自動車バッテリーの高電圧化について

Question

現行の自動車のバッテリーは１２Vですが、
今後、車の電動化の進行に伴い、バッテリーも高電圧化するという話を聞きました。

ここで疑問なのですが、電動化に対応するなら、
電圧値ではなくバッテリーの出力(W)をあげる必要があるのではないのでしょうか？

具体的には、
(1)12V-1000W　→　24V－１０００W
とするのではなく、
(2)12V-1000W　→　12V－２０００W
とした方がより多くの電気部品を使えるようになるのではないのでしょうか？

電気について初心者なため、的外れな質問をしているかもしれませんが、
ご教授お願いいたします。

watch-lot · Accepted Answer

＃４です。
＞もう一点疑問なのですが、電圧を上げたところで、車で使用できる電気の総量は変わらないということでいいのでしょうか？
●車で使用できる電気の総量はバッテリー容量によって決まってきます。
バッテリー容量はJISでは「5時間率容量(Ah)容量の1/5の電流を放電し（25℃）、10.2Vまで放電できる時間と電流の積」とされています。
つまり３０Ahのバッテリーなら６Aの電流を5時間流せると考えます。消費電力量に換算すると６A×１２V×５ｈ＝３６０Wh（0.36ｋWｈ）となります。
バッテリーを2個直列（２４Vに）すれば、720Whとなります。
このように、車で使用できる電力量はバッテリー容量によって決まってきます。

＞12V－1000Wから24V－1000Wにしても、使用できる電力総量はともに1000Wなので、どちらもそれ以上の電気の使用できず・・・・
●WとWhの概念が混在しているように思えます。
12V－1000Wと24V－1000Wではいずれも1000Wですから出力（仕事率）は同じです（電圧が違うだけ）。
Wは仕事率、Whは仕事量（エネルギー量）の単位です。W数に時間を掛けると仕事量になります。

＞車内での使用電気総量を増やすには電力を上げなければならないのでは？　と考えてしまいます。
●質問の意味が分かりにくいのですが、多くのエネルギーを消費する（供給できるようにする）にはそれなりにバッテリー容量を増やさねばなりません。そのためにはバッテリーの高電圧化が必要になります。

tknakamuri · Answer

おお、まだやっていた。

まず電力と電力量は別です。取り出せる出力と
バッテリーの「もち」は別なのです。お分かりでしょうか。

また 12V で 2kW は厳しいです。電池も含めた総抵抗値が
0.1Ωでも 1.44KW です。

＃普通の銅線なら数メートルでNG

もっと高い電圧でないと大きな
パワーは取り出せません。

watch-lot · Answer

＃７です。
＞電力一定ならば、電圧が変化しても使用できる電力量は一定なので高電圧化によるメリットは薄いということでいいでしょうか？
●「電圧が変化しても使用できる電力量は一定なので」までは、まあいいとしても後半の文言はダメです。
電圧が違っても電力（電力量ではない）が変わらないのであれば馬力は同じです。
でも高電圧化の目的はバッテリー容量を上げるための手段とお考えください。
それと電流が少なくて済みますから電線の銅量も少なくて済み、第一モーターが大きく重くならずに済みます。

tknakamuri · Answer

>12V－1000Wから24V－1000Wにしても、使用できる電力総量は
>ともに1000Wなので、どちらもそれ以上の電気の使用できず、
>車内での使用電気総量を増やすには電力を上げなければならないのでは？　
>と考えてしまいます。

う、電力量と電力の区別がついていないみたいですね。

tknakamuri · Answer

高電圧の方が楽に高出力を取り出せるので
用途に応じて必要な電圧が使われているのだと思います。

ガソリンの普通車でも 24V仕様のものはけっこうあります。
セルモータに必要な電圧が不足するためでしょう。

従来からある電動機付きの機器(フォークリフト等)は既に
48, 72, 96V のバッテリーが使われています。

最新の電気自動車のバッテリーは数百ボルトですね。

sailor · Answer

電力というのは電圧と電流の積であることは理解されていますね。では、電力を供給する電線やモーターのコイルなどのことは考えて見ましたか。同じ１０００Ｗでも１２Ｖでは８３．３Ａの電流が流れ、１００Ｖなら１０Ａですみます。電線やコイルなどの導体の太さは電圧とは無関係に電流で決まりますので、低い電圧のままで大きな電力を扱おうとするととんでもなく太い電線が必要になります。これはモーターの内部のコイルについても同じですので、ものすごく太いコイルを巻くことになりますので、モーターの小型化も難しいでしょう。制御系統の半導体にしても１０００Ｖ程度までので電圧であればむやみに大電流を扱うより電圧を上げて電流を抑えたほうがやりやすいんです。

（1）にある例では電流が半分になっているということですから、容量が半分の１２Ｖバッテリーを２つ直列使用した場合がこれにあたりますので、状況としては同じですね。

（２）にある例では（１）の例のバッテリーを２つ並列にした場合と考えてよいでしょう。この場合は２つを直列にして２４Ｖとしても同じ電力が得られます。そして、２４Ｖとしたほうが電流の値は１／２になるため電線の太さは１／２で同じ電力を使えるということになります。取り扱える電力は同じですが、重量という点だけ見ても２４Ｖのほうが軽くなることは判るでしょう。モーターなどの器機の内部の回路も同じですから配線のみではなくそれらもあわせるとだいぶ差が出るでしょう。現実に電気自動車やハイブリッドカーなどの駆動回路の電圧は数１００Ｖの電圧を使っています。同じ事を１２Ｖでやろうとすると電線の太さが１０数倍から２０数倍の太さになりますし、モーターの内部のコイルの太さも同じです。モーターを制御する回路の端子や内部の半導体などについても小型化は難しくなります。１２Ｖのままで同じ出力を得ようとすると数千アンペア・数万アンペアなどというとんでもない電流を扱うことになり、その電流の流れる回路すべてをそれに耐えるだけの断面積を持つ導体でつなぐ必要があるということです。一方電圧を高くした場合はずっと細い電線などでよいことになりますし、数百ボルト程度であれば電圧に対しての絶縁も特に難しいものではなく、半導体などの耐電圧にしても既存のもので十分です。実際に電気で動いている電車なども高い電圧を使用しています。首都圏などの通勤電車の多くは直流１５００Ｖを使用していますし、郊外の交流区間では２００００Ｖを新幹線などは２５０００Ｖという高い電圧を使っています。もしこれを１００Ｖ程度の低い電圧でやろうとすると、電車に電気を供給する架線はとんでもなく太くなり、パンタグラフで接触する程度では電流を流す面積が足りないため、電車の屋根じゅうに山ほどパンタグラフをつけなければならなくなるでしょう。

電力が電圧ｘ電流であり、電線などの導体の太さは電流に依存するということがあるので、低い電圧で大電流というにはあまり利口なやり方ではないのです。同じ電力を扱うのであれば制御系等や送電系統が許す限り高い電圧で扱ったほうが小型軽量化が可能なのです。

おまけ

電線についてですが、電線に流せる電流というのは電線の断面積にほぼ比例するのですが、断面積以外にも表皮効果という現象があり電流が大きくなり断面積が増えてくると結構問題になるのです。表皮効果とは電線の表面の部分に比べ中心部分では電流が流れにくくなるという現象です。これは倍の電流を流すためには倍の断面積の電線ではダメということを意味していて、電流が大きくなり電線の太さが太くなるほど顕著に現れます。同じワット数のモーターに電力を供給する際に電圧に１０倍の差があると電線の太さは１０倍以上の差がつくということです。

じっさいに、電池ではありませんが家庭や工場などに電力を供給する送電線を考えてみてください。あの電線には数万ボルトもの高い電圧がかかっていますが、もしこれを１００Ｖや２００Ｖなどの低いでんあつで送るとなる直径数メートルなどというとんでもない太さの電線が必要になり、とても鉄塔につるすことなどできなくなりますし、電線の材料である銅の量もとんでもないことになりものすごく高価なものになってしまいますね。

tadys · Answer

大型のトラックやバスのバッテリーは２４ボルトですよ。

＞12V-1000W　→　24V－１０００W
＞12V-1000W　→　12V－２０００W
この場合、24V－２０００W と 12V－２０００W を比べなければなりません。

同じワット数ならば、電圧が高いほうが必要な電流が少なくて済みます。
電流が少なければ、電線の太さを細くする事が出来て重量が軽くなります。

電力の送電が交流で行われているのと同じ理由です。
http://www.megaegg.ne.jp/~denki-hiroshima/mametisiki/3sittoku.pdf

watch-lot · Answer

結論から言うと、EVの場合はそのバッテリー容量をあげるには電圧を高くするのが一番手っ取り早いです。

ご質問のワット数のことについてですが、負荷を大きく（W数を大きく）する場合に電圧を上げるのか電流を増やすかのいずれかになりますが、電流を増やすためには電線を太くしなければならず、また電線の発熱ロスも生じることから、電圧を上げる方がいいのです。
電線を太くすることは、モーターも嵩高くなることにもつながり、銅量が増えて高価なものとなります。
送電線で超高電圧に昇圧しているのはこれがため（電流を小さく抑え銅損を減らし、同時に銅量を少なくする）です。

それとは別に、バッテリーの容量を増やすには、これもまた電圧を上げることになります。
分かりやすい例えで説明しますと、バッテリーは並列に使用することは循環電流（電圧の不均衡によりバッテリー間で電流が流れる）の問題があって、実務では禁止事項です。したがって直列に接続することによってバッテリー容量を上げます。
１２Vを維持するために図体のでっかいバッテリーを作ってもよいのですが、それだと高価なものとなりますからね。

xpopo · Answer

電気自動車ではモータは電圧は１２００V、電流１００A即ち１２万W規模の電力
が必要になります。
　現行の１２Vバッテリーから昇圧回路により電力を供給しようとすると、電流は
少なくとも　1万A（変換効率１００％で）　以上にもなってしまいます。この電流を
流す銅線の抵抗を非常に小さくしなければならなくなります。結果として電線を
太くしなければならなくなり、重量がメチャクチャ重くなってしまいます。
　現在、業界ではバッテリー電圧の４８V化への標準化の話があるようです。電圧が
現行の4倍になれば、電流は１／４で済みますので、必要な銅線の断面積も１／４
で済みます。

mac1963 · Answer

そんな話どこで聞いてきたのでしょう
私は知らないけど
制御系の電圧を変える事は考えられません
すべてのパーツの変更が求められるので現実的では有りません

考えられる物として
電気自動車の動力としてのバッテリーなら高電圧化は考えられますね

元の記述か記事か知りませんがもう一度見直してくださいな

自動車バッテリーの高電圧化について

＃４です。

おお、まだやっていた。

＃７です。

>12V－1000Wから24V－1000Wにしても、使用できる電力総量は

高電圧の方が楽に高出力を取り出せるので

電力というのは電圧と電流の積であることは理解されていますね。

大型のトラックやバスのバッテリーは２４ボルトですよ。

結論から言うと、EVの場合はそのバッテリー容量をあげるには電圧を高くするのが一番手っ取り早いです。

この回答への補足

電気自動車ではモータは電圧は１２００V、電流１００A即ち１２万W規模の電力

そんな話どこで聞いてきたのでしょう

この回答への補足

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