アウディ、ガイマースハイムにあるバッテリーテストセンターで航続距離と急速充電を一体で取り組む

アウディがバッテリーセルを独自に設計・開発する理由
技術的な目標は、エネルギー密度と充電容量の理想的なバランスを実現すること
生産開始のかなり前からテストとチェックを行い、信頼性の高い結果を計測

電気自動車は、日常的な使用に適したものでなければなりません。購入の決め手となるのは、何よりも航続距離ですが、内蔵される高電圧バッテリーの充電性能にも大きな影響を与えます。そのため、アウディはガイマースハイムにあるバッテリーテストセンターで、バッテリーセルやバッテリーコンポーネントの設計・開発・チェックを独自に行なっています。

黒、赤、金…これらの色は、バッテリーセルの充電状態を示しています。充電中は負極の黒鉛にリチウムイオンが析出し、充電状態によって黒鉛の色が変化する。放電しているときは黒色、半分まで充電すると赤色、満充電になると金色に見えます。ガイマースハイムにあるアウディ・バッテリーテストセンターのセルエキスパート、ベルンハルト・リーガー博士は「これによって、充電状態を目で見て判断することができるのです」と説明します。電極が充電されるとき、均等に充電されるわけではありません。電極は、リチウムイオンが最も多く存在する場所で最も早く充電されます。そのため、充電状態には勾配があります。理想は、すべてが同じ色になることです。しかし、そうすると電極が極端に薄くなり、容量もおろそかになってしまいます。「リチウムイオン電池を急速充電する場合、黄金色の部分で負極を過充電にしないよう、正確に電流をコントロールすることが重要です。過充電は劣化を早めることになります」とリーガー説明します。「つまり、私たちの仕事は、リチウムイオンセルを理想的に動作させ、最高の航続距離と充電性能を実現することなのです」。アウディのお客様にとっては、航続距離と充電性能の両方に優れたバッテリー電気自動車が保証されることになります。「航続距離という基本的なニーズが満たされると、充電能力がより重要な意味を持つようになります」とリーガーは付け加えます。

高エネルギー密度と急速充電のバランス

このように、ガイマースハイムのセル技術者たちは、相反する目標に直面しています。「限られたパッケージの中に、できるだけ多くのエネルギーを詰め込まなければならないのです。でも、できるだけ早く充電できるようにしたいんです」とリーガーは言います。

エネルギー密度が高ければ高いほど、充電に時間がかかるという矛盾があります。つまり、セル技術者は、エネルギー密度を上げながら、少なくとも充電時間は一定に保たなければならないという、バランスの取れた行動に直面しているのです。多くのエネルギーを素早く充電するためには、充電容量がプロジェクト開発の初期段階での課題となっています。この分野では、今日、少なくない2つのアウディモデルが標準を打ち立てています。Audi e-tron GT quattroに搭載されている93kWhの高電圧バッテリーのセルは、理想的な条件下では、わずか22.5分で最大270kWの電力を5～80%まで充電することができます。2019年に初めて市場に投入されたAudi e-tronは、最大150kWの充電電力が充電中の大部分で利用できるプラトー状のユニークな充電カーブで、現在もベンチマークとされています。

「私たちは、高効率と長寿命と相まって、できるだけ速い充電時間を実現するために、理想的に制御されたセルと電流制御の開発に多大な時間を費やしています」とリーガーは説明します。そのため、ガイマースハイムでは、バッテリーセルだけに焦点を当てているわけではありません。電子機器、熱管理システム、高電圧周辺機器を含むバッテリーシステム全体が、アウディの急速充電コンセプトと同様に重要な役割を担っています。リーガは「私たちのシステムは、初日から急速充電を念頭に置いて設計されています。なぜなら、後から充電容量を増やすことは非常に難しいからです。初期段階から細部に至るまで完璧にバランスのとれたトータルパッケージでなければ、望ましい充電特性は得られないのです」と話しています。

テストスタンドから量産前まで、すべてを一元管理

エネルギー密度や充電容量という基準に加え、バッテリーセルは最高の耐用年数と安全基準も満たしています。そのため、個々のセルとバッテリーシステム全体は、ガイマースハイムの約4,400平方メートルのセンターで数多くのテストをクリアしなければなりません。各車両プロジェクトでは、数百個のセルを使ってさまざまな寿命試験や急速充電試験を行います。セルは、ガイマースハイムの技術者が-30〜+60℃の気候室内で行うさまざまな充電・負荷プロファイルを通過しなければなりません。「私たちのテストとチェックは、生産開始の約4年前の初期のサンプル段階から始まり、必要に応じて再調整を行う時間を確保しています」と、セルのエキスパートであるリーガーは説明します。セルの老化現象を評価するために、約1年間、高温にさらされます。これにより、アウディは最大15年の車内寿命をシミュレートすることができるのです。ガイマースハイムの耐用年数テストスタンドでは、技術者が約30万kmの走行距離シナリオを高速で再現することも可能です。このほかにも、衝突試験や過充電試験、さまざまな安全性試験などが行われています。高電圧コンポーネントの動作戦略や熱管理を最適化するために、さまざまな運転シナリオをシミュレートすることができます。「このアプリケーションによって、私たちはバッテリーの最適な微調整を行うことができます。セル測定で得られた新しい知見は、バーチャルバッテリーモデルにフィードバックされ、車両への影響を観察することができます」とリーガーは言います。。ガイマースハイムには、試作用電池の製造施設もあり、従業員はここで高電圧電池を一から作り上げ、量産に入る前の電池を製造しています。