Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success

F1における電動パワー：ハイブリッドの成功の10年。画像出典：メルセデス・モータースポーツ・メディア

2019年ハンガリーGPはF1初のハイブリッド勝利から10周年

10年前の2009年ハンガリーGPで、ルイス・ハミルトンはF1で初めてハイブリッドエンジンを搭載して優勝した。運動エネルギー回生システム（KERS）は、F1におけるパワーユニットの電動化への第一歩だった。本日は、ハイブリッドF1パワーユニットと、史上最も効率的な内燃エンジンのひとつに至るまでの開発の道のりをご紹介します。

ルイス・ハミルトンはマクラーレン・メルセデスMP4-24で2009年のF1シーズンに臨んだ。このシーズン、彼はハンガリーGPとシンガポールGPで優勝した。画像出典：メルセデス・モータースポーツ・メディア

2009年ハンガリーGPがF1初のハイブリッド勝利となった理由は？

2009年のF1レギュレーションでは、各チームにパワートレインにハイブリッドコンポーネントを追加するチャンスが与えられた。今日のレギュレーションではハイブリッド・パワーユニットの搭載が義務付けられているが、2009年当時はKERSを使用するかどうかはチームの判断に委ねられていた。2009年の開幕戦を制したブラウンとレッドブルの2チームは、いずれも従来型のエンジンを搭載することを選択した。しかし、メルセデス・ベンツはハイブリッドシステムを開発しており、2009年はマクラーレン・メルセデスがそれを使用していた。そのため、ルイスが7月26日のハンガリーGPで優勝したとき、それはハイブリッドF1カーによる史上初の勝利だった。実際、ルイスのレースではKERSが重要な役割を果たした。彼はKERSの助けを借りてマーク・ウェバーをオーバーテイクして2位に浮上。レースリーダーのフェルナンド・アロンソが数周後にリタイアすると、ルイスはトップに立ち、そのまま10位でチェッカーを受けた。^th グランプリでの勝利、そしてこのスポーツ史上初のハイブリッドでの勝利。

今日のハイブリッドシステムはどのように機能しているのか？

FIAは、F1パワーユニットに含まれる6つのコンポーネントを区別しており、そのうちの4つが、正式にはエネルギー回生システム（ERS）として知られるハイブリッドシステムを形成している。ERSのうち2つは電気機械で、エネルギーを回収し、追加性能という形で供給する。モーター・ジェネレーター・ユニット・キネティック（MGU-K）があり、ブレーキング時に車から運動エネルギーを回収する。2009年のKERSよりも先進的で強力だが、基本原理は似ている。MGU-Kによって回収されたエネルギーは、クルマを推進させるために使用される。

2つ目の電気機械は、ターボチャージャーのコンプレッサーとタービンの間に位置するモーター・ジェネレーター・ユニット・ヒート（MGU-H）で、メルセデスの設計ではエンジンの2つのシリンダーバンクの間にある。

ターボチャージャー自体はエンジンからの排気ガスで駆動されるが、コンプレッサーのパワーが上がると、排気ガス中に余剰エネルギーが発生し、それをMGU-Hで回収することができる。この電気エネルギーは、ブレーキング時にコンプレッサーの作動を維持するために使用され、ドライバーが再びスロットルを踏み込んだときにターボラグが生じないようにする。

どちらの電気機械も三相ケーブルでインバーターに接続され、電気エネルギーをバッテリーパックの直流電圧に変換する。エネルギーの旅という点では、機械は回転エネルギーを電気エネルギーに変え、それを化学エネルギーとして貯蔵する。

ハイブリッドシステム全体、つまりパワーユニット全体は、コントロール・エレクトロニクス（CE）によって制御される。レース中、CEは平均して43兆回を超える計算を行う。電気モーターをどの速度で走らせるか、どれだけのパワーを投入するか、またESが最高のパフォーマンスを発揮できるよう最適化されているかなどだ。

この10年でハイブリッドシステムはどのように進化したのか？

F1におけるハイブリッド時代の始まりは、エネルギー回生システムが開発テストに使用された2007年までさかのぼる。

バッテリーパックの重量は107キロで、効率は39％を達成し、水冷式のパワーエレクトロニクスは、車内のかなりのスペースを占める巨大な箱に詰め込まれていた。

その2年後、KERSが初めてレースで使用されたとき、システムの重量は大幅に軽くなっていた。2009年のエナジーストアの重量は25.3kgで、2年前のバッテリーパックよりも75％以上軽くなった。同時に効率は70％に向上した。パワーエレクトロニクスの冷却には水の代わりに空気が使用され、はるかに小さなカーボンファイバー製の筐体に収められた。

次の大きなステップとなったのが2014年のパワーユニット規定で、高性能なハイブリッドシステムを備えた1.6リッターV6ターボエンジンが導入された。MGU-Kを使用してブレーキングから運動エネルギーを回収することに加え、チームはMGU-Hを使用してエネルギーを回収することが許可された。2007年の最初のハイブリッド・ステップ以来、バッテリーの重量は81％削減され、規制値である20kgを達成した。バッテリーセルの出力密度は12倍に向上し、エナジーストアの効率は96％に達した。

なぜF1では効率が重要なのか？

The efficiency of the Power Unit has an impact on the on-track performance of the car, both in terms of the power output and weight saving. The power output of the engine is determined by two factors – the fuel flow rate and the efficiency of the engine. In F1, the fuel flow rate is limited to a maximum of 100 kg per hour, so the only factor the teams can influence is the efficiency of the engine. A more efficient engine therefore means more power output and thus better on-track performance.

もうひとつの側面は軽量化だ：レギュレーションでは、各チームは1レースあたり最大110kgの燃料を使用できる。しかし、燃料の重量は規定上の最低重量には含まれないため、燃料が許容量より少なければ、より軽いマシンでレースをスタートすることができる。これはラップタイムの短縮に直結する。5kgの軽量化ごとに、マシンはコンマ2ラップほど速くなる。

ハイブリッドシステムを最大限に活用するために、チームはどのような工夫をしているのだろうか？

ERSとエンジンの相性は、パワーユニットがその能力を最大限に発揮するための重要な要素のひとつであり、レースウイークごとにチームが集中的に取り組んでいることだ。いかに最適な方法でエネルギーを供給し、回収するかが重要なのだ。

レースウィークエンドの前には、理想的なセットアップやシナリオをコンピューターでシミュレーションする。その後、ドライバー・イン・ループ（DiL）シミュレーターで初めてテストされ、特定のサーキット用のプロファイルが作成される。各サーキットでは、ERSシステムに異なる方法でエネルギーを回収・展開することが要求されるため、DiLはコンピュータの結果がどのように機能しているかを理解するための良い第一歩となる。

DiLで作成されたプロファイルは、ダイノに移され、そこでハードウェアの実力が試される。このステップでは、ハードウェアの性能を確認します。ダイノでの作業が完了したら、次はレーストラックで現実を見て理解します。各サーキットにERSを準備することは、車のブレーキング性能とコーナリング性能に依存し、1ラップにどれだけのフルスロットル時間がかかるかを計算する。これにより、MGU-Kがどれだけの時間作動する必要があるか、バッテリーからどれだけのエネルギーを取り出す必要があるか、またMGU-Hがどれだけの時間エネルギーを吸収し、どれだけのエネルギーをバッテリーに投入できるかが決まるからだ。

金曜日のプラクティス走行から得られた教訓は、一晩の作業を経て土曜日の予選に投入され、そこでバッテリーを完全に消耗させることができる。レース中、バッテリーの充電状態は変わらない。これは、バッテリーを満タンにしてから消耗させる電気自動車とは異なり、ERSが可能な分を回収してラップ中に一時的に蓄え、最適なタイミングで展開するためだ。

KERSとERSテクノロジーはどの程度実用的か？

KERS、ERS、MGU-H、MGU-K......私たちはF1における優れたエンジニアリングの略語が大好きだ。しかし、当然のことながら、これらの頭文字はF1の世界以外では大きな意味を持たない。ロードカーの世界では、KERSやMGU-Kのようなシステムは 回生ブレーキシステム.

ブレーキング時、車は運動エネルギーの一部を回収し、それを使ってバッテリーを充電し、再び車を推進させることができる。MGU-Hの背後にある技術は、一般に電動ブースター・コンプレッサーまたは電動ブースター・コンプレッサーとして知られている。 イーブースター.ロードカーの世界とF1で同様の発展が見られるもうひとつの分野は、高電圧システムの導入である。

なぜか？電気系統では、エネルギー損失が熱として現れる。損失は電流を減らすことで減らすことができる。パワーを維持したまま電流を減らすには、電圧を上げる必要がある。F1では、ERSバッテリーで1,000ボルトに近づいている。現代の電気自動車は通常400ボルトまでのシステムで作動しているが、将来的には電圧が上がり、現在のF1で使われている電圧に近づくだろう。

F1と自動車産業の開発の道のりは非常によく似ているが、ひとつだけ異なる点がある。F1では、これらの技術はクルマをより速く走らせるために使われる。ロードカーの世界では、同じエネルギー量でより遠くへ行くために使われる。