1

エネルギー課題と自動車社会の将来

～エレクトロニクス技術革新～

トヨタ自動車株式会社

技監 渡邉 浩之

ISIT第7回カーエレクトロニクス研究会九州大学第２回オートモーティブサイエンスコンソーシアム

2010年9月17日

2

第1章 はじめに

第2章 自動車社会の課題

第3章 自動車社会の将来

3-(1) 電動ハイブリッド化

3-(2) 社会システム

3-(3) 自動運転

3-(4) ツナガル技術でユビキタス化

第4章 終わりに

目 次

3

目 次

第1章 はじめに

第2章 自動車社会の課題

第3章 自動車社会の将来

3-(1) 電動ハイブリッド化

3-(2) 社会システム

3-(3) 自動運転

3-(4) ツナガル技術でユビキタス化

第4章 終わりに

4

自動車が実現してきたこと

移動能力の拡張(人､モノ）自由・便利 「いつでも、どこでも、どこへでも」

移動可能な私的な空間

モビリティの発展が経済の成長、社会・文化の発展を支えてきた

5

目 次

第1章 はじめに

第2章 自動車社会の課題

第3章 自動車社会の将来

3-(1) 電動ハイブリッド化

3-(2) 社会システム

3-(3) 自動運転

3-(4) ツナガル技術でユビキタス化

第4章 終わりに

6

自動車社会の課題

環境・エネルギー課題 1. CO2削減

2. 代替エネルギーへの対応

社会的課題 3. 交通渋滞

4. 交通事故

5. モビリティの地域格差

6. 品質

7. 若者の自動車離れ

環境・エネルギー課題も踏まえた自動車交通社会システムの革新が必要

7

＜全世界CO2排出量（発生源別）＞

出典：IEA/WEO機関2004

2002年実績

・運輸セクターの割合は23％・CO２抑制には各セクターの総合的な対策が必要

課題1．ＣＯ２削減

民生１５％

産業１９％

発電４３％

運輸２３％

8

Argentina’s Upsala Glacier was once the biggest in South America.

It is now disappearing at a rate of 200 meters per year.

Melting

Ice

(Source：GREENPEACE)

9

Scientists predict that sea levels could rise by up to 88cm in the next century. Low-

lying islands such as Tuvalu in the Pacific are threatened. These images, taken on

the same day this year, show the effects of a higher than usual tide.

Vanishing

Islands(Source：GARY BRAASCH)

10

課題2．代替エネルギーへの対応

米国鉱山局

後２０～５０年で原油可採量のピークとなる可能性あり

石油の将来

11

バイオ資源量

世界の自動車の消費エネルギー（2002年）

58EJ

38EJ

現状利用可能なバイオマス資源から変換される液化燃料

森林・草木の利用（２％）

19EJ

19EJ

EJ=1018J

①森林（木質）

1436②海洋

934

③草木（草原）

483

⑥木質廃棄物 37

⑤畜産廃棄物 43

⑦作物（食用等）

21

④農業廃棄物

48

3007

2020年

130～150EJ

≪

12

1980年以降のインドネシア等における森林減少の大半はプランテーションの影響

森林開発に伴って熱帯雨林に生息する種々の生物が絶滅するといわれている

プランテーション開発に伴う違法伐採の併発（奥地の森林に違法伐採が拡大）

1960 1980 2000 2010予想

赤いプロットが森林を表す

森林消失と生態系への影響スマトラ島でのパームプランテーション拡大

バイオ燃料が産業として本格活動する場合には環境破壊への歯止め(規制等)必須

13

将来の自動車エネルギー

石油

電気（水素） バイオ

Sweden 2030METI 2100

出典：トヨタ自動車（株）

５０

１０

２０

３０

４０

５０

６０

７０

８０

９０

２０

３０

４０

５０

６０

７０

９０

１０ ２０ ３０ ４０ ６０ ７０ ８０ ９０

METI 2030８０

Shell 2050

14

課題３．交通渋滞

20km/h未満

20～30km/h

30～40km/h

40km/h以上

国道・県道・高速道路の平日朝夕の平均速度

出典：国土交通省関東地方整備局

平均速度の違いによる排出ガス量比

（10km/hを100とする）CO2排出量比

NOX排出量比

10km/h 30km/h 60km/h（平均速度）

0

0

50

50

100

100

15

目 次

第1章 はじめに

第2章 自動車社会の課題

第3章 自動車社会の将来

3-(1) 電動ハイブリッド化

3-(2) 社会システム

3-(3) 自動運転

3-(4) ツナガル技術でユビキタス化

第4章 終わりに

16

（１） 電動ハイブリッド化

（２） 社会システム

（３） 自動運転

（４） ツナガル技術でユビキタス化

自動車社会の将来

17

電動ハイブリッド化

① ハイブリッド（ＨＶ）

② プラグイン・ハイブリッド（ＰＨＶ）

③ バッテリーカー（ＥＶ）

④ 燃料電池ハイブリッド（ＦＣＨＶ）

1801

ｺｰｽﾀｰHV(1997)

初代プリウス(1997)

97 04

ｴｽﾃｨﾏHV(2001)

ｸﾗｳﾝﾏｲﾙﾄﾞHV(2001)

ハイブリッド車販売(世界販売)

2代目プリウス(2003）

ハリアー HV（2005）

累計268万台（2010年7月末）

クルーガー HV

（2005）

0705

GS450h(2006)

06

ｱﾙﾌｧｰﾄﾞHV(2003）

LS600h(2007)

クラウンHV(2008)

08 09

RX450h(2009)

10

•••

ＨS250h(2009)

SAI(2009)

新型プリウス(2009)

19

Ｅｎ

ｅｒｇ

ｙ

Ｔｉｍｅ

＋

－

制動エネルギー回収

余剰エネルギー貯蔵

不足エネルギー供給

エンジン停止

Battery

ＨＶのエネルギーマネージメント

エンジンの運転状況

走行に必要なエネルギー

20

1st system (1997) New system(2009)2nd system(2003)

Vehicle

Exterior

EngineOutput

MotorOutput

Battery(NiMH)

First Mass Produced HV,

Doubled Fuel Economy

43kW

33kW

21kW

57kW

50kW

25kW

Improved Power Performance

73kW

60kW

27kW

Improved Actual Fuel Economy,

Compact UnitsObjective

Overall

System

MotorMax Rev. 6,000rpm 6,400rpm 13,500rpm

Boost converter(Max. 500V)

Reduction gearHeat Management System

(Electric Water Pump, Exhaust Heat Recirculation)

High-rev. Motor

1.8L Atkinson + Cooled EGR

Boost converter(Max. 650V)

Mechanical path

Electrical path

Power control unit

Inverter

GeneratorBattery

Motor

Power split

device

1.5L AtkinsonEngine

ハイブリッドシステムの進展

FuelEconomy(10・15mode) 28km/l 35.5km/l 38km/l

288Ｖ240Ｖ

240Ｖ

21

ＩＰＭ（冷却器一体）

構成図外観図

インバータの構成

ﾓｰﾀ制御ECU

ＩＰＭ：Intelligent Power Module

22

ＩＰＭの構成

展開図

パワーデバイス（ＩＧＢＴ）

IPM駆動回路基板

AlNAl

Al絶縁基板 AlN

Al

Al絶縁基板

一括ロウ付け

はんだ

冷却器（Al）

パワーデバイス（ＩＧＢＴ）

パンチングメタル

放熱断面構造図（冷却器と一体化）

ＩＰＭ：Intelligent Power Module

ＩGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor

Al：ｱﾙﾐﾆｳﾑAlＮ：窒化ｱﾙﾐﾆｳﾑ

23

融点（C）

破壊電界 （V/cm）

熱伝導度（W/cmC）

3214 5

Si1

飽和電子速度（x 107 cm/s）

2

3

バンドギャップ （eV）1

2105

106

3k

2k

1k

GaN SiC 放熱性: x 3

高周波: x 10

高温動作: x 3耐放射線: x 3

倍数: SiC/Si比

低損失: x 100高耐圧: x 10

パワ－エレ技術 ｰ パワ－半導体の新材料

車載高温動作センサ

車載通信用低損失モジュール

青色 LED /青色レーザー基板

Inverter for HV

3 倍数: SiC/Si比

24

パワーデバイス

10 100 100 k1 k 10 k 1 M10

100

100 k

10 k

1 k

1 M

10 M

SCR

MOSFET

Bipolar

IGBT

GTO

スイッチング周波数 [Hz]

出力

[W]

10 100 100 k1 k 10 k 1 M10

100

100 k

10 k

1 k

1 M

10 M

SCR

MOSFET

Bipolar

IGBT

GTO

ＡＣｺﾝﾌﾟﾚｯｻｰ

イグナイタ

パワーシート

ＡＢＳ

ＥＰＳ

電スロ

アクティブヘッドレスト

ミラー

ＮＡＶＩ・ＡＶ

SCR：Silicon Controlled Rectifier ｼﾘｺﾝ制御整流器いわゆるｻｲﾘｽﾀ(thyristor)GTO：Gate Turn-Off thyristor ｻｲﾘｽﾀの一種

25

究極のエコカーを目指して

究極のエコカー

ガソリン ディーゼル 電気水素合成燃料バイオ燃料

ハイブリッド技術

適 地 適 車適 時

26

プラグインHVシステム(PHV)

Wel l to Wheel ベースのＣＯ2排出量

1.0

0.5

米国

プリウス プラグインハイブリッドカー

Wel

l to W

heel

排出量

（プリウス＝

１）

CO

2

ガソリン

E85

日本

フランス

25km走行(13kmEV走行) トヨタ試算

エネルギーの多様化（化石燃料から脱却への対応）と同時にCO2低減を実現し環境性能を向上する将来のポテンシャル有り

家庭用電源

ｴﾈﾙｷﾞｰ

ﾌﾞﾚｰｶｰ

MG1

MG2電池

単相AC100V～240V

双方向E/G ｶﾞｿﾘﾝ

ﾀﾝｸ

27

燃料電池自動車のＣＯ２排出量 現状LCA(Life Cycle Assessment)

FCHV ･天然ガス改質効率 ５８％・アルミ、炭素繊維は全て新材

製造原単位 ･アルミ：１４kg-CO２/kg・炭素繊維：２９．７kg-CO２/kg

ガソリン車 ガソリンハイブリッド車 燃料電池車 FCHV

28

0.80

Fine-N

0.37

G-vehicle G-hybrid vehicle FC vehicle

LS +100mm

4355mm (LS - 650mm)

4995mm

LS430Fine-N

Motor MotorFC Stack PCU&Battery H2 Tank

燃料電池自動車のＣＯ２排出量 FINE-N LCA

Fine-N

→ 5.7kg-CO2/kg→ 70% （From natural gas）→ 10%

・Carbon fiber : 29.7kg-CO2

・Hydrogen production : η WTT : 58%Bio

･Vehicle : η TTＷ： 50%・Aluminum : new

→ 60%→ recycled

29

<航続距離> ガソリン車並の実用航続距離500km以上（約830km(10･15モード)）を達成

<低温始動性能> ー30℃での始動、走行が可能

560km (350miles)カナダ（Timmins）寒冷試験

大阪－東京間の長距離走行試験

大阪 東京

スタート ゴール

燃料電池自動車への取組み

＜航続距離＞ ＜低温始動性能＞

30

① 多様な１次エネルギーの利用② 低燃料コストの可能性③ クリーン④ 長距離走行

① システムコストの低減② 水素インフラ

FCHV 期待と課題

期待

課題

31

WTW CO2発生量への製造時CO2固定の影響

「燃料電池自動車・水素供給インフラ整備普及プロジェクト」「燃料電池自動車・水素供給インフラ整備普及プロジェクト」

CO2 排出量 (ガソリン車=1)0.20 1.0

Gasoline車

Gasoline-HV

(天然ガス→水素)

0.4 0.6 0.8

Well to Tank

Tank to Wheel

水素製造時にＣＯ２を固定した場合

電気自動車（EV)火力発電

日本の現状（ミックス）バイオ・原子力

燃料電池自動車

(石炭→水素;推定）

燃料電池自動車

ハイブリッド車（ＰＨＶ）(50km走行時）23kmEV走行時

32

（１） 電動ハイブリッド化

（２） 社会システム

（３） 自動運転

（４） ツナガル技術でユビキタス化

自動車社会の将来

33

モビリティ性能評価

0

10

20

30

40

50

60

10 20 30 400

エネルギー消費率 (乗員ひとりあたり ) 〔KJ/sec・人〕

140

性能係数: 1.0

東京、小型車、１名乗車

ロスアンゼルス、大型ﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟﾄﾗｯｸ、１名乗車● 性能係数 : 0.86

性能係数: 7

１人乗コミューター ＥV、IW = 300kg

ファミリーカー ＰHV、2〜4名乗車、IW = 1,200kg

平均

車速

〔k

m/h

〕

乗客6人乗客30人 乗客1人

～ ～～～～

大型バス

●

●

歩行

自転車

●市街電車乗客20〜30人

7倍

郊外走行

市街地走行

●

V

Fo / Wo

34

新しい交通社会の実現

移動体及びエネルギー変換技術の革新

小型・軽量化、自動運転、自動隊列走行

プラグ・イン・ハイブリッド、電気自動車、燃料電池自動車

①原単位エネルギー消費量の低減

街づくりと一体となった

都市交通革新

・都市・道路インフラの整備

・ＩＴＳの導入

・ＴＤＭ活動

②交

通流

の円

滑化

③多様な交通手段の最適・快適組み合わせ・ユビキタス技術・自動駐車

0

10

20

30

40

50

60

10 20 30 400エネルギー消費率 (乗員ひとりあたり ) 〔KJ/sec・

人〕

140

性能係数: 1.0東京、小型車、１名乗車

ロスアンゼルス、大型ﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟﾄﾗｯｸ、１名乗車● 性能係数 : 0.86

性能係数: 7

１人乗コミューター ＥV、IW = 300kg

ファミリーカー ＰHV、2〜4名乗車、IW = 1,200kg

平均

車速

〔km

/h〕

乗客6人乗客30人 乗客1人

～～～～

大型バス

●

●

歩行

自転車

●市街電車乗客20〜30人

7倍

郊外走行

市街地走行

●

V

Fo / Wo

35

地産地消のエネルギー調達（スマートグリッド・ハイドロジェン）

エコタウンエネルギーマネジメントセンター

広域グリッド

原子力発電

風力発電

地熱発電

家庭用FC発電エネファーム

水素パイプラインメタン改質H2製造

副成生水素

水素スタンド

電気分解H2製造

事業用FC発電

太陽光発電

ホームＳＰ

シティＳＰ

プラントＳＰ

PHV・EV

充電スタンド

Hydrogen Ｓｔａｔｉｏｎ

Hydrogen Ｓｔａｔｉｏｎ

36

電力

情報 広告主

広告主

広告主

広告費

位置情報履歴など

日替り広告など

無線

* 将来的には単方向から双方向通信へ進化* コンテンツなどの充実により個々人の嗜好に応じたサービス提供が可能

スマートグリッド概念の中のEV/PHV

37

スマートグリッドとＩＴＳの連携

充電インフラ（Ｈ２スタンド）

38

ＩＴＳのキーテクノロジー

１ 検知技術

・カメラ画像処理・レーダー

２ 情報処理技術

・コンテンツ・情報処理・ソフトウエア・運用システム

３ 通信技術

・路車間通信・車車間通信・歩車間通信

４ 表示/操作/

搭載技術

・表示ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑ・表示技術・ＨＭＩ技術・搭載技術

５ 制御技術

・車両制御・インフラ制御・シミュレーション

39

（１） 電動ハイブリッド化

（２） 社会システム

（３） 自動運転

（４） ツナガル技術でユビキタス化

自動車社会の将来

40

プリクラッシュセーフティシステム

レーンキーピングアシスト

レーダークルーズコントロール

VSC （Vehicle Stability Control）

前方ミリ波レーダー

2003年 ハリアー

歩行者も検知

前方ステレオカメラ後方ミリ波レーダー

2006年 ＬＳ460

前方カメラ

2004年 クラウンマジェスタ2006年 ＧＳ450ｈ

ドライバーモニターカメラ

路車間通信

歩行者との通信車車間通信

インフラ協調システム

自動車の進化

41

認知ドライバーの状態 車両挙動など 外部環境認識

（顔向きなど）

自動車から自働車へ

判断

ＤＳＳコンピュータ（危険予知：危険の大きさに応じた最適な制御）

DSS：Driver Support System

統合制御システム

操作車両の制御 外部通信HMI

ロボット化i-unit トヨタ・パートナーロボット

Automotive to “Robomotive”

42

隊列・自動走行の技術開発

GPS＋IMU車車間通信

自動運転（ﾄﾞﾗｲﾊﾞ/無人運転）・車間距離制御・自動操舵（白線追従）

自動運転（ﾄﾞﾗｲﾊﾞ/無人運転）・車間距離制御・自動操舵（白線追従）

自動運転（ﾄﾞﾗｲﾊﾞ乗車）・速度制御・自動操舵（白線追従）・衝突防止（自動停止等）

・レーザレーダ・ミリ波レーダ

先頭車 後続車

車線保持制御 ①側方カメラ等による白線認識②GPS+デジタル地図によるFF操舵制御③白線ベースFB操舵制御

①側方カメラ等による白線認識②GPS+デジタル地図によるFF操舵制御③白線ベースFB操舵制御

速度制御 ④GPS+デジタル地図による速度制御 ④GPS+デジタル地図による速度制御

隊列車間距離制御 （障害物回避制御で対応） ⑤車車間通信による車間距離制御⑥レーザレンジファインダによる車間距離制御

CCDカメラ

出典：（財）日本自動車研究所

43

隊列走行空気流体シミュレーション例

44

ロボット化・自働化

① レーダークルーズコントロール

② 電子隊列走行

③ 自律自働運転

45

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency（動画5:50）

46

（１） 電動ハイブリッド化

（２） 社会システム

（３） 自動運転

（４） ツナガル技術でユビキタス化

自動車社会の将来

47

都市内交通システム

48

お先にどうぞ

になりました

青

ｻｸﾞ

減速伝播

＜システム全体像＞

交通量 多 きびきび加減速尐 ゆっくり加減速

車･車，路･車をつないで交通流を制御

合流支援

追い越し支援

サグ渋滞緩和

高速道路

短車間隊列走行

発進遅れ防止支援

最適加減速支援交通量によるミクロ／マクロ最適

一般道路

次世代交通システム : 交通環境とツナガル

49

交通環境とツナガル ｰ ＩＴＳスポットによる安全運転支援

前方障害物情報提供 合流支援情報提供

前方状況情報提供 標識情報

ＩＴＳスポット(DSRC)システム

DSRC;Dedicated Short Range Communication

50

ETCの効果

◇ 料金所の渋滞削減

CO2削減効果 利用率60% → 13万t-CO2／年

◇ 柔軟な料金制度時間帯別割引き等、料金による誘導・分散

◇ スマートICの整備高速道路へのアクセス向上、交通分散

ETCの更なる活用 【利用者】

利便性向上

【社会】

環境改善

地域活性化

【道路管理者】

経営効率化

（出展：国土交通省道路局 道路交通管理課 ITS推進室 「ITS効果事例集2007」 より）

交通環境とツナガル ｰＥＴＣによる環境改善

51

赤色＝渋滞黄色＝混雑水色＝順調

ﾌﾟﾛｰﾌﾞ車両走行軌跡

時刻

稼動ﾌﾟﾛｰﾌﾞ車両台数

稼動ﾌﾟﾛｰﾌﾞ車両平均速度

プローブ車両の動態（走行）状態イメージ

52

ITを活用した個々のお客様に対するダイレクトなサービス提供

個々人の嗜好に応じたカーライフ関連情報を提供(音楽、目的地情報…etc)

IT業界との連携領域

カ－ライフ情報提供

・安全/安心で快適なカーライフを支援・クルマを正常に保ち、万一の故障に素早く対応

リモートサービス

事故・盗難対応 市場品質・故障対応

センタ－連携

IT技術がキー

自動車の利用施設（ディーラ、修理工場、GS…）と一般情報（カーライフ）とツナガル

53平常時緊急時

万一の緊急時だけでなく平常時も遠隔支援サービス

緊急通報サｰビス

・緊急時の警察、消防への通報・路上トラブル時JAF手配

事故対応

・車内カメラ映像

・オートアラーム通知

・エンジン始動通知

・盗難車位置追跡

・リモートイモビ盗難対応

リモ-トセキュリティ

衝突時の確実な作動確保

キ－off 時も含め常時作動の保障

遠隔支援

制御システム並みの高信頼な作動保障

停車時

走行時

自動車の利用施設とツナガル ｰ リモ－トサ－ビス

54

ツナガル技術の課題

１．車車間通信・路車間通信・社会インフラとの通信技術高速移動体通信、狭域通信、高信頼性通信様々（国、地域、用途）な通信インフラへの対応通信障害時の機能保証

２．個人データ管理情報セキュリティー技術（個人情報保護、不正利用防止、データ流出防止）

３．情報センターに連携した車載システムトータル情報P/Fの開発、維持、更新

４．様々なHMIへの対応新規デバイス、センサー利用HMI地域・人種・個人志向に対応したHMI

55

目 次

第1章 はじめに

第2章 自動車社会の課題

第3章 自動車社会の将来

3-(1) 電動ハイブリッド化

3-(2) 社会システム

3-(3) 自動運転

3-(4) ツナガル技術でユビキタス化

第4章 終わりに

56

Carnot

(1796-1832)Maxwell

(1831-1879)

Davy

(1778-1829)

IT･ITS

都市･交通工学

流体力学

政策

税制

電気化学

高分子化学

心理学

市民運動

教育

サステイナブル・モビリティ

エレクトロニクス技術革新

・国家ビジョン

・大規模実証実験

・意図された統合

・破壊的創造

技術・研究経営

21世紀イノベーション

57

CO2フリー社会の実現

大気並の排気

2010年

20１X年

20XX年

ゼロエミッション

代替エネルギーへの対応

究 極

環境

危険に備える

安全危険を避ける

燃費と走りの両立

排気規制の先読みと早期対応

超高効率エネルギー社会実現

衝突ダメージの低減

Fun to Drive

上質な走り

インテリジェント化

広い室内

走行環境への適応

ドライバーへの適応

快適

“死傷者ゼロ“

誰もが安心して移動できる車社会の実現

お客様の心の満足を提供

“ワクワク” “感動”

高機能化・高品質化と低価格化との両立

カーエレクトロニクスの使命

58

サステイナブル・モビリティの実現

～ツナガル～IT･ITS技術

人と生活 自働車化技術

融合

交通流円滑化技術高速・大量・効率

モビリティの多様化都市空間・インフラ

自動運転技術

軽量化技術

プラグインHVEV

FCHV自動隊列走行

ロボット

協調調和

いつでもどこでも、どこへでも

安心・安全・快適・自由

ユビキタス技術価値観の多様化

魅力・活力

歴史・文化

コミュニティ

心・感情に関する技術

健康

高齢化

人・社会・地球の豊かさの創造

59

Ａｓｉａｎ Ｈｉｇｈｗａｙ (UNESCAP)