環境問題とエネルギー危機を背景に、新エネルギー自動車産業は急速な発展を遂げており、純電気自動車（PEV）は今後ますます重要な地位を占める見込みです。その中で、高電圧システムが駆動力を提供する一方、低電圧電源システムは車載機器の正常な動作を支える根幹的な役割を担っています。最近、『広西科技大学学報（Journal of Guangxi University of Science and Technology）』に掲載された研究は、低電圧電源管理の最適化に関する画期的なアプローチを発表し、エネルギー消費の削減と充電効率の向上に大きな可能性を示しています。この研究は、広西科技大学自動化学院および広西自動車部品・車両技術重点実験室の彭忛（Peng Fan）氏と羅文広（Luo Wenguang）氏が主導し、今後の電気自動車開発に深い影響を与えると期待されています。
低電圧電源管理の重要性：なぜ注目が集まるのか
純電気自動車の低電圧電源システムは、主に 12V リチウム電池によって駆動され、ブレーキ、ライト、ステアリングアシスト、空調、エンターテイメントシステムなど、車両の多くの重要機能に電力を供給しています。近年、車載電子機器の種類と数が急増するにつれ、低電圧システムのエネルギー消費量が全体のエネルギー使用量に占める割合が高まり、その管理効率が車両の航続距離、電池寿命、さらには走行安全性に直接影響を及ぼすようになりました。
「従来の低電圧電源管理方法は、車両の動的な走行状況や多様な負荷要求に十分に対応できていませんでした」と彭忛氏は説明します。「我々の研究は、負荷の分類、充電状態（SOC）の最適化、充電戦略の改良という 3 つの側面からアプローチすることで、エネルギーの無駄を最小限に抑えつつ、重要機能の安定性を確保することを目指しています。これにより、ユーザーはより安心して電気自動車を利用できるようになります。」
負荷分類：重要度に基づく合理的なエネルギー分配
研究チームは、車載電気機器をその機能と重要性に基づいて 4 つのカテゴリーに分類し、それぞれに優先順位を設定することで、エネルギーの効率的な分配を実現しました。
- 安全系負荷：ブレーキシステム、エアバッグ、ヘッドライトなど、車両の基本的な安全性を確保する機器が含まれます。これらは最優先度を持ち、電池残量が少ない場合でも必ず動作するように設計されています。
- 走行系負荷：ステアリングアシスト、トラクションコントロール、モーター管理システムなど、車両の走行性能に直接関連する機器です。急加速や急勾配の登坂などの critical な状況では、高い優先度が与えられます。
- 快適系負荷：エアコン、シートヒーター、ミラー除霜装置など、乗員の快適性を高める機器です。電池残量が不足した場合には、一時的に出力を低下させたり、停止させたりすることが可能です。
- 娯楽系負荷：オーディオシステム、ナビゲーション、USB 充電ポートなどで、優先度が最も低く、エネルギー節約のために必要に応じて切断される場合があります。
さらに、季節や天候による負荷の変動に対応するため、研究チームは加重係数を導入し、冬季の雪夜や夏季の雨夜といった極端な状況でのエネルギー消費を分析しました。これにより、システムはリアルタイムに負荷を調整し、重要機器に安定して電力を供給することができるようになります。
遺伝的アルゴリズムによる SOC 閾値の最適化
充電状態（SOC）とは、電池の残容量が総容量に占める割合を示す指標で、低電圧電源管理において核心的な役割を果たします。研究チームは、遺伝的アルゴリズムを活用して、SOC の 4 つの閾値を最適化することで、エネルギー消費を最小限に抑えることに成功しました。
遺伝的アルゴリズムは、自然界の進化プロセスを模倣した最適化手法で、多数の候補解の中から最適な解を探索する能力に優れています。今回の研究では、個体数 50、最大世代数 300、交叉確率 0.9、突然変異確率 0.001 というパラメーターを設定し、各世代での適応度（ここでは車両の総エネルギー消費量）に基づいて選択、交叉、突然変異を行うことで、SOC の閾値を反復的に改良しました。
最適化の結果、安全レベル 0（SOC 49.24%）では全ての負荷が動作可能であり、レベル 1（41.31%）では娯楽系負荷が停止し、レベル 2（35.20%）では快適系負荷が追加で停止し、レベル 3（12.64%）では走行系負荷の一部が制限されるという構成が得られました。「この閾値設定により、電池の残量に応じて段階的に非重要負荷を切断することができ、エネルギーを効率的に節約すると同時に、安全と走行の基本機能を確保できます」と羅文広氏は強調します。
4 段階定電流充電戦略：充電時間と効率の両立
低電圧リチウム電池の充電効率向上も研究の重点の一つでした。従来の定電流定電圧（CC-CV）充電法は、充電後半の電圧一定フェーズで充電速度が大幅に低下し、エネルギー損失が大きいという課題があります。そこで研究チームは、SOC に基づく 4 段階定電流充電戦略を開発し、この課題に対処しました。
この戦略では、充電過程を 4 つの段階に分け、それぞれで異なる定電流を適用します。初期段階では高い電流を使用して急速に充電を行い、SOC が上昇するにつれて段階的に電流を低下させることで、電池の過熱を防ぎつつ充電速度を維持します。また、充電段数が 5 段階以上になると制御が複雑になる一方で効果の向上が限定的であることを考慮し、4 段階を最適な構成として選定しました。
シミュレーションによる検証では、公称電圧 12V、容量 22Ah のリチウム電池を SOC 35% から 95% まで充電するのに、従来の CC-CV 法では 490 秒かかっていたのに対し、4 段階定電流法では 410 秒に短縮され、充電時間が約 16% 削減されると同時に、充電効率も向上することが確認されました。「この方法は、制御が簡単で実装が容易であり、実用化への道が開けています」と彭忛氏は述べます。
シミュレーション検証：多様な走行シナリオでの効果確認
研究チームは、AVL-Cruise と MATLAB-Simulink を組み合わせた連携シミュレーションにより、開発した低電圧電源管理戦略の有効性を検証しました。Cruise では純電気自動車の車両モデルを構築し、Simulink ではエネルギー管理戦略のモデルを作成し、両者を連携させることで、実際の走行状況を高精度に再現しました。
検証に使用した走行シナリオは、NEDC（ヨーロッパ新走行サイクル）、CLTC（中国軽自動車走行サイクル）、WLTC（世界統一軽自動車走行サイクル）、60km/h 定速巡航の 4 種類で、これにより多様な走行条件での性能を評価しました。その結果、どのシナリオにおいても、遺伝的アルゴリズムによる最適化後のエネルギー消費量が低減されることが確認されました。特に CLTC シナリオでは 3.34% の削減率を達成し、60km/h 定速巡航でも 0.81% の改善が見られました。
「これらの結果は、我々の戦略がさまざまな走行状況に適応でき、実際の車両に搭載することで明らかな効果を発揮することを示しています」と羅文広氏は語ります。「エネルギー消費の削減は、ユーザーにとっては航続距離の延長につながり、環境にとっては CO2 排出量の削減に貢献するという二重の効果があります。」
産業への影響と未来の展望
今回の研究成果は、純電気自動車の低電圧電源管理技術に新たな方向性を提示するもので、自動車メーカーにとってはコストを抑えながら車両性能を向上させる実用的な手段を提供します。低電圧システムの最適化は、高電圧システムの大規模な改良に比べて実装が容易であり、短期的に製品価値を高めることが可能です。
今後、研究チームは実車での検証を進めるとともに、機械学習を導入して走行パターンに応じた動的な負荷管理を実現する計画です。また、低温や高温といった極端な環境での性能評価や、長期使用による電池劣化への影響評価も進める予定です。
「電気自動車の普及は、単に高電圧バッテリーの性能向上だけでなく、全体のエネルギー管理システムの最適化によっても推進されます」と彭忛氏は結びます。「我々の研究が、より効率的で信頼性の高い電気自動車の開発に貢献できれば幸いです。」
著者について：
彭忛氏と羅文広氏は、広西科技大学自動化学院および広西自動車部品・車両技術重点実験室（中国・柳州）に所属しています。
論文情報：
Peng Fan, Luo Wenguang. “Study on optimal strategy of low-voltage power supply management for pure electric vehicles.” Journal of Guangxi University of Science and Technology, Vol. 35, No. 2, 2024 年 6 月. DOI: 10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.02.008.