【自動車用語辞典:電動部品「キャパシタ」】エネルギーを静電気の形で蓄える2次電池の代替装置

■容量は2次電池に劣るが充放電速度は速い

●マツダやホンダがエネルギー回生に利用

燃費向上に有効な減速エネルギー回生は、通常は発電機でエネルギーを回収して2次電池に蓄電します。マツダやホンダなどの一部モデルでは、蓄電池としてリチウムイオン電池ではなく電気二重層キャパシタ(以下キャパシタ)を使っています。

応答性良く充放電ができるキャパシタについて、解説していきます。

●キャパシタは2次電池と何が違う?

自動車用の電池は、正極と負極で別々に起こる酸化・還元反応を利用した「化学電池」で、充電による蓄電ができる2次電池です。

充電することによって電気エネルギーを化学エネルギーの形で蓄え、放電時には化学エネルギーを再度電気エネルギーに変換して、充放電を繰り返します。

キャパシタは、静電気の形でエネルギーを蓄え、化学電池に対して「物理電池」と呼ばれます。活性炭(多孔質の炭素)の正負の極板と電解液の界面に生じる電気二重層に電荷を蓄える蓄電デバイスです。

2次電池に比べエネルギー密度は低い(容量は小さい)が、出力密度が大きく充放電速度が速いのが最大の特徴です。また化学反応でないので、劣化しづらく耐久信頼性に優れています。

各種電池のエネルギー・出力密度
各種電池のエネルギー・出力密度

●キャパシタの作動原理

キャパシタは、正極と負極、電解液、セパレータで構成されます。

電極は、アルミ薄膜の集電体の上に活性炭の合剤を塗布したもの、電解液は有機溶剤系、セパレータは薄い不織布です。

電極を電解液に浸し、電圧を印加すると電解液中のイオンは電極と電解液の界面に集まり、電気二重層を形成します。形成された電気二重層が誘電体として働き、電荷を蓄え充電します。

放電の場合は、電気二重層がなくなり正極近傍に存在した-イオンが液中に拡散、負極近傍に存在した+イオンも液中に拡散するという仕組みです。

電気二重層の形成や拡散は非常に速い反応であるため、急速な充放電ができます。

キャパシタの作動原理
キャパシタの作動原理

●マツダの適用例

充放電速度が速いキャパシタを採用することによって、減速エネルギー回生を効率的に行うことができます。ただしエネルギー密度(容量)は小さいので、回生した充電電力でモーターアシストするマイルドHEVやモーター走行ができるフルHEVには使えません。

あくまでも、電装品の電源として発電の負荷を軽減するのが目的です。

マツダの減速回生システム「i-ELOOP」は、オルタネーターとキャパシタ、DC-DCコンバーター、現行の鉛電池で構成されます。

減速時には、12~25V可変電圧オルタネーターでエネルギー回生の電力をキャパシタに充電します。キャパシタの電力は、DC-DC変換器で安定した12Vに降圧して電装品に電力を供給、また鉛電池の充電も行います。加速時や通常走行時には、オルタネーターの発電を止めて負荷を軽減します。このとき電装品の電力は、キャパシタから供給します。

i-ELOOPでは、減速時に10秒程度充電すればキャパシタは満充電になり、この電力で電装品を約1分程度動作できます。


キャパシタの最大の特徴は、二次電池に比べて応答良く充放電でき、劣化が少ないことです。1回の減速でより多くの電力を回収できるので、HEVのように大容量のモーター/発電機やリチウムイオン電池を使わなくても、効率的な減速エネルギー回生ができます。

エンジン車の燃費向上手法として有効ですが、リチウムイオン電池を使ったシンプルなマイルドHEVも登場し、安くないキャパシタの存在感を示すのは難しくなっています。

(Mr.ソラン)

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