パワースプリットシステムはなぜトヨタのハイブリッドを無敵にしたのか?

トヨタのハイブリッドを他の追随を許さないものにしているのは、電気モーター単体でもバッテリー単体でもなく、2つのモーターの動力を遊星歯車装置ひとつで分配・統合するパワースプリット式動力伝達装置である.このアーキテクチャは、直列式と並列式ハイブリッドの弱点をひとつの機構で補い、車両にガソリンエンジン、電気モーター、あるいはその組み合わせによってシームレスに走行する能力を与えた.1997年に最初の量産ハイブリッド Prius でデビューしたこのシステムは、今日でもなお業界が基準と認めるソリューションである.

直列、並列、パワースプリット:3つのアーキテクチャの違いとは?

ハイブリッドの動力伝達を理解するには、3つの基本アーキテクチャを区別する必要がある. 直列式ハイブリッドでは 車輪は電気のみで回転する.内燃機関はジェネレーターに電力を供給し、その電気がモーターへ送られる.歴史の舞台に最初に登場したのもこの方式だった.フェルディナント・ポルシェは1898年にEgger-Lohner C.2を設計し、1900年にインホイールモーターを前輪に備えた電気式Lohner-Porscheを発表、1901年にはハブドライブでガソリンエンジンを組み合わせた Lohner-Porsche Mixte Hybrid が量産された初のハイブリッド車となった.1902年にはポルシェがこの車でExelbergラリーを制した.しかし直列式アーキテクチャの代償は明確である.エネルギーは機械的ではなく電気的に車輪へ伝えられ、変換のたびに損失が生じる.

並列式ハイブリッドでは 内燃機関と電気モーターが共通の出力軸を共有し、エンジン単独あるいは両者協調で車輪を駆動できる.この構成は一般的に直列式より小さなバッテリーを使用し、回生ブレーキで充電する.機械的接続が保たれるため効率損失は限定的だが、その一方でエンジンと車輪の回転数が相互に結びついており、エンジンを最も効率の良い動作範囲に保つことが難しくなる.

パワースプリットアーキテクチャは 両者の中間に位置する.並列式の経路にパワースプリット装置を追加し、内燃機関から車輪へ複数の動力経路を開く.エンジン、ジェネレーター、駆動用モーターは互いに独立して(デカップリングして)動作でき、システムは状況に応じて直列式あるいは並列式のように振る舞い、混合走行時の効率を維持する.決定的な特徴は、エンジンを効率の良い動作範囲に保つ電子式無段変速機、すなわちeCVTである.

G21プロジェクト:20キロの目標からハイブリッド決定へ

トヨタのシステムの誕生は、工学上の一手ではなく、ビジョン策定の活動から生まれた.1993年夏、名誉会長・豊田英二の呼びかけにより21世紀に向けた車両設計の研究が始まり、1993年9月にコードネーム G21 (Globeとの21世紀の融合)というプロジェクトが立ち上げられた.10人のエンジニアとデザイナーで構成されるチームは、目標として燃費20km/リットルを掲げた.1994年2月にプロジェクトは正式に発足し、そのトップには、後にトヨタ社長となる内山田竹志が就いた.

1994年11月、状況が変わった.技術担当の専務取締役である和田明広が、プロジェクトをハイブリッド方式にするよう指示を出し、それができなければプロジェクトは廃止されると明言した.目標は燃費を2倍にすることであり、チームの評価によれば、それを実現する唯一の方法がハイブリッド技術だった.注目すべき詳細として、G21チームのメンバー自身でさえ、当時ハイブリッド化は21世紀初頭までには間に合わない、実証されていない技術と見ていた.この指示がその判断を覆した.

チームは約6か月間にわたってシステムを検討し、高い燃費の可能性を理由に2モーター方式を選択した.この選択の最も革新的な帰結は、従来型トランスミッションが完全に廃止されるという想定だった.1995年6月に量産車向けの正式承認が下り、エンジン、モータージェネレーター、インバーターは内製で開発し、バッテリーについては松下電池工業と協力することが決まった.1995年8月の奥田碩のトヨタ社長就任は、ハイブリッド開発の転換点となった.

トヨタハイブリッドシステム:遊星歯車はどのように機能するのか?

1997年3月、トヨタは電動モーターとジェネレーターを統合したパワースプリット式の トヨタハイブリッドシステム(THS)の完成を発表した.システムの中核には遊星歯車式のパワースプリット装置があった.この機構は2つのモータージェネレーターを内燃機関に接続し、エンジンの動力を車輪の駆動と発電の間に配分していた.入力軸と出力軸が同一平面上にあることでコンパクトさを実現しており、駆動用モーターはエンジンの動力を増強し、減速時にはジェネレーターとして動作してバッテリーを充電する.もう一方のモーターはICEの動力で発電し、トランスミッションを制御するとともにスターターモーターの役割も担っていた.バッテリーとモーターの間にはインバーターが組み込まれた.

今日 Hybrid Synergy Drive (HSD)として知られるシステムは、1997-2003年型プリウスのTHSを洗練させたものである.第2世代のシステムは2004年型プリウスで採用され、名称の変更はこの技術がトヨタブランドを超えて広がることへの期待を反映していた.このシステムは2006年にはカムリとハイランダーにも搭載された.HSDでは、従来型トランスミッション、オルタネーター、スターターモーターの代わりに、MG1、MG2、3つのDC-ACインバーターと2つのDC-DCコンバーターからなるパワーエレクトロニクス、コンピューター制御、高電圧バッテリーが用いられる.

2つのモータージェネレーターの役割分担は明確である:

• MG1: ICEを始動するモーターであり、バッテリーを充電するジェネレーター.発電量を調節することで、トランスアクスルのCVTを実質的に制御する.
• MG2: 主駆動モーターおよび回生ブレーキ用ジェネレーター.一般的にこちらのほうが高出力である.

遊星歯車機構はCVTに類似した機能を果たし、トヨタはこのシステムを法規制上の目的で e-CVT クラスに分類します.HSDはフルハイブリッドです.車は電気モーターのみで走行できます.多くの競合ハイブリッドはこれができず、そのためマイルドハイブリッドとみなされます.このシステムは世代の中でも進化しました.第1世代と第2世代ではMG2はリングギアに直接接続されていました(1:1、トルク増幅なし).第3世代では2.5:1の遊星歯車機構を介して接続され、より小型でありながらより強力なMG2が可能になりました.バッテリー面では、第1世代のPriusは228個のセルと38個のモジュールを使用しましたが、第2世代と第3世代は公称電圧201.6 Vの28個のPanasonic角型NiMHモジュールに移行しました.エレクトロニクスはバッテリー寿命のために充電を40-80%の範囲に保ちます.

Hondaはなぜ異なる道を選んだのか? パラレルIMAの選択

Toyotaが2モーターのパワースプリットに投資する一方、Hondaはシンプルさとコストのバランスを重視するソリューションを採用しました.Hondaの初の量産ハイブリッドである Insight は1999年に市場に登場し、パラレルハイブリッドの Integrated Motor Assist (IMA)システムを装備していました.IMAでは電気モーターとガソリンエンジンが共通の出力軸を共有します.シリーズハイブリッドとは異なり、ガソリンエンジン単独で車輪を駆動できます.これは1997年のPriusに続く車であり、パラレルシステムのマイルドハイブリッドとして分類されました.

その結果、ハイブリッド市場初の大きなアーキテクチャの分化となりました.Toyotaは効率の上限を目指す、部品点数が多く制御が複雑なシステムを選択しました.一方Hondaは、より少ない部品で妥当な効率を提供する構成を選びました.IMAは約6世代にわたって使用され、Hondaのハイブリッドの進化は時を経て現在の e:HEV システムに到達しました.しかし完全な電気走行ができないため、IMAはHSDに対して技術的により狭い能力のカテゴリーに位置づけられました.HSD以外の多くのハイブリッドと同様に、IMAも電気のみで発進することはできません.

1997年以降: パワースプリットアーキテクチャは市場をどう形成したか?

1997年12月に発売された Priusは、世界初の量産ハイブリッド車としてIEEE Milestoneリストにも登録されました.その後はスケールの物語です.Toyotaは2007年5月に100万台、2009年8月末に200万台、2013年3月に500万台のハイブリッド販売を突破しました.2013年3月時点で、アメリカは世界のハイブリッド販売の38%を占めていました.Priusは今日に至るまで5世代生産されています.

パワースプリットアーキテクチャはToyotaの内部に閉じたソリューションでもありませんでした.HSD技術はAltima HybridのためにNissanにライセンス供与され、Aisinは類似のハイブリッドトランスミッションを他のメーカーに提供しました.同じシステムはMiraiの電気駆動とPrius Plug-in Hybridに適用され、Lexus版は Lexus Hybrid Drive の名称を冠しています.パワースプリット設計は他のブランドでも標準となりました.近年の比較では、GM、Toyota、Dongfeng、Great Wallのシステムでも遊星歯車機構が前面にあり、サンギアはMG1モーターに接続されています.2026年モデル年の車両でも(例えば RAV4 XA60)、NiMHとリチウムイオンバッテリーの選択肢が続いています.

電動走行距離と実用上の限界

標準のHSDは, バッテリーに十分な充電がある場合, 時速40 km未満で約 1.6 km の完全電動走行を可能にするEVモードを備えています.より長い電動走行距離には別のアーキテクチャが必要です: プリウス・プラグインハイブリッドは, 4.4 kWh容量で重量80 kgのリチウムイオンバッテリーを搭載し, EPA測定値によると 18 km の電動走行距離を提供します.バッテリーについてよく寄せられる疑問も明確にしておく必要があります: HSDは, コンピューター, 電源, バッテリー, モーター兼ジェネレーターなしには作動できません.一方で, 原理的には内燃機関なしでも走行でき, 実用面では緊急時に短距離であればガソリンのみで走行できます.

今日から見ると: パワースプリットはまだ意味があるのか?

バッテリー式電気自動車への移行が鈍るなか、消費者がハイブリッドへ向かう傾向が観察されており、トヨタにとってこれを追い風にする生産面の詳細がある.ハイブリッドをガソリン車やプラグイン車と同じ組立ラインで生産でき、需要に応じて生産をリアルタイムで調整できるのだ.工学的にさらに注目すべきは、このシステムの歴史の長さである.1994年に6か月間の分析を経て選ばれた2モーター方式は、3十年を経た今でも、その中核機構、遊星歯車、2つのモータージェネレーター、パワーエレクトロニクスが、ほぼ同じ原理で動作している.特許アーカイブには、遊星歯車の設計や多モードの動力分割機構に関する詳細な研究が見出せる.しかし、トヨタが動力分割システムを単一の特許で確定させたという一般に広まる物語が、単一の直接的な特許記録に基づいていると言うのは難しい.システムの強さは一つの書類よりもむしろ、構成要素全体に組み込まれたアーキテクチャ上の決定から生まれている.そしてこの決定こそが、ハイブリッド史における最も重要な転換点の一つとして立っている.正しいメカニズムが、技術の残りの部分を引きずって進ませたのだ.

参考文献

• The Story Behind the Birth of the Prius, Part 1
• Item 1. Development of Prius and Hybrid Strategy
• Hybrid Synergy Drive
• Hybrid vehicle drivetrain
• Milestones: Toyota Prius, the World's First Mass-Produced Hybrid Vehicle, 1997
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains
• Prius and Volt: Configuration Analysis of Power-Split Hybrid
• Inside Toyota's Hybrid Synergy Drive
• Honda Insight - Integrated Motor Assist
• Evolution of the e:HEV Powertrain
• The history of Porsche begins electrically
• Lohner–Porsche
• GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall power-split comparison
• Toyota to outshine rivals as consumers opt for hybrids