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  • 2019/07/17
  • AnimeandManga illustrated編集部 鈴木慎一

EVには2速ギヤボックスを! ZFが考える変速機構+高性能モーター+PCU統合型電動ユニットがEVの可能性を広げる

ZF:新型の乗用車用2速電動ドライブを発表 ZF Global Technology Day 2019

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ZFがドイツでワールドプレミアした2速ギヤ付き電動ドライブユニット
ZFがドイツで開催した「Global Technology Day 2019」の目玉のひとつが、ワールドプレミアした電動乗用車向けの新開発2速電動ドライブだ。ZFはなぜ、電動ドライブユニットに変速機構を組み込むのだろうか。
TEXT & PHOTO◎鈴木慎一(SUZUKI Shin-ichi)PHOTO &
FIGURE◎ZF
VWトゥーランに新開発の2速電動ドライブユニットを載せたプロトタイプ。発表資料では最高出力140kWとあったが、プロトタイプには150kWのモーターが載っているようだった。

  ZFが掲げた将来の開発方針のひとつが電動化(Electric Mobility)だ。
 新開発の8HP(8速AT)の電動化については、すでにレポートした。


ZF 進化するトランスミッション 電動化時代も縦置き用ATの主役は8HP。

 48Vマイルドハイブリッド、PHEVの先にあるのは、xEV(ピュアEV)である。もちろんZFも、その開発を進めている。今回ドイツでワールドプレミアした「2速電動ドライブ」は、ZFが出した乗用車の電動化への回答だ。

ブルーの部分が2速化にあたって追加されたパーツ。2つのブレーキ、1つのワンウェイクラッチを使う。モーターはASM(非同期モーター)だ。

 現在、EVに求められるのは、一にも二にも「航続距離」だ。ZFのエンジニアによれば「エネルギー変換効率を1%向上させることで、航続距離は2%延ばすことができます」という。効率を上げるのに、ZFが注目したのは、得意とする「変速機」だ。

 ICE(内燃機関)には、トランスミッションが不可欠だ。エンジンはトランスミッションによって変速(減速・増速)しないと、アクスルに必要な駆動力を伝えられない。
 一方、モーター(=EV)は回転直後に最大トルクを発生するから、トランスミッションは必ずしも必要としない(最終ギヤは必要だが)。実際、日産リーフにも、テスラにもトランスミッションはない。
 しかし、近年ではEVの電動ドライブユニットにもなんらかの「変速機」が必要だという考えが広まってきた。ZFもそう考えている。もちろん、変速機構なしで済めばシンプルで軽く仕上げることができる。電動ドライブユニットに変速機構を付加するということは、それだけ複雑で重く大きくなる可能性があるということだ。それでも、変速機をつける理由は、「効率」である。

2速の変速機構を組み込むことでバッテリーサイズが同じなら航続距離を5%延ばせるという。2速になることで加速性能も大幅に向上する。
上のグラフは、縦軸がトルク、横軸が速度(EVの紹介で使われる場合は、横軸が「回転数」の場合もある)を表している。1速ギヤを使って発進すれば、より高いトルク(高い減速比。今回のZFの場合は1速のギヤ比は10.6)で力強い発進〜加速ができる。一方、70km/hで2速(ギヤ比6.4)へ変速し、より高速での走行が可能になる。

 ZFが新開発した2速電動ドライブユニットは、プラネタリーギヤセットを使った2速の変速機構を持つ。140kW(190ps)の新型モーターと2速変速機構、そしてパワーエレクトロニクスまで統合した高性能な電動アクスルドライブである。
「モーターとギヤボックス、そしてパワーエレクトロニクスに関するZF独自のノウハウを統合することで、ベストな航続距離を実現した」とZFの技術陣は胸を張る。
 重く大きくなるはずだが、ZFは1速の電動ドライブユニット(ZFは、変速機なしの電動ドライブユニットをすでに開発済みだ)と同サイズに2速変速機構を組み込むことに成功している。

ブルーの部分が2速化にあたって追加されたパーツ。パッケージそのもののサイズは大きくなっていない。
2速の変速機構がつくことで、0-50km/h加速(1速)に要する時間は10%、80-120km/h加速(2速)最大10%、120-150km/h加速では最大20%も加速時間を短縮できる。
1速から2速になることでE-Driveのコストは上がるが、効率がよくなることでバッテリー容量を減らせるので、トータルではコストを下げることができる。
効率マップを見ると、2速ギヤのメリットがわかりやすい。2速の変速ができることでモーターの最高効率・高効率の領域を、CIty(低速)、Cross-Country(中速)、Motorway(高速)にかかわらず使えるようになる。
車両のCAN通信と2速電動ドライブユニットを接続することで、デジタルマップやGPSなどと連携した独自のシフトストラテジーを設定できる。たとえば、上り坂や下り坂、次の充電スポットまでの距離などを考慮して効率のよい変速もできる。システムのソフトウェアのアップデートはクラウドを通じて行なう考えだ。
VWトゥーランに2速電動ドライブユニットを載せたプロトタイプでは、WLTPモードで航続距離が4.7%延長できた。内訳はモーターの効率化で3%、2速化で1.7%である。
2速電動ドライブユニットは種類のモーター(XL/L/S)、3種類のパワーエレクトロニクス(XL/L/S)に2速トランスミッションを組み合わせることでモジュラー化し、さまざまなアプリケーションに対応する。2速トランスミッションは、250kW(340ps)までの高出力モーターと組み合わせることができる。
上がった効率分で、航続距離かバッテリー容量か、を選ぶことができるようになる
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