｢MHEVプラス･テクノロジー｣により、部分的な電気走行でさらに高い効率を実現｡CO2排出量を削減し､性能と走行快適性を向上させる
「プレミアムプラットフォーム燃焼 (PPC)」をベースとする新型「アウディA5」および「アウディQ5」シリーズで、アウディは新しい「MHEVプラス・テクノロジー」を搭載した初の燃焼エンジンを発表した。
「パワートレインジェネレーター (PTG)｣｢ベルトオルタネータースターター (BAS)｣｢リン酸鉄リチウムバッテリー」間のユニークな相互作用により、48Vのマイルドハイブリッドシステムは、内燃機関をサポートし、二酸化炭素排出量を削減すると同時に、パフォーマンスと俊敏性を向上させる。
完全に連結することも、連結を解除することもできるPTGは、統合されたパワーエレクトロニクスと電気モーターを備え、部分的な電気走行を可能にする。これにより消費電力が削減され、よりスムーズなドライビングが可能になる。
アウディAGの技術開発担当取締役会メンバーであるジェフリー・ブーコ氏は「新しいMHEVプラス技術により、お客様のニーズに合わせたプレミアムプラットフォーム燃焼をベースとする新しい内燃エンジン車の電動化を推進していきます。
MHEVプラスは、電気自動車、プラグインハイブリッド車、効率的な内燃機関搭載車といった魅力的な機能を備えています。MHEVプラスは、部分的な電気走行、電気ブースト、効率と快適性の大幅な向上といった魅力的な機能を提供します」
新型アウディA5とQ5に搭載されるマイルドハイブリッドシステムは、パワーエレクトロニクスと永久励磁同期モーター(PSM)を統合したコンパクト設計の新型パワートレインジェネレーター(PTG)、48Vバッテリー、ベルトオルタネータースターター(BAS)の3つの主要コンポーネントで構成されている。
48Vシステムのコンポーネントは、最適な動作条件を達成するために液冷されている。MHEVプラスシステムのアーキテクチャーは、プレミアム・プラットフォーム燃焼(PPC)ベースのフロントおよびクワトロ・ドライブトレインを備えたさまざまなモデルに組み込むことができる。
パワーエレクトロニクスと電気モーターを状況に応じて液冷することで、コンポーネントを最適な作動条件で作動させ、あらゆる作動状態においてパワーとトルクの要求を満たすことができる。新しいMHEVプラス・テクノロジーは、純粋な電気運転状態を可能にし、内燃機関をサポートすることもできる。このシステムにより、パフォーマンスと俊敏性が向上すると同時に、燃料消費量とCO2排出量が削減される。
【写真6枚】ドライビングの快適性を向上させる｢MHEVプラス･システム｣
追加の強力な駆動モジュールとしてのパワートレイン･ジェネレーター
もうひとつの大きなメリットは、MHEVプラス・システムがパフォーマンスとドライビングの快適性を向上させることだ。新しいMHEVプラス・システムのコンパクトかつ強力な電気駆動モジュールは、パワートレイン・ジェネレーター(PTG)だ。
このコンポーネントは、これまでアウディが提供してきたベルトオルタネータースターターのみで作動するMHEVテクノロジーとの最大の違いでもある。PTGは、トランスミッションの出力軸に直接パワーエレクトロニクスを組み込んだコンパクトなユニットに搭載され、最大18kW(24PS)の電力をドライブに供給することが可能だ。
このモジュールは、トランスミッション出力で最大トルク230Nmを可能にし、車両が始動したときにすでに駆動トルクとして利用可能だ。PTGのコンパクトなトランスミッションの変速比は3.6:1だ。MHEVプラスは最高速度140km/hまでPTGを利用し、最大限の効率を実現。
それ以上の車速では、PTGは内蔵のドッグクラッチを介してドライブトレインから切り離される。PTGの重量は約21kgで、出力シャフトで最大5,550回転/分を可能にする。車両と駆動方式にもよりますが、これは時速130-140kmに相当する。
トランスミッションの出力に電気モーターを組み込むために必要なスペースは、周囲の部品やコンポーネントを最小限の修正で、既存の車両トンネルの境界内に作られた。ギアボックスの真後ろに配置することで、いくつかの利点が得られる。
PTGから供給される18kWの駆動力または回生ブレーキによる最大25kWの電力は、それ以上の損失なしにアクスル出力で直接利用できる。この構成により、PTGは前輪駆動車と全輪駆動車のいずれにも、モジュール方式で改造なしに使用することができる。システムの高い快適性要件を満たすためには、電気モーターのトルク、電流、速度を正確に制御しなければならない。
動作温度範囲はマイナス40度からプラス75度に及ぶ。ウォータージャケットが電動モーターを取り囲み、コンパクトで高度に統合されたパワーエレクトロニクスを冷却する共通冷却水回路は、省スペースのために電動モーターに直接取り付けられている。高性能パワーモジュールは、パワーエレクトロニクス内のヒートシンクを取り囲むように配置されている。中間回路のコンデンサは、省スペースで熱的に最適な方法でヒートシンクに囲まれている。
顧客の要求に焦点を当てた開発
アウディは、予想される顧客要件に照準を合わせてMHEVプラス・テクノロジーを開発したという。第一世代のスタート-ストップまたはマイルドハイブリッド化で利用可能な従来のドライブトレインは、車両が停止しているときのエンジン停止、惰性走行、エンジン停止時のフリーホイール、12Vまたは48Vのエネルギー回収といった主要な効率コンポーネントに依存している。
新技術による電動化の度合いが高まる主な利点には、スタート・ストップ操作の利便性の向上、排出ガスを出さない惰性走行、エネルギー回収、電動駐車や操縦などの部分的な電動走行、燃焼エンジンの電気的サポートによる性能向上などがある。
これにより、たとえば市街地をゆっくり走るときや、市街地以外の道路で交通量が少ないとき、あるいは隣町に近づくときなど、より長い時間内燃機関を停止したまま、純粋に電気のみで走行することが可能になる。さらに、PTGは低速域でも最大230Nmの駆動トルクを発揮するため、車両の発進レスポンスが大幅に改善され、より自発的になります。その結果、応答性が著しく向上し、特に発進時の最初の数メートルで敏捷性が明らかに向上していることがわかる。
0～最高140km/hの速度域では、PTGが内燃エンジンをサポートする。つまり、MHEVプラスは最大18kWの追加電気出力を提供し、内燃エンジンを可能な限り効率的に作動させることができる。この速度域では、車両が停止する直前まで、PTGは回生ブレーキによって最大25kWのエネルギーを回収できる。
混合可能な統合ブレーキ制御システムにより、通常は摩擦ブレーキを使用することなく、プレッシャーフリー・ブレーキと最適な回生ブレーキが保証される。電気式エアコン・コンプレッサーのおかげで、MHEVプラスは、赤信号での待ち時間など内燃エンジンが停止しているときでも、エアコン・システムの連続運転が可能だ。
BAS､リチウムイオンバッテリー､iBRS：理想的な組み合わせ
MHEVプラステクノロジーの一環として、ベルト・オルタネーター・スターター(BAS)はエンジンを始動し、バッテリーに電気エネルギーを供給する役割を担っている。ベルト駆動は、ピニオン・スターターよりも音響的な利点があり、内燃エンジンの高い始動速度を実現。その結果、消費効率が向上し、始動時の快適性が高まり、ベルト・オルタネーター・スターターは、エンジンのスイッチを切ったときにそのエネルギーを回収し、シリンダーを再始動に最適な位置に配置することができる。
リン酸鉄リチウム(LFP)製リチウムイオンバッテリーの蓄電容量は37A時で、1.7kWh(グロス)弱に相当する。最大放電出力は24kWである。可用性、出力、トルクに対する要求から、バッテリーは低温水冷回路に組み込まれており、摂氏25度から60度の範囲で最適な状態を保つことができる。アウディがマイルドハイブリッドシステムにLFPバッテリーを採用するのは今回が初めてだ。
統合ブレーキ制御システム(iBRS)は、エネルギー回収において重要な役割を果たす。MHEVプラステクノロジー搭載モデルでは、iBRSがプレッシャーフリーのブレーキングを保証し、機械式ホイールブレーキを使用せずに回生ブレーキによって必要な減速を実現。機械式ブレーキがかかるのは、ブレーキ・ペダルを強く踏み込んだときだけだ。このため、ブレーキのフィーリングに影響はない。
洗練されたMHEVプラスの操作戦略
ハイブリッドシステムでは、経験則によれば、50-60％に充電されたバッテリーが最も効率的に機能する。これは、電気モーターに大電流を供給し、エネルギー回収時に大充電電流を蓄えることができるからである。ハイブリッド・システムの焦点は、電気走行距離ではなく、バッテリーを急速なサイクルで放電・充電することにある。これにより、可能な限り多くのエネルギーを回収し、素早く効率的に駆動に再利用することができる。
MHEVプラス・テクノロジーでは、制御ソフトウェアが車両の運転状態を評価し、内燃エンジン、PTG、BASの最適な相互作用を実現する。この目的のために、2つの電気モーターを最適に使用するための特性値と、推進またはエネルギー回収に必要なトルクの望ましいレベルが保存される。
バッテリーの充電状態も考慮される。目標は安定した運転であり、制御システムは状況に応じて異なる結果を達成する。これは、追加の電気駆動装置の運転戦略が、それぞれの内燃機関に合わせて最適化されるからである。その結果、ドライビング・ダイナミクスを損なうことなく、可能な限り低い消費量を実現する。
運転戦略には、選択されたトランスミッションモードとアクセルペダルのモジュレーションが考慮される。たとえば、ドライビング・モードDでは、最大18kWの追加電力がパワートレイン発電機によってフルに供給されるのは、アクセルペダルの約80％またはキックダウン時のみだ。
ドライビング・モードSでは、18kWの追加電力は、アクセル・ペダル値が低いときにすでに利用可能だ。Dでは、高速道路や市街地以外の道路を内燃エンジンで一定速度で走行する際に、PTGの電気モーターの電気的損失を防ぐために、85km/hからPTGを切り離すことができる。一方Sでは、PTGは最大許容エンジン回転数である5,550rpmまで連結されたままとなり、いつでも自発的な応答性を可能にする。
走行モードDとSに関しては、特に48Vバッテリーの目標SoC(充電状態)に関して、運転戦略が異なる。Dでは、平均SoCが50-55パーセントで、部分的な電気走行に至るまで、内燃機関の電気的サポートに十分なエネルギーを利用できる最適なバランスとなっている。このSoCは、信号待ちや市街地への進入時に発生する、緩やかで長いブレーキング・フェーズで回収される大量のエネルギーを貯蔵するのにも十分である。
Sでは、約70％という高い目標SoCを設定することで、よりスポーティな走行のために内燃機関を電気でサポートするための利用可能なエネルギー量を確保している。ご想像の通り、スポーティなドライビングではブレーキング・フェーズがより短く、より激しくなるため、回復するエネルギーが少なくなる。
パワートレイン・ジェネレーターの使用は、ドライビング・ダイナミクスの面でもメリットがある。トルクが追加され、すぐに利用可能になるため、車両は負荷の変化により自発的に反応し、コーナーからより俊敏に加速することができる。DモードとSモードでは、荷重変化の種類も異なるように調整され、Dモードではより快適なハンドリングが、Sモードではより応答性の高いダイナミックなハンドリングが可能になる。
MHEVプラスを搭載したモデルは、たとえば街中に差し掛かったときに純粋に電気のみで走行し、PTGの助けを借りて速度を維持することもできる。ドライバーまたはアダプティブ・クルーズ・コントロール(ACC)が必要とするパワーが一定値を超えると、内燃エンジンが始動し、推進力を引き継ぎます。始動のしきい値は、48Vバッテリーの現在のSoCと車速に依存する。
現在のSoCが目標SoCを下回ると、燃焼エンジンのスイッチが早く入る。一方では、電気駆動のための追加エネルギー消費を避け、SoCをさらに下げるためである。一方、内燃エンジンは、BASとPTGと連携して電力を増加させることにより、必要に応じてSoCを再び増加させることができる。これは、電動操縦、徐行運転、駐車などには当てはまらず、かなり低い充電状態で維持することができる。
現在のSoCが目標SoCを上回っている場合、内燃エンジンのスイッチは後で入る。そうすることで、48Vバッテリーは目標SoCに向かって放電し、将来のエネルギー回復段階で十分なエネルギーを吸収できるようになる。車速が上がると、内燃エンジンに電力を要求する閾値が下がる。簡単に言えば、速度が上がれば上がるほど、内燃エンジンの電力が増えるということだ。
パワートレインによる効率向上は、タンクにあるものと組み合わせることで、車両全体の航続距離を顕著に向上させる。このため、MHEVプラス・テクノロジーを搭載した車両は長距離移動にかなり適しており、その移動ははるかに快適になる。
