バッテリーの完璧な開発と統合

バッテリーの完璧な 開発と統合 エンジニアリング上の課題を克服し、 EV バッテリーのイノベーションを 加速する方法 SNS でフォロー Accelerating Engineering Transformation www.LifecycleInsights.com

バッテリーの完璧な 開発と統合 目次 03 EV メーカーに求められる迅速な技術革新 04 賢いバッテリー選択を求められる EV メーカー 05 バッテリーの安全性は最優先事項 06 イノベーションの遅延を招く不十分なコラボレーション・プロセス 07 EV メーカーの従来のアプローチは的外れ 08 モデルベースの設計とシミュレーションによる設計の向上 09 コラボレーションの向上が設計の質向上につながる 10 EV メーカーは製品ライフサイクル全体を通してバッテリー の持続可能性を向上させなければならない 11 まとめと推奨事項 02 バッテリーの完璧な開発と統合 Accelerating Engineering Transformation

EV メーカーは、既存の車両設計に 新しいバッテリーを組み込むために、 複雑なエンジニアリング上の課題を いくつも克服しなければなりません。 EV メーカーに求められる迅速な技術革新 自動車・輸送機械業界は、排ガス量の削減、資源消費の削減、より持続可 これらのイノベーションの必要性を認識することと、それを達成すること 能な車両を開発するよう、顧客、規制当局、その他の関係者から強く求め は、まったくの別物です。複雑なエンジニアリング上の課題がいくつもあ られています。排気管からの排出ガスをゼロにし、再生可能なエネル るため、新しいバッテリーを既存の車両設計に効率的に組み込むことが ギー源を使用して充電できる電気自動車(EV)は、そういう意味では、業 困難になっています。エンジニアは、バッテリーのエネルギー要件と電力 界で最も旬なテーマとなっています。近年、EV の普及率は大幅に高まっ 要件を特定し、適切なパッケージングを選択し、熱性能を管理し、そして ており、市場は急速な成長を遂げています。しかし、EV メーカーは、EV 何よりも、バッテリーが車両に安全に組み込まれるようにしなければなり の普及を加速し、新しいバッテリー規制に対応し、業界の持続可能性目 ません。これらの要件により、開発プロセス全体を通じて、関係者が組織 標を達成しなければならないという課題を抱えています。 を横断して効果的にコラボレーションすることが不可欠になります。 EV の持続可能性を向上させるために、これらの企業はイノベーションの この e ブックでは、これらの課題を検討し、バッテリーの統合に対する業 ペースを速める必要があり、車両の走行距離、安全性、充電速度、バッテ 界の従来のアプローチを検証し、モデルベースの設計およびシミュレー リー寿命を向上させなくてはなりません。また、バッテリーの取り付けや ション・ソリューションの利点を探ります。 取り外しを容易にし、交換やリサイクルを簡素化して、廃棄物を削減する 必要もあります。さらに、EV の普及を促進し、実際に応用したときに収益 を上げることができるように、コストを削減する必要があります。しかし、 Accelerating Engineering Transformation バッテリーの完璧な開発と統合 03

賢いバッテリー選択を求められる EV メーカー EV の性能向上は、バッテリーのエネルギー密度、電力供給能力の向上と 密接に関係しています。しかし、それらを改善するプロセスは複雑です。EV バッテリーの設計者と統合担当者は、EV のエネルギー要件と電力要件を 決定する必要がありますが、その要件は、目的とする車両の走行距離、加 速のニーズ、全体的な性能目標に応じて違ってきます。エネルギー要件に よってバッテリー・パックの容量が決まり、電力要件によって、需要の高さ に応じた電流の供給能力が決まります。しかし、単純にバッテリー・パック のサイズを大きくすると、車両の重量が大幅に増えてしまいます。 適切なバッテリー・タイプを選択することも重要なのです。EV は通常、エ ネルギー密度が高く、電力出力が良好で、ライフサイクルが長い液体リチ ウムイオン電池に依存しています。しかし、リチウムイオン電池設計の化学 的性質は大きく変動するため、それぞれの設計に応じてメリットとトレー EV メーカーに求められる ドオフがあります。また、全固体リチウムイオン電池は、液体電池に比べて EV の走行距離と電力の向上 エネルギー密度が高く、充電速度も速くなりますが、まだ開発の後期段階 にあります。これらの先進的な選択肢が増えており、EV メーカーにとって の選択肢が増えていくことになるでしょう。したがって、EV メーカーは、車 容量 電力 容量 電力 容量 電力 両に適したバッテリーを選択する際に、コスト、安全性、材料の入手しやす さも考慮する必要があります。 より適切で持続可能な EV の開発期間を短縮するためには、EV エンジニ アはエンジニアリングのトレードオフを効果的に進め、最終的にバッテリ ーの最適な電力要件とエネルギー要件を特定できなければなりません。 そのため、開発プロセスのできるだけ早い段階で、バッテリーの種類と仕  図 1 様について十分な情報を得たうえで決定する必要があります。 EV の普及を加速し、市場で際立つためには、EV メーカー は、EV の走行距離、加速度、全体的な性能を最適化するため に、エンジニアリングのトレードオフを慎重に進める必要があ ります。 04 バッテリーの完璧な開発と統合 Accelerating Engineering Transformation

より強力で効率的、持続可能な EV バッ テリーの設計は、EV メーカーにとって 方程式の一部にすぎません。これらの イノベーションを追求するだけでなく、 バッテリーの安全性を最大限に高める 設計上の選択も必要です。 バッテリーの安全性は最優先事項 より強力で効率的、持続可能な EV バッテリーの設計は、EV メーカーに EV バッテリーの安全性、性能、寿命を向上させる効果的な熱管理も、設 とって方程式の一部にすぎません。これらのイノベーションを追求するだ 計の重要な側面です。極端な温度では、バッテリーの容量と出力が低下 けでなく、バッテリーの安全性を最大限に高める設計上の選択も必要で し、効率が悪くなるため、バッテリーの寿命が短くなり、性能に悪影響が す。当然ながら、バッテリー内部の構成要素がどのように相互作用するか 及ぶ可能性があります。温度の問題は、許容できない安全上のリスクに を明確に把握することで、これらの選択肢がシンプルになります。しかし もなり得ます。過度の熱によって熱暴走が発生すると、バッテリーが損傷 設計者は、最高レベルの安全性を維持するために、バッテリー・システム するだけでなく、短絡、火災、爆発などの重大な問題を引き起こすリスク が車両の他のシステムとどのように相互作用するかについても考慮する も生じます。 必要があります。 このような故障や危険を避けるために、EV メーカーは、高度な冷却シス 結局のところ、EV バッテリー・パックの設計は、電力を供給する車両の設 テム、断熱材、難燃性素材、温度センサー、保護回路などの安全メカニズ 計から切り離すことができないのです。エンジニアは、車両の物理的ス ムを採り入れる必要があります。 ペースを最大限に活用できるようにバッテリー・パックの設計を調整する 必要があるため、重量配分や衝突時の安全性などの要因を考慮する必要 があります。 Accelerating Engineering Transformation バッテリーの完璧な開発と統合 05

イノベーションの遅延を招く不十分な コラボレーション・プロセス EV エンジニアが社内外の関係者と EV 企業が直面している最大の課題の 1 つは、バッテリーそのものという よりは、統合プロセスに関係することです。バッテリーの統合を成功させ うまく連携できれば、開発の初期段 るには、電気、機械、電子機器、ソフトウェア、およびシステム・エンジニア 階で設計上の矛盾を特定・対処しや リング、熱管理、電気化学、バッテリー・テクノロジーなどの専門知識が必 すくなります。 要です。このような専門知識は部分的に社内に存在することもあるでしょ うが、EV メーカーは、効率性と信頼性の高いバッテリー・システムを開発 し、統合するために、バッテリー・サプライヤー、自動車エンジニア、業界 の専門家と共同作業する必要があります。バッテリー開発会社と連携しな がら独自のバッテリーを設計することもあるでしょうが、その際には、さら に広範なコラボレーションが必要になります。 このような関係者間における作業分担を管理することは、バッテリー・シ ステムの高度化に伴い、ますます困難になっています。EV メーカーが作 業を調整できない場合や、効果的にコラボレーションできない場合、設 計上の矛盾が発生する可能性が高くなります。これらの矛盾は、得てし て、EV エンジニアがプロトタイプを作成する準備ができた後、つまり設計 プロセスの後半になるまでわかりません。そうなった場合、コストと時間 を余計に消費する手戻りが必要になり、プロジェクト予算が膨れ上がり、 期限に間に合わなくなるリスクが増大します。 しかし、EV エンジニアが社内外の関係者とうまく連携できれば、開発の 初期段階で設計上の矛盾を特定・対処しやすくなります。その結果、各分 野の関係者は、プロトタイプ作成やテストを開始する前に必要な調整を 行うことができ、関連コストを削減し、設計関連の遅延の可能性を最小限 に抑えることができます。 06 バッテリーの完璧な開発と統合 Accelerating Engineering Transformation

汎用的なツールを使用すると、重要な製品 データが失われたり古くなったりする危険が あります。その結果、関係者が設計変更を見 落としたり、間違った部品や材料を調達した りすると、設計の構成要素の位置ずれやそ の他のエラーにつながる可能性があります。 EV メーカーの従来のアプローチは的外れ 多くの点で、電気自動車が広く普及し、自動車・輸送機械・モビリティ業界 つながる可能性があります。プロトタイプの失敗、時間のかかる再設計、 の持続可能性への取り組みが成功するかどうかは、EV バッテリー設計に および過剰なテストコストが発生する可能性が高くなります。さらに、こ 関連する複雑なエンジニアリング上の問題を解決できるかどうかにかか れらのツールでは、設計プロセス中に関係者が EV の持続可能性を大幅 っています。しかし、バッテリーの選択、統合、テストに対して従来のアプ に改善できるような知見を得ることができません。その機会を逃すと、開 ローチを採っているようでは、解決することはできません。 発者がバッテリーの寿命やリサイクル性などの持続可能性の重要な要 素を改善するスピードが遅くなります。 従来のアプローチの 1 つは、バッテリー・パック・システムの設計、車両設 計、シミュレーション、バッテリー・パック・システム統合に別々のポイント・ EV メーカーがバッテリー統合へのアプローチとして最新のものを採用 ソリューションを使用するというやり方ですが、これでは、分野間のコラボ しないのであれば、EV の革新性、そこから派生する EV の普及は、自動 レーションが困難です。また、多くの企業は、製品要件や設計変更を管理 車・輸送機械の会社や政府の規制当局が想定している目標よりも遅くな するために、共有ドキュメントやスプレッドシート、電子メール、データ ります。将来の EV の開発に必要な設計改善を達成するために、これら ベースなどの汎用的なツールを使用しています。しかし、これらのツール の企業には、より高度なツールが必要なのです。 を使用すると、重要な製品データが失われたり古くなったりする危険があ ります。その結果、関係者が設計変更を見落としたり、間違った部品や材 料を調達したりすると、設計の構成要素の位置ずれやその他のエラーに Accelerating Engineering Transformation バッテリーの完璧な開発と統合 07

モデルベースの設計とシミュレーションによる設計の向上と高速化 EV メーカーは、EV イノベーションのペース向上に適したツールと手法 さらに重要なポイントは、EV エンジニアがコストと時間のかかる を採用することで、最も差し迫ったエンジニアリングの課題に対処でき 物理テストへの依存を減らすと同時に、これらの目標を達成するう ます。その手法の 1 つが、モデルベースの設計とシミュレーションです。 えで、モデルベースの設計とシミュレーションが役に立つというこ この手法を採用することで、次のことが可能になります。 とです。  初期のプロトタイプ設計を改善することで、プロトタイプ作成とテス モデルベースの設計とシミュレーションにより、EV メーカーは、 トのコストを削減 バッテリー・パックを含む EV 設計の正確なデジタル表現を作成  反復作業の高速化 し、その動きをシミュレートすることができます。設計者は、モデル の性能を仮想的に評価できるため、物理的なテストよりもはるか  EV 性能の最適化 に速く挙動を把握することができます。また、エンジニアは、極端 な温度やその他の危険な状況でもバッテリー・パックが適切に動 作するように、さまざまな動作条件をシミュレートすることもでき ます。設計段階の早い段階でこれらの洞察を得ることで、関係者は より十分な情報に基づいて設計上の決定を下すことができます。 その結果、従来の方法よりもはるかに迅速に、実物の再現度が高 い初期プロトタイプを作成できます。 さらに、モデルベースの設計とシミュレーションにより、EV 設計の 全体的な持続可能性が向上します。EV エンジニアは、特定の設計 開発者は、特定の設計の電力出力や充 の電力出力や充電速度をシミュレーションすると同様に、さまざま な設計(または単にさまざまな材料)がバッテリー・パックの安全 電速度をシミュレーションすると同様に、 性、熱特性、性能、再利用性にどのような影響を与えるのかをシ さまざまな設計(または単にさまざまな ミュレーションすることもできます。これにより、バッテリーの設計 材料)がバッテリー・パックの寿命、再利 と統合の細部が確定する前に、持続可能性を重視した選択を行う ことができます。 用性、リサイクル性にどのような影響を 与えるのかをシミュレーションすることも できます。 08 バッテリーの完璧な開発と統合 Accelerating Engineering Transformation

設計変更を伝達し、重要な製品デー タを共有する従来の方法では、関係 者が正確で最新の情報に基づいて設 計を決定することはまずできません。 コラボレーションの向上が設計の質向上につながる バッテリーの設計と統合の複雑さに伴い、チームと他の業界関係者との いて、設計上の意思決定を下すことができます。これにより、プロトタイプ 間で分野の壁を越えた広範なコラボレーションが必要です。しかし、従来 作成やテストに入るかなり前に、設計上の問題を特定して解決できるた のコラボレーション・アプローチでは、これらの関係者はバッテリー・パッ め、初期設計を改善し、障害が発生したり、広範囲にわたって手戻りが発 クの設計、統合、持続可能性を効率的に改善することができません。その 生したりする可能性を最小限に抑えることができます。 結果、今日の EV 企業が直面しているエンジニアリング上の課題に対応 するには不十分なプロセスとなります。その代わりに、設計時に性能、コ コラボレーションの向上は、単に初期設計を改善するだけではありま スト、持続可能性に関する多くのトレードオフを関係者が確認できるよう せん。変更管理プロセスもシンプルで効率的になります。設計変更の原 な、より効率的なコラボレーション方法を確立する必要があります。 因が、新しい性能要件、材料調達の問題、設計の矛盾のいずれであって も、EV エンジニアは迅速な調整を行い、他の関係者が下流への影響を 今日のモデリング・ソリューションとシミュレーション・ソリューションは、 認識できるようにする必要がありますが、コラボレーション関連のツール 重要な製品情報を共有し、コラボレーションを向上させるためのより良 と実践を改善すれば、設計と変更の管理プロセスのスムーズさと透明性 い方法を提供します。これらのソリューションは、チーム・メンバーをサイ が向上するため、プロトタイプ作成、テスト、再設計のコストを削減すると ロから解き放ち、プロセス全体を通して設計の反復作業を完全にリアル 同時に、イノベーションを促進することができます。 タイムで可視化します。その結果、常に最新かつ正確な製品情報に基づ Accelerating Engineering Transformation バッテリーの完璧な開発と統合 09

EV メーカーは製品ライフサイクル全体を通して バッテリーの持続可能性を向上させなければならない 効率と性能を向上させるだけでは、EV バッテリーの持続可能性の向上 サプライ・チェーンと物流を確立することができます。また、製造プ としては不十分です。EV メーカーは、製品ライフサイクルのすべての段 ロセスが最初からリサイクルをサポートするように、生産設備を計 階をより持続可能なものにする必要があるため、設計の寿命とリサイク 画することもできます。 ル可能性を考慮する必要があります。これらは、設計段階で考慮する必 要があります。つまり関係者は、それぞれの設計上の決定が、ライフサイ LCA ソリューションで EV の持続可能性を向上させるには、より クルの各段階で持続可能性にどのような影響を与えるのかを理解する 効率的な性能を発揮するバッテリーを設計し、組み込むこと、さら 必要があります。従来の設計アプローチでは、このような知見をプロセス に、バッテリーをリサイクルしやすくすることが必要です。これらの の初期段階で得ることは不可能です。 成果を追求することは、EV 企業の競争戦略の中核的となるべき 要素です。EV 企業がバッテリーのライフサイクルの各段階で持続 高度な設計プラットフォームに組み込むことができるライフサイクル評価 可能性を向上させることができれば、市場での優位性を高めるこ (LCA)ソリューションにより、バッテリーの統合を担当するエンジニアは、製 とができます。しかし、持続可能性を向上させるために高度なツー 品ライフサイクルの各段階で設計上の選択を行ったときに、持続可能性に ルやアプローチを採用する EV メーカーが増えているなか、その どのような影響を与えるかを調査できます。このようなソリューションを使 流れに乗らない企業は取り残される危険があります。 用することで、エンジニアは、持続可能な材料を優先し、リサイクルしやすい  図 2 持続可能性の評価は開発の早い段階で実施する必要がある EV の普及を加速し、市場で際立つためには、EV メーカーは、EV の走行距離、加速度、全体的な EV の持続可能性 性能を最適化するために、エンジニアリングのト の 80% はこの レードオフを慎重に進める必要があります。 フェーズで決まる 設計 材料調達 バリデーション 調査/テスト 生産 10 バッテリーの完璧な開発と統合 Accelerating Engineering Transformation

まとめと推奨事項 今日の EV メーカーは、バッテリーの性能と持続可能性をいかに大 幅に向上させられるかを競い合っています。そこで成功するかどうか バッテリー統合を担当するエンジニア が、EV の普及ペースを速め、それと同時に、自動車・輸送機械業界が が、従来から使ってきたツールや手法 環境目標をできるだけ早く達成できるかどうかの決め手となります。イ ノベーションのスピードが速ければ速い程、競争相手が多く、競争の激 で製品を設計しているようでは、コス しい市場で優位に立つことができるでしょう。しかし、バッテリー統合 ト高を招き、イノベーションが捗らな を担当するエンジニアが、従来から使ってきたツールや手法で製品を いという複雑なエンジニアリングの課 設計しているようでは、コスト高を招き、イノベーションが捗らないとい う複雑なエンジニアリングの課題を克服することは到底できません。 題を克服することは到底できません。 市場での優位性を確立し、EV の普及を促進し、コストを削減しながら 持続可能性を向上させるために必要なレベルとイノベーションのペー スを達成するために、EV メーカーは次の推奨事項を考慮するべきだ と考えます。  EV バッテリー開発、特にバッテリー・パックの設計と統合に関する 組織のアプローチとソリューションを調査し、競争上の弱点を特定 する  デジタル・エンジニアリング・ソリューションがコラボレーションの プロセスと成果をどのように改善できるかを調べる  モデルベースの設計、シミュレーション、および LCA ソリューション によって、バッテリーの設計、性能、統合、および持続可能性をどの 程度、改善できるかを判断する Accelerating Engineering Transformation バッテリーの完璧な開発と統合 11

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