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(注)本稿では引き続き、国内の刊行物、ウェブ情報などの採用頻度からハイブリッド車はHV、プラグインハイブリッド車はPHEV(トヨタはPHV)、純電気自動車はEVと記述いたします。

［次世代自動車EVの展望－1］各国の自動車電動化政策

再度確認しますが、現時点での次世代自動車の電動化政策は以下のようになっています。特に、EU・英国およびカリフォルニア州のガソリン・ディーゼル車に対する規制は厳しく、2035年には全廃する計画になっていて、HVもPHEVも認めないという極端なものになっています。

また、米国や中国もEV化を大きく前進させる計画であり、EUほどではないにしろ、やはりHVに対しても消極的な姿勢であることがわかります。

日本はトヨタを中心として、HV車こそが環境への負荷が少ない自動車だと主張をしていましたが、世界の流れにいつまでも逆らうわけにはゆかず、EV・FCVでも世界のトップを目指す方針に転換したようです。

ただし、今後の世界情勢次第では、脱炭素と現実のエネルギー事情(再生化エネルギー・化石燃料の動向)のバランスが大きく変動する可能性もあります。さらにCO₂懐疑論を強く主張する学者も依然として多く、各国の環境車規制がこのまま計画どおり実施されるかは流動的になってきました。

現時点での各国の電動化規制方針概要

［次世代自動車EVの展望－2］世界の次世代自動車(電動車)の最新状況

次図のように各国、各メーカーの2021年通期の電動車販売合計は、EV+PHEVの販売台数が675万台になり、2020年に比べて2倍に増加し、EVは480万台、PHEVは195万台に達しました。ただし、2021年の高い成長率と比較して、2022年上半期の成長率は欧州のエネルギー・電力事情により幾分低下しているようです。2022年末には、HVを除く世界の小型電動車は2/3がEV、1/3がPHEVで、現在は累積2000万台以上が世界の道路上を走行していると推定されます。

世界各地域のEV+PHEVの販売台数(千台)(2020-2021年比較)と成長率(2012-2021年比較)

［次世代自動車EVの展望－3］国内の電動車(EV/PHEV)充電設備

電動車、特にEVの普及は自宅に設置する充電設備と自宅以外の充電設備の両インフラが重要な鍵となっています。日本は欧州、中国との格差が問題となっていますが実態はどうでしょうか。

＜普通充電設備＞

満充電もできる普通充電は、私たちが日常的に利用している100Vまたは200Vの家庭用電源を利用するものです。200V電源は、エアコン、IHクッキングヒーターなどに使用するもので、多くの住宅の分電盤には、200Vの供給が出来る電線が届いているはずです。それでは100Vと200Vの違いはどのくらいあるのでしょうか。電圧の違いは、一言でいえばパワーの差であり、充電時間に差が生じます。日産リーフ(40kWh）の例をあげると、100V/0.6kWの充電器では64時間、200V/3kWでは16時間、200V/6kWでは8時間となります。このように100Vと200Vの充電器では満充電時間に大きな差があります。日産・サクラのような軽EVでは200V/3kWでも何とか使えそうですが、基本的には200V/6kW仕様が望ましいといえます。

＜急速充電設備＞

急速充電は、その名の通りスピード重視の充電です。主な設置場所として、高速道のSA及びPA、商業施設などの駐車場、自動車販売店などの公共性の高い場所が中心です。急速充電器と一言でいっても、実は様々な規格があります。しかし、日本の場合は、ほぼひとつと言っても過言ではありません。それは日本で考えられた電気自動車用急速充電規格「CHAdeMO」で急速充電インフラの整備が進められているからです。例外と言えるのが、EV界の異端児、テスラ(米国)です。独自規格の急速充電器(スーパーチャージャー)を日本でも展開しています。ただテスラ車でも、CHAdeMOが利用できるようにアダプターを用意しています。

＜国内の充電設備の数＞

次表は2022年9月現在の日本国内のEV/PHEV用の充電設備の総数です。全国のガソリンスタンド総数が3万店舗弱ですので、2万基を超える数は一見かなり多いようですが、この中には個人住宅用や公共施設用の充電時間が半日以上必要な普通充電設備も含まれています。また、急速充電設備も自動車ディーラー、自動車工場、電気工事業者等が保有する設備も含まれていますので、EV/PHEVユーザーが外出時に使用できる急速充電設備の数は表中の8,109基よりさらに少なくなります。

さらに、比較的短時間に充電できるCHAdeMO仕様の超高速充電設備とテスラのスーパーチャージャーの総数となると、わずか233基となってしまいます。

2022年9月現在の日本全国の電動車用充電設備の設置数量(単位：基)

上表は昨年11月号でお話をしました数量とほとんど変化がなく、1基当たりの充電口数を増やしているとはいえ充電設備拡大中とはとてもいえず、これが国内EV普及の大きな足かせになっています。

日本政府は掛け声だけでなく、急速充電設備、特に超高速充電設備の大規模且つ早急な拡大設置をしなければ、いくらEV向けの補助金を出しても本当の意味でのEV化にはなってゆかないでしょう。

［次世代自動車EVの展望－4］EVのCO₂排出量と消費電力

CO₂が地球温暖化に与える影響およびその度合いについては様々な議論があるにも拘わらず、「脱炭素・カーボンニュートラル」に向けて国際政治や国際経済は全速力で動いてきました。どうやら、自動車のEV化の流れは止められないようです。ただし、現在の国際情勢次第では幾分その流れのスピードは落ちるかもしれませんが・・・。

＜EVはどれだけのCO₂量を減らせるか＞

1月号でもお話をしましたが、「ライフサイクルアセスメント」によるマツダの論文と後日の検証論文による「日本と欧州でのガソリン車（ディーゼル車）とEVのCO₂排出量を比較」によると、バッテリー製造時のCO₂排出量が多いため、日本では9～10万km、欧州では7～10万km走行しなければEVのトータルのCO₂排出量は内燃機関車を上回れないことになります。

日本と欧州のCO₂排出量の差は、電力用に再生可能エネルギーを利用する割合が異なるためです。2019年の統計資料によると、日本は17%(水力発電を含む)、ドイツは37%となっています。

今の電力資源構成比率のままでは、日本では10万km走行しないとEVによるCO₂排出量低減はできないことになります。一方、欧州でも現在の再生可能エネルギーの比率では、7万km以上走行しないとCO₂削減にはなりません。したがって、日本がEV化によるCO₂削減を欧州並みにするには、再生可能エネルギー比率を将来に向けて欧州と同等にするか、もしくは原子力発電の比率を上げるかしなければなりません。

＜EVのために必要な電力＞

日本の自動車保有台数は2020年末で、乗用車が6,220万台、トラックが1,430万台、バスが20万台で約7,700万台です。まず、すべての乗用車がEVとなる前提で計算してみましょう。

乗用車の年間走行距離の平均が約1万km、1日では約27kmとなります。EVの平均電費を6.0km/kWhとすると、27 / 6 = 4.5kWh/台/日 の電力が必要となる計算です。日本では6,220万台の乗用車が走行していますから、6,220万 x 4.5kWh = 27,990万kWh すなわち、1日約2.8億kWhの電力がEV用に必要となってきます(参照：NeoMag通信2021年12月号)。

日本の1日当たりの発電量は現在28億kWh/日程度のようですから、乗用車のEVのために発電量を約10%増強する新たな発電所を建設する必要がありそうです。さらに全自動車をEV化するためには平均バッテリー容量も増加するため約2倍、20%の増強となります。

乗用車だけを対象にした10%は大した数値ではないように見えますが、この発電所増強は火力発電所というわけにはゆかないでしょうし、再生エネルギーですべて賄うことにすると簡単ではありません。

原発1基分が約100万kW(0.01億kW)の出力ですから、1日あたり2,400万kWh(0.24億kWh)の発電能力となり、2.8億kWh / 0.24億kWh = 11.67 ということで、少なくとも原発12基分、火力発電所なら24基分が必要な電力となります。

また、経済産業省・資源エネルギー庁の「洋上風力発電プロジェクト」が、参考にしている欧州の2030年の計画における超大型洋上風力発電所(1基20MW=2万kW出力)ですべて賄うとしたら、少なくとも600基以上、効率を考えたら1000基近くの超大型洋上風力発電所を建設する必要があります。東京タワーの80%にもなる高さ250mの洋上風力発電所の1000基建設は、さすがに超大型・超難関工事となると思われ、陸地からすぐ水深が深くなる日本の海ではさらに難しくなります。

前テーマ「地球温暖化と温室効果ガスの検証」でも述べましたように、「再生可能エネルギー政策」や「脱炭素政策」は、平地の国土が広い国(陸上風力発電、太陽光発電)、遠浅の海岸線が広い国(洋上風力発電)、国策で大規模な原子力発電が可能な国、あるいはそれらの条件を満たした周辺国との関係が良好な国々(国際送電網)が圧倒的に有利です。したがって、日本のように平地が狭く、深海に囲まれている島国は同じ土俵に乗ろうとすると、難しい技術開発と膨大なコストが必要になります。

HVも電動車だということで日本だけで頑張れればよいのですが、そうでなければEVのためだけの電力増強(乗用車10%、全自動車20%)であっても、再生化エネルギーや原子力発電の拡大が必須となってきます。日本の国土環境を考えると、太陽・バイオマス・地熱発電などは主力にはならず、「浮体式洋上風力発電」、「原発再稼働」、「新型原子炉の開発・導入」が重要な鍵となってきそうです。

［次世代自動車EVの展望－5］EVの技術課題・バッテリー

＜現行のEVバッテリー＞

現在のEVバッテリーのほとんどがリチウムイオン電池を使用しています。3月号でもお話しましたように、正極材の違いによりコバルト酸リチウム(LiCoO₂)系、ニッケル酸リチウム(LiNiO₂)系、マンガン酸リチウム(LiMn₂O₄)系、リン酸鉄リチウム(LiFePO₄)系、コバルト置換(Li(Ni-Mn-Co)O₂)系等の各種電池が実用化されています。

また、ほとんどの電池が負極に炭素系の材料の黒鉛(LiC₆)、電解質にはリチウム塩を溶解させた有機溶媒を使っています。また、液体電解質を使っているすべてのリチウムイオン電池にはリチウムイオンを通過させるセパレーターが入っています。

＜EV用リチウムイオン電池の課題＞

(1)発煙・発火事故の危険性

リチウムイオン電池の異常発熱の多くは、電池の正極と負極が直接つながる「短絡(ショート)」が原因といえます。短絡すると瞬間的に大きな電流が流れるとともに激しい熱も発生します。リチウムイオン電池には可燃性の材料も使われているため、激しい発熱は同時に発火・爆発などにつながる危険性があるのです。要因の代表的なものは「外部衝撃」です。電池の中の構造を破壊するような衝撃が加わることで、正極と負極がつながり、短絡の状態が生じます。

これらの事故の構造的要因は主に液体の電解質を使っていることにあります。衝撃によるショート、異物混入による過電流発生などが主原因です。

(2)エネルギー密度不足

ガソリン車並の走行距離を達成するためには、エネルギー密度の更なる向上が必要です。体積当たりの走行距離はまだHVの1/15程度です。ちなみに、HV車は約22.8km/L(ガソリンタンク＋電池パック)、EV用液体系リチウムイオン電池(LIB)は約1.5km/Lになります。

(3)長い充電時間

急速充電器でも充電まで30～60分程度かかるなど充電時間の短縮も課題です。

(4)高い価格

電池コストはEVの製造コストの1/3程度を占めるなど現時点ではまだまだ高価です。

(5)経年劣化による容量・出力低下

使用条件によっても異なるが、500回くらいの充放電を繰り返すと劣化がかなり進む可能性が高く、社会インフラとして活用するには更なる長寿命化も必要になります。

(6)リチウム資源

地球上に広く分布しているリチウム資源も大量に採掘できる地域・国は限られています。将来もリチウム使用が必須であるとすれば、リチウム資源の取り合いが激しくなり、これからさらに大きな問題になるかもしれません。驚くべきことに、次図のように原料の炭酸リチウムの価格は2年半前の10倍になっていて、すでにEV用のリチウム資源の争奪戦が始まっています。

＜全固体電池への期待と課題＞

全固体電池は前記の現行リチウムイオン電池の欠点をクリアできるものと期待されています。

しかしながら、まだ重要な課題を残しています。それは、電池として性能を発揮するためには、電極と電解質が常に密着している必要があります。電気のやりとりによって電極の体積などは変動します。液体の電解質であれば電極が少々変化しても密着し続けることができますが、固体同士では常に密着することが難しく、電極と電解質が接する「界面抵抗」が大きくなりやすいという課題があります。

固体電解質の界面抵抗によるイオン伝導性低下の問題

＜EVバッテリー・課題の克服＞

ところが、つい最近8月、トヨタ自動車をはじめ科学技術振興機構がバックアップしている全固体電池開発の研究プロジェクトの中で「東京工業大学と東京大学は全固体リチウムイオン電池における界面抵抗の発生起源を解明し、界面に緩衝層(Li2SとP2S5の混合物質)を導入することで界面抵抗を2800分の1に減らすことに成功した。」ことが報じられました。高速充電などの妨げとなる硫化物固体電解質と電極材料間の高い界面抵抗は、界面形成時の反応で生じる層に起因することを示しました。今後、このブレークスルー技術と周辺技術の知的所有権が、全固体電池の高出力化に向けた設計指針となり、日本が世界のEV技術を牽引するための大きな柱となりえます。

一方、全固体電池でもリチウム資源問題は避けられません。リチウムイオンを使っている限り、資源争奪戦は続き、今後も「バッテリーコスト低減∝EV価格低減」は困難が付きまとうかもしれません。

［次世代自動車EVの展望－6］EVの技術課題・駆動用モーター

＜EV用モーターの分類＞

EVの駆動モーターはゴルフカートなどを除き交流モーターを利用しています。ただし、交流モーターにも構造の違いにより種別されていて、実際に市販されているEVには下記のようなモーターが搭載されています。各モーターの長所、短所は種々ありますが、各メーカーのEVコンセプトに合わせて設計・導入されているようです。

EVの駆動用に搭載されている各種モーター

＜EVモーターの課題＞

前記モーターの中で近年最も採用されているモーターが永久磁石内部配置型同期リラクタンスモーター・IPMSynRM(Interior Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor)になります。

このモーターは電磁鋼板のスリットの磁気抵抗を利用した同期リラクタンスモーターと永久磁石内部配置型モーターとの組み合わせとも言え、高度な磁気回路設計が必要になります。代表的なEVのテスラ・モデル3ではリラクタンストルクと永久磁石(ネオジム磁石)トルクの利用比率がおおよそ3：2となっています。

このモーターの主な課題は(1)永久磁石を使うため、高速では弱め界磁制御が必要になりパワー効率が落ちる、(2)永久磁石にネオジム等のレアアースを使うため原料問題がつきまとう(地政学的リスク、コストリスク)などで、特に原料問題は将来にわたるアキレス腱となるかもしれません。

＜EVモーター・課題の克服＞

それでは、これらの課題を解決するためにはどのような方法が考えられているのでしょうか。

(1)ネオジム磁石に含有する希少レアアース(ネオジムやジスプロシウムなど)をできるだけ資源量の多い安価なレアアース(ランタンやセリウムなど)に置き換える。(トヨタ自動車)

(2)ネオジム磁石からレアアースを全く使わない永久磁石(フェライト磁石など)に置き換える。(安川電機、他)

(3)永久磁石を使わないモーターを採用する。(誘導モーター：アウディ・e-tron、巻き線界磁型同期モーター：日産・アリア、ルノー・Zoe、リラクタンスモーター：三菱電機・電車用)

IPMSynRMにトヨタのような「ネオジム低減磁石」が進化導入できれば、世界中の広範囲の資源活用で資源リスクがほとんどなくなり、実績のあるモーターとしてさらにその地位を固めそうです。

また、EVの高速化を見据えれば、弱め界磁制御が要らない「巻き線界磁型モーター」はブラシ寿命に課題が残るものの、磁石を使わない・高速対応モーターとして一つの流れになるかもしれません。

もう一つ、EVの将来へあきらめてはならないモーターが「リラクタンスモーター」です。すでに洗濯機や掃除機、工場の工作機などに一部使われていますが、最近になり電車での実用化も始まりそうです。振動・騒音などがネックになって、長年にわたり乗り物には使われていませんでしたが、三菱電機が永久磁石を使わない大出力450kWの「同期リラクタンスモーター(SynRM)」を地下鉄・日比谷線で検証テストを繰り返していて良好な結果が出ているそうです。元々高効率なモーターですから、さらに振動・騒音が少なくなり、一層の小型化ができれば将来のEVモーターの本命になるかもしれません。

同期リラクタンスモーター(SynRM)の構造概略図

以上、計16回の「次世代自動車の検証」シリーズを終了いたします。なお、配信内容については不十分な点も多々あったと思いますが、ご容赦いただきたいと存じます。来月以降は新しいテーマ・シリーズに移行いたします。