2050年カーボンニュートラルに向けた電動化に関する研究開発

1.　はじめに

世界のCO₂排出量はおよそ320億トンで，そのうちの約11億トンが日本の排出である。その中でエネルギー転換部門の直接排出量の比率は約40％であり，運輸部門の比率が約17％と高く，合わせると約57％にも達する。日立が考える電動化社会では，2050年のカーボンニュートラルの実現に向けて，太陽光や風力といった再生可能エネルギーを増やすなど，ゼロエミッション電源比率の向上と合わせて電動化率を高め，生産，運用，廃棄に至るまでのライフサイクルの脱炭素化の実現をめざしている。

2.　電動化の課題

日本では，震災以降のゼロエミッション電源比率が約16％と低水準であり，EU（European Union）の約57％や中国の約27％に比べて大きく遅れている。一方，世界各国では生産過程や物流からのCO₂排出量の低減に着手しており，ゼロエミッション電源化とともに各社会インフラの電化，電動化がますます求められ，これまで以上に再生可能エネルギー起因の電力売買や太陽光発電などを率先して利活用しやすい地域エネルギーのプラットフォームの進化が必要となる（図1参照）。

世界各国および日本では，2050年のカーボンニュートラルの実現に向け，遅くとも2030年代半ばまでに乗用車の新車販売をすべてEV（Electric Vehicle：電気自動車），HV（Hybrid Vehicle：ハイブリッド車），PHV（Plug-in Hybrid Vehicle），FCV（Fuel Cell Vehicle：燃料電池車）などの電動車にするなど，各産業分野で具体的な目標を設定し，達成に向けてあらゆる政策手段を実行するとしている。英国では2030年から，米国や中国でも2035年までに電動車以外の販売を禁止する計画である。

電動車のCO₂削減効果を試算すると，例えば2030年の世界新車販売台数の24％を占めるとされるガソリン車をEVへ転換できれば，年間で約0.89億トンのCO₂削減が可能であり，日本の年間総排出量約11億トンに対して約8％の削減効果が期待できる。さらに，電動車の導入が進むと，搭載電池を地域エリアでつなげて利用することで，不安定な再生可能エネルギーの蓄電や電力の安定化機能を持たせ，ゼロエミッション電源比率の向上にも貢献できると考えられる。

本稿では，このような電化，電動化製品の普及を加速するために，消費電力を低減する高効率モータ技術や充電の不安を解消する短時間充電を実現するインバータ技術，さらに需要の増加や多様性が求められる電力配電設備向け電力変換技術を紹介する。

図1｜地域エネルギーのプラットフォームの進化 再生可能エネルギー発電サイトや需要家サイトには，蓄電池や自営線が接続されたPCSとEV充電器，空調用の高圧インバータを設置し，負荷と協調した電力融通を行う。

3.　高効率モータ技術

3.1　高回転化によるモータの高出力密度化

電動車の普及には，既存の自動車のプラットフォームや電池搭載スペースの確保のため，レイアウト自由度の向上や小型かつ高出力密度であることが求められている。出力密度向上のための手段として，高回転化が有効であるが，回転速度の2乗で大きくなる遠心力の増加による回転子強度の確保や，高回転化に伴って大きくなる振動騒音の対策などが課題となる。

回転子強度とモータ特性を両立するための設計手法として，回転子応力と磁界解析を併用したローゼンブロック法による最適化計算手法を構築した。この手法を用いて最大トルク155 N・m，最高回転速度2万2,000 r/min，出力150 kWの埋め込み磁石型同期モータを設計・試作評価した。試作した実機の外観を図2（a）に示す。回転子は，スピンテストにより破壊限界予測値2万7,300 r/minを確認した。また，図2（b）に示すとおり，すべての動作領域内でトルクリプル4.5 N・m以下を実現できた。

また，高速モータの振動騒音低減手法として，同期PWM（Pulse Width Modulation）制御のキャリア位相シフト技術を開発した。モータの振動要因として，モータの形状起因のトルク脈動と電流起因のトルク脈動がある。それらの位相は動作点によって変わるため，時に同位相となってトルク脈動を大きくさせる場合がある。これに対し，積極的にインバータのキャリア電圧の位相を変化させ，常にトルク脈動を小さくする位相に制御する技術を確立した。前述の高速モータに本制御手法を適用した結果，1万9,500 r/min（基本波1,300 Hz）で53％の脈動低減を確認した^1）。

図2｜電動システム向け高速モータ試作機の外観と試験結果 試作した高速モータのベンチ試験時の外観を示す。ジャケット水冷，回転子温度測定用のスリップリングを備えている。回転子には，多目的関数で最適化した埋め込み磁石型回転子構造を採用した。トルクリプルは全動作点において5 N・m以下を実現した。

3.2　新構造・新材料の適用によるモータの高効率化

モータの効率を改善するためには発生する損失を低減する必要がある。モータの損失はコイル抵抗に比例する銅損と，鉄心の材料に依存する鉄損が大部分を占める。電動車向けモータはすでに効率が90％以上を達成しているものも多いが，100 kWを超えるシステムでは1％の損失が1 kW以上の発熱となるために徹底した効率の改善が求められている。

銅損を低減する手法として溶接レス平角線コイル構造を開発した^2）。これまでの電動車向けモータでは，コイルを固定子コアに挿入した後に，ひねって溶接する複雑な工程を必要としたが，提案手法では導体断面比率の大きなコイルをシンプルな工程で組み立てられるため，銅損の低減と工数低減，不良率の低減が期待できる。

鉄損の低減では，低損失な素材の適用検討を進めている。アモルファス系金属は，モータに使用される軟磁性材料の中で飛び抜けて損失が低い材料である。これまで，加工が困難であるためにモータに利用されてこなかった経緯があるが，プレスで打ち抜き加工できる手法を構築した［図3（a）参照］。プレス加工されたアモルファス金属を適用したモータを実機評価した結果，対象とした電磁鋼板製のモータと比べて，動作点の全領域でモータ効率を向上できることを実証した［図3（b）参照］。

図3｜プレス加工したアモルファス金属を用いたモータ固定子外観と試作機の効率評価結果 プレスで打ち抜き加工したアモルファス金属箔帯を接着積層して，ブロック組み立てした固定子鉄心を示す。アモルファス金属を適用した試作機の効率評価では，電磁鋼板製の従来機に比べて全領域で効率が改善できた。

4.　インバータ技術

4.1　両面冷却技術による高出力密度化

4.2　新構造の絶縁材料適用による充電時間の短縮

5.　再生可能エネルギーと電動化システムを連携する電力変換技術

5.1　再生可能エネルギー発電と需要家をつなぐ需給電力統合制御

脱炭素化には，再生可能エネルギーの大規模導入とともに電動車への急速充電に必要な数百キロワット級の大電力を世界中で安定的に供給する必要がある。都市部では，空調，エレベーターやEVの急速充電などで生じるピーク電力の抑制がますます重要となり，系統安定化に加え需要家の電気料金低減が課題となる。郊外では再生可能エネルギー導入が進むが，再生可能エネルギーを高く売買したい発電事業家とゼロエミッション電源比率を高めたい需要家を効率よくつなぐことが課題となる。

そこで，再生可能エネルギー発電サイトと需要家サイトでは，自営線による電力融通や蓄電PCS（Power Conditioning System）などを利用した需給電力統合制御によるピーク電力の抑制が必要となる。この需給統合制御は，再生可能エネルギー発電の電力供給パターンから発電量を予測するとともに需要家の各設備の需要パターンを予測し，需給バランスと電気料金最小化を満たすように各変換器や蓄電池，自営線で融通する電力を最適に制御する（図1参照）。

5.2　DC配電を牽引する高周波SST技術

6.　おわりに

本稿では，環境価値と経済価値を両立する電動化社会の実現に向けた高効率モータ技術や充電の不安を解消するインバータ技術，ゼロエミッション電源の普及を促進する高周波SST内蔵電力変換技術について述べた。

今後，これらの基盤技術をさらに改良することで，2050年のカーボンニュートラルの実現に向けて環境負荷を低減する製品を提供していく。