Aug. 4th 2003 Team Prominence 宮村智也 ‘０３ソーラーカーレース鈴鹿エネルギ消費傾向の解析１．目的 ‘０３ソーラーカーレース鈴鹿におけるTeam Prominenceのエネルギ消費傾向を把握し、次大会への資とする。２．結論１）レース中の発電電力と搭載バッテリ量本年度の天候は曇りであり、最大発電能力４８０Wに対し、レース中の平均発電電力は２０４Wであった。事前の机上検討では平均発電電力を３５０Wと見込んでいたため、ゴール時の蓄電池残容量は４０％と推定したが、実際のゴール時蓄電池残容量は０％となった。したがって、本仕様のソーラーカーでは蓄電池積載量をこれ以上減らすことはできないといえる。２）未使用蓄電池の長期保存による性能劣化傾向使用した鉛蓄電池は、昨年のテスト結果では電流容量は２６Ahであったが、今年のレースでは２８Ahの容量が確保できた。したがって、１年間のバッテリ保存による性能劣化はないといえる。昨年のテスト結果を上回る性能となったのは、電池温度の差と放電パターンの差によるものと考えられる。３）レース中のエネルギ分担 Team Prominenceが搭載した蓄電池重量は３７．６ｋｇであり、これは競技規則で定められた上限値（８０ｋｇ）に対し５０％以下の蓄電池量である。しかしながら、レース中の総消費電力に対する太陽電池による発電量は４０％であり、６０％は蓄電池の電力によってエネルギがまかなわれたことになる。仮に大出力モータを搭載して蓄電池積載量を８０ｋｇとした場合、太陽電池から供給されるエネルギは総消費電力量の２５％以下になるものと考えられるので、これをソーラーカーレースといってよいのか疑問が残る。３．‘０３鈴鹿・Team Prominence車両仕様表１車両仕様項目車名形式車両総重量太陽電池形式太陽電池種類最大発電能力蓄電池形式蓄電池種類搭載蓄電池重量蓄電池容量仕様ザ・ウインド・フロム・ザ・サン Prominence 4X-5 195kg FT-132E（昭和シェル石油）シリコン単結晶 477.8W FPX12240H(古河電池）制御弁式鉛酸蓄電池 37.6kg 24Ah/20h 備考原動機形式 DDW4060D(本田技研工業）原動機種類動力伝達機構変速機形式最大電力追尾装置形式最大電力追尾装置方式永久磁石式同期電動機外装式チェーン変速機・前進７段シマノXTR PT208HV(波越エレクトロニクス）搭載台数は１台３点電力逐次比較式乗員・蓄電池を含む搭載枚数は１２枚搭載個数は４個値はカタログ公称値・搭載台数は１台(最大出力600W) ・制御回路・電磁部は量産と同一・冷却方式を通風冷却に変更図１車両概観４．諸データの取得方法 Team Prominenceは‘００秋田大会より、走行中に運転者が蓄電池の使用状況と時間配分を逐次判断するため、PCベース計測システムを採用している。本システムは蓄電池の残容量推定機能とデータロガー機能を有している。本報告ではこのデータロガー機能により得たデータよりエネルギ消費傾向を算出した。表２計測システム仕様項目 A/D変換器 A/D変換部仕様サンプリングレート計装アンプ計装アンプ仕様ソフトウェア OS CPU メモリストレージ仕様備考 DAQCard-700(National Instruments）差動入力６ｃｈ・分解能12bit 1000sample/sec モータ電流リプル周波数より決定 Prominence内製絶縁増幅器×１電流センサ用アンプ×２電流センサはLA-50(LEM製）タコメータ用F-V変換器×１ Prominence内製 LabVIEW5.0.1にて作成 Windows 95 Libretto 50（東芝）流用 Pentium 75 ３２MB ４MBメモリースティックモータ回転数モータ消費電力→ モータ消費電流→ ←バッテリ残量推定値太陽電池発電量→ ↑バッテリ電圧 ↑バッテリ電流 ↑バッテリ平均電流（ドライバーは平均電流が目標値に収束するようにドライブする）図２計測システム測定項目と画面構成４．レース結果エンジョイクラス（総発電量４８０W以下・競技時間４時間）のエントリ台数は４４台、うち決勝出走は４２台であったが、Team Prominenceは２６周回を走り14位となった。ちなみに、１３位以上のチームは全て最大出力３ｋW以上の大出力モータ搭載チームである。表３順位表（４時間耐久） Pos. No. Team Type Laps Total Time Delay 1 69 紀北工業高等学校生産技術部 KIHOKU SOLAR 41 4:01'54.785 59.05km/h 2 57 長野県工科短期大学校 Fizzer15 39 4:04'03.333 2Laps 3 71 宇都宮工業高校科学技術研究部 UK-hope 80th 39 4:05'00.769 2Laps 4 87 長野工業高等学校 Big Wave Type-R 38 4:02'32.127 3Laps 5 79 東京工業大学ＭｅｉｓｔｅｒＯＢ SilverFluke 480 38 4:04'02.174 3Laps 6 78 ＴＥＡＭＴＨＯＵＳＡＮＤ Sky high 37 4:05'07.988 4Laps 7 52 ＯＬＹＭＰＵＳＲＳ OLYMPUS RS-4 36 4:01'44.148 5Laps 8 55 バカボンズ LAKE WINDⅢ 36 4:05'27.980 5Laps 9 67 中日本自動車短期大学 SUN BIRD 34 4:06'12.346 7Laps 10 73 堺工業高校ｿｰﾗｰｶｰﾁｰﾑ Phehix UF 31 4:01'13.664 10Laps 11 58 大阪府西野田工業高校機械研究部 NSR-03SS 30 4:00'23.914 11Laps 12 89 府立今宮工業高校ソーラー研究部 Swallow-Wing 30 4:08'32.098 11Laps 13 81 高松高専 BlauGlanz 29 4:08'43.057 12Laps 14 74 ＴｅａｍＰｒｏｍｉｎｅｎｃｅ Prominence4X-5 26 4:07'30.187 15Laps 15 88 大阪産業大学附属高等学校 SANDAIKO 25 4:04'35.794 16Laps 16 86 ＴｅａｍＤＤＷ MSB03 24 3:55'15.725 17Laps 17 85 岐阜県立可児工業高等学校 KANIKOU 24 4:02'11.384 17Laps 18 54 宮崎工業高校ｿｰﾗｰｶｰﾁｰﾑ M-2 24 4:03'34.284 17Laps 19 60 富山県立大沢野工業高等学校 STAR ANGELⅥ 24 4:04'06.579 17Laps 20 83 延工電子ｿｰﾗｰｶｰﾁｰﾑ ELEPANI 1C 24 4:05'22.047 17Laps 21 91 愛知県立豊田工業高等学校 HELLO-WIN 23 4:00'42.970 18Laps 22 62 龍谷大ソーラーカープロジェクト RONRON 22 4:04'12.300 19Laps 23 64 ポリテクカレッジ成田 PLODUCT-TECH-1 21 3:46'05.845 20Laps 24 75 ＨＡＬクラブ HAL Sunny Ⅴ 21 3:57'23.910 20Laps 25 93 立命館大学太陽ｴﾈﾙｷﾞｰ研究室 NEW AGE 21 4:07'14.217 20Laps 26 61 三重県立津工業高等学校 TENTELRaisedSun 20 3:58'00.831 21Laps 27 65 つくば工科高等学校 Sun Force 20 4:00'34.705 21Laps 28 77 西脇工業高等学校 Advance 20 4:03'15.938 21Laps 29 59 職業能力開発総合大学校 NOKAIDAI6GOKAI 19 4:03'09.134 22Laps 30 *84 ＦＩＴ福岡工業大学 FITTER 17 4:02'09.316 24Laps 31 70 シューレ大学 TRICHYCHROⅡ 16 4:00'53.381 25Laps 32 68 三重大学教育学部技術科 EduTechⅢ 16 4:02'36.308 25Laps 33 63 ＡＴＨＳ KIRYU 16 4:08'14.394 25Laps 34 66 石川県立羽咋工業高校メカトロ部 A･R-KAI 15 3:58'06.626 26Laps 35 53 ゴコウコウトウガッコウ RUNNA･ROUND 14 3:48'52.768 27Laps 36 90 山口短大手作り弁当’Ｓ NEZUMIMARU 11 4:06'02.948 30Laps 37 94 近畿経産局自主研・夢創造の会Ａ MUSOU ENERGY FC 10 4:02'23.450 31Laps 38 92 大阪府立佐野工業高校定時制 G･S･K･Ⅴ 9 1:41'34.704 32Laps 39 56 石川県立小松工業高等学校 CollaborationⅢ 9 3:48'36.399 32Laps 40 76 タブラヂ・レーシングチーム HOLS 9 4:04'41.693 32Laps 41 80 池田技研工業 GAUDI 4 4:02'09.230 37Laps 82 近畿大高専ソーラーカー SOLARRI2003 0 41Laps ５．レース中の各部状況１）太陽電池による発電量スタート（７：２０）からゴール（１１：２０）までの発電電力の時間推移をグラフ１に示す。グレーのラインは各時間における計測値、赤のラインは２０点の移動平均値である。グラフ１発電電力の時間推移 450 計測値 400 350 20点移動平均発電電力[W] 300 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 経過時間[min] 200 250 300 レース時間中は雲量７∼９程度の曇り空であった。レース後半は一時太陽が顔を出し強い日射があったが、発電量と時間の相関は弱く、雲量に発電電力が左右されたといえる。グラフ１よりレース中の発電電力をまとめると表３のとおりとなる。表４発電電力まとめ項目平均発電電力最大発電電力総発電電力量実測値 204 428 839 単位 W W Wh 最大発電電力より、太陽電池と最大電力追尾装置の動作に問題はなかったといえる。また、平均発電電力より、当初の検討値（平均３５０W）は甘い見通しであったといえる。２）蓄電池の放電傾向スタート（７：２０）からゴール（１１：２０）までの蓄電池放電電力の時間推移をグラフ２に示す。グラフ２バッテリ電圧・積算放電電流推移 70 35 30 ↓蓄電池電圧[V] 50 バッテリ電圧[V] ←積算放電電流[Ah] 25 20 40 15 10 30 ←放電電流 [A] 20 積算電流[Ah] 放電電流[A] 60 5 0 10 -5 0 -10 0 50 100 150 経過時間[min] 200 250 300 決勝で使用した蓄電池は昨年の単体放電試験結果より、組電池の状態で端子電圧３０Vを放電終始電圧として２６Ah（４時間率）を確認している。決勝時のデータでは４時間で２8Ahを記録しており、昨年の試験結果を上回る性能を発揮した。本電池は満充電のまま１年間保管しているが、これによる性能劣化はないといえる。単体放電試験結果を上回る性能が得られた理由として、次の項目が考えられる。・電池の使用温度の差（温度が高いほうが化学反応が促進され容量が増加）・放電パターンの差（単体試験では定電流放電だが実際は間歇放電＋充電）・単体試験時のエージング効果による容量増ただし、これらの効果を定量的に把握することは困難であり、エネルギマネジメント上はこれらに期待することは避けるべきであると考える。グラフ２より蓄電池の使用状況をまとめると以下のとおりとなる。表５蓄電池使用状況まとめ項目平均放電電流蓄電池容量* 蓄電池電力量実測値 7.0 27.9 1261.5 単位 A Ah Wh ＊４時間率３）モータの使用状況鈴鹿サーキット１周でのモータ回転数とモータ消費電力は次のとおりである。グラフ３レース中のモータ回転数と消費電力 (代表例) 1200 ←回転数 1000 モータ回転数[rpm] モータ消費電力[W] ←消費電力 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 時間[min] output power[W] DDW４０６０は、500rpm∼700rpmの範囲で最大出力をとり、このときの効率は65%程度である。また、800rpm付近で最大効率（ 85%程度）をとり、このときの軸出力は350W程度である。（グラフ４）グラフ４ DDW4060 出力・効率特性 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 85 75 80 70 65 60 50 100 200 300 400500 600 700 800 9001000 Motor Speed(rpm) 20 30 40 50 60 70 80 90 Efficiency[%] したがって、登坂時は最大出力領域を、平地・降坂時は最大効率付近を使用すべく前進７速の変速機を採用した。結果、４時間で２６周回、平均速度３８km/hを最大出力600Wのモータで達成することができた。表５にモータ使用状況をまとめたものを示す。表６モータ使用状況まとめ項目平均消費電力最大消費電力実測値 485.9 1137.0 単位 W W ６．考察・レース中のエネルギ分担の内訳について前項で示した各部状況より、４時間２６周回に要した電力量と、そのエネルギ分担をまとめると次のとおりとなる。グラフ5 レース中のエネルギ分担太陽電池から供給した電力量８３９Wh 蓄電池から供給した電力量１２６２Wh 40% 走行に要した電力量２１０１Wh 60% Team Prominenceのバッテリ積載量は３７．６ｋｇであり、規定の半分以下であるが、それでも４時間耐久では必要エネルギの６０％を蓄電池でまかなっている。仮に、現在の車体に大出力のモータと８０ｋｇの蓄電池を搭載し、今年と同等の日射量でレースを行った場合、エネルギ分担の内訳は次のようになるものと推定される。グラフ6 バッテリ８０kg搭載時のエネルギ分担太陽電池から供給できる電力量８３９Wh 24% 蓄電池から供給できる電力量２６８５Wh 走行に使用できる電力量３５２４Wh 76% 蓄電池８０ｋｇ搭載の場合、太陽電池によるエネルギ供給は全体の1/4以下であり、これではモータと蓄電池勝負といわざるを得ない。また、単純計算ではTeam Prominenceの場合、現在のモータを使用すれば太陽電池は必要なくなることになる。これではソーラーカーの競技とは言いがたいと考える。したがって、少なくとも４時間耐久では蓄電池搭載量を８時間耐久の半分以下（４０ｋｇ以下）とする検討も必要ではないだろうか。