駒ヶ根に想う

自動車には地球の重力が働いているので、低いところから高いところへ移動すには重力に逆らう必要があります。
これに伴って得られるのが位置エネルギーです。

上り坂で位置エネルギーを得るために、EVは平坦路に比べてより多くの電力を消費します。
重いものを高く持ち上げるほどにエネルギーが必要で、これが勾配抵抗として表されます。

急こう配だと燃費（電費）が悪くなるのは角度そのものによる影響ではなく、同じ走行距離ならより高く上るからです。
厳密には高負荷によりモーター効率が低下する影響もありますが、通常走行では無視できる範囲です。

勾配抵抗で得られた位置エネルギーは、下り坂では走行エネルギーとして利用できます。
この時、走行抵抗で相殺すると最も効率よく位置エネルギーを回収できます。
言い換えると、惰性で走ったほうが無駄がないということです。

ブレーキを使うと発熱でエネルギーが失われます。
回生ブレーキを使った場合でも発電効率によるロス、機械ブレーキ併用によるロスで20％～70％が熱として失われます。

（回生イメージ図）

通常の道路は起伏が連続しているので、惰性を活かす走り方と、ブレーキ（回生を含む）を常用する走り方では燃費（電費）に違いが出ます。


《まとめ》

【勾配抵抗】
　登坂の際に発生する抵抗で、車体総重量と勾配による移動高さに関係する。車速には関係なく一定である。
　Re = Wsinθ
　Re ： 勾配抵抗（kg）
　W ： 車両総重量（kg）
　θ ： 坂道の傾斜角度

資料画像：フリー素材集（http://freesozai.jp/itemList.php?category=roadsign&page=rds_092&type=sozai）
  

燃費に関するノウハウで「空気抵抗は速度の二乗に比例する」というものを目にすることがあります。
日産リーフの時速40キロの空気抵抗は1.2kWhですが、時速100キロだと6倍以上の7.4kWhまで増加します。（※1）

しかし空気抵抗が消費電力全体に占める割合は速度によって変わるので、実際の変化はそれほど劇的ではありません。
40km/hと100km/hを比較すると消費電力は1.9倍の増加に止まります。
高速道路を100km/hで走っていると全消費電力の57％を空気抵抗が占めますが、一般道を40km/hで走ると空気抵抗の割合は17％まで下がるからです。

平坦で渋滞の無い道路ならこの程度ですが、起伏があり信号が多い渋滞路では空気抵抗が占める割合はさらに下がります。
東京→小田原を例に空気抵抗が消費電力に占める割合を試算すると
高速道路を時速100キロ　56％
一般道を時速40キロ　7％
市街地の一般道路では空気抵抗以外の諸条件による消費電力が増え、結果として空気抵抗の影響が無視できるほどまで小さくなってしまいます。


空気抵抗には気温も影響します。
気温が下がると空気が重くなるので空気抵抗が増えます。
気温が30℃から0℃に下がると、空気抵抗は12％も増加します。

窓を開けても空気抵抗が増します。
全開にすると約3割大きくなるという例があります。（※2）
時速40キロだと走行抵抗は5％の増加にとどまりますが、時速100キロだと16％も増加します。

気圧の変化も空気抵抗に影響します。
台風の低気圧（960Pa)と強い高気圧（1060Pa)では、空気抵抗に10％の差があります。
高気圧の方が空気抵抗が大きいので、一概に「天気が良いと電費が良くなる」というわけではないようです。

湿度の違いも空気抵抗に若干の影響が生じますが、乾燥状態（湿度20％）と雨天（湿度100％）でも1％の差です。


《まとめ》

【空気抵抗】
　車体表面の空気との摩擦により発生する抵抗で、車速の二乗に比例する。時速70キロを超えるころから顕著に影響が出る。
　Ra = λSV＾2
　Ra ： 空気抵抗（kg）
　λ ： 空気抵抗係数（kg･sec2/m4）
　S ： 車両前面投影面積（m2）
　V ： 車両走行速度（km/h）


《注記》
記載内容、試算数値は随時変更します。
※1：走行条件は、メーター読み速度、気温20℃、一名乗車、乾燥した平坦路、純正タイヤ、車内機器電力7w/km
※2：http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1343333458

資料画像：「低燃費タイヤ等普及促進協議会」（経済産業省）
http://www.meti.go.jp/committee/materials2/data/g90126bj.html
「資料3 タイヤが自動車燃費に与える影響について」を加工して作成。
※経済産業省の利用許諾済  

自動車が移動するためには、いろいろな部品が回転するので、そこで転がり抵抗が発生します。
主な転がり抵抗の要因は、
・タイヤの変形
・路面とタイヤの接地面との摩擦

タイヤが受ける空気抵抗を含めても、転がり抵抗へのタイヤの変形による影響は9割にも及ぶので、他の要因はほとんど無視できます。


なぜ、タイヤの変形が転がり抵抗の主要因になるのか？
自動車のタイヤは走行中、常に変形させられているからです。

アリがちな誤解の一例として「堅いタイヤは変形しにくいから燃費が良くなる」というのがある。
タイヤが完全な剛体なら、そうなるはずですが、実際は画像のように変形しているから「堅いタイヤほど変形しにくいからエネルギーロスが多くなり燃費が悪くなる」です。


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タイヤがどの程度燃費（電費）に影響するかというと、
一般的に燃費の良い運転ができるとされる信号や渋滞の無い快適な状態でドライブしていると、1/4はタイヤで燃費が決まってしまっている。


タイヤの転がり抵抗を減らすには低燃費タイヤの装着が手っ取り早いが、日頃の空気圧の管理を怠ると台無しです。
空気圧は自然に減るし、気温が下がればさらに減ります。
夏から冬へと季節が変わってもタイヤの空気圧を点検調整しなければ、燃費（電費）は5％悪くなる。
20kWhほどのエネルギーで走るEVだと1kWhに相当します。


転がり抵抗、転がり抵抗係数の関係を図示します。


《まとめ》

【転がり抵抗】
車輪がころがる際に生ずる路面との接触によるタイヤの変形エネルギー損失により発生する。ころがり抵抗係数と車両総重量に比例するが、車速には関係しない。
　Rr = Wμ
　Rr ： 転がり抵抗（kg）
　W ： 車両総重量（kg）
　μ ： 転がり抵抗係数


○資料画像：「低燃費タイヤ等普及促進協議会」（経済産業省）
http://www.meti.go.jp/committee/materials2/data/g90126bj.html
「資料3 タイヤが自動車燃費に与える影響について」を加工して作成。
※経済産業省の利用許諾済  

市街地や郊外で自動車を運転すると発進と停止を繰り返します。
この時に生じるのが加速抵抗です。
停止状態から定速まで速度を上げるために必要なエネルギーです。


逆に定速から停止状態までに得られるのが減速による回生エネルギーです。
EVやハイブリッド車は回生ブレーキにより減速でエネルギーを回収します。
しかし、回収効率は良くても7～8割、機械ブレーキ併用だと3～4割まで下がってしまうので、この差が加速抵抗として残ります。

（回生イメージ図）

加速と減速を繰り返す回数が多くなるほど、回収できなかった加速抵抗が加算されます。
信号や渋滞だけでなく、曲がりくねった峠道でもカーブの手前で減速し、その後加速という操作を繰り返すので加速抵抗が生じます。

加速抵抗をほとんど回収する方法もあります。
減速時にエネルギー回生を行わずに自然減速させると最も回収効率が良くなります。
判りやすく言えば、惰性で走ったほうが回生ブレーキを使うよりも効率が良いということです。

ところで、リーフはマイナーチェンジによって航続可能距離が14％向上しましたが、回生ブレーキの性能向上が大きく貢献しているようです。
日産では公開していませんが実車による走行データーの比較から、マイナーチェンジで10％以上の回生量増加となっているようです。

《まとめ》

【加速抵抗】
加速する際に発生する抵抗で、加速度及び車両重量に比例する。
　Rc =b/g（W+ΔW）
　Rc ： 加速抵抗（kg）
　b ： 加速度（m/sec2）
　g ： 重力の加速度（m/sec2）
　W ： 車両総重量（kg）
　ΔW：駆動機構の回転部分の慣性相当重量（kg）


○資料画像：「低燃費タイヤ等普及促進協議会」（経済産業省）
http://www.meti.go.jp/committee/materials2/data/g90126bj.html
「資料3 タイヤが自動車燃費に与える影響について」を加工して作成。
※経済産業省の利用許諾済  

自動車が走るために必要なエネルギー効率を一般的には燃費、EVでは電費と称しますが、その仕組みについてEV電力消費シミュレーターの開発で得られた情報を自分なりにまとめようと思います。
第一回は、走行抵抗の概要について。

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自動車の走行時には、
・速度を増すことによる加速抵抗
・タイヤの変形に伴う転がり抵抗
・空気抵抗
・坂道での勾配抵抗
・回転部分の摩擦抵抗
が作用し、これらの走行抵抗に打ち勝つために動力が使われます。


平地での定速走行時に作用する抵抗は、主に転がり抵抗と空気抵抗です。
低速では空気抵抗は小さく、タイヤの転がり抵抗の寄与が大きくなります。
しかし、空気抵抗は速度依存性が大きく、大体70 km/hを超えると走行抵抗への寄与は逆転するようになります。

10・15モードでの走行抵抗への寄与の構成※1は
・加速抵抗60％
・転がり抵抗20～30％
・空気抵抗５～10％
となっており、動力の大部分は加速に費やされています。

より日常の走行に近づけたJC08モードで寄与の構成※2は
・加速抵抗が54％
・転がり抵抗が23％
・空気抵抗が15％
・その他が8％
とされています。

加速抵抗の割合の大きさから、市街地や郊外での走行はアクセルとブレーキの使い方が燃費（電費）に大きく影響していることがわかります。

○参考資料　
※1タイヤと燃費 - 日本ゴム協会　豆知識
※2ブリヂストン、「断トツの低燃費を実現した」新コンセプトタイヤ説明会 2013年3月5日発表

○転載画像：「低燃費タイヤ等普及促進協議会」（経済産業省）
http://www.meti.go.jp/committee/materials2/data/g90126bj.html
「資料3 タイヤが自動車燃費に与える影響について」を加工して作成。
※経済産業省の利用許諾済  

休日のお昼ご飯は、お弁当を持参して近所の風景を愛でながら食べることがあります。
今回は、高遠城址公園へ。

桜の名所として有名ですが、秋の紅葉シーズンにもお祭りらしきものをやっています。
日産リーフがバッテリー残量40％で往復できるお弁当スポットとして楽しませてもらいました。

たまたま朝TVを付けたら「NHKのキッチンが走る」は高遠編でした。（番組では伊那市という設定ですが）
ちょうどお昼時になったので、背中を押されるように、出発！

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思ったよりも人出は多いし、遠くから来ている。
姫路ナンバーも見かけました。
お弁当を持参していない人（ほとんどのお客さん）は、お決まりの高遠そば会場へ。


人混みをかき分けて歩く桜の時期と異なって、自分のペースで歩き、三脚を立てて写真を撮っても全く邪魔になりません。


色付いているのはモミジだけなので、ちょっと物足りないが、絵になる場所も何カ所かあります。


一番鮮やかで、人だかりができていたのは駐車場脇のモミジ。


お弁当を食べるだけのために訪れたのに、この光景を見せていただいてありがとうです。


ちょっと冷え込んだから携帯コンロでお湯を沸かして温かいスープと奥さん手作りの弁当でお腹がいっぱい。
お昼寝に帰ります。
家に着いたらリーフのメーターは「－－－」
ちょうど40％で往復完了です。
  

リーフに乗り始めて1年と3か月。
自動車で出かけることが好きではなかったにも関わらず、リーフに乗りはじめたら昔の旅好きの虫が騒ぎ始めました。

今日はちょっと手が空いたので、リーフの軌跡を追ってみました。


黒線が走った道。
緑線が年内に走る予定の道。

群馬、長野、岐阜、富山の険しい山岳ロードを主に楽しんでいます。
国内屈指のビューロードがひしめき合っていることはもちろんですが、2千メートル級の峠越えをスイスイとこなすEV乗りは多くないので、充電渋滞に遭遇する機会が減るという利点もある。

バイクで日本中走り回った時にも行っていない所や再び行きたい所もたくさんあるので、来年の予定もそろそろ立て始めようかな。
混雑する関東を避けて来ましたが、実家のある伊豆は回っておきたいし、千葉にも久しぶりに足を伸ばしたい。
年度内に充電施設が拡充するようだから、2千～3千キロの旅も良いかもしれない。

日が暮れたら宿に入る、のんびりとした旅にリーフは適していますね。  

寒い冬に、できるだけ暖かく、なおかつできるだけ遠くへ行くためにリーフのポテンシャルを最大限に生かそうと工夫しています。

足元が冷える原因の一つがすきま風です。
フロントドアとボディーの隙間から冷気が吹き込んでしまうからです。
市販のすきまテープを張り付けることで、すきま風を遮断しています。


体感的な効果は少なからずあります。
具体的にどの程度になるのか概略で試算してみます。

《条件》
住宅用の普通ドアと同程度の気密性能（A-3等級)相当と仮定する。
時速100km/h、気温0℃、室内温度20℃

室内外の気圧差は30Paで、すきま風量は一平米あたり25m3/hになる。
ざっと計算すると、ドア一枚当たりで120w、左右のドアからだと120w×2＝240wになります。
エアコン（ヒーター）を使っていれば、二時間で約0.5kWhのバッテリー消費です。

高速道路を200km走れば、すきま風テープだけで約0.5kWh節電できる可能性があるのなら、やる価値がありそうです。

《商品説明》
セメダイン（株）の「すきま用テープ」を使用したが、2mの長さで数センチ余るだけでした。  

4月に12vバッテリーをディープサイクルに替えてから初めての点検です。
先日のディーラーによる24ヶ月点検でなにも指摘されなかったので不具合は無いと判っていますが、これから寒い冬はバッテリーを酷使することになるので現状を正確に把握しておく。

比重は、最大が1.34、最少が1.32。
申し分のない状態を維持しています。

電圧は、13.75V
これも言うことなし。

CCAは、EV用の12Vバッテリーは始動性は求められていないからあまり関係ないけど一応測定。
平均CCA=282で標準バッテリーの295よりも若干低め。

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EVの12Vバッテリーに大容量の高性能バッテリーは必要ないというか、求められている特性に適していません。
いわゆる大きなバッテリーとは、CCAが大きい、すなわち冷間時の始動性に優れているもののことを指している。
セルモーターを回さないEVには無用の長物です。

リーフは暖房のためにシートヒーターやハンドルヒーター（初期の標準型にはないけど）、後付の様々なヒーターで12Vバッテリーから供給される電力が多い。
走行中は常時充電状態だから問題ありませんが、停車時や駐車時に消費する電力で疲弊しやすいので注意が必要ですね。
初期搭載の純正バッテリーが二年半で交換を余儀なくされたので12Vバッテリーへの負荷は厳しいと予想されます。
（ガソリン車だとしっかり管理すれば8年は問題なく使えてます。）

電力の出入りが多いのでセルモーターの始動性のみが求められる一般自動車用は適していない。
適していないけど安く手に入るので、EVの純正バッテリーは一般自動車用という若干の矛盾が生じています。

この点でディープサイクルバッテリーは信頼性が全く違います。
さらに、自宅に駐車時は常時フロート充電しているので、バッテリーの状態は常に良好に保たれるはずです。
リーフは12Vバッテリーを過充電しないように制御しているので長持ちするディープサイクルバッテリーよりも走行用のリチウムイオンバッテリーの方が先に劣化するでしょうね。  

50kW型の急速充電器で、充電量が減り始めるタイミングをグラフにしました。

Leafspyの記録だと急速充電器は、393Vまで定電流、393Vに達すると定電圧で充電するという特性があります。
しかし、温度の条件で特性に変化が生じます。
393Vに達する前に充電電流量が絞られたタイミングをプロットしたグラフです。

傾向としては、温度が下がれば電流値を絞り始めるSOC（充電率）も下がります。
ただし、バッテリー温度と気温が相互に作用している印象です。

旧型の急速充電器は充電率を設定できたから時間をかければ希望する量の充電も可能でしたが、現在普及している認証機付きの充電器は30分制限です。
温度条件によって30分で充電できる電気の量が変わります。

経路充電を何度も繰り返しながら遠出するための計画には、「どれだけ充電できるか」が極めて重要です。
冬は特に気を使います。
電池温度の推定は困難だと思われるので、充電器が充電してくれる量を正確に試算するのは、電力消費シミュレーターを開発した時よりも難しいかもしれない。