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日産の新型「リーフ」開発秘話。「e-Pedal」の仕組みなどを「うんちく」形式で解説
空力性能や自動駐車も解説
2018年3月12日 14:43
- 2018年3月8日 開催
日産自動車は3月8日、2017年10月に発売したEV（電気自動車）の5ドアハッチバックモデル「リーフ」に採用された新技術などを解説する説明会を開催した。
日産では近年、新型車が発売されると、社内で開発などに携わっていない社員を集めて開発担当者が新技術などについて解説する技術発表会を開催。参加した社員がこの席で得た知識を使って新型車の魅力を紹介するアンバサダーになることも目的の1つとなっているが、他人に説明する時に難しい技術情報にも興味を持ってもらえるよう、開発担当者が新技術についての「うんちく」を紹介する時間を用意しているという。
この取り組みは日産の社内でも評判となり、ここで紹介された「うんちく」をより多くの人に知ってもらうため報道関係者を集めた説明会が行なわれるようになった。これまでにCar Watchでも「ノート e-POWER」に関する技術説明会（コンパクトカー販売No.1を獲得した「ノート e-POWER」の“新発想”を日産が解説）を誌面掲載しており、今回はこれに続くものとなっている。
2017年10月に初めてのフルモデルチェンジを行なって2代目に進化したリーフでは、初代モデルの登場時の2倍となる400kmを達成した航続距離、高速道路の同一車線自動運転技術となる「プロパイロット」などさまざまな技術が採用されているが、今回の説明会では「e-Pedal」「空力性能」「プロパイロット パーキング」「e-パワートレーン」の4点について、それぞれの開発担当者から紹介された。
緻密に制御できる電動ブレーキの採用がe-Pedal実現のポイント
最初に紹介されたのは、「ノート e-POWER」で初採用された「e-POWER Drive」を進化させたe-Pedalについて。アクセルペダルのON/OFFによって加速に加えて減速も操作できるという機能はe-POWER Driveだけでなく、BMW「i3」の「ワンペダル・フィーリング」などでも実現されてきたが、e-Pedalでは減速や停止に加え、停止保持が可能である点に独自性があると新藤氏は解説。
ノート e-POWERとリーフの違いは、リーフではブレーキシステムに電動ブレーキを採用していることが挙げられている。リーフのe-Pedalはドライバーがアクセルペダルを戻したときの操作を電動ブレーキが検知。これによって発生させる制動力を、モーターによる回生発電とブレーキキャリパーによる摩擦ブレーキで最適配分して車両を停止させるほか、摩擦ブレーキによる電動パーキングブレーキも使って停止保持を行なうという。
また、e-POWER Driveでは下り坂が連続してるような状態で、回生発電で生み出した電力で駆動用バッテリーが満充電状態になるとそれ以上は回生発電によるブレーキングが行なえず、制動力が抜けて空走状態になるケースがあった。しかし、e-Pedalでは摩擦ブレーキを適宜併用できるため、最大0.2Gに設定されたブレーキ力を常に発揮できることも進化のポイントになっている。
さらにe-POWER Driveは駆動輪（ノート e-POWERの場合は前輪）だけで制動することから、雪道などの路面μが低い状況ではタイヤがロックしないよう大きな制動力は発揮できなかったが、e-Pedalは4輪の摩擦ブレーキを「VDC（ビークルダイナミクスコントロール）」も併用しながら利用できるため、滑りやすい路面状況でもよりしっかりと安定したブレーキングが可能になるという。
新藤氏はe-Pedalを使うことよって、社内計測のテストケースでは走行時のブレーキ操作回数を90％減少できるというデータを紹介。また、e-Pedalを開発した理由として「EVをもっと楽しく運転できるようにするためにはどうしたらいいか」と考えた結果であると説明する。これまでに日産で積み重ねてきた知見から、ずっと運転し続けたくなるようなクルマの要素として、「ドライバーの操作に対してクルマがリニアに反応する」と、ドライバーがクルマを意のままに操っている感覚が得られるという。初代リーフでは強大なトルクによる爽快な加速感、重量物の駆動用バッテリーをフロア下の重心近くにレイアウトすることによる軽快なハンドリングなどを実現していたが、ブレーキングの面でもリニアに反応できるようe-Pedalを開発したと語った。
横風への対応で実用航続距離を約2.5km向上
続いて説明されたのは2代目リーフの空力性能について。リーフでは初代モデルから航続距離を確保するため空力性能を突き詰めていたが、EVは基本的にパワートレーンの効率が高いことから、内燃機関を利用するエンジン車と比較して航続距離の低下要因で空気抵抗による損失の割合が多く、高速道路での損失率はエンジン車が13.3％のところ、EVでは59.3％と半分以上になり、空力性能を磨き上げることが航続距離の向上に直結するため重要な開発ポイントになるという。
2代目リーフの空力開発では翼型、雨滴型の形状で見られる理想的な空気の流れに近づけようと、遅くなりがちなフロア下の空気を加速させることで周辺の空気の流れを均一に近づけ、車両後方でバランスよくきれいに合流させることをテーマに開発。具体策としてフロア下に設置したアンダーカバーを新設計して形状を変更。アンダーカバーの設置位置自体も下側に下げて低床化し、圧縮するような効果で空気の流速を高めているという。
また、リーフでは初代モデルからトーションビーム式のリアサスペンションを採用しており、アンダーカバーで覆うことができない左右をつなぐサスペンションビームが空気の流れを乱す要因になっていることから、アンダーカバー後端をゆるやかに下に向けて傾斜。前方から流れてくる空気がサスペンションビームに当たりにくいようにしている。これらによってフロア下や後方側の空気の流速が高まり、車両後方の空気抵抗を低減。全体としては初代モデルからCd値を約4％改善している。
このほかに2代目リーフでは、新しい試みとして「横風空気抵抗の改善」を行なっているという。一般的な車両開発ではクルマが走行したときの空気の流れをチェックするため、車両の正面から風を当てる風洞実験などが行なわれているが、リーフ開発陣は実際の日常生活では微小な風が吹いていることが多いことに着目。リアルワールドに最も近い評価条件を導き出すため、初代リーフの94台で計測された走行車速データ、275地点の気象データなどを組み合わせ、車両の進行方向に対して風が当たる角度の最頻値が4度であると算出したという。
これを元に、風洞実験で車両が4度傾いた状態で設置。正対した状態で作り上げた車両の空力性能を再評価した。この結果、例として挙げられたリアサイドスポイラーでは、正対状態ではきれいに空気を流していた形状が、4度傾けると横風の増減で抵抗を生み出していることを発見。改めて形状の最適化を実施して、リアサイドスポイラーではV字形状の内側部分を削ることで安定して空気が流れるようにしている。
このほかにも4度傾けた状態での最適化を行ない、車両後方で空気がきれいに合流するような設計を採用。結果的に実用航続距離が約2.5km向上しているという。開発を担当した日産自動車 Nissan 第一製品開発本部 Nissan 第一製品開発部 空気流・風音性能グループの高木敦氏によると、このような開発手法は「おそらく世界で初めて」としている。また、今回の開発においては、正対状態と4度傾けた状態で齟齬なく空力性能の改善を両立していることも解説された。
世界初の“カメラ×超音波センサー”でスイッチ1つの自動駐車を実現
アクセル＆ブレーキ、ステアリング、シフトセレクター、電動パーキングと、駐車に関連する全ての操作を専用スイッチ1つの操作で完了する「プロパイロット パーキング」については、開発を担当した日産自動車 電子技術・システム技術開発本部 AD＆ADAS開発部 プロジェクト開発グループの浅見陽氏が解説。
プロパイロット パーキングでは、車両周辺の状況を前後左右にある4個のカメラ、フロントバンパー3個、リアバンパー6個の計12個の超音波センサーを組み合わせて利用する世界初のフュージョン方式を採用。これにより、プロパイロット パーキングでは駐車場内のスペースを、広く白線のないクルマが移動するスペース、白線で区切られて障害物のない駐車可能スペース、白線で区切られているが障害物があり、駐車できないスペースの3種類に分類できるようになった。
既存の超音波センサーだけを利用する自動駐車技術では白線を検知できず、さらに指定された駐車位置に向けてクルマを移動させる走行軌跡については駐車動作をスタートさせる前に1回行なうのみなので、路面のうねりや傾斜などで影響を受けると駐車枠の中央に行かない場合もあったと浅見氏は説明。また、駐車位置が「障害物の中間」に設定されることから、システム任せで駐車すると、仮に2台分のスペースが連続して空いている場合には、2つの駐車スペースにまたがった状態で終了になってしまうという。
プロパイロット パーキングではカメラが駐車動作の最中もリアルタイムの高速演算を続けて経路を補正。さらに駐車枠の前端に自車のノーズを合わせて駐車してきれいな駐車を実現するという。
このほか、プロパイロット パーキングで使われているカメラには新規開発された高解像度センサーを採用。日産では2007年6月に行なったマイナーチェンジで「エルグランド」に「アラウンドビューモニター」を世界初搭載するなど長きにわたって車両にカメラシステムを採用しているが、このカメラは表示するのが純正ナビのディスプレイということもあり、信頼性の高さを優先してあえて解像度の高くないカメラを使っている。しかし、アラウンドビューモニター向けのカメラでは自車から離れた位置にある白線が正確に識別できないということから、解像度は明らかにされなかったものの、プロパイロット パーキングでは高解像度のカメラを使っているという。
このほかに浅見氏は、プロパイロット パーキングが2代目リーフで初採用された理由について、2代目リーフは必要となるアクセル＆ブレーキやステアリングなどが全てバイワイヤーによって電動化されているほか、モーターで走るEVは緻密なトルク制御でシステム作動中の走行をしっかりと管理でき、路面に傾斜などがあっても低速走行の維持が容易な点が向いていると説明した。
インバータの水冷化や「電圧位相制御」の新採用でパワーアップ
2代目リーフのe-パワートレーンでは、駆動用のリチウムイオンバッテリーの容量を30kWhから40kWhに向上させて400kmの航続距離を実現しているが、「EM57」型モーターは基本的にキャリーオーバー。しかし、日産自動車 パワートレイン技術開発本部 パワートレインプロジェクト部 電動パワートレインプロジェクトグループの丸山渉氏は、バッテリーに蓄えられた直流（DC）の電気を交流（AC）に変換し、交流化した電気の電流量をコントロールしてモーター出力を制御するインバータを、ハード、ソフトの両面で進化。また、e-パワートレーンのバッテリー以外の部分で剛性コントロールや遮音材追加などを実施して、さらに力強くストレスフリーな加速性能、高級車に比肩する静粛性を実現したと解説する。
インバータのハード面ではパワーモジュールと呼ばれる半導体の冷却方法を変更。初代リーフでは金属製の水冷却器の上にグリスを介してパワーモジュールを設置し、発生した熱を伝えて冷却していたが、2代目ではパワーモジュールの裏側に冷却フィンを設置。この冷却フィンを直接冷却水に漬けるスタイルに変更している。これを丸山氏は缶ビールを冷やすシーンに例え、初代が保冷剤の上にビール缶を置いている状態、2代目は氷水の中にビール缶を入れた状態と表現。氷水に入れた方がビールが速くキンキンに冷えることを紹介した。
また、氷水に入れたビール缶を取り出そうとすると手が濡れることを挙げ、パワーモジュールの冷却でも同じようにフィンが濡れるが、フィン以外の部分が濡れてしまうと他の電子部品はショートしてしまう。そんなトラブルが起きないように、シール材としてOリングを使い、熱によるパワーモジュールの収縮や耐久性の問題をクリアしているという。
ソフト面では、従来は電圧を増やして電流を制御する「電流制御」のみを用いていたが、2代目のインバータではモーターの回転数が高くなったシーンでは電圧を固定し、位相をコントロールして電圧利用率を向上させる「電圧位相制御」を新たに追加。2つの制御をシーンに合わせて切り換えて出力を向上させている。また、この切り換えでトルクの段差が発生しないよう、処理能力を従来の2倍に高めた高速CPUを合わせて採用しているという。
こうしたインバータの改良により、同じ「EM57」型モーターながら、初代リーフの最高出力80kW（109PS）/3008-10000rpm、最大トルク254Nm（25.9kgm）/0-3008rpmというスペックから、2代目では41PS/66Nmアップの最高出力110kW（150PS）/3283-9795rpm、最大トルク320Nm（32.6kgm）/0-3283rpmを実現。0-100km/h加速タイムを15％短縮する結果になっていると丸山氏は説明した。
エンジンを搭載しないEVは走行中の車内が静かなことが大きな特徴とされているが、一方でモーター特有の高い周波数のノイズが発生する。丸山氏はこれを「蝉の鳴き声や黒板をひっかいたときのような、人間には嫌な音」がEVでは発生すると表現。また、低周波でもエンジンと同じようにe-パワートレーンが共振することでノイズが発生しており、2代目リーフでは両面で対応を実施したと説明する。
高周波のノイズではインバータのインシュレーターを追加して後方側に抜ける放射音を抑え込み、ユニット全体の上を「e-パワートレーンカバー」で覆うことで上方に出る放射音をカットしている。
低周波のノイズについては、モーターとインバータを接続する部分に剛性を高めるためリブを追加。一方でe-パワートレーンを車体に固定する取付部は柔らかくすることで全体の剛性をコントロール。作動中の振れ幅を少なくして共振音を抑制している。これらによって高周波はすっきりとした音色に変え、低周波の音を減らして静粛性を高めているという。
このほかに説明会では、2代目リーフの開発責任者を務めた磯部博樹氏が各担当エンジニアから解説された新技術以外にもたくさんの魅力があると語り、リチウムイオンバッテリーの67％アップの高容量化と37％アップとなる高出力化、外界からの騒音侵入を抑制してプレミアムカー並の静かさを手に入れた高遮音ボディ、2トーンボディで面積の広いボディ部分を先に塗装し、広い部分をマスキングしてルーフをブラック塗装する「ボディ先塗り塗装」などについて紹介。フルモデルチェンジを果たしたリーフの進化ポイントをアピールした。
