EV高電圧化（上） 現状の2倍、充電時間短く

電気自動車（EV）の電池電圧を現状の2倍となる800V（ボルト）以上に高める取り組みが欧米中で加速している。焦点はどこまで広がるか。高級車にとどまるのか、それとも大衆車まで広がるのか、見方は分かれる。一方で電圧倍増を追い風に電力制御に使うパワー半導体として現状のシリコン（Si）からシリコンカーバイド（SiC）への置き換えが進む。様子見の日本勢だが、早晩対応を迫られる。

大衆車メーカーの現代自動車が電気自動車「アイオニック5」で800ボルト化にかじを切る=同社提供

■対応避けられぬトヨタ

ヴィテスコ・テクノロジーズの800V対応インバーターとモーター搭載のEMR4=同社提供

　独ポルシェが2020年にEV「タイカン」を発売したのを皮切りに、同アウディや韓国・現代自動車、米ゼネラル・モーターズ（GM）が相次いで800V対応EVの投入を発表した。独ダイムラーも検討しており、高級車の標準になる勢いだ。

　日本勢ではドイツ高級車と競合する「レクサス」を抱えるトヨタ自動車が、800V化への対応は避けられないとの見方が強まっている。

　さらなる高電圧化が進む可能性もある。ポルシェは21年9月、900Vまで高めたEV競技車を開発すると公表した。中国では1kV（キロボルト）超まで高めた「キロボルトカー」の議論も飛び出す。

　EVに搭載するリチウムイオン電池の電圧は通常400V前後である。2倍以上に高める最大の狙いは、EVの課題である充電時間を短縮することだ。電池容量の拡大競争が激しくなっていることが背景にある。

　高級車では容量100kWh（キロワット時）超の電池を搭載するEVが登場し始めた。大容量化で航続距離を伸ばせる一方、充電時間は長くなる。ユーザーの不満を抑えるのに800V化が必須というわけだ。

　充電インフラも800Vに対応する必要はあるが、充電時の電流量を増やさないで急速充電器の出力を高められ、充電時間を短縮できる。

　欧州では800V対応急速充電器の設置が進み始めた。調査会社ブルームバーグNEFは、欧州と米国、中国における急速充電器のうち、800V対応比率は21年に1%のところ、25年に28%、30年に52%まで増えると予測する。

　800V化の利点は、充電時間の短縮にとどまらない。インバーターや駆動モーターといった中核のパワートレーン部品の小型化と高出力化に貢献する。ドイツのメガサプライヤーが、800V対応パワートレーン部品の量産計画を続々と明かし始めた。

■「800V＋SiC」加速の分岐点は25年

　ボッシュや独ZFは22年に800V対応インバーターとモーターを量産する計画だ。同コンチネンタルのパワートレーン部門が独立した同ヴィテスコ・テクノロジーズは23年から量産する。

　800V化の潮流は、インバーターの中核部品であるパワー半導体の主役が交代する契機にもなり得る。ボッシュやZF、ヴィテスコは800Vインバーターのスイッチング素子として、SiCのMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を採用する考えだ。25年ごろには、現在主流のSiのIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を搭載したインバーターに比べて、高効率化と低コスト化を両立できると見込む。

　SiC　MOSFETは高電圧になるほど、Si　IGBTに比べてスイッチング損失などを抑えられる。「800VインバーターではSiCに優位性がある」（ヴィテスコ・テクノロジーズ・ジャパンのエレクトロニックコントロールズ事業部エンジニアリング・マネジャーの斎藤崇氏）と考える。

　ZFは開発中の800Vインバーターとモーターを組み合わせた「イーアクスル」の効率がSiC　MOSFETの採用により、400VのSi　IGBT搭載車に比べて3～9%向上すると見込む。車両全体では400VのSi　IGBT搭載車に比べてWLTCモードの電費が5～8%向上できると試算する。

　コストが高いというSiC　MOSFET搭載機の最大の課題は、徐々に解消に向かう方向だ。例えばボッシュはSiC　MOSFETを搭載した800Vインバーター全体のコストが、25年ごろにSi　IGBT搭載機の水準まで下がると予測する。

　量産規模が増えるなどして、低コスト化が進むからだ。加えてSiC　MOSFETの採用でスイッチング周波数を高め、周辺部品を小型化できることなども寄与する。

　なお400Vインバーターでは、SiC　MOSFET搭載機とSi　IGBT搭載機のコスト差が同等になるのは25年ごろから「もう少し先」（ボッシュのパワートレインソリューション事業部ゼネラル・マネージャーの清田茂之氏）になるとみる。

　メガメガサプライヤー3社が「800V＋SiC」に力を注ぐのは「Si　IGBTを搭載した400Vインバーターとモーターの低価格化競争が極めて激しい」（メガサプライヤー技術者）ことも背景にある。とりわけ意識するのが、中国部品メーカーや日本電産などだ。メガ3社は「800V＋SiC」に移行して付加価値を高めることで、低価格化競争とは一線を画したい。

■「800V＋SiC」のコスト上昇幅は？

　800V化がどこまで広がるのかは、メガサプライヤーの間で見方が分かれる。例えば30年ごろまでは高級車にとどまると見通すのがボッシュである。

　ボッシュは800V対応車の比率が25年にEV全体の8%、28年に18%になると予測した。2割弱という比率は、高級車や大型車などを席巻するものの、大衆車に広がるまでには至らない水準である。

　ボッシュが400Vと800Vの分岐点として重視するのが、モーター出力である。最高出力が200kW（キロワット）を超える車両であれば、800V化による部品小型化の恩恵が大きいと考える。

　「電圧400Vで出力300kWのインバーターを試作したことがあるが、かなり大きくなった」（ボッシュの清田氏）と明かす。200kWを超える車両は、高級車や大型車、スポーツカーなどに限られる。

　これに対して200kW以下の大衆車は当面は400Vで十分とみる。大衆車は電池容量も50kWh程度であり、充電時間短縮に対する需要も比較的小さい。

　一方、ZFは高級車にとどまらず「大衆車まで採用が広がる」（ゼット・エフ・ジャパンのカー・パワートレイン・テクノロジー課長の宮関哲也氏）と見通す。28年には800V対応車がEV全体の30%超に達すると予測した。

　ZFが重視するのが、インバーターやモーターの効率向上に伴い、電池コストを削減できることだ。電池容量が40kWh以上あれば、800V対応車のコストは400V対応車に比べて安くなると分析する。今や大衆車でも40kWh以上を搭載するのは普通だ。

　例えば40kWhの電池を搭載したEVの電費が「800V＋SiC」化で5%改善したとすると、航続距離が同じでよければ電池搭載量を5%減らせる。電池コストとして1kWh当たり90ドル（約1万円）と安めに仮定したとしても、180ドル（約2万円）分のコスト削減効果がある。

　これなら「800V＋SiC」の採用に伴うコスト増分を相殺できる可能性がある。日経クロステックの調べによると、SiC搭載800VインバーターのコストはSi搭載400Vインバーターに比べて、出力にもよるが150～250ドル（約1万7000～約2万8000円）高くなる。

（日経クロステック2021年10月5日付、清水直茂）