発展途上にあるのがFCVの実状。技術の進歩は使われることによって促進されるので、実証実験ではなく通常の営業運転にFCVが投入されることで、より現実的な技術に成長することが期待されます。

2018年7月

7月の走行距離は1,944 kmでした。

電費は7.4 km/kWhで6月と同等でした。6月から非常に暑いので、7月になっても大してエアコンの負荷が変わらなかったのでしょう。ようやく旅ホーダを感じられるような長距離を走ることができました。

月額2,160円のZESP2に普通充電の課金で合計2,713円に対して、ガソリン146 円/Lとして燃費105 km/Lと同等です。

急速充電 22回、普通充電は10回、急速充電1回あたりの走行距離は88 kmでした。

遠出をする際は宿泊先で普通充電をすると便利というのを如実に感じました。

日産リーフの電動ブレーキ不具合

ショッキングなニュースですが、普通に乗っているだけの方には関係のない話でした。LeafSpyを使用している方には関係あるかもしれません。

[特報]日産リーフ、走行中に電動ブレーキが作動しない脆弱性 2018/08/29 05:00 日経XTECH

記事中では、電動ブレーキと機械ブレーキのうち、電動ブレーキが動作しなくなる条件があると述べられています。電動ブレーキが何を指すのかはっきりしませんが、走行中に作動できて乗り心地が変わるという記事の文章から考えると、回生ブレーキのことを言っているのだと思います。

不具合が起こる条件が、CANに接続して車載コンピュータを診断モードに移行させるというものだったので、普通に乗っているユーザーには関係ありません。ただ、LeafSpyを使っているユーザーはCANにアクセスしているので、関係するかもしれません。LeafSpyでデータを読み取っている状態が、診断モードのまま走行している状態にあたれば話ですが。