Technology File - テクノロジーファイル 環境技術版 トヨタの環境技術の詳細をご覧ください。

テクノロジーファイル 安全技術版

HV - ハイブリッド車

トヨタのハイブリッド車に用いられている、さまざまな技術をご紹介します。

  • Aエンジン(アトキンソンサイクル)
  • Bハイブリッドトランスアクスル
  • Cパワーコントロールユニット
  • Dバッテリー(ニッケル水素/リチウムイオン)
  • E電気式4WDシステム(E-Four)

HVシステム

トヨタのハイブリッドシステム
(THSⅡ)

〈燃費〉世界トップレベル*1

エンジンとモーターそれぞれの長所を活かし、
圧倒的な低燃費と力強い走りを両立。

ハイブリッドシステムには、いくつかの種類があります。トヨタのTHSⅡ(TOYOTA Hybrid System Ⅱ)は、「シリーズパラレル方式」を採用。その特徴は、モーター……

トヨタのハイブリッドシステム(THSⅡ) - イメージ図

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エンジン(アトキンソンサイクル)

〈最大熱効率〉世界トップレベル*1

世界をリードする低燃費へ、
熱効率に優れたエンジンが導きます。

トヨタのハイブリッド車は、熱効率に優れたアトキンソンサイクルエンジンを採用。1.5Lから3.5Lまで、幅広いラインアップを誇ります。中でも新型プリウス(2015年……

エンジン(アトキンソンサイクル) - イメージ図

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ハイブリッドトランスアクスル

世界初*1

損失低減&コンパクト化で、
燃費とスペース効率が大きくアップ。

モーター、ジェネレーター(発電機)、動力分割機構などで構成されるユニットです。新型プリウス(2015年モデル)では、リダクション機構(モーターのトルクを増幅す……

ハイブリッドトランスアクスル - イメージ図

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パワーコントロールユニット

電気を巧みにコントロールする、
ハイブリッド車の頭脳。

直流・交流を変換し、電源電圧を適切に調整する装置です。モーターを使って走るハイブリッド車は、インバーター・昇圧コンバーター・DCDCコンバーターで構成される……

パワーコントロールユニット - イメージ図

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回生ブレーキ

エネルギーを捨てずに集めて、
走るエネルギーにリサイクル。

クルマの減速エネルギーを再利用する、回生ブレーキシステム。ブレーキを踏んだりアクセルを緩めた時には、車輪の回転力でモーターを回し、ジェネレーター(発電機)と……

回生ブレーキ - イメージ図

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バッテリー
(ニッケル水素/リチウムイオン)

トヨタ初*1Column

低燃費、操安性、ラゲージ拡大。
その裏側にはバッテリーの進化があります。

バッテリーは、冷却システムの小型化やメインリレー等の内部機器レイアウトの最適化によってデッドスペースをなくし、リヤシート下搭載を実現。低燃費はもちろん……

バッテリー(ニッケル水素/リチウムイオン) - イメージ図

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電気式4WDシステム(E-Four)

トヨタ初*1

小型ハイブリッド車のために、
高性能でコンパクトなHV4WDを新開発。

電気式4WDシステム(E-Four)は機械式4WDと異なり、前輪と後輪をプロペラシャフトという軸でつながず、電気的につなぎ、エンジンではなくモーターで後輪を駆動さ……

電気式4WDシステム(E-Four) - イメージ図

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  • トヨタのハイブリッドシステム(THSⅡ)

    クラストップレベル

    トヨタのハイブリッドシステム(THSⅡ)

    エンジンとモーターそれぞれの長所を活かし、圧倒的な低燃費と力強い走りを両立。

    〈燃費〉世界トップレベル*1トヨタのハイブリッドシステム(THSⅡ)

    エンジンとモーターそれぞれの長所を活かし、
    圧倒的な低燃費と力強い走りを両立。

    ハイブリッドシステムには、いくつかの種類があります。トヨタのTHSⅡ(TOYOTA Hybrid System Ⅱ)は、「シリーズパラレル方式」を採用。その特徴は、モーターとエンジンふたつの動力で車輪を駆動するとともに、モーター走行時にも発電が可能であることです。低速トルクに優れたモーターと高速走行に有利なエンジンを走行状況によって使い分けたり組み合わせたりし、常に効率的かつ力強い走りを実現。同時に、通常走行時の余剰エネルギーや減速時のエネルギーを発電に回し再利用することで燃費を向上。新型プリウス(2015年モデル)では、システム全体で高効率・小型軽量・低損失化を徹底追求することで、世界トップレベルの低燃費*1を実現しています。

    1. 2015年12月現在。ガソリン乗用車(除くプラグインハイブリッド車)。トヨタ自動車(株)調べ。
    トヨタのハイブリッドシステム(THSⅡ)
    基本的な構造

    モーター・エンジン・バッテリー・ジェネレーター(発電機)・動力分割機構・パワーコントロールユニット(インバーター・昇圧コンバーター・DCDCコンバーター)で構成。エンジンの動力を動力分割機構で2分割し、一方は直接車輪を駆動し、もう一方は発電に使用して、モーターへの電力供給やバッテリーへの充電に使います。

    基本的な構造 - イメージ図
    その他のハイブリッドシステム

    「シリーズ方式」は、エンジン動力で発電した電力を使って、モーターで車輪を駆動するシステム。エンジンは走行に使用しません。基本的な構造は、モーター・エンジン・バッテリー・ジェネレーター(発電機)・インバーターとなります。小出力のエンジンを準定常的に運転してジェネレーター(発電機)を回し、モーターまで直列の関係で伝えていくことから、「シリーズ方式」と呼ばれています。
    「パラレル方式」は、モーターとエンジンふたつの動力で車輪を駆動するシステム。基本的な構造は、モーター・エンジン・バッテリー・インバーター・変速機となります。バッテリーの電力でモーターを駆動し、モーターをジェネレーター(発電機)代わりに使うため、トヨタのTHSⅡのように発電しながらのモーター走行はできません。

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  • エンジン(アトキンソンサイクル)

    クラストップレベル

    エンジン(アトキンソンサイクル)

    世界をリードする低燃費へ、熱効率に優れたエンジンが導きます。

    〈最大熱効率〉世界トップレベル*1エンジン(アトキンソンサイクル)

    世界をリードする低燃費へ、
    熱効率に優れたエンジンが導きます。

    トヨタのハイブリッド車は、熱効率に優れたアトキンソンサイクルエンジンを採用。1.5Lから3.5Lまで、幅広いラインアップを誇ります。中でも新型プリウス(2015年モデル)に搭載された1.8L・2ZR-FXEエンジンは、クールドEGR*2(排出ガス再循環)の流量アップをはじめ、吸気ポートの形状変更やクールエアダクトの採用などにより、熱効率が大きく向上。また、熱効率を決める基本諸元である圧縮比を高めることが可能なアトキンソンサイクルの特性を活かし、レギュラーガソリン仕様でありながら圧縮比13.0を実現しています。

    1. 2015年12月現在。社内測定値。
    2. EGR:Exhaust Gas Recirculation

    ■プラグインハイブリッド車にも同じエンジンを使用しています。

    クールドEGR

    排気ガスをEGRクーラーで冷却後、吸気経路に再循環させることにより、ポンピング損失やエンジン冷却損失を低減します。新型プリウス(2015年モデル)では、再循環された排気ガスを各気筒により多く流入させ、かつ均等に分配されるように、インテークマニホールドのEGR分配通路の構造を変更し、より効率のよい燃焼につなげました。

    吸気ポートの形状最適化

    シリンダー内へ燃焼に必要な空気を送り込む吸気ポート。新型プリウス(2015年モデル)ではその形状を最適化することで、シリンダー内に流入する空気の流れを直進化し、タンブル流*3を強化。同時に、ピストン頂面形状を変更してタンブル流を強いまま維持することで燃焼速度を上げます。

    1. 燃料と空気の混合を促進させる縦渦状の空気の流れ。ピストンのストローク方向の流れをタンブル流と呼びます。
    クールエアダクト

    密度の高い冷たい空気をスムーズに効率よくエンジンに取り込むことで、熱効率を高めます。新型プリウス(2015年モデル)では、低フードのボディに対応するため、エアクリーナーを小型・低配置化。また、高速走行時に大量の外気を導入するための専用吸気開口を設定しています。

    エンジン(アトキンソンサイクル) - イメージ図
    1. スロットルを開けたままピストンを下げるので、無駄な抵抗を減らすことができます。
    2. 吸い込み過ぎた吸気は、バルブの閉じるタイミングを遅くすることで調整。
    3. 圧縮行程よりも膨張行程を多くとる事ができる効率のよい仕組みです。
    ※イラストはイメージです。

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  • ハイブリッドトランスアクスル

    世界初

    ハイブリッドトランスアクスル

    損失低減&コンパクト化で、燃費とスペース効率が大きくアップ。

    世界初*1ハイブリッドトランスアクスル

    損失低減&コンパクト化で、
    燃費とスペース効率が大きくアップ。

    モーター、ジェネレーター(発電機)、動力分割機構などで構成されるユニットです。新型プリウス(2015年モデル)では、リダクション機構(モーターのトルクを増幅するための減速機構)の平行軸ギヤ化により、駆動損失を約20%*2低減しました。また、モーターを複軸配置することでトランスアクスルの全長を約12%*2コンパクト化。加えて、パワーコントロールユニットをトランスアクスル直上に配置することで、ハイブリッドシステムの小型・軽量化を実現しています。

    1. 2015年12月現在。トヨタ自動車(株)調べ。
    2. 社内測定値。
    ハイブリッドトランスアクスル - イメージ図

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  • モーター

    トヨタ初

    モーター

    進化したモーターが、ドライビングの楽しさを加速させます。

    トヨタ初*1モーター

    進化したモーターが、
    ドライビングの楽しさを加速させます。

    エンジンと並ぶ動力源であるモーターに、交流同期モーターを採用しています。この交流同期モーターは、低回転から高回転まで強いトルクを効率的に発生させることも、モーターの回転とトルクを自由に制御することも可能。力強く伸びやかな走りをもたらします。新型プリウス(2015年モデル)ではモーターの高回転化や、回転力を発生させるステータにセグメントコイル式分布巻線を採用することなどにより、高出力と小型・軽量化を両立しています。

    1. 2017年2月現在。

    ■プラグインハイブリッド車にも同じモーターを使用しています。

    モーターのシェイプアップが、コンパクトカーの走りを変える。

    ハイブリッド車の魅力のひとつに爽快な加速があります。それを可能にする高出力モーターは構造的に大きくなりがちで、コンパクトカーへの搭載の足かせとなっていました。新型プリウス(2015年モデル)では、モーターを高回転化することで高い出力はキープしたまま、体積にして20%以上*2もシェイプアップ。クルマへの搭載自由度が高まり、今後様々なコンパクトカーの走りを変えていくはずです。

    1. 社内測定値。
    モーター

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  • ジェネレーター(発電機)

    ジェネレーター(発電機)

    コンパクトな発電機が、モーターに大きな電力を供給。

    ジェネレーター(発電機)

    コンパクトな発電機が、
    モーターに大きな電力を供給。

    ジェネレーター(発電機)に高回転が可能な交流同期型モーターを採用。低速走行時に大きな電力を供給します。そのため、高出力のモーターとエンジンの組み合わせにより低~中速域での加速が向上。新型プリウス(2015年モデル)では集中巻きによるコイル形状の工夫等により、小型・軽量化を達成しています。

    ■プラグインハイブリッド車にも同じジェネレーター(発電機)を使用しています。

    ジェネレーター(発電機)

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  • 動力分割機構

    動力分割機構

    ガソリンエンジンの動力を、駆動と発電用にムダなく配分。

    動力分割機構

    ガソリンエンジンの動力を、
    駆動と発電用にムダなく配分。

    動力分割機構は、ガソリンエンジンから発生した動力をドライブトレーンとジェネレーター(発電機)とに振り分ける装置です。振り分けを効率的に行うために、リングギヤ、ピニオンギヤ、サンギヤ、およびプラネタリキャリヤから構成される「遊星歯車機構」を採用しています。

    ■プラグインハイブリッド車にも同じ動力分割機構を使用しています。

    動力の伝達ロスは、もったいないから。

    プラネタリキャリヤの回転軸は直接ガソリンエンジンに接続され、ピニオンギヤ経由でリングギヤとサンギヤを回転させます。リングギヤの回転軸は直接モーターに接続され駆動力を車輪に伝達。サンギヤの軸は、直接ジェネレーター(発電機)に接続され、ガソリンエンジンが生み出した動力を発電に利用します。いずれも、最適な構造とギヤ比によって、動力伝達ロスを低減しています。

    動力分割機構

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  • リダクションギヤ

    リダクションギヤ

    コンパクトなモーターから、大きなトルクを引き出します。

    リダクションギヤ

    コンパクトなモーターから、
    大きなトルクを引き出します。

    リダクションギヤはモーターの駆動力を、回転数を落として車輪に伝えることで、トルクを増幅し、大きな駆動力を発生します。モーターの高回転化との相乗効果で、思いのままのシームレスな加速をもたらします。

    ■プラグインハイブリッド車にも同じリダクションギヤを使用しています。

    リダクションギヤ

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  • パワーコントロールユニット

    パワーコントロールユニット

    電気を巧みにコントロールする、ハイブリッド車の頭脳。

    パワーコントロールユニット

    電気を巧みにコントロールする、
    ハイブリッド車の頭脳。

    直流・交流を変換し、電源電圧を適切に調整する装置です。モーターを使って走るハイブリッド車は、インバーター・昇圧コンバーター・DCDCコンバーターで構成される「パワーコントロールユニット」を搭載しています。低損失素子の採用などにより、優れた損失低減を実現。
    新型プリウス(2015年モデル)では、小型化を図ることでトランスアクスル直上搭載を可能にし、補機バッテリーをエンジンルームに配置することで、広い車内スペースを確保しています。

    ■プラグインハイブリッド車にも同じパワーコントロールユニットを使用しています。

    インバーター

    電力を変換して、
    バッテリーからモーターに渡します。

    モーターは、直接バッテリーにつないでも始動できません。そのため、バッテリーの直流電力を、モーターやジェネレーター(発電機)で使えるように交流に変換するのがインバーターの役割です。また、ジェネレーター(発電機)やモーターで発電した交流電力を、バッテリーに充電できるように直流に変換します。新型プリウス(2015年モデル)ではパワー素子の冷却構造に両面冷却方式を採用したことにより冷却効率をアップ。コンパクト化、軽量化も実現しています。

    昇圧コンバーター

    電圧をコントロールして、
    小さな電圧をパワーアップ。

    昇圧コンバーターは、モーター・ジェネレーター(発電機)の電圧を制御するシステムです。通常時のDC約200Vから最大DC650Vまで、必要に応じて無段階で昇圧。小さな電圧から大きな電力供給が可能となるため、高出力モーターが性能を発揮することができます。これによりパワーコントロールユニット全体の効率を高めています。

    DCDCコンバーター

    電圧をちょうどよく下げて、
    電気を「走る」以外にも使います。

    DCDCコンバーターは、高圧バッテリーの電圧を降圧するシステム。電流を、エンジン本体の動作をアシストする「エンジン補機類」や、ヘッドライトなどの電子機器の電源として使えるようにするために、DC約200VからDC12Vまで降圧します。

    パワーコントロールユニット - イメージ図

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  • 回生ブレーキ

    回生ブレーキ

    エネルギーを捨てずに集めて、走るエネルギーにリサイクル。

    回生ブレーキ

    エネルギーを捨てずに集めて、
    走るエネルギーにリサイクル。

    クルマの減速エネルギーを再利用する、回生ブレーキシステム。ブレーキを踏んだりアクセルを緩めた時には、車輪の回転力でモーターを回し、ジェネレーター(発電機)として使います。回生ブレーキを油圧ブレーキと協調制御することで、本来は減速によって熱として捨てられる運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリーに回収し、走行用のエネルギーとして再利用。街中走行のように加減速を繰り返す走行パターンはエネルギー回収の効果が高いため、低速域では回生ブレーキを優先的に使用します。

    ■プラグインハイブリッド車にも同じ回生ブレーキを使用しています。

    回生ブレーキ - イメージグラフ
    油圧ブレーキ、回生ブレーキ協調作動概念図

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  • バッテリー(ニッケル水素/リチウムイオン)

    トヨタ初Column

    バッテリー(ニッケル水素/リチウムイオン)

    低燃費、操安性、ラゲージ拡大。その裏側にはバッテリーの進化があります。

    トヨタ初*1バッテリー(ニッケル水素/リチウムイオン)

    低燃費、操安性、ラゲージ拡大。
    その裏側にはバッテリーの進化があります。

    バッテリーは、冷却システムの小型化やメインリレー等の内部機器レイアウトの最適化によってデッドスペースをなくし、リヤシート下搭載を実現。低燃費はもちろん、クルマの軽量化、低重心化による優れた操縦安定性、ラゲージスペースの拡大にも寄与しています。新型プリウス(2015年モデル)にはニッケル水素バッテリーとリチウムイオンバッテリーの2種類をラインアップ。ニッケル水素バッテリーは電極材料およびバッテリーケース構造の新規開発により、充電性能が大幅に向上。また、リチウムイオンバッテリーは新規開発した電極材料やセル抵抗の低減により、出力性能が大幅に向上しています。ニッケル水素/リチウムイオンバッテリーともに、クルマが加速した時の放電や、減速時の回生ブレーキおよびエンジン走行時に発生した余分なパワーを使った充電により充放電された電流を積算し、一定の充電状態を保つように制御。また、外部電源による充電も定期交換も不要です。

    1. 2017年2月現在。
    バッテリー(ニッケル水素/リチウムイオン)

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  • セル(ニッケル水素/リチウムイオン)

    トヨタ初

    セル(ニッケル水素/リチウムイオン)

    バッテリーをもっと小型・軽量に。キーワードはセルの「高出力密度化」。

    トヨタ初*1セル(ニッケル水素/リチウムイオン)

    バッテリーをもっと小型・軽量に。
    キーワードはセルの「高出力密度化」。

    セルとはバッテリーの構成単位のひとつで、一定の出力・電圧・容量を得られるよう複数のセルを接続してパッケージングしたものが、一般的にバッテリーと呼ばれています。そして高出力密度化とは、セルの質量または容積あたりに取り出せるエネルギーを高め、発進加速などに必要な出力を得られるようにすること。新型プリウス(2015年モデル)のバッテリーには、高出力密度化したセルを、ニッケル水素の場合168個、リチウムイオンの場合56個使用。十分な出力を確保しながら、バッテリーを軽量・小型化しています。

    1. 2017年2月現在。
    セル(ニッケル水素/リチウムイオン)

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  • 電気式4WDシステム(E-Four)

    トヨタ初

    電気式4WDシステム(E-Four)

    小型ハイブリッド車のために、高性能でコンパクトなHV4WDを新開発。

    トヨタ初*1電気式4WDシステム(E-Four)

    小型ハイブリッド車のために、
    高性能でコンパクトなHV4WDを新開発。

    電気式4WDシステム(E-Four)は機械式4WDと異なり、前輪と後輪をプロペラシャフトという軸でつながず、電気的につなぎ、エンジンではなくモーターで後輪を駆動させます。ミニバンなどの大型ハイブリッド車には高出力E-Fourを搭載しますが、新型プリウス(2015年モデル)では小型ハイブリッド車用にシステムをコンパクト化したHV4WDを開発。日常使用において4WD走行を必要とする場面を見極め、走行状況に応じて前輪駆動から4輪駆動へと自動的に制御することで、燃費向上に貢献しています。

    1. 2017年2月現在。
    電気式4WDシステム(E-Four) - イメージ図
    目指したのは、2WD車並みの低燃費。

    新型プリウス(2015年モデル)のHV4WD(E-Four)搭載車は、JC08モード走行燃料消費率34.0km/Lを達成。3代目プリウスの2WD車(32.6km/L)を超える低燃費を実現しています。引き摺り抵抗低減技術を多数織り込むなど、低燃費化を徹底的に追求しました。

    ■燃料消費率は定められた試験条件のもとでの値です。お客様の使用環境(気象、渋滞等)や運転方法(急発進、エアコン使用等)に応じて燃料消費率は異なります。

    JC08モード 34.0km/L
    東北や北海道の雪道で繰り返した走行テスト。

    新型プリウス(2015年モデル)は、雪道での難所となる轍(わだち)やスロープ、駐車場、マンホールなどもスムーズにクリアできるように、積雪の東北や北海道で何度も走行テストを行い、日常使用における性能を確かめました。また、北海道で徹底的に走り込みを行うことで、システムの信頼性を高めました。

    雪道で繰り返した走行テスト
    ラゲージスペースも2WD車と同等の広さを。

    HV4WDのシステムユニットは、高出力E-Fourシステムに比べ質量・大きさともに、約75%*2のコンパクトサイズ。2WD車とほとんど変わらない荷室空間を確保できます。

    1. 社内測定値。
    75%小型化

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国や地域、車種によって仕様は異なります。

エコカーラインナップ

  • HV ハイブリッド車HV ハイブリッド車
  • EV 電気自動車EV 電気自動車
  • PHV プラグインハイブリッド車PHV プラグインハイブリッド車
  • FCV 燃料電池自動車FCV 燃料電池自動車
  • Gasoline/Diesel Vehicle ガソリン車/ディーゼル車
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