ポルシェは、電気自動車に搭載されるリチウムイオンバッテリーの劣化を抑制し、長寿命化を実現する技術の詳細を明らかにした。
リチウムイオン電池は、最初の2か月から12か月で容量の1～5%を失う「初期低下」と呼ばれる現象が避けられない。ポルシェはこの物理的影響を考慮し、新品バッテリーの製造時点でこの減少分を見込んだエネルギー容量を確保することで、実質的な健全性(SoH)の低下を大幅に抑制している。
バッテリー劣化に影響する主要パラメータは、バッテリー温度、充電レベル、経年状態、充電電流だ。最適条件は30度以下の温度と、長時間駐車時の充電レベル90%以下であることが判明している。ポルシェは電動スポーツカーに特許取得済みの急速充電技術を採用し、これらを監視・制御している。
バッテリーセル内部では、充電時にリチウムイオンが膜を通過してカソードからアノードへ移動し、放電時には逆のプロセスが起こる。充電が進むにつれて電気抵抗が増加し、放電時には減少する。
ポルシェのバッテリーセル開発と急速充電を担当するカルロス・アルベルト・コルドバ・ティネオ氏は「バッテリーは実際には放電されたい状態にある。充電するには強制する必要がある」と説明する。
同氏はレストランの例えを用いて充電プロセスを解説した。温度はレストランの営業時間に相当し、温度が高いほど入口が広く開き、多くの人が同時に入店できる。バッテリーの経年劣化は座席数の減少に、充電状態は既に埋まっている座席に例えられる。
リチウムイオンバッテリーでは、金属リチウムの析出により「リチウムプレーティング」が発生し、エネルギー貯蔵に利用できなくなる。集中的な使用による粒子への機械的ストレスは、粒子殻の亀裂や破壊を引き起こし、リチウム損失とバッテリー容量の低下につながる。
ポルシェは顧客の使用習慣に基づいた制御アルゴリズムを開発した。「顧客が急速充電を選択するのは約15%のケースのみだが、ストレステストでは全サイクルの50%で急速充電を行う」とコルドバ・ティネオ氏は述べる。寿命テストでは、変化する周囲温度や動的な運転挙動もシミュレートし、60～100度の熱暴露などの極端な条件も試験する。最終的には16万~30万kmの異なる距離で非常に多くの充電サイクルをシミュレートする。
現行『タイカン』では、この集中的なテスト作業が既に成果を上げている。改良されたセルは性能向上と抵抗低減を実現した。温度制御を最適化するため、セルモジュールにパッシブ冷却を統合。新しい冷却プレートは冷却能力を6kWから10kWに増強し、高温時の堅牢性を向上させた。セルの電気接続用の新しいバスバーはより高い電流を可能にする。
その結果、容量増加にもかかわらず、10～80%への急速充電時間は初代タイカンの21.5分から現行モデルでは18分に短縮された。充電出力も270kWから最大320kWに増加した。さらに、急速充電の最低開始温度は25度から15度に引き下げられた。
短い充電時間は最終的に移動時間を短縮する。長いバッテリー寿命、最小限のCO2フットプリント、最大限の安全性、そして常に最優先される走行ダイナミクスに加え、これらはポルシェの電動モビリティ開発者にとって明確な目標となっている。
走行ダイナミクスの大幅な向上は、放電電流を860アンペアから1100アンペアに増加させることで達成された。これにより、より速く強力な加速が可能になった。総バッテリー容量が93.4kWhから105kWhに増加したにもかかわらず、重量は634kgから625kgに削減され、車両のハンドリングにも貢献している。
ポルシェでは安全性が最重要だ。高電圧バッテリーは極端なストレスに耐えなければならない。そのようなテストの1つが浸水試験で、バッテリーを約1m深さの浸水タンクに沈める。長時間経過後も、密閉されたバッテリーハウジングに水が浸入してはならない。腐食試験では、バッテリーパックをさまざまな物質、特にさまざまな濃度の塩水溶液にさらす。
衝突安全性については、車両タイプや駆動タイプに関係なく、乗員保護が最優先の設計事項だ。これを確保するため、ポルシェはハイブリッド車とバッテリー電気自動車に対して、衝突の深刻度を高めた追加の厳格な社内要件を導出している。
バッテリーモジュールなどのコンポーネントテストも実施される。これらの部品は、通常の車両全体の衝突で経験するよりもはるかに高い負荷にさらされる。これらのテストでも火災が発生してはならない。構造最適化、厳格な要件、包括的な安全システムの組み合わせにより、システム全体の最大限の保護を確保している。
ヴァイザッハの最新鋭試験施設でのマカンを用いた衝突試験は、バッテリーがいかに保護されているかを実証している。固定ポールに対する激しい側面衝突後も、高電圧バッテリーの変形はほとんど見られないという。
