ZFのコンセプトカー「EV beat」に超小型軽量の800Vドライブトレインを搭載

グローバルサプライヤーのZF社は2023年6月29日、ドイツのフリードリッヒスハーフェンで開催されたグローバルテクノロジーデー（Global Technology Day）で、電動コンセプトカー「EVbeat（EVビート）」を発表した。

この「EVbeat」コンセプトカーは、ポルシェ・タイカンをベースにして、ZFや他のサプライヤーの代表的な技術をベンチマークとして取り入れ、小型、軽量で実走行での最高効率を目指して設計された、トルク密度70Nm/kg、重量74kgの超小型軽量ドライブトレインという革新的な車両だ。

車両全体の熱管理、クラウドネットワークに接続されたソフトウェアなど、電動ドライブシステムとして革新的で、氷点下前後の寒冷時には、現在の技術と比較して実走行航続距離を最大1/3の伸長が可能としている。

　ZFの電動ドライブラインシステムを統括するシュテファン・フォン・シュックマン取締役

「持続可能なモビリティは、当社の企業戦略の中核を担っています。非常に効率のよい生産車両をベースに私たちの電動ドライブトレインを組み込むことで、未来の電動ドライブコンポーネントがどれだけの効果を提供できるかを、我々は示しています」と語っている。

新開発された超コンパクト、高出力な同軸式電動ドライブトレイン新しい電動モーターは重希土類を使用せず、熱管理システムにもフッ素系冷却材を使用していない。そして部品点数の削減を行ないシステム重量を1/3削減しているのだ。

■ 超小型で軽量な800Vドライブトレイン

EVSys800はモジュラー型の電圧800Vドライブで、SiC搭載のパワーエレクトロニクス、電動モーター、減速機で構成されている。

このコンセプトカーのリヤアクスルの最大トルクは5200Nmを出力し、そのトルク密度は公道を走行する乗用車向けとしては傑出して高く、ドライブトレインのトルク密度は70Nm/kgとなっている。電動モータの定格出力と最高出力はそれぞれ206kWと275kWで、最高出力時の約75%の定格出力を実現している。

サイズに関しては、コンパクトな減速ギヤボックスとZFが特許を取得した「編み込み式巻線」モーター技術により、モーター長を50mm削減、ドライブアクスルの省スペース化と同軸化を可能にしている。

レアアースを使用しないコンパクトな電動モーターの「編み込み式巻線」を採用したステーター総重量74kgのEVSys800は、ZFの最新800Vシリーズドライブと同等の出力を発生しながらも約40kgまたは1/3軽くすることで、コンセプトカーの軽量化に大きく貢献している。

定格出力向上のために不可欠なのは、新しい冷却コンセプトと新しい巻線技術を備えた電動モーターだ。冷却については、運転中に最も熱が発生するポイントとなる巻線の周囲に直接オイルが流れるようになっている。このような非常に効率的な冷却は、重量およびスペースに影響を与えることなく性能を大幅に向上させることができる。

さらに、重希土類の使用を省くことで電動モーターをより低コストで、サステイナブルに生産することができる。

ZFが開発・特許を取得した「編み込み式巻線」技術はいわゆる波巻きをさらに進化させたもので、この方式によりモーター設置スペースを合計10%削減でき、巻線ヘッド単体では従来方法に比べ約50%までサイズを低減。銅使用量は約10%低減が可能だ。

パワー半導体にSiCを使用するインバーターインバータは、ゼロから再設計されている。全ての基幹部品が根本的に見直され、電磁両立性、パワーモジュール、キャパシタもそれぞれ設置スペース、重量、持続可能性が大幅に改善されている。

新しい同軸減速ギアボックスは、2つのプラネタリー・ギアセットを介して、電動モータの駆動力を伝達する。所望の減速比を実現するだけでなく、デファレンシャル機能も備えている。

従来の平行軸方式と比較して、同軸式は効率、ノイズ、振動性能を犠牲にすることなく、重量と設置スペースを低減。そして編み込み式巻線と組み合わせることで電動ドライブを大幅に短くすることができ、あらゆる車両設置スペースに取り付けることが可能になるのだ。

■ パワートレインと車両全体の効率的な温度制御

冬期の電気自動車の温度制御は、車両に必要なエネルギーの大きな割合を占め、特に暖房運転中には3～6kWにもなる。乗員にとって、夏の快適な涼しさと冬の暖かさは、快適性の重要な要素であり、適切な温度制御は、電動モーター、パワーエレクトロニクスそしてバッテリーのパフォーマンスに不可欠な要素でもある。

この課題に最初に注目したのはテスラで、同社はオクトバルブと呼ぶ統合制御温度コントロールシステムを開発した。

EVbeatコンセプトカーは、ZFが開発した初のEV用中央熱管理システム（TherMaS）が組み込まれている。

TherMaSは、中央ユニットとソフトウェアを介して、ドライブラインと車内のすべての熱を制御することができる。

TherMaSのコンセプトでは3つの冷却回路を持つ。中央にある冷媒回路は非常に小さく、あらかじめ充填、密閉されているためメンテナンスフリーだ。フッ素フリーのプロパンガスを使用しており、従来の半分の冷媒で一般的な冷媒に比べ冷却能力は2倍に向上している。

中央の冷媒回路は不凍液が入ったクーラントが流れる2つの冷却回路に接続されている。1つ目の回路はモータ等の比較的高い温度のコンポーネント用で、2つ目がインバータ、充電器などの電子機器の温度管理を担う。

このような総合的な熱管理によって、EVbeatの航続距離は、寒冷時では最大30%伸長が可能だ。また非常に優れた冷却性能により、電子部品の高い連続出力が可能になる。

■ 車両ドライブとクラウドを効率的にネットワーク化したパワートレイン・ソフトウエア

ZFはすべての車両システムを相互にネットワーク化し、ZFのクラウドに接続する独自のパワートレインソフトウェアを開発した。

電気モーターの効率は作動温度に左右されるため、常に最適な範囲に保つことが重要だ。例えば、低速で高トルクが要求される場合の最適な熱動作点は非常に低くなり、高速で低トルクが要求される場合、高温は問題にならない。

ドライバーの行動を「学習」し、AIを活用したクラウドサービスを通じて、個々の運転プロファイルの確率を予測することができ、例えば短距離走行が検出されると、エアコンやシステム冷却は低減されるようになっている。

またこのクラウド接続により、アシスタントシステムとして電気自動車の効率的な使い方についてドライバーに直接アドバイスすることもできる。例えば、効率的な加速と減速や、最適化された最高速度が表示される。

これは特に、走行前に正確で実用的な航続距離を計算し、確実に実行する場合に役立つことはいうまでもない。この新しいZFドライブトレインは、2026年に発売が開始される予定だ。

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ZF 公式サイト

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Comments

うちの車両はトランスミッションをZFに載せ替えた。車両本体よりトランスミッションの方が高価です。