電気自動車のバッテリーを取り外し式にしたらいいんじゃない?

あちこちで最近よく見かけるのですが、電気自動車の走行可能距離を伸ばすために、バッテリーを交換式(取り外し式)にしたらいいのではないか?というお話。これは結論から言うと、おそらくあり得ないと思います。以下解説♪

ベタープレイスのバッテリー交換ステーション
ベタープレイスのバッテリー交換ステーション
この方法はバッテリー交換式と呼ばれ、実際に製品化しようとして試した会社が現在までに二社あります。一つはベタープレイス社で、ルノー日産グループとも戦略的提携をして、実際に一車種、対応車両を販売し、世界中でテストを行いました。日本でも2010年に虎の門で実験を行っていたのです。当時はバッテリーが小さく航続距離が短かったため、ちょっと走ってすぐ交換しなければならず、さらにある理由によって全く競合が出てこなかったため、ベタープレイスは倒産してしまいました。この事実は自動車会社のエグゼクティブなら誰でも知っているくらい、重要な失敗と言われています。(画像引用元記事
もう一社はテスラです。米国の電気自動車専門メーカーで2016年度の販売台数は8万台弱。日本にも1000台以上入ってきています。このモデルSとモデルXという車両はバッテリー交換式に対応していますが、現在はロサンゼルス郊外の一か所にしかバッテリー交換場所が設置されていませんし、その一か所も昨年末に閉鎖されました。テスラも、この方法は失敗だったと考えているようです。ただしテスラの車両は普通に充電式で利用できるので、バッテリー交換に依存するわけではなく、自宅で充電できるほか、普通にサンフランシスコからロサンゼルスまでの600kmを電気自動車で移動できるための、超急速充電設備スーパーチャージャーも完備しています。日本にもスーパーチャージャーのステーションは14か所(盛岡、仙台、長野、高崎、東京三か所、横浜、浜松、岐阜、大阪、神戸、倉敷、福岡)あります。

テスラのバッテリー交換ステーション
テスラのバッテリー交換ステーション
さて、ではなぜバッテリー交換式は失敗したのでしょうか。(画像引用元記事
一つは当時、バッテリーの密度が低かったという点があります。例えばテスラモデルSの場合、バッテリー重量は500kgを超えます。50kgではありません。50kgだったらガソリンと同じくらいのエネルギー密度があることになってしまいます。簡単に言うと、ガソリンの10分の1しか密度がないのです。日産リーフ30kWhモデルのバッテリーは315kgとされています。
もう一点は、電気自動車においては、ガソリン車での心臓部であるエンジンに当たる部品は、モーターではなくバッテリーだということです。バッテリーがエンジンなのです。モーターはコストが安く効率も高く、現時点でほぼ最高の性能のものが得られ、改良の余地がほとんどありません。入れた電気を余すことなく走行する力に変えることができるということですね。逆にバッテリーは、ガソリンタンクのように改良の余地がない(タンクを改良しても車は速くなりませんよね?)ものではなく、改良することにより航続距離を伸ばしたり、加速性能を向上させたりできるのです。世界中の自動車メーカーはエンジンを自社で作ることによって(もちろんOEMもたくさんありますが)、車の差別化をしているのです。電気自動車メーカーは、優れたバッテリーを搭載することで、車の差別化をしなければなりません。例えば、バッテリーの容量を二倍にすると、車の性能も二倍近くになります。
バッテリー交換式になるということは、すべての車が同じ性能になるということです。それを、どの企業も望まなかったということなのです。

おまけ① 家に帰って充電するときは、電気自動車からバッテリーを外して家に持って帰って充電できるようにすればいいのでは?

面白い考えではあるのですが、電動アシスト自転車のバッテリーを取り外されたことはありますか?結構重たいですよね?先ほどお伝えしたように、現行のほとんどの電気自動車のバッテリーは300kg以上。取り外すにはフォークリフトが必要です。

おまけ② じゃ、バッテリーを小さくして、その代わりこまめに急速に充電できるようにしてはどう?

これも良いアイディアのように思えます。しかし!こまめに「急速に」充電するということはできないのです。電気自動車のバッテリーの充電速度は、ざっくりいうと容量に比例し、温度に大きく影響を受けます。例えばバッテリー容量を半分にすると、充電速度も半分になってしまいます。温度は低くても高くても充電速度は著しく遅くなります。


「電気自動車のバッテリーを取り外し式にしたらいいんじゃない?」への19件のフィードバック

  1. 予備発電として性能の良いポータブル発電機をトランクに設置すればいいと思います。ポータブル発電機と電気自動車のハイブリッドです。

    1. 本郷様、コメントありがとうございます!
      確かにそういう方法もありますね。この場合、発電機からは排気ガスが出るので、それが車外に排出されるようにしなければならない点、および追突された際に発電機のガソリンに引火して車内が火事にならないようにしなければなりません。結果として、今の厳しい安全基準をクリアするとなると、プラグインハイブリッド車になるのだと思います。アウトランダーPHEVはプリウスPHVをはじめとするプラグインハイブリッド車は、発電用のエンジンとガソリンタンク、そして法規に準拠した排ガスの浄化装置を標準で搭載しています。

    2. 発電機は乗せ降ろしで燃料はカセットガスで良いかもですね。
      コンビニで買えるってのも良いと思います。
      それなら排ガスの問題も軽くなりますが問題は発電容量ですね。
      ポータブルである以上はそれ程容量は稼げないでしょうね。

    3. おおきいクマ様、コメントありがとうございます。横から失礼いたします。カセットガスは考えたことがありませんでした。
      https://www.mhi-eng.com/products/portablepower/mgc900.html
      # 証明書エラーが出ますのでご注意を(三菱重工さんしっかりして!)

      850VA = だいたい0.85kWとして1時間発電ができるわけですね。
      日産リーフの電費を7km/kWhとすると、カセット2本で約6km走行できます。1本100円くらいですから2本で200円。ガソリン1lを120円とするとリッター3.75km。なかなかガスは高額であることが分かりますね(初めて計算しました)。ちなみにこのリーフを普通に昼間の電気で走らせると30円/1kWh。ガソリン換算では120円で4倍走っちゃうわけですからリッター28km相当ということになります。電気の7倍の燃料価格と、コンビニでの入手性・交換の容易性をどうバランス付けるかになりますね。

    1. Kumai様、コメントありがとうございます!
      はい、二次電池、すなわち充電式電池に一般的に言える現象なのですが、二次電池を充電する際にはCという単位が使われます。これはその電池の容量をmAh(ミリアンペアアワー)またはAh(アンペアアワー)で表すのですが、その容量を1時間で充電できる電流を表す電流の単位です。
      例えば3400mAhの電池に3400mA(ミリアンペア)流して充電すると1Cです。

      ではこれと電池の容量の関係はというと、電池には電流の他に電圧というのがあります。これはリチウムイオン電池の場合3.2V(空)くらいから4.2V(満充電)くらいまで変化し、充電中はだんだんと電圧が上がっていきます。
      電圧V x 電流A = 電力W
      電圧V x 電池容量Ah = 電力量Wh(ワットアワー)
      です。つまりCは電流ですから、Vをかけると比例でWhつまり電池が貯められる電力量になります。

      電池のタイプにより何Cで充電できるかは異なります。新型リーフが使っているNMCというタイプのリチウムイオン電池は、Cが大きく安全性が高く、その代わりに同じ重量比較で電気を少ししか貯めることができません。テスラが使っているNCAというリチウムイオン電池は、充電時のCは控えめ、安全性もNMCよりは低い代わりに、電気を貯められる量、すなわち密度(Specific Energy)が非常に高いのです。

      ただ同じ電池なら、容量kWhが倍になれば、先ほどの式で右辺が倍になりますので、C値も倍になることがわかると思います。すなわち倍の速度で充電できるわけです。テスラは、C値のあまり高くないNCAを使っているため本来は充電速度はあまり上げられないはずなのですが、バッテリーを多く搭載することにより、充電速度の問題を解決しています。

  2. BMWi3もレトロフィットできるので、バッテリー交換出来ると聞いているので、3社ではないのですか?

    1. 中瀬様、コメントありがとうございます!
      そうですね、レトロフィット(納車後の交換)ができる車はあると思います。今回の記事は、工場で交換するのではなく、バッテリーを充電する代わりに満充電のバッテリーと交換する、という前提の内容でした。後ほど記事をもう少し分かりやすくしてみます。

  3. 普及しなかったもうひとつの理由に、電気自動車の普及密度が低かったのもあると思います。極端な考え方をすると分かりやすいのですが、もし 電気自動車1台しかなかったら、使っているのと交換用で2つ要りますので電池コストが2倍になります。

    1. ためぞう様、確かにおっしゃる通りですね。どのくらい在庫を持たないといけないのか想像もつきませんが、普及したら膨大な量になることは間違いないですね。

  4. 交換式バッテリーについてのシロウト的疑問ですが、バッテリーを1つで考えると300kgなので交換式は難しいというお話ですが、複数カートリッジのような方式では難しいのでしょうか?
    20~30kg程度のバッテリーカートリッジを複数搭載して順次使用し、残量がなくなったカートリッジを交換所で交換して積載するという方式です
    もちろんコストの面や、搭載レイアウトや効率いう点ではあまり現実的ではないのかもしれませんが、バッテリー性能や小型化の技術が進めば、複数カートリッジバッテリー交換式というのは夢ではないような気がするのですが・・・

    1. Dee様、コメントありがとうございます。はい、そのようなことも技術的には可能ですね。
      ただ電池は必ず、直列か並列に接続しなければなりません。
      直列に接続しているカートリッジの一つが交換され充電100%、他のカートリッジは放電して空に近い10%の状態であるとしましょう。この状態で走行して10%を使用すると、交換されたカートリッジはざっくり90%、しかし他のカートリッジが0%になってしまうのでこれ以上の放電ができなくなります。このカートリッジをバイパスして走行する方法もあります。この場合例えば5個のカートリッジが直列接続されていると仮定するなら、1個を切り離すごとに20%電圧が下がりますので20%出力が下がり、パワーが出なくなってしまいます。最後の1個になると、最初は100馬力で充分なパワーのある車が、20馬力になり、坂を登れなくなってしまいます。精密に制御を行い、カートリッジを少し多めに搭載するなど、工夫が必要になることが分かります。
      並列も検証しましょう。並列接続しているカートリッジの一つが交換され充電100%、他のカートリッジは放電して空に近い10%の状態であるとします。この状態で放電していくと、交換されたカートリッジのほうが電圧が高いため、交換されたカートリッジから空のカートリッジに対して電流が流れ、交換されたカートリッジに大きな負荷がかかってしまいます。これも空のカートリッジを切り離したりする方法で何とかなるかも。

      最後の課題は充電時で、電圧がバラバラになってしまったカートリッジをバラバラに充電する必要があるわけなんですが、この時、カートリッジ1個を充電するのと、10個を充電するのでは、充電に必要な電流は10倍異なります。つまり、1個ずつ充電すると10倍の時間がかかるんです。ただでさえ遅い充電速度がさらに遅くなってしまいます。

      二次電池は液体燃料と大きく違い、一つ一つが化学反応を内蔵したシステムみたいなものになっています。しかも一つだけでは充分な出力が得られないので、複数個組み合わせて作る必要があり、それらの組み合わせたカートリッジ(通常はモジュールと呼ばれています)は特性を揃えておかないといけないのです。

  5. 最初の発電機搭載というのはレンジエクステンダーですね
    市販車だとBMW i3 レンジエクステンダーやノートe-POWERがそちらに近い考え方です

    1. atlan様、レンジエクステンダーはバッテリー容量の増加に伴い、だんだんと減少する方向にあると考えています。今年以降に発売されてくる電気自動車は300kmを走行できる(冬でも230km程度?)車であり、わざわざ重いエンジンやガソリンタンクを追加して、オイル交換の手間などを増やしてまではエンジンを追加する必要がない、というのが理由です。現行車種の中では、(厳密にはパラレルハイブリッドに分類されるべき車ですが)GMのVOLTがレンジエクステンダーでは最も売れています。日本には導入されていませんね。300万円未満というのは重要だと思います。あとこのブログ的にはe-POWERはレンジエクステンダーではなく、通常のハイブリッドまたはシリーズハイブリッドに分類し、電気自動車の仲間には入れません。充電できない車は化石燃料車、という考え方です。

  6. リーフに乗っています、
    バッテリー交換式いいなと思ったことも有りました、しかし現在劣化したバッテリーと戦っております(笑)
    バッテリー同じ100%でも劣化していれば走れる距離が全然変わると思います、このバッテリーはどれぐらい走れるバッテリーなのか気にしながら交換も嫌ですね。
    すべて平均以上のバッテリーを準備するのもコスト掛かると思いますし普及は難しいですよねー
    高速など電磁誘導専用レーンなどで走りながら充電したり、スロットルカーの様に受けた電気を使いながら走れたら面白いと思います!

    1. famix様、コメントありがとうございます!
      確かにバッテリーには劣化の課題もありますし、借りたバッテリーだからといって乱暴に扱い、酷使されたようなバッテリーと交換されたら困る、というのはありますね。テスラではそのため、バッテリーは交換はするけど、そのバッテリーは貸しバッテリーとなっていて、帰路に再度自分のバッテリーを返してもらわないといけないようになっていました。

  7. 営業所の近傍を1日中走り回る配送車とか、構内走行専用車とかならコストメリットが出るんじゃないですか?

    1. itoshinさま、コメントありがとうございます!
      そうですね、Facebookのほうでも同様のご意見をいただいています。ただ近隣の配送車なら一日300km走れれば充分なので今の技術では交換不要ですね。

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