ハイブリッドカーのモーター

質問

トヨタのプリウスなどハイブリッドカーが評判です。
ガソリンエンジンで発電し、バッテリーに貯め、電動機を回して自動車を駆動する。ガソリンエンジンによる直接の駆動もあるので、ハイブリッド。
と理解しております。

発電した電力は、直流／交流何ボルトですか。
モーターの駆動には何ボルトの直流／交流を使うのでしょう。周波数は？
電力の変換（発電から、モーターまで）はどのようにしてやりますか。
モーターの種類は何ですか。（誘導モーター、同期モーター、などなど）
モーターの種類と関係しますが、回転数制御の方法は。

インターネットも覗き、トヨタ販売店にも聞いたのですが、満足な答えはいただけませんでした。
特に電動機／モーターの回転数制御法をご存じの方にお答えいただけたらと思います。

回答No.2

tance · ベストアンサー

モータ電圧は数100Vと聞いていたのですが、どうやら500Vのようです。
単位はrmsだろうと思います。

バッテリも直列にして数100Vで使っているはずです。

事故のとき感電にも気をつけなくてはならないわけですね。

また、電気を貯めるのはバッテリだけではなく大容量のコンデンサを
併用しているはずです。このあたりの情報はほとんど見あたりません。

参考URL：

http://car.nifty.com/cs/catalog/car_1/catalog_0401059449_1.htm

補足

tance さん 有り難うございます。
モーター駆動電圧が５００Ｖらしいのは、うっすらとした記憶があります。
ｒｍｓという単位は何でしょう。

感電の危険性は重要だと思います。殊に事故発生時には思わぬ事が起こりがちですね。

コンデンサ-については、tance さんに誤解があるように思います。コンデンサーには大きな電力は貯められないし、連続した電流は取り出せないでしょう。（私は電気の専門ではありませんが）

この質問はしばらく閉じませんので、更なる情報をお持ちでしたらよろしく。例えばトヨタとホンダの比較などです。

回答No.11

anachrockt

モータインバータ用コンデンサバンクと言えば，新幹線にも搭載されている（Tech-On!情報）ここが有名です．
http://www.nichicon.co.jp/lib/lib29.html
ハイブリッド車の話も載ってますな．
ちょっと考えてみればわかることですが，高周波のリップル電流が流れるため，下で紹介した電気2重層は無理でしょう．
大容量で有名なここにも，許容リップル電流の話は無いですね．
http://www.powersystems.co.jp/product/module.html

いずれにしろ，こうゆう話は幸せそうなエンジニアか，ホントの専門家に聞くことです．

お礼

anachrockt さん　有り難うございます。
皆様のおかげで、所期の目的は達しました。結果を纏めて No.10 　の方へのお礼に記入いたしました。

そろそろこの質問欄を閉じることにいたします。

回答No.10

tance

tanceです。

一般論としてハイブリッド車のバッテリに対する要求仕様を概算
してみましょう。仮定するのは
電圧 240V
容量 10Ah
出力 20kW（機械的出力ではなく電気的出力）
各部効率 100%

20kWの電力をバッテリから出すには 20kW / 240V = 83A の電流を
流さなくてはなりません。10Ahのバッテリにとっては83Aという電流は
0.12C という、とんでもなく過酷な放電です。単純計算では7分12秒で
空になってしまいます。バッテリが小さいので短時間でなくなるのは
当然なのですが、そんな過大な充放電電流は実際に流せないだろうと
いうことです。（少し前のプリウスは3Cでのバッテリ容量として6.5Ah
とカタログに謳っています）

実際にこの急速な充放電をどのように緩和しているのか解りませんが
スーパーキャパシタなどのお世話になるくらいしか考えられません。
私が乗っているシビック・ハイブリッドの回路図には「コンデンサ
バンク」という塊が描かれています。

バッテリの容量を初めて聞いたとき、その小ささに驚きました。セル
モータを回す普通の鉛バッテリよりはるかに小さいのですから。
そして、実際に峠道などの長い下り坂などでは、本当に数分で充電
完了になることが判りました。

もしも、バッテリの改良で、これほどの急速充電をこれほど頻繁に
行えるようになったのであれば、すばらしいことですが、おそらく
バッテリ側の改良はそこまで行っていないはずです。

ただ、ラジコン飛行機用のバッテリなどは手のひらに載るサイズで
馬力単位の出力を出すらしいです。それも分単位の時間で容量の相当
部分を放出するとのことです。これはある程度寿命を無視した設計
なのだろうと想像しています。

話題が曖昧になってすみません。

お礼

tance さん　有り難うございます。皆様のおかげで、最初の質問に対する回答が纏まりました。以下にメモをし。この質問を閉じることにいたします。
２００８年１２月現在の仕様は以下の通りである。
エンジン：
形式名： 1NZ-FXE
種類： 水冷直列４気筒ＤＯＨＣ
最高出力： ５６ｋＷ（７６ＰＳ）／５０００ｒｐｍ
最大トルク： １１０Ｎｍ（１１２ｋｇｍ）／４０００ｒｐｍ
使用燃料： レギュラーガソリン
タンク容量： ４５ litter

モーター
形式名： ３ＣＭ
種類： 交流同期電動機（永久磁石同期電動機）
最高出力： ５０ｋＷ（６８ＰＳ）／１２００－１５４０ｒｐｍ
最大トルク： ４００Ｎｍ（４０.８ｋｇｍ）／０－１２００ｒｐｍ）
入力電圧： ５５０Ｖ（三相交流）

動力用主電池（主バッテリー）：
種類： ニッケル水素電池（素子の電圧は１．２Ｖ）
個数： ２８（電圧は３３.６Ｖになる）
主電池は６個直列に接続され、インバータへの出力は２０２．６Ｖ
接続方式： 直列
容量： ６.５Ａｈ

補助機器用にはもちろん２４Ｖの鉛電池が用いられる。

ガソリンエンジンとモーターは並列型である。
動力分配機構は遊星歯車装置である。接続は下記の通り
外側リングギアにモーター、ここから更に車軸に接続される。
遊星のキャリアにガソリンエンジン。
内側サンギアに発電機。

モーターをジェネレーターとして用い、回生ブレーキを構成する。
回生ブレーキでは電圧電流の変動が大きいので、バッテリーはこの電力を
効率よく蓄えられない。対策として、大容量キャパシタをバッテリーと並列に配置し、
バッファーとして用いる。

直流２０２．６Ｖのバッテリー出力はインバーターを用いて、三相交流としてモーターに供給される。電圧が上げられ、周波数制御により速度が制御される。

回答No.9

anachrockt

下で日経BPのサイトTech-On!を紹介して検索を勧めたんですが，やらなかったんですね．
市販のハイブリッド車で電気2重層コンデンサを使っているのは，ブレーキ・システムの補助電源だけですよ．
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20060522/117302/
Tech-On!で「電気2重層キャパシタ」，「電気二重層キャパシタ」で検索すればいろんな情報が得られます．
（Tech-On!では，コンデンサではなくキャパシタと呼んでます）
電気2重層コンデンサの使い方についてはここが詳しいです．
http://home.jeita.or.jp/ecb/techrepodl/RCR-2370A_jp_080425.pdf
5ページの表1にあるように，エネルギー密度が小さすぎて，ハイブリッド車にはまだ載せられないようです．
電池の起電力は原理的には材料によって決まってますが，コンデンサの端子電圧は容量によって決まるため，直列接続のときには難しい問題がありますから，関心があったら専門家に聞くとエエです．

日経BPでは，NE，日経ものづくり，日経Automotive Technologyの関連した3誌を出していて，シロートが自分の専門分野以外の記事を斜め読みしても技術動向がわかるようになってます．
（専門分野の記事は読まない方がエエです，幸せになれません）
回りにいる幸せそうなエンジニアに聞いてみたらどうでしょう？

お礼

anachrocktさん 申し訳ありませんが、勧められたものを全て直ちに読む時間がありません。仕事の合間にやっておりますから。今現在土曜日の２３時にも、仕事は終わっておりません。
と云って、お答えを無視しているのではなく、時間の取れる時、やっております。お怒りなきようお願いいたします。

回答No.8

foobar

元のご質問からは外れるのですが、
確かに電気二重層コンデンサの開発はかなり進んでいます。が、感覚的にはまだエネルギーに対してかなり寸法が大きいように思います。また、充放電によって電圧が変化すること、これに関連して利用可能なエネルギーが容量の50%程度になる、というのも応用面で若干問題になるようです。
6kJのコンデンサ（利用可能なのは3kJ程度）は大体350mlビール缶程度の大きさがあったように思います。単三型のNiH蓄電池が大体10kJ弱程度の容量ですので。
もひとつ、電気二重層コンデンサも短時間の充放電ができるようになってきましたが、ブレーキエネルギーを低損失で回収できる時定数の短い(1から2秒程度）のものはコスト、寸法（エネルギー密度）の点でまだ使いにくい（#7さんが引き合いに出されているのは時定数10秒くらいの品種かと思います）とか、高温での劣化が早い（40度で寿命が半減）など、まだまだ改良の余地があるのだとか。
ちなみに、ヨーロッパでは路面電車に二重層コンデンサを載せての運用が行われてて、結構いい結果を出していると聞いたことはあります。

お礼

foobar さん 有り難うございます。
私自身電気が専門ではありませんが、興味ある情報を有り難うございました。また、鉄道車両における同様の応用例は参考になります。走行時の運動エネルギーが大きいＩＣＥ列車（ドイツ）などでどうしているか、日本の新幹線はどうかなど別の機会に教えて下さい。
この質問に平行して、日本の新幹線のモーターについても調べようと思っております。

回答No.7

tance

tanceです。

BASKETMMさんのおっしゃるとおりです。キャパシタはあくまでバッファ
としての役目を果たしています。

おそらく2.5V 2000F くらいのキャパシタをたくさん使っているはずで、
ひとつで6.25kJのエネルギーを貯められます。電圧をモータに合わせる
ために当然のことながらコンバータが使われています。

バッテリは多分10Ahくらいのものだと思いますが無理矢理電荷に換算
すると36kCです。上記のキャパシタでも5kC貯められますから何個か
あれば電池に適した充放電率でゆっくり充放電することができる計算
です。

電圧はキャパシタとバッテリはせいぜい2.5Vと1.2Vの違いくらいなので
バッテリが200個くらい直列だったとして、キャパシタは700個で同等
になります。

また、驚くことに、たくさん買えば 1kF(1000F)あたりの価格は\500
くらいだそうです。（たくさんとは100万個とのこと）
電池は数10万円すると思うので、ちょっと安すぎですね。疑わしい
数字ですが、コンデンサメーカの人から聞いたので間違いはないと
思います。

お礼

tance さん 有り難うございます。
具体的な数値で説明して下さったので、よく理解いたしました。
例えば、充電速度にしても私はキャパシタとバッテリーの差が非常に大きいとのみ定性的に理解しておりました。実用上、無限大とゼロで考えておりました。ご指摘で、両者が比較出来る程度の値であること学びました。

また、私の文章の中には、「電荷」というような言葉が使われています。間違いではありませんが、少々場違いです。電気容量と書くか、電流と書くか、電気エネルギーと書くか、その他の言葉を選ぼうか考えるのをサボッタための用語です。tance さんが丁寧に対応して下さったので、ああこれが私の言いたいことだったのだと逆にハッキリいたしました。

重ねて御礼申し上げます。

回答No.6

anachrockt

そうゆう話だったら，やさしい解説書がエエと思います．
Amaznで探せば，色々見つかりますよ．
http://www.amazon.co.jp/dp/4779604176
http://www.amazon.co.jp/dp/4526051446
http://www.amazon.co.jp/dp/4876872538
シンポジウムやセミナーの良い点は，今の技術のどこに問題があり，どう改善するのか話されますから，今の技術がより詳しくわかることです．

コンデンサについては，幸せなエンジニアが読むとゆう
http://next.rikunabi.com/tech/docs/ct_s03600.jsp?p=000244&__m=1
NEの2008年11月17日号に解説記事が載ってました．
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20081111/161055/
うろ覚えですが，読んだ感想は開発途中でまだまだでんなでした．

回りに幸せそうなエンジニアがいたら，聞いてみるとええでしょう．

回答No.5

anachrockt

少し専門的になりますが，毎年この展示会が開かれています．
http://www.jma.or.jp/tf/index.html
一緒に技術シンポジウムが開催されています．
去年はこんな内容でした．
http://school.jma.or.jp/tfs/session-de.html
http://school.jma.or.jp/tfs/session-car.html
使用テキストは売られています．
http://school.jma.or.jp/tfs/text-2008.html

インターネプコンでもこんなことをやります．
http://www.car-ele.jp/jp/conference09/
本で見たりBBSで聞くよりも，実際にやっている人から
話を聞いた方が早いですよ．

補足

anachrocktさん 有り難うございます。
展示会、講演会はずいぶん通いましたが、最近はご無沙汰しております。

ただ、今回の質問は、現実にシリーズで生産され、販売されている自動車の仕様をいくつか聞きたかっただけなのです。購入し、エンジンルームを覗き、測定すれば分かることばかりで、秘密事項でもないのです。

例えば、モーターは三相交流５００Ｖの誘導電動機。回転数制御は周波数変換。という具合です。みなさまからこれほど多くのお答えをいただくとは思ってもおりませんでした。
ガソリン車なら、運転教習所で習うようなことです。このごろも法規の他に技術の授業もありますね。

回答No.4

tance

tanceです。

コンデンサが大容量のバッテリをしのぐ性能を持つようになったことは
あまり知られていないのかもしれません。電気二重層キャパシタは
従来の電解コンデンサの1000倍もの静電容量を持ちますが、内部抵抗が
大きいのでメモリーのバックアップ程度しか用途がなかったことも
事実です。

ところが近年、内部抵抗の上昇する原因が解ってきて改良され、大電流
を流せるスーパーキャパシタが作られるようになっています。

コンデンサですから充放電の回数に制限がなく、極めて短時間率での
充放電が可能なので、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池より
ハイブリッド車のバッファ的な使い方には適しているのでしょう。

参考URLを見てください。探せばもっと具体的な情報が出てくると思い
ます。

参考URL：

http://www.nec-tokin.com/product/cap/sucap/app/app_5.html

補足

tance さん　有り難うございます。私の理解は少し異なります。今回の質問の主旨とは直接関係ありませんが。私の考えを記しておきます。
と云って、tance さんのお考えと全く違うというのではありません。バッファー的働きをキャパシターが持っていることはよく理解出来ます。

キャパシタに蓄えられる電力は一時的なものです。紹介して下さったシステムでは、発電される電圧が高くなった時に電気エネルギーは短時間キャパシタに蓄えられ、徐々にバッテリーに、「バッテリーの定格電圧」で移し替えられます。
キャパシタに蓄えられる電荷は q = CV であり、電圧が決まれば、上限があります。実用上は微少です。これに対し、バッテリーに蓄えられる電荷（敢えて電荷と書きます。）は、バッテリーの種類にもよりますが、内部の化学反応と共に増大します。一方に於いて、化学反応の速度は有限ですから、時間が掛かります。キャパシタの充放電速度は、それに接続されている抵抗によって決まる時定数：Ｔ（秒）＝Ｒ（オーム）ＸＣ（ファラド）　で決まります。短時間で充電される代わりに短時間で放電してしまいます。
キャパシタ 容量有限 蓄電速度大
バッテリー 蓄電速度大 蓄電速度有限

ご紹介いただいた装置では、キャパシタとバッテリーの特性の違いを組み合わせて、双方の長所を生かしているのだと思います。

回答No.3

anachrockt

プリウスについては，「EE TIMES Japan」の'07年7月号に分解記事が載ってました．
http://eetimes.jp/
バックナンバーは無いようですが，無料雑誌ですから申し込んだらどうでしょう？
本家の英語版の記事は残ってます．
http://www.techonline.com/product/underthehood/199501618
電池は200V，モータインバータは500Vに昇圧された電源で動作のようです．
一等下にプリウス関係の全記事がリンクされています．

日本では日経BPの雑誌に時々載ってます．
ここで「トヨタ　プリウス」で検索すると，色々出てきます．
http://techon.nikkeibp.co.jp/

補足

anachrockt さん 情報を有り難うございます。
幅広い情報であり、調べるのに少し時間が掛かります。

本日はご紹介いただいた英文記事のみを読みました。ご紹介の記事にはPart5 と番号がついておりましたので、 Part 1, 2 ...なども見ましたが、駆動系統とは直接関係ないようでした。

出張などもあり、今日明日に調査完成とは行かないでしょうが、頑張ります。よろしく。

回答No.1

FEX2053

こちらにもあるように、プリウスのモーターは誘導電動機で、制御方式
はVVVFです。最新の電車と同じですね。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8F%E3%82%A4%E3%83%96%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%89%E3%82%AB%E3%83%BC

端子電圧は確か24Vだったと記憶しています。VVVFですから電源は直流
ですが、インバーターで交流に変換して動作しています。この辺は
発売時の「カーグラフィック」誌に記述があったはずですので、
探してみてください。私は今、手元に無いので・・・。

お礼

FEX2053 さん　有り難うございます。
皆様のおかげで、所期の目的は達しました。閣下を纏めて No.10 　の方へのお礼に記入いたしました。
モーターは同期電動機で、誘導電動機ではないようです。

補足

FEX2053 さん　有り難うございます。
中間報告です。
VVVF Variable Voltage Variable frequency 、誘導電動機、インバーターなどは理解しているつもりですので、もう少し具体的な数値を調べてみます。
お願いはカーグラフィックについてです。発売時と書いておられますが、いつ頃であったかご記憶でしたら教えて下さい。東京都図書館にはかなり前のものから置いてありますが、年度などが分かると探しやすいのです。
大学の図書館も覗いてみます。
教えていただいたことを元に、知識が纏まったら、最終報告をいたします。今年中に出来るか心配ですが。