研究

交通機関のエネルギー効率に関わる技術的性格に関する検討
価格政策や補助政策を通じて交通機関をよりエネルギー効率の優れたものに誘導してゆくことは，今後さらに重要となってくるものと考えられる．このような政策を適正に推進するためには，インフラストラク
チャーの整備水準の不足や需給不均衡と切り離して，交通技術のエネルギー消費に関する基本的な性格を認識する必要がある．本論文は，交通機関の支持・推進の力学と動力供給のシステムの性格を組
み合わせ，基本的に要求される運用方法のもとにおけるエネルギー効率を比較したものである．
キーワード エネルギー効率，交通機関，運行，車両の力学，回生ブレーキ

角 知憲

工博 九州大学大学院工学研究科教授

SUMI, Tomonori

広松 新

工修 建設省土木研究所

HIROMATSU, Arata

国権

工博 運輸政策研究所研究員

LI, Guoquan

大枝義直

工博 九州大学大学院工学研究科講師

OHEDA, Yoshinao

1――はじめにみ合わせの自由度を生み，多くのバリエーションを考慮する必要も生じている．本論文では，このような観点に

気候変動枠組条約第3回締約国会議が京都議定書を立つ著者らのこれまでの報告に基づき8），エネルギー効

採択して以来，交通に関しても，いわゆる「税制のグリ率改善に大きな期待が集まる回生ブレーキの効果を追ーン化」が話題にのぼるようになってきた1）．燃料価格や加して考察し，合わせて現実には避けられない交通渋

自動車課税とエネルギー消費やCO2 排出量の関係も大滞における電気自動車の効果を中心に，交通技術の力きな関心を呼んでいる2），3）．価格政策や助成その他の政学的性格と動力装置の効率評価を結合して，エネルギ

策は自動車購買行動の制御のみならず，電気自動車のー効率を検討する．

ようなエネルギー効率を改善する新しい技術開発を誘導したり，道路整備や公共交通機関への補助などとバラン

2――エネルギー効率から見た支持・推進の力学と動力装置の性格 8）スさせるなどの目的に適用する必要があるものと考えられる．本論文は，このような政策を効果的に立案するための基礎資料として，交通機関の基本的な技術特性を

2.1 支持・推進の力学と効率

エネルギー効率の観点から比較しようとするものである．

交通需要には，その需要が要求する基本的な運行プ

交通機関のエネルギー消費に関しては，公共交通機関

ロファイルがある．運行プロファイルとは，乗客を搭載しを含めた考慮や，運行のみならず固定施設の建設や維て，発進，加速，巡航，減速，停止という運転を行う，持も含めたLCE概念への拡張などが精力的に行われてその時間的な変化のパターンを呼ぶ．そのプロファイル

いるが4），5），6），7），これらは，マクロなデータや平均的なのうち，起終点を結ぶもっとも単純なものをミッションプ

運行から，平均的な燃料消費を仮定して議論を行うもの

ロファイルと呼ぼう．図―1は，横軸を時間，縦軸を速が多い．しかし，マクロなエネルギー効率指標は，交通施設の整備水準の不足や需給不均衡の効果を含むので，交通機関の技術的性格を十分には表さない．より好ましV
Vmax

い技術が，技術外の要因による需給不均衡のため，みかけの効率性が損なわれたり，あるいはその逆の事態①

が生じているとしたら，その技術的性格と需給不均衡の014 運輸政策研究 Vol.3 No.1 2000 Spring

③
α2

t
0

効果を区別して評価する必要がある．また，近年の技術の進歩は，交通機関のタイプや動力装置にさまざまの組

②

α1

■図―1

t1

t2

t3

ミッションプロファイル

研究度にとって，これを示したものである．これは概念的なは速度である．R0 は，通常必ずしも大きくないが，いろもので，図の①の領域が加速，②が巡航，③が減速をいろな部分で起きる固体摩擦などである．また，R1Vは，表す．これは交通機関の特性によって相違する．たとえ

ベアリングの抵抗や空気の摩擦抵抗などの流体抵抗，ば，乗客が立っている可能性がある公共交通機関では

R2V 2 は主に空気の圧力抵抗である．Rαは，通常，次加減速度（①，③の直線の勾配）が小さいし，変速を行のように表される．

う自動車では，①は直線ではなく曲線，むしろ折線にな

Rα＝ meαme ＝（1＋φ）m ＋ mp

る．自動車の燃料効率を計る際に用いられる10モード
とか11・15モードなども，都市内，近郊を走行するため

（2）
（3）

の運行プロファイルであるが，これらは交通機関が本来

ここに me は回転部分の慣性を補正した実効質量，φ要求されるものでなく，需給不均衡によって変化するのは補正係数，m は車両質量，mp はペイロード，αは加で，ミッションプロファイルとは考えない．さて，ミッショ速度である．これらの計算法はパラメータの数値ととも

ンプロファイルは交通機関の効率を大きく支配し，それに文献 11）などに示されているが，基本的に支持・推進，に適したシステムの選択を通してエネルギー効率を向上

あるいは車両の連結などの運行に関わる力学的性格をすることができる．換言すれば，同じミッションプロファ

表す．同時に，走行抵抗は動力装置の発生する駆動力

イルを用いれば，異なる交通機関の運行の力学的効率に等しく，したがって Rp・V は推進のため費やされる仕性や動力装置の効率性といった交通機関の技術的性格

事率を表す．一方，車両の重量を W，有償搭載量 Wpとを相互に比較することができる．このような比較は，定すれば，W・V，あるいは Wp・V は，交通機関を動かす

常運行を前提としたカルマン−ガブリエリの指標や 9），ことの本来の目的である仕事率を表すといえる．そこで，揚抗比あるいは乗り物効率といった指標 10）では表現で推進・支持の力学的エネルギー効率の指標として，W・きない．交通機関は，人を収容する容器であるキャビン

V あるいは Wp・V をミッションプロファイルに沿って積分しを支持し，推進し，案内し，停止させる機能を持つ．エ

た値と，Rp・V を同じく積分した値（2つの値は，いずれネルギー効率は，基本的に支持・推進・案内の力学特も仕事［エネルギー］の次元を持つ．
）の比をとる．以下，

性とエネルギーを発生する動力装置の効率に依存する．

有償搭載量に対する効率を主として考えることとして，そこで，著者らは次のような効率性の指標を採用していEp ＝∫Wp・Vdt /∫Rp・Vdt

る 8）．

＝ Wp・L /∫Rp・Vdt

一般に，機関内部抵抗やパワートレインの抵抗を除く
走行抵抗 Rp は次のように表される．

（4）を使用する．ここに，L は運行プロファイルで与えられる

Rp ＝R0 ＋ R1V ＋ R2V 2 ＋ Rα

走行距離（以下，1運行距離と呼ぶ．）である．この指標（1）の計算には，次のような方法を採った．

ここに，R0 は速度に依存しない成分，R1V，R2V 2 は乗用車の加速パターンは文献 12）に示された代表的な速度およびその2乗に比例する成分，Rαは加速抵抗，V測定結果に従い，バスは文献 13）を参考に同様の変速段

1054

輸送効率（kg*m/j）

30
10
3
3
11モード 1

新幹線（16両編成）

72

乗用車（定員5名）

90
108

路線バス
（定員81名）

54
72

地下鉄（6両）

160

1
108

250

10モード

300

3

43

72

1

30 100

43
0.1
10

200

300

数字は巡航速度を表す（単位km/h）
数字は駅間距離を表す（単位km）

100

1000

平均速度（km/h）
■図―2

研究

支持・推進の力学に関わるエネルギー効率

Vol.3 No.1 2000 Spring 運輸政策研究015

位ごとに異なる加速度を用いた．したがって，前に述べ関する補正値を示しておく．表―3中のデータはトラック

たように加速期間が1本の直線ではなく，数段に分かれであるが，パワーローディングの点から，バスは乗用車

た折線となる．鉄道の運行は，基本的に車両ごとの設よりトラックに近いので，この数値を流用する．鉄道車両

計仕様に従うものとした．

は変速装置を用いないのでこの数値は一定で，1.15の

図―2は，ミッションプロファイルを規定する二つの変程度であると言われている．

数，巡航速度とプロファイルから求まる1運行距離（鉄道

この計算では，運行の全エネルギーに対して，案内

なら駅間距離に相当する．）
をパラメトリックに変化させ，のために増加するエネルギー量は小さいため，案内の（4）式から支持・推進の力学的特性に関わるエネルギー

効率の差を無視している．加速のために使われるエネ

効率を計算した結果を示したものである．図の横軸はルギー（加速抵抗）は，一部は摩擦抵抗の増加などで失平均速度［単位：km/h］，縦軸はEp［kgf・m/J］で，「輸

われるものの，かなりの部分はヴィークルの運動エネル

送効率」と表記してある．図中の数字のうち斜体は巡航ギーに変換されて保存され，その後惰性運行によって回

速度［km/h］，立体は1運行距離［km］を示す．縦軸は，収され，残りは最終的にブレーキによって捨てられる．

対数尺度になっていることを注記しておく．また，参考

また，登坂は，動力装置が発生するエネルギーを位置のため，乗用車，路線バスについて，10モード，11モのポテンシアルとして蓄えるもので，いずれ坂を下るとードの効率も示している．この計算に使用した代表的なすれば動力に変換して回収される．そこで，勾配の影響

鉄道車両の主要な諸元とミッションプロファイルの設定値は無視し，エネルギー消費としては加速抵抗のみを考慮

を表―1に，また，同様に自動車，バスに関する数値を，した．減速度はエネルギー消費の計算には不要で，区表―2に，さらに表―3には，自動車の回転部分の慣性に間平均速度にのみ関係する．また，重量は定員乗車を仮定している．周知のように個人用自動車の平均乗車人■表―1

員は1.2，あるいは1.4の程度であり，一方，東京や大阪

代表的鉄道車両に関する諸元

形式

地下鉄

在来線

新幹線(100系)の都市鉄道は，しばしば乗車率は200％を超えるので，

編成

4M2T

6M2T

16

40(M)
34(T)

39.7(M)
34(T)

54.2

両者を定員乗車の条件で比較することは不適当に思わ

質量
(t/両)
定員
(人)

136(先頭車)144(中間車)

136(先頭車)144(中間車)

普通席 1,153
グリーン席124

加速度(m/s2)

0.889

0.667
(乗車率100%)
0.500(乗車率300%)

0.278

■表―2

れる．ただ，乗車率をこの指標にかければ，それぞれのエネルギー効率をただちに修正することができる．
図より，運行の速度領域が重なる範囲では，鉄道が自動車，バスに比べて大きく優れること，乗り合いのバスが自動車に比してやはり優れること，速度領域が異なるとはいえ，新幹線の効率が小さいことが分かる．た代表的な自動車，バスの諸元
車種

乗用車

路線バス

高速バス

だ，地下鉄のような都市鉄道のミッションである駅間0.5

車両重量(kg)

9,800
81
14,2559,880*

12,87055
15,89520,781*〜1kmでは都市型バス（図では「路線バス」と表示してあ排気量(ml)

1,020
5
1,295
2,000

加速度(m/s2)
1速
2速
3速
4速

2.0
1.25
0.8
0.8

1.2
1.0
0.8
0.6

1.2
1.0
0.8
0.6

減速度(m/s2)

1.3

1.0

1.0

5.0
8.5
11.1
0.35
2.0
0.010

5.0
8.5
11.1
0.65
7.3
0.010

5.0
8.5
11.1
0.65
8.1
0.010

乗車定員(人)
車両総重量(kgf)

変速速度
1速→2速
2速→3速
3速→4速
空気抵抗係数
前面投影面積(m2)
転がり抵抗係数注）＊印はディーゼルエンジンである.
■表―3

り自重が鉄道が大きく，加速抵抗に相当するロスが大きいためである．輸送力の点でバスは鉄道に劣るので大量の大都市型の輸送需要には向かないが，専用道路を多数連結して運行するバス型のシステムは，高い効率を持つ可能性がある．電気自動車の力学的な性格は通常の自動車と同じであるので，この図は電気自動車を記載
していない．電気自動車は，おそらく変速操作は必要としないし，回転部分の慣性の関する補正は鉄道に近いものと考えられるが，一般に電気自動車は電池のため重量が大きいので，有償搭載量と全重量の比が小さく，自動車の回転部分の慣性に関する補正（1＋φ）の値
乗用車

トラック

第1速

2.70

2.56

第2速

1.54

1.46

第3速

1.20
1.10

1.20
1.10

第4速

る）
と同等もしくは劣ることが分かる．これは，乗客当た

016 運輸政策研究 Vol.3 No.1 2000 Spring

普通の乗用車とは有意に差が生じることを付記しておく．
2.2 動力装置の性格と効率

自動車のエンジン（内燃機関）は，動力を発生する必
要がない停止時にもアイドリングを続けなければならな

研究いし，減速中にも燃料を消費する．また，熱効率がエンるが，さらに送電効率，発電所の熱効率とたどって最終

ジンの出力と回転数に依存し，効率の高い領域は比較的に原油消費率に換算することができる．そこで，以下的狭い．一方，電気モータはエネルギー効率が高いが，では，エネルギーが原油由来のものであることを仮定し，重量が大きく，給電のために長距離送電，したがって送加工，動力発生・伝達のプロセスの効率を考慮して，最電ロスを生じる．このように，動力装置によって燃料か

終的に消費される原油に換算した効率Etを採用する．もら動力へのエネルギー変換の効率が相違する．そこで，ちろん，電力には水力，原子力，地熱などの発電方法

動力装置を含めた全体の効率を次のように考える．

があるが，どんな電力でも品質に相違がなく相互に代替

いま，内燃機関を想定して見よう．ある時点で動力装可能であるとすれば，火力発電を仮定しても問題はない．

置の発生するパワー PとRp の間には，

ここで想定した原油からのエネルギー変換過程とRp・V ＝ηt・P（5）

効率を図―3に示す．この図と数値は文献 14）から得ている．

の関係がある．ここにηtは動力装置から駆動装置までの伝達効率である．熱機関の場合，P はさらに熱効率
ηh によって燃料消費率f [kg/sec]との関係が，P ＝ηh ・f

また，内燃機関の熱効率が出力と回転数に依存する性質を，厳密ではないが次のように考慮する．
図―4は，あるタイプのガソリン機関，ディーゼル機関（6）の燃料消費率試験の結果から，平均有効圧力 Pa（トルと表される．さらにfは原油からの精製や輸送，供給のク/排気量を平均有効圧力と呼ぶ 15），16）．これはエンジ効率を次々とたどることにより，原油 fp に換算することがンの容量の差に関わらない指標である．）と熱効率ηe のできる．

関係を統計的に求めたものである．この種の性能は設

f ＝ηc ・fp

（7）

計によってある程度相違すると予想されるが，詳細な燃料消費率試験結果は公開されないことが多く，目下のとここにηc は原油から熱機関用燃料への総合的変換効率

ころ利用できるデータは少ない．そこで，図―4の曲線である．
（6）式の P が運行プロファイルによって与えられのような近似式を適用する．この近似式は，るので，（7）式を運行プロファイルにしたがって計算する

ηc ＝0.9516Pa3 −1.9921Pa2 ＋1.3273Pa ，ことができる．これを（4）式の Rp のかわりに用いれば，消費される原油に換算した効率指標を得ることができ（ガソリン機関）＝1.0883P 3−2.3822P 2 ＋1.6614P ，る．動力装置が電気モータの場合には，（6）式右辺に変aaa

わり電力供給とモータの効率の積が用いられることにな（ディーゼル機関）（8）

crude petoleum

である．また，通常の自動車は，停止中にも減速中にもrefining(0.91)

燃料を消費し続ける．本報告では，いくつかのデータと文献から 17），次の仮定を設ける．
1．ガソリン車のアイドリング中の燃料消費率は，エンelectric.power
generation(0.384)
distribution(0.98)

ジン排気量とアイドリング回転数に比例する．
2．アイドリング回転数は，エンジン排気量のほぼ（-1/6）transmissiom/supply(0.94)

乗に比例する．

charge/discharge(0.64−0.95)
gasoline/diesel engine

0.4
0.35

electric motor

0.3transmission/power train
熱効率

0.25

work for propulsion
idlinganddeceleration

effect ofregenerative
braking

total consumption of energy for operation

0.2

ガソリン車
ディーゼル車近似式（ガソリン車）
近似式（ディーゼル車）

0.15
0.1
y=0.9516x3-1.9921x2+1.3273x2
R =0.9502（ガソリン車）

0.05
0

0

(internal cobustion engine car) (electric road/rail vehicle)
■図―3

研究

交通機関へ供給されるエネルギーの流れと変換効率

0.1

0.2

0.3

0.4

3

2

y=1.0883x -2.3822x +1.6614x
R2=0.8704（ディーゼル車）

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

平均有効圧力（MPa）■図―4内燃機関の熱効率Vol.3 No.1 2000 Spring 運輸政策研究017

3．ディーゼルエンジンとガソリンエンジンの差は，空が，技術的に完成度が高く実用車が存在するのは前者

気過剰率に比例する．

である．技術的な情報が入手しやすいこともあり，このは，アイドリング中の燃料流量 g id（cc/sec）

章で取り上げたのは，このタイプの2種で，その諸元は

g id ＝ 6.202 × 10-4・C・V 5/6

表―4に示したとおりである．特に表―5には，電池の（9）種類の応じた充放電効率を示しておく．また，電気自動である．ここに，Cは空気過剰率を代表する定数，V は車に関しては，二次電池（蓄電池），燃料電池の急速なエンジン排気量（cc）である．Cはガソリンエンジンがほ進歩とともに，搭載されるモータの進歩も注目される．表ぼ理論空燃比に近い範囲で運転されるのに対してディー―6には，使用されるモータの効率を示しておく．

ゼルは空気量が大幅に大きいことから，簡単のためガ前に述べたように，電気自動車はおそらく変速操作はソリン車 C＝1，ディーゼル車 C＝0.5とした．定数は，こ必要としないが，高速度まで急加速を続けるとは思えなの数値を用いるための修正係数である．

いので，通常の自動車との比較を重視して同じ加減速パ

また ，減 速 中の 消 費 率 は 文 献 に 示 され た 排 気 量2,000ccの自動車の例17）にならって，アイドリング時の1.16

ターンを与えている．概してEV1の方が優れるが，これ■表―4電気自動車諸元

倍であるものとする．
図―5は，バスの2タイプと地下鉄車両について，図―2と同様に，ただし縦軸に Et をとって原油消費量に換算した効率を比較したものである．縦軸は，
「区間輸送
総合効率」
と表記してある．バスの曲線に微妙な変化があるのは，上記の内燃機関の熱効率を考慮したためである．この効率が高くないにも関わらず，この図と図―

総重量(kg)

EV1
1.76
0.19
1,573
1,793

EV2
2.3
0.40
1,460
1,680

モータタイプ

ブラシレスDC

ブラシレスDC

25kw×4
42.5
176
Ni-Cd
531
in-wheel-direct-drive

45kw
165
125

前面投影面積(m)空気抵抗係数
空虚重量(kg)

出力(kw)
最大トルク(kg･m)
最高速度(km/h)
電池種類

2に見られる鉄道・バスの関係には大きな変化がない．

電池重量

これは，発電・送電というプロセスを考慮した結果で

駆動方式

ある．

タイヤ転がり抵抗

変速機

硫酸−鉛

480
FF
−
0.01

−

0.007

図―6は，電気自動車をバスと乗用車と比較したものである．この図には2つのタイプの電気自動車を考慮し■表―5ている．1つはNi−Cd電池を用いるもの（EV1），他は硫二次電池の充放電効率

種

類

硫酸−鉛

Ni−Cd

リチウム

効

率

0.64

0.87

0.95

酸−鉛電池を用いるもの（EV2）である．電気自動車には，二次電池（蓄電池）を用いるものと燃料電池を用い■表―6るものがあり，両者とも精力的な開発が続けられている
10

モータのエネルギー効率

種類

加速時

定速時

永久磁石型

0.6

0.8

ブラシレスDC

0.7

0.9

路線バス
高速バス

10
3

10
3

1

区間輸送総合効率（kg*m/j）

区間輸送総合効率（kg＊m/j）

1

地下鉄

30

1
10
0.3

3

1

1

0.1

3

10 30

1
30
3

1
1

3

0.1

数字は区間距離を表す（km）

0.01
20

40

60

80

100

0

120

表定速度（km/h）■図―5

バスと地下鉄の総合効率の比較

018 運輸政策研究 Vol.3 No.1 2000 Spring

10

30

10

30

1
EV1

3
EV2

普通乗用車

路線バス

数字は区間距離を表す（km）

0.01

0

10

20

40

60

80

100

120

表定速度（km/h）■図―6

電気自動車と乗用車，バスの効率

研究自動車より優れるが，鉄道の動力である電気モーは電池の性能によるところが大きい．
また，図―7には，参考までに新幹線電車の計算結果

タと内燃機関の相違はそれほど大きくない．モータと文献中の航空機（ターボファン旅客機）の燃料消費デの効率は高いが，発・送電を考慮すると内燃機関

ータ18）から得た効率を比較して示す．この航空機は，近との差は小さくなる．

代的な設計の中・短距離用機（航空機としては，大陸間

4）電気自動車の効率の相違は主として電池の種類に輸送用の機種に比べれば燃料搭載量が少なくて輸送効よる．硫酸−鉛電池を使用すれば，通常の乗用車

率が高い）であるが，新幹線の効率がやはり圧倒的に優と大差なく，ある場合には劣る．

れている．ただ，図中の表記は省略しているが巡航速

5）新幹線は航空機には勝っている．ただし，表定速度は図― 2 と同様に設定しており，一番右の曲線が度を高い方に外挿すれば効率は急速に低下し，航300km/h である．ヨーロッパでは，鉄道を巡航速度

空機が向上してくるのと対照をなす．

400km/h，500km/hを超える速度で走らせる実験が成3――深刻な交通渋滞における電気自動車の効率功しているが，駅間距離をきわめて大きくとっても図―7の曲線をその速度まで外挿すると，航空機に近いところ
まで急速に効率が低下すると予想される．これは，鉄道

電気自動車に関しては，二次電池（蓄電池）やモータが多数車両を連結して1両当たりでは空気抵抗を小さくの進歩について，先に触れた．一般に交通機関の動力できるとはいえ，空気密度の高い地表を走行するためでが全力運転されることは少なく，効率最高の状態で運転あって，航空機は，空気密度が1/3の高度10,000m付近

されることも少ない．特に渋滞した道路を走行する自動を運航している．

車では，アイドリングを含めて内燃機関の効率が小さい

図―2〜7から，次のようにいうことができる．

範囲で運転されることが多いのに比べ，電気モータは広1）一般に力学的には，鉄道は自動車より優れている．

い負荷範囲で効率がよいという利点を有する．一方，重しかし，巡航速度が高く区間距離が短い運行プ

い電池を搭載する必要がある電気自動車では，加速・ロファイルでは，優位性が低下してくる．区間距離

減速によって捨てられる運動エネルギーが大きくなり，渋1km前後以下の都市型のプロファイルでは，むしろ滞すると不利になる要素もある．そこで，10モードや11バスの方が優れる可能性がある．これは，一般にモードとともに，さらに深刻な交通渋滞を想定したモード

単位輸送量当たりの車両重量が鉄道の方が大きいを仮定して，電気自動車のエネルギー効率を試算して，ためである．

通常の自動車と比較してみることにする．

2）動力装置の効率まで含めると，内燃機関が必ずし

図―8は，試算に採用した4つのモード（A〜D）
を示

も効率が良くない領域で使用されることの影響がす． 1 0 モ ード，1 1 モ ード の 平 均 速 度 は ，そ れ ぞ れ

現れる．

17.7km/h，30.6km/hであるが，このA〜Dのモードは一3）動力装置の効率まで含めても，鉄道の効率の方が定の周期で一定の巡航速度に達するまで加速し，一定時間の巡航ののち減速，停止を繰り返すもので，深刻1

な渋滞中のアコーディオンモーションを想定したものである．平均速度，1サイクルの区間距離，その他の数値を
新幹線

100
160
200
250

50

300

0.1

40

300
10

3

1000

10
300
200

20

0

0.01
10

研究

30

10

数字は区間距離を表す（km）
斜字は表定速度を表す（km/h）

■図―7

パターンB
パターンD

パターンA
パターンC

速度（km/h）

区間輸送総合効率（kg*m/j）

航空機

100
表定速度（km/h）

新幹線と航空機のエネルギー効率

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

時間（秒）
■図―8

交通渋滞を想定した自動車走行パターン（A〜D）

Vol.3 No.1 2000 Spring 運輸政策研究019

10，11モードと比較して表―7に示す．電気自動車は普生ブレーキの効果が大きいので，できるだけ低速まで有通の自動車のような変速操作は不要であるが，渋滞列中

効な回生ブレーキを採用することが望ましい．だた，電で前後の自動車に走行パターンを規定されることもあり，池の種類によっては充放電履歴に依存して容量が低下す

簡単のため通常の自動車と同じ加速パターンを適用しることがあり，発電ブレーキで小刻みに充電することがた．図―9は，図―2と同様に（有償荷重×輸送距離）/

容易でないものもある．

（走行抵抗を克服するために必要な力学的エネルギーの4――動力回生技術の効果総和）で表したエネルギー効率を通常の自動車，バスと比較したものである．前述のミッションプロファイルに対する結果と対比すると，著しく小さいことが分かる．そ

交通機関の動力装備の出力を決める要因の一つは，

れでも，電気自動車と通常の自動車の差は大きくなく，

発進・加速の際の加速抵抗である．すでに述べたよう

比較的平均速度が大きい走行モードDや10モード，11モに，加速のために必要なエネルギーは車両各部の前進

ードの場合には，むしろ通常の自動車が優れている．まの運動エネルギーおよび回転機構の運動エネルギーにた，比較のために同様に計算して記載した路線型バス

変換され蓄えられているので，減速に際してこれを回収の効率の良さが読みとれる．この電気自動車の効率のすればエネルギー効率を高めることができる．そのため低さは，電池重量が大きく，有償荷重以外の重量を運搬に最も便利なのが電気モータで，電気モータは電力供するエネルギーが大きいためである．これを動力装置の給を断って外部から回転させれば発電機として使うこと差異を考慮して，最終的な原油消費量に対する効率にができる．電気モータを発電機として電力回収を行う，換算したものが図―10である．通常の自動車は停止中

いわゆる回生ブレーキは，電化された鉄道でこれまで減速中もエネルギー消費のため効率が低下するのに対も使用されてきたし，今後開発が予定される電気自動車

し，それが無い電気自動車の優位が目立ってくるが，そやハイブリッド自動車でも利用することがあり得る．

れでも走行モードDや10モード，11モードでは，通常の自動車と大差がない．電気自動車の優位が認められる

回生ブレーキの使用に際しては，次のような性質が現れると考えられる．

範囲は，比較的限られるようである．ただし，この計算①回転速度が小さくなると発電性能したがってブレーでは，電気自動車に回生ブレーキを採用する可能性を

キ力が低下するのが普通で，機械ブレーキと併用

無視している．次章で述べるように回生ブレーキの効果する必要がある．したがって，回収エネルギーに限は限定的ではあるが，発進，停止を頻繁に行うほど，回界がある．
②回収した電気エネルギーを貯蔵するために二次電■表―7

交通渋滞を想定した自動車走行パターン

巡航速度(km/h)

A
15

B
25

C
30

D
40

パターン種別10モード 11モード
20/40 40−80

池を用いると，充放電効率が必ずしも大きくない．
③電力線から電力を受ける交通機関の場合，電力線

平均速度(km/h)

2.47

6.17

10.7

20.9

17.7

30.6

を通じて他のモータや消費者に回生電力を返すと1サイクル時間(s)

36.8

55.4

40.9

68.0

135

120

25

95

すると，昇圧や整流（直流の場合），周波数変換な

1サイクル距離(m)

121

388

660

1020

停止時間率(%)

72.2

62.3

33.7

30.7

26.7

21.5

加速時間率(%)

11.3

14.4

25.7

22.8

24.4

34.2

の消費者がいなければ，その給電区間の外に供給

定速時間率(%)

5.2

10.8

20.2

30.2

23.7

13.3

するために，さらに設備が必要である．

減速時間率(%)

11.3

12.5

20.4

16.3

25.2

30.8

どの装置を別に必要とする．もし，同じ電力線に別④車輪と路面の摩擦によらずリニアモータによって駆

1
0.8

0.3
EV1
EV2

区間輸送総合効率（kg*m/j）

区間輸送効率（kg*m/j）

1.2

普通車
路線バス

0.6
0.4
0.2

A
■図―9

B

C

D

10モード 11モード

交通渋滞を想定した力学的エネルギー効率

020 運輸政策研究 Vol.3 No.1 2000 Spring

0.25

EV1
EV2

0.2

普通車
路線バス

0.15
0.1
0.05
0

■図―10

A

B

C

D

10モード 11モード

交通渋滞を想定した総合エネルギー効率

研究

動・減速を行うなどのシステムを除けば，どのみち減速

れより大きい効果が得られる．それにしても，効率改善

中には車輪と路面の間に大きな摩擦力が作用するが，この効果は限定的であると言えようし，この事情は，鉄道

れは原理的に回収できないエネルギーのロスである．

と同様に回生が期待される電気自動車にもあてはまるこ

これらの事情を考慮すると，動力回生による効率の改善は限定的なものと考えられるが，比較的大きな加減速とであろう．図―12は，同じ結果を横軸を駅間距離に変え，両軸を対数軸にとって表現したものである．

度で短距離の運行を繰り返す場合には，ある程度の効率改善があり得る．そこで，有償荷重に比べて自重が大5――まとめきく回生ブレーキの効果が出やすい駅間距離が小さい鉄道を想定して，代表的な列車の走行中の運動エネル

本報告は，CO2 排出量削減のために，交通に関わるギーに対する回収率をパラメトリックに変えて，エネルギ

新しい技術の開発や普及を適切に促進したり誘導するー効率の変化を試算してみた．適用した車両は表―1中政策の策定や，異なる技術の間でそれらの促進誘導をの「在来線」と表記されたものである．計算の際に用い適正にバランスさせる政策立案に資することを目的とした巡航速度は，20m/s（72km/h）とした．図―11は，横て，交通の需給不均衡の影響を排除して本来の技術的軸を平均速度にとり，縦軸をエネルギー効率にとって，性格を反映するような運行パターンを想定しながら，エ

回収率0，30，50％の場合を比較したものである．ここネルギー効率を比較したものである．本報告では，交では，動力装置は共通として力学的な効率のみを考慮

通機関の性格を，力学的特性を動力供給の特性から区し，また同一車両を想定するところから，効率指標には別して評価し，次いで両者を総合するという方法を採っ

有償荷重ではなく車両全重量を用いているが，単に比た．また，目下エネルギー効率の改善に期待が高まって

例計算で有償荷重に関する結果に変換できることは言ういる技術のうち，電気自動車と電力回生ブレーキを取りまでもない．図中の数字は駅間距離を表す．図より，駅上げ，その可能性を検討した．主な結論は次のようにま間距離が小さく頻繁に発進・停止を繰り返すミッションほとめられよう．

ど回生の効果が大きいことがわかる．駅間距離が1km1）全般に鉄道やバスといった集合的サービスは，個以下で効率改善効果が小さいのは，この列車の加速度

別輸送の自動車に比べてエネルギー効率が高い．

が小さく巡航速度に達する前に減速することになるため

これは，主として有償荷重すなわち搭載する旅客で，さらに加減速度が大きい地下鉄などの車両では，この重量に比べて車両の重量が小さいためである．
もちろん，旅客が少なければ効率は低下するので，

100km
区間車両効率（kg*m/j）

鉄道やバスを有効に利用することが，エネルギー

20km

30
回生率0％
30％
50％

25

10km

効率の面からも有効である．

30km

5km

2）電気動力の鉄道と内燃機関のバスを比較して，1km

3km

20
2km

15
10

0.66km以下の短い間隔で停車するような運行では，鉄道

1kmの効率はバスに劣る可能性がある．動力に関して
は，内燃機関と発・送電過程を考慮した電力とで

5
0

30

50

40

60

70

80

に比較した自重がバスより大きいために，この結果

表定速度（km/h）■図―11

は，大差は無さそうであるが，鉄道は，旅客重量が生じている．

回生ブレーキによる効率改善効果（1）3）いずれにせよ，車両に関しては有意な重量の削減が効果的である．
区間車両効率（kg*m/j）

1004）電気自動車は，通常の自動車に比べて，部分負荷

回生率0％
30％
50％

時のモータの効率が内燃機関より優れているという利点を有するが，それが発揮されるのは，アイドリ

10ングや減速中のエネルギー消費が無視できない，
かなり深刻な交通渋滞の場合に限られそうである．
この事情を決定するのは電池の重量が大きいため

1

0.1

1

10
区間距離（km）

■図―12

研究

回生ブレーキによる効率改善効果（2）100で，ここでもまた車両の重量が大きな影響を与える
ことがわかる．
5）電池重量のほか，電気自動車の効率は充放電効率Vol.3 No.1 2000 Spring 運輸政策研究021

に依存するので，充放電効率の高い電池を見いだ
すことが重要である．
6）回生ブレーキによる効率改善効果もそれほど大きくないと見られる．電気自動車について本報告では試算を行っていないが，鉄道電車より不利な面がある．それは，回生電力を電池に充電するためにロスを伴うほか，電池によっては回生エネルギーを回収しにくいタイプがあることである．
本報告で行った試算は，理論的にそれほど厳密ではない．運行プロファイルや動力装置・エネルギー供給過程の効率も，おおまかな仮定に基づくものであるし，動力装置の性質と車両の力学的特性を区別するといいな
がら，その重量特性に動力種別の影響が皆無とは言えない．しかし，たとえば効率比較のためのほとんどの軸は対数軸であり，多少の誤差があっても極端な結論の変化はないであろう．また，エネルギー効率は，車両の運行だけでなく，旅客サービスや運行管理・保安，施設の維持管理などを総合して考慮する必要があるし，ライフ
サイクル評価も求められる．ライフサイクル評価について，
すでにある程度の試算があり，著者らも試算したが，結果的に車両の製造，管理，廃棄などのためのエネルギ
ーは運行エネルギーに比べれば小さい．ただ，インフラストラクチャーの建設に関わるエネルギー消費は大きいものといわれ，これをいかに扱うかは今後の課題である．さらに，本報告では，技術情報の不備のためもあって，ハイブリッド自動車やリニアモータ駆動列車などの参考文献
1）運輸政策審議会総合部会：運輸部門における地球温暖化への対応方策について，運輸政策審議会総合部会報告，1997．
2）吉岡正道：エネルギー価格変動下における自動車交通の動向に関する基礎調査，道路交通経済，No.10，1980.
3）林良嗣，加藤博和，上野洋一：自動車関連税の課税レベルと税間バ
ランスによるCO2 者削減効果の差異に関する分析，運輸政策研究，
Vol.2，No.1，pp2-13，1999．
4）OECD:Automobile Fuel Consumption（in Actual Conditions）, Directorof Information, OECD, 1982.
5）Society of Automobile Engineers: Proceedings of the 1995 Total
Life Cycle Conference, Global Mobility Database, 1995.
6）運輸省運輸政策局情報管理部：平成8年版運輸関係エネルギー要覧，
p8，1996.
7）吉本秀幸（監修）：大都市生活のライフサイクルエネルギー，資源協会，1998．
8）Sumi,T., A. Hiromatsu, and Y. Oheda: Energy Efficiencies ofTransportation Modes Considering Operation Profiles and Power
Supply Systems, Proc. of 1st Asia Pacific Conference on
Transportation and Environment, pp329-337, 1998.
9）Gabrielli, G. and TH. von KARMAN: What Price Speed, MechanicalEngnrng., 72-10, pp775-781, ASME, 1950.
10）赤木新介：新交通機関論，コロナ社，1995．
11）
日本機械学会：機械工学便覧，C2−交通，1988．
12）角 知憲ほか：信号交差点を発進する車群先頭車のマン・マシン・
システム・モデル，土木学会論文集，No.530/Ⅳ-30，pp99-107，1996．
13）Vuchic, V.R.（田仲博・訳）：都市の公共交通機関 −そのシステムとテクノロジー，技報堂，1990．
14）谷辰夫，小山茂夫，大野吉弘：エネルギー変換工学，コロナ社，
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15）
日本機械学会：機械工学便覧，B7−内燃機関，1988．
16）富塚清：交通機械工学，山海堂，1972．
17）谷口正明：高速道路料金自動収受システムの省エネルギー効果の試算，車と情報，15巻，pp16-17，自動車走行電子技術協会，1996．
18）Kemp. R.: The Europian high speed network, Passenger Transport
after 2000 AD（Ed: G. Feiden, A. Wikens, and I. Yates）, p78, The Loyal
Society, 1995．

新技術を取り上げていない．これらも今後検討する必要があるものと考えられる．

（原稿受付 1999年11月17日）

A Consideration on Fundamental Features of Energy Efficiency for Transportation Modes
By Tomonori SUMI, Arata HIROMATSU, Guoquan LI and Yoshinao OHEDA

Energy efficiency of transportation is in great concern from the viewpoint of environment since energy consumption oftransportation is a significant part of carbon dioxide generation. Developement of new technologies to reduce the energy
consumption must be accelerated according to suitable prospects and policies. The energy efficiency of tranportation
depends on the imbalance between the travel demand and supply, and its technical features is not clearly represented by
the macroscopic statistics. This technical report examines the efficiencies in vehicle dynamics and power supply systems.
These examination suggested the possibilities andlimits of new technologies applicable to transportationsystems, such as
electric vehicle and regenerative brakng. It was also revealed that rail systems were much advatageous than road vehicles
of personal use, and, the used of rubber-tired train provided high efficiencies in some cases with short distance
operations.
Key Words ; energy efficiency, tranportation modes, operation, vehicle dynamics, regenerative braking

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022 運輸政策研究 Vol.3 No.1 2000 Spring

研究