Honda IMAシステム
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シビックハイブリッド
Honda IMAシステム(ホンダ・アイエムエー・システム、Honda Integrated Motor Assist System)とは、本田技研工業が開発した小型・普通乗用車用ハイブリッドシステムである。
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[編集] 概要
Honda IMAシステムは、ガソリンエンジンと電気モーターの双方の動力源を持ち、ハイブリッドシステムの種類としては、エンジンとモーター両方が並行して駆動する、パラレル型に分類される。電力は、自動車の制動、巡航運転時に発生するエネルギーを回生、余剰エネルギーをモーターが発電機となって回収し、バッテリーに充電するため、充電する作業は必要としない。エネルギー補給はガソリンの給油のみである。
主動力源はエンジンであり、モーターは必要に応じてアシストし、エンジンのトルクが不足する状況時にモーターが駆動しトルクが増大される。発進時や加速時などで余剰トルクが不要になり、燃費が改善できるようになった。停車時に作動するオートアイドルストップシステムと、IMAに採用されているエンジンの低燃費性能により、燃費が向上し、モーターが動的フライホイルの役目もなすため、エンジンの回転は非常に滑らかなものとなっている。
採用車種としては、2005年時点、日本ではインサイト、シビックハイブリッドの2車種が販売され、北米ではアコードハイブリッドを加えた3車種の販売がなされていた。2007年現在では、インサイトが販売終了しており、日本ではシビックハイブリッドのみ、北米ではシビックハイブリッドとアコードハイブリッドの販売となっている(2007年6月、アコードハイブリッドは販売不振から同年中の生産中止が決定した)。
インサイト及びシビックハイブリッドの燃費性能は、国土交通省の平成16年燃費の良いガソリン乗用車ランキングでそれぞれ1位と3位（10・15モード燃費値：36.0km/L及び31.0km/L）であった。アコードハイブリッドは、VCM(可変シリンダーシステム)を採用したV6・3.0Lエンジンとの組み合わせで、ガソリンエンジン搭載車に対し15馬力上回る255馬力の出力を発揮しながら、4気筒エンジン搭載車と同等の燃費性能を得ている。
[編集] 構成
主動力源はあくまでエンジンであり、モーターアシスト機構を組み込んで、システムが作り上げられ、モーターは補助動力として設計されている。モーター・バッテリーは小型・軽量なものを採用し、シンプルなものとなっている。
[編集] エンジン
超低燃費を狙うには、エンジン単体で燃費性能を向上することも要求されることになる。
1997年にIMAが発表された際に採用されたエンジンは、VTEC機構とガソリン直噴機構を採用して低燃費を図った直列3気筒SOHC1.0Lリーンバーンエンジンであった。1999年に発売されたインサイトに搭載されたエンジンは、基本形式は同様であったがガソリン直噴機構採用されなかった。
2001年に発売されたシビックハイブリッドには、さらに進んだ直列4気筒SOHC1.3Lリーンバーンエンジンが搭載された。同年発売されたフィットのエンジンと同様にi-DSIを採用し、回生ブレーキ性能向上のため気筒休止VTECシステムや、樹脂製パーツや超小型パーツ等を導入して軽量化も図られている。気筒休止VTECシステムとは、自動車の減速時に効率良くモーターがエネルギーを回生できるよう、4気筒のうち3気筒のバルブをVTEC機構で休止させることによってエンジン出力と拮抗しないようにし、エネルギーの回生ロスを低減するよう設計されたものである。
2004年に北米で発売されたアコードハイブリッドは、V型6気筒SOHC3.0Lエンジンと上記2車種と比較して大排気量のエンジンを搭載しているが、低燃費技術のi-VTECとVCMを採用、VCMによって巡航時片側3気筒のみで駆動することによって低燃費を実現している。
2005年に発売された2代目シビックハイブリッドでは基本は初代と同じ1.3Lエンジンであるが3ステージi-VTECとなり全気筒休止も可能となった。全気筒休止により回生の効率向上し、低速クルーズと緩加速時にモーターのみでの走行モードの追加がなされ、3ステージi-VTECによる低速カム高速カムの切り替えによりエンジン出力が向上している。また、結果的にNOx対策向上をも含め、リーンバーンではなく理論空燃比に近づいた。
[編集] モーター
薄型DCブラシレスモーター(交流同期電動機)を採用している。使用する電圧はインサイトでは144Vであった。サイズは幅が60mmと薄型で軽量であり、それをエンジンに直結させている。エンジン直結という性格上，プリウスなどと比較して高速型モータである。また，同様の理由でレイアウト上，軸方向の薄型化が必須である。このため，軸方向が短い集中巻で，リラクタンストルクを利用しない表面磁石式モータ（SPM）の設計思想になっている。始動/停止と頻繁に繰り返されるであろうことを考慮し、ブラシレス化することによって耐久性を高めている。エンジンでは車種によって互いに違うものが搭載されているのに対し、モーターに関しては、どの車種においても上述の概要を有するものが一貫して採用されている。しかし、無論モーターの改良は行われており、シビックハイブリッドのモーターを例に挙げると、ローターを焼結拡散結合製法なる製法で製造したり、銅線の形状を丸から四角にすることで高密度化を図ったり，内部の磁気回路に改良の手を加えることで、従来のインサイト用のモーターと比較し、アシストトルク・回生トルク共に約30%向上したという。 144Ｖという電圧は、国内の法律により以前制限されていた電圧であり、法律の改正を受け、トヨタは、現行のハイブリッドの使用電圧は既に前モデルより上昇させている。動力回生性能の向上においては、電圧はより高いほうが発生出力に対しコスト的に廉価に構成ができることから、ドライブ電圧は順次あがっていく方向にあり、2代目シビックハイブリッドでは150Vに達している。
[編集] バッテリー
1999年にインサイトに採用された蓄電装置はコストの低いニッケル水素(Ni-MH)電池がIMAバッテリーと名付けられ採用されている。電池は円筒形モジュールであり、個々のセルが20個直列に接続されて1つのユニットを構成し、3時間放電率で6.0Ahの容量を持ち、パナソニックEVエナジー株式会社製である。モーター同様小型化が図られ、ラゲッジスペース下・後輪の間のスペースに設置されている。バッテリーのそばにPCUが配置されている。PCU(パワーコントロールユニット)はモーター・バッテリーを制御し最大限発揮できるようにする装置。
シビックハイブリッド用のバッテリーもニッケル水素(Ni-MH)電池であり、インサイト用のバッテリーとは特に変わっていない。しかし、改良は様々な面で図られ、更なる小型化で容積を約30%削減し、性能向上も図られた。このIMAバッテリーにPCUを統合、IPU(インテリジェントパワーユニット)と名付けられ、電装ユニット全体の容積を約50%削減でき、このIPUをリヤシート裏に沿って設置し、4ドアセダンとして実用になる程度のトランクスペースが確保できるようにした。
また、1997年のIMA発表当初のコンセプトカーには、ウルトラキャパシタと名付けられた蓄電池を採用していた。ウルトラキャパシタとは一種のコンデンサであり、充放電時のエネルギーロスが少ない・充電時間が短い・寿命が長い、と長所が多く、次世代の蓄電装置と言われている。しかしコストが非常に高いのが最大の難点であり、量産車での採用は見送られている。ただし、大容量低インピーダンスのキャパシターはバッテリーの等価インピーダンスを下げる目的で現行のどのハイブリッド車のパワーユニットにも必ず搭載されている。
[編集] 動作
始動
- エンジンキーを捻ると、まず12v補機バッテリーからIMAシステムのIPUに電力が供給され、IMAバッテリーの力でIMAモーターをまわしガソリンエンジンを始動する（一般的なセルモーターを使わずに始動するため、セルモーターの回転する高音や大きな振動は発生しない）。
発進 エンジン：ON モーター：OFF
- 発進はエンジンから発生する駆動力のみで走り始める。モーターによるアシストは無い。ただし発進直前までオートアイドルストップシステムによってエンジンが停止していた場合、エンジンを始動させるためにモーターが回転する。
- 現行のIMAは全気筒休止システムに進化しており、発進時もモータから出力を得るシーケンスに変更されている。
加速 エンジン：ON モーター：ON（駆動）
- 加速のためのトルクを得るためにモーターも駆動してエンジンをアシスト。特にエンジンが苦手とされる低回転域のトルクは、モーターにとっては得意分野であるため、モーターによるアシストは非常に効率的である。エンジンに無理な負担が掛からないため、燃費の面でも有益である。
巡航 エンジン：ON モーター：OFF
- 基本的にエンジンからの駆動力のみで巡航走行をする。モーターは停止状態となり、車両駆動に関与しない。巡航時の燃費対策は、エンジンの低燃費技術に依存することとなる。しかし巡航時からアクセルを踏み込んで加速状態となれば、再びモーターはアシストを開始する。
減速・制動 エンジン：ON モーター：ON（発電）
- 従来の自動車では捨てていた、減速・制動する際に発生するエネルギーだが、IMAではモーターが発電機となって電気を生み出すことによって減速・制動エネルギーを回生している。発電した電気は、バッテリーに充電することによって、次回モーター駆動時のエネルギーを確保する。気筒休止VTECシステム搭載エンジンの場合は、減速・制動時はエンジン駆動を1気筒のみで行う。これによってエネルギー回生効率が高まるようにしている。（前述のように、現在は全気筒休止に進化している）
停車 エンジン：OFF モーター：OFF
- モーターは無論ながら、エンジンもオートアイドルストップシステムによって停止することによって、無駄な燃料消費をカット。ただし、次回モーター駆動時に必要な電力が不足している場合には、例外的にエンジンが回転してモーターを回し、必要な電力が確保できるまで発電を行う。また、オートアイドリングストップしていてもセレクターがＰに入ればエンジンはアイドリングを開始する。
[編集] トヨタ・THSとの比較
ハイブリッドシステムの中で、代表的なトヨタ自動車のTHS(Toyota Hybrid System)と比較してみる。
[編集] カテゴリの差異
IMAは、エンジン・モーター両方が並行して駆動する「パラレル型」と呼ばれるハイブリッドシステムのカテゴリに入る。THSは、IMAのようにエンジン・モーター両方が並行して駆動することもできるが、エンジンの駆動力を発電機に送って発電し、その電力でモーターを駆動させて車輪に伝達する(つまりエンジンは直接車両駆動に関与しない)「シリーズ型」の性格をも備える。「シリーズ・パラレル併用型」もしくは「スプリット型」と呼ばれるカテゴリに分類される、IMAとTHSは違いが見られる。THSはシリーズ・パラレル併用型とは、シリーズ型・パラレル型両方の特徴を持つ物で、エンジン・モーターの関係も、THSでは決してどちらが主/補助動力かを厳密に区別していない。 エンジンと発電部とモーター駆動部が個々独立していることにより、機構は複雑になるものの、エネルギーの変換という観点から、設計自由度は増すことになる。
[編集] 構成の差異
IMAが広義のパラレル型を採用し、モーターを補助動力という位置付けにしているのは、システムの小型・軽量・シンプル性によって車両へのシステム導入の容易さ狙った設計思想による。現にIMA搭載車にはその特徴が表れている。基本構成はエンジン・モーター・バッテリー・PCU(パワーコントロールユニット)などの制御機器である。特にエンジン以外は小型・軽量であるが、その分性能はTHSと比べて控えめになってしまう。対してTHSの基本構成はエンジン・モーター・バッテリー・PCUに加え、発電機(IMAはモーターが発電機代わりをする)となっている。THSは上述のような性格から、IMAと比較するとどうしても大型・複雑となってしまう。ただし、THSにはエンジンが苦手な低回転時のトルクをエンジン回転(速度と関係なく最適な回転数となる)=>発電=>モーターというルートで稼げる利点がある。モーター・バッテリーの出力・容量は、目指す目的が異なるため、IMAのものより一般的に上になる。
THSの変速機は、動力分割機構・発電機・モーター・減速機で構成される非常に特殊なものである。この機構は、エンジン・モーターを無段階に変速できる機能を持つ、一種のCVT(無段変速機)であり、一般的なCVTとはかなり構造が違い、THSの特徴の一つとなっている。IMAの変速機は、一般的なAT・CVTであり、IMAのためだけの特別な変速機は無いが専用の設定の物が使われる。インサイトにはMTも設定されている。IMAは全車タコメーターを装備しているのに対し、THSは機能上(エンジンの回転数を運転者が決定できないため)あまり意味がないことから、同様な機構を使うフォードのハイブリッド車を例外としてタコメーターを搭載していない。
[編集] 動作の差異
エンジンは停車時以外は絶えず回り続け、加速時にはモーターも駆動、減速・制動時にはモーターが発電機となってエネルギーを回生しバッテリーに充電するというパターンである。THSでは、加速時のみならずあらゆる場面でモーターが駆動に関与することとなる。PCUがモーターも駆動させた方が効率的と判断すれば、積極的にモーターを回して駆動に関与させるのである。そのためモーター駆動用電力は、エンジンが発電機経由で生み出したものを直接使用するようになっており、エネルギー的にはロスが大きくなるものの、トルク変換は、電気物理的特性により非常にフラットなものになるため、機械的なものより、はるかに有利となる。 減速・制動時はIMAと同様、モーターがエネルギーを回生しバッテリーに充電する。それとTHSでは、エンジンを止めたままモーターのみで走行することが可能で、これを発進時や低速走行時に行う。このためAT車で起こるクリープ現象は、THSではモーターに微弱な電流を送ることで擬似的に発生させるようになっている。
