課題名

B-55 低環境負荷型都市交通手段に関する研究

課題代表者名

近藤 美則 (環境庁国立環境研究所地域環境研究グループ交通公害防止研究チーム)

研究期間

平成9−11年度

合計予算額

150,000千円(11年度 52,867千円)

研究体制

(1) 次世代型電気自動車の普及に当たっての問題の解明とその対応策に関する研究

(環境庁国立環境研究所)

(2) 都市交通自動車に適した高効率型動力システムの技術的評価に関する研究

(運輸省交通安全公害研究所)

(3) 都市内交通の環境負荷の事前評価に関する研究(通産省工業技術院機械技術研究所)

(4) 電気自動車の運用効率の改善とその評価に関する研究(通産省工業技術院機械技術研究所)

(5) 都市域の交通部門における温暖化防止施策の総合的評価に関する研究(建設省土木研究所)

(6) 低環境負荷目標達成のための都市交通システムの再構築に関する研究

(環境庁国立環境研究所)

研究概要

1.序

 199712月に京都で行われた気候変動防止枠組条約第3回締約国会議において、2008年から2012年までの平均の排出量として日本は、1990年比で温室効果ガスの6%削減を公約した。日本の1996年のエネルギー消費量を1990年比でみると、産業部門がほぼ一定であるのに対して、民生と交通部門は全体(約8%)に対してほぼ倍増の状況にある。これは、全部門一律にエネルギー起源の二酸化炭素(CO2)の削減目標を立てて対策を行うことを想定したとき、民生および運輸部門のCO2排出量は、実際には1990年の約3/4の排出量にまで削減しなければならないことを意味し、その対策は非常に難しいことを示している。

 一方、世界全体におけるCO2排出量は約20%までが交通部門によるもので、かつ年率3%以上の割合で増加している。これらの排出の大半は都市内の自動車交通によりもたらされており、交通部門における温暖化対策においては、都市内の自動車に対する対応策が重要な位置を占めることになる。

 これまでこの問題の抜本的な解決には、電気自動車(EV)やハイブリッド車(HEV)等の次世代型の自動車の普及が有効であるとの観点から基礎研究を続けてきた。その結果、要素技術および車体構成技術のそれぞれで成果をみることができた。今後はこの成果を生かし、現実に社会に普及させかつ、温室効果ガスの排出削減を可能にすることが求められる。そのためには単体そのものをより実用性のあるものに高めるとともに、これらが普及することを前提とした都市内での交通体系を創案し、さらに導入のシナリオの策定やその効果の算定を行うことが必要である。また、自動車単体への対策とともに、自動車から鉄道等の軌道系交通機関へのモーダルシフトも交通部門からのCO2排出削減には有効であり、それらについても施策の効果および実行可能性の検討が必要である。

 

2.研究目的

 都市における交通手段を低環境負荷型にするために本研究では、次世代型の自動車交通技術としてEVHEVを取り上げ、それらの技術の可能性についてさらに追求するとともに、都市内の自動車交通に関連したCO2の排出量評価手法を開発する。一方、自動車以外の軌道系交通手段についても都市交通システムの中に位置づけ、それらを組み合わせた都市交通システム実現のシナリオとそのCO2排出削減効果の推定を行う。

 具体的には、サブテーマ(1)では既に開発していた小型EVの機能性、性能性、信頼性、生産性、保守性等を向上させるための車輌の改良および、導入可能な用途の調査とともにCO2排出削減量の評価、サブテーマ(2)ではHEVを取り上げ、動力システムおよびエネルギー回生技術について技術の可能性をさらに追求するとともに、HEVCO2排出削減効果の評価を行う。(3)ではEVHEVの実使用状態での環境負荷量の推定手法を開発するとともに、低環境負荷型の交通を実現するために効果的な交通体系について提言を行う。(4)では電池搭載自動車の運用効率を大きく左右する電池の充電効率と寿命に関して新しい電池管理システムを提案するとともにその評価を行う。(5)では都市内の自動車交通関連のCO2排出量の推定モデルを開発し、次世代型自動車交通手段が導入された場合のCO2排出削減効果の推定を行う。(6)では、都市交通システムを低環境負荷型に移行するための施策メニューを整備するとともに、それらによる削減効果を都市規模別に推定する手法を開発する。

 また、本研究全体として、都市交通からの環境負荷の削減目標に応じた具体的な施策のシナリオとその実現方策を提案する。

 

 

3.研究の内容・成果

(1)次世代型電気自動車の普及に当たっての問題の解明とその対応策に関する研究

 次世代型電気自動車の普及に当たって問題になることとして、新しく導入した要素技術が当初の目的通りに働いているか否か、実際の使用状況における動力性能は見込み通り得られているかが正しく求められる必要がある。さらに普及のためには、次世代型EVの導入が可能な用途を明らかにする必要がある。そのため、国立環境研究所所有の電気自動車ルシオールを対象として走行試験を行い、基礎的なデータの取得および解析を行った結果、車輌要素技術の動作データを同時に多数取得できる計測器がほとんどないことが明らかとなった。そこで、それを可能とする計測器の開発を行った。また、自然エネルギー利用を目的として車輌に設置されている太陽電池に対して、発電量および充電電力量の計測を行い、走行エネルギー供給への寄与度を評価した。さらに、電気自動車用駆動システムとその動力性能とを評価するためのシミュレーションプログラムを開発するとともに、対象試験車ルシオールのサスペンションを例として解析を行った。また、ルシオールの走行性能や居住性、快適性等に対するアンケート調査を国内外で実施し、多くの回答者から好意的な回答を得たとともに、電気自動車の普及に当たって重要視される車輌購入価格と車輌サイズに関わるデータを収集した。さらに、アンケート結果等をもとに次世代型電気自動車の構成および駆動システム等について設計・検討を加えるとともに、ルシオールタイプの電気自動車の現実的な導入可能性に対して、自動車の利用実態についての関東近県の調査データをもとに検討を行い、乗用車および軽トラックであれば9割程度が代替可能であること、1台あたりの削減量が車種により数倍変動すること等を明らかにした。

 

(2)都市交通自動車に適した高効率型動力システムの技術的評価に関する研究

 都市域で従来型乗用自動車が運転される際の有効エネルギーと廃棄エネルギーを計算により解析し、走行に要するエネルギーの2040%が回生可能であると予測した。またエネルギー回生を可能とする動力システムおよび構成要素の開発状況を調査し、都市域の乗用車に最適な原動機としてシリーズハイブリッド方式を含めた電気動力方式を選定した。

 それに続き、シャシーダイナモメータ上での実車運転、およびモータ単体運転装置による台上運転により、スーパーキャパシタと二次電池による運動エネルギー回生効果について実験的に考察した。その結果、キャパシタと電池を選択切換接続で併用すればエネルギー吸収量が最大30%増加することを明らかにするとともに、キャパシタの内部エネルギーを頻繁に放出し電圧を下げること、大電流通電に伴う損失を低減するためキャパシタの内部抵抗を低減し出力電流を抑制すること等の重要性を明らかにした。さらに実車の駆動モータシステムと等価な電力出入を再現できる充放電試験装置に電池、キャパシタ、発電機を配置して模擬的なシリーズハイブリッドシステムを構成し、各要素の容量や接続を変えて入出電力量を計測した。それにより、ハイブリッドシステムにおける回生効果や構成要素間のエネルギー移動についての詳細な評価手法を考察した。

 以上の検討を踏まえ、エネルギー回生可能な高効率型乗用車一台当たりのライフサイクルにわたるCO2排出量(LCCO2)を従来型エンジン乗用車と比較し、さらに前者を都市域に導入した場合の全体的なLCCO2低減効果を試算した。その結果、高効率な電気動力車のLCCO2はエンジン車より約30%減少し、都市域の乗用車全体でみると、総数の50%を置換できればLCCO2総量は約15%低減されると予測した。

 

(3)都市内交通の環境負荷の事前評価に関する研究

 都市内交通によって消費されるエネルギー量の推量は、一般にシミュレーションによって行われるが、その際の基準になるデータとしては1015モード燃費試験に代表される標準的な燃費試験法によるデータが用いられている。しかし、現状の試験法が排ガス試験法の修正版であることもあって、実走行状態を代表する結果が得られないことは周知である。一方、省エネルギーを目的としたEVHEVは駆動系の性格等が従来の車両と大幅に異なるため、試験結果と実用燃費の乖離はさらに大きなものとなる。ここでは、基準データを求めるこれら既存の試験方法の問題点を明らかにし、より実用燃費に近い結果を得るための試験基準を求める。また、実用燃費に影響を与える種々の要素とその寄与度についても検討し、サブテーマ(5)の土木研究所で実施する交通流を加味したシミュレーション作業の精度向上に資する。

 とくに現状のモード燃費試験方法等で規定されていない坂路勾配の影響や空調機の使用時の影響など、実使用時のエネルギー効率に影響を与える種々の要素を考慮した、いわゆるオフモード燃費は、実際の使用状況でのエネルギー効率を評価する尺度として重要であり、その寄与度についても検討した。

 評価試験法に関しては、シャシーダイナモメータ上で行う評価試験時に大きな誤差が生じる要素について、定性的な検討とともに定量的な検討を行った。その結果、ランク別けされたフライホイールによってある範囲の車両質量に対して一つの代表値で対応する現状の試験法は、一般の車両より走行抵抗が低く車両重量が1.5倍近いEVでは大きな問題となることが判明した。また、市販HEVの回生制動効果の正確な評価には、新たなシャシーダイナモメータの制御アルゴリズムの開発が必要であることが明らかとなった。

 実用燃費に影響を与える要素と、その寄与度に関しては、道路勾配の寄与度についての詳細なシミュレーションを行った。また、専用のモータで冷房用コンプレッサーを駆動するEV専用エアコン付の車両を用いて、エアコンの燃費への寄与度を調査し、省エネルギー設計のこれらのエアコンには、新たな試験基準の確立が不可欠であることが明らかになった。さらに回生制動時のエネルギー効率の評価試験を行う際に必要な要件を明らかにした。

 

(4)電気自動車の運用効率の改善とその評価に関する研究

 排ガス公害及び地球温暖化の防止、エネルギー源の多様化等を目的に、EVの実用化が検討されて久しい。しかし、現実にEVを使用した際に、電池の能力が公称値を大幅に下廻る例が少なくない。この主な原因は、充電の方法によって充電時の効率に大幅な差が出ることと、組電池内に生じる個々の電池特性のアンバランスによって組電池の特性が大幅に悪化する事にあるとの見方が一般的となってきている。そこで、EVの実用上のエネルギー効率を左右する大きな要素である電池の充放電管理の効率を向上させる方策について検討した。

 まず、国内外のフリートテストの結果等、報告書等として入手できる資料を基に、EVの一般的な使用状況下での充放電効率の実態について調査した。その結果、充放電効率(商用電源からの入力電力に対する電池の出力電力の比)が現実には8358%と、大きくばらついていることが明らかになった。これに対し、単セル電池の理想状態での必要充電量は、取り出せる電気量の104105%であることを実験により確認できたため、運用時の運用方法に依存する充放電効率の改善が、EVそのものの効率改善よりも急務であり、見込める改善率も高いことが判明した。

 そこで、当所で開発した簡易型の電池管理システムを用いて、電池管理システムの運用によって得られる電気自動車の運用効率の改善の可能性、すなわち充放電効率の改善度と、電池寿命の延伸度について、小規模な組電池を用いたベンチでの充放電試験を実施した。

 寿命の延伸度の確認と同時に、効果的な均等充電方法についても検討を重ねた。その結果、各セル電圧が充電終止電圧をオーバーしないように充電電流を制御する方法が、ゲル式密閉鉛電池の均等充電法として有効であることを確認した。国内で多く利用されているガラスマットを用いたリテーナ式密閉型鉛電池については、試験用に改造した際の電池そのものの構造上の欠陥が判明し、急遽このトラブルに対処した電池を試作し再試験を行った。その結果、ゲル式に比べて管理が難しいものの、セルの温度の上昇に注意を払えば同様の管理で良好な状態が維持できることを確認した。

 一方、実使用時に使用者に表示すべき重要な情報の一つである残存容量について、シャシーダイナモメータ上での実車モード走行中に、簡易電池管理システムを用いてセル毎の残存容量を推測する方法の実用性の確認を行った。その結果、前述のアンバランスが生じて性能が低下したセルが存在していている状態を通常のモード走行中に把握でき、セルレベルでの残存容量が検出できることを確認した。これによって単に平均的な残存容量の表示でなく、セルレベルで過放電状態を発生させない様に運転者(又は車両の制御装置)に指示できることが確認できた。更に、温度変化や電池寿命等、実用時に補正すべき要件について検討した。

 

(5)都市域の交通部門における温暖化防止施策の総合的評価に関する研究

 本研究では、地球温暖化の原因となる温室効果ガスのうちCO2について、都市内における交通起源のCO2排出量の予測モデルを作成し、このモデルを使ってCO2排出量削減施策の効果を推計するとともに、施策効果の総合的な評価を行った。

 初めに、都市の交通部門におけるCO2排出量削減施策の効果予測モデルの基本的枠組みを検討するとともに、施策のモデルヘの導入方法について検討を行った。CO2排出量削減施策の効果予測モデルについては、様々な施策の効果を簡便に推計でき、かつ操作性のよいモデルとなるようにした。モデルにおいては、渋滞等による旅行速度の低下や渋滞解消施策による旅行速度の向上などの旅行速度の変化を考慮できるモデルとした。また、本モデルに導入する諸施策を体系的に整理し、モデルヘの導入方法を検討した。

 次に、このCO2排出量予測モデルの基本的枠組みに基づいて、モデルの詳細検討及び作成を行った。モデルは、4つのサブモデル(交通機関別トリップ推計サブモデル、自動車の旅行速度別走行台キロ推計サブモデル、公共交通車両キロ推計サブモデル、CO2排出量推計モデル)から構成される。これらの各サブモデルについて、詳細検討及びパラメータの導出などを行うとともに、各サブモデルの感度の検討を行った。

 さらに、宇都宮市をケーススタディ対象地として、作成したモデルを用いて都市内交通によるCO2排出量削減施策の効果予測を行った。自動車からのCO2排出量削減については、走行台キロの削減によるものと旅行速度の向上によるものとに分けて予測した。

 このケーススタディの結果から、これらの施策の効果は自動車走行台キロの削減による効果だけでなく、旅行速度の向上による効果も同程度あるという結果が得られ、道路交通の円滑化施策もCO2排出量削減に大きく貢献することがわかった。

(6)低環境負荷目標達成のための都市交通システムの再構築に関する研究

 本研究は、都市交通システムを低環境負荷型に移行させるための施策メニューを整備し、施策ごとの削減量を都市規模別に定量的に推計する手法と、将来の環境負荷(CO2排出)削減目標を達成するために必要かつ実行可能性の高い施策の組み合わせをパッケージとしてシステマティックに見いだす方法を開発した。さらには、必要な施策の実施のための財源方策を整理した。

 まず、日本のCO2排出量の経年変化傾向を分析し、運輸部門の一貫した高い伸びのうち、1980年代末以降の伸びは、旅客交通とくに自家用乗用車の大型化によるエネルギー消費の急増によることを明らかにした。また、「日本の運輸交通起源CO2排出量を2010年に1990年レベルに抑える」という目標を仮に設定し、その実現に必要なCO2排出削減量およびそのために実施すべき施策オプションの提示を行った。その結果、目標の実現は燃費改善等の発生源対策のみでは不十分であり、都市構造や交通システムの側での対策の並行実施が必要であることを明らかにした。

 また、OECD諸国、特に取り組みが進んでいるEU諸国における最新の施策事例を環境負荷削減施策メニューとして収集し、効果や問題点を整理した。各国独自に都市内交通対策に取り組んでいるほか、都市間鉄道整備などで施策を国際的に共同で実施しているところに大きな特徴がある。こうした情報収集のため、各国において現地調査や政策担当者に対するヒアリングを実施するとともに、OECD加盟国の専門家が各国の交通環境負荷削減施策と実施成果を提出し合い、施策メニューの整理・検討を各国共同で行っているESTEnvironmentally Sustainable TransportProjectに参加し、各国の施策実施や検討の状況を把握した。さらに、以上の情報を整理し参考とすることにより、日本の実情に合った実行可能な施策メニューを作成した。特に本研究では、TODTransit Oriented Development)を実施した場合の環境負荷削減効果を計測するとともに、そのために必要な交通・土地利用計画・財源・税制といった各種施策のパッケージを提示した。

 

4.まとめ

 都市における交通手段を低環境負荷型にするために、次世代型の自動車交通技術として電気自動車とハイブリッド車を取り上げ、それらの技術の可能性についてさらに追求するとともに、都市内の自動車交通に関連したCO2の排出量評価手法を開発した。一方、自動車以外の軌道系交通手段についても都市交通システムの中に位置づけ、それらを組み合わせた都市交通システム実現のシナリオとそのCO2排出削減効果の推定を行った。

 電気自動車については、電子機器の効率を詳細に測定可能な計測器を開発するとともに、社会的受容性の高い車輌概念の調査およびそれに必要な車輌要素技術の検討・設計、導入可能な用途の調査と車輌代替によるCO2排出削減量の評価を行った。ハイブリッド車においては、走行時の回収可能なエネルギー量を推定し、スーパーキャパシタと二次電池を併用したエネルギー回生方式について模擬実験を行い、エネルギー回収量が多くなる運用方法を明らかにするとともに技術導入によるCO2排出削減量の評価を行った。また、電気自動車とハイブリッド車の既存の試験方法における問題点を定性的・定量的に明らかにするとともに、実使用状態での環境負荷量への寄与の大きな要因について検討を行い、次世代型車輌の評価に際して考慮すべき点を明らかにした。次世代型車輌に必須の要素である電池について、車輌の運用効率を大きく左右する電池の充放電効率と寿命に関して新しい簡易電池管理システムの提案およびその評価を行い、走行中の電池異常を検出し運転者に通知できるものであることを確認した。都市内の自動車交通関連のCO2排出量の評価手法については、排出量推定モデルの開発と排出削減施策のモデル化を行い、施策導入によるCO2排出削減効果の推定を行った。さらに、都市交通システムを低環境負荷型に移行するための施策メニューを、EU諸国における最新の施策事例も含めて整備するとともに、施策毎の削減効果を都市規模別に定量的に推定する手法、削減目標達成のための施策の組み合わせをシステマティックに見いだす方法を開発した。

 

5.研究者略歴

課題代表者:近藤美則

1964年生まれ、神戸大学大学院工学研究科修了、博士(工学)、現在国立環境研究所地域環境研究グループ交通公害防止研究チーム主任研究員

主要論文:

Y. Kondo et al, CO2 emissions in Japan : Influences of imports and exports, Applied Energy. Vol.40, No.4, 1998.

Y. Kondo et al, Creating an inventory of carbon dioxide emissions for Japan : A comparison of two methods, Ambio, Vol.25, No.4, pp.304-308, 1996.

近藤ら、電気自動車IZAとガソリン自動車とのライフサイクルCO2排出量の比較、エネルギー・資源、第17巻、第5号、pp.76-82, 1996.

 

サブテーマ代表者

(1) 近藤美則(課題代表者に同じ)

 

(2) 成澤和幸

1951年生まれ、東北大学大学院工学研究科修了、現在運輸省交通安全公害研究所交通公害部原動機研究室長

主要論文:

成澤ら、An EGR Control Method for Heavy-Duty Diesel Engines under Transien Operation, 1990 SAE TRANSACTIONS Section III.

成澤ら、Study on Series Hybrid Electric Commuter-Car Concept, SAE paper No.970197.

成澤ら、R&D Project for Next Generation Super Mini City Vehicles, 1998 FISITA World Automotive Congress.

 

(3) 清水健一

1943年生まれ、早稲田大学理工学部応用物理学科卒業、工学博士、現在工業技術院機械技術研究所エネルギー部エネルギー利用技術研究室長

主要論文:

K.Shimizu et al, Indoor Test of Ice and Snow Tires on Iced Drum-Development of Tester and Characteristics of Coated Ice for Test : Transaction of Society of Automotive Engineers 89000,

 (1990)

清水健一、雪氷路用タイヤの室内試験法に関する研究:学位論文(早稲田大学理工学研究科)、1992.

清水健一ら、充電状態推定機能を持った車載型電池管理システム:自動車技術会論文集、

 28, 3, 83-88, 1997.

 

(4) 清水健一(サブテーマ3代表者に同じ)

 

(5) 大西博文

1953年生まれ、京都大学大学院工学研究科修了、工学修士、現在建設省土木研究所環境部交通環境研究室長

主要論文:

大西、Policies and Improvement Measures of Road Environment in Japan,

 アジア交通学会、1995.9.

大西、多孔質弾性舗装の騒音低減特性について、土木技術資料、1996.1.

大西、Mitigation Measures during Road Project in Japan、「大規模事業と持続的発展」

 国際会議、1996.10.

 

(6)森口祐一

1959年生まれ、京都大学工学部衛生工学科卒業、博士(工学)、現在環境庁国立環境研究所社会環境システム部資源管理研究室長

主要論文:

森口祐一、「持続可能な発展」という概念、岩波講座地球環境学第10巻「持続可能な社会システム」(内藤・加藤編、228pp、岩波書店)、97-126 (1998)

森口祐一、環境情報と環境指標、環境システム、その理念と基礎手法。(土木学会環境システム委員会編、286pp, 共立出版)、94-107, 1998.

Y. Moriguchi et al, Resource Flows - Material Basis of Industrial Economies, World Resources Institute, 66pp, 1997.