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電気自動車の仕組みと構造

電気自動車 この記事は約 8 分で読めます。 554 Views

一般的に「電気自動車とは?」電気で走る車ということであり、英語で「Electric Vehicle」(Electric=電気、Vehicle=車両)です。私達は略して、「EV」と呼んでいます。EVというと、(ガソリンではなく)電気で動く車、つまりピュアEVを想定されますが、実は最近人気のハイブリッドカーやプラグイン・ハイブリッドカーも電気で動くことから電気自動車の仲間ということが出来るのです。

ハイブリッドカーは「Hybrid Electric Vehicle :HEV」、プラグイン・ハイブリッドカーは「Plug-in Hybrid Electric Vehicle :PHEV」で共に、「EV」が付いています。さらに、ハイブリッドシステムには駆動方式により「パラレル式」「シリーズ式」「シリーズ・パラレル式」の3タイプがあるが、基本的な構成は同じです。

パラレル式はガソリンエンジンとトランスミッション(変速機)の間に、モーターが配置されるタイプで、エンジンだけで不足するトルクをモーターで補い、走行性能と燃費を向上させようというものです。シリーズ式はエンジンが発電機の役割を果たし、発電した電力をバッテリーに充電してモーターの駆動を行うものです。

そして、シリーズ・パラレル式については、基本的にはシリーズ式と同じですが、エンジンは単なる発電機ではなく、モーターだけでは出力が不足する場合に備えて、エンジンが走行を補助する役割を担っているのです。

電気を使って走行するという点ではハイブリッドカーも電気自動車と同じなのです。ただ、それにエンジンがあるか、ないかの違いなのです。

電気自動車の仕組み

電気自動車というのは、文字通り「電気」で走る車であり、英語で「Electric Vehicle」(略:EV)と言います。近年、環境への取り組みとして、電気自動車を含む、低燃費のエコカーがテレビや新聞などで話題を呼んでいるのです。

まず、電気自動車とはどんなものであるかを理解するために、その仕組みについて説明します。電気自動車は電動モーターで車を駆動させて走行します。電気自動車は大きく、「充電装置」「バッテリー」「コントローラー」「モーター」の4つの部分から構成されているのです。

充電装置は充電するための装置、外部とのインターフェースを司り、家庭用コンセントや急速充電設備から充電する役割を担っています。外部からの電気は充電装置経由で、バッテリー(蓄電池)に溜めこまれることになります。コントローラーはアクセルペダル及びブレーキペダルと連動して、バッテリーからの電気エネルギーを調整してモーターに伝える役割を果たしています。そして、モーターがタイヤを動かすことになります。これが電気自動車を動かすための大まかな仕組み(構造)ですが、各部位についての詳細は次節以降で記載します。PHEV車はエンジンとモーターの両方を兼ね備えていますが、外部から電気を充電する仕組みについては同様です。PHEV車は「Plug-in Hybrid Electric Vehicle」(プラブインハイブリッド)と呼ぶのに対し、一般的なEV車を「ピュアEV」と呼びます。

このように、電気自動車の構造は単純なことから、自動車メーカのみならず、多くの研究機関で開発の試みが出てきています。

充電装置

充電装置は文字通り、充電するために(電気自動車に)備え付けられている装置であり、外部から電気エネルギーを取り込む役割を果たしているのです。いわば、外部インターフェースということなのです。電気自動車は携帯電話やデジカメなどの電気製品と同じように、家庭用コンセントから電気を取り込むのです。では、その方法についてもう少し詳しく見てみることにしましょう。

バッテリー(蓄電池)に電気を蓄えるということですが、一般的に量産されている電気自動車では、電源として家庭用の100Vと200V、急速充電設備用の200Vに対応しています。通常、三菱のiMiEVに代表されるように、車両には家庭用電源プラグと急速充電設備用プラグが備え付けられています。駆動用のバッテリーには直流電圧(普通乗用車の場合、12V)として電気が蓄積されます。しかし、プラグからは交流電圧が入力されるのです。インバーターで交流電圧を一旦、直流電圧に変換してからバッテリーに蓄積するのです。インバーターとはもともと、直流を交流に変える電源回路として用いられており、交流を直流に変えるのはコンバーター(整流器)とされていました。しかし、現在ではコンバーター回路を含んだ電力変換装置をインバーターと呼ぶようです。

乾電池に代表されるように、電気は直流でしか蓄えられません。(交流の形で蓄えるバッテリーはないのです。) 自動車に取り付けられている電装品(カーナビ・オーディオ・シガレット接続機器など)は直流電源を使います。ただ、車体を動かすためのモータ制御については交流に変換しなおします。

バッテリー(蓄電池)

次に、バッテリーについて説明します。自動車部品として、英語の「battery」(バッテリー)は一般的に用いられていますが、俗に「蓄電池」のことです。

バッテリーは電気自動車の性能を決める重要な部品です。というのは、今だ電気自動車が普及していないのは「航続可能距離」の問題があるからです。電気自動車の場合、航続可能距離というのは満充電で走行可能な距離を示すことになります。バッテリーには容量が大きければ、一般的に航続可能距離が伸びますが、値段が高くなり、車両価格が高くなります。ガソリン車に比べ、電気自動車が高価なのはこの点からです。

電気自動車のバッテリー容量は「kwh」(キロワット時)で示されます。つまり、電力の単位である「kw」と時間を掛けたものであり、キロワットの仕事率(電力量)を1時間続けた場合の消費電力量ということになります。これにより、バッテリー容量大きければ、同じ仕事(自動車の場合、タイヤを回転させて走行する動作)でも長く継続できるため、航続可能距離が伸びるということになります。但し、車体の重さなどを考慮した場合、仕事率が高く(燃費が悪く)なれば、同じバッテリー容量でも継続時間が短くなることから航続可能距離が短くなるでしょう。

電気自動車に用いられるバッテリーとして、「ニッケル水素蓄電池」や「リチウムイオン電池」があります。ニッケル水素蓄電池は二次電池に分類されるアルカリ蓄電池の一つです。低価格ですが、逐次充電しないと最大容量が減ってしまうという性能面での問題もあります。対し、リチウムイオン電池はそのような問題を解消し、少ないスペースで大容量の電力を確保でき、電気自動車の主流となっています。

コントローラ(制御装置)

次に、コントローラ(制御装置)について説明します。自動車部品として、英語の「controller」、自動車の走行/停止などを制御するためのものです。つまり、アクセルペダル及びブレーキペダルの操作に合わせて、モーターに電圧・電流を供給するためのものです。もう少し、その制御手順について詳しく見てみることにしましょう。

「01-03:電気自動車の構造(充電装置)」で説明した通り、バッテリー(蓄電池)は直流電源(12V)です。運転手がアクセルを踏み込んで加速した場合、コントローラはインバータに指令を出して、モーターに送り込む交流電源(バッテリーの直流電源を交流電源に変換したもの)の周波数を上げるのです。そうすることによって、加速するのです。

逆に、減速の場合、アクセルが戻される、或いはブレーキペダルを踏むことにより車軸と連動する車速センサーなどのデータをもとに、インバータにモーターへの送電停止指令を行うのです。そうすることにより、駆動力はなくなり、モーター内部の磁界による抵抗でスピードがダウンすることになります。

このように、コントローラはガソリン車同様、自動車を動かすための指令を出しているところで、人間で言う「脳」のような働きをしています。自動車はどんどんハイテク化が進み、それに応じてコントロール部も複雑化を強いられるが、基本的な構成は変わらないでしょう。コントローラは最も重要な部位であり、コントローラに不具合があると、重大な事故につながりかねないのです。

モーター(電動機)

次に、モーター(電動機)について説明します。自動車部品として、英語の「motor」、自動車の走行/停止などを行うためのものです。つまり、簡単にいうと、コントローラー(制御装置)からの要求に応じて、モーターは自動車を走行(加速)させたり、停止(減速)させたりするのです。通常、おもちゃの「モーター」と仕組みは同じです。

電気自動車のモーターには交流(AC)モーターが使われるのです。バッテリーでの電気蓄積は直流なので、電源はインバータを経由して直流-交流変換され、交流電源で自動車を動かすのです。交流で動くモーターには「同期モーター」(SM:Synchronous Motor)と「誘導モーター」(IM:Induction Motor)があります。

同期モーターは加えられる交流電流が作る回転磁界と電機子電流の作る磁界との回転速度差に同期して回転するものです。ということで、本モーターの最大の特徴は、送り込まれる交流の周波数によって回転数を完全に制御できるところにあります。ロボットの動力装置などには最適なモーターと言えます。勿論、正確な回転数制御が要求される電気自動車にとっても同期モーターは便利であり、ハイブリッド車を含めて電気自動車のほとんどがこのモーターを搭載しているのです。

一方、誘導モーターは固定子の作る回転磁界により、電気伝導体の回転子に誘導電流が発生して回転トルクが発生するものです。本モーターの最大の特徴は、回転子の磁界の動きよりも遅れるという点があるということです。ということは磁界の動きと回転のタイミングにずれが生じ、制御しにくいということになります。

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