特集モビリティと社会インフラ◆招待論文◆

21世紀型技術と電気自動車
The 21st Century Technology and Electric Vehicles
清水 浩

慶應義塾大学環境情報学部教授

Hiroshi Shimizu
Professor, Faculty of Environment and Information Studies, Keio University

温暖化対策として電気自動車は大きな効果を持つ。これを実現するために、リチウムイオン電池、永久磁石モーター、高効率トランジスタが要素技術として欠かせない。これらは量子力学の知識を利用して発明され、21 世紀に入って実用的に使用可能となった。これに加えて集積台車と名づけられた車体概念を用いると、加速感、広さ、乗り心地の面でガソリン自動車を越える。この技術を使って Eliica と名づけられた電気自動車を開発した。さらに、この技術は自動運転技術と組み合わせることで、新しいコミュニティ形成に資することができる。

An electric vehicle has a potential to solve the global warming dramatically. Lithium-ion battery,permanent magnet motor and high efficient transistor were invented. Those are the application ofquantum mechanics and commercialized at the beginning of the 21st century. The integrated platform
for an electric vehicle is the useful structure to apply the 21st century technology. High acceleration
feeling, space and comfort could be realized by the technology. A super electric vehicle Eliica wasdeveloped by using the technology. Electric vehicle will extend to automatic driving to build a newcommunity.
Keywords: 電気自動車、集積台車、21 世紀型技術、リチウムイオン電池、永久磁石モーター

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１の関係を表したものである。ここから物理学で言うはじめにところの力学が発展した。力学は物体の運動を表現

去年の夏も暑かった。多くの人々が地球温暖化へする科学である。技術は一般に科学の発展があり、の脅威を感じ始めている。2007 年の 7 月に学生 336

その応用として生まれてくる。力学を基盤とした最名にとったアンケートでも「脅威だと感じている」

も大きな発明は蒸気機関であった。当初、この技術と答えた者が 92％に及ぶ。

は炭鉱で掘り出した石炭を地上に引き上げるための地球温暖化の対策については多くの方法が考えら動力として使われた。そして、それが鉄道用の蒸気れている。それらを大きく分類すると「政策的方法」、機関に発展した。人類は移動のための動力を蒸気機「啓蒙的方法」、「技術的方法」に分けられる。さらに、関により得たことで、より早く確実な移動をするこ

温暖化の進行の段階に応じた分類として、温室効果とが可能になった。

ガスの排出を抑えること、出てしまったガスを大気

1700 年から 1800 年の終わりにかけて、電気と磁中に放出しないこと、不幸にして温暖化の影響が出気の関係を解き明かす科学が生まれた。それまで存始めたらそこから逃れる方法を考えることの３点で在は知られていた電気と磁気が互いに関連し合ってある。

いること、それが一定の法則に従っていることが科

筆者は、この 20 年近くに亘りその対策というこ学的に説明されていった。これが電磁気学である。とについて考えてきた。その過程で中心的に検討し電磁気学が確立すると、その応用も始められた。てきたことは技術的な対応策であり、かつ温室効果モーターが発明され、発電機も作られた。電波の存ガスの抑制策である。

在が確認され、それが無線通信に使われた。そしてその理由は現実的にこの問題に対応するとしたら携帯電話の基本原理も電磁気学にある。力学と電磁「この方法しかない」あるいは「この方法なら抜本気学は少しずつ進化を続け、現在ではその応用製品的な解決になる」と考えるためである。

は社会のすみずみにまで浸透している。
１

折しも、アル・ゴア氏が「不都合な真実」 を書い

20 世紀に入ると、科学者は原子や分子の内部に興て、世界中にこの問題を喚起した。また IPCC（気味を持ち始めた。こうして生まれてきたのが量子力

候変動に関する政府間パネル）の第４次報告書がま学である。原子は原子核と、そのまわりをまわる電とまり、温暖化の脅威が益々深刻であることが明ら子とでできていることが分かった。電子は陽子のま２かになった 。さらに 2007 年６月にドイツのハイわりを回っていることも知られるようになった。そリゲンダムで行われたサミットでは二酸化炭素の半して、あらゆる元素は陽子と電子の数で決まること減についての議論が始められた。

も分かった。

このような情報を受けて、これまで筆者が考えてこの知識を発展させると原子と原子の組み合わせきた温室効果ガス抑制の方法をまとめる作業をしてでできる分子のことも理解が進んだ。そして、我々3きた。その全体の内容は単行本として出版したが 、が手にするあらゆる物質が分子から構成されておここで提起していることは 21 世紀型技術というもり、その構成の違いにより物質の特性も大きく変わのを普及させようということである。

ることが理論として示された。

本稿では、21 世紀型技術とは何かということをさらに光や X 線、電波を総称して電磁波と呼ぶが、述べるとともに、その代表的な技術の１つである電電磁波と分子や原子がどんな相互作用をするのかも気自動車技術について述べる。

理解できるようになった。これが量子力学である。

２

この科学は 1900 年から 1930 年にかけて、その基礎

21 世紀型技術が成立した。
20 世紀の後半になると、量子力学の応用技術が数

近代の科学は、1687 年ニュートンが運動方程式多く生まれてきた。

を発見した時に始まる。これは、力と質量と加速度

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まず、これを原子の内部に対して応用したのが原その中で、本稿では電気自動車技術とその将来に子力である。量子力学の中では原子の内部を理解すついて、詳しく述べることとする。

る方が分子を理解するより容易であった。そのため、

３

原子力への応用から始まった。そして、不幸なこと電気自動車のための基本技術にその応用のはじめが原子爆弾であった。このため、自動車は車輪を用いて道路上を走行する移動体と多くの人々に科学アレルギーを植え付けたことは事考えよう。現在の自動車はそのほぼ 100％が内燃機実である。一方で、分子の中味を知ることについて関を動力源としている。これは 19 世紀に考えられはより複雑であったが、物性物理学という科学領域た円筒の中で気化した燃料を爆発させてピストンをが開け、20 世紀の半ば以降に新しく素晴らしい応動かすという技術を基本原理としており、この技術用が生まれてきた。

が 20 世紀の 100 年をかけて改良が続けられてきた。

その典型例が半導体である。半導体からは大きくその結果、人間にとっては非常に便利な道具として分けてダイオードとトランジスタが作られるが、こ大量に普及するに至った。それにより、人間の生活のそれぞれが 20 世紀後半の世界を変えることに大きは豊かになり、物資の移動も豊富になり、移動といく貢献した。その最も大きな成果がコンピュータをう新しい楽しさも得た。

初めとするトランジスタによる情報機器の発展であしかし、現在の自動車は環境、エネルギー、事故、る。現代の情報社会はトランジスタなしでは全く機渋滞の４つの大きな問題を抱えている。これらを解能し得ない。

決することが、21 世紀に入りまず求められている。

さらに 20 世紀も終わりに近くなって、物性物理

電気自動車は電池に貯えた電力をモーターに供給学の成果が次々に応用に至った。本稿に関わるものして走行する。その速度を変えるために電池とモーとしては、エネルギーを生み出し、それを有効に利ターの間にコントローラーが入る。基本的構造は図用する技術である。その代表例を挙げると太陽電池、

１に示すとおりである。

リチウムイオン電池、希土類磁石がある。これらの電気自動車の概念は古くからあった。しかし、こ技術を発明するための理論は難しかった。発明後、こで示した３つの技術の性能が十分でなく、大量の製品化するためにも幾多の困難があった。しかし、普及には至っていない。ところが、21 世紀型の技これらは主に日本の技術者により発明され、かつ技術としてのリチウムイオン電池、モーター用ネオジ術としての完成まで漕ぎつけることができた。

ウム −鉄永久磁石、コントローラー用のトランジス
タの一種である IGBT が実用化されたことによっそして 21 世紀になった。これからの時代はこれて、新たな価値を持つ電気自動車の可能性が生まれらの技術を広く社会に浸透させる時代になる。てきた。まず、これらの技術を簡単に紹介しよう。

さらにその結果として、これらの技術はエネルギーの問題や温暖化を抜本的に解決してくれるポテンシャルを持っている。しかも今まで以上に世界中

1）リチウムイオン電池
リチウムイオン電池はイオン状のリチウムを陽極で平等にエネルギーを使い、豊かな生活をすることと陰極の間に移動させることによって動作させる電ができるようになる。
加えて、これらの技術の応用によって交通問題や池である。酸化コバルトや二酸化マンガンの原子のその他の生活を便利にする技術への応用が可能とな間にリチウムが取り込まれることと、炭素の結晶のり、その結果としてエネルギーや環境の問題に、よ隙間にもリチウム原子が入り込めることが発見さり確実に対応できることになる。

れ、かつリチウムを含む酸化コバルトや二酸化マン

以上のように量子力学の成果を有効に使った新ガンは約４ボルトの電圧を持つことが分かった。こしい技術と、その応用技術をここでは 21 世紀型技の現象を利用し、陽極に酸化コバルトあるいは二酸術と呼ぶことにしよう。

化マンガンを置き、陰極に結晶状の炭素を置いて、

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永久磁石モーター（ネオジウム−鉄磁石の利用）

高性能インバーター（IGBT 使用）リチウムイオン電池（高エネルギー密度）

省エネ、高性能化、超寿命化
図１

日本でしか開発できない電気自動車のための先端要素技術

これらの間に電解液を注入することにより働かせる

ネオジウムと鉄を合金化した磁石が 1982 年に日本のがリチウムイオン電池である。の住友特殊金属によって発明された。

電池の性能は単位重量別に貯えられる電力量であ

このことによってモーターを小型化、高効率化するエネルギー密度、単位重量当りに瞬間的に取り出ることが可能となる。モーターの回転力であるトルせる電力量であるパワー密度が最も重要な性能であ

クは、使っている磁力の強さと面積の積である総磁る。これら２つの性能が従来の鉛電池に比べて極め束に比例する。また、大きなトルクが必要な時にモーて大きいことが特徴である。

ターの巻き線で発生する熱は総磁束の自乗に反比例

また、何回充放電できるかを示す値を寿命と呼んする。これらのことから、強力な磁石は同一のトルでいるが、これについても従来の電池に比べて圧倒クを出すモーターであれば小型化と高効率化を可能的に長い。このため性能としては申し分ない。そのにする。

他、資源量、大量に使った時の価格、新たな環境問題

実際に 1990 年過ぎからこの磁石が市場に出回りの可能性などの問題もない。

始め、2000 年を越すころから、冷蔵庫やエアコンな

従って、この電池は携帯電話やパソコン用の電源どのモーターに使われるようになり、省エネ化に大として使われているが、これを大型にして電気自動きく貢献した。

車用に使う技術も既に出来ている。現在はまだ少量生産なので価格が高いことが、残されている問題と

3）IGBTいえば言える。

トランジスタには多くの種類があるが、100 ボル
トを越す電圧に耐えられ、かつ数 100 アンペアの電流を流すことができる高効率のトランジスタとして

2）ネオジウム −鉄磁石
周期律表の下から２段目に希土類という元素群がIGBT が発明された。これは Insulated Gate Bipolarある。ここに属する元素と、鉄やコバルトなどの遷Transistor（インシュレーティド・ゲート・バイポー

移金属を合金化すると、これまでとは比較にならなラー・トランジスタ）の頭文字をとったものである。

い強力な磁石を作ることができる。このような磁石モーターの速度制御には、任意の電圧と同波数をは総称として希土類磁石と呼ばれている。その中で、持つインバーターが使われるが、この中で大電流をKEIO SFC JOURNAL Vol.7 No.2 2007

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オン−オフさせながら目的の電圧と同波数を作るための素子が IGBT である。IGBT は従来からのトラ加速感ンジスタに比べてオン−オフをする時の損失が少な乗り心地い。このため、これを用いるとその高効率化が図ら広されると同時に、発熱量が少なくなるため、インバーターの小型化も可能となる。
以上、３つの技術が電気自動車に使うことができ

図２

る要素技術としての 21 世紀型技術である。

４自動車に要求される基本的要件

る。これにデザイン性が加わり、かつ価格当りの３21 世紀型技術を応用した電気自動車

つの価値の大きさで市場に受け入れられるか否かが電気自動車は電池、インバーター、モーターの組決まる。もし、この３つの価値で決まる三角形の大み合わせからなる駆動装置をボディーに載せ、ステきさで電気自動車がガソリン車を越えることができアリング、ブレーキなど運転のために必要な部品をれば、社会に受け入れられる。

取り付け、シートとボディーを組み合わせれば成立

筆者らは、それを実現するためにこれまで８台のする。形態として最も近いのはラジコンカーであり、電気自動車の開発に関わってきた。これらの電気自ミニ四駆である。

動車は図２に示した３つの価値をいかに大きくするあるいは既存の自動車のエンジンを取り外し、替かが主眼であったが、集積台車と名づけた台車構造

りに電池、インバーター、モーターを搭載すれば電を基本にした上で、前節で述べた３つの 21 世紀型気自動車となる。このようにして作られる電気自動技術を活用することにより、それが可能になると考車を改造電気自動車と呼ぶ。

えている。

ところで、車の価値とは何かをまとめると図２のこの集積台車の概念を図３に示す。また、そこでように３つに集約される。１つ目は加速感、２つ目使われている技術は以下の３つである。

は乗り心地、３つ目は有効に使える空間の広さであ

図３

集積台車の概念図

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1）インホイールモーター

3）タンデムホイールサスペンション

車輪の中にモーターを挿入し、モーターの回転力大径の車輌を小径の２つの車輪に分割し、これらを直接車輪に伝える技術である。この技術が成立すの間を特殊なバネ構造で接続する技術である。こるためには、モーターのサイズが車輪の中に入る程れまでのガソリン車は４輪車２輪駆動が普通であっ小さく、それでいて大きな回転力が出せ、かつ高効た。これは１つしかないエンジンのパワーを駆動輪率でなくてはならない。そのために希土類磁石を用に伝達するために最も合理的だったからである。

いたモーターを使うことが必須の要件となる。この

しかし、電気自動車ではインホイールモーターにように車輪の中にモーターを挿入する技術をインホすると、車輪数を増やして全輪駆動とすることが可

イールモーターと言う。

能であり、タンデムホイールサスペンションが現実

この技術を用いることの利点は、モーターの力が的な技術となる。

直接車輪に伝わるため、エネルギー伝達に関わる損

タンデムホイールサスペンションの利点は、乗り失がなくなること、部品点数を減らすことができる

心地が良くなること、カーブでの安定性が大きくなこと、モーターを車体の上に置く必要がなくなるたること、そして、ホイールハウスが床から飛び出す

め、車体内部の有効利用可能空間が拡げられること

面積が小さくなるため、車体上で有効に利用可能なである。

空間が広がることである。
以上の３つの技術から成る集積台車によって極め2）コンポーネントビルトイン式フレーム
床下に中空の強固なフレーム構造を作り、その中て大きな駆動力が得られるため、加速感の良い車と空空間に電池、インバーター等の走行に必要な重要することができる。床下と車輪の中には主要な要素部品を収納する技術である。

技術を収納できるため、室内空間も広くとることが車体の剛性を確保するためにフレーム構造がなくできる。さらにタンデムホイールサスペンションとてはならないエンジン自動車では、運転席と助手席重心が低くなることの効果から乗り心地の高い車との間にセンタートンネル、ドアの下部にサイドシル、することができる。

床下に高さ６ cm 程度のフレームを取り付けるなどこれらのことから、主要な要素技術を集積台車のの工夫をしている。

概念に応用することにより、図２に掲げた車に必要

電気自動車はエンジンの力を車輪に伝えるためのな３つの重要な要素において、ガソリン自動車を上プロペラシャフトが必要なく、マフラーを床下に置回ることができる。

く必要もないので、床構造を単純化できる。このこ５とを利用して正面から見て中空の矩形の構造体を複電気自動車 Eliica

数個並べて床構造とし、この中空空間に電池を収納

前節までに述べた要素技術と概念を使って試作しする。さらに前後の車輪の間で座席の脇に相当するた車が図４に外観を示した Eliica（エリーカ）である。

部分にインバーター等の主要部品を配置する。これ

同図のようにこの車は４人乗りのセダンである。
この車の基本仕様を表 1 に示す。車のサイズはメがコンポーネントビルトイン式フレームである。
この技術の利点は電池容器とフレーム構造が兼ルセデスベンツの S クラスとほぼ同じである。モー用できるので車体の軽量化ができること、電池が床ターは各車輪にそれぞれ約 100 馬力のものが取り付下にくるため重心が低くできること、電池がこれまけられており総出力が 800 馬力である。

での車ではデッドスペースであったところに設置

加速性能はスタートから時速 100km がわずか 4.1できるため車体内の有効空間が拡げられることで秒であり 160km までが 7.2 秒である。この性能はある。

市販の最も高性能とされるスポーツカーを凌いでいる。

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図４

Eliica（エリーカ）の外観

多くの方々にして頂いた試乗の結果、その加速感

このように、21 世紀型技術の集大成としての電に関しては一様に高い評価を得ている。
表１

寸法

気自動車が実現すると、残る問題は交通事故と渋滞である。この問題の抜本的解決を考えるとすると、Eliica の仕様

自動運転技術の導入ということが浮かび上がる。自全長5100 mm

全幅1900 mm

全高1365 mm

動運転とは文字通り人間が運転をせずに目的地まで移動できる技術である。これで事故が抜本的に減ら定員４名せるし、車間距離を縮めて車が走行できるために１モーター出力640 kW

本の車線で走行できる車輌数が桁違いに大きくな

最高速度

370 km/hる。これによって、これまでの道路容量はそのまま最大加速度0.68 Gで道路延長を 10 倍以上に増やす効果がある。

一充電走行距離300 km

充電時間（70% 回復）

30 分

性能

６

自動運転を実現する技術には３つある。第１には自分がどこに居るかを正確に測定する技術である。
これには位置センサーを使う。第２は自分がどこに未来へ向かう技術

行こうとしているかを判断するための精密な地図で21 世紀型技術としての要素技術と、それを用いたある。第３には前方に障害物があった時に、それを電気自動車について述べてきた。ここで示した技術

よける技術である。これには障害物センサーを使う。と概念により、ガソリン自動車に置き換わり得る性

これらのうち位置センサーとして GPS、デファレ能と機能を持った電気自動車が実現できることが明ンシャル GPS、路車間通信やジャイロなどの技術がらかとなった。

あったが、新たに RFID の利用の可能性もある。

しかも、本稿では詳しく触れなかったが、電気自地図情報についてはデジタル化した精密な地図が動車はガソリン自動車の約４分の１のエネルギーで用いられる。

走行可能であり、その結果として二酸化炭素排出と障害物センサーはレーザーレーダー、CCD カメ石油消費を劇的に減らすことができる。

ラ、ミリ波レーダー等の使用が考えられる。

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節で述べてきた集積台車を超小型化し、この上に乗これらの個々の技術も基本は量子力学の成果が利せる構造体を自由に乗せ換えられるようにすること用されており 21 世紀型技術と言える。

により、人間及び貨物の移動の双方に利用可能な機

このような自動運転技術が完成すると、誰もが、能を有する。

いつでも、どこへでも行けるようになるという点で人間の移動のニーズを最大限に満たせるようにな

これに、ここで述べた自動運転に必要な機器を搭る。さらに、移動時間に何をしていてもかまわない載し、かつ情報通信技術を用いて他の移動体や、住わけでこの時間が無駄な時間にならないということ宅、オフィス等のネットワークを築くことを１つのについて大きな効果がある。

重要な技術として新しいコミュニティを形成することが目標である。

折しも 2007 年度より文部科学省振興調整費・先端融合領域拠点化形成事業の公募テーマの 1 つとし７て「コ・モビリティ社会の創成」が採択された。こまとめのテーマは新しい概念のコミュニティを形成するた

本稿では 21 世紀型の技術の紹介をするとともにめに新しい移動の技術を導入することが主目的であその応用としての電気自動車、そしてその発展型でる。ここで言う移動とは実際の移動と、遠隔的に移ある自動運転技術について述べた。

動を助ける技術、さらには実際の移動なしに移動しさらに、このような技術を１つの要素とする「コ・たのと同じ効果を持たせるという概念が含まれる。

モビリティ社会」の研究についての一部を紹介した。

そのうちの実際の移動を行うための移動体として、

本研究は、まず 3 年間で一定の成果を出すことが情報・通信技術の確立の上に、小型で自動的に移動求められている。そのために関係者が一丸となってすることができる移動体の開発を行う。その移動体推進を続けている。の概念図を図５に示す。同図で示されるように第４集積台車

図５

開発する移動体の概念図

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参考文献
１
２
３

アル・ゴア『不都合な真実』、ランダムハウス講談社、2007 年。
環境省編『環境・持続可能社会白書（平成 19 年度版）』、ぎょうせい、2007 年。
清水 浩『温暖化防止のために−科学者からアル・ゴア氏への提言』、ランダムハウス講談社、2007 年。

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