ハイブリッド車:今、知っておきたいこと

ハイブリッド車は、未来への足がかりです。モビリティ(移動手段)を可能な限りカーボンニュートラルにするため、自動車産業ではエレクトロモビリティへの転換が進んでいます。しかし、純電気自動車に関しては、まだ多くの課題が残っています。ハイブリッド技術は、電動モータと従来の内燃エンジンという2種類の駆動システムのそれぞれの利点を組み合わせた技術です。

気候変動と、増え続ける排出レベル: 気候変動に関する政府間パネルの調査によれば、交通機関は世界の全CO2 排出量の23%を生み出しています。そのため、モビリティを遠い未来ではなく、できる限り早くカーボンニュートラルにしなければなりません。化石燃料から脱却するため、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンへの依存を減らすことが必要です。この種のエンジンに代わって、電気駆動システムを導入する動きが進んでいます。

しかし、純電気自動車は多くの点で従来型の自動車に追いつけていません。航続距離が短く、バッテリーが高額なため自動車の価格も高くなり、多くの地域では充電ステーション網が十分に整備されていません。そこで解決策となりうるのが、ハイブリッド車です。電気駆動システムと内燃エンジンを組み合わせたハイブリッド車は、純電気自動車より走行できる距離が長く、内燃エンジンだけで走る車よりもガソリンやディーゼルの消費量が少ないのです。

また、欧州連合(EU)などでは乗用車に関する規制がますます厳しくなっていますが、ハイブリッド車はそうした規制に対応できる可能性もあります。EUでは、2021年から新車自動車の平均CO2排出量目標が1キロメートル当たり95グラムとなり、2030年までに、これをさらに37.5%削減することを目指しています。他の多くの国々でも、厳しい制限が定められています。

ハイブリッド車の主な特長

ハイブリッド車とは何か

「ハイブリッド」という言葉はギリシャ語が語源で、「二つの源を持つ」という意味です。つまり、ハイブリッド車は二つの異なる動力源からエネルギーを得るため、二つ以上の駆動システムが搭載されています。一般には電動モータと内燃エンジンで、エンジンの燃料はガソリンが普通ですが、ディーゼルの場合もあります。ハイブリッド駆動の目的は、両方の駆動システムのメリットを組み合わせ、デメリットを相殺することです。

  • 現時点では、ガソリンまたはディーゼルエンジンを搭載した自動車を電気駆動システムと比べた場合の主なメリットは、航続距離の長さです。これはモータそのものではなく、蓄電装置、つまりバッテリーの問題です。今後、バッテリーの効率が上がれば、航続距離も長くなります。内燃エンジン車のもう一つのメリットは、今のところは電気自動車よりも購入価格が安いことです。ただし、燃料を消費し、排出ガスを発生させ、騒音が出るといったマイナス面があります。燃料から得られるエネルギーは、相当な割合が無駄になってしまいます。
  • 電動モータを搭載した自動車は、排出ガスや騒音が発生せず、再生可能エネルギー源から得られた電気を使う限りは、化石燃料を使用しません。電動モータの場合、より早くダイナミックな加速もできます。ただし、電気自動車はバッテリーの制約により、内燃エンジン車より航続距離が短いというマイナス面があります。より大きなバッテリーが必要ですが、価格も高くなってしまいます。

この二つの駆動システムを統合すれば、許容できる範囲の追加購入価格で、燃料消費と排出ガスを低減し、長い航続距離、ダイナミックな走行性を実現できます。電動モータは、エンジンを補助するか、特に内燃エンジンでは効率が悪い場面でエンジンに代わって使用され、特定の状況では性能を向上させます。

以上の理由と、各国政府によるさまざまな促進策により、ハイブリッド車の販売台数は増えつつあります。欧州自動車工業会(ACEA)によれば、2018年にEU全域で新規登録されたハイブリッド車はほぼ70万台でしたが、2019年にはすでに100万台を超えています。

ご存じですか?

ご存じですか?

トヨタの「プリウス」は、世界初のシリーズ生産のハイブリッド車として1997年に発売されました。しかし、実はハイブリッド駆動システムにはもっと長い歴史があります。ガソリンと電気駆動を組み合わせた最初の自動車は、オーストリアの技術者フェルディナンド ポルシェが、ウイーンの高級コーチビルダー、ヤーコプ ローナー社のために設計した「ミクステ ハイブリッド」でした。16馬力のガソリンエンジンと蓄電池に充電する発電装置が連動し、車輪を駆動する仕組みでした。

ハイブリッド車の仕組み

ハイブリッド車の動力は、一方では化石燃料から、もう一方では電力から得られます。その結果、ハイブリッド車には少なくとも二つのエネルギー貯蔵システム(燃料タンクとバッテリー)と、少なくとも二つのエネルギー変換器(電動モータと内燃エンジン)が搭載されています。ハイブリッド駆動システムのその他の重要な構成部品として、二つの駆動システムの間の切り替えをいつ行うかを判断する電子制御装置と、バッテリーからの直流電流の交流への変換と電動モータの制御を行うインバータがあります。

ハイブリッド駆動システムの構成部品

ハイブリッド車には数多くの構成部品がありますが、以下の部品は特に重要な役割を果たします。

  • 電動モータはハイブリッド車の心臓部で、二つの機能があります。その一つは、特定の運転状況下で車を電気的に駆動すること。もう一つは発電装置として、ブレーキ操作から得られる運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、そのエネルギーをインバータ経由でバッテリーに還元することです。この仕組みを「回生」と言います。
  • 内燃エンジンは従来型の駆動システムで、主にガソリンからエネルギーを得ますが、ディーゼルが使われる場合もあります。最適な動作点で、一定の速度で作動するときに特に効率が良いエンジンです。
  • 電子制御装置は電動モータと内燃エンジンを接続し、その時点でどちらの駆動システムがより高効率かによって、最適な駆動システムに自動的に切り替えます。電力潮流を管理することで、効率的な走行を確保します。
  • インバータはバッテリーと電動モータを接続します。パワーエレクトロニクスによりバッテリーの直流電圧を高周波の交流電圧に変換し、この交流電圧が電動モータ内で発電のための電磁場を形成します。
  • バッテリーは電動モータに電力を供給します。ハイブリッド車では、リチウムイオン電池がバッテリー管理システムと連動します。マイルドハイブリッド(48Vバッテリー)の場合を除き、高電圧バッテリーが使用されます。
  • 燃料タンクはガソリンまたはディーゼル燃料、つまり化石燃料を貯蔵する装置です。車の航続距離はタンクのサイズによって決まります。

ハイブリッド車のバッテリー充電方法

ハイブリッド車は通常、車の走行中に自ら発電してバッテリーを充電します。純電気駆動システムと同じように、ハイブリッド車の電動モータも発電装置として機能します。ブレーキ操作や惰行しているとき、言い換えれば車がパワーを使わずに動いているときに、運動エネルギーを電力に変換し直すのです。これが「回生」です。車がシリーズハイブリッド(下記参照)の場合、内燃エンジンは発電機としても機能し、エネルギーを発生させます。プラグインハイブリッド車の場合は、充電ステーションで電力供給が可能です。

ハイブリッド車の二つの駆動システムが動作する場合

ほとんどのハイブリッド車は、二つの駆動システムを自動的に切り替えるか、同時に稼働させることができます。これは実際の運転状況によって決まります。例えば、車が一定の速度で高速走行しているときは、電子制御装置が内燃モードに切り替えます。そのようなときは、内燃エンジンが特に効率的に働きます。

二つの駆動システムを同時に動かすのは、例えば坂道の走行時や追い越しの際に効果的な場合があります。このような状況では、短時間だけ出力を高める必要があるため、電動モータが内燃エンジンの出力を補います。

多くのハイブリッド車では、電動モータが車を自力走行させることもできます。この場合、燃料は全く消費されません。電動モータは低速でも効率が高いため、発進時や低速走行に特に適しています。

パラレルハイブリッド方式(下記参照)の自動車の典型的な運転状況は、次のようになります。発進時は、電動モータだけが作動しています。速度が上がってくると、内燃エンジンが作動します。高速道路では大抵、内燃エンジンが使われます。ドライバーがブレーキを踏んだり、車を惰行させたりすると、そのエネルギーが回収されてバッテリーに貯蔵されます。貯蔵された電力は、後に必要に応じて電動モータによって使われます。

ハイブリッド車の種類

ハイブリッド車の二つの駆動システムの連動の仕方は異なり、どちらの駆動タイプにどの程度重点を置くか、という点も違います。

マイクロハイブリッド、マイルドハイブリッド、フルハイブリッド

ハイブリッド車は、種類によって電化レベルに違いがあります。ドイツ自動車連盟(ADAC)によれば、内燃エンジン車に比べて15~25%の燃料節約が可能で、プラグインハイブリッド車の場合はさらに節約できます。

マイクロハイブリッド車

マイクロハイブリッド車は、ブレーキ操作時のエネルギーを回生し、標準的な12Vのスターターバッテリーに蓄電する自動始動停止システムを搭載した自動車です。ただし、内燃エンジンのみで駆動するため、駆動の分類で、マイクロハイブリッドがハイブリッドの一種にあげられていない場合もよくあります。別の言い方をすれば、マイクロハイブリッド車は、内燃エンジン駆動システムと技術的に優れた駆動エレクトロニクスを搭載した自動車と言えます。燃料はあまり節約できません。

マイルドハイブリッド車

マイルドハイブリッド車(マイルドハイブリッド電気自動車:MHEV)は、マイクロハイブリッドとは異なり、駆動システムに電動モータを搭載しています。ただし、電動モータが単独で動作することはなく、例えば加速するときにエンジンの出力を高めるなど、内燃エンジンを補助する目的でのみ使用されます。また、マイルドハイブリッド車には、通常の12Vバッテリーに加えて48Vのバッテリーも搭載されています。マイクロハイブリッド車より電圧が高いため、ブレーキ操作時に回生できるエネルギー量も多くなります。モータを停止できる頻度が多く、時間も長いため、自動始動停止システムの効率も上がります。マイルドハイブリッド車は、従来型の内燃エンジン車より燃料消費量を最大15%節約できます。

フルハイブリッド車

フルハイブリッド車(フルハイブリッド電気自動車:FHEV)の場合、電動モータと内燃エンジンがインテリジェントに、そして柔軟に連動します。電気だけでの走行もできますが、普通は数キロの短距離走行の場合に限られます。マイルドハイブリッド車とは異なり、フルハイブリッド車には48Vバッテリーの追加ではなく、数百ボルトの高電圧トラクションバッテリーが搭載されています。電動モータの出力もマイルドハイブリッド車を上回ります。ドイツ連邦環境庁は、フルハイブリッド車は純内燃エンジン車と比べて20%の燃料節約が可能だとしています。

プラグインハイブリッド車

プラグインハイブリッド車(プラグインハイブリッド電気自動車:PHEV)は、フルハイブリッド車をさらに発展させた車です。他のハイブリッド車と一線を画すのは、エネルギー回生に加えて、充電ステーションや電源コンセントでもバッテリーを充電できることです。これが、「プラグイン」ハイブリッドと名付けられている理由です。

フルハイブリッド車と同様に、プラグインハイブリッド車も高電圧バッテリーを搭載していますが、サイズははるかに大きく、効率も高くなっています。例えば、モデルによって異なりますが、純電気駆動モードで最長70キロ以上の航続が可能です。このため、排出ガスを一切発生させずに毎日通勤することもできます。プラグインハイブリッド車の標準的な燃料消費量は、同等の出力の内燃エンジン車と比べて最大35%少なく済みます。しかし、実際の道路条件下でこれを実現できるかどうかは、バッテリーを定期的に充電し、実際に燃料節約の可能性を活用するかどうかに大きく左右されます。気温の低い冬の時期はバッテリーの性能が低下するため、季節による変動も考慮に入れる必要があります。

パラレルハイブリッド方式とシリーズハイブリッド方式

ハイブリッド車には、電化レベルの違いの他に、構造による違いもあります。近年、最も一般的なのはパラレルハイブリッド方式で、上述のマイルド、フル、プラグインハイブリッド車がこれに含まれます。シリーズハイブリッド方式を採用したモデルもあり、パラレルとシリーズの両方のコンセプトを組み合わせたパワースプリットハイブリッド方式もあります。

パラレルハイブリッド方式

このタイプの自動車には、電動モータと内燃エンジンの二つの駆動システムが搭載されています。どちらの駆動も車を前進させることができ、駆動車軸に接続されています。これらの駆動は必要に応じて作動するようになっており、電気のみでも、内燃エンジンのみでも、両方を組み合わせても走行できます。このタイプの駆動システムでは、電動モータと内燃エンジンの出力の合計が総出力となります。

シリーズハイブリッド方式

シリーズハイブリッド方式にも電動モータと内燃エンジンが搭載されていますが、駆動システムは一つしかありません。二つの動力源が直列に接続されており、一般に、内燃エンジンがバッテリーに送る電気を発電している間に、電動モータで走行します。二つの動力源は機械的には接続されていません。レンジエクステンダーもこのカテゴリーに含まれます。これは端的に言うと、バッテリーが空になったときに、次の充電ステーションに着くまでの間、内燃エンジンがバッテリーに充電する発電機としてのみ働く機能です。

パワースプリットハイブリッド方式

一台の自動車に、シリーズハイブリッドとパラレルハイブリッドを組み合わせることも可能です。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と呼ばれるこの方式では、ドライバーがどちらかの駆動システムを選択します。

ハイブリッド車のメリットとデメリット

ハイブリッド車のメリットは?

内燃エンジンだけを搭載した車と比べると、ハイブリッド駆動システムや純電動モータには多くのメリットがあります。

  • ハイブリッド車は、運転状況と種類によって、都市部や田舎の道などでそれぞれ最適な駆動方式を使用できます。
  • 種類によって異なりますが、燃料消費を15%から50%削減できます。特に、進んでは停止を繰り返す都市部の道路を走行するときに有効です。
  • 燃料消費が少なく、場合によっては純電動モードで走行できるため、排出ガスが少なくなります。
  • 効率の良い運転ができます。ブレーキ操作や惰行時のエネルギーを回収して利用するため、ガソリン車やディーゼル車よりエネルギー損失が少なくなります。
  • 電気自動車より航続距離が長いため、長距離の移動にも使うことができます。
  • 従来型の駆動システムと比べて、加速が10~20%増します。内燃エンジンの場合、トルクを上げるには速度を上げる必要がありますが、電動モータでは始動してすぐに上がります。
  • プラグインハイブリッド車を別にすれば、充電は必要ありません。したがって、充電ステーションを探す必要もありません。

ハイブリッド車のデメリットは?

ハイブリッド車には、内燃エンジン車や電気自動車と比べた場合、デメリットもいくつかあります。

  • ダブル駆動技術の設計は複雑なため、内燃エンジン車より購入価格が高くなります。ただし長期的に見れば、燃料消費量が少ないことで、このマイナス面は相殺されます。
  • 二つの動力源と追加のバッテリーが搭載されているため、車の重量が重くなります。一部のモデルでは、内燃エンジンのみが作動する状況では燃料消費が高くなる場合があります。
  • 追加のバッテリーは場所をとるため、従来型の車よりトランクが小さい場合があります。
  • プラグインハイブリッド車の場合、全体的なカーボンフットプリントはバッテリーの充電に使われる電力によって異なります。グリーン電力を多く使うほど、カーボンフットプリントは少なくなります。
  • ハイブリッド車は純電気自動車と異なり、化石燃料に依存する点は変わらず、排出ガスが発生します。

インフィニオンのハイブリッド車への貢献

発電、蓄電、電気の変換が行われるあらゆる分野がそうであるように、電気自動車やハイブリッド車の分野でも、マイクロエレクトロニクスが重要な役割を果たしています。センサーが様々なパラメータを測定し、マイクロコントローラがシステム内の特定の部分にいつ電流を流せばよいかなどを判断します。そして、パワー半導体デバイスがその判断を実行します。これらのエレクトロニクスがどの程度インテリジェントに、かつ効率的に機能するかは、航続距離やパフォーマンス、コスト、そしてプラグインハイブリッドと電気自動車の場合はバッテリー充電時間にも、大きく影響します。

インフィニオンは非常に早い時期から、電気自動車とハイブリッド車向けに特化した半導体の開発を始め、現在はエレクトロモビリティ向けチップの市場をリードするメーカーとなっています。インフィニオンでは、更なる成長を期待しています。「今世紀中には、世界中の新車の大部分がセミ電気自動車かフル電気自動車になる時代を迎えるでしょう」と、インフィニオンの高出力車載用製品担当のバイスプレジデント兼ジェネラルマネージャー、シュテファン ツィツァーラは述べています。インフィニオンではこれに応じて、生産能力拡大のための投資を行っています。オーストリアのフィラッハにある生産拠点はその一例で、ハイブリッド車と電気自動車を始めとする各種アプリケーション向けのパワーエレクトロニクス製品を生産する新工場を建設中です。

インフィニオンは、エレクトロニクス製品のさらなる高出力化と高効率化のための技術革新にも取り組んでいます。その一例は、SiC(シリコンカーバイド)などの新しい半導体素材の利用です。特定のアプリケーションにおいてSiCチップは、従来のシリコンチップより高い出力と高いエネルギー効率が実現できます。これによって、例えばプラグインハイブリッド車の充電時のエネルギー損失の削減や、電気自動車の航続距離の延伸が可能です。

重要度の高い質問とその回答

プラグインハイブリッド車は、内燃エンジンと電動モータを搭載した自動車です。他のハイブリッド車とは違い、バッテリーの充電に使われるのはブレーキ操作時や惰行時の回生だけではありません。必要に応じて、充電ステーションや電源コンセントから充電することもできるため、「プラグイン」ハイブリッドと呼ばれます。プラグインハイブリッド車のバッテリーは他のハイブリッド車より大きいため、電気のみを使用して走行できる距離が長くなります。多くは最長50キロ、中には最長65キロ走行できる車種もあります。

マイルド、フル、プラグインのハイブリッド車のどれがドライバーに最も適しているかは、実際の状況によって異なります。プラグインハイブリッド車の場合、電気のみを使用して、より長い距離を走行できると考えていいでしょう。また、充電ステーションや電源コンセントでバッテリーを充電することもできます。これは他の種類のハイブリッド車ではできません。これらのハイブリッド車では、内燃エンジンの補助を受けて回生によって発電される電気のみが使われます。したがって、電気のみでは短い距離しか走行できません。それを別とすれば、電動モータが内燃エンジンの効率を高めるというメリットがあります。

すべてのハイブリッド車は、回生によって電気エネルギーを得ます。ブレーキ操作や惰行によって発生した運動エネルギーが完全には失われず、その一部が電気に変換されてバッテリーに貯蔵されます。これは従来の内燃エンジン車に比べて大きく有利な点です。また、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの出力も、発電に利用できます。プラグインハイブリッド車の場合は、家庭や充電ステーションで充電することもできます。

ハイブリッド車では長距離を走行することもできます。ただし、ダブル駆動システムのメリットはそれほど顕著ではありません。発電が生じるのは、主にブレーキを頻繁に使用する都市部での走行時だからです。また、電動モータが特に内燃エンジンを補助するのは、車を始動するときです。一部のハイブリッド車は、低速走行時に電気だけで走行することもできます。一般にハイブリッド車は、電動モータも搭載しているため、内燃エンジンのみの車より燃料タンクが小さくなっています。したがって燃料容量が少ないため、長距離の航続が短くなることがあります。

種類によって異なりますが、ハイブリッド車は都市部などの短距離を電気だけで走行することができます。その場合、化石燃料は消費されません。ただし、ブレーキを頻繁に使わないと、あまり多くのエネルギーを回生できないため、内燃エンジンに切り替える必要が出てきます。短距離を主に走行するのであれば、充電ステーションで充電できる純電気自動車の方がより適しているかもしれません。長距離も走る必要がある場合は、プラグインハイブリッド車も選択肢の一つです。

最終更新:2020年6月