1．未来ビークルライフを支えるエネルギーの発生と利用技術に関する研究電気・電子情報工学系教授滝川浩史客員准教授田上英人
1 － 1　様々な場面で運用されている車両の電気自動車（EV）化
(1) はじめに
近年，地球温暖化や原油枯渇などの問題がますます深刻化してきており，今後，代替エネルギーとなり得る発電方法の見通しが立たなければ、地球温暖化や原油枯渇が加速する可能性がある。このような背景から石油に依存しない社会づくりという課題が指摘されている。その解決策の1つとして，電気自動車（EV）の普及がある。EVは内燃機関を持たずモータで走行するため、CO,などの温室効果ガスを排出しない。また、自然エネルギーなど、化石燃料以外の一次エネルギーを利用することができる。しかし，1度の給油で500 km走行することができるガソリン車と比べて，EVは1回の満充電あたり150km程度しか走行することができない。さらには，充電時間が長いなど利便性の低さの問題がある。これらに対し、街中走行の旅客用商業バスなど、路線やタイムスケジュールなど予め走行パターンが決められた車両は充電タイミングを決めやすく，それら問題を回避して利用できると考えられる。今回，研究対象とした車両は，①愛知県豊橋市の豊橋市民病院線，②豊橋市に位置する豊橋総合動植物公園（のんほいパーク）内で運行している園内バス，③豊橋市三河港に設置・運用されている重機，④豊橋市を走るゴミ収集車とした。
（2）街中旅客向けバス
導入検討対象は，愛知県豊橋市の豊橋市民病院線とした。この路線は豊橋駅から市民病院を経由し総合スポーツ公園で往復運行をする路線である。豊橋駅から市民病院までの往復運行を行う路線(片道4.5 km)のみ対象とした。また，充電ステーションを設置したと仮定し，バッテリ残量が少なくなり次の往復運行が困難な場合は,豊橋駅から市役所へ移動し,急速充電を行うこととした。豊橋駅から市役所までの移動距離は片道1.6 kmである。なお60%までの急速充電を行った直後にも関わらず往復運行を行うことができない場合は,運行失敗としてシミュレーションを終了するとした。現在にの路線で運行しているワンステップグリーンバス(PDG-AR820GAN)の1台(定員:57人)を、平成22年２月に大阪市で実証試験に使用されたUDトラックス(改) (定員:47人)の竜気バスに置き換えるとし,空調は利用せず,時刻表を踏襲した形で導入するとした。電気バス導入によって運行コストとCO₂の削減が可能であるが，導入コストが大きいため，導入コスト回収が難しい。今回，比較的安価なハイプリッドバスも含め，搭載バッテリ容量をパラメータとし導入効果の検討を行った。搭載バッテリ容量をパラメータとして，バス１台の一日の運行コスト(軽油代と電気代の和)およびCO₂排出量を求めた。図1-1-1および図1-1-2に平日の結果を示す。これらから以下のことがわかった。 ①　電気バスの場合:往復に必要なエネルギー量は6.7 kWhであるので，搭載バッテリ容量はそれ以上必要である。搭載バッテリ容量が7 kWh以上あれば，運行コストとCO₂排出量はディーゼルバスのそれらより少なくなる。電気バスの一日の運行回数は, 7 kWhのとき10回, 8 kWh以上のとき12回であった。運転コストおよびCO₂排出量は運行回数に比例するため, 8 kWh以上ではほぼ一定となり, 7 kWhの場合では8 kWh以上の場合より少なくなる。7 kWhの場合の運行回数は8kWh以上の場合より, 2回少ない。その２回はディーゼルバスが運行することになる。ディーゼルバスの運行コストは電気バスのそれよりも高いため、電気バスの運行回数が多い方が全体のコストメリットがあることになる。これらから，電気バスの搭載バッテリ容量は最少8 kWhでよいと判断した。 ②）ヘイプリッドバスの場合:搭載バッテリ容量に関わらず、平日の場合、一日の運行回数は12回であった。搭載バッテリ容量が9 kWh未満の場合，運行コストとCO₂排出量はディーゼルバスのそれらより大きくなった。これは，搭載バッテリ容量が小さい場合，許容出力も小さいため,バッテリからの出力が足りず，走行中頻繁にエンジンが稼動するためである。10 kWh以上の場合,運行コストとCO,排出量は,ディーゼルバスのそれらより少なく,かつ,ほぼ一定となった。これは，搭載バッテリ容量が概ね十分であり，エンジン発電への依存があまりないからである。 ③ 3者の比較:運行コストおよびCO₂排出量ともに電気バスが最も少なくなることがわかる。搭載バッテリ容量については，電気バスの場合，駅での待機時間に急速充電を行うことによって、ハイプリッドバスと同程度にまで小さくしてもよいことがわかる。搭載バッテリ容量が同程度ならば,複雑な機構を持つハイプリッドバスより電気バスの方がコストやメンテナンスの点で有利である。なお，電気バスとハイプリッドバスとにおいて，コストの差が生じたのは、急速充電の有無に起因している。つまり、ハイプリッドバスの場合、急速充電なしとしたため，駅で十分な充電ができず，その結果，単価の高い軽油を用いたエンジン発電機で走行することになるからである。
（3）公共施設内客車牽引車
今回研究対象とした車両は，愛知県豊橋市に位置する豊橋総合動植物公園(のんほいパーク)内で運行している園内バスとした。のんほいパークは植物園,自然史博物館,動物園,遊園地を併せ持つ複合商業施設である。客居は親子連れが多く,園内バスに乗車する約半数が子供である。園内バスは牽引車と客車から構成され,牽引車はガソリンエンジン駆動のTOYOTA L&F製の2TG10である。のんほいパークでは土曜日に２台,日祝日に３台の園内バスが運行している。本研究では施設内を走行している車両をEV化し、実際に客車を牽引し走行した。フィールド試験の結果から，1周を走行するのに消費する電力量は1,016 Wh/周となった。園内バスは一日に17周運行しており，更に安全保数，バッテリの劣化保数を考慮することで，一日に必要なバッテリ容量を以下の式で求めた。 Wh = Wround × 17 ÷ Na × Nsafe = 25,908 (Wh) Wn :搭載バッテリ容量(Wh/日),     Wround : 1周の消費電力量(Wh/周), ηa :劣化係数(0.8),      ηsafe :安全係数(1.2)簡易な消費エネルギーの計算から求めたバッテリ容量は8,640 Whであり,フィールド試験の結果と比較すると，一日の走行に必要なバッテリ容量に達していないことがわかった。従って，厳密な消費エネルギーの計算が必要と考えた。簡易な消費エネルギーの計算では，停車駅間速度パターンにおいて，加減速を除き一定とし，路面の勾配を考慮しないなど簡略化していた。つまり、簡略化したことでバッテリ容量の計算に大きな差異が生じることとなった。そこで，停車駅間速度パターンをフィールド試験で計測した値を用い，走行する路面の勾配を計測し計算に適用することとした。園内を1周する際に計測したバッテリ出力と厳密な消費エネルギーの計算の結果のバッテリ出力を比較したグラフを図 l-l-3 に示す。加速パターンおよび勾配を考慮することでバッテリ出力はほぼ一致し，1周の消費エネルギーは実測値1,016 Wb/周に対し、942 Wh/周と近い値となった。当初のバッテリ容量では一日中の走行ができないことが明らかとなった。不足した周回数は現行のガソリン車が行う必要があるため，コスト削減量とCO₂排出削減量が少なくなる。しかしながら，バッテリ容量が十分に搭載されている場合でも、過剰に搭載した場合は重量増加により走行消費エネルギーが増加し，コスト削減量とCO₂排出削減量が少なくなる。また，バッテリには寿命があるため,バッテリ容量を多くすると，バッテリ交換費用が多くかかってしまう。図l-1-4(a)に鉛バッテリを用いた場合の運用コストの削減量を示す。バッテリ容量は走行可能周回数が5, 10, 15, 17, 20, 25周となるバッテリ容量とした。鉛バッテリは耐用年数の都合上，三年毎にバッテリを交換する必要がある。この時，バッテリの交換コストの影響が大きく，コスト償却することができないことがわかった。次に，リチウムイオンバッテリを用いることを考えた。リチウムイオンバッテリは鉛バッテリと比較して，高エネルギー密度で寿命が長いというメリットがあるが，単位容量当たりの価格は鉛バッテリと比較して高い。図1-1-4(b)にリチウムイオンバッテリを用いた場合の運用コストの削減量を示す。初期コストがかかるものの、交換サイクルが16年と長いためコスト償却が可能であることがわかる。また，17周を走りきるだけのバッテリ容量が最もコスト削減量が良いことがわかった。これは前述の通り,運行周回数の17周を走りきるバッテリ容量より少ない場合は,現行のガソリン車が行う必要があるためである。また、それ以上に搭載した場合、重量が増加し走行消費エネルギーが増加することで，バッテリ交換コストおよびコスト削減量が少なくなる。図1-1-5(a)と図1-1-5(b)にバッテリ容量とCO₂排出量の関係を示す。鉛バッテリ，リチウムイオンバッテリどちらを用いた場合でも,運行可能周回数が17周となるバッテリ容量が最も削減量が多くなった。従って，EV 化する場合は最適なバッテリ容量を搭載することで削減量を最大とすることができ☆タ今回，乗客は満員を想定して計算を行ったが，実際には常に満員ではないことや，利用客の約半分は子供であり重量が軽くなることから、運用コスト、CO,排出量は更に少なくなる。バッテリ容量を少なくすることができるため，重量の軽量化やバッテリコストの低減なども期待することができる。
（4）湾岸重機
三河港のコンテナターミナルで稼働しているストラドルキャリア（SC: Straddle Carrier, 図 1-1-6) を対象とし.これのEV化による効果を検討した。SCとは、コンテナターミナル内のコンテナの移動,積み上げを行う大型の自動車である。現在は比較的小さな電気自動車が盛んだが，単体でもエネルギ一消費が大きいことや，継続的にエネルギーを消費しているため確実にエネルギー消費量の削減ができる大型のものにも普及していくと考えられるためである。コンテナターミナルには計４台のSCが稼働している。３台は三菱重工製ディーゼルSC（DSC）のVSC4434,もう1台がTCM製ディーゼルハイプリッドSC (HSC)のS4WEである。 DSCは11,149 ccのエンジンを２基積んでおり，移動時は両方のエンジンを荷役時は片方のエンジンを使用する。HSCはシリーズ式のハイプリッドであり， 11,045 ccのディーゼルの発電機で発電し，移動と荷役はモータで行っている。電動ストラドルキャリア（ESC: Electric Straddle Carrier）へのEV化の検討に際し、搭載バッテリは一日の稼働に必要な容量とし，モータはTCM製HSC-S4WEのカタログに記載されている257 kWのモータとして計算を行った。現状はDSC, HSCどちらも軽油を使用しており,燃料消費量から軽油単価と軽油の二酸化炭素排出係数を用いて計算を行った。また，EV化後では電力を消費するため，消費電力量から電力料金単価と竜気の二酸化炭素排出保教を用いて計算を行った。燃料単価は三河港コンテナターミナル株式会社,燃料購入実績（2010年度）を用い，電力料金単価は三河港コンテナターミナル株式会社，電力料金単価（2008年8月～2011年8月）を用いて計算を行った。運用コストとCO2排出量の削減率を表1-1-1に示す。 EV化に必要なコストとして，改造費とバッテリ価格とを考える。ここでの改造費は，バッテリ価格を含まずに，他のモータなどの必要な部品費用は含まれているとした。改造費はモータ出力と比例すると仮定し，以前本研究室で作成したのんほいパーク用の客車牽引車両の改造費を参考にして算出した。のんほいパーク用客車牽引車両のモータ出力は25 kW，改造費100万円だった。ESCのモータ出力は257 kWであり，約10倍の出力であるため，ESCの改造費を10倍の1,000万円とした。次に
バッテリ価格を考える。現状のバッテリ価格は100~200円/Wh，2020年頃には20円/Whになると考えられる。ESC4台分に必要なバッテリの価格は,現状で3~6億円, 2020年頃には6,000万円となる。この時のコスト償却年数を図1-1-7に示す。現在のバッテリ価格は高価であり，コスト償却年数が長い。2020年からのEV化であれば，コスト償却年数は８年になり，現実的である。ただし，この時バッテリ交換タイミングは考慮していない。また,一日中稼働することのできるバッテリ量としたが,運用方法および充電タイミングによってバッテリ容量は異なる。そのため, ESC化の厳密検討には, ESCの適切な運用方法の解析が必要となる。
(5)ごみ収集車
今回は愛知県豊橋市のごみ収集車を対象とし，電動化したごみ収集車（EVごみ収集車）のコスト削減量，CO₂排出削減量およびコスト償却年数の検討を行った。計算方法として，これまでのんほいパークでの研究を基に，厳密な消費エネルギーの計算を行った。また，様々なごみ収集車があるが本研究では，燃えるごみおよび危険ゴミを担当する収集車を対象とした。表l-l-2に燃えるごみ担当のごみ収集車と危険ごみ担当のごみ収集車の比較を示す。2 tダンプ車は4 tパッカー車と比べて車車が半分程度であり，年間走行距離も半分以下である。 2013年8月22日から2013年10月1一日までの木曜日と金曜日の危険ゴミを回収する日に，2 tダンプ車にGPS機器を載せ，ごみ収集車の速度や道路勾配の計測を行った。 EV化後の運用方法として次の２つの運用方法を考えた。1つ目は午前と午後それぞれごみ収集を通して行い，昼休みおよび終業後にまとめて充電を行う『昼・終業後充電』, ２つ目はごみステーション毎に急速充電所を設置し，回収の度に急速充電を行う『ステーション毎充電』である。昨年度は昼・終業後充電と帰センター毎充電の２つとしたが，ステーション毎充電は帰センター毎充電よりも充電回数が多く，EVの搭載バッテリ容量を少なくできると考えた。
図1-1-8に,年間運転コストと年間CO₂排出量とを示す。また，図1-1-9にコスト削減量の経年変化を示す。EV化により年間運用コスト, CO₂排出量共に削減できる結果となった。ごみステーション毎充電はバッテリ重量が軽くなり、走行時の消費エネルギーを抑えることができるため、どちらも昼充電パターンに比べてメリットがある結果となった。しかしながら，運用年数に対するコスト削減量を考えると，どちらの運用方法もバッテリ交換費用が影響しコスト償却ができない結果となった。
1 － 2　三河港の空き分譲地における電力供給システム導入の検討
(1)はじめに
三河港は愛知県の豊橋市,田原市,蒲郡市,豊川市にわたる港湾である。この三河港の空き分譲地に太陽光発電システムと風力発電システムを組み合わせた電力供給システム導入の検討を行った。
(２)太陽光発電システム及び洋上風力発電システムの諸数値と発電量
空き分譲地に対し，太陽竜池（PV）パネルを真南方向，設置角10°に設置するとした。空き分譲地の面積を考慮するとパネル設置面積は約3.2万m²となり，年間発電電力量は約3.7 GWhであった。なお，日射量は本学の自然エネルギー実験棟屋上で測定した値を用いた。洋上風力発電システムは，株）日立製作所のHTW2.0-80ﾘを用いることとした。発電特性を図1-2-1に示す。これを元に発電電力量の算出を行った。元風速データは１ s 毎計測値を用い，１時間毎の平均風速から電力算出を行った。洋上風力発電システムを5機設置したとし，年間発電電力量は約11.1 GWhであった。太陽光及び洋上風力発電システムの設置モデルを図1-2-2に示す。
（３）太陽光発電及び洋上風力発電導入のコストペイバックタイム（CPT）について
コストペイバックタイム（CPT）算出に使用したパラメータを表1-2-1に示す。CPTの計算結果を図I-2-3に示す。CPTは、2014年開始の場合約22年であるが、2030年開始では約7年であった。これは,設備費用が2014年では約76.8億円なのに対し, 2030年では約33億円と半額以下になるという見込みが主な要因である。電気料金が約1.5倍になっても，CPTにおいてはメリットが残る。このように，今後設備コストが低価格化することによって，再生可能エネルギー導入の促進が期待できる。
1)日立製作所HP，風力発電システム: http://www.hitachi.co.jp/ 2)経済産業省，風力発電の現状と課題: http://www.pref.kochi.lg.jp/soshiki/030901/files/2014030301868/102833 389069 misc.pdf 3) 中部電力HP : http://www.chuden.co.jp/電気自動車のバッテリの劣化を抑えることで，交換時期を延ぼすことができる。バッテリ劣化を加速させる原因には，走行中の加速に伴う大電流放電や，回生プレーキ時の発電電力のバッテリへの充電などによる充放電の繰り返しがある。そのため，バッテリの劣化を抑制するためには，バッテリのピーク出力を低減させ，充放電の回数を減らせばよいと考えた。これを実現するために，バッテリに電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor : EDLC）を付加し，エネルギーフロー制御する方法に注目した。EDLCは、二次電池に比べて高い出力密度を持ち、科学反応を経ずに電荷を直接蓄電できるため非常に長寿命である。ただし、容量は二次電池に比べて小さく，現在市販されているものでは，鉛蓄電池の1/5, ニッケル水素系蓄電池の1/10～1/15, リチウムイオン系蓄電池の1/15～1/20程度しかない。このように，EDLCは優れた入出力特性を持つが，電気自動車の電源として単独で搭載するためには，容量の大幅な増加が必須である。しかしながら，一時的なエネルギー供給や，回生時のエネルギー回収先としての用途には利用可能であり，ヘイプリッド車の電源として搭載された例も報告されている。電気自動車の場合も同様に，バッテリの出力補助や，回生のための蓄電デバイスとして，EDLCを利用できる可能性がある。この考え方は，ハイプリッド車に似ている。エンジンとモータのハイプリット車では、エンジンをなるべく高効率で運用するために、モータとバッテリでアシストを行う。この考え方を電気自動車に移し，バッテリを最適な状態で運用するために，EDLCでエネルギーのアシストを行うという発想である。バッテリおよびキャパシタから成る試作したハイプリッド電源を小型EVに搭載し、走行試験を行い評価した。試作したハイプリッド電源は，モータの負荷電流に対して，バッテリの供給電流を降圧コンバータで制限し，不足分をキャパシタからの電流供給を行う。そのため，加速時のような高負荷走行時には，キャパシタの蓄積電荷量が消費され，それに伴いキャパシタの電圧が大幅に減少する。その結果，十分な電流をモータに送り込めなくなる問題が見つかった。そこで，バッテリから直接インバータへ電力供給ができる切替え回路をハイプリッド電源に付加した。電源の運用として、発進時の瞬間高負荷時にハイプリッド電源として動作するBCH（Battery-Capacitor Hybrid）モードと，電圧低下時にバッテリから直接電力供給を行うバイパスモードとを切替えることとした。切替え回路を付加したハイプリッド電源を用いて実走行試験を行い、動作の確認を行った。登坂走行において，走行負荷は大きくなるためキャパシタの電圧が急激に減少したが，キャパシタの電圧が指定した電圧以下になった時にモードを切替えることで走行速度が低下することなく走行できた。製作したBCHモードとバイパスモードとの切替え回路には、電圧差によってキャパシタへ電流が逆流する問題があった。そこで，ダイオードを加えて逆流の防止することにした。さらに加速中にキャパシタを最大限に生かすために、加速度に応じてバッテリとキャパシタの供給の割合を無段階変化させ，キャパシタの電圧の減少を制御することにした。試作した回路を図1-3-1に示す。供給の割合を決定するため,まず加速時の走行シミュレーションからキャパシタの電圧変動をシミュレートした。次に、加速中にキャパシタから供給がストップしないための供給割合を決定する関数を作成した。関数を用いてマイコンで制御回路を制御し，加速度に応じた供給割合の無段階変化を実現した。エネルギーフロー制御を改良したハイプリッド電源を用いて，実走行試験にて動作を確認した。本学内を 1周した走行試験結果を図1-3-2に示す。意図しない車速の低下が見られず，併せてモータへの電流供給が途切れないことを確認した。また，すべての加速時において，キャパシタの出力で供給をカバーできていることから，エネルギーフローを改良できたと言える。これまでBCH電源搭載EVの走行性能改善のため，BCHルートとバイパスルートの切り替えや制限電流値の無段階変化といった改良を行ってきた。その結果，高負荷走行時も走行が維持できるようになったものの，キャパシタを有効に利用できているかどうか検討の余地がある。そこで，BCH電源の利点を生かしつつ，電源全体の効率的利用を向上できるように更なる改良を試みた。今回の改良において試作した電子スロットル制御の概略を図1-3-3に示す。従来はアクセルペダル開度に比例するアナログ値をインバータへ直接入力して出力制御を行っており，キャパシタ出力に応じた出力制御は考慮していなかった。そこで，今回は，アクセルペダル開度のアナログ信号をいったんマイコンに入力し，マイコン内で走行状況に応じたスロットル調整を演算し，マイコンからの出力信号でインバータを制御するものとし、効率化を図った。スロットル制御のパラメータを設定するため，まず，加速時の最大出力電流と最大加速度，  BCHルートでの最高速度を実測した。この実測値を基にスロットル開度 100％の時に最大の出力電流となるようにスロットル値を設定した(図1-3-4 横軸)。次に、キャパシタの最適な出力電流を決めるため、目標速度到達時間とキャパシタ放電可能時間を計算した。目標速度到達時間は，キャパシタ出力電流と加速度との関係から算出した (図1-3-4 赤線)。キャパシタ放電可能時間はキャパシタの特性から算出した(図1-3-4 青線)。放電可能時間よりも目標速度到達時間の方が短い場合は，加速終了時にキャパシタにエネルギーが残るため、キャパシタのエネルギーを十分に使いきることができない。逆の場合は、キャパシタの内部抵抗による電圧降下でキャパシタ電圧が低下し、キャパシタから放出できるエネルギーが小さくなる。したがって，放竜可能時間とBCH最高速度到達時間が交差する点がキャパシタの最大出力電流となる。この電流値を出力するスロットル開度をスロットル制限値とし、この値以上のスロットル開度が入力された場合，制限値までスロットル開度に減少することにより，より効率的なキャパシタからの放電を行うことができる。実験用EVでの改善効果を試算したものを表1-3-1に示す。スロットル上限を制限する制御を行うことによりキャパシタの放電電力を増加させることができると見積もれた。今後，実験的にこの検討を行う予定である。