2019年2月21日
EVF総会記念セミナー

クルマはエンジン車からEVに置き換わるか？

～電力ネットワークからソーラーカーを語る～
廣田壽男(ひろたとしお)
早稲田大学 環境総合研究センター 客員教授
国際エネルギー機関(IEA)PVPS TASK17運営責任者
hirotat@aoni.waseda.jp
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan1

クルマはエンジン車からEVに置き換わるか？
～電力ネットワークからソーラーカーを語る～

1. EVの市場導入が進む• 各国の環境政策：エンジン車からEVへシフト• しかし政策だけで新技術は普及しない
2. 環境性能だけでないEVの魅力• 走る・曲がる・止まる• 静かさ、空気感• EVの課題：航続距離、価格、充電・電力ネットワークへの影響
3. 将来展望• クルマはエンジン車からEVに置き換わるか?
• 実用的なソーラーカーの可能性

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan2

世界のEV, PHV保有台数(推定) 2011年からEV,PHVの市場導入が急増
2018年末のEV,PHV保有台数500万台超と推定(全乗用車の0.5%)
 2011年までUS、日本がリード。次いでフランス、ノルウェーなど欧州 2015年から中国が急増。世界の保有台数の約40%と推定される
5,000

4,000
2018(推定)Others

3,000

China
EU (Major counties)

2,000

US
Japan

1,000

0
2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Source：Estimated based on IEA Global EV Outlook, Inside EVs などから推定
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan3

欧州各国、内燃エンジン車の販売禁止の動き

フランス政府、2040年までに内燃エンジン車の販売停止の考えを発表(2017年7月6日)

英国政府、2040年にエンジン車の販売禁止、HV, PHV, EVへシフトを計画。(2017年7月26日)

ドイツ連邦参議院、2030年に内燃エンジン車を禁止する決議を採択(2016年10月12)

ノルウェー、エンジン車を2025年までに廃止を論議(2016年6月7日)

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan4

中国、新エネ車19年に10％ メーカー対象、製造販売で義務付け
 2017 年9 月28 日、中国政府は、OEMに新エネ車（EV／PHEV／FCV）の中国国内での生産や輸入を一定割合で義務付けるNEV 規制の導入を決定
 導入時期は2018 年から2019 年に後ろ倒し（且つ2019 年に限りNEVク
レジット余剰・不足分を2020 年と合算して対応することを認める）
 規制対象は年間生産・輸入台数5 万台以上から3 万台以上のOEMに拡大 世界最大の中国市場がＥＶの普及にカジをきるなか、日本勢を含めた世界
自動車大手のＥＶへの取り組みがさらに加速するのは確実だ。

NEV規制が導入された場合の新エネ車生産・輸入義務台数の試算

出典：http://www.bk.mufg.jp/report/indexpt2017/NEV.pdf#search=%27%E4%B8%AD%E5%9B%BD+nev%E8%A6%8F%E5%88%B6%27

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan5

クルマはエンジン車からEVに置き換わるか？
～電力ネットワークからソーラーカーを語る～

1. EVの市場導入が進む• 各国の環境政策：エンジン車からEVへシフト• しかし政策だけで新技術は普及しない
2. 環境性能だけでないEVの魅力• 走る・曲がる・止まる• 静かさ、空気感• EVの課題：航続距離、価格、充電・電力ネットワークへの影響
3. 将来展望• クルマはエンジン車からEVに置き換わるか?
• 実用的なソーラーカーの可能性

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan6

環境性能だけでないEVのクルマとしての魅力

バッテリとパワーエレクトロニクスの技術革新が、EVを魅力あるクルマにかえた。
 レスポンスの良い力強い走り 静かで滑らかな乗り心地
 気持ちの良い空気感

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan7

走りの性能
 走る

 曲がる
 止まる

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan8

走る：レスポンスの良い加速 エンジンは中高速で最大トルク、高速域で最高出力

トルク Torque [Nm]

クルマの要求：低速で高トルクを出すため変速機で減速
 モータ(DCモータ、同期モータ)は低速トルク大(0rpmから最大トルク)
変速機なしでクルマの要求トルク特性を実現。変速ロスなし。
高レスポンス：電流制御によりモータ出力トルクをコントロール
トルク特性 ： モータ vs. エンジン

モータ
同等レベル最高出力

変速

ｶﾞｿﾘﾝｴﾝｼﾞﾝ

回転数 Rev. [rpm]Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan9

曲がる：ハンドリング性能
車両重心、ヨー慣性モーメント EVは、重量物である走行用バッテリを車
両フロア中央付近に搭載することにより
車両旋回時の安定性、応答性のよいプ
ラットフォームの実現が可能
 車両重心高は、右図の例で全高の同じ車両で比較し、EVはエンジン車に比べ、エンジン車に比べ30～40mm低く、ヨー
慣性モーメントは50kg・m2低い
 ドライバがステアリングを切って曲がる際、車両が旋回する応答の良さ、ロールの小ささや、路面からの入力に対するロー
ル/ピッチングモーションの小ささに寄与し、スムーズな走りにつながる

車両の全高に対する重心高

車両重量に対するヨー慣性モーメント
出典： 大部一俊ほか「日産リーフにおける電気自動車の特徴を生かした車両運動性能開発」自動車技術Vol.70, No.12,2016
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan10

ハンドリング性能：駆動力制御による操縦安定性向上
 モータの応答性の良さを生かし、EVではコーナリング時のモータトルクを制御することにより操縦安定性を改善することが可能 車両がコーナーに沿って曲がる際に、ステアリングの切リ始めでは微少に駆動トルクを増加することでヨーレートの立上りを向上し、また切込みから定常の旋回に入る際は、逆に微少に駆動トルクを減少させ、車両が内側に巻き込んでしまう現象
を低減、スムーズな走りを実現

出典： 大部一俊ほか「日産リーフにおける電気自動車の特徴を生かした車両運動性能開発」自動車技術Vol.70, No.12,2016
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan11

止まる：ワンペダルドライビング
 アクセルペダルの踏込量の少なく車速が高い条件で、モータトルクがマイナス(エネルギー回生)になるように制御。ブレーキペダルを使わずアクセルペダルのみで車両の加減速を可能とする
 市街地のゴーストップの多い走行で運転が容易。上り下りやカーブの多い山岳走行でも直感的にコントロールでき、ドライビングフィールを大幅に改善。
 回生ブレーキのエネルギー回収量を増大

出典：J.J.P. van Boekel, I.J.M Besselink, H. Nijmeijer
Eindhoven University of Technology, Netherlands, EVS28, May 5, 2015
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan12

永久磁石同期モータのトルク特性

後転

正転

正転力行
力
行

車両駆動力

N

 永久磁石式同期モータは、電機子電流のプラス・マイナス制御により、加速走行など力行運転と減速走行など回生運転の両方の作動が可能
 ワンペダルドライビングはアクセルペダルのみで加速・減速の制御を実現

正転回生

回
生

車速 km/h
出典：玉井克典ほか 「新開発EV 向けモータ・インバータの開発」自技会春季学術講演会、2011年5月
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan13

ワンペダルドライビング停車時のモータトルク制御(平坦路) 加速から減速に切り替わる中立開度を最適化、走行状態から停止状態までゆっくり
減速度を微調整するシーンにおいても、アクセルペダルのみで滑らかな停止を実現
 減速時にアクセルペダル開度(赤)ゼロ(下図0s)とすると、モータトルクを回生側(黒)に制御し車両を減速(緑)させる。
 車両速度の低下に伴いモータの回生量を減らし車両が滑らかに減速するようモータ
トルクを制御(0－0.5s)。
 車両が停止するとモータトルクはほぼゼロとなるが、路面状況に合わせて停止保持のため電流を微少制御(0.5－1.2s)。停止状態が安定後メカニカルロックに切替え。
 再起動時は、メカニカルロックを解除しクリープ状態から発進。

回
生
ト
ル
ク

モータトルク(平坦路)
車両速度
アクセルペダル操作量

出典：藤田勇樹ほか「新型コンパクトカー用ハイブリッドシステム」自動車技術会春季講演会2017年5月
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan14

モータ駆動：回生運転
 減速時のエネルギー回生は低速ではモータの逆起電力が低く、減速エネル
ギー回生が困難となるが、インバータのIGBTをON-OFF制御し、モータの逆起電力を昇圧し減速エネルギーを回収する。
 IGBTのスイッチング損失の低減が進み、エネルギー回生が大幅向上。
IGBT Inverter
IGBT

High
Voltage
Battery

Q1

Q3

Motor

Q5

U
V
ON
OFF

Q2

Q4

Q6

Motor
Connector

W

Isolated IGBT Driver

LV Battery

Motor Control Unit

EV Management
ECU

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan15

坂道で止まる 坂道の走行で、減速し坂の交差点で「電気の力で止まる」技術の難しさ
 ドライバーが減速のためアクセルペダルを戻すと、ドライバーの減速したい減速度を推定しモータトルクを減少させる。例えば上り坂では、重力の影響による減速度を差引いてモータの減速トルクを設定する。
 停止する時は、車両を後退させる方向に作用する重力と釣り合うようにモータに前進トルクをかける。乗客の身体の動きなど外乱があっても車両をピタリと停止させるため、モータ電流をこまめに増減し車両の動きを制御する。
 この実現には、応答性のよいモータと車両の傾きや路面状態を推定し電流をこまめにコントロールするパワーエレクトロニクスの技術が必要となる。
坂道での停止U

モータの電流制御によるロータの停止
SV

W 上り坂でロータに働く力：左回転(緑)上り坂で後退方向に力が働く
駆動輪に働く力：図の左回転方向

電流①U→Vによる力：右回転(赤実線)
電流②U→Wによる力：左回転(赤破線)

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan16

早稲田大学における電動バス研究開発
 2002年から電動バスの研究開発を推進 短距離走行・高頻度充電コンセプト：非接触急速充電の高効率化の研究、車両への搭載、車両の動力性能、電費性能、耐久性能の開発を実施
 2005年から埼玉県本庄市など10ヶ所以上の地域で、公道実証試験を実施
2011年から長野市で路線バス実用化試験を開始
WEB3：Waseda advanced Electric micro Bus(2010)
 ベース車両：日野自動車”ポンチョロング、乗車定員：25名）
 永久磁石式同期モータ145kW、リチウムイオン電池44kWh

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan17
17

静粛性、乗り心地、空気感

長野市EVバス実証試験：乗客アンケート、その他コメント

 静かにお話ができる
 音楽の聞こえ方が違う
 オイルや排気ガスの臭いがない 長く乗っていてもクルマ酔いしない 静かで揺れない。清潔な空気感

セスナ機とグライダーのちがい
原付バイクと人力車のちがい

18

EVの課題 航続距離 車両価格 充電・電力ネットワークへの影響

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan19

EVの航続距離は300～400kmの時代へ

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan20

イノベーション：リチウムイオンバッテリ正極材料の進化
 新世代EVの市場導入が始まった2010年頃は、熱安定性、過充電耐性、資源
埋蔵量、材料コストの観点からマンガン系のバッテリが多かった。
 最近では、製造技術やBMSなどの改良により、セル容量の大きい三元系(Ni,Co, Mn)やニッケルリッチ三元系が増加しつつある。
マンガン系

コバルト系

ニッケル系

三元系

鉄系

構造式

LiMn2O4（LMO）

LiCoO2（LCO）

LiNiO2（LNO）

LiNi/Co/MnO
2 （LMC）

LiFePO4
（LFP）

結晶構造

ｽﾋﾟﾈﾙ構造

層状構造

層状構造

層状構造

ｵﾘﾋﾞﾝ構造

V

3.8

3.7

3.5

3.7

3.2

Ah/kg

148 / 110

274 / 153

275 / 195

278 / 160

170 / 160

℃

355

225

180

300

＞400

低価

高価

高価

高価

？

430

7

62

7/62

80000

安定

不安定

不安定

不安定

安定

セル電圧
セル容量
[ 理論値/実行値 ]熱分解温度
主要構成材料コスト
可採埋蔵量

M ton

過充電に対する安定性

出典：田崎信一ほか 「EV/HEV用高性能リチウムイオンバッテリセルの開発」
NISSAN TECHNICAL REVIEW No.69・70, 2012年1月
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

21

BOLT用リチウムイオンバッテリ

 エネルギ容量：60 kWh (一充電走行距離383km, EPA走行Mode) バッテリパック重量：436 kg
 出力：160 kW
 セル数：288 lithium-ion cells (三元系、LG Chem)
 定格電圧：350 V 容量保証：8年10万マイル(16万km)
 DC急速充電：少なくとも50kW。より高い充電電力の計画は不明

Source: http://insideevs.com/deep-dive-chevrolet-bolt-battery-pack-motor-and-more/Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan22

ニッケル系リチウムイオンバッテリ
 ニッケル系正極は、単位重量当たりの放電容量はコバルト系正極より30%,
自動車用として多く使用されるマンガン系正極より60%大きい。
 高温保存時に、材料表面のLi2Oが空気中の水分と反応し炭酸塩(LiCO3)を生成、電解液と反応しCO2を発生、安全装置が作動し充電不可となる。活物質表面処理などによりガス発生を抑制した。
 熱的安定性が低く、万が一金属異物が混入すると、発熱・加熱の危険性あり。正極の異種元素添加と耐熱層形成により熱的安定性を改善した。

出典：山本典博ほか「高耐久・高容量ニッケル系リチウムイオン電池」Panasonic Technical Journal Vol.56 No.2 Jul. 2010
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan23

シリコン系負極材料の開発
 シリコンは4000mAh/gの容量密度を持つが、リチウムと合金化により体積が数倍に膨張し構造劣化を起こす。膨張収縮の抑制技術の開発が進められている。
 下記例では、シリコン分散、ナノ空間設計などにより1310mAh/g、膨張率159%まで改善。

出典：京都高度技術研究所「リチウムイオン電池向けシリコン系高容量負極材の実用化」2016年3月
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan24

リチウムイオンバッテリのエネルギー密度向上およびコスト低減

500

1000

400

800

300

600

400

200

Battery cost

Energy density

200

100

0
2005

2010

2015

Battery cost US$/kWh

Energy density Wh/L

 EVの導入拡大に伴い、バッテリの性能向上とコスト低減が急速に進展
 セルエネルギー密度：2008年70Wh/L⇒2018年400Wh/L
 バッテリコスト：2008年$1000/kWh⇒2018年$160/kWh 今後は$100/kWhの戦い、リユースバッテリを含めコスト低減はさらに進む

Energy density Wh/L
Battery cost US$/kWh02020

Source: IEA ‘Global EV Outlook 2018’
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan25

充電および電力ネットワークへの影響
1.充電の利便性(1)EV台数増加による充電器の不足
充電器使用中による待ち時間(2)電力供給能力やバッテリ温度上昇による充電電流制限⇒充電時間増大(3)EVバッテリ容量増加による充電時間の増大
2.電力ネットワークへの影響(1)電力需要の増大、新規発電所建設の必要性？
(2)電力品質への影響：電圧、周波数変動

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan26

国内EV(BEV+PHEV)保有台数および急速充電器

250

25

200

20

150

15

100

10

50

5

0

0
2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

急速充電器 k基

BEV+PHEV保有台数 k台

 国内EV(BEV+PHEV)保有台数は、2010年の1.4万台から増加を続け、2017年には20.5万台（BEV10.4万台、PHEV10.1万台)
 急速充電器は、2012年の312基から2017年7100基に増加
 急速充電器1基あたりのEV台数比率は、2015,6年21台/基に対し、2017
年は充電器設置の伸び悩みとPHEV販売増加により28台/基となった。

急速充電器
BEV+PHEV

2017年度
Source: IEA ‘Global EV Outlook 2018’
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan27

充電インフラの充実も急速に進む
 国内の公共充電インフラは、普通充電1.5万基、急速充電7500基(2019年2月)
 EV・PHEV20～30台に対し急速充電器1基設置（全国的にほぼ均一）
 車両から充電スポット検索が可能。3～5km以内に充電器を見つけられる ただ今後の車両台数増加に伴い、充電インフラのさらなる拡充が必要

2km
鎌倉、江の島エリア

2019年2月6日現在

普通充電
急速充電

Source: GoGoEV, Aug 23, 2017, http://ev.gogo.gs/
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan28

高速道路200～300kmの週末ドライブも1回充電で苦にならない EV(30kWhバッテリ)の実用的な航続距離は約200km
 高速道路の充電器(50kW)設置間隔20～50km。混雑するSAは複数台設置
 EVバッテリの大容量化が進めば、途中充電なしで週末ドライブも可能
梓川SA【例】首都圏から上高地：片道260km（運転4h,休憩1h)
07:00 出発, 圏央道から中央自動車道
09:30 八ヶ岳PA(160km)充電, 食事
10:30 出発
13:00 沢渡パーキング着(260km)

諏訪湖SA

八ヶ岳PA
双葉SA
談合坂SA

八ヶ岳PA急速充電器
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan29

急速充電ステーションの高出力化
 現在の50kW急速充電はEVバッテリ24kWの場合80%充電に約30分必要
 充電時間短縮のため、高出力化の取組みが進められている
 CHAdeMO協議会は、2017年に150kW高出力充電試験を実施

出典：吉田誠「CHAdeMO協議会事務局からのお知らせ」2017年4月18日
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan30

高出力対応充電器の開発 (100, 150, 350kW)

出典：吉田誠「CHAdeMO協議会事務局からのお知らせ」2017年4月18日
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan31

JFE, バッテリ内蔵型ＥＶ用50kW急速充電器を開発
 JFEはバッテリ内蔵型EV用急速充電器を開発した。
 CHAdeMO規格で定められた最大出力50kWを実現しようとすると、50kWに対応した変電設備を導入し、また電力会社との契約を変更する必要がある。
 バッテリ内蔵により設備費用を大幅に抑えられる。
入力電力
交流3相200V 50/60Hz, 28kW以下
出力電力 最大50kW, DC50～500V, 最大125A
蓄電池容量 12kWh
外形寸法
W1100/H1800/D790mm

 さらに、150kWの超急速充電器においても、バッテリを内蔵することにより①大幅な設備導入費用の削減が期待できる。一般的な200Vの三相交流（20kW）の契約のまま超急速充電が利用できる。また、②夜間バッ
テリ充電により電力コスト低減、電力ピーク需要抑制にも役立つ。③停
電時など非常用電源としても活用できる。
http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1109/28/news083.html
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan32

バッテリ内蔵充電ステーション 急速充電器50kW
急速充電器50kW
・入力：高圧50kW・急速充電DC50kW
・長所：稼働率が高い。連続充電可
・短所：設備投資大。電力契約高い
バッテリ内蔵急速充電器50kW
・入力：低圧28kW
・AC/DC変換→バッテリ(100kWh程度)充電・急速充電DC50kW
・長所：設備投資小。電力契約安価
・短所：バッテリ充電時間4時間必要
EV充電制限：50kWh充電2台/4時間
バッテリ内蔵超急速充電器150kW
・入力：低圧28kW
・AC/DC変換→バッテリ(300kWh程度)充電・急速充電DC50kW、超急速充電150kW
・長所：設備投資小。電力契約安価
・短所：バッテリ充電時間12時間必要
EV充電制限：150kWh充電2台/12時間

DC50kW

変圧
設備
高圧50kW

Charger

バッテリ内蔵急速充電器50kW
DC50kW

低圧28kW

Li-ionAC/DC Battery
100kWhCharger

バッテリ内蔵急速充電器150kW
DC150kW低圧28kW

Li-ionAC/DC Battery
300kWhToshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

Charger33

EV増加による電力消費量増加の見積り
 国内の乗用車保有台数：7000万台（軽自動車を含む）
 2017年EV(PHEV含む)国内保有台数20万台
 EV走行距離1万km/年、電費150Wh/kmとすると、年間1500kWh/年/台 EV保有台数2017年の30倍(600万台)の場合、EV電力消費は90億kWh,国
内電力消費(2015年度)9,987億kWhの0.9%,に相当。
2000万台の場合：300億kWh, 国内電力消費の3%に相当。
15,000※電力の予備供給力は約15%(2015年度)

国内電力消費 億kWh

0.1%

0.3%

0.9%

3%

11%

10,000
EV電力消費
国内電力消費2015年度

5,000

0
20

60

200

600

2,000

7,000

EV保有台数 万台
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan34

クルマはエンジン車からEVに置き換わるか？
～電力ネットワークからソーラーカーを語る～

1. EVの市場導入が進む• 各国の環境政策：エンジン車からEVへシフト• しかし政策だけで新技術は普及しない
2. 環境性能だけでないEVの魅力• 走る・曲がる・止まる• 静かさ、空気感• EVの課題：航続距離、価格、充電・電力ネットワークへの影響
3. 将来展望• クルマはエンジン車からEVに置き換わるか?
• 実用的なソーラーカーの可能性

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan35

クルマはエンジン車からEVに置き換わるか？
 置き換わる。しかし時間がかかる。
 置き換わる理由：EVのクルマとしての魅力• ドライバーの意図に応えるレスポンス• 路面状況、天候など環境変化に合わせた制御性
 時間のかかる理由：車両重量、環境影響• クルマは軽快でキビキビした走り• 発電を含め環境に優しいクルマ

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan36

軽快にキビキビとした走り

バッテリの大幅な軽量化、コスト低減

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan37

軽快にキビキビ走るには軽いクルマが欲しい 軽快にキビキビ走るには、せめて1.5トン以下、できれば1トン以下
 バッテリ重量は車両重量の20%以下に抑えたい 現状EVのバッテリ重量300～500kg
 バッテリエネルギー密度の向上⇒軽量化より航続距離の延長

出典：吉田裕明「新エネルギー時代を駆ける電気自動車」、三菱自動車テクニカルレビュー、2010 No.22
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan38

2019年1月10日

BOLT、新型リーフe+
 車両重量：1600kg台
 バッテリエネ密度高いが、60kWh搭
載により車重、全高が大。
 電費(AC)：BOLT174, e+161Wh/km
車重1616kg

BOLT

LEAF e+

kg

1616

1670

容量

kWh

60

62

重量

kg

436

463(推定)

エネ密度

Wh/kg

138

134

車両重量
バッテリ

リーフe+

車重1670kg

1790

1765

BOLT

単位

1545
1540

1598

⊿H
53mm

2600
4166

4480

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan39

PHV vs. EV
 EVは航続距離が短く、PHVの方が長距離走行など実用性が高い
 しかしバッテリの性能向上によりEV航続距離が300～500kmとなるとEVの実用性が大きく改善される
 PHVは、バッテリ容量が少ないがパワー要求が高いこと、エンジンを搭載することから、パワートレーン系の小型化・軽量化が必要
プリウスPHV 車重1510kg

単位

プリウスPHVLEAF(40kWh)

車両重量

kg

1510

1490

乗車定員

名

4

5

航続距離

km

1668

400

容量

kWh

8.8

40

重量

kg

120

303

エネ密度

Wh/kg

73

132

バッテリ

リーフ(40kWh)

車重1490kg

1540

1470

⊿H
70mm

2700
4645

4480

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan40

バッテリ要求性能
 ハイブリッド車HV：モータ駆動は発進、加速など高出力運転、エネルギ回生
バッテリは最小限のエネルギー密度、加速に必要なパワー密度が要求される。
バッテリパックとして、エネルギ密度40Wh/kg、パワー密度1000W/kg程度が要求される。（一例を下表に示す)
 プラグインハイブリッド車PHV：短中距離のバッテリ/モータ走行の航続距離、動力性の要求値が高くなりつつある。エネルギー、パワーの両方が要求される。エネルギ密度70Wh/kg以上、パワー密度400～1000W/kg程度
 電気自動車EV：バッテリ容量が大きいためパワー密度よりエネルギ密度に対する要求が高い。100Wh/kg以上。
項目

単位

電圧
容量
出力
重量
エネルギー密度
パワー密度

V
kWh
kW
kg
Wh/kg
W/kg

HV

PHV

EV

(Note e-Power)(Prius PHV)

(BOLT)

292
1.47
40
41
36
976

351
8.8
53（推定）
12073
442(推定)

350
60
160
436
138
367

出典：各社技術資料を元に算出
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan41

トヨタ、東工大、全固体電池を開発

2017年7月21日

 トヨタ、東工大は、全固体（型）セラミックス電池を開発。
 リチウムイオンの伝導率がこれまでの２倍のという過去最高の性能を誇る固体電解質の発見によって実現。超イオン伝導体Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3により、イオン
伝導率25mS/cm（ミリジーメンス/センチメートル）を実現。Nature Energy 4月号
 開発した全固体電池は、数分でフル充電できる。従来のリチウムイオン電池の2倍以上のエネルギーを取り出せ、実用電池に匹敵する耐久性を示すことがわかった。

http://www.huffingtonpost.jp/nature-publishing-group/electric-battery_b_11076660.html
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan42

全固体電池：性能向上を阻害する4つの課題

出典：石黒恭生「トヨタ自動車における全固体電池の開発動向」JMS講演会、2017年9月8日
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan43

EV、500kmの長距離走行で平均100km/hの世界記録
 2014年、オーストラリアのニューサウスウェールズ大学(UNSW)の学生チーム
Sunswiftが、一充電500km以上のロングドライブで平均速度100km/hの新記録を樹立。 1984年以来で実に30年ぶりの快挙。
 「Fastest Long-range Electric Vehicle」は一充電500km以上の走行で平均速度を競う。「Eve」は、ソーラパネルは使用せずEVとして記録に挑戦。従来の世界記録
平均速度73km/hを大幅に上回る100km/hの新記録を樹立。リチウムバッテリー60kgで最高速度は140km/h(目標)。

http://gigazine.net/news/20140824-unsw-sunswift-world-record/
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan44

高効率インホールモータMarand Electric Solar
Car In-Wheel Motors
 定格出力1.8kW、連続トルク42Nm、ピークトルク80Nm(10kW)
 高性能ネオジウムマグネットと耐熱リッツ銅線を使用し高精度の組立てにより変換効率98.3%を実現。
 軸受けの摩擦損失の低減、および電機子コイル内部抵抗損失の低減
 システムは強度が高く軽量化された設計、ドライブトレーン系が不要なため関連するエネルギー損失がない。
Motor Performance Characteristics
Rated Power

1800 W

Nominal Speed

1060 RPM

Nominal Torque16.2 NmContinuous Torque42 Nm (5.0 kW)

Peak Torque80 Nm for 120s
(10 kW)

Motor Efficiency @ Nominal

98.3%

Wheel Losses (Bearings,
Windage)18.8 W

Mass

15.40 kg

http://lati-solar-car.wikispaces.com/file/view/Solar+Car+Wheel+Motor+Information+Sheet.pdf#search='CSIRO%2FMarand+Precision'Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan45

SiC半導体：高耐圧、耐熱
 SiC は絶縁破壊電界強度がSi と比べ約10 倍高いことから、600V～数千Vの高耐圧パワーデバイスが可能
 低電流領域(実用運転領域)でのON抵抗損失、スイッチング損失が少なく、インバータ効率向上が期待できる
 高温動作可能。現在はパッケージ耐熱信頼性の制約から150℃～175℃保証だが、パッケージ技術の進展により200℃以上の保証温度も将来可能
 しかし現状インバータの半導体の置換えでは、メリットは十分でない インホイールモータ/インバータ一体型システムで高電圧、高温でのメリットを生かす可能性あり

SiCモジュール
SiC-MOSFET + SiC-SBD
Source: http://rohmfs.rohm.com/jp/products/databook/applinote/discrete/sic/common/sic_appli-j.pdf

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan46

太陽光エネルギーでどこまでも走ることができるクルマを創りたい(1)化石燃料に依存しない(2)給油、充電からの解放(3)サステナブルモビリティを目指す一歩

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan47

EVによるCO2削減効果(WTW: Well to Wheel)
 WTW(車両走行に加えエネルギー製造過程を含む)CO2排出量は、ガソリン車(燃費20km/Lの場合)140g-CO2/kmに対し、EV(電力CO2排出原単位
0.35kg/kWhの場合)では約40g-CO2/kmと約1/3と少ない
 低燃費ガソリン車やハイブリッド車に対しても40～50%の削減
電力0.35kg/kWhの場合
電力CO2排出係数0.35kg/kWhの場合

ガソリン車
新車平均

CO2排出量(WTW) g/km

150

低燃費
ガソリン車

EV

100

50

Source：Estimated based on vehicle specifications and MITI material 2014
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

ICE 20km/L

ALTO-ECO

Prius EBMW i3

LEAF30i-MiEV

048

PV(Photovoltaic)セルの変換効率が向上
 研究PV(Photovoltaic)セルの変換効率1977年22%⇒2015年46%(集光型) 集光型なしPVセルで2013年37.9%を達成

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan49

技術の進化がPV搭載EVの実用化を近づける
シャープ、太陽電池モジュールで効率31.17％を達成

2016年5月19日

シャープは、NEDO「高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発」プロ
ジェクトの一環として、モジュールで世界最高となる変換効率31.17％を達成
化合物3接合型太陽電池セルとして、「インジウムガリウムリン(InGaP)」、「ガリウムヒ素(GaAs)」に「インジウムガリウムヒ素(InGaAs)」のボトム層を追加
2013年、小サイズ(面積：1.047cm2)で世界最高(当時)の変換効率37.9％達成
2016年、より大きなサイズの太陽電池セルの開発とモジュール化に成功。モジュール(面積：968cm2、寸法31cm x31cm)としても世界最高の変換効率を達成

http://www.sharp.co.jp/corporate/news/160519-a.html
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan50

その他の太陽電池：ペロブスカイト太陽電池セル
 2009年、桐蔭横浜大学の宮坂力（つとむ）教授が提案したペロブスカイト太陽電
池は、Si系に匹敵する効率と低コスト、フレキシブルPVとして注目されている。
 ペロブスカイトと呼ばれる結晶構造の材料を用いた新しいタイプの太陽電池で、ペロブスカイト膜は、塗布技術で作製でき、既存の太陽電池よりも低価格になる。
 材料や結晶構造、プロセスの最適化で、変換効率20%以上を実現。
 シリコンなどと組み合わせたタンデム構成にすることで変換効率30％を目指す研究も進められている。

ペロブスカイト構造
ペロブスカイト層厚さ
約400～600 nm

1cm2セル20.8%(パナソニック)
出典：科学技術振興機構、https://www.jst.go.jp/seika/bt107-108.html
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

51

PVモジュールコスト低減
 スワンソンの法則：パネル導入量が倍になるとパネル生産コスト20％低下
 1976年の世界の累積導入量0.4MWpでモジュールコストは$100/Wであったが、技術進化と量産効果により2017年には導入量400GWp,コストは$0.55/Wまで大幅に低減★2017年$0.55

ITRPV Ninth Edition 2018 including maturity report

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan52

【机上検討】 PV搭載EVの充電/放電エネルギーバランス 車両： 2016年型リーフ
30kWhバッテリ搭載
 期間： 2017/1/1－12/31
 ドライバー： T1
 走行距離： 6,573km
 電費： 126Wh/km(AC実測値、空調込み)
 電力消費量： 732kWhPV PANELPV PANEL
CHARGING
INLET

TRACTION
MOTOR

Li-ionBATTERY

30kWhリチウムイオンバッテリ搭載リーフToshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan53日射量(NEDO日射量ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ)およびPV発電量見積り
 日射量平均： 3.49 kWh/m2/day, 1274 kWh/m2/year 1kW-PV 発電量見積り: 1.9 kWh/day, 695kWh/year
条件：温度係数補正91%, パワコン95%, DC/DC 95%, バッテリ98%, 日蔭率30%, ECU 0.06 kWh/日Horizontal solar radiation

gen. kWh/day
1kW-PV
kWh/day
1kW-PV generation

kWh/m2/day
Radiation
kWh/m2
Solar radiation8

神奈川県辻堂

6

4

2

1kW-PV generation

0
6
1-Jan-17
1-Feb-17 1-Mar-17 1-Apr-17 1-May-17 1-Jun-17 1-Jul-17

1-Aug-17 1-Sep-17 1-Oct-17 1-Nov-17 1-Dec-17

1kW-PV generation
4

2

0
1-Jan-17
1-Mar-17
1-Jun-17
1-Sep-17
1-Oct-17Oct
1-Nov-17
1-Dec-17Dec
Jan1-Feb-17
Feb
Mar1-Apr-17
Apr1-May-17
May
Jun1-Jul-17Jul1-Aug-17
Aug
Sep
Nov

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan54

【机上検討】 PV搭載EVの充電/放電エネルギーバランス
 想定PV搭載EV: 1 kW PV, 30kWh バッテリ
 PV 発電量 (下図緑色): 1日毎の発電量 kWh/日 PV搭載によるCO2-WTW 排出量とプラグイン充電回数の削減量を見積り
 CO2-WTW: 40.3  13.8 g-CO2/km（PV発電のCO2排出原単位：0.038kg/kWh（電力中研資料)
 プラグイン充電回数: 27  5回, 電力量732  202 kWh
PV charging
Ratio in shade 30%

10Discharge and Charge kWh/day

Discharge and Charge kWh/day

10

5

0

-5

Plug-in charging
Estimated

Charge5PV
PV charging
charging

0

Discharging
Discharging
Plug-in
Plug-in charging
charging-5

Discharge-10-10
1-Jan-17 1-Feb-17 1-Mar-17 1-Apr-17 1-May-17 1-Jun-17 1-Jan-17
1-Jul-17 1-Aug-17
1-Sep-17 1-Apr-17
1-Oct-17 1-May-17
1-Nov-17 1-Dec-17
1-Feb-17 1-Mar-17
1-Jun-17

Jan

Feb

Mar

Apr

May

Jun

Jul

Aug

Sep

Oct

Nov

Dec

EV consumption
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan55

【机上検討】 PV搭載によるCO2-WTW削減
 ベース車両30kWhバッテリEVに600W-PV搭載によりCO2排出量47%削減、
1kW-PV搭載により72%削減
 乗用車は日毎の走行距離の変動が大きいため、大容量バッテリ搭載および車両電費改善により、さらなるCO2削減が可能
 バッテリ容量50kWh、車両電費30%改善により、ベース車両に対し
CO2排出量92%削減
CO2-WTW
ベース車両
LEAF(バッテリ30kWh)
年間走行距離6,310km
クルマ通勤なし

CO2排出量 kg-CO2-WTW/km

50
40

LEAF
＋PV600W

30

LEAF＋PV1kW

20

LEAF＋PV1kW＋大容量バッテリ＋車両電費改善100
現行PV無LIB30kWh

PV 600W
LIB30kWh

PV 1kW
LIB30kWh

PV 1kW
LIB50kWh
電費-15%

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

PV 1kW
LIB50kWh
電費-30%

56

Collaboration
 太陽光発電の輸送分野における普及に向けた国際的な調査活動IEA PVPS TASK17 ‘PV and Transport’が開始
 NEDOが、国際研究プログラム「IEA PVPS」の新たな研究テーマとして提案し承認された*IEA PVPS: International Energy Agency
Photovoltaic Power Systems Programme ドイツやオーストラリアなど参加し、太陽光発電システム搭
載自動車の効果や、実現のため課題を調査していく
 TASK17 ‘PV and Transport’のゴール

運輸におけるPV活用の推進
CO2排出量削減への貢献

PV市場拡大の推進
出典： NEDOプレスリリース「太陽光発電の輸送分野における普及に向けた国際活動を開始」2018/10/25
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

57

IEA PVPS Task17 ’PV and Transport’ 目的
1. PV搭載車両のベネフィットおよび要素技術要求値の明確化
2. 要求値を達成するための技術課題と解決手段の明確化

3. PV搭載充電ステーションなどインフラ展開の方向性の提案
4. 運輸におけるPVの貢献可能性の明確化

5. 市場での実現に向けた、PV産業や運輸産業などステークホル
ダーとのコミュニケーションと活動の推進 期間: 3年間

Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan58

サステナブルモビリティの実現を目指して
 電動化技術の進化による再生可能エネルギーへのシフト
 多様なモビリティによるエネルギー効率と利便性の改善
 住宅、コミュニティ、社会との連携によるモビリティの進化 将来の社会において電動車両が重要な役割を果たす
1970
1990
2010
2030

2050

Energy Innovation

Vehicle Technologies

ICE Vehicle
FCV

EV

PHV

Renewable
EnergyFossil Fuel
Micro Mobility
PublicTransportation

Public Transport
Mobility Innovation
Toshio Hirota, Environmental Research Institute, Waseda University, Japan

59