インバーターとは？ハイブリッド車やEVで何をしているの？

電池の「直流」を、モーター用の「交流」に変える

バッテリーから取り出す電気は、基本的に一方向へ流れる「直流」です。一方、ハイブリッド車やEVの走行用モーターで広く使われるのは、流れる向きが繰り返し変わる「交流」です。同じ電気でも、そのまま渡せばよいわけではありません。^[1]

図では、赤い線が直流、青い線が交流です。横方向は時間の経過、黒い横線は電流がゼロの位置を示します。青い線はその上と下を行き来していますね。これは、電流の向きが繰り返し逆になることを表しています。電線そのものが波打つ、という意味ではありません。

インバーターは、この直流を交流へ変える装置です。車を動かす大きな電力を扱い、モーターのコイルへ必要な電流を流します。コイルは電線を巻いた部品で、電流を流すと磁石の力を作ります。磁力を順番に変えることで回転を生む仕組みは、モーターの記事で詳しく紹介しています。

身近な乾電池で小さなモーターが回ることを思い出すと、ややこしく感じるかもしれません。モーターにはいろいろな方式があり、玩具でよく使うものと車の走行用では、電気の切り替え方も制御の規模も違うんです。ここでは、交流で動かす代表的な車の仕組みを説明しています。

ボルトくん

電気の種類を変えるって、別の電気を作ってるの？

ハグルマ先生

元のエネルギーはバッテリーから受け取ります。その電気を、どの向きに、どんなタイミングで流すかを変えているんです。

高速でスイッチを切り替え、力の出し方を調節する

インバーターの中には、半導体を使ったスイッチがあります。半導体とは、電気を通す・通さないを制御できる材料を使った部品のこと。機械式のスイッチを指で連打する代わりに、電子部品で非常に速く切り替えます。^[2]

複数のスイッチを組み合わせ、モーターのコイルへ電圧をかける向きや時間を変えると、必要な電流の流れを作れます。車でよく使われる「三相交流」は、変化のタイミングをずらした3組の交流です。これで、モーターの中の磁力をなめらかに回していきます。

アクセルを踏んだ量などから車が必要な力を決め、ローターの位置や電流の状態を見ながら調節します。弱く流せばいつも低速、強く流せばいつも高速、という単純な話ではありません。回転の速さと、どれだけ強く回すかというトルクを、状況に合わせて扱っています。

ボルトくん

オンとオフだけで、じわっと加速できるのが不思議。

ハグルマ先生

細かく切り替える時間や順番を変えると、コイルへ流れる電流を調節できます。運転する人には、その細かい切り替えがなめらかな力として伝わります。

回生ブレーキでは、電池へ戻せる電気に整える

減速するときには、車輪側からモーターが回され、発電に使われます。そのときモーター側で生まれるのは交流です。しかし、バッテリーへ戻すには、充電できる直流に整える必要があります。^[1]

そこで、走行用のインバーター回路が、今度は交流を直流へ変える側でも働きます。加速するときとは、エネルギーが通る向きが逆です。これにより、回生ブレーキで回収したエネルギーを、次の走行に使える形で蓄えられます。

ただし、インバーター自身が電気を増やしているわけではありません。切り替えの途中などで一部は熱になり、電池へ戻すときにも損失があります。「変換装置を往復すれば電気が増える」なら充電器もびっくりですが、現実には使ったエネルギーの一部を回収する仕組みです。

ボルトくん

モーターへ送るときだけの部品じゃないんだ。

ハグルマ先生

はい。加速では電池からモーターへ、回生ではモーターから電池へ。両方の流れを支える大切な装置です。

電圧を変える装置とは、役割を分けて考える

名前が似た装置に「コンバーター」があります。車では、直流の電圧を高くしたり低くしたりする装置を、DC-DCコンバーターと呼びます。電圧は電気を流そうとする力の目安。流れる向きを切り替える話と、電圧の高さを変える話は分けると理解しやすくなります。^[1]

例えば、高い電圧の駆動用バッテリーから、車内の電装品や12Vの補機バッテリー向けに電圧を下げる用途があります。車によっては、こうした装置とインバーターなどを一つにまとめた箱を「PCU（パワーコントロールユニット）」と呼びます。PCU全体とインバーターは、必ずしも同じ範囲を指しません。

大きな電力を扱うので、発生する熱を逃がす冷却も必要です。冷却液を使う仕組みなどで温度を管理し、部品を守ります。^[1][2] エンジンルームにある箱の一つでも、内部には高い電圧がかかります。中を見たいからとカバーや高電圧配線を外す作業は、整備の専門家に任せましょう。

ボルトくん

似た名前が一気に出てきて、脳内で渋滞してきた。

ハグルマ先生

まずは「インバーターは直流と交流」「DC-DCは直流の電圧」と分けましょう。PCUは、それらをまとめた装置の呼び名です。