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2010年7月

走行パターンとプラグインハイブリッド車の燃費特性 その1.国土交通省によるPHEV燃費測定・表示の要領

国土交通省がプラグインハイブリッド車(PHEV)の燃費性能の測定と表示の方法を2009年7月に決定した。これは、「プラグインハイブリッド車排出ガス・燃費測定方法策定検討会」(2008年2月~12月、4回開催)における検討をもとに実施要領を取りまとめ、2009年2月に公開してパブリックコメントを募集していたもので、これらの結果を踏まえて、国土交通省は、排出ガスと燃費測定方法について2009年7月末に「道路運送車両の保安基準の細目を定める告示」等の一部改正を行い(改正概要)、また「プラグインハイブリッド自動車の燃費算定等に関する実施要領」と「プラグインハイブリッド自動車の燃費性能に関する情報提供等の要領について」を日本自動車工業会と日本自動車輸入組合に通達した。

Miltphev1また、PHEVの燃費算定と情報提供の概要は、国土交通省のウエブサイトの資料「プラグインハイブリッド自動車の排出ガス・燃費測定方法について」と参考資料に示されている。これらによると、全走行距離の中の一定の割合を外部電源から充電した電力で走行するPHEVの走行の特徴(左図、出所は上記参考資料)を踏まえて、PHEVの燃費性能を次のように測定・表示することとしている。

① 主として外部充電電力で走行する「プラグイン走行」の距離「プラグインレンジ(充電電力使用時走行距離)」[km]、「プラグイン走行」時の「電力消費率」[km/kWh]および「充電電力使用時燃料消費率」[km/l]を測定する。

② 「プラグイン走行」により充電電力を消費した後の、ガソリンなどの燃料を使用して走行する「ハイブリッド走行」時の、「ハイブリッド燃料消費率」[km/l]を測定する。

③ 上記の測定値から、日本の平均的なユーザーの走行パターンから求めた、全走行距離に対する電力走行の割合「ユーティリティファクター(Utility Factor、貢献割合)」を使用して、PHEVの代表的燃費値としての「複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)[km/l]」を計算する。

Utilityfactorbymlit3国土交通省は、上記通達「プラグインハイブリッド自動車の燃費性能・算定等の要領」の中で、「複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)」を計算する際に必要な「ユーティリティファクター」の値として、「JCAPデータ自動車使用実態調査による」定義曲線を提示している。この定義曲線はアナログの図と近似式の両方で示されており、右図はその要領に示されている近似式から筆者が作成したものである。なお、この要領には「JCAPデータ自動車使用実態調査」の詳細は示されておらず、使用した自動車走行統計のデータ数・処理方法、対象車種などは不明である。

因みに、筆者が日本の自家用乗用車(登録車および軽自動車)の実働一日当り平均走行距離分布(国土交通省・自動車輸送統計報告書の自家用乗用車・距離帯別輸送人員の統計データ)から推定したユーティリティファクター(電力走行距離割合)については、ここに解説を載せてある。この元の論文はここで閲覧できる。

「プラグインハイブリッド燃料消費率」の計算方法

ここでは、「プラグインハイブリッド燃料消費率」を、国土交通省によるPHEV燃費測定・表示の要領に沿って解説する。

一般に、プラグインハイブリッド車のガソリンなどの燃料の消費率は、測定した充電電力使用時燃料消費率およびハイブリッド燃料消費率とユーティリティファクターから、次式により計算できる。(電力消費も含めたエネルギー消費率については後日掲載予定の「その2」で解説する予定)

FC(P) = 1 / { UF/ FC(E) + ( 1 - UF ) / FC(H) }

FC(P) : プラグインハイブリッド燃料消費率 [km/l]
FC(E) : 充電電力使用時燃料消費率 [km/l]
FC(H) : ハイブリッド燃料消費率 [km/l]
UF : ユーティリティファクター [-]

Miltphev2なお、パラレル型ハイブリッド車では、プラグインレンジにおいて負荷の大きさによってエンジンがキックインして外部充電電力とガソリンの両方によるブレンド走行になるので、分母の第1項はその燃料消費を計算したものである。シリーズ型ハイブリッド車では、プラグインレンジは全部電力走行になるので、分母の第1項はゼロとなる。パラレル型ハイブリッド車でも、後述するプリウスPHVのJC08モードの試験では、プラグインレンジでエンジンのキックインがなかったために、シリーズ型ハイブリッド車と同様に分母の第1項はゼロとなる。

それ故、この場合の国土交通省が決めたプラグインハイブリッド車の複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)の値は下式から計算することができる。

FC(P) = FC(H) / ( 1 - UF )

例えば、2009年11月発表のプリウスPHVでは、ハイブリッド燃料消費率 FC(H) = 30.6 [km/l]、ユーティリティファクター UF = 0.462として、複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)は、FC(H) = 57.0 [km/l]が得られる。

国土交通省資料に関して気の付いた点

上記の国土交通省資料に関して気の付いた点を以下に示す。①と②は例示している燃費などの数値の間の整合性、③と④は使用している用語の定義・適切性、についてである。

① 上記国土交通省の参考資料では、「カタログ等への燃費表示の例」として左表を掲載している。この例について、「プラグインハイブリッド燃料消費率」の値を各燃料消費率とユーティリティファクター(EV走行換算距離12.6kmではUF=約0.3)から上記の式で計算すると FC(P)=約32 km/lとなり、表に示されている「40.5 km/l」とは合わない。

② このカタログ等への燃料表示の例に示されている「EV走行換算距離」は、国土交通省資料では「等価EVレンジ」とも表現されており、「プラグインレンジのうち、バッテリーに蓄電した外部電力により行った仕事量に相当する部分(仮に外部電力のみをエネルギー源とした場合にこれにより走行可能な距離)」のことである。表では、充電電力使用時走行距離(プラグインレンジ)が13.0kmなのに対してEV走行換算距離が12.6kmとなっており、これから推算される充電電力使用時燃料消費率の値は表に示されている54.0kmより大きくなり、合わない。

③ 「電力消費率」(プラグイン走行時の電力消費率)の定義は、「EV走行換算距離」を「一充電消費電力量」(一回の充電において消費する電力量、ただし電力量は外部から充電された電力量をコンセント側すなわち交流側で測った値)で除した値とする方が合理的と考える。上の「カタログ等への燃費表示の例」の「電力消費率」の数値は、「EV走行換算距離」ではなく「プラグインレンジ(充電電力使用時走行距離)」を「一充電消費電力量」で除した値になっている。この定義だと、プラグインレンジにおいてガソリンエンジン動力のブレンド割合が多いほどこの距離が長くなり電力消費率[km/kWh]の数値が大きくなり、エンジンブレンド割合の多いパラレルハイブリッド型がシリーズハイブリッド型より見掛け上良い電力消費率を示すことになる。
Miltjc08_2
④ 国土交通省の要領にあるユーティリティファクターの定義曲線図では、横軸は「プラグインレンジ/1日あたりの走行距離(km)」とあるが、これはユーティティファクターの意味から上の筆者作成の「電力走行距離割合=ユーティリティファクター」図のように、横軸の外部充電電力による走行距離は「EV走行換算距離」(=「等価EVレンジ」)とする方が良いと思う。なお、これまでに型式指定をとったプラグインハイブリッド車では、プラグインレンジ(充電電力使用時走行距離)でエンジンのキックインがない性能/型式のものなので、充電電力使用時走行距離はEV走行換算距離と等しくなるので問題は出ていない。

プラグインハイブリッド車の燃費測定表示の実例

この燃費評価方法を使用して、「トヨタ・プリウスPHV」(2009年11月)と「スズキ・スイフト・プラグインハイブリッド」(2010年5月)が、JC08モードによる国土交通省の型式指定を取得している。両社のプレス発表資料から、PHEV燃費性能(国土交通省審査値)関係の値を抜粋して右表に示す。

2012年1月から一般販売を開始した2012年式プリウスPHVのグレードS(型式DLA-ZVW35-BHXEB)の「複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)」を、上記国土交通省の「カタログ等への燃費表示の例」にならって表記すると左表のようになる。Priusphv2012

この計算式は、ハイブリッド燃料消費率 FC(H) = 31.6 [km/l]、ユーティリティファクター UF = 0.48 として、
FC(P) = FC(H) / ( 1 - UF ) = 31.6 / (1 - 0.48) = 61[km/l]

プラグインハイブリッド車の燃費表示の課題

プラグインハイブリッド車は、2種類のエネルギー(普通は、ガソリンと電気)を使用しており、また人により走行のパターンが異なるためこれらエネルギーの使用割合も変わるので、これを一つの「燃費」で代表的に表示するには課題がある。

上記「複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)」の定義は、充電電力消費量は評価せずにガソリン消費量のみを用いて評価しており、表示が「リッター何キロ」という使い慣れた単位になっている点は直感的で判りやすい。もし、ユーザーが平均的な走行パターンの人ならば、JC08燃費の実用燃費との乖離の問題は別として、ガソリン消費量を示す指標として簡単でアクセプタブルなものと考えられる。

ただ、搭載する電池が大きくなってユーティリティファクター(全走行距離の中で充電電力で走る割合)の値が大きくなると、全走行距離に対するガソリン走行距離が減ってガソリン消費量が少なくなるために、全走行距離をガソリン消費量で除した値に相当する「複合燃料消費率(プラグインハイブリッド燃料消費率)」の値[km/l]は大きくなる。

実際に半分以上の距離を電力で走行するような場合(ユーティリティファクター>0.5)には、ガソリン消費量のみの評価によるこの燃費表示は過大と感じられるようになり、エンジン車やハイブリッド車などとの比較で違和感を生じることもある。この燃費表示を、容量の大きい電池を搭載しているGMのボルト(Chevrolet Volt)に適用した場合の考察を別項に示したが、100km/l以上の燃費が出てくることも想定される。

このようなプラグインハイブリッド車の燃費表示の課題への対応などについては、「その2.ユーティリティファクターとPHEV燃費表示の課題」で解説している。

また、「プラグインハイブリッド車の燃料消費率 -- ユーティリティファクタ,電力・ガソリン等価合成の考え方」については、自動車技術会の会誌「自動車技術」2014年7月号に掲載した解説(紹介本文)がある。

米国EPAのユーティリティファクターとPHEVテストデータについては、下記のブログを参照されたい。
「米国EPAのユーティリティファクターとPHEVテストデータ: メモ」(ブログ

{追記]

この「プラグインハイブリッド燃料消費率(複合燃料消費率)」の表示に関しては、国土交通省は2014年2月に

「多様な特徴のプラグインハイブリッド自動車が販売されるようになり、この要領に定める燃費性能が車両の性能を適切に表示できないケースが見られるようになっていることから、プラグインハイブリッド自動車の燃費性能の表示方法について以下のとおり見直しを行うこととする」

として、「プラグインハイブリッド自動車の燃費性能の表示方法の見直し」を行うための意見募集を行い、この見直しを2014年10月に開始するとしている。(12

見直しにより表示を行わないことにするのは次の2項目;

①プラグインハイブリッド燃料消費率(複合燃料消費率)
 プラグイン燃料消費率とハイブリッド燃料消費率を、プラグインレンジに応じて算出される係数(全
体の走行に占めるプラグイン走行の貢献割合、ユーティリティファクター)を用いて加重調和平均した数値

②プラグイン燃料消費率(充電電力使用時燃料消費率)
 満充電状態から始動し外部充電による電力を用いて走行する場合の燃費値。これまでのJC08条件によるPHEV試験では充電電力使用時(プラグイン走行時)にエンジンが始動して燃料を消費する状態(Blendedモード)になったことはないので、該当する値がカタログなどに示された例はない。

従来通り表示するのは次の3項目;

③ハイブリッド燃料消費率
 外部充電による電力を用いないで走行する場合の燃費値

④プラグインレンジ(充電電力使用時走行距離)
 外部充電による電力を用いて走行可能な距離

⑤電力消費率


既に2014年発売のPHEV(BMW i3 REx)の仕様表(2014年4月3日現在の主要諸元)、および既発売のPHEV(プリウスPHVおよびアウトランダーPHEV)の2015年の仕様表では、「プラグインハイブリッド燃料消費率(複合燃料消費率)」の表示はなくなっている。

実際に、上記BMW i3 RExのJC08の燃費・電費性能の試験結果から2009年国土交通省通達に従って「プラグインハイブリッド燃料消費率(複合燃料消費率)」を試算してみると、実に652km/Lという非現実的な値が出てくる。これについては下記ブログを参照されたい。
「プラグインハイブリッド車の燃料消費率 -- BMW i3 REx に見る日本・EU・米国の差 -- 652km/Lと166km/Lと37.4km/L」(リンク

このような搭載電池が大容量になると2009年国土交通省通達による「プラグインハイブリッド燃料消費率(複合燃料消費率)」の値が非現実的になる問題と、これへの対応などについては、上の「プラグインハイブリッド車の燃費表示の課題」の項に記載のブログ・資料を参照されたい。
(2015.03.25)

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シリーズ型プラグインハイブリッド車のGM VoltとOpel Amperaにハイブリッド型式変更の噂 追記:やはり噂は本当だった

Voltnyc最近(2010年6月~7月)、欧米の自動車メディアの一部で、プラグインハイブリッド車のGM Volt(写真左上、出所GM-Volt.com)とその姉妹車のOpel Ampera(写真左下、出所GM-Volt.com)が、シリーズ・ハイブリッドから、シリーズ/パラレル・ハイブリッドに設計変更されるとの噂が流れています。イギリスのテレグラフ紙の記事が発端のようですが、Voltはこの期に及んでの設計変更は考え難く、勿論GM筋は否定しています。高速走行の多いヨーロッパ市場向けのOpelのAmperaでは、設計変更の可能性があるのかも知れません。

《GMのVoltについて、本サイトでは2007年1月2008年9月に解説を行っており、その後の関連情報も追記としてこれら各記事の後に記載しています。》

噂の内容は次のようなものです。すなわち、① Charge Depleting Range(CDレンジ、電池使用走行、プラグイン走行)は、シリーズ・ハイブリッドのAll Electric Range(AER、オール電力走行)のままで変更はありませんが、② Charge Sustaining Range(CSレンジ、充電維持走行、ハイブリッド走行)に移った時に、エンジンが発電機を駆動してその電力でモーターを回すシリーズ・ハイブリッド型のレンジ・エクステンダー走行から、発電機の駆動と並行してエンジンがプラネタリ・ギアを介してホイールを機械的に駆動するパラレル・ハイブリッド型の走行に変更する、と言うことです。これらPHEVの走行モードについては、別記事走行モード図を参照ください。

Ampera1_2この場合、クラッチが必要になり、構造的にプリウスと似てきますが、むしろ GM-Daimler-BMWのGlobal Hybrid Cooperationによる「2モードハイブリッド」に近い構造も考えられます。

ただ、議論の中では、駆動系にギアとクラッチを入れても必ずしもパラレル型になるとは限らず、Voltの発電機・モーター(53kW)と駆動用モーター(110kW)の間にギア・クラッチを入れるシリーズ型構造も考えられる、などの推測も出ています。

この変更の理由は、高速走行におけるパーフォンマンスと効率(燃費)で、とくにアパラチア山脈や西部にあるような長い上り坂への対処のようです。

これらのニュースや議論は、Telegraph紙の記事1および記事2、 GM-Voltサイトの記事、その他サイトの記事1記事2および記事3などに出ています。

このニュースに進展があれば、別サイトに掲載している「自動車電動化を巡る主な動き」(毎月更新)の中で、フォローしていきます。

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以上は、2010年7月時点の情報であるが、2010年10月にこの噂が本当であることが判った。この内容を追記2にまとめた。

追記1

GM Volt、Fisker Karmaクラスの比較的大きいシリーズ型プラグインハイブリッド車(レンジエクステンダー)については以前から、「シリーズか、パラレルか」の比較論議と絡んで、ハイブリッド走行に移行してからの効率や登攀時の電池化学問題などからその前途を心配するが出ていました。

100511a_2これに対して、軽自動車など小さいクラスのシリーズ型プラグインハイブリッド車は、軽量・構造簡単の特長を生かした電動化を行えば、有望だと考えています。

2010年5月、スズキ自動車は「スイフト」のシリーズ型プラグインハイブリッド車(写真左)の型式指定を取得し、60 台を製作して全国で実証実験を開始することを発表しました。これは、2009年の東京モーターショーでそのコンセプトを発表したもので、2.66kWh のサンヨー製Li-ion 電池を搭載し、外部充電電力で15km走行し、660cc レンジエクステンダーエンジン発電によるハイブリッド走行時の燃費は25.6km/Lとなっています。はたして、小型~軽自動車クラスのプラグインハイブリッド化を先導するか、注目したいと思います。

Acp_tzero_dsc00467ところで、シリーズ・プラグインハイブリッド(レンジエクステンダー)タイプの車は以前よりあり、例えば右の写真はAC Propulsion社の電気自動車「tZero」に、Kawasakiの500ccエンジン発電機を積んだトレイラーをつけて、遠出の時はプラグインハイブリッド車にしている様子です。

現在は、電池・モーター技術も、エンジン技術も、電子制御技術も、格段に進んでいるので、シリーズ型プラグインハイブリッド車の新しい進展を期待したいと思います。
(2010.07.13)

追記2:

やはり噂は本当だった。

Green Car Advisorサイトは2010年10月11日「ボルトの衝撃 –GMの航続距離延長型EVは常にオール・エレクトリックではない」の見出しで、Voltのガソリンエンジンは発電のほかに、時速70マイル以上では駆動軸に直結して車輪を動かしている、と報じた。

そして同系列のInside Lineサイトは「率直に言えば、我々は嘘をつかれた。6月にVoltが土壇場での設計変更としてエンジンと駆動軸を直結したという噂が出た時、GMのスポークスマンはVolt(とその欧州での姉妹車Ampera)は電動駆動のみと否定していた」と述べている。

GMは、これまで一貫して、Voltは航続距離延長型電気自動車で、搭載しているガソリンエンジンは系統電力で充電した電池のレベルが低下した時に発電し、その電力で電気モーターが車を駆動する、と言い続けてきた。GMは、Voltのパワートレインの特許を出願中だったので、エンジンと車輪が機械的に連結されるというような詳細は発表できなかったと弁明している。なお、この特許は2010年9月21日に確定した。

Volttrain0このニュースは、2010年10月13日~14日にWall Street JournalNewsweekで報道され、10月25日に共同通信はNewsweekの記事を引用して「GM新型電気自動車に批判続出“エンジン搭載なのに”」と紹介している。

その間10月12日にVolt応援サイトのGM-Volt.comは、少人数のジャーナリストとともにGMから説明を受けた内容を基に「Voltの電動推進システムが公開された」の見出しでクールに説明している。ただし、これには330件以上のコメントがつき、同サイトは10月15日に「説明:ガソリンエンジンが時速30マイルからVoltの駆動を補助」のタイトルで再説明をしている。

GMの広報サイトには、2010年10月10日付けの「Volt電動駆動ユニット運転モード」というファイルが置いてあり、これにVolt駆動システムの各モードの説明が出ている。(図参照) エンジン+2機のモーター+3個のクラッチの組み合わせで、4つのモードで動力がプラネタリーギアを介して駆動軸に伝達される。具体的には、
 系統充電電力による走行のCDレンジでは
   Low Speed(1-Motor)モード
   High Speed(2-Motor)モード
 エンジン動力による走行のCSレンジでは
   Low Speed(1-Motor Series)モード
   High Speed(2-Motor Combined)モード

CSレンジのHigh Speed(2-Motor Combined)モードにおいて、エンジンと駆動軸は機械的に連結される。CSレンジでは、時速30マイル以下ではLow Speed(1-Motor Series)モードに、時速70マイル以上ではHigh Speed(2-Motor Combined)モードになり、時速30マイルと70マイルの間ではこの二つのモードから最も効率的な方が自動的に選択される。

ただし、この速度によりモードが選択されると言うのは、広報サイドが判りやすく丸めた話のようで(?)、技術サイドでは、「速度よりもトルクと出力が重要」であり、どの条件でエンジンが結合されるかはプラグラムされている「効率マップ」(Efficiency map)によって決められ、最も効率的なモードが選ばれるようになっていると述べている。

この機構の理解には、YouTubeに置いてあるCGシミュレーションを用いた説明のビデオ(英語、6分)が参考になる。その他YouTubeの動画を使用した説明は、「Chevy Volt Powertrain Deep Dive」Part 1(英語、9分)、Part 2(英語、8分)、Part 3 (英語、6分半)、「2011 Chevrolet Volt, Powertrain」(英語、36分)、など。
(2010.10.26)
Volttrain1_2Volttrain2_2

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