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見本

特集

第1章

EV と電池の充電・放電・給電〜多種多様な電池から選択のための基礎知識〜

電池の充放電の特性データの使い方
長谷川 圭一
現在は，EV に限らず電池を使うことが少なくない．
電池の種類も増えており，EV やモバイル機器などに電源を搭載したい時，その選択肢も多くなった．その中で，使用目的に合わせて，どういう仕様のどういう特性の電池を選ぶかを考える．まずは，電池の種類を整理した後，電池のカタログにある特性値がどういう意味を持つかを考える．特に，放電特性と充電特性について，その見方と考え方を示す．
（編集部）

一次電池は，
1回で使い切ってしまう，
充電できない電池

1．電池の特性ってナニ？

（a）一次電池
図1

二次電池は，
蓄電池 とも呼ばれ「充電と放電を繰り返す」
ことができる電池（a）二次電池

一次電池と二次電池■ 1.1 電池の放電と充電の性能● 電池需要は増加と多様化に進む
今では「電池」に関する記事や情報をたくさん目にします．これも・IoT 化によるモバイル機器の普及
・エンジン駆動からモータ駆動への転換が進んでいるので，その電源となる電池に対する需要が年々増えつつあるからです
また，電池に対する要求も多様になり，いろいろな仕様や特性を持った電池が次々に登場しています．
● 多様化で選択肢は増えたが…
電池の多品種化により，その選択肢は増えつつあります．一方で電池性能も品種ごとに異なり，最適な電池選定をするのは簡単ではありません．
電池の使い方によっても選択肢は異なり，逆に，電池の特性を考慮して使用することで長寿命化や大きな電気容量の確保につながります．
● 一次電池と二次電池，放電と充電電池の特性では，2 つのことを重視しなくてはなりません．
例えば，テレビのリモコンでは，単 3 電池や単 4 電池のような使い切りタイプの電池を使います．この使い切りタイプの電池を 一次電池（primary cell） とい
います．

No.10

一方，スマートフォン等のモバイル機器に組み込まれている電池の多くは，充電器で 充電 が可能なタ
イプです．充電は無限ではありませんが，何度でもできます．このタイプを 二次電池（secondary cell） といいます（図 1）．
一次電池を使用するときに気になるのは放電の性能ですが，二次電池では加えて充電の性能も気になります．
● 電池の性能の 良し悪し って何か？
テレビのリモコンの電池が切れて家電量販店に買いにいくとしましょう．リモコンに使う単 3 電池だけでもたくさんの種類が並んでいます（写真 1）．値段も高いものから安いものまで．さて，一体何が違うのでしょうか？
「高い値段を出せば，それなりに性能も良い」と思いたいですね．では，その 性能 って一体何でしょうか？ 性能の良し悪しって，どうやって比べるのでしょうか？
電池の性能は，電圧と電流の値だけでは表せません．それらの値は，電池につながる負荷（抵抗値など）によっても変化します．これらを定性的・定量的に表した「電池の特性」について考えてみましょう．

見本
3

やせていて元気がなければ少ししかパワーは出せません（電流が少ししか流せない）．

写真 1

リモコンと単 3 電池

（2）充電：充電器にも依存
一方の充電は，電池にパワー（電気）を食べさせる
ため，充電器による味付けが大切です．充電器が食べやすくした電気だと電池は受け入れます．しかし，食べにくい電気だと受け付けません．
充電器による味付けだけでなく，電池の種類ごとに好き嫌いなどの自己主張もあります．
このように電池の放電と充電では電池の違った側面が現れるので，それぞれの特徴づけられる特性項目で表現することが必要になります．

■ 1.2 放電と充電でまったく違う顔を持つ電池

2．個性派ぞろいの電池の世界
電池の特性の話を始める前に，まず電池の種類をおさらいしておきます．多種多様な電池があるのですが，ここでは身近な電池に限っています．

■ 2.1 一次電池 / 乾電池
まず，テレビやエアコンのリモコン用電池を考えてみましょう．この場合，多くは使い捨ての一次電池が使われますが，使うのは電気屋やコンビニで広く売られている定型（寸法 / 電圧）のものです．
● 直列や並列につなげられる
例えば，最も身近な電池として，単 3 や単 4 といっ
1
た国際標準品の円筒型の“乾電池（dry cell）”注 （一次電池の一種）がよく使われています．
1 個（最小単位を「セル」という）で 1.5V の電圧があり，使いやすく，しかも安全です．このため，直列に接続して高電圧にしたり，並列に接続して容量を大きくしたりして用いることもあります．
このように乾電池の場合，直並列の接続はある程度自由にできますが，二次電池になると直列や並列に接続する場合，一定の制約があります．
● マンガン電池とアルカリ電池
同じ乾電池でも，マンガン電池やアルカリ電池など
種類があります．いずれも，正極に二酸化マンガンム
リ～● 電池の特性は「充電」と「放電」で異なる電池の“特性”と聞くと，「電池がどれくらいの時間“持つ”のか」，つまり「どれくらいの時間“放電”が可能なのか」を示していると考えませんか．もちろん，電池の持ちは重要な特性ではあるのですが…．
例えばスマートフォンの電池で考えてみると，何度も繰り返し長寿命で使いたい，短時間で素早く充電したい，などと使い方全体を考える必要が出てきます．
この「使う」ということを頭において放電や充電を考えることが大切になります．
また，電池を使っていて中の電気容量が減ってくると，パワーがなくなってきたと感じます．つまり，電池中にある電気容量によって電池の性能が変わってくることも経験上ご存じだと思います．
● 放電と充電の特性をたとえてみる
ここで，電池を「人に見立て」て，放電と充電のそれぞれの特性を考えてみましょう（図 2）．
（1）放電：電池そのものに大きく依存
放電は，電池がパワー（電気）を出すことに相当します．どこまで放電できるかは，電池そのものに依存します．
放電には電池の性格がそのまま表れ，その時の電池の状態も関係します．つまり，マッチョで元気があればドーンとパワーを出せるし（大きな電流を流せる），

Charger Charger～
食べろ（a）放電は電池の個性が出る
図2

放電と充電

4

ME10̲003-022̲tok1(4)1.indd 4見本（b）充電は充電器が電池に無理やり食べさせる

No.10

2019/02/27 12:32

特集

第3章

EV と電池の充電・放電・給電〜エネルギー密度より充放電性能と長寿命化を優先した〜

負極が LTO のリチウム・イオン電池
SCiB
澁谷 信男
リチウム・イオン電池は安全性に問題があると言われながらも，その普及速度は著しく急激だ．リチウム・イオン電池といっても，採用する電極材・電解液の違いにより多くの種類がある．ここで紹介する SCiB は
10 年ほど前に発表されたもので，負極材に LTO（チタン酸リチウム）を使用していて，セル電圧は 2.4Vと他のリチウム・イオン電池と比べて 1.4V 程度低い．
つまり，エネルギー密度が低いのだが，高速充電が可
能，安全性が高いなどの特徴があったが，このタイプの電池の普及は進んでいなかったように見える．しかし，ここにきて再評価されている．ここでは，その理由を探ってみる．
（編集部）

はじめに
――リチウム・イオン電池と SCiB
● EV 普及とリチウム・イオン電池
世界的に EV 化が急激に進んでいます．EV 化を加速するための重要なキーワードに「二次電池（蓄電池）」技術があります．現状の二次電池（以後，単に「電池」ということもある）の高容量化や長寿命化に加● LIB の中での SCiB は起電圧が低いが…
LIB にはいろいろな種類があり，その特性も大きく異なります．その中に，東芝が開発した SCiB（2007
年発表）があります．ほとんどの LIB では，負極にグラファイト（黒鉛 = 炭素）を採用していますが，SCiB
ではチタン酸リチウム（LTO）を採用しています．
そ の た め，SCiB の 1 セ ル 当 た り の 電 圧 が 2.4V と，グラファイトを負極にする LIB が 3.2 〜 3.8V あるのに比してかなり低く，エネルギー密度も低い（三菱自動車「i-MiEV」には採用されたが）ので，EV や HEV（ハイブリッド車）にはあまり採用されていません．
● SCiB には長寿命，急速充電，低温特性の特徴が…
しかし，SCiB の特徴のもう一面の「長寿命」や「急速充電性能」，「低温特性」が注目されています．
例えば，公表されているものでは東北電力のメガ・
バッテリ，スズキ自動車の「エネチャージ」用二次電池があります．
また，東京地下鉄 銀座線「1000 系」，さらには，JR東海の次期新幹線車両「N700S」でも採用される予定
です．いずれも，停電などの非常時にトンネル内や鉄え，急速充電性能の向上が必須となります．リチウ
ム・イオン電池（以後「LIB」と略す）は，他の電池に比べ体積や重量当たりの電気容量が大きいので，現在の EV 用電池の主流です．
しかし，現状の LIB には課題が山積みです．つまり，高価で充電時間がかかり，寿命も短いことです．
逆に言えば電池技術の革新が EV 普及の鍵なのです．

電動化

GAS

図1

写真 1 非常用電源に SCiB を搭載する東京地下鉄 銀座線
1000 系 ―― 停電時に最寄り駅まで移動できる容量の電池を搭載

電動化にシフト

No.10

見本
41

架線

パンタグラフ

主変圧器
充電

モータ

主変換装置

静止形
変換装置
リチウム・
イオン電池

（c）通常走行時は電池に充電

架線

パンタグラフ

主変圧器（a）N700Sの確認試験車

静止形
変換装置

給電

モータ

主変換装置

リチウム・
イオン電池

（d）給電されていない時，電池での自走時（b）台車に搭載するSCiB電池
写真 2

SCiB を搭載する東海道新幹線 N700S 系（いずれも，提供 JR 東海）

橋上で停止した時に，そこを脱出し最寄りの駅まで自走する電源とします．ここでは，エネルギー密度よりも長寿命性・安全性が評価されたようです．
本稿では，この SCiB（Super Charge ion Battery の略）の特徴と使用方法について，従来の LIB との比較をしながら解説します．

xEV
高電圧系
低電圧
ハイブリッドハイブリッド
高
優先順位
低
図2

PHEV

EV

鉛蓄電池
互換

高入出力

高容量

高容量

高入出力

長寿命

長寿命

安全性

長寿命

安全性

安全性

長寿命

電動化用蓄電池の応用と要求性能

1．LIB の多様な応用に対する要求性能● EV で要求されるリチウム・イオン電池の仕様
LIB への要求性能は用途により異なります（図 2）．
例えば EV 用途では，内燃機関と比べ，現在でも十分なエネルギー（電気）容量が実現できません．PHEV（プラグイン・ハイブリッド車）では，ハイブリッド車
用電池に外部充電プラグを追加するため，EV とハイ
ブリッドの両方の機能を実現することが必要です．EVに比べ搭載する電池容量が少ないぶん，充電が頻繁に発生し，EV 以上に長寿命な電池が必要になります．
● HEV で要求されるリチウム・イオン電池の仕様
トヨタのプリウスに代表されるハイブリッド自動車（HEV）に要求されるのは，電池容量よりも高入出力を頻繁に行う性能です．電池劣化が少ない SOC 50％注 1
近辺での充放電になるように制御しています．
欧州では xEV という 48V マイルド・ハイブリッド

注 1：SOC は State of Charge の略で「充電率」のこと．満充電時を SOC 100％とし，完全放電時を SOC 0％と表現する．なお，電池が劣化しても，その状態での満充電時は SOC 100％と表現する．
注 2：自動車の電源電圧というと 12V であった．自動車の電装品の多くも 12V 駆動をベースにしている．欧州では，次世代でこれを 48Vで統一しようという動きがある．電流を減らすことにより，電装品での動作効率が上げられる．そうなると，クルマ用電子部品も
全て 48V 仕様にしなければならない．マイルド ･ ハイブリッド 48V 化の動きはその一環．
「マイルド ･ ハイブリッド車」とは，ハイブリッド車の 1 形態で，主動力はエンジン，モータはエンジンの補助をする役割となる．モータは小さく，それだけでは自走できないが，エネルギー回生には使える．この場合，低電圧駆動モータを利用することが多い．一方，「ストロング・ハイブリッド車」があり，こちらはエンジンとモータが対等で，走行条件によってエンジン駆動で走行するか，モー
タ駆動で走行するかを使い分ける．トヨタのプリウスは，ストロング・ハイブリッド車の代表格．

42

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見本
No.10

2019/02/27 12:35

特集

第4章

EV と電池の充電・放電・給電〜 BMS と電池残量計測を担うガス・ゲージ IC 〜

SBS1.1規格と SMBus プロトコルを使ってみよう大熊
多直列，多並列となる複数の電池セルで構成される電池パックを製造する際，BMS（Battery Management
System）を用意する場合がある．BMS について厳密な定義，規格はないが，主に保護機能，残量計測機
能，セル・バランス機能の集合であり，これらを使い，安全，高効率，長寿命を図るものである．この中の残量計測は，「ガス・ゲージ IC」や「残量計 IC」と呼ばれる専用の IC を使うのが一般的である．ある規模以上向けの電池向け IC では，I2C の拡張ともいえる通信規格 SMBus の上で定義される SBS で通信を行える場合がある．ここでは，SBS に準拠したガス・ゲー
ジ IC を使って，電池の残量や劣化を測定する方法を示している．

1．リチウム・イオン電池パックの回路基板とガス・ゲージ IC● 回路基板に必須の保護機能
リチウム・イオン電池パックには，保護機能を持たせることが必須となっています．一般的には，専用の保護 IC で対応します．主な保護は，過充電，過放電，過電流，温度などです．

■ 1.1 ガス・ゲージICとは● 回路基板には残量計 IC が搭載されている場合もある
必須の保護機能以外に，残量計測機能を備えているものもあります．今日のモバイル機器，スマートフォ
ン，タブレット，携帯型ゲーム，Bluetooth イヤホンなどでは，ほぼ全ての機器で電池残量を知ることができます．
今日においては残量計測機能も事実上必須であると考えることができます．簡素に電圧と残量のテーブルを持つだけのものから，残量計専用の IC を使うもの
まであります．残量計 IC は多くのメーカから提供されており，この IC を使うのが一般的となっています．
残 量 計 IC は ガ ソ リ ン の 残 量 メ ー タ ー に 倣 い，Fuelgauge とか，ガス・ゲージ（Gas gauge）と呼ばれていNo.10

ME10̲059-067̲tok4okuma(4)2.indd 59

均るようです．以降は簡単のため，ガス・ゲージで統一
します．
● ガス・ゲージ IC の役割
ガス・ゲージ IC の主な機能は，「残量と劣化の計測」となります．2018 年現在，高度なものでは保護機能・多直列電池のための，セルごとの電圧をコントロール
するセル・バランス機能・残量計機能を兼ね備える
IC もあるようです［例：Texas Instruments 社（以下TI）社製 bq40z50］．しかし，本文では簡単のため，こういった高機能・多機能な IC の全機能の紹介をするということはせず残量計測機能に絞って解説をします．
劣化とは，さまざまな環境での使用履歴，自然な経
年劣化により，出荷時点からどれほど容量が落ちたかを表します．
残量とは現時点の劣化状態で，満充電に対してどれくらい容量が残っているかを表します．
残量や劣化に関する化学的な情報は，『トランジス
タ技術』2018 年 11 月号の別冊付録『アナログウェア』
No.7 を参照ください．
● ガス・ゲージ IC の残量，劣化の測定の概要
以下の単純な測定値

・電池電圧
・クーロン・カウント
・内部抵抗・電池セル温度に加え，各社独自のアルゴリズムで推測を行います．
しかし，その対象は同じリチウム・イオン電池である
ため，各社のアプローチもほぼ同じであると考えられます（特定の一社のみが飛び抜けて良い精度であるということは考えにくい）．リチウム・イオン電池の劣化の仕組み（前述『アナログウェア』，No.7 など参照）
を前提とし，膨大な量の電池セルを実際に充放電や環境試験を行った記録に基づいて，アルゴリズムを組み立てていると考えられます．
実 際，TI 社 の bq2060a と bq40z50 を 比 較 す る と，
後者の方が持っているパラメータも膨大で内部ロジッ

見本59

2019/03/01 18:18

コラム

電池残量アルゴリズムについて

電池残量推定のアルゴリズムは，SBS1.1 では規
定されておらず，ガス・ゲージ IC メーカがそれぞれのアルゴリズムを持っているようです．ただし，
そのアルゴリズムを公開している IC メーカはあまりないように思います．
その中でも米国 Texas Instruments（ 以下，TI）
社 の CEDV や イ ン ピ ー ダ ン ス・ ト ラ ッ ク， 米 国
Maxim 社のモデル・ゲージといった残量精度・寿命推測のためのアルゴリズムについては，それぞれWeb 上でも概要が公開されており説明もあります．
ここでは 2 社のアルゴリズムについて簡単にまと
めておきます．

■ TI 社のインピーダンス・トラック方式◆電池セルの内部抵抗を追う
TI 社のアルゴリズム，インピーダンス・トラッ
クは，その名のとおり電池の内部抵抗を追うものです．
概要は次のとおりです．
内部抵抗の上昇について一時的なもの（温度，放電電流の大きさなど）と恒久的なもの（経年劣化，繰り返しによる劣化など）を区別し，測定データを蓄積，活用することで精度の高い情報を返します．
TI 社 製 の ガ ス・ ゲ ー ジ は，EEPROM ま た は
DataFlash に膨大な量のデータを保持しているものが多く，内部のアルゴリズムはこれらを適宜更新，
あるいは読み取りをして IC が稼働しています．

クもとても複雑です（データシートから分かる範囲なので，誰が確認しても分かるほどの大きな違いである）．充放電時のセル温度や，充電も放電もしていない状態の監視および残量や劣化データへの反映など，
古い bq2060a にはない作業が行われています．

2．リチウム・イオン電池向けの通信規格● ガス・ゲージ IC の一般的な通信規格
絶対標準のものはありません．筆者がこれまでに市場に流通しているガス・ゲージ IC を見た経験では，
1-wire，I2C（smbus），SPI のものがありました．その60ME10̲059-067̲tok4okuma(4)2.indd 60■ Maxim 社のモデル・ゲージ方式◆ model gauge 概要とバージョンアップの推移
Maxim 社のモデル・ゲージ（model gauge）には，以下のバージョンがあります．
（1）model gauge
開放電圧のみで残量を推測．シャント抵抗不要で無駄な消費がない．
（2）model gauge m3
解放電圧 && シャント抵抗によるクーロン・カウ
ントで残量を推測．
（3）model gauge m5
m3 に加えて，＊経年予測アルゴリズムの cycle+＊残量ゼロ付近での計算誤差を除去するエンプティ収束アルゴリズム＊その他多数のバッテリ容量学習のための機能が追加されているようです．
TI 社のガス・ゲージ IC に比べ，内部情報は詳細には公開されておらず，同社製ガス・ゲージのような巨大なデータテーブル（EEPROM，DataFlash）もありません．データシートの情報量からして，とても少なく感じられます．
Maxim 社の model gauge のページで動画が公開されていますが，この「開放電圧とクーロン・カウン
ト」というシンプルなアプローチは，膨大な量の電池セルを実際に測定し，データを記録してきた自社の実績への信頼と自信があってこそと考えられます．
https://www.maximintegrated.com/jp/
products/power/battery-management/
battery-fuel-gauges.html

中で圧倒的に多いのが I2C（SMBus）です．
ここでは SMBus と SBS について説明します．

■ 2.1 SBS1.1とは何か● SMBus とは
おおむね I2C と同じです（図 1）．電気的仕様が若干異なっているので，採用を検討している IC のデータシー
トや，NXP Semiconductor 社の I2C 規格書にて確認してください．
I2C に幾つかのトランザクション（1byte r/w, 2byte
r/w, マルチバイト r/w など）と，誤り訂正の PEC（Packet Error Check）が追加されているのが主な違

見本
No.10

2019/03/01 18:18

第6章〜期待されているリチウム・イオン電池の将来型〜

全固体電池はどれだけ安全なのか
鶴岡 正美
リチウム・イオン電池は電解液に有機系液体を用いる
ため，電池自体が高温になると，どうしても燃焼・爆発の危険性が高まってしまう．そうした中，電解液を使わないリチウム・イオン電池の開発が進んでいる．
電解液の代わりにセラミック系材料が電解質として使われている．実用化までにまだまだ時間がかかると言われているが，単セルの全固体リチウム・イオン電池
が台湾企業からサンプル出荷されている．どこまで安全か，実際に実験してみた．
（編集部）

はじめに
――全固体電池が市場に出てくる！
ちまた

今話題のリチウム・イオン全固体電池ですが，巷には，2020 年代前半には自動車用途として市場投入され，2035 年くらいには超巨大市場が形成されるとの予測があります．これに興味を持つ方は多いと思われます．リチウム・イオン電池の最大の欠点である燃焼・爆発，この危険性がないという全固体電池の特徴
は，今まさに期待されている仕様だからです．
しかし，日本で実物を見る機会はまだ少ないと思います．
今回，筆者は台湾 ProLogium 社（以下，PLG 社と略す）製の全固体電池を入手し，簡単な評価実験を行うことができたので，簡単なレポートを記します．といっても入手したのは EV 用の電池パックではなく，多くの人により身近なモバイル用途向けの単セル製品
です．それでも全固体電池の魅力を実感するのに十分なインパクトを受けました．

1．ProLogium 社の全固体電池の概要
筆者は，数年前に PLG 社を訪問したことがあります．同社が全固体電池を製造していることはその頃か
ら知っていましたが，まだ実力には懐疑的でした．今
回，再訪問の際（2018 年）には，工場も移転・増築されていて，量産が本格的になっていることに驚きを感74

ME10̲074-078̲tok6turuoka(4)1.indd 74

じています．
くわ第 2 工場の鍬入れ式も済んでいて，1 GWh/ 年の生産能力を確保する準備が整ってきています．当初は産業機器向け，軍事・消防・レスキュー向けの高付加価値向け商品が主流ですが，新工場ではやはり車載向けの生産も視野に入っているようです．
今回は，評価用のセルとして特別に触らせてもらう
ことができ，リチウム・イオン電池の世界でのエポックを感じることができました．
なお，PLG 社のホームページには日本語のページもあり，グローバルに市場展開を進めています．日本以外の展示会には，すでに積極的に出展しているようです．
● 全固体電池の構造と安全性の特徴
さて，今回筆者らが入手できたのは，フレキシブ
ル・シート状単セルの「FLCB シリーズ」と，ラミネー
ト（パウチ）状単セルの「PLCB シリーズ」の製品群か
ら各 1 種ずつです．
PLG 社ではこれらの全固体電池の特徴を以下のようのように記しています．
（1）＋極板と－極板の間には絶縁層（セパレータ）がな
い単純構造．
（2）主要電解質部は液体ではなくセラミック層である．

・このため，短絡による熱暴走（燃焼，爆発）が起
こらない．

・電池内部からの漏液がない．
・硫化物が漏れないので，水分と反応せず，ガスも発生しない．
（3）セラミック電解質層は屈曲性が良い．
このため，１万回の屈曲（屈曲 15 度以内）に耐えられる．
（4）－ 20 ～＋ 85℃での充電，－ 40 ～＋ 105℃での放電が条件付きで可能．
このように，従来のリチウム・イオン・ポリマ電池に比べて，安全性と使用温度範囲が広くなっていま
す．

見本
No.10

2019/02/27 12:38

特集
表1

EV と電池の充電・放電・給電

ProLogiumu 社の全固体電池の使用

電気的
特性

定格容量

2150mAh

定格電圧

3.8V

動作電圧

大きさ

4.4V ～ 2.75V
L105 × W60 × T4.5mm，59.5g

標準充電方式

CC-CV（定電流 - 定電圧充電方式）

標準充電電流 / 電圧 0.2CmA/4.4V
動作環境

カットオフ電流0.05C

最大充電電流2CmA

標準放電方式

CC（定電流）動作温度－ 20℃～＋ 60℃（a）FLCB4360A5AAMA
電気的
特性

定格容量

90mAh

定格電圧

3.75V

（a）FLCB051076AAAA

動作電圧

4.35V ～ 2.75V

写真 1

大きさ

L76 × W51.5 × T0.43mm，3.1g
標準充電方式

CC-CV（定電流 - 定電圧充電方式）

ます．
コスト問題に対しては第二工場の建設などの投資が行われているので，需要増に対応して供給量も増え，コストダウンにつながる気もします．
PLG 社によると，各国の自動車メーカとの協業がスタートしていて，EV 向けの電池の開発も行われているそうです．

標準充電電流 / 電圧 0.2CmA/4.4V
動作環境（b）PLCB4360A5AAMA

今回実験に使用した ProLogium 社のリチウム・イオン電池

カットオフ電流0.05C

最大充電電流

1CmA

標準放電方式

CC（定電流）動作温度－ 20℃～＋ 60℃（b）PLCB4360A5AAMA● 当面の生産規模は小さく，当初の価格は高い
いいことばかりですが，現状でのマイナス要因もあります．
最大の問題点は，リチウム・イオン・ポリマ電池などに比べて数倍するコストです．そして製造プロセスに課題も残っているだろうし，設備増強がまだ途中なので生産量も少なく，大需要にはこれからの対応になります．製造量が増えてくることで，価格低下の可能性が高まります．
多数セルのパックの製造にもチャレンジしているよ● 基本特性フレキシブル・シート形状の FLCB シリーズの電池
FLCB051076AAAA とラミネート形状の PLCB シリー
ズの電池 PLCB4360A5AAMA の各定格仕様を表 1 に示します（写真 1）．FLCB の方が定格容量の大きいタ
イプです．電極材が異なるためか，定格電圧も FLCBの方が若干高くなっています．

うですが，組立製造技術も途上と思われます．
セルのばらつきも，今後は改善されていくと思い

ま た，FLCB051076AAAA の 特 性 図 を 図 1 ～ 4 の（a）に，PLCB4360A5AAMA の 特 性 図 を 図 1 ～ 4 の
4,350

0.2C 充電
Voltage［mv］

Voltage［mv］

4,350
3,950
3,550

0.2C 放電

0.2C 充電

3,950
3,550

0.2C 放電

3,150

3,150
2,750
0

2．全固体電池の特性

2,750
20

40
60
Capacity Ratio［％］（a）FLCB4360A5AAMA

80

100

0

20

40
60
Capacity Ratio［％］

80

100

（b）PLCB4360A5AAMA見本

図 1 充電・放電特性（充電は 0.2C で 4.4V になるまで CC/CV 充電，カットオフ電流は 0.05C．放電は，0.4V から 2.75V になるまで 0.2C で行う）

No.10

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75

2019/02/27 12:38

特集

第7章

EV と電池の充電・放電・給電〜プリドープ必須！

実験室で水平ドープ法による〜

リチウム・イオン・キャパシタ の製作
臼田昭司「リチウム・イオン電池（LIB）」の機能と「電気二重層キャパシタ（EDEC）」の機能を合わせ持ったハイブ
リッド蓄電池として リチウム・イオン・キャパシタ（LIC） がある．高価なため普及が進んでいないが，本特集の別稿にある「走行中ワイヤレス給電」のように，LIB や EDEC では対応できない用途に使われている．これは，この LIC を研究室レベルで自作した報告である．製作方法は幾つかあるが，ここでは水平ドープ方式で製作している．
（編集部）

はじめに
リチウム・イオン電池でもなく，キャパシタでもない ―― そのような二次電池として「リチウム・イオ
ン・キャパシタ」があります．文字どおり，リチウム・イオン電池と電気二重層キャパシタの特性の「いいとこ取り」のような電池で，とても興味深いモノです．
リチウム・イオン電池が普及によって価格が下がってきたのに対し，電気二重層キャパシタは普及が遅れているようで価格は下がりません．リチウム・イオ
ン・キャパシタはその電気二重層キャパシタよりもさらに普及が進んでおらず，高価なままです．
市販品を入手して充放電特性等を評価することもよいのですが，より深くその特徴を知る 1 つの方法として，実際に製作して，その中身まで推し量ってみたいと考えました．
企業ではリチウム・イオン・キャパシタの製作法は非公開であるため，具体的な内容は知ることができません．また，特許の公開公報でも，製作例についてはわずかに垣間見ることができる程度です．
筆者らの研究室では，リチウム・イオン電池の上流から下流に至るセルの製作に取り組んできましたが（本誌 No.4 に関連記事を掲載），これらの経験を基に新たにリチウム・イオン・キャパシタの製作に取り組みました．

1．リチウム・イオン・キャパシタの特徴● LIC は，LIB と EDLC のハブリッド電池
リ チ ウ ム・ イ オ ン・ キ ャ パ シ タ（Lithium-Ion
Capacitor）は，電気二重層キャパシタ（EDLC）とリチ
ウム・イオン電池（LIB）の特徴を併せ持ったハイブ
リッド型のキャパシタです．頭文字をとって「LIC」と呼ばれています．本稿でも，以降は「LIC」とします．
市販の LIC の例を写真１に示します．
● LIC の原理
次 に，LIC の 動 作 原 理 を 図 1 に 示 し ま す． ま た，
LIC の構成材料を他の 2 種類の二次電池（蓄電デバイス）と比較したものを表１に示します．

（a）YUNASCO 製（英国 / ウクライナ）：（b）SAMWHA（韓国）製： （c）太陽誘電（日本）製：
容量 360mAh（1000F），
容量 89mAh（200F），
容量 1300mA，電圧 2.8V，75 × 120 × 11mm，
写真１
パワー密度 4.0kW/kg，
電圧 2.8V，35φ× 60mm
電圧 3.8V，25φ× 40mm
市販の LIC の例 エネルギー密度 37Wh/kg，内部抵抗 1.0 ～ 1.2m Ω

No.10ME10̲079-092̲tok7usuda-NEW(4)1.indd 79

見本79

2019/02/27 12:35

特徴が挙げられます．

では LIC の動作を見ていきましょう．
（1）充電時（1）静電容量が大きくとれる

電解液中のリチウム・イオン（Li +）が , 負極のグラファイト（炭素系材料）に吸蔵されていきます．図 1に示すように，満充電に近づくにつれてグラファイト
内部に Li イオンが大量に保有されます．この吸蔵を「ドープ」（dope）といいます．もともとドープとは，少量をあらかじめ添付するという化学用語です．
また，電解液中の陰イオン（「アニオン」という）であるBF 4 − イオン（またはPF 4 − イオン）が正極の活性（2）セル電圧が大きくとれる（3）エネルギー密度が大きい（4）急速充放電が可能である（5）高温サイクル特性に優れる（6）耐久性，信頼性が高い（7）自己放電が少ない（8）安全性が高い
LIC と他の蓄電デバイスとの一般的な特性を比較したものを表 2 に示します．

構である電気二重層を形成します．
（2）放電時
放電時は，負極グラファイトからLi + イオンが電解

2．LIC の製作方法

炭に付着されます．このとき，正極である活性炭の界面ではBF 4 −イオンと正極のプラス・イオンで蓄電機

液中に放出され，正極の活性炭からBF 4

− イオン
（ま

たはPF 4 −イオン）が放出されます．

● LIC の特徴
従来の EDLC と比較すると，LIC には以下のような

負極集合体
（銅箔）

正極集合体
（アルミ箔）
出力

Li＋が吸蔵電子の供給

図1

LIC の動作原理図

表1

蓄電デバイスの構成
種

類

正

極

● プリドープして LIC を作る 2 つの方法
LIC の製法として，負極のプリドープ（吸蔵）方法を採用します．
負電極の芯となる集電体に負極活物質を塗工し，事前にそこへ少量のリチウムをドープ（吸蔵）することを「プリドープ」（predope）といいます．負極にプリドープすることによりエネルギー密度の高いキャパシタが実現できます．
また，負極電位が低下するとキャパシタの電圧を高くすることができます．
大別して，プリドープの製法には 2 種類があります．
（1）垂直ドープ法（孔開箔法）
1 つは，負極活物質を塗工した多孔構造の集電体（負極電極）へリチウム金属箔を対抗して設置する方法です．これは「孔開箔法」または「垂直ドープ法」といいます（図 2）．
（2）水平ドープ法（貼付法）
もう 1 つは，非多孔構造の負極電極へ製造時にリチ

電解液

負

極

リチウム・イオン電池

コバルト酸リチウム

リチウム塩（LiBF4，LiPF6）

電気二重層キャパシタ

活性炭

プロピレン・カーボネート系

活性炭

リチウム・イオン・キャパシタ

活性炭

リチウム塩（LiBF4，LiPF6）

リチウムがドープ可能な炭素材料

表2グラファイト

蓄電デバイスの特性比較
リチウム・イオン電池

電気二重層キャパシタ

最高使用温度（℃）

項

目

60

60

80

使用下限電圧（V）

2.7

なし

2.2

パワー密度（W/L）

100 ～ 5,000

1,000 ～ 5,000

5,000

エネルギー密度（Wh/L）

150 ～ 600

2～610サイクル寿命1,000 回

100 万回（容量低下 30%）

100 万回以上（容量低下 10%）

充電性能

充電に時間を要する

秒単位の充放電が可能

秒単位の充放電が可能

内部抵抗

高抵抗

低抵抗

低抵抗

寿命

短寿命

長寿命

長寿命

安全性

発熱・発火

安全

安全

80

ME10̲079-092̲tok7usuda-NEW(4)1.indd 80

リチウム・イオン・キャパシタ

見本
No.10

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特集

第8章

EV と電池の充電・放電・給電〜磁界結合方式と同様に今後の普及が期待〜

電界結合ワイヤレス電力伝送
大平
これからのモバイル機器や電動自動車（EV）の重要な技術キーワードに，ワイヤレス電力伝送（WPT）がある．ワイヤレス給電にもさまざまな方式がある．これまでは，磁界結合方式によるものがいろいろ開発されていたが，電界結合方式も注目されるようになってきた．ここでは，電界結合方式による WPT の考え方を示す．電力伝送効率の良い WPT を実現するには，kQ
積（k は結合係数，Q はQ ファクタ）と呼ばれる性能指標が重要だという．このkQ 積は，磁界結合方式でも，電界結合方式でも同様に使用できる．

（編集部）

1．磁界結合とkQ 積● WPT・電磁誘導・磁界共鳴「放送」・「通信」に続く第 3 の高周波マーケットを狙 っ て，「 ワ イ ヤ レ ス 電 力 伝 送（WPT：WirelessPower Transfer/Transmission）」の研究が世界中で活発化しています．
皆さんは「WPT」と聞くとどんなイメージをもちますか．代表例は近接配置された 2 つのコイルとそれらを共通に貫く磁力線の絵です（写真 1）．

孝

一方のコイルに交流を流すと，他方のコイルに同じ周波数の交流電圧が発生します．この物理現象を“電磁誘導”と呼びます．
電磁誘導にコンデンサを付加した構成を“磁界共鳴”と呼ぶ時代がありましたが（コラム A 参照），ここでは，総称して“磁界結合”と呼ぶことにします．
● 磁界結合はL とM ，R で構成される
磁界結合系の構造例を図 1（a）に示します．これを表す回路を図 1（b）に示します．図中の記号の意味は次のとおりです．
L：自己インダクタンス
M：相互インダクタンス
R：巻き線抵抗
ここでは簡単のため 2 つのコイルが同じ形状，つまり左右対称の構造として話を進めます．
● 性能指標kQ 積
デバイスや電子部品を購入するときはデータ・シー
トで何かしらの指標となる性能を見て製品選びの参考にします．例えば，次のような性能です．

・トランジスタ：hFE （電流増幅率）
・ダイオード ：Vr /Vf （逆耐圧÷順方向電圧）
・OP アンプ ：GB 積（利得×帯域幅）
・論理回路 ：PD 積（消費電力×遅延時間）
・受信アンテナ：G/T 比（利得÷雑音温度）
・光学レンズ ：F 値 （口径÷焦点距離）
・スポーツカー：パワーウェイト比（馬力÷重量）

WPT の性能指標は「kQ 積」（ 結合係数k ×Q ファクタ）です．
● kQ 積の法則は電力伝送効率の上限を表す
図 2 に示すように，kQ 積は WPT が達成できる電力
伝送効率（受電電力÷送電電力）の上界を表します（19）．

出力（a）構造例
写真 1

磁界結合ワイヤレス電力伝送実験の様子（21）No.10

ME10_093-102_tok8-NEW(7)1.indd 93

図1

M

R

入力

磁界の結合系

LR
L（b）等価回路見本93

2019/03/05 17:42

この普遍的で汎用性が高い法則は，磁界結合はもちろん，電界結合やアンテナ結合などあらゆる WPT 方式において成立します．ワイヤレスの世界でよく知られている「フリスの式」や「シャノンの定理」に続く第3 の基本法則の位置づけです．
● 結合係数k はどのように決まるのか
磁界結合において，k と Q がどのように決まるのか
考えてみましょう．結合係数 k は，右側コイルから発した全磁力線のうち左側コイルに到達する割合のこと
です．
M
k＝
式（1）
L
式（1）から，2 つのコイルを互いに近づけていくと kが大きくなることが分かります．磁力線が空間から突然発生することはあり得ないので，k が 1 以上になることはありません．相互インダクタンス M が自己インダクタンス L より常に小さいことからも納得できます．
● Q ファクタはどのように決まるのか
一方，結合状態とは別に「コイルの単体の良さを表す指標」として“Q ファクタ”があります．
これは，図 2（b）に示す結合系の出力ポートを開放した状態で入力ポートから結合系を見込んだインピーダ
ンスの実部に対する虚部の比です．
Q＝

ωL
R

式（2）

ここでω = 2πf の f は所望の伝送周波数です．
● kQ 積には共鳴の概念が含まれない式（1）と式（2）を乗算することにより式（3）が得ら
れます．
kQ ＝

ωM
R

式（3）

ここで，気付いてほしい重要ポイントがあります．

1．放送波はどこまで届くのか「フリスの式」
GT

GR

λ
d

PT

PR
λ 2
GR
＝ GT
PT
4πd

PR

2．通信速度の上界「シャノンの定理」
S
B

R ≦ Blog2 1 ＋SNPout ρ－ 1≦
Pin ρ＋ 1

ρN
3．電力伝送効率の上界「kQ 則」
Q

k

Q

Pin
図2

Pout

1

kQ

ワイヤレスを支配する 3 つの基本法則

コラム A 「共鳴」って新しい物理現象なのかな…

一昔前，「磁界結合系」を「電磁誘導方式」と「磁界共鳴方式」に分類し，異なる物理現象のように解説している記事をよく見掛けました．最近になり，多くの方々が，それは本質的な差ではなかったことに気付きました．
例えば，モータの世界では，駆動回路にコンデンサを挿入して巻き線のリアクタンスを補償するのはごく当たり前のことです．また，高周波増幅器の設計では，誘導性スタブを装荷してトランジスタの寄生容量と共役整合させることも普通に行われています．

94

ME10_093-102_tok8-NEW(7)1.indd 94

既知の技術も使う場所を変えると効果が新鮮に感じられるのはやむを得ませんが，これを新しい物理
現象のように主張すると本筋を見失うので要注意です．
1
1
C1 ＝ 2C2 ＝ 2
ω L2
ω L1
R1

C1

R2

M
L1

L2

C2

見本

図 A C 1 とC 2 を追加しただけで方式名が変わった

No.10

2019/03/05 17:42

特集第 11 章EV と電池の充電・放電・給電〜実車試験＆路面設備の製作と実証実験〜

ワイヤレス給電仕様のインホイール・
モータ搭載EVの開発＜後＞畑 勝裕/居村岳広/藤本博志/佐藤 基/郡司大輔
この章の前半では，実際に製作した第 2 世代ワイヤレ
ス・インホイール ･ モータの実車試験ユニットおよび路面設備の製作について紹介する．第 1 世代から大幅に改良した点，走行中ワイヤレス給電に向けた新たな取り組みについても触れる．後半は，製作した実車と路面設備での実証実験について述べる．
（編集部）

1．W-IWM 実車ユニットの製作■ 1.1

開発ユニットの仕様● 第 1 世代 W-IWM から大幅に大出力化
2015 年に開発した第 1 世代ワイヤレス・インホイー
ル ･ モ ー タ， 以 下 W-IWM）で は，1 輪 当 た り 最 大
3.3 kW の一次試作ユニットを製作しました．後輪 2 輪に搭載時の総出力は 6.6 kW です．これから目標性能を総出力 48 kW と，大幅に大出力化します（表 1）．
そのため，第 1 世代 W-IWM の一次試作で得たノウ
ハウを基に，1 輪当たり最大 12 kW，4 輪装備時で総出力 48 kW を目指して研究・開発に取り組みました．
● 4 輪装備時に市販 EV と同等の性能
今回開発した第 2 世代 W-IWM の仕様を表 2 に示します．1 輪当たりのモータ出力は目標と同じ 12 kW とし，4 輪装備時には総出力，総ホイール・トルク共に
市販 EV と同等の性能を実現しました．
なお，今回開発した第 2 世代 W-IWM も減速機方式の IWM であるため，モータ・トルクは減速機を介してホイールに伝達されます．そのため，総ホイール・
表1

第 1 世代 W-IWM の一次試作ユニットの仕様

モータ数

目標性能

一次試作仕様42（後輪）

市販 EV の性能までは大電力化が課題

トルクは 76.4 Nm（モータ・トルク）× 4.4（減速比）×4（モータ数）→ 1344 Nm となります．
● 第 2 世代 W-IWM では前輪ユニットを製作
第 1 世代 W-IWM の一次試作では，筆者らの研究室所有の実験車両 FPEV4 -Sawyer（1）の後輪サブユニットに適合させるように製作しました．このとき，後輪操舵は検討していなかったため，一次試作ユニットでは安定した力行・回生動作さえ実現できれば OK としていました．
第 2 世代 W-IWM では，将来の 4 輪装備を見据えて，操舵機構が必須となる前輪サブユニットの製作に取り組みました．そのため，これまでのサスペンション動作に加えて操舵時についても再検討しました（コラム A 参照）
．

■ 1.2

送受電コイルの製作● 車体 – ホイール間は同サイズで大電力に対応
第 1 世 代 W-IWM で は 送 電 コ イ ル（350 × 218 mm）と受電コイル（300 × 218 mm）は異なる設計でした．
今回では，写真 1（a）に示すコイルを「車体 - ホイール」
間 で 2 つ 利 用 し， 送 受 電 コ イ ル で 同 じ 形 状（350 ×
250 mm）としました．
各コイルの線材は，第 1 世代 W-IWM と同様にリッツ線を用いました．ただ，線材全体の断面積を大きくすることで 12 kW 以上の大電力化に対応するととも
表2

第 2 世代 W-IWM を 4 輪装備時の性能比較＊ 1
ワイヤレス IWM
4 輪装備時

モータ出力

12 kW

47 kW

モータ・トルク

76.4 Nm

160 Nm

減速比

4.4

7.065

モータ数

4

1

総出力

48 kW

47 kW

1344 Nm

1130 Nm

モータ出力

12 kW

3.3 kW

総出力

48 kW

6.6 kW

総ホイール・
トルク

総ホイール・
トルク1300 Nm

475 Nm＊ 1：現在は前輪 2 輪のみ＊ 2：Web サイト掲載の諸元表より

No.10

ME10̲133-150̲tok11-hata-NEW(3)2.indd 133（参考）
M 社製 市販 EV ＊ 2

見本133

2019/02/27 12:35

に，より素線の細いリッツ線を使って交流抵抗を低減

面コイルとの結合が大きくなるようにしています．

し，さらなる高効率化を図っています．

● 送受電コイルの構造は配線の取り回しを考慮● 走行中給電用の受電コイルは巻き数を増加
走行中給電用の受電コイルを写真 1（b）に示します．
「車体 – ホイール」間の送受電コイルと比較して，送電側となる路面コイルとの形状の差異が大きくなる
ため，コイル間の結合係数を大きくすることが難し
く，高効率伝送のために十分な結合を確保することが課題となります．
そこで，受電コイルの巻き数を 29 → 40 巻きに増やすことでコイルの自己インダクタンスを増加させ，路W-IWM と同様に樹脂プレート内の溝にリッツ線をはめ込み，樹脂カバーなどを利用して成形しています．
今回の開発では，コイル背面に取り出す配線の取り回しを考慮して，図 1（c），（d）に示すようにコイル
背面に配置するフェライトの位置を中央部と周辺部で変更する工夫をしています．
このフェライトは，送受電コイルの結合を強めるほか，コイル周辺の金属が与える影響の低減，外部への送受電コイルの構造を図 1 に示します．第 1 世代

250mm
250mm

350mm
300mm
（a）「車体‒ホイール」間の送受電コイル
写真 1（b） 走行中給電用の受電コイル

第 2 世代 W-IWM の送受電コイル

フェライト周辺部

コイル製作面

溝にリッツ線をはめ込んで作成

277mm

フェライト中央部

アルミ・プレートで漏洩電磁波を抑制

共振コンデンサを配置

332mm（b）コイル製作面樹脂プレート（a）3D CAD図

中央部の配線を取り回しやすい中央部の j 磁界は
ここでトラップする（c）背面フェライト（周辺部）
図1

送受電コイルの構造

134

ME10̲133-150̲tok11-hata-NEW(3)2.indd 134（d）背面フェライト（中央部）

見本
No.10

2019/02/27 12:35

製作実験レポート

永久磁石による回転型「磁気浮上・走行装置」～“磁気車輪”の動作原理・実験・製作～

藤井 信男
磁気浮上を実現するには「超電導を使う」ことが必要だと思いがちだが，ここで紹介する「磁気車輪」はネ
オジム磁石と電磁コイルによる誘導反発磁界を使って常温で駆動する．磁気車輪が高速に回転することで浮上力を実現し，その一部を推力にも充てている．今回の実験では，1000rpm の回転で 35kg の実験車両の浮上走行に成功している．この磁気車輪の浮上を，鉄道
総合技術研究所の公開日で見た方もいるであろう．

（編集部）

はじめに
“リニア・モータ”というと，東京―名古屋間で建設中の磁気浮上型の“超電導リニア新幹線”を思い浮かべる人が多いでしょう．
しかし，「浮上しない」リニア・モータもあり，すでに東京・大阪・福岡など全国の一部の地下鉄路線で採用されています．この技術を本誌 No.9（2）で解説しました．一方，超伝導型リニア・モータでなくても「磁気浮上する回転体も考案され，実現されています．
ここでは，筆者らが実際に設計製作した「磁気浮上回転型の走行装置」について実験レポートを示します．なお，この磁気浮上の回転体を「磁気車輪」と呼んでいます．

１．安定した「誘導反発型」の磁気浮上
磁気浮上の場合，「浮上ギャップが小さくなると反発 力 が 大 き く な り， そ の 結 果， 接 触 し な い よ う にギャップを広げるので，制御なしで自動的に安全なギャップに保つ自己安定性を有する」というのが，安定 / 安心できる方式と言えます．
これを実現できるのが「誘導反発型磁気浮上」で，超伝導リニア新幹線の浮上方式も同じです．

■ 1.1● 交番磁界を生成する浮上体を導体板上に置く
磁気車輪の浮上原理から説明します．図 1 のような
極めて単純なモデルを考えます．これは，導体板上で浮上体を磁気浮上させる方法の 1 つです．
● 浮上体には巻き線か電磁石を装備し磁界を発生
浮上体には「巻き線」や「電磁石」を装備し，これらに交流電流を流して「交番磁界」や「回転磁界」または「移動磁界」の時間的に変化する磁界を発生させます．
● 導体板で発生した誘導磁界と浮上体の磁界が反発浮上体で発生した磁界を導体板に「鎖交」させ，導体板中に「誘導電流」を発生させて浮上体の磁界と誘導磁界間に反発力を発生させる方式です．
これには，時間で変化する磁界を作るのに浮上体を機械的に動かす必要がないという利点があります．
● この方式では浮上体を浮上させられない！？
しかし，この方法では浮上体の自重よりも大きな磁気反発力を発生させることはできません．
その理由は，巻き線に電流を流すと発熱によって電流密度が制限され，浮上に必要な大きな起磁力を作ることができないためです．
● 磁力が足りない！
超電導巻き線だと可能性はありますが，現段階では小型軽量の冷却で比較的高い周波数で安定に使用できる交流用超電導線材はありません．

■ 1.2

ME10̲151-170̲Fujii Report(3)2.indd 151

静止型の誘導反発磁気浮上● 磁気浮上させるには…
実用性がある誘導反発型磁気浮上装置としては，次
浮上体

導体板

図1

No.10

静止型の誘導反発磁気浮上の原理

静止型の誘導反発磁気浮上装置

巻き線または電磁石

見本1512019/02/27 12:38

たは超電導磁石を動かす誘導反発型の磁気浮上方式の
回転浮上体

導体板

図2

希土類永久磁石または超電導磁石

導体板上で希土類永久磁石あるいは超電導磁石を回転させる誘導反発磁気浮上装置のようなことが要求されます．
（1）最低限，装置の自重よりも大きな反発浮上力を発生できること．
（2）磁界の発生源および誘導された電流でのジュール損による電力消費量が問題にならないほど少ない
こと．
● 上記要件の解決策
これらの要件を満たすためには，①軽量の浮上体から強力な磁界を発生できること②そのために大きなエネルギー積をもつ希土類の永久磁石または超電導磁石を使用することが考えられます．しかし，これらはいずれも時間的に変化しない磁界のため，導体板上でこれらの磁石を機
械的に運動させる方式になります．

■ 1.3

運動型の誘導反発磁気浮上● 浮上体を回転させる
図 2 に，永久磁石または超電導磁石を円板に装着した浮上体を導体板上で回転させる，誘導反発型磁気浮上の概略を示します．
● 導体板の代わりに短絡コイルを使うと一方，誘導電流を流すのに導体板の代わりに短絡コ
イルを使用することもできます．

概略を示します．
この超電導磁石を用いる方式は JR の超電導リニア
新幹線に使用されている浮上・案内装置の原型です．
＊
しかしこれは，基本的に回転しない方式です．ここでは，回転にこだわります．そこで，次節からは導体板上で「希土類の永久磁石を回転させる」誘導反発型
磁気浮上方式の動作原理について説明し，その能力と実用性について検討します．

2．導体板上で永久磁石を回転させる方式
■ 2.1

基本モデル

● 導体板上で永久磁石を回転させるモデル
今回の磁気車輪の基本モデルを図 4 に示します．導体板上で「永久磁石（以下，PM と略す）
」を機械的に回転させる PM 回転体モデルです．
● 2 極の永久磁石がある円形ヨークが空中回転する
PM 回転体には「円形のヨーク注 1」に PM が 2 極で取り付けられています．PM 回転体は十分広い導体板上に（浮き上がった形で）平行配置されて速度v で左回転しているとします．

■ 2.2

発生する誘導起電力と電流● PM から磁束が導体板に交差する
基本モデルで発生する誘導起電力電流を考えます．
まず，PM が図 4 に示す位置にあれば，PM から導体板に鎖交する磁界（磁束）は図 5（a）のようになります．ここで×印は磁界の方向が導体表面から奥へ，◉
印は奥から手前方向の磁界を表しています．

図 3 に直線状に配置した短絡コイル上で永久磁石ま
永久磁石または超電導磁石
走行

v

PM
#$

回転体

短絡コイル

導体板

図 3 短絡コイル上で永久磁石または超電導磁石を直線走行させる誘導反発磁気浮上装置

上面図
注 1：磁極の裏側から出入りする磁束を他の磁極の裏側に通すための通路として使われる鉄類を「ヨーク（yoke，継鉄）」という．モータなどのヨークには，成層鉄心が使用されることが多いが，ここでは時間的に変化する磁束がほとんどな
いため，ヨークへ鉄板を用いている．

152

ME10̲151-170̲Fujii Report(3)2.indd 152

図4
導 体 板 上で永 久 磁
石（PM）が回転する
モデル

PM

N

S

S

N

断面図

ヨーク

見本
導体板

No.10

2019/02/27 12:38

2018 年 CQ EV ミニカート筑波レース 秋大会

カウル装着可能な大会で記録は大幅アップ！
ユニーク・ボディの 26 台が筑波サーキットに集まった

青山 義明

毎年秋に筑波サーキットで開催「CQ EV ミニカート」と「CQ ブラシレス・モータ＆インバータ」を使用したワンメイクレース「CQ EV ミ
ニカート・レース」は，30 分間のレース時間でいかに長く走ることができるかを競います．
本大会は 2014 年に第 1 回が開催され，2017 年まで
は年に 1 回，秋に開催していました．開催から 5 年目を迎えた 2018 年は，6 月と 10 月の 2 回の開催となりました．
レース自体に大きな変更はなく，これまでと同様の
30 分間で行われる耐久レースです．
● ワンメイクのレース規則（1） 車両仕様
車両は CQ EV ミニカート（写真 1）のキットのみで，（a）組み立てた「CQ EV ミニカート」（b）2018 年夏大会優勝者，柳原氏の運転姿
写真 1

CQ EV ミニカート

No.10

ME10̲171-176-tukuba(4)1.indd 171

全車が同一のシャーシを使用します．ただし，ブレー
キやアクセル，タイヤ / チューブ（サイズおよびリムの変更は不可），チェーン，速度計の変更は可能です．
また，スプロケットの歯数変更も可能です．
（2） モータ仕様
モータも，CQ ブラシレス ･ モータ＆インバータ ･キット（写真 2）のモータ部を使用します．このモータ
は，モータ・コイルの巻き方が自由に設定できます．
具体的には，このモータのステータは 18 スロット（コイル）で 3 相の交流で入力するため，1 相当たりは
6 つのコイルになります．接続方法も，6 直列 /2 直 3
並列 /3 直 2 並列 /6 並列のどれでも OK です（図 1）．
当然，その線径と巻き数も自由となります．
（3） コントローラ仕様
一方，コントローラは自由です．先に示したキット
同梱のコントローラでも，市販コントローラでも，自作コントローラでも OK です．
（4） 電池仕様
電 池 は， 鉛（12V × 2）ま た は リ チ ウ ム・ イ オ ン（25.2V/ 指定機種のみ / 電池パックの BMS 設定変更不可）から選択します（写真 3）．
● レースは「筑波サーキット（コース 2000）」でレースの舞台は，CQ EVミニカートの 2016 年大会から使用している「筑波サーキット（コース 2000）」です．
筑波サーキットは高低差のあまりないコースです

見本（c）2018 年 秋大会のレース風景

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（a）はんだ付け / 組み立て完成後
写真 2（b）モータ部の組み立て前

CQ ブラシレス・モータ＆インバータ

メイン・ストレート
最終コーナ

第1コーナ

RT
STA

S字コーナ
(a) 6直列
図1(b) 3直列2並列

第2ヘアピン

ダンロップ・コーナ(c) 2直列3並列

トゲー
アジアコーナ（2輪コース）18 スロットのモータ・コイルの接続法

第1ヘアピン
図2

80Rコーナ（4輪コース）

バックストレッチ

筑波サーキット（コース 2000）

JAF 公認の本格的レース場

カウル装着で記録は伸ばせるか

写真 3 レースで使用できる「CQ リチウム・イオン電池パック /EV ミニカート用」

が，それでもホームストレートから 1 コーナにかけて若干上がっており，それを抜けると S 字コーナに向けてまた下がっていく楽しいコースです．コース全体の高低差は 5.8m です．
このコース 2000 には大小 7 つのコーナがあります（CQ EV ミニカートでは 4 輪コースを使用）が，コー
ス幅も十分広く，コーナの R はいずれも CQ EV ミニ
カートにとってはそれほどタイトなものでもないので（ゴーカート場よりも高速走行可能），ライン取りも戦
略の 1 つといえます（図 2）．

172ME10̲171-176-tukuba(4)1.indd 172● 制限付きながらカウル装着が可能に！
今回の大会では，これまでのレギュレーションに大きな変更が加えられ，「カウル（空気抵抗を減らすた
めのボディ）の装着が可能」となりました．
ただしカウルには制限があります．

・幅 500mm 以内
・高さは地上 600mm 以内
・全てのタイヤが露出していること
・車両シャーシの機構的 / 構造的改造は NG● レースの勝敗はエレキ中心から総合技術力にこれまで必要とされてきたのは「モータ設定技術（コイルの巻き数など）」，「モータ制御技術（エレクトロニクス技術）」，「車両整備技術（メカニカル技術）」といった要素です．
カウル装着が可能となったことで，これら以外に

見本
No.10

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特別連載
上位入賞を目指すための省エネ型
EV レース車の損失削減の考え方＜下＞

車体構造とタイヤ周りの
レイアウト
中村 昭彦

上省エネ型レース「エコノムーブ」を例にして，レース上位を狙うための車両設計の考え方を示す．前回のモータ制御編に続いて今回は車体構造とタイヤ周りのレイアウトについて解説する．筆者は，エコノムー
ブ・レースで優勝経験も多い．ここでは，筆者の車両
開発の進化過程も見える．
（編集部）

パイプ・フレームでは軽くて剛性の高いパイプを使い，その組み合わせ配置を考えます．
複合素材でできたモノコック・フレームも同様で，その部材の配置によって大きく変化します．単純に考えると部材を離して配置します．
筆者らのチームが最初にオリジナルで作った車体を
写真 1 に示します．

1．競技用の車体構造

2．モノコック・フレーム構造の変遷

前 号（MOTOR エ レ ク ト ロ ニ ク ス No.9）に 引 き 続
き，エコノムーブ車両を前提とした省エネ型 EV レース車の開発方法について述べます．今回は，車体の開発を中心に述べます．つまり，車体の本体と車輪周りを含めて搭乗者を支える構造物，これをどのようにレイアウトするかを考えます．
車体は必要な強度や剛性を確保しつつ，できるだけ軽量であることが望ましいのです．
● 車体構造には 2 つの方式から考える
車体構造としては，①パイプを組み上げた「パイプ・フレーム構造」②複合素材を使った「モノコック・フレーム構造」などがよく採用されます．「優れた材料を使えば，軽くて良いものができる」と思われるかもしれません
が，材料の選択以上に，その車体構造のレイアウトによる影響が大きいのです．

● 外皮がフレーム構造に
ここで例を示します．写真 1 は，筆者らのチームが2002 年に初めて作った車両です．複合素材であるモノッコック・フレームを使用しています．
図 1 に示すように，特徴は，外皮がフレームとして機能していることです．つまり，前輪のすぐ横の外皮もフレームとして考えているので，本体と一体になる
のです．

■ 2.1

第 1 世代車両の問題点● 外皮をフレームと一体にした構造
写真 1 の前輪付近を見ていただくと分かるように，
前輪のすぐ横の外皮もフレームとして考えたので，外皮と本体は一体です．
ただしこの場合，タイヤのメンテナンス時に問題が発生しました．

一体
図 1 外皮をフレームとした構造での前輪足回り部
写真 1

筆者らのチームの初代マシン

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見本177

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● 車輪が簡単に外せない
この車は，前輪の足回りがサブフレームで構成されており，タイヤのメンテナンス時にはサブフレームごと左右前輪を一体として本体から外す必要がありました．
もちろん，この点は設計時に分かっていました．その当時は，タイヤのメンテナンス頻度はそんなに多くないと思っていたからです．
しかし，実際のレースでは，タイヤを頻繁に取り外す必要があり，実戦向きではないと反省しました．

写真 2

筆者らの 2 代目の車両
取り外し方向（a）概念図（b）上面カウルを外した状態での前輪部
図2

改良して車輪を取り外しやすくした

178

ME10̲177-186̲EVrace(4)1.indd 178■ 2.2

第 2 世代車両の改良● 前輪車輪を上方に取り出しやすく改良
写真 2 は 2007 年に作った車両です．前回同様，車体構造として，タイヤ外皮部分が一体のフレームです．
ただし，前輪の車軸は中央のボルト 1 本でアップラ
イ ト（ 直 立 方 向 ）か ら 取 り 外 せ る 構 造 と し ま し た（図 2）．これで，タイヤのメンテナンス時間を短縮できます．
中央のボルトを取り外すとハブから車軸ごとホイー
ルが外れます．この中央のボルト 1 本でタイヤを外せる機構には大きな欠点がありました．
● 剛性が低くなる欠点が発生
分解可能にすることで車軸の接続部分の剛性が低くなります．そのため大きな荷重が掛かった場合，図 3の矢印方向にたわみが生じ，それに対応させるために車体からタイヤが出る開口部の大きさを大きめにせざるを得ませんでした．

■ 2.3

3 代目の車両の開発● 空気抵抗を減らすために再度改良を図る
写真 3 が 3 代目の車両です．どこが変わったか気付
かれたでしょうか．

図3
大きな荷重がかかった時にはタイヤがたわむ見本（c）前輪を容易に外せるようになった

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EV/ モータ製作レポート

モータ・コイルの最適な巻き方を探る～エコノムーブで「菅生サーキット」を走るために～
本田
使用目的に合わせて，モータ ･ コイルの巻き方が自由になる「CQ ブラシレス・モータ・キット」がある．では，どのようにしてコイルの巻き方を決めればよいのだろうか．このモータ ･ キットは永久磁石同期モータ
で，ロータ側に永久磁石が 12 極，ステータ側にコイル 18 スロットがある．巻き方の自由度とは，コイルに巻くマグネット・ワイヤの太さ，コイル 1 スロット
当たりの巻き数，そして 1 相当たり 6 スロットのコイ
ルの接続法を 6 直列か 3 直 2 並か 2 直 3 並か 6 並列のどれにするかである．筆者は，このモータを SUGO
サーキットで行われるエコノムーブ・レース用のモータとして採用し，3 位の成績を収めた．ここでは，そのモータの巻き方をどのようにして決めたかを示す．

（編集部）

はじめに
筆者の所属する会社クラブ「Team ENDLESS」は，
ガソリン・エンジンによる省燃費競技会（通称「エコラン」）に参加するため，1990 年に創部されました．
その後，チームは電気自動車エコランへも参入し，
1995 年 開 始 の「 ス ポ ー ツ ラ ン ド SUGO」で の エ コ ノ
ムーブ・レースには，初回からずっと参加しています．
正式名称「電気自動車エコラン競技大会 in SUGO」の 2018 年大会（8 月 11 ～ 12 日，主催：次世代モビリ
ティエコラン協会）への参加にあたり，自分たちのチーム記録を塗り替えようと，新たなモータで挑戦することを決めていました．その時，ある人から「“CQ
ブラシレス・モータ”とその“低損失コア・ステータ”の組み合わせが良いのでは」と提案されました．
早速，製造元のミツバ SCR のホームページ（以下HP）を 見 る と， そ こ に は， モ ー タ の「 定 格 出 力：
50W ～ 1,000W 程度まで巻き線仕様によりカスタム可能」の文字が確かにありました．さらに検討の末，このモータをわれわれのチームのマシン「リボン Go!」No.10

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聡（写真 1）に搭載してスポーツランド SUGO を走ることに決めたのです．

1．モータ出力の目標設定● 目標出力を決める鍵は「勾配 10％，高低差 70m」
まず，モータ出力の目標を決めます．そのためには，レースのサーキット・コースを知る必要があります．サーキットがある「スポーツランド SUGO」は宮
城県柴田郡に位置します．その中心にサーキットがあり，4 輪車 /2 輪車の全日本レースも開催される，1 周
約 3.7km の本格的なレーシング・コースです（図 1）．
このコースの特徴は，最大高低差 70m，最大登坂勾
配 10% を誇る，他のコースにはない急坂を持っていることでしょう．
図 1 のコース高低差を表したグラフを見ると，平坦な部分はごく一部であり，EV にとっては登坂性能と回生性能が発揮できるコースとも言えます．
● 下り坂に制限速度 65km/h の計測ポイントあり！
「電気自動車エコラン競技大会 in SUGO」では，公称 423Wh の鉛バッテリをエネルギー源に，2 時間で走行した周回数を競います．
またこの競技会では，南側の下り坂の途中に速度計
測ポイントが設けられており，そこを 65km/h を超えて走ることは禁止されています．
そのため，下り坂で速度をつけその勢いで坂を登る，という作戦にも限界がありそうです．
● 自分（競技車両）の走行抵抗を知る
エコラン競技では“走行抵抗”が重要です．走行抵

写真 1

見本

筆者らのチームのエコノムーブ「リボン Go!」187

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スタート＆ゴール

全長

3,704.256m（シケイン部を除く）
最大縦断勾配 10.0％
最大標高差69.83m

速度計測ポイント

10％勾配

図1
SUGO サーキット（1）登るためには，この2つを足した以上の駆動力が必要
走行抵抗＝ころがり抵抗＋空気抵抗＝4.3［N］

登坂抗力＝78.0［N］
走行抵抗4.3［N］
勾配10％

垂直抗力

重力

（a）平地走行（b）登坂走行図2
表1

平地走行時と登坂時に車両に掛かる力（30km/h）

出力計算表
項

目

仕様値

車体質量（ドライバ，バッテリ含む）

80［kg］

駆動系伝達効率（チェーン 1 段減速）0.96［0］

走行抵抗（平地，30km/h 一定）

4.3［N］

登坂勾配

0.1［0］

登坂抗力

78.0［N］

目標車速（30km/h）

計算式

車体質量［kg］×重力加速度 9.8［m/sec2］× sin（tan − 1（登坂勾配［0］））8.33［m/sec］

目標駆動出力686［W］（走行抵抗［N］＋登坂抗力［N］）×目標車速［m/sec］

目標モータ軸出力

715［W］

目標駆動出力［W］/ 駆動系伝達効率［0］余裕を持って「720W」を目標とする

抗とは，「走行するときに車両が受ける力」のことですが，転がり抵抗と空気抵抗，登坂抗力注などの合計となります．厳密でなくとも，およその値を知らないと，効率の良いモータは実現できません．
この走行抵抗の力より大きい駆動力（推力）がある
注：坂を登る際に車両へ加わる力は，一般的には「登坂抵抗」または「勾配抵抗」と呼ばれている．
「ころがり抵抗」や「空気抵抗」は損失につながるが，“登坂”は電気エネルギーから位置エネルギーへの“変換”という現象であるため，筆者は登坂抵抗という言葉を使わず「登坂抗力」と表現している．

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ことで，クルマは前へ走ることができます．
筆者チームの競技車両である「リボン Go!」を見てみましょう（写真 1）．次のように考えました．
（1）平地走行時運転するドライバとバッテリ込みで約 80kg の質量，
これまでの実績から，平地での一定車速の走行抵抗は30km/h で約 4.3N と分かっています．
皆さんの車両はどうでしょうか？ 走行抵抗なんて調べたことがないという方も，

見本・効率が既知のモータで走らせ，消費電力から逆算

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広道を走る EV バスの開発

ベンチャの挑戦～ 8 輪コミュニティ EV バスの製作と普及～

宗村 正弘
EV に挑戦するベンチャ企業は少なくない．ただ，EVでは複雑なエンジンが不要なので，中小企業でも簡単にクルマ開発ができるというわけでもない．紹介するのは，ベンチャ企業が制約条件の中で，ユニークな魅力あるクルマづくりに挑戦した記録である．筆者は，少人数の乗客を対象とした低速コミュニティ・バス
を，トルクが小さいモータでも 8 輪駆動にすることで，楽しく魅力あるクルマになったという． （編集部）

はじめに—— 8 輪駆動コミュティ EV バス
筆者は，自動車会社で車両設計・開発に長年携わっていましたが，定年を前にドロップアウトして，商品開発を生業とした（株）シンクトゥギャザーを地元の群馬県で設立しました．
そして，起業後に受けた仕事の 1 つが 8 輪駆動の小型 EV バスの開発製作でした．これを契機に会社は EV
製造ベンチャ企業としての道を歩みはじめました．
今では，日本各地や海外の街で 8 輪（10 輪型もある）
駆動の電動コミュティ・バスが走っています．弊社ではこのバスを“eCOM-8”と命名しています（写真 1）．
本稿では，その開発と車両製作を振り返りながら，
エンド・ユーザと直結する商品開発において何を考えて開発を進めたかを述べたいと思います．

写真１

電動コミュニティ・バス“eCOM-8”
（桐生市）

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１．与えられたテーマ
クライアントから最初にいただいたテーマは，以下の３項目です．予算と製作台数以外，極めて大まかで漠然としたものでした．細かいことは要求されなかっ
たぶん，こちらで考えなければならない事柄が多くなり，負荷的には大変重くなります．
しかし，いろいろ調べたり，知恵を絞ってアイデアを出したり，自分の能力を試す良い機会と捉えて，チャレンジ精神で取り組みました．
（1）「低速電動コミュニティ・バス」とする
読んで字のごとく，「低速」と「電動」は誰もが説明なしに分かりますが，「コミュニティ・バス」と言われても，私にはイメージできませんでした．そもそも
バスにあまり乗ったことがなかったのです．
広辞苑で「コミュニティ」を調べてみると「共属感情を持つ人々の集団」とあります．さらに「コミュニケー
ション」を引くと「社会生活を営む人間の間に行われる知覚・感情・思考の伝達」とありました．そこから「乗り合わせた乗客同士が，そこで得られた感情や感動を共有・交流を図れるバス」と考えました．
（2）公道を走れること
公道を走るクルマは，法律により「ナンバープレー
ト（以下，ナンバーと略す）」を取得しなければなりま
せん．ナンバーを取得するには，EV 車両が道路運送車両法の保安基準を満足する必要があります．
そこで，第 1 条から第 58 条の難解な保安基準と細目
告示を全文読破し，各条に適用除外条件があることを見つけ，それを整理しました．その結果，・最高速度 20km/h 未満
・10 人乗り・動力電圧 60V 以下という 3 つの条件を持つと，最大の適用除外を受けられ，ナンバーが取得しやすいことが分かりました．
クライアントに報告し，その条件で車両仕様を固めることの了解を得ました．もちろん，適用除外になら

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写真 2

富山県宇奈月温泉で走る“e-COM8”

ない項目は法律に規定された内容を満足するように設計しました．
（3）予算 800 万円 / 台と製作台数
正直に言うと，1 台 800 万円で作れるのかこの時点ではまったく分かりませんでした．ただ，ナンバー取得まで含めると，外部委託試験や資料作成に相当費用が掛かるのは明らかで，ナンバー取得は別予算（年度に改めて計上）とする了解を得ました．
それでも 1 台 800 万円で作るのは厳しそうです．
● 受託を決める
しかし，私はその後の将来展望も考え，単独プロ
ジェクトとしては赤字を覚悟のうえで引き受けました．いわゆる経営判断というやつです．
自分に与えられた課題を整理し，向かうべき方向をクライアントの合意を得て明確にすることは大変重要おろそな作業で，開発初期において決して 疎 かにしてはい
けないポイントです．

2．車両基本構想■ 2.1

魅力ある車両にするために● 制約の中で希望の特徴をどう織り込むか次に行う作業は，車両（クルマの法的用語）の全体的な構想と個々の部分の作り方を総合的に考えることです．さまざまな制約や織り込みたい特長などを，どのように整合させていくかです．製品開発としての大ひらめ方の方向性が決定されます．知恵とアイデアと 閃 きと苦悩が交錯する場面です．
● 乗る人にとって魅力ある車両にする
ここで重要なポイントは，クルマというものは「人が乗ってなんぼのモノ」であるということです．往々にして技術者は独り善がりやプライドにとらわれがちです．技術的に優れているか，最新技術や先端技術がどうのこうのより，「便利に使えるか」，「心地よく使えるか」，「違和感がないか」，「楽しいか」，「乗りたいか」…など，人の感性に訴えるものをどのように具現

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写真 3

マレーシアで走る“e-COM8”化するかが最も重要なことです（写真 2，写真 3）．
● あえて新技術への挑戦はしない
eCOM-8 の車両構想では，予算や時間的な制約もあって，あえて私自身が持つ「既存技術の集積でよし」とし，新技術や高度な技術にはこだわりませんでした．それでも「魅力ある」商品を生み出すことは可能だと考えました．
もちろん，コストの制約は避けられません．どうす
れば安く作れるかも併せて考える必要があります．車両のデザインもコストに大きく影響するので，この時点で大まかなデザインの方向性も頭の中に描きます．

■ 2.2 既存のパワー・ユニットを活用する● 既存のパワー・ユニットではトルク不足
実は当時の弊社は，モータと減速機からなるオリジ
ナルの「パワー・ユニット」を持っていました（図 1，
写真 4）．これは，1 人乗り原付ミニカー用途を想定して①ミツバ製モータと②自社開発の減速機を一体化したもので，以下の仕様になっています．
・モータと減速機がインホイール方式で一体化
・定格出力：0.3kW
・最大トルク：5Nm
イメージしにくいかもしれませんが，モータの仕様
としては，「CQ ブラシレス・モータ（ミツバ製，販売

写真 4

パワー・ユニット

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