電気トラックのモーター設計について

電気セミトラック用のモーターを設計することは、単にディーゼルエンジンを電気エンジンに交換するだけではありません。この記事では、重要な設計上の選択、私たちが直面する問題、そして輸送におけるより環境に優しい未来につながる新しい解決策についてご案内します。トルクの必要性から低コスト製造に至るまで、次世代の商用車の動力源に何が必要なのか、その全貌に迫ります。

大型車のパワーをどう考えるか？

標準的なディーゼル・トラックのパワーについて語るとき、私たちはしばしば馬力と、重い荷物を長距離にわたって引っ張るエンジンの能力に焦点を当てる。しかし、電気自動車では話題が変わります。生のパワーだけでなく、スマートなパワーデリバリーが重要なのです。電気モーターは完全に停止した状態から即座にパワーを発揮し、これは動き出す必要のあるフル積載のセミトラックにとって大きな利点となる。この瞬間的な加速は運転感覚を変え、ストップ・アンド・ゴーの交通渋滞でより効率的になる。最新の電動パワートレインの設計により、幅広い速度域で安定した均等なパワーが得られる。つまり、通常のディーゼル・トラックでは困難な急な坂道でも、高速道路に到達し、その速度を維持することができるのだ。

パワーについての新しい考え方は、車両全体の作り方も含んでいる。大きなディーゼル・エンジンがなければ、オープン・スペースが増え、車重のバランスも良くなる。これはハンドリングと安定性の向上につながる。また、動力源であるバッテリーパックをシャシーに内蔵することもできる。これにより車両の重心が低くなり、横転しにくくなる。大型車のパワーに関する話題は、もはやモーターの出力（kW）だけの話ではなく、電動パワートレイン全体がどのように連携して、よりスマートで、より速く、より効率的な性能を発揮するかという話になっている。この完全なシステム的視点こそが、現代の電気トラックを旧来のものと真に異なるものにしているのである。

電気トラックに最適なパワートレイン構成とは？

私の経験では、すべての電気トラックのパワートレインに万能なセットアップは存在しない。最適なセットアップは、トラックが何に使われるかに大きく依存する。今日、私たちが目にする主なセットアップは、セントラル・ダイレクトドライブと、ますます一般的になっている電気駆動アクスル（e-アクスル）です。セントラル・ドライブ・セットアップは、既存のトラック・プラットフォームを電動化するための安価な方法と見なされることが多い。このセットアップでは、ディーゼルエンジンは、通常の車両と同じように、トランスミッションとドライブシャフトに接続する大型電気モーターに置き換えられる。この方法は、電動化への切り替えをよりシンプルにすることができるが、電動パワートレインのスペースとエネルギーの節約を十分に活用できない可能性がある。

一方、e-axleはよりオールインワンのソリューションである。ここでは、電気モーター、パワーエレクトロニクス、そして時にはギアボックスまでもが、すべてアクスル上に直接配置されている。このセットアップでは、長いドライブシャフトが不要になるため、重量が削減され、駆動システムが短くなり、システム全体の動作が向上する。節約されたスペースは、より多くのバッテリー容量に使うことができ、航続距離を伸ばすことができる。また、デュアルモーターセットアップも増えており、パワーデリバリーが向上し、高負荷時のパフォーマンスが向上している。これらのセットアップのどちらを選択するかは、開発コスト、製造の難易度、特定の車両に求められる性能と効率のレベルのバランスを取ることを意味する。

電気モーターは本当にディーゼルエンジンの高トルクに匹敵するのか？

これは私がよく受ける質問だが、答えは間違いなくイエスだ。実際、電気モーターはトルクを発揮することに関しては、ディーゼルエンジンよりも優れていることが多い。重要な違いは、トルクの発生方法だ。ディーゼルエンジンは、一定の回転数（RPM）にならないと最大トルクを発生しない。しかし電気モーターは、完全に停止した状態からすぐに最大トルクを発揮する。この瞬間的な高トルクは、ヘビーデューティ用途に大きなメリットをもたらします。急な坂道で荷物を満載したセミトラックを思い浮かべてください。停止状態から車輪に最大限の回転力を加えることで発進し、コントロールできる能力は驚くべきものです。

数値のイメージをお伝えすると、最近の電動セミトラックの中には、ディーゼル・バージョンに匹敵する、あるいはそれを上回る非常に高いトルク数値を持つものもある。例えば、デュアルモーターのセットアップは、数万ポンドフィートのピークトルクを提供することができます。この高トルク出力により、電気トラックは満杯の貨物を積んでいても素早くスピードアップすることができる。エンジニアにとっての課題は、単に高トルクを得るだけでなく、それをうまく制御してタイヤやその他の部品を長持ちさせることだ。この大きなパワーをスムーズかつうまく制御するためには、コントローラーとパワートレイン管理システム全体の設計がカギとなる。

大型車用回生ブレーキシステムを改善するには？

回生ブレーキは、電動パワートレイン、特に大型車にとって最大の利点のひとつである。通常のトラックでは、ドライバーがブレーキを踏むと、車両の移動エネルギーはブレーキによって熱に変わり、基本的に失われる。しかし回生ブレーキは、電気モーターを発電機のように逆に働かせる。このプロセスは、車両を減速させると同時に、移動エネルギーを電気エネルギーに戻し、バッテリーに蓄える。このエネルギーの回収によって、電気トラックの走行距離を大幅に伸ばすことができる。地域配送を行う40トン車の航続距離を20%増やすことができるという研究もある。

大型車の回生ブレーキを改善するには、電気モーター、コントローラー、通常の摩擦ブレーキシステムをスマートに組み合わせる必要がある。システムは、ドライバーに安定した信頼性の高いブレーキを与えるために、2つのブレーキタイプをスムーズに組み合わせる必要があります。先進の電子制御ブレーキシステムは、車速やステアリングの角度などをチェックし、回生システムと機械システムの間で制動力をスマートに分散させる。その目的は、安全性や車両の走行を危険にさらすことなく、最大限のエネルギーを取り戻すことだ。また、ドライバーは回生ブレーキの強さを調整できることが多いので、特定の運転状況や好みに合わせてブレーキのフィーリングを調整することができる。回生ブレーキを上手に使えば、エネルギーを節約できるだけでなく、通常のブレーキ部品の摩耗を減らすことができるため、車の寿命が延びるにつれて修理費も安くなります。

電気トラック用モーターの冷却における主な問題点とは？

大型車用電気モーターの設計において、優れた熱管理を行うことは非常に重要です。これらのモーターには大きな圧力がかかり、高負荷で長時間作動するため、多くの熱が発生します。この熱がうまく取り除かれないと、効率の低下、部品の老朽化の早まり、さらにはモーターの故障など、さまざまな問題を引き起こす可能性がある。電動パワートレインの耐久性と信頼性を確保するためには、強力な冷却システムが必要なのだ。主な問題は、うまく機能し、小型で、車両に重量や難易度を加えすぎない冷却システムを設計することである。

電気モーターを冷却するには、主に空冷と液冷の2つの方法がある。空冷はよりシンプルで安価だが、大型トラックのハイパワーのニーズには不十分かもしれない。液冷は、モーターケース内の経路で冷却水を移動させるもので、通常、熱を取り除くのに優れています。最新の電気トラック用モーターの多くは高度な液冷システムを採用しており、時には最も高温になる部分にオイルを吹き付けて最適な温度に保つことさえある。熱管理システムは多くの場合、モーターだけでなく、バッテリーやパワーエレクトロニクスの冷却システムと接続し、車両全体の完全な冷却ソリューションを作り出します。この接続されたアプローチにより、スマートな熱管理が可能になり、ある部品から出る廃熱を別の部品のウォームアップに利用することで、システム全体をよりよく機能させることができる。

最新の電気トラックに多段変速機は必要か？

最新の電気トラックにおけるトランスミッションの必要性については、現在も議論と改良が続けられている。最もよく機能する範囲が狭いディーゼルエンジンとは異なり、電気モーターはさまざまな速度でうまく機能する。このため、パワートレインをよりシンプルで機械部品が少ないものにすることができる単一速ギアボックスを選択する企業もある。シングル・スピード設計は、特にストップ・アンド・スタートの多い都市部での運転など、多くの用途でうまく機能する。

しかし、低速旋回から高速ハイウェイ走行まで、さまざまな条件で働く大型トラックにとって、多段変速機は大きなメリットを提供することができます。2速、あるいは多速ギアボックスは、電気モーターを最も効率的な範囲で作動させ続けるのに役立ちます。これにより、全体的なエネルギー使用量を減らし、走行距離を伸ばすことができる。また、急な坂道での発進のためのトルクを高めたり、巡航速度での効率を高めたりと、パフォーマンスを向上させることもできる。多段変速機を追加するかどうかは、より良い効率と性能という良い部分と、より複雑なギアボックスの余分な難しさやコストとのバランスを取りながら、特定の作業に対してパワートレイン全体から最高の性能を引き出すよう慎重に計画するかどうかにかかっている。

電動パワートレインのアクスルはどう変わるのか？

あらゆる自動車の基本部品であるアクスルが、新しい電動パワートレインによって大きく変わろうとしている。通常のトラックでは、アクスルはドライブシャフトから車輪に動力を送るだけの単純な部品である。しかし電気トラックでは、アクスルは駆動システムのスマートでアクティブな部分になりつつある。ここでの最大の変化はe-アクスルで、私が言ったように、電気モーター、パワーエレクトロニクス、ギアをすべてアクスルユニットにまとめている。このオールインワン・セットアップには、軽量化、効率の向上、車体上の有用なスペースを確保する小型設計など、多くの長所がある。

e-axleはまた、さまざまな方法で設定することができる。例えば、複数のe-axleを一緒に使用することで、全輪駆動とより良いグリップを得ることができる。これは特に、過酷な条件下で働くヘビーデューティ・トラックに役立ちます。また、e-axleの電子制御により、トルクベクタリングのような高度な機能が可能になり、各ホイールに送るパワーを個別に制御して安定性とハンドリングを向上させることができる。また、アクスルの各側が独自のパワーユニットを持ち、さらに正確な制御と回生ブレーキ時のエネルギーの100%回収を可能にする新しい駆動システムも見られます。アクスルに関するこの新しい考え方は、高性能で効率的、かつ環境に優しい次世代の大型車を可能にします。

商用車にとって電気モーターがお得な理由とは？

電気トラックの初期費用は、同様のディーゼル・トラックよりも高くつくことがありますが、長期的なトータル・コストははるかに優れていることが多いのです。これは、私が電気商用車について話すときにいつも言う非常に重要なポイントです。電気モーターと電気パワートレイン全体をお買い得なものにするのに役立つことがいくつかあります。その最大のものは、走行距離1マイルあたりの電気代がディーゼル燃料に比べて安いことだ。これは、車両の耐用年数にわたって燃料の大きな節約につながる。

また、電気パワートレインは、ディーゼルエンジンやその関連システムに比べて可動部品が非常に少ない。つまり、修理費が大幅に安くなる。オイル交換もなく、複雑な排気システムもなく、回生ブレーキのおかげでブレーキシステムなどの部品の摩耗も少ない。バッテリーと電気モーターの技術が向上し、より多くの製品が製造されるにつれて、電気トラックの初期コストは下がることが予想され、経済的にさらに優れた選択肢となる。電気自動車や充電ステーションの購入に対する政府の報奨金や減税措置も、初期費用の支払いに役立つ。これらの点をすべて考慮すると、多くの商業用途において、費用対効果の高い電気モーターを動力源とする電気自動車は、長い目で見れば、良いお金の決断となることは明らかです。

大型電気自動車用システムの強度と信頼性を向上させるには？

どんな商用車にとっても、耐久性と信頼性は必須条件です。トラックが稼動していないとき、そのトラックはお金を稼ぐことができないので、これらの大型トラックは何百万マイルもの重労働に耐えられるように作られている。大型電気自動車のシステムを設計する場合、強度を確保することが非常に重要です。これは電気モーター自体から始まります。ヘビーデューティ用のモーターは、高トルクが必要で、実走行での絶え間ない揺れに対応でき、長寿命に設計されていなければなりません。モーターの長寿命を保証するためには、高品質の材料を使用し、厳しいテストを行う必要があります。

モーターだけでなく、バッテリーパックからコントローラー、Eアクスルに至るまで、電動パワートレインのすべての部品は強靭に作られていなければならない。これには、極端な温度、濡れ、埃に対応できる部品の設計も含まれる。バッテリー・マネージメント・システムは、過充電、過排出、過熱を止め、EVで最も高価な部分であるバッテリーパックを保護する重要な役割を担っている。さまざまなシステムがどのように連携して動作するかも、信頼性の鍵となる。よく設計された管理システムは、すべての部品がスムーズに連動し、部品の早期故障を防ぐことができる。技術が向上するにつれて、業界がディーゼル・トラックに期待するのと同じ強度と耐久性を備えた大型電気自動車用システムの設計に、より大きな焦点が当てられるようになってきている。

電動パワートレインにおける先進コントローラーの仕事とは？

電気モーターが電気トラックの心臓だとすれば、コントローラーは頭脳だ。この高度な電子ユニットは、エネルギーがパワートレイン全体をどのように移動するかを制御する。アクセルペダルの踏み込み具合など、ドライバーからの信号を受け取り、電気モーターへの正確な指示に変える。コントローラーは、モーターがどれだけのトルクを出すべきか、それをどのように供給すべきか、回生ブレーキをいつ使うべきかを決定する。性能、効率、運転のしやすさのベストバランスを得るための鍵なのだ。

コントローラーはモーターを管理するだけではない。バッテリーの充電レベルや健康状態をチェックするため、バッテリー管理システムとも通信します。熱管理においても重要な役割を担っており、モーターとバッテリーの両方が最適な温度範囲に保たれるようにしている。また、2つ以上のモーターやe-axleを搭載した車両では、コントローラーはグリップと安定性を向上させるために車輪間にトルクを送る役割を担っている。コントローラー上で動作するソフトウェアは、効率を高め、新しい機能を追加するために常に改良されている。つまり、コントローラーはパワートレインにあらゆることをさせるものであり、現代の電気自動車の設計において非常に重要な役割を担っている。