特許出願がEV用バッテリーの将来への手がかりを提供

私たちは現在、内燃機関 (ICE) 車両からバッテリー電気自動車 (BEV) への歴史的な移行の準備段階にいます。 移行には費用がかかり、多くの点で困難になるでしょう。 イノベーションによってこの移行が緩和されるはずです。 最近提出された特許出願は、BEV イノベーションの方向性についてのヒントを提供する可能性があります。

解説

米国特許出願のほとんどは、出願後すぐに米国特許商標庁 (USPTO) によって公開されます。 この記事では、USPTO の特許出願のみに焦点を当てていますが、これらの出願には BEV のイノベーションだけでなく、世界中の他の特許庁で出願された特許も反映されています。

米国特許は、その所有者に、その特許の対象となる製品を米国内で他人が製造、使用、販売、輸入することを阻止する権利を付与します。 特許は、その製品が特許を知らずに作成されたかどうかに関係なく、競合製品に対して主張することができます。 特許は非常に価値があり、その所有者によって訴訟、第三者へのライセンス供与、またはその他の手段を通じて悪用される可能性があります。

BEV は完全に電気によって駆動されます。 BEV パワートレインには通常、充電式バッテリーと電気モーターの間に電気的に接続されたトラクション インバーターが含まれています。 バッテリーは DC 電源を供給します。 電気モーターの動作には AC 電源が必要です。 トラクション インバーターは、バッテリーからの DC 電力を電気モーター用の AC 電力に変換します。 トラクション インバーターは、電気モーターの速度とトルクも制御します。

バッテリーは、BEV パワートレインの最も重要かつ高価なコンポーネントです。 バッテリーは、コスト、再充電時間、エネルギー密度、電力密度、安全性、寿命などの多くの要素によって特徴付けられます。 バッテリーの小型化と軽量化により、BEV のコストと重量が削減されます。 しかし、小型バッテリーではドライバーの航続距離に対する不安を和らげるのに必要な容量が不足します。

現在、BEV にはリチウムイオン電池が好まれています。 2022年に、米国にリチウムイオン電池を製造するための新しい工場を建設する計画が多数のプレスリリースで発表された。 このような発表は、国産BEVバッテリーに重点を置く米国のインフレ抑制法が可決された直後に増加した。

リチウムイオン電池は、電解質、アノード、カソードで構成されています。 電解質は、バッテリーの充電または放電中にアノードとカソードの間でイオンが交換される場所です。 電解質と電極 (つまり、アノードとカソード) にはいくつかの異なる材料を使用できますが、それぞれに独自の長所と短所があります。 これらには次のものが含まれます。

USPTO データベースによると、リチウムイオン電池に関連する米国特許出願は合計 4,301 件あります。 これらの特許出願の多くは、リサイクル方法やモニタリング方法など、リチウムイオン電池の周辺側面を対象としている可能性があります。ただし、4,301 件の特許のほとんどは、リチウムイオン電池の組成、構造、製造方法を対象としています。

4,301 件の特許出願のうち 40% 近くが過去 5 年間に出願されたものであり、リチウムイオン電池技術の革新が急速に進んでいることを示唆しています。 これはまた、近い将来、リチウムイオン電池が BEV において重要な役割を果たすことを示唆しています。 以下のグラフは、過去 5 年間に米国で提出されたリチウムイオン電池関連の特許出願の出願国別の地理的内訳を示しています。 2017年から日本はリチウムイオン電池の開発で主導的な役割を果たしているようだ。

リチウムイオン電池技術の重要性にもかかわらず、米国特許商標庁は、全固体電池などの代替電池技術を対象とした米国特許出願の割合が増加していることを認識しています。 リチウムイオン電池とは対照的に、全固体電池は固体電解質を使用してアノードとカソードの間でリチウムイオンを移動させます。 固体電解質は、より高いエネルギー密度、より長い寿命、より優れた安全性を備えたバッテリーを提供します。 ただし、全固体電池を大規模に製造する場合の価格と複雑さについては、いくつかの懸念があります。

USPTO データベースによると、全固体電池に関連する米国特許出願は合計 1,302 件あり、そのうち 74% 近くが過去 5 年間に出願されています。 以下のグラフは、過去 5 年間の全固体電池特許出願の出願国別内訳を示しています。 繰り返しになりますが、日本は全固体電池の開発をリードしています。

トラクション インバーターは、BEV ドライブ トレインのもう 1 つの重要かつ高価なコンポーネントです。 前述のように、トラクション インバータは、電気モーターを動作させるために DC 電力を AC 電力に変換します。 トラクション インバータは通常 3 つの相またはレッグを含み、各相にはローサイド スイッチに接続されたハイサイド スイッチが含まれ、その組み合わせはバッテリーの正端子と負端子の間に直列に接続されます。 スイッチがオンになると電流が流れます。 スイッチは、マイクロプロセッサまたは同様のデバイスから起動信号を受け取ります。 ハイサイドとローサイドのスイッチが協調して作動することにより、各相のステータ巻線に電流が流れ、ロータと相互作用する回転磁界が生成されます。 ローターはドライブシャフトにトルクを発生させます。

スイッチは、トラクション インバータのコスト、サイズ、重量、電力密度、効率に大きく影響します。 シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) は現在、トラクションインバータで使用されるスイッチとして好まれています。 シリコン IGBT は安価で豊富にあるため、トラクション インバータでの使用に適した代替品となっています。 スイッチング速度が遅い場合、シリコン IGBT も優れた効率を提供します。 ただし、トラクション インバータは現在、シリコン IGBT の効率が低い、より高いスイッチング速度で動作するように設計されています。 これにより、シリコン IGBT が使用されているトラクション インバータの全体的な効率が低下します。 より高いスイッチング速度で動作するシリコン IGBT を冷却するには、より大規模な熱管理システムも必要になる場合があり、その結果、トラクション インバータのコスト、重量、サイズが増加します。

USPTO データベースには、IGBT に関連する米国特許出願が合計 586 件あり、そのうち 31% は過去 5 年間に出願されたものです。 以下のグラフは、最近提出された IGBT 特許出願の出願国別の内訳を示しています。 過去 5 年間、中国と米国が主導的なイノベーターとなっているようです。

現在までに、炭化ケイ素 (SiC) および窒化ガリウム (GaN) 金属酸化物電界効果トランジスタ (MOSFET) が、シリコン IGBT の好ましい代替技術として登場してきました。 これらの半導体デバイスは、より低いスイッチング損失でより高いスイッチング速度 (高電圧でも) で動作できるため、発熱が少なくなり、熱管理システムの要件、サイズ、コストが削減されます。

USPTO データベースによると、SiC トランジスタに関連する米国特許出願は合計 1,412 件あります。 これらの特許出願のほぼ 35% は過去 5 年間に出願されました。 米国と中国がIGBT関連の技術革新で先頭に立っている一方、日本企業は過去5年以内の関連特許出願の59％を取得したSiCトランジスタにより重点を置いているようだ。

一方、米国企業はGaNトランジスタ技術により重点を置いているようだ。 USPTO データベースによると、GaN トランジスタに関連する米国特許出願は合計 1,043 件ありますが、過去 5 年間に出願されたのはそのうちの 17% のみです。 これは、トラクションインバータの IGBT の代替として使用するには、GaN トランジスタよりも SiC トランジスタの方が好ましい可能性があることを示唆しています。 以下のグラフが示すように、過去 5 年間に米国特許出願の半分以上が GaN トランジスタに向けられているため、米国出願人は別の考えを持っている可能性があります。

要約すると、BEV パワートレインの革新を対象としたかなりの数の特許が最近米国で出願されています。 短期的にはリチウムイオン電池が BEV に最適な電池になると思われますが、最近出願された特許出願件数が比較的多いことから、固体電池が実行可能な代替電池である可能性が示唆されています。 シリコン IGBT は現在、トラクション インバータで使用するパワー トランジスタとして選ばれています。 しかし、最近出願された比較的多数の特許出願は、SiC および GaN MOSFET が IGBT よりも優れていることを強く示唆しています。

—サム・キャンベル、クリストファー・ケント、 そしてエリック・スティーブンソン彼らは、ウォンブル ボンド ディキンソンのエネルギー チームのメンバーです。

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