電気自動車の設計および開発に影響を与える5つの課題
シーメンスの自動車エンジニアリングの専門家による、電気自動車の設計と開発の課題に関する見解を共有します。
次回購入する自動車として、電気自動車を検討されたことはありますか？検討されたことがあるかもしれません。経済危機にもかかわらず、北米、欧州、中国の各市場では、電気自動車の需要が高まっています。そして、この需要に応えるのが自動車メーカーです。電気自動車 (xEV) のモデルやブランドの選択肢は、これまで以上に広がっています。新規参入企業は、既存の自動車メーカーと競合し、市場シェアを獲得しています。
電気自動車の設計および開発に影響を与える5つの課題とは？
車両の電動化により、競争のルールが一変しました。テスラの輝かしい成功により、xEV市場にモビリティの夢が叶う可能性があることが実証されました。ところがモビリティの夢を叶えることはそう簡単ではありません。この競争の激しい市場で成功するには、ひたむきに取り組む熱心さ、想像力、連携などが求められます。市場での競争に参戦する企業は、適切な商業戦略を展開後、自社のエンジニアリング手法とプロセスを見直し、スピーディーなイノベーションを取り入れる必要があります。
車両の電動化の動向によって、エンジニアリングの面で何が変わるでしょうか？電気自動車の設計と開発にあたり、エンジニアはどんな課題に直面するでしょうか？
今回は、自動車事業開発部門のディレクターであるSteven Domと、パワートレイン事業開発部門のディレクターを務めるWarren Seeleyにこの質問を投げかけました。2人は、自動車のエンジニアがすぐに対処する必要がある最優先課題を5つ挙げました。この記事で2人の専門的な見解を確認し、下のコメント欄で皆様の意見を共有いただければ幸いです。
課題1: 「正しい」車両アーキテクチャの選択
Steven Dom: 「電気自動車に関しては、車がどうあるべきかという先入観が一切ありません。従来の内燃機関自動車は、中心的な要素であるパワートレインを軸に構想されていました。設計エンジニアにとって、電気自動車ははるかに自由度が高いものとなります。この柔軟性は、大きな期待が持てるものであり、恐ろしいものでもあります。一方では、新興企業と既存の企業の両方から革新的なデザインが非常に豊富に提案されているのを目の当たりにするとワクワクします。中にはEVのアーキテクチャが柔軟であるからこそ可能な設計もあります。他方で、電気自動車により設計エンジニアの仕事は一変し、かつてないほど要求が厳しいものになります。
では、最もふさわしく適切に最適化されたアーキテクチャ、すなわちすべての要件を満たす「最善」のアーキテクチャをエンジニアが確実に選択できるようにするには、どうしたらいいのでしょうか？すべての選択肢を試すのは不可能です。第1に、選択肢の数が単純に多すぎます。第2に、市場投入期間も1分1秒を争う問題です。設計エンジニアには、最善のアーキテクチャを選択することはもちろん、それを速やかに選択することが求められます」
ジェネレーティブ・デザインから設計の最適化まで、エンジニアがEVデザインの未知の領域を探るために役立つツールが複数あります。
課題2: 人間中心の設計とエンジニアリング手法の採用
Steven Dom: 「未来の電動の移動手段が、移動方法だけでなく、人々の生活をいかに変えるか考えてみてください。 1世紀以上にわたって、自動車は単なる移動手段以上の役割を担っています。個人の移動手段に大きな影響を与え続けています。人間の住まいや都市の形を新たなものへと変えました。そして自動車マニアやモータースポーツ・ファンに楽しさや歓びを提供しています。
自動車は、言うまでもなく業界と経済の変革を加速するのに役立っています。しかしながら、世界は変化します。炭素排出が気候変動に与える影響、そして化石資源の枯渇は、経済的および社会的変化を推進します。人々の考え方も変化します。圧倒的存在感を放つ自動車はかつて、仕事での成功や自信を示す象徴でした。ところが現在の消費者は、V12エンジンの轟音を羨むのではなく、何より安全で乗り心地が良く、環境に配慮した自動車を求めています」
従来とは異なる方法で電気自動車の設計に向き合う
「電気自動車は従来の自動車とはまったく異なります。電気自動車は静かであるように設計されています。電気自動車の音は、エンジンの轟音、ピストンの音、吸気音や排気音で決まるわけではありません。アーティストや作曲家がこだわって考案した曲を加える余地があります。歩行者警告システムの需要を満たすだけでなく、モデルやブランドの個性を表現することを目的としています。
また、EVのボディには多数の革新的な機能が導入されています。航続距離の長い高級リムジンは通常、空気抵抗を減らすことが非常に重要な問題であるため、無駄のない滑らかでスリムな形状となります。そして、都市型モビリティ・ソリューションにとって重要なのは車内空間であり、カーシェアリング・ソリューションを、移動式の共有オフィスやリビングルームに変えることができます。設計に関しては、可能性は無限にあるように思えます。 ではメーカーが自由形式の設計の機会を完全に実現するにはどうすればよいのでしょうか？」
メーカーが設計の中心に置くべきは技術ではなく、人間のニーズと要望です。消費者のニーズと需要を重視しつつ、消費者の懸念に的確に対処する必要があります。
消費者の懸念に対処する
電気自動車を受け入れる消費者は増えているものの、EV技術を広く一般に普及するためには依然として大きな障壁があります。メーカーは、消費者のニーズを満たす車両を提供するために、その障壁を乗り越える必要があります。そのためには、航続距離、コスト、バッテリーの充電容量、充電時間などの特性のバランスをとる必要があります。DomとSeeleyは、消費者の高まり続ける要求について疑問を感じています。EV技術の領域において大きな進歩を遂げましたが、いくら進歩しても十分ではないように思われます。消費者は、内燃機関自動車 (ICE車) と同等以上の車両で満足するでしょうか？コンサルティング会社のデロイトは、楽観的な見解をいくつか示しています。
「今後数年間で、いくつかの障壁が完全に取り除かれると予想しています。EVの航続距離は、すでにICE車に匹敵しつつあります。さまざまな市場での補助金と総所有コストを考慮すると、価格はすでにICE車と同等になっており、購入できるモデルの数は増加しています」
出典: デロイト
デロイトは、充電インフラの不足を消費者の直近の最優先事項として挙げています。これは、消費者がEVを現実的な選択肢としてとらえ始め、所有する上での実用性を検討している可能性を反映しています。
消費者の期待を上回る
ただし、メーカーが未来の所有者、すなわちユーザーの懸念を見事に解消したとしても、暗黙の期待に応えるという課題は残っています。車両の自動化の度合いがこれまで以上に高まるにつれ、NVHエンジニアは快適性の定義を再考する必要に迫られています。技術の進歩にもかかわらず、NVHエンジニアは、ドライバーと同乗者にとって最も快適な乗り心地を実現するにはどうすればいいかという、この1つの問いに答えることをこれまで以上に求められています。人間がロボットタクシーと接するとき、彼らは安全で快適で心地よい乗車体験を期待するでしょう。安全性とは比較的客観的な基準であり、先進運転支援システム (ADAS) が積極的に対応している一方、快適性や乗り心地を定義するのは容易ではありません。
このトピックに関する詳しいインサイトについては、ブログ記事「電気自動車の音質エンジニアリングに人間中心のアプローチを適用する」をご覧ください。
課題3: 車両の熱特性の管理
Warren Seeley: 「快適さといえば、熱的快適性という複雑な問題に取り組んでみましょう。従来の車両では、熱的快適性に関する問題は簡単に対処できました。コックピットを暖めたり、フロントガラスの霜を溶かしたりすることにエンジンの熱が役立っていたのです。また、航続距離が問題になることがなかったため、バッテリーと電気システムは、必要な時にはいつでもシートを暖めたり、冷気を逃がしたりする役割を担っていました。しかしながら、航続距離を犠牲にすることなく、電気自動車の熱的快適性を管理するとなると、どうしたら良いでしょうか？また、乗客が震えるほど寒さを感じている状況で、バッテリーを過熱させずに、絶妙な熱分配を実現するにはどうしたらよいでしょうか？
車両開発のコンセプト段階で熱挙動の問題に取り組むことは、ブランドの成功に欠かせません。シーメンスの包括的なデジタルツイン・アプローチは、耐久性、NVH、ドライビング・ダイナミクスなどの他の重要な車両性能の属性に合わせ、エネルギー特性と熱特性のバランスをとります。
こちらのウェビナーをご覧いただき、EVが過酷な条件下でも性能を発揮できることをご確認ください。システム・シミュレーションと低次元モデリングの手法を使用してシステム性能を素早く検証。 数ある中でも特に、カリフォルニア州デスバレーの炎天下という過酷な状況下におけるEVの熱管理について取り上げています。
課題4: バッテリーの設計と統合を確立
Warren Seeley: 「EVメーカーはバッテリーにまつわる技術を自社で把握すべきでしょうか。それともサプライヤーの専門知識に頼るべきでしょうか。この問題は依然として答えが見つかっていません。EVメーカーは、さまざまな車両部品についてサプライヤーに大きく依存し、主にインテグレーターとして機能していることがほとんどです。この動向は逆転する傾向が見られ、メーカーは車両の大部分を自社で設計、開発しようとしていますが、バッテリーの設計と開発については依然として専門サプライヤー頼みの状況が続いています。
Fisker Inc.の創設者、会長兼CEO、Henrik Fisker氏は、戦略的自動車イニシアティブ担当バイス・プレジデントのEd Bernardonと対談を行い、次のように語りました。「今回、私にとっては、自動車を製造できることを誰かに証明することは重要ではありませんでした。私たちは、重要だと思う技術の多くを自社で保有することになるでしょう。[…] 空調の開発を自社で行う必要はないと考えています。空調はあくまでも商品なので。
当社はこれまでバッテリーに関して多数の研究を行ってきました。そして今は、固体電池の技術の登場はなく、スケールアップは難しいということを認識しました。したがって、今後も長期間にわたってリチウムイオン電池を使うことになります。つまり、セル製造技術を自社で保有する必要はないということです。むしろ、異なるバッテリー技術が少しでも改善されれば、それを受け入れたいと思っています。また、あるバッテリー・メーカーが十分に供給できるのであれば、他のメーカーを使うことができるように、自社のバッテリーをパッケージ化できるようにしておきたいと考えています」
繰り返しになりますが、コンポーネントの統合、特にバッテリーの統合が成功の鍵です。デジタルツインは、複数の設定や構成におけるバッテリー性能を早い段階で評価、比較することに役立ちます。
Henrik FiskerとEd Bernardonのポッドキャスト全編は、こちらからお聴きいただけます。
課題5: サプライチェーンの変化する状況への適応
Steven Dom: 「電気自動車のエンジニアリングと製造は、OEMとサプライヤーの関係を根本から変えています。まず、電気モーターに使用されている部品はわずか200個あまりですが、内燃機関には少なくとも4,000個の部品が使用されています。部品がこれほどまでに削減されたことで、メーカーにとっては数々のメリットがもたらされました。一方で、これは大幅なコスト削減につながる可能性があります。部品の購入コストが安くなるだけでなく、EVを生産することで、OEMがわずかなサプライヤーから部品を調達するようになるため、スケールメリットも期待できます。さらに部品点数が少ないことは、メンテナンスや全体的な所有コストにも影響をもたらします。1つのコンポーネントの交換がはるかに簡単になります。
サプライヤーにとってマイナスな点は、OEMとの結び付きがさらに強くなることです。例えば、Warrenが取り上げたバッテリーの統合に関する問題は、非常に重要な問題です。デジタルツイン・アプローチは、サプライヤーの意思決定を後押しするか、導きます。また、サプライヤーはOEMと同じシミュレーション・ツールを使用することが義務付けられます。要するに、かつてないほど統合が重要になっているということです」
もちろん、1つの方法でこれらすべての課題を対処することはできません。しかし、シーメンスでは、包括的なデジタルツイン・アプローチを採用することは、モビリティの未来に取り組むことに役立つと確信しています。シーメンスとの連携、技術移転のためのエンジニアリング・サービスの活用、デジタルツイン手法の導入は、成功への一歩となります。
電気自動車の設計と開発に関する課題への対応
包括的なホワイトペーパーをお読みになり、自社の電気自動車の設計とエンジニアリング・プロセスにデジタルツイン・アプローチを導入する方法をご確認ください。「包括的なデジタルツインの活用 –
Simcenterを使用して、電気自動車の性能エンジニアリングの複雑性を克服する」
