電動商用車の機会とメリット

バス、建設用車両、ゴミ収集車、小型バン。乗用車以外にもさまざまな車両が道路を走行しています。その他に、大型トラック、およびトラクタのような農業用車両があります。その大部分は、今でも化石燃料、すなわち軽油が動力源になっています。さらに、商用車は多くの燃料を必要とするので、乗用車よりもはるかに多くの軽油を消費します。しかし、石油のような化石燃料は限りあります。また、化石燃料は、激しい大気汚染の原因にもなります。EUでは、輸送手段が発生するCO₂排出量の25%、そして温室効果ガス排出量全体の5%が商用車によるものです。

将来は、より深刻な状況になりそうです。国連の予測によれば、世界の人口は、2050年には98億人に増加すると見込まれます。人はA地点からB地点へ移動するでしょう。また、その人に商品を供給しなければなりません。農家はより多くの食料を生産し、建物が建設されるでしょう。そして、商用車が増加すれば、排出ガスも騒音も増加します。将来は、約70%の人が都市に住むと見込まれるので、状況はさらに悪化するでしょう。したがって、ますます多くの都市で、環境および市民の健康を守るために、内燃機関の車両が禁止されるかもしれません。

そうなれば、そのような役割は、電気で駆動されるバス、トラック、トラクタ、掘削機が代行するようになるでしょう。電動車両は、化石燃料を必要とせず、排出ガスも発生しません。すでに、ある程度の電動商用車が道路を走っています。また、一部の国では、他の国よりも多くの電動商用車が使われています。たとえば、電動バスの利用については、中国が先駆者です。商用車の電動化は、大きな機会とメリットをもたらすことがわかっています。しかし、まだ解決しなければならない課題もあります。

電動商用車は、軽油やガソリンのかわりに、電気が動力源になっています。その例としては、バス、バン、トラック、コンバインやトラクタのような農業用車両、掘削機やホイールローダーのような建設用車両があります。電動商用車を駆動するエネルギーは、車載バッテリから得られます。バッテリは、電力網によって充電されます。電気自動車と同様に、電動モーターが電気エネルギーを力学的エネルギーに変換します。この電気システムの主要コンポーネントは、車両内の電気系統に電気を供給するDC-DCコンバータです。この駆動系のインバータは、バッテリの直流を、車両の動力源として必要な交流に変換します。

しかし、商用車の電動化の問題は、駆動系そのものに限られるわけではありません。ツール、空調システム、さらには上部構造や付属品も電動化されます。ハイブリッドモデルでは、これらを駆動するエネルギーは、内燃機関から得られます。電気駆動系は、最大負荷に対応するための追加トルクを供給します。

今後数年あるいは数十年の間に、電動化の重要性は大きくなるでしょう。2016年パリ協定で定められた気候保護目標は、意欲的です。それは、すべての輸送手段を2050年までにゼロエミッションとする、というものです。これは、世界中の国が、輸送関連の排出を削減しなければならないことを意味します。一部の国、すなわち、米国、カナダ、中国、日本、インドは、すでに商用車の規制値を定めています。EUもゆっくりと後に続いています。欧州での大型商用車の平均CO2排出量は、2030年までに、2019年レベルから少なくとも30%削減することになっています。

電動商用車のメリットは明らかです。化石燃料を消費せず、運転中にCO₂を排出しません。その電気が再生可能エネルギーによるものであれば、完全にクリーンです。その他にもメリットがあります。電気駆動系は、より少ない部品で構成されています。特に可動部品が減ります。したがって、めったに故障せず、整備の必要性が少なくなります。これにより、車両の運行費用が安くなります。電動車両は、設計があまり複雑ではないので、より小型に作ることができます。その他にもメリットがあります。内燃機関の車両よりも騒音が少なくなります。また、効率も向上します。より強力に加速するとともに、大部分のエネルギーを電気ブレーキで回収することができます。

駆動系以外のコンポーネントも電動化できます。内燃機関による商用車では、油圧ポンプ、のこぎり、回転ブラシ、ベーラー、収穫機、空調のコンプレッサのような補助ユニットも内燃機関で駆動されます。その動力は、エンジンの回転数に連動しています。しかし、油圧駆動のかわりに電気を使えば、補助ユニットの効率を向上することができます。それぞれ個々に、より大きな動力で駆動できます。

ヴェルナー・フォン・ジーメンスは、エレクトロモビリティの先駆者でした。1867年に発電機を展示しただけではなく、それによって世界で初めて車両の電動化を実現したのです。1882年にジーメンスは、世界初の電動商用車でトロリーバスの先祖にあたる、エレクトロモトを発表しました。これは、1881年のギュスターヴ・トルーヴェによるバッテリ駆動の三輪車に次いで、世界で2番目の電動車両でした。

ジーメンスの車両は、架線から得た電気を使って、ベルリン郊外にある540mの試験路線を走行しました。この車両は、その18年後にパリで、定期的な地域公共交通機関の一部として利用されました。それと並行して、他の都市、たとえばベルリンおよびウィーンでは、架線のない、さまざまな種類のバッテリ駆動バスが導入されました。しかし、技術的な課題のため、その運行はまもなく廃止されました。

20世紀への変わり目から1920年代にかけての一時期、主にドイツの地方自治体や市で、消防車やゴミ収集車の一部が電気で駆動されていました。さまざまなハイブリッドモデルも出現しました。しかし、電動商用車の開発は、すぐに中断しました。ガソリンや軽油のような化石燃料が電気よりも安価であり、また、内燃機関のトラックのほうが強力だったからです。一つだけ例外があります。1960年代になっても郵便局は、まだ電動バンを使っていました。その航続距離は、わずか30km未満でした。

電動バスは、21世紀の初めから復興してきました。最初は小規模でしたが、今では、その数は上昇傾向にあります。

今までのところ、大部分の電動商用車は、都市で使われるバスです。中国は、電動バス製造については、はるか先を走っています。その他に、スペイン、フランス、米国が製造していますが、ドイツのメーカーは、ゆっくりと後を追っています。その他の商用車の開発は、もう少し遅れています。有名な欧州のメーカーが大型トラックを作っていますが、最初はごく少量の生産です。

また、中国は電気バスの普及に関しても大きくリードしています。ブルームバーグ ニューエナジー ファイナンス (BNEF) によると、世界中で約38万5,000台の電気バスが走行しており、その99％が中国で使用されています。ヨーロッパでは、電気バスの導入をオランダがリードしています。アムステルダムのスキポール空港では、ヨーロッパ最大の電気バスが運行されており、その数は258台になります。アムステルダムのスキポール空港では、ヨーロッパ最大の電気バス258台が運行されており、乗客の飛行機への乗り換えや地域の移動に利用されています。現在、オランダでは1,000台以上の電気バスが運行されています。この数は5年以内に約20％増加すると予想されています。

電気バスは海外でも利用されています。スイスの保養地ツェルマットでは、1988年から温泉客を乗せて、車のない町の中心部を走っています。ジェノバとトリノでは、2002年から一部の路線で電気バスが運行されています。ドイツでは、ブラウンシュヴァイク市が2014年から、ミュンスター市とベルリン市が2015年から電気バスを運行しています。今日現在、ドイツでは676台の電気バスが走っています。しかし、さらに3,100台の電気バスの運行が予定されているため、この数は大幅に増加するでしょう。カリフォルニア州では、スクールバスの一部が電気で動いています。ロンドンでは2013年から電気バスが導入されており、2037年までにバスの全車両を電動化する予定です。

電動トラックは、今は、都市中心部での流通、たとえばスーパーマーケットへの配送や宅配便に使われるのが一般的です。それは、電動トラックが長距離を走れないからです。

建設用および農業用機械の電動モデルが、ますます多く使われるようになっています。たとえば、ホイールローダー、自走式飼料混合機です。さまざまなトラクタメーカーが、まもなく発表されるモデルを開発中です。いくつかの大型の建設用機械、たとえばダンプカー、セメントミキサーは、すでに電気で駆動されています。リンクスというダンプカーがスイスで使われています。それは、採石場から谷の下まで石を運びます。最大積載時の重量は123トンあります。リンクスが谷を下るときには、次に山を登るのに十分な電気を発電します。ジョンディアの944、あるいはキャタピラーのD7Eは、電気パワートレインを装備した、現状で最大の建設機械で、いずれもハイブリッドです。

現時点では、バスまたはトラックのような電動商用車は、1回の充電で200～300kmの距離を走行可能です。その航続距離は、走行速度によって、また、暖房または空調の使用有無によって変わってきます。しかし、バッテリ容量が増加し、充電技術が進歩するにつれて、航続距離は長くなります。米国のメーカー、プロテラ社が記録を樹立しました。電動バスのカタリストE2マックスは、１回の充電で約1,800kmを走行しました。

長距離トラックの電動化は、困難な課題です。必要な車載バッテリは、まだ大きくて重すぎます。その解決策の一つは、架線から電気を供給することです。車両は、電気で駆動されると同時に、バッテリを充電します。全面的な架線のネットワークは必要ありません。高速道路の一部区間にあればよいのです。パンタグラフを装備したトラックが、2016年からスウェーデンで道路を走行しています。このコンセプトは、ドイツでも実験が行われています。最初は、2018年末にシュレースヴィヒ＝ホルシュタイン州で、さらに、2019年からは、フランクフルトとダルムシュタットの間の高速道路でも実施されます。

長距離に対するその他の解決策は、燃料電池の利用でしょう。すでに、いくつかのメーカーがテスト車両を開発中です。その利点は、車両のアンダーボディに、いくつかの水素タンクを設置できることです。その重量は、同程度の航続距離を実現するバッテリよりも軽くなります。しかし、今のところ、そのためのサービスステーションは、ごくわずかしかありません。

したがって、現在は、長距離トラックのCO₂排出量削減について、一般的には、それ以外の方法の実験が行われています。一つの選択肢としては、隊列走行があります。これは、自動化され、ネットワーク化されたトラックが、隊列を組んで相互に近接して走行するというものです。これにより、交通の流れが円滑になり、燃料を節約し、二酸化炭素のような温室効果ガス排出を低減します。北米貨物運送効率化協議会（NACFE）の計算では、隊列走行により、燃料消費量を1台当たり最大10%低減できるということです。

電動バス、トラック、その他の商用車は、現時点では、内燃機関の車両と比べてデメリットがあります。今のところ、まだ電動車両のほうが高価です。また、現状では、1回の充電で内燃機関の車両よりも短い距離しか走行できません。したがって、電動バスは、ほぼ例外なく都市で使われています。航続距離を長くするためには、より大きいバッテリが必要です。バスやトラックを充電するためには、給油よりも長い時間が必要です。また、充電インフラが十分に整備されていません。ディーゼル駆動のトラックは、どこのガソリンスタンドでも給油できますが、電動トラックの運転手は、適当な充電ステーションを探して、そこへ行かなければなりません。

商用車の場合は、その他にも、電気自動車にはない課題を解決しなければなりません。第一に、商用車は重いので、より大きくより強力なバッテリが必要です。さらに、乗用車よりも耐故障性が必要です。建設用または農業用の商用車は、強い振動にさらされます。

ノロノロ運転、加速と減速の頻繁な繰り返しは、電動バスがよく直面する問題です。また、バスは、走行距離が長く、1日の走行時間も長くなります。「平均すれば、少なくとも100kmの距離を10時間走行します。これに対して、乗用車の平均は、50km、1時間です」とインフィニオンのパワーエレクトロニクスエキスパート、マーティン博士（Dr. Martin Schulz）は説明しています。したがって、商用車の部品に要求される寿命は、約60,000時間ですが、乗用車の部品の寿命は、8,000時間です。さらに、バスは、サービス寿命の間の総走行距離がはるかに長くなります。バスは、一般的には100万km以上走行しますが、乗用車の場合、最大でも20万kmです。これらの要因が、すべて車載のパワーエレクトロニクスに影響します。電子部品にも、より高い堅牢性と耐久性が求められます。

快適性への要求も、電動バスに困難な課題をもたらします。バッテリの電力を暖房や空調に使えば、航続距離が短くなります。この問題に対応するためにも、電動モデルは、より強力で大型のバッテリを必要とするでしょう。あるいは、温度を調節する革新的なソリューションを発明しなければなりません。

特に電動バスで大きな課題の一つが、バッテリの充電です。「エネルギー補給中」には走行できません。 しかし、何時間も運行を休止することもできません。バッテリが大きければ大きいほど、1回の充電での航続距離が長くなります。しかし、バスの収容能力、すなわち座席の数が少なくなり、さらに重量も大きくなります。さらに、車両が重くなれば、より多くのエネルギーが必要になります。

メーカーやサプライヤーは、バッテリおよび充電テクノロジーの効率化に注力しています。マーティン シュルツ博士の説明によれば、それらの会社は数百kwhのエネルギーを非常に短時間で充電できる良い方法を研究しているところです。さまざまなアプローチがありますが、それぞれにメリットとデメリットがあります。

一つの可能性として考えられるのは、バス停留所で乗客が乗降する間にバッテリを少しだけ充電することです。この場合は、小型バッテリを使用できます。しかし、短時間のうちに大量の電気をバッテリに供給しなければならないので、バッテリに重い負担がかかります。代替案としては、路線の途中または終点に充電ステーションを設置して、そこでバスが少し長い時間、たとえば30分間停車して充電することが考えられます。それにしても、運転手のスケジュールには、そのための休憩時間を見込んでおかなければなりません。あるいは、車庫に充電インフラを整備する方法もあります。この場合、バッテリは夜間にだけ充電します。そのメリットとしては、新しい充電ステーションが不要で、低速充電でバッテリの負担が少なくてすみます。しかし、大容量で大型のバッテリが必要です。中国の一部の電動バスでは、「バッテリ交換」システムを採用しています。サービスステーションで、空になったバッテリを充電済みのバッテリと交換するというものです。

その他にも困難な課題があります。電動商用車の充電システムに関する国際標準規格が、まだ存在しないことです。欧州および北米は、中国や日本とは異なるシステムを利用しています。現在は、さまざまな可能性を試したり検討したりしているところです。どのシステムが頂点に立つのか、まだわかりません。しかし、いずれの方式でも、パワー半導体に対する要求は高度なものになっています。

インフィニオンは、電動商用車の実現に向けて、さまざまな方法でサポートします。商用、建設用、農業用車両事業部の活動分野には、バンおよびバス、さらに農業用機械および建設業で使われる大型車両が含まれています。

たとえば、世界中の地域的公共交通機関の電動化によって、CO2排出量を削減することが大きな目標です。しかし、商用車の電動化のためのパワー半導体については、広範囲にわたってさまざまな要求事項があり、容易に適合できるものではありません。重要な要因の一つが、電子部品に求められるサービス寿命です。多くの商用車は、過酷な環境で働かなければなりません。強い振動は特に問題になります。バスを振動から保護することも、確かに意味があります。しかし、悪路や採石場での酷使に耐える建設機械では、振動はきわめて重要な問題です。インフィニオンが安定性を向上し、かつ、きわめて厳しい要求に適合する半導体を開発しているのはそのためです。PrimePACK™およびEconoDUAL™ 3のようなパワーモジュールは、特に、過酷な環境で使用する商用車の負担に耐え、さらに、振動による機械的ストレスにも対応するように設計されています。たとえば、インフィニオンは、特に小型で信頼性が高く、しかも、きわめて困難なアプリケーションで使われるインバータシステムの製作をサポートしています。

バッテリの容量とサービス寿命を拡大することも重要です。バッテリは、車両の中で大きなスペースを占めており、また原価を押し上げる要因の一つでもあります。したがって、その容量を最大限に活用するためには、高効率のパワーエレクトロニクスが必要です。たとえば、 SiC（シリコンカーバイド）による最先端のコンポーネントを提供することにより、インフィニオンは、より高効率の商用車の実現、さらには、その航続距離の拡大を支援します。

しかし、それを達成するためには、車両そのものだけでなく、それに適した充電インフラも必要である、とマーティン シュルツ博士は言っています。したがって、インフィニオンは、充電をより高速に、より高効率にするための開発を行っています。SiC（シリコンカーバイド）およびGaN（窒化ガリウム）のような材料を使えば、従来の材料よりも小型で高効率のコンポーネントの製造が可能になります。現在の充電性能は最大350kWですが、その高性能化によって、バッテリ充電に長時間待たされることは、すぐに過去のものになります。

将来は、電動商用車を道路上で見かけることがますます多くなるでしょう。マッキンゼーの調査によれば、バンやトレーラートラックのような電動トラックは、2030年には全市場の約15%を占めると見られています。その調査では、中国および欧州の都市での小型の電動商用車の割合は、35%になると予測しています。調査会社のブルームバーグ・ニュー・エナジー・ファイナンス（BNEF）は、2040年までに、世界中の都市で走行するバスの80%が電動化されると予測しています。

その他にも、開発を支持するトレンドがあります。たとえば、トラックが自動運転して、他のトラックとネットワーク化するようになれば、隊列走行が可能になり、エネルギーを節約できます。高性能で安価なバッテリは、充電時間の短縮、航続距離の延長を実現します。これについて、ダイムラー・トラックが計算をしています。同社の予測によれば、電動トラック向けバッテリの価格は、2025年には、1997年に比べて60%低下し、€500/kWhから€200/kWhになるとのことです。この期間のうちに、エネルギー密度も80Wh/kgから200Wh/kgに増加すると見られています。環境にやさしくて効率的な駆動テクノロジーのさまざまなメリットに加えて、バッテリが高効率化して、高速に充電できるようになれば、電動商用車はさらに魅力的になります。

更新：2021年7月