DC急速充電は本当にEVのバッテリー容量を減らしますか?

定期的に急速充電を行っている電気自動車をお持ちの場合は、それがバッテリーの劣化に与える影響を検討してみるとよいでしょう。

350 キロワットの急速充電器を使用すると、Lucid Air Pure のような大容量バッテリーの EV を 15 分で 80 パーセントの充電状態にできるため、EV の急速充電は素晴らしいことのように思えます。 従来のガソリン車の満タンほど早くはありませんが、DC 急速充電により電気自動車の満タンにかかる時間が短縮されます。

しかし、電気自動車の充電の利便性は、バッテリーの劣化を犠牲にして得られるのでしょうか? さて、調べてみましょう。

EV のバッテリー寿命をより深く理解するには、急速充電とは何か、またその仕組みを知ることが重要です。 大まかに言うと、電気自動車のバッテリーは、レベル 1、レベル 2、およびレベル 3 充電と呼ばれる 3 つの異なる方法を使用して補充できます。 最初の 2 つのタイプは交流 (AC) に依存しますが、レベル 3 の充電 (DC 急速充電とも呼ばれます) は直流を必要とします。

ここでの重要な違いは、車両のリチウムイオン バッテリーは交流を直接受け取ることができないため、レベル 1 とレベル 2 の充電器は車両の車載充電器を使用して電流を AC から DC に変換することです。

ただし、レベル 3 の急速充電器に関しては、車載充電器を必要とせずに、バッテリーに直接電力を供給することができます。 これにより、車両の車載充電器の機能に制限されることなく、DC 充電によりバッテリー パックに大量の電流と電圧を流すことができます。

リチウムイオン電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、仮に、この反応は永久に続くはずです。 しかし、リチウムイオン電池が永久に使えるわけではないことは誰もが知っています。 しかし、この劣化の正確な理由は何でしょうか?

リチウムイオン電池の充電または放電時には、内部でいくつかの化学反応が発生します。 一部の反応は発電に向けて作用しますが、他の反応はリチウムイオンを消費してバッテリーの容量を減少させます。 言い換えれば、充放電サイクルを繰り返すたびに、EV のリチウムイオン電池の容量はいくらか失われます。 これは実際に起こっていることであり、EV 充電神話の範疇には入りません。

とはいえ、これらの反応はさまざまな環境条件に基づいて異なる速度で発生し、バッテリーを長持ちさせるために実行できる手順があることを理解することが重要です。

したがって、ほとんどのバッテリー メーカーは、バッテリーが最高のパフォーマンスを発揮する温度範囲を提供しています。 この範囲はバッテリーの化学的性質に応じて変化しますが、ほとんどの場合、放電の場合は華氏 -4 ～ 140 度、充電の場合は華氏 0 ～ 45 度になります。

この動作範囲は、バッテリーがより低い温度範囲で充電できることを示しており、低温と高温の両方の極端な条件で充電すると、不要な反応の発生率が増加し、リチウムイオンが消費され、容量が低下するため、問題が発生する可能性があります。

リチウムイオン電池の容量が低下する理由がわかったので、急速充電時に電池内で何が起こるかを理解してみましょう。

急速充電では、高電圧電流を使用してバッテリーを充電します。 リチウムイオンは、充電時により大きな力でカソードから引き出され、アノードに移動します。 これにより、カソードに亀裂が発生し、電極上に樹枝状結晶も生成します。 これらの亀裂や樹枝状結晶の蓄積により、リチウムイオン電池の容量が低下し、バッテリーの抵抗も増加します。

急速充電するとバッテリーの内部抵抗が増加します。 この抵抗の増加と急速充電中の大電流入力により、バッテリー内部で過剰な熱が発生します。 この高温により、リチウムイオン電池の容量が減少します。

リチウムイオン電池を低温で大電流で急速充電すると、アノードでリチウムめっきとして知られる現象が発生します。 このため、リチウム原子はアノード内に挿入されません。 これにより、電極の表面に不活性なリチウム金属（電気を生成できない）が生じます。

上記の劣化メカニズムのリストを見ると、急速充電が電気自動車の寿命を確実に縮めることは明らかです。 とはいえ、EVのバッテリーパックはバッテリーの損傷を防ぐように設計されています。 したがって、急速充電が電気自動車にとって悪いと結論付ける前に、バッテリーパックが劣化を防ぐためにどのように設計されているかを理解しましょう。

EV バッテリー パックは、モジュールを作成するために接続された複数のリチウムイオン セルで構成されています。 いくつかのモジュールが接続されてパックが作成され、そのバッテリーの状態は BMS とも呼ばれるバッテリー管理システムによって管理されます。

BMS は基本的に、個々のセルの電圧、電流、温度を監視するいくつかのセンサーに接続されたコンピューターです。 次に、このデータを分析して、各セルが最適に動作していることを確認します。

バッテリーパック内のセルが熱すぎる場合、BMS は冷却を強化してパック全体の温度を下げます。 DC 急速充電中に高いセル電圧または電流を検出した場合、両方のパラメータを調整してバッテリの損傷を防ぎます。

したがって、BMS はバッテリーの劣化を軽減する上で最も大きな役割を持つ EV 部品です。

急速充電によって車両がどの程度の損害を受けるかを示すいくつかの研究を見てみましょう。 2012 年型日産リーフ電気自動車 4 台が、アイダホ国立研究所によってアリゾナ州フェニックスで運転されました。 2 台の車両は DC 急速充電を使用して充電され、他の 2 台は AC レベル 2 充電を使用して充電されました。結果は次のとおりです。

バッテリーの劣化は充電方法に関係なく発生しますが、急速充電した車両では劣化が増加します。 その差は約5パーセントです。

上記の実験とは別の実験として、2 つの日産リーフ バッテリー パックがアイダホ国立研究所の実験室条件でテストされました。 1つはDC急速充電で、もう1つはAC充電のみでした。 このテストの目的は、前の実験のような各セルとは対照的に、パック全体に何が起こるかを確認することでした。

これは、バッテリー パックの劣化と温度の間に強い相関関係があることを示しており、急速充電がバッテリー劣化の要因としてそれほど重要ではないことを示唆しています。

別の研究では、フリート管理会社である Geotab が 6,000 台の EV からバッテリーの状態データを収集し、急速充電によりバッテリーの劣化速度が増加すると結論付けました。 この研究は、他の多くの研究と同様に、急速充電によって車両のリチウムイオンバッテリーの劣化速度が速くなることが示され、劣化を可能な限り低く抑える上での BMS の重要な役割が強調されました。

EV のバッテリー パックは、時間の経過とともに必ず容量が減少します。 とはいえ、この劣化が起こる速度はいくつかの要因によって異なり、急速充電は確かに劣化を早める要因の 1 つです。

もう 1 つ注意すべき点は、急速充電を適度に使用してもバッテリーの航続距離が大幅に短くなるわけではないことです。また、長距離のドライブ旅行で使用すると、車の充電にかかる時間を短縮できます。

Nischay は電子通信工学を卒業し、日常のテクノロジーを簡素化するコツを持っています。 彼は 2020 年以来、Candid.Technology、Technobyte、Digibaum、Inkxpert などの出版物に協力し、テクノロジーをわかりやすく伝えてきました。さらに、Nischay は自動車テクノロジーが大好きで、過去 2 年間は Stellantis でエンジニアとして働いています。 彼は、今日の車をより安全で運転しやすくする機能について熟知しています。