ハイブリッド車のドライブトレイン

ハイブリッド車のドライブトレインは、ハイブリッド車の駆動輪に動力を伝達します。ハイブリッド車は複数の動力源を持ち、様々な構成が可能です。例えば、ハイブリッド車はガソリンを燃焼させてエネルギーを得ますが、電気モーターと内燃機関を切り替えて使用します。

典型的なパワートレインには、蓄積された位置エネルギーを変換するためのすべてのコンポーネントが含まれます。パワートレインは、推進力として化学エネルギー、太陽光エネルギー、原子力エネルギー、または運動エネルギーを使用します。最も古い例としては、蒸気機関車が挙げられます。最近の例としては、電動自転車やハイブリッド電気自動車が挙げられます。これらは通常、バッテリー（またはスーパーキャパシタ）と、バッテリーの充電または車両の駆動に使用できる内燃機関（ICE）を組み合わせています。他のハイブリッドパワートレインでは、フライホイールを使用してエネルギーを貯蔵できます。

様々なタイプのハイブリッド車がありますが、2017年現在、市販されているのは電気/内燃機関（ICE）タイプのみです。あるタイプは並列運転で、両方のモーターから同時に電力を供給します。別のタイプは直列運転で、一方のモーターが電力のみを供給し、もう一方のモーターが電気を供給します。どちらか一方のモーターが主動力を供給し、もう一方のモーターが主動力を補助します。

他の組み合わせでは、優れたエネルギー管理と回生による効率向上が期待できますが、コスト、複雑さ、バッテリーの制限によって相殺されてしまいます。内燃電気ハイブリッド（CE）は、内燃機関のみの車両よりもはるかに大容量のバッテリーパックを搭載しています。内燃電気ハイブリッドは、軽量で高いエネルギー密度を提供する一方で、はるかに高価なバッテリーを搭載しています。一方、ICE（内燃機関）は、電気システムを駆動し、エンジンを点火するのに十分な容量のバッテリーのみを必要とします。[ 1 ]

歴史

電気自動車は、ディーゼル・電気駆動システムのように内燃機関と電気トランスミッションを組み合わせた長い歴史を持っていますが、これまでは主に鉄道機関車に使用されていました。ディーゼル・電気駆動システムは、補助的な動力源ではなく、電気駆動トランスミッションが機械式トランスミッションを直接置き換えるため、厳密なハイブリッドの定義には当てはまりません。

ハイブリッド陸上車両の最も初期の形態の一つは、1935年から1948年にかけてアメリカ合衆国（ニュージャージー州）で行われた「無軌道」トロリーバス実験でした。この実験では、通常、牽引電流は電線を通して供給されていました。トロリーバスには内燃機関が搭載されており、牽引モーターの電力を生成するのではなく、機械式駆動系に直接電力を供給していました。これにより、トロリーバスはトロリー線のない場所でも営業運行が可能になりました。

1990 年代以降、緊急時やメンテナンスのために低速走行を可能にする小型の動力装置を備えたトロリーバス ハイブリッドが導入されましたが、一般の収益サービスには役立ちませんでした。

設計によるタイプ

パラレルハイブリッド

パラレルハイブリッド電気自動車の構造。灰色の四角は差動ギアを表しています。

パラレルハイブリッドシステムは、内燃エンジンと電気モーターの両方を搭載し、それぞれ単独で駆動することも、両方を組み合わせて駆動することもできます。2016年現在、最も一般的なハイブリッドシステムです。

軸（並列）で接続されている場合、その軸の速度は同一でなければならず、供給されるトルクは加算されます（ほとんどの電動自転車はこのタイプです）。2つの動力源のうち片方のみを使用する場合は、もう片方はワンウェイクラッチまたはフリーホイールを介して接続し、自由に回転できるようにする必要があります。

自動車の場合、2つの動力源を同じシャフトに供給することができます（例えば、エンジンとトランスミッションの間に電気モーターを接続するなど）。回転速度が等しくなり、電気モーターが必要に応じてシステムにトルクを増減することで、トルクが加算されます。（ホンダ・インサイトの最初の2世代はこのシステムを採用しています。）

パラレルハイブリッドは、動力を供給する異なるモーター間のバランスによってさらに分類できます。ICE が優勢になる場合（特定の状況でのみ電動モーターを作動させる）もあれば、その逆の場合もあります。また、電気システムだけで動作できるものもありますが、現在のパラレルハイブリッドは電気のみ、または内燃機関のみのモードを提供できないため、多くの場合、マイルドハイブリッドに分類されます（以下を参照）。

パラレルハイブリッドは回生ブレーキをより多く利用し、内燃機関（ICE）は補助的な充電のための発電機としても機能します。そのため、市街地のストップアンドゴー状況においてより効率的です。他のハイブリッド車よりも小型のバッテリーパックを使用します。ホンダの初期のインサイト、シビック、アコードなどのIMA搭載ハイブリッド車は、量産型パラレルハイブリッドの例です。[ 2 ]ゼネラルモーターズのパラレルハイブリッドトラック（PHT）およびBASハイブリッド車（サターン・ヴュー、オーラ・グリーンライン、シボレー・マリブなど）もパラレルハイブリッドアーキテクチャを採用しています。

スルー・ザ・ロード（TTR）ハイブリッド

もう一つの並列ハイブリッドは「スルー・ザ・ロード」型である。[ 3 ] [ 4 ]このシステムでは、従来のドライブトレインが一方の車軸を駆動し、もう一方の車軸を1台または複数台の電動モーターで駆動する。この配置は、初期の「オフトラック」トロリーバスで採用されていた。実質的に完全なバックアップ・パワートレインとして機能する。現代のモーターでは、回生ブレーキや巡航中の電動車輪への負荷によってバッテリーを充電することができる。これにより、パワーマネジメントがよりシンプルになる。このレイアウトには、状況によっては四輪駆動を実現できるという利点もある。 （この原理の一例としては、後輪で自転車に乗る人のペダルの力を補助するフロントハブモーターを備えた自転車があります。）このタイプの車両には、アウディ100デュオIIとスバルVIZIVコンセプトカー、プジョー3008、プジョー508、508 RXH 、シトロエンDS5（すべてPSAのHYbrid4システムを使用）、ボルボV60プラグインハイブリッド、BMW 2シリーズアクティブツアラー、BMW i8、第2世代ホンダNSXなどがあります。

シリーズハイブリッド

シリーズハイブリッド車の構造。灰色の四角は差動ギアを表しています。別の構成（図示なし）として、2輪または4輪に電気モーターを配置することもできます。

シリーズハイブリッドは、航続距離延長型電気自動車（EREV）[ 5 ] 、航続距離延長型電気自動車（REEV）、航続距離延長型電気自動車（EVER）とも呼ばれます。すべてのシリーズハイブリッドはEREV、REEV、またはEVERですが、すべてのEREV、REEV、またはEVERがシリーズハイブリッドであるわけではありません。特定の特性を持つシリーズハイブリッドは、カリフォルニア大気資源局によって航続距離延長型バッテリー電気自動車（BEVx）に分類されています。[ 6 ]

電気トランスミッションは1903年までに発明されました。機械式トランスミッションは、重量、大きさ、騒音、コスト、複雑さ、そしてギアチェンジのたびにエンジン出力を消費するというコストを伴い、マニュアルシステムとオートマチックシステムの両方に影響を与えます。内燃機関（ICE）とは異なり、電気モーターは通常、トランスミッションを必要としません。

パラレルハイブリッドと比較すると、エンジンと車輪間の機械的な伝達機構が廃止されています。エンジンは代わりに発電機として機能し、ケーブルを介してバッテリーに接続されます。エンジン、バッテリー、電気モーター、そして車輪という接続構造になっています。場合によっては、発電機がモーターに直接接続されていることもあります。

この直列配置は、ディーゼル電気機関車や船舶で一般的です（1903年に進水したロシアの河川船ヴァンダルは、世界初のディーゼル駆動船およびディーゼル電気駆動船でした）。フェルディナント・ポルシェは20世紀初頭、ローナー・ポルシェ・ミクスト・ハイブリッドなどのレーシングカーにこの配置を採用し、成功を収めました。ポルシェは、ホイールハブモーター配置を採用し、前輪2輪それぞれにモーターを搭載した このシステムを「システム・ミクスト」と名付け、速度記録を樹立しました。

シボレーボルトは主にシリーズハイブリッドとして動作します。

このアプローチにより、エンジンは需要から切り離され、最も効率的な速度でのみ動作できるようになります。エンジンは高速／加速に対応する必要がないため、はるかに小型化できます。トラクションモーターは通常、バッテリーのみで駆動されますが、外部電源からの充電も可能です。

日産のe-Powerライン（ノート、[ 7 ]セレナ、[ 8 ]キックス、[ 9 ]エクストレイル、[ 10 ]キャシュカイ）[ 11 ]は、エンジンを使用して発電機とEM57トラクションモーターを駆動します。[ 12 ]マツダのMX-30には、オプションでレンジエクステンダーが装備されています。[ 13 ] BMWのi3は、発電機をバッテリーにのみ接続しました。サンダーボルトハイブリッドトランジットバス[ 14 ]とBAEシステムズ（旧ロッキードマーティン）HybriDriveパワートレインを搭載したトランジットバスもシリアルハイブリッドです。[ 15 ] [ 16 ]

電動トラクションモーター

電気モーターは内燃機関（ICE）よりも効率が高く、高いパワーウェイトレシオにより幅広い速度範囲でトルクを発揮します。ICEは一定速度で旋回しているときに最も効率的です。

内燃機関（ICE）は発電機を作動させる際に最適に動作します。シリーズハイブリッドシステムは、ギアチェンジを回避することでよりスムーズな加速を実現します。シリーズハイブリッドには以下の機能が組み込まれています。

  • 電気牽引のみ - 車輪を回転させるために電気モーターのみを使用します。
  • ICE – 発電機のみを回転させます。
  • 発電機 – ICE によって回転し、電気を生成してエンジンを始動します。
  • バッテリー – エネルギー バッファー。
  • 回生ブレーキ - 駆動モーターが発電機となり、運動エネルギーを電気エネルギーに変換してエネルギーを回収し、車両の速度を落とし、熱損失を防ぎます。

加えて：

  • グリッドに接続してバッテリーを充電できます。
  • スーパーキャパシタはバッテリーを補助し、ブレーキからのエネルギーの大部分を回収します。

詳細

電気モーターへの電力供給は、バッテリーからの電力のみ、または内燃機関（ICE）によって駆動される発電機からの電力のみ、あるいはその両方から行われます。このような車両は、概念的にはディーゼル電気機関車にバッテリーを追加したものに似ています。バッテリーはICEを駆動させることなく車両に電力を供給し、加速して速度を上げるためのエネルギーバッファーとして機能します。発電機はバッテリーを充電すると同時に、車両を動かす電気モーターに電力を供給します。

車両が停止すると、内燃機関（ICE）はアイドリングストップ状態のまま停止し、バッテリーが停車中に必要な電力を供給します。信号待ちや低速で発進・停止を繰り返す車両は、停車中または低速走行中に燃料を消費する必要がないため、排出量を削減できます。

シリーズハイブリッドには、回生ブレーキエネルギーを蓄えるスーパーキャパシタまたはフライホイールを装備することができ、ブレーキシステムで熱として失われるエネルギーを回収することで効率を向上させることができます。シリーズハイブリッドでは、内燃機関（ICE）と車輪の間に機械的な接続がないため、エンジンは車速に関わらず一定かつ効率的に回転し、高い効率（ICEの平均20% [ 17 ]よりも高い37% ）を実現します。また、低速または混合速度では、全体的な効率が約50%向上する可能性があります（19%対29%）。

ロータスは、2つの速度で動作するエンジン/発電機セットの設計を提供し、統合された発電機を介して1,500rpmで15kW、3,500rpmで35kWの電力を供給し、[ 18 ]日産のコンセプトインフィニティエマージeで使用されました。

この動作プロファイルにより、マイクロタービン、[ 19 ]ロータリーアトキンソンサイクルエンジン、リニア燃焼エンジンなどの代替エンジン設計の余地が広がります。[ 20 ]

内燃機関の出力は、巡航速度における出力を比較することで電気エンジンとマッチングされます。一般的に、内燃機関の出力は瞬間（ピーク）出力として提供されますが[ 21 ]、実際にはこれらの出力は使用できません。

車輪を直接駆動する電動モーターの使用により、従来の機械式トランスミッション要素（ギアボックス、トランスミッションシャフト、ディファレンシャル）が不要になり、場合によってはフレキシブルカップリングも不要になります。

1997年、トヨタは日本で初めてシリーズハイブリッドバスを発売しました。[ 22 ] ニュージーランド、アシュバートンのデザインライン・インターナショナルは、マイクロタービン駆動のシリーズハイブリッドシステムを搭載した市街地バスを製造しています。ライトバスは、ジェミニ2やニュールートマスターなどのシリーズハイブリッドバスを製造しています。AFSトリニティは、改造されたサターン・ビューSUVに、スーパーキャパシタとリチウムイオン電池バンクを組み合わせたシステムを採用しています。スーパーキャパシタを使用することで、シリーズハイブリッド方式で最大150 mpgの燃費を実現していると主張しています。[ 23 ]

よく知られているシリーズハイブリッド車としては、レンジエクステンダーを搭載したBMW i3の派生モデルが挙げられます。シリーズハイブリッド車のもう一つの例としては、フィスカー・カルマが挙げられます。シボレー・ボルトはほぼシリーズハイブリッドですが、時速70マイル（約112km/h）を超えるとエンジンと車輪の間に機械的なリンクが設けられます。[ 24 ] [ 25 ]

航空業界ではシリーズハイブリッド方式が採用されています。シーメンス、ダイヤモンド・エアクラフト、EADSが設計したDA36 E-Starは、シーメンス製の70kW（94馬力）電動モーターでプロペラを回転させるシリーズハイブリッド方式を採用しています。出力を低下させるプロペラ減速装置は廃止され、燃料消費量と排出量を最大25%削減することを目指しています。搭載されている40馬力（30kW）のオーストロ・エンジン・ヴァンケル・ロータリーエンジンと発電機が電力を供給します。

ヴァンケルエンジンが選ばれたのは、小型で軽量、そして優れたパワーウェイトレシオのためである。（ヴァンケルエンジンは、発電機の運転に適した約2,000 RPMの一定速度で効率的に運転する。一定/狭い帯域を維持することで、自動車用途におけるヴァンケルエンジンの多くの欠点を相殺することができる。[ 26 ]）

電動プロペラモーターは、エンジンを停止した状態でバッテリーに蓄えられた電力を利用して離陸・上昇を行い、騒音を低減します。このパワートレインにより、機体の重量は前身機に比べて100kg軽量化されています。DA36 E-Starは2013年6月に初飛行を行い、シリーズハイブリッドパワートレインとしては史上初の飛行となりました。ダイヤモンド・エアクラフト社は、この技術は100席の航空機にも拡張可能であると述べています。[ 27 ] [ 28 ]

インホイールモーター

モーターが車体に取り付けられている場合はフレキシブルカップリングが必要ですが、トラクションモーターがホイールに一体化されている場合は必要ありません。デメリットとしては、バネ下質量が増加し、サスペンションの応答性が低下することが挙げられます。これは乗り心地や安全性に悪影響を及ぼします。しかし、 Hi-Pa Driveなどのホイールハブに搭載された電動モーターは非常に小型・軽量で、非常に高いパワーウェイトレシオを実現できるため、ホイールモーターが車両にブレーキをかけるため、ブレーキ機構も軽量化できるため、影響は最小限に抑えられます。

個別ホイールモーターの利点には、トラクションコントロールの簡素化、必要に応じて全輪駆動、低床（バスやその他の特殊車両に便利（一部の8x8全輪駆動軍用車両では個別ホイールモーターが使用されている））などがある。ディーゼル電気機関車はこのコンセプト（各車輪の車軸を駆動する個別のモーター）を70年間使用してきた。[ 29 ]

その他の対策としては、軽量アルミホイールを使用してホイールアセンブリのバネ下質量を減らすこと、重い要素（バッテリーを含む）を床面に配置することで重心を下げるように車両設計を最適化すること、一般的な道路車両では、動力伝達装置は従来の同等の機械式動力伝達装置よりも小型で軽量であるため、スペースが解放されること、燃焼発電機セットには駆動用電気モーターへのケーブルのみが必要であるため、主要コンポーネントを車両全体に配置する際の柔軟性が高まり、重量配分が優れ、車室スペースが最大化され、この柔軟性を活用した優れた車両設計の可能性が開かれることなどが挙げられます。

パワースプリットまたはシリーズパラレルハイブリッド

複合ハイブリッド電気自動車の構造

パワースプリットハイブリッドは、パワースプリットデバイスを組み込んだパラレルハイブリッドで、内燃機関（ICE）から車輪への動力伝達経路を機械的または電気的に制御できます。主な原理は、主電源から供給される電力とドライバーが要求する電力を分離することです。

ICE トルク出力は低回転では最小であり、従来の車両は、許容できる初期加速に対する市場の要件を満たすためにエンジン サイズを大きくしています。エンジンが大きいほど、巡航に必要なパワーが大きくなります。電気モーターは停止状態で最大トルクを発生し、低回転での ICE トルク不足を補うのに適しています。動力分割ハイブリッドでは、より小型で柔軟性が低く、より効率的なエンジンを使用できます。従来のオットー サイクル(出力密度が高く、低回転でのトルクが大きく、燃費が低い) は、アトキンソン サイクルまたはミラー サイクル(出力密度が低く、低回転でのトルクが少なく、燃費が高い、アトキンソン ミラー サイクルと呼ばれることもある)に変更されることがよくあります。より効率的なサイクルを使用し、ブレーキ固有の燃料消費マップの好ましい領域で動作することが多い小型エンジンは、車両の全体的な効率の向上に大きく貢献します。

シンプルなデザイン (右の写真) の興味深いバリエーションとしては、たとえば有名なトヨタ プリウスに見られる次のようなものがあります。

  • レクサスRX400hやトヨタ・ハイランダー・ハイブリッドに採用されている固定比の第2遊星ギアセット。これにより、トルクは小さいものの、出力（および最高回転速度）が高く、つまり電力密度の高いモーターを実現できます。
  • レクサスGS450hに使用されているラビニョー[ 30 ]型遊星歯車（3軸ではなく4軸の遊星歯車）と2つのクラッチ。クラッチを切り替えることで、MG2（トラクションモーター）からホイールシャフトへのギア比が切り替わり、より高いトルクまたはより高い速度（最大250 km/h / 155 mph）が得られ、伝達効率が向上します。これは第3世代プリウスHSD（プリウスv、プリウスプラグイン、プリウスc）で効果的に実現されていますが、第3世代HSDでは、この第2遊星歯車セットは2.5:1に固定されており、「キャリア」が固定されているため、1:1と2.5:1の間で切り替わることはありません。
パワースプリッターシリーズハイブリッドトヨタプリウス

トヨタハイブリッドシステムTHS /ハイブリッドシナジードライブには、単一の動力分割装置（単一の3軸遊星ギアセットとして組み込まれている）があり、エンジンの動力がトランスミッションへの入力で分割されるため、入力分割として分類できます。 これにより、このセットアップは機械的には非常に簡単になりますが、独自の欠点があります。 たとえば、第1世代および第2世代のHSDでは、最高速度は主に小型の電気モーター（多くの場合、発電機として機能する）の速度によって制限されます。 第3世代のHSDは、ICE-MG1パスをMG2パスから分離し、それぞれ独自の調整されたギア比（プリウスcを含む後期プリウスの場合はそれぞれ1.1：1と2.5：1）を備えています。 第4世代のHSDは、第2の遊星ギアセットを取り除き、電気モーターを平行軸に配置してこれらの軸の間に結合ギアを配置し、結合結果を最終駆動差動装置に転送します。これはトヨタ系のアイシン精機のハイブリッドシステムによく似ており、大幅なスペースの節約になる。

初期のハイブリッドシナジードライブ。第1世代/第2世代（チェーン接続）ICE-MG1-MG2動力分割装置HSDが示されています。MG2比率は1:1に固定されています。
後期型ハイブリッドシナジードライブ。第3世代（チェーンレス）ICE-MG1動力分割装置/MG2モーター減速装置HSDを搭載。MG2の減速比は2.5:1に固定。

ゼネラルモーターズ、BMW、ダイムラークライスラーは、グローバルハイブリッド協力の一環として、「ツーモードハイブリッド」と呼ばれるシステムを共同開発しました。この技術は2007年秋にシボレー・タホ・ハイブリッドに搭載され、発表されました。このシステムは、2005年デトロイトで開催された北米国際自動車ショーで発表されたGMCグラファイトSUVコンセプトカーにも搭載されました。[ 32 ] BYDオートのF3DMセダンは、シリーズ・パラレル方式のプラグインハイブリッド車で、2008年に中国で発売されました。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

2モード ハイブリッドという名前は、ドライブトレインが全電気モード (モード 1、または入力分割) とハイブリッド モード (モード 2、または複合分割) で動作できることを強調しています。設計により、3 つ以上のモードでの動作が可能になります。2 つの動力分割モードが利用可能であり、いくつかの固定ギア (基本的に並列ハイブリッド) レジームが用意されています。このような設計は、マルチ レジーム設計と呼ばれます。[ 36 ] 2 モード ハイブリッドのパワートレイン設計は、トランスミッション内に 4 つのクラッチを追加することで、エンジン動力分割の複数の構成が可能になるため、複合分割設計に分類できます。クラッチに加えて、このトランスミッションには 2 つ目の遊星ギアセットがあります。設計の目的は、低速と高速の両方の動作条件に対応するために、機械的に伝達される電力と電気的に伝達される電力の割合を変えることです。これにより、得られる電気ピーク電力が連続変化範囲の幅に比例するため、シングルモード システムと比較して、小型のモーターで大型モーターと同じ作業を行うことができます。 4つの固定ギアにより、ツーモードハイブリッドは、高速巡航やトレーラー牽引など、高出力領域において従来のパラレルハイブリッドと同様に機能します。固定ギアモードでは、フル電動ブーストが利用可能です。[ 37 ]

交雑度による種類

タイプスタートストップシステム回生ブレーキ電動ブースト電荷枯渇モード充電式排気再生
マイクロハイブリッドはいいいえいいえいいえいいえ
マイルドハイブリッドはいはいいいえいいえいいえ
デュアルマイルドハイブリッドはいはいいいえいいえはい
フルハイブリッドはいはいはいいいえいいえ
デュアルフルハイブリッドはいはいはいいいえはい
プラグインハイブリッドはいはいはいはいいいえ
デュアルプラグインハイブリッドはいはいはいはいはい

デュアルハイブリッド

これらには2つの異なるエネルギー回収システムが含まれています。これは横断的な分類です。

マイクロハイブリッド

マイクロハイブリッドとは、アイドリング時にエンジンを自動的に停止させるスタートストップシステムを搭載した車両の総称です。厳密に言えば、マイクロハイブリッドは2つの異なる動力源に依存していないため、真のハイブリッド車ではありません。[ 38 ]

マイルドハイブリッド

2006 GMC シエラハイブリッドのエンジンルーム

マイルドハイブリッドは、基本的には従来型の車両にハイブリッドハードウェアを搭載していますが、ハイブリッド機能は限定されています。典型的には、アイドリングストップと、適度なエンジンアシストまたは回生ブレーキを備えたパラレルハイブリッドです。マイルドハイブリッドは、一般的に完全な電気駆動を提供することはできません。

ゼネラルモーターズの2004～2007年式パラレルハイブリッドトラック（PHT）やホンダのエコアシストハイブリッドなどのマイルドハイブリッド車は、エンジンとトランスミッションの間のベルハウジング内に三相電気モーターを搭載しており、惰性走行、ブレーキング、停車時にエンジンを停止しても、すぐに再始動して電力を供給できます。エンジン停止中も補機類は電力で稼働し続け、他のハイブリッド車と同様に、回生ブレーキによってエネルギーを回収します。大型電気モーターは、燃料噴射前にエンジンを作動速度まで回転させます。

2004～2007年モデルのシボレー・シルバラードPHTは、フルサイズ・ピックアップトラックでした。シボレーは、必要に応じてエンジンを停止・再始動し、回生ブレーキを活用することで、10%の効率向上を実現しました。電気エネルギーはパワーステアリングなどの補機類の駆動にのみ使用されました。GMのPHTは、始動モーターに必要な電力と電子補機類への電力供給のため、12ボルトのベント型鉛蓄電池3個を直列に接続した42ボルトシステム（合計36V）を採用していました。

ゼネラルモーターズはその後、 2007年モデルのサターン・ヴュー・グリーンラインで正式にリリースされた、もう一つのマイルドハイブリッド実装であるBASハイブリッドシステムを導入した。その「スタート・ストップ」機能はシルバラードと同様に動作するが、モーター/ジェネレーターユニットへのベルト接続を介している。しかし、GMのBASハイブリッドシステムは加速時および定常走行時に適度なアシストを提供し、回生（ブレンド）ブレーキ時にエネルギーを回収することもできる。BASハイブリッドは、2009年モデルのサターン・ヴューのEPAテストで、複合燃費を最大27%向上させた。[ 39 ]このシステムは、2008～2009年モデルのサターン・オーラ・グリーンラインと、2008～2010年モデルのシボレー・マリブ・ハイブリッドにも搭載されている。

スタート／ストップ機能を提供するもう一つの方法は、スタティックスタートエンジンを採用することです。このエンジンはスターターモーターを必要とせず、各ピストンの正確な位置をセンサーで検出し、燃料の噴射と点火のタイミングを正確に制御してエンジンを始動させます。 [ 40 ]

マイルドハイブリッドは、内燃機関（ICE）を主動力源とし、トルク増幅用の電動モーターを（ほぼ）従来型のパワートレインに接続しているため、パワーアシストハイブリッドと呼ばれることもあります。電動モーターはエンジンとトランスミッションの間に搭載されています。実質的には大型のスターターモーターであり、エンジンを始動させる必要がある時や、ドライバーがアクセルを踏み込んで追加のパワーを必要とする時に作動します。また、電動モーターは内燃エンジンを再始動させ、アイドル運転時にメインエンジンを停止させることも可能で、その間、強化されたバッテリーシステムは補機類への電力供給に使用されます。GMは、ビュイック・ラクロスとビュイック・リーガルのマイルドハイブリッドを「Eassist」と名付けて発表しました。

2015年以前、ホンダのハイブリッド車（インサイトを含む）は、小型で高効率なガソリンエンジンの専門知識を活かしたこの設計を採用していました。このシステムはインテグレーテッド・モーター・アシスト（IMA）と呼ばれています。IMAハイブリッドは電力だけで推進力を得ることはできませんが、必要な電力が大幅に少ないため、システムサイズは小型化されます。

もう 1 つのバリエーションは、ホンダ IMA よりも小型の電気モーター (エンジンの側面に搭載) とバッテリー パックを使用する、 サターン ヴュー グリーン ラインBAS ハイブリッド システムですが、機能は同様に機能します。

このタイプのもう一つのバリエーションとして、日本で販売されているマツダ・デミオに搭載されているマツダのe-4WDシステムがあります。 [ 41 ]この前輪駆動車は、トラクションが必要な時に後輪を駆動する電気モーターを搭載しています。このシステムは他の運転状況では停止しているため、パフォーマンスや経済性を直接向上させるわけではありませんが、総合的なパフォーマンスに対してより小型で経済的なエンジンを使用することが可能になります。

ジェネシスG90とジェネシスGV80クーペには、電動スーパーチャージャー付きのマイルドハイブリッドオプションが用意されています。[ 42 ] [ 43 ]

デュアルマイルドハイブリッド

これらには 2 つの異なるエネルギー回収システムが含まれています。

メルセデス・ベンツCクラス（W206）、メルセデスAMG SL43（R232）、メルセデスAMG CLE53、ガソリン車のメルセデスC254/X254、ポルシェ911カレラGTS Tハイブリッドには電動ターボチャージャー/ MGU-Hが搭載されている。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]

フルハイブリッド

2006年式マーキュリーマリナーハイブリッドのエンジンルーム

フルハイブリッドは、ストロングハイブリッドとも呼ばれ、エンジンのみ、バッテリーのみ、またはそれらの組み合わせで走行できる車両です。トヨタ・プリウス、トヨタ・カムリハイブリッド、フォード・エスケープハイブリッド/マーキュリーマリナーハイブリッド、フォード・フュージョンハイブリッド/リンカーンMKZハイブリッド/マーキュリーミランハイブリッド、フォードC-Maxハイブリッド、フォード・マーベリックハイブリッド、起亜オプティマハイブリッド、トヨタ・シエナハイブリッド、ゼネラルモーターズの2モードハイブリッドトラックとSUVは、バッテリー電源だけで作動するため、このタイプのハイブリッド化の例です。大容量の大型バッテリーにより、バッテリーのみでの動作が可能になります。これらの車両には分割動力経路があり、機械的動力と電気的動力を相互変換することにより、ドライブトレインの柔軟性が向上します。各部分からの力をバランスさせるために、車両は、トランスミッションのヘッドエンドに接続されたエンジンとモーターとの間に 差動スタイルのリンケージを使用します。

この技術はトヨタのブランド名で「ハイブリッドシナジードライブ」と呼ばれ、プリウス、ハイランダーハイブリッドSUV、カムリハイブリッドに搭載されています。コンピューターがシステムの動作を監視し、動力源の配分を決定します。プリウスのシステムは、以下の6つの異なる領域に分けられます。

電気自動車モード- 内燃機関（ICE）がオフになり、バッテリーがモーターに電力を供給します（または回生ブレーキ時に充電します）。バッテリーの充電状態（SOC）が高い場合のアイドリング時に使用されます。
クルーズモード— 車両は巡航状態（つまり加速していない状態）にあり、内燃機関（ICE）が需要に対応できます。エンジンからの電力は、機械的な経路と発電機に分割されます。バッテリーはモーターにも電力を供給し、モーターの電力はエンジンと機械的に合算されます。バッテリーの充電状態が低い場合は、発電機からの電力の一部がバッテリーを充電します。
オーバードライブモード—回転エネルギーの一部は発電されます。これは、内燃機関（ICE）のフルパワーが速度維持に必要ではないためです。この電気エネルギーは、サンギアを通常の回転方向とは逆方向に駆動するために使用されます。その結果、リングギアはエンジンよりも高速に回転しますが、トルクは低くなります。
バッテリー充電モード- アイドリング時にも使用されますが、この場合はバッテリーの充電状態が低いため、エンジンと発電機による充電が必要になります。
パワーブーストモード— エンジンが所定の速度を維持できない状況で使用されます。バッテリーからモーターに電力を供給し、エンジン出力を補います。
ネガティブスプリットモード— 車両は巡航状態で、バッテリーの充電状態は高い。バッテリーはモーター（機械動力源）とジェネレーターの両方に電力を供給します。ジェネレーターはこれを機械エネルギーに変換し、エンジンシャフトに送り込んで減速させます（ただし、トルク出力は変化しません）。このエンジンの「ラグ」の目的は、車両の燃費を向上させることです。

デュアルフルハイブリッド

これらには2つの異なるエネルギー回生システムが搭載されています。デュアルハイブリッドの例としては、 F1マシン（ F1エンジン#2014～2021およびF1エンジン#2022～2025を参照）が挙げられます。その他の例としては、ポルシェ・919ハイブリッドや、開発中止となったインフィニティ・プロジェクト・ブラックSなどがあります。

プラグインハイブリッド

シボレー ボルトの充電

プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）には、2つの明確な特徴があります。

  • コンセントに差し込んで充電できます。
  • バッテリー電源のみで走行可能です。

これらは完全なハイブリッドで、バッテリー電源で動作し、バッテリー容量が大きく、グリッドから充電する機能を備えています。並列設計または直列設計が可能で、ガス オプションハイブリッドまたはグリッド対応ハイブリッドとも呼ばれます。プラグイン ハイブリッドの主な利点は、かなりの距離をガソリンに依存せずに走行できることと、長距離旅行で拡張された ICE 航続距離を提供できることです。電力研究所の調査では、整備費用の削減と徐々に向上するバッテリー技術により、PHEV の総所有コストが低いことがわかりました。ガソリン ハイブリッドと比較した PHEV の「 Well-to-Wheel」効率と排出量は、グリッドのエネルギー源によって異なります (米国のグリッドは 30% が石炭、カリフォルニアのグリッドは主に天然ガス、水力、風力です)。

BYD F3DMプラグインハイブリッドのエンジンルーム

電力網から充電可能な大型バッテリーパックを搭載したPHEVのプロトタイプは、米国、特にカリフォルニア大学デービス校のアンディ・フランク・ハイブリッドセンター[ 47 ]で製造されました。量産型のPHEVであるルノー・カングーは、2003年にフランスで発売されました。ダイムラークライスラーは、メルセデス・ベンツ・スプリンターバンをベースにしたPHEVを製造しました。軽トラックは、マイクロ・ベットSPA [ 48 ]によって、いわゆるデイリー・バイモデール として提供されています。

カリフォルニア・カーズ・イニシアチブは、2004年以降のトヨタ・プリウスを改造し、「プリウス+」と呼ぶプロトタイプを開発しました。140kg（300ポンド）の鉛蓄電池を追加することで、プリウス+は標準プリウスの約2倍のガソリン燃費を達成し、電力のみで最大16キロメートル（10マイル）の走行が可能になりました。[ 49 ]

中国のバッテリーメーカー兼自動車メーカーであるBYD Autoは、 2008年12月15日にF3DMコンパクトセダンを中国のフリート市場向けに発売したが、 [ 50 ] [ 51 ] 、後にBYD Qinプラグインハイブリッドに置き換えられた。 [ 52 ] [ 53 ]

ゼネラルモーターズは2010年12月に米国でシボレー・ボルトの納車を開始し[ 5 ]、その兄弟車であるオペル・アンペラは2012年初頭までに欧州で発売された[ 54 ] [ 55 ]。 2012年11月現在、いくつかの市場で入手可能な他のプラグインハイブリッド車は、フィスカー・カルマ、トヨタ・プリウス・プラグインハイブリッド、フォードC-Maxエナジーであった。

2012年10月現在、最も売れているPHEVはVoltで、2010年12月以来、世界中で33,000台以上のVolt/Amperaファミリーが販売されており、米国での販売台数27,306台がトップを占めています。 [ 56 ] [ 57 ]続いてオランダで、2012年10月までに2,175台のAmperaが販売されました。[ 58 ] [ 59 ]プリウスプラグインハイブリッドは、2012年10月までに世界で21,600台が販売され、米国での販売台数は9,623台、日本での販売台数は9,500台でした。[ 57 ] [ 60 ]最近では、ジープ・ラングラーとジープ・グランドチェロキーの4xeバリエーションが米国で最も売れているPHEVとなり、2023年にはそれぞれ67,429台と45,684台を販売した。[ 61 ]

デュアルプラグインハイブリッド

これらには2つの異なるエネルギー回生システムが搭載されています。このようなシステムの例としては、メルセデスAMG ONE（プラグインハイブリッド車）が挙げられます。メルセデス・ベンツCクラス（W206）とメルセデス・ベンツC254/X254にも電動アシストターボチャージャー/ MGU-Hが搭載されています。[ 62 ] [ 45 ]

電源別の種類

電気・内燃機関ハイブリッド

電気と内燃機関（ICE）のハイブリッド車を作る方法は数多くあります。電気とICEのハイブリッド車は、パワートレインの電気部分と内燃機関部分の接続方法、それぞれの作動時間、そして各ハイブリッドコンポーネントが供給する電力の割合によって、多種多様な設計が可能です。大きく分けてシリーズハイブリッドとパラレルハイブリッドの2つのカテゴリーがありますが、現在最も一般的となっている のはパラレルハイブリッドです。

ハイブリッド車のほとんどは、種類を問わず、減速時にエネルギーを回収するために 回生ブレーキを採用しています。これは、モーターを発電機として駆動するだけのシンプルな仕組みです。

多くの設計では、エネルギーを節約するために、必要のないときには内燃エンジンを停止します。このコンセプトはハイブリッド車に限ったことではありません。スバルは1980 年代初頭にこの機能を初めて採用し、フォルクスワーゲン ルポ 3Lは停車時にエンジンを停止する従来型車両の一例です。ただし、通常はエンジンで駆動するエアコンなどの補機類については、何らかの対策を講じる必要があります。さらに、内燃エンジンの潤滑システムは、始動直後は本質的に最も効果が低くなります。エンジンの摩耗の大部分は始動時に発生するため、このようなシステムの頻繁な始動と停止は、エンジンの寿命を大幅に短縮します。また、始動と停止のサイクルによって、エンジンが最適温度で動作する能力が低下し、エンジン効率も低下する可能性があります。

燃料電池ハイブリッド電気自動車の構造

電気燃料電池ハイブリッド

燃料電池車には、ピーク加速パワーを実現し、燃料電池のサイズと電力制約（したがってコスト）を削減するために、バッテリーまたはスーパーキャパシタが搭載されることが多く、これは実質的には直列ハイブリッド構成でもあります。

内燃機関と油圧のハイブリッド

クライスラーはパシフィカミニバンをプラグインハイブリッドとして提供

油圧ハイブリッド車は、電気部品の代わりに油圧部品と機械部品を使用します。電動モーター/発電機の代わりに可変容量ポンプが採用されています。油圧アキュムレータがエネルギーを蓄えます。通常、車両には、予め充填された加圧窒素ガスを充填したフレキシブルブラダーが搭載されています。ポンプで送り込まれた作動油はブラダーに圧縮され、圧縮窒素ガスにエネルギーが蓄えられます。一部のモデルでは、加圧ブラダーの代わりにシリンダー内にピストンが内蔵されています。油圧アキュムレータは、バッテリーよりも安価で耐久性が高い可能性があります。油圧ハイブリッド技術は、1930年代にドイツで初めて実用化されました。ボルボ・フライグモーターは、1980年代初頭からバスに石油油圧ハイブリッドを試験的に採用していました。

当初のコンセプトでは、巨大なフライホイール（ジャイロバス参照）を油圧トランスミッションに接続し、蓄電する構想がありました。このシステムは、イートン社をはじめとする複数の企業によって開発が進められており、主にバス、トラック、軍用車両などの大型車両に搭載されています。一例として、2002年に発表されたフォードF-350マイティ・トンカ・コンセプトトラックが挙げられます。このトラックには、イートン社製のシステムが搭載されており、高速道路での走行速度まで加速することができます。

システム部品が高価だったため、小型のトラックや乗用車には搭載できなかった。欠点は、動力モーターが部分負荷時に十分な効率を示さなかったことであった。そこで焦点は小型車両に移った。英国企業のArtemis Intelligent Power は、あらゆる範囲と負荷で効率的な電子制御油圧モーター/ポンプを導入することで画期的な進歩を遂げ、石油油圧ハイブリッドの小規模なアプリケーションを実現可能にした。[ 63 ]同社は実現可能性を証明するために BMW 車を改造した。BMW 530i は、標準的な車と比較して、市街地走行で 2 倍の MPG を達成した。テストでは、標準的な 3,000 cc エンジンを使用した。石油油圧ハイブリッドは、ピーク電力使用量ではなく平均電力使用量に合わせてエンジンを小型化することを可能にする。ピーク電力は、蓄電池に蓄えられたエネルギーによって供給される。[ 64 ]

運動エネルギー回収率が高いため、このシステムは2013年頃のバッテリー充電式ハイブリッド車よりも効率的であり、EPAテストでは60%から70%の燃費向上が実証されている。[ 65 ] EPAテストでは、油圧ハイブリッドのフォード・エクスペディションは市街地走行で32 mpg -US (7.4 L/100 km)、高速道路で22 mpg -US (11 L/100 km)の燃費を記録した。 [ 66 ]

ある調査会社の目標は、ガソリン油圧ハイブリッド部品のパッケージングを改善するための斬新な設計を生み出すことだった。かさばる油圧部品はすべてシャーシに統合された。ある設計では、構造シャーシを兼ねた大型油圧アキュムレータを使用することで、テストで130mpgを達成したと主張している。油圧駆動モーターはホイールハブ内に組み込まれており、逆転することでブレーキエネルギーを回収する。目標は平均的な運転条件で170mpgである。ショックアブソーバーによって生み出されたエネルギーと、通常は無駄になる運動ブレーキエネルギーは、アキュムレータの充電に利用される。平均的な電力使用向けに設計された内燃機関（ICE）がアキュムレータを充電する。アキュムレータは、フル充電で15分間走行できるサイズになっている。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]

2011年1月、クライスラーはEPA（環境保護庁）と提携し、乗用車に適した実験的なガソリン・油圧ハイブリッドパワートレインの設計・開発を行うと発表した。クライスラーは、既存の量産ミニバンをこのパワートレインに改造した。[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]

米国のNRGダイナミックスは、自社のアプローチにより電気ハイブリッド車と比較してコストを3分の1削減し、車両重量の増加も電気ハイブリッド車の454kgに対しわずか136kgに抑えられたと主張した。同社によると、2.3リッター4気筒エンジンを搭載した標準的なピックアップトラックは、市街地走行で14mpg（16.8L/100km）を達成した。また、石油・油圧式システムを採用することで燃費は「20マイル台半ば」に達した。[ 75 ]

内燃機関 - 空気圧

圧縮空気は、ガソリンコンプレッサーで動力を得るハイブリッドカーに動力を供給することができます。フランスのモーター・デベロップメント・インターナショナル社は、このような空気圧駆動車を開発していました。UCLAの機械・航空宇宙工学教授であるツァオ・ツーチン氏率いるチームは、フォード社のエンジニアと協力し、空気圧ハイブリッド技術の実用化に成功しました。このシステムは、ブレーキエネルギーを活用・蓄積し、加速時に必要に応じてエンジンをアシストするという点で、ハイブリッド電気自動車のシステムに似ています。

人間の力と環境の力

多くの陸上・水上車両は、人力と別の動力源を組み合わせて利用しています。一般的なのはパラレルハイブリッドで、例えばオール付きのヨット、電動自転車、あるいはTwikeのような人力・電動ハイブリッド車両などが挙げられます。シリーズハイブリッドも存在します。このような車両は、搭載型太陽電池、系統充電式バッテリー、ペダルといった3つの動力源を組み合わせたトライブリッド車両と呼ばれることもあります。

ハイブリッド車の運転モード

ハイブリッド車は様々なモードで使用できます。図は、パラレルハイブリッド構成の典型的なモードを示しています。

ハイブリッドドライブトレイントポロジー

Pは位置を表します。複数の電動モーターが異なる位置にある場合は、P1 + P3 または P0 + P2.5 + P4 と表記されます。

ドライブトレインにおける電動モーターの位置:

  • P0 - エンジンの横、内部、または前面（例：ベルトオルタネータースターター（BAS）または統合スタータージェネレーター（ISG））
  • P1 - エンジン出力軸（例：統合モータージェネレーター（IMG）、統合モーターアシスト（IMA）、フライホイールアシストシステム（FAS）[ 76 ]）
  • P2 - エンジンとトランスミッションの間
  • P2.5 - トランスミッション内部
  • P3 - トランスミッション出力軸
  • P4 - リアアクスル
  • P5 - 車輪またはプロペラの内側[ 77 ]

アフターマーケットオプション

多くの場合、車両にはアフターマーケットのパワートレインを追加することができます。アフターマーケットソリューションは、ユーザーがグライダー（ローリングシャーシ）とハイブリッド（2基のエンジン）または全電動（電気モーターのみ）のパワートレインキットを自動車メーカーに納入し、技術が搭載された車両を受け取る場合に使用されます。グライダーには、アフターマーケットインストーラーによって （電動またはハイブリッド）パワートレインを追加できます[ 78 ] 。

2013年、セントラルフロリダ大学の設計チーム「オン・ザ・グリーン」は、旧型の車両をガス電気ハイブリッド車に改造するためのボルトオンハイブリッド変換キットの開発に取り組みました。[ 79 ]

カリフォルニアのエンジニアが1966年型マスタングの改造を実演しました。このシステムでは、オルタネーターを12kW（ピーク出力30kW）のブラシレス電動モーターに置き換え、燃費と出力を向上させました。[ 80 ]

内燃機関車のホイール[ 81 ]またはホイールとブレーキローター[ 82 ]の間に取り付けて、ハイブリッドの個別ホイール駆動(IWD) に変換できるハブモーターがあります。

参照

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