成果報告書詳細
管理番号20150000000632
タイトル平成26年度成果報告書 革新的新構造材料等研究開発 車体軽量化に関わる構造技術、構造材料に関する課題と開発指針の検討
公開日2015/9/1
報告書年度2014 - 2014
委託先名アーサー・D・リトル(ジャパン)株式会社
プロジェクト番号P14014
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成26年度成果報告書 革新的新構造材料等研究開発 車体軽量化に関わる構造技術、構造材料に関する課題と開発指針の検討 

本調査では、運輸機器軽量化に関わる技術についての調査・検討を実施し、「マルチマテリアル化技術ロードマップ」 を作成した。具体的には、市場と技術の“これまでの変化“の外挿により“今後の変化の見通し”を立て、マルチマテリアルによる軽量化シナリオを作成し、バックキャストにより技術課題・開発目標設定を実施した。従来のエンジン車を中心に、今後の革新的な構造材料が求められている構造部について議論した。
 CO2排出量規制をみると、欧州を先頭に今後も規制の厳格化が継続的に進み、年率4%程度の比率で強化され続けた場合、2030年には60g/km(燃費38km/L)程にまで到達する。一方、国内では次世代車は少なくとも2030年にハイブリッド車が20%以上、電気自動車及びプラグインハイブリッド車が10%以上普及する見通しにあり、欧州等先進国では同等の普及率が想定される。
また、JHFCの総合効率検討作業部会によるとハイブリッド 車のCO2排出量は、ガソリン車の3分の2程度となることから、プラグインハイプリッド車は電気自動車同様CO2を排出しないとすると、CO2排出規制と次世代車普及の影響から、従来車のCO2排出目標は2020年に104g/km、2030年に72g/kmとなる。
 次に、従来車の燃費改善における軽量化の貢献比率を考えると、従来車の燃費改善目標に対して、パワートレインの進化と軽量化は3:1の比率での貢献を期待されており、軽量化が担うべき割合は1/4程度とされている。パワートレインの進化は、ガソリンエンジンの熱効率向上で今後も継続的改善が進む見通しでありCO2排出規制にも従来と同等の貢献をするものと想定される。そのため、燃費改善目標に対する軽量化の貢献比率を4分の1とすると、軽量化による燃費改善目標は2020 年約1.1km/L増、2030年約3.6km/L増となる。
 また、エンジン車は、国土交通省調査より1.0km/Lの燃費向上には概ね100kgの軽量化 が必要となる関係にあることが知られている。加えて、グローパルでみて安全・快適・環境装備が占める重量は継続的に増加する傾向にあり、日本の平均的な自動車の場合、2014年比で2020年には43kg程度、2030年には127kg程度増加すると試算される。以上の試算結果よりCO2排出規制の対応には、少なくとも14年比で20年8%減、30年27%減の軽量化目標を達成する必要がある。更に、快適装備等重量化の影響分軽量化しなければならないと考えると努力目標として20年12%減、30年37%減を達成することが必要となる。
 軽量化シナリオとしてハイテンの高張力化を前提とするシナリオは、剛性が必要な部位での採用に限界が来るため材料置換が2020年までに必要となることが想定される。材料の特徴を活かし部位別に軽量化目標を達成することを前提とすると、潰さない部位向けにCFRP、外板向けにアルミを採用するシナリオが想定される。CFRPの実用化見通しを前提とすると、2020年に熱可塑性、2030年に熱硬化性CFRPの採用が進むシナリオが想定される。
英文要約In this research, ADL conducted research and analysis on technology related to transportation device weight reduction and created a “Multi-Material Technology Roadmap.” Specifically, we looked at the changes in the market and technology up until now, then extrapolating from there, examined the prospects for future changes. In doing so, we created weight reduction scenarios using multiple materials and then by backcasting, we identified technology issues and set development targets. Focusing on traditional engine vehicles, the discussion concerned structural parts and components which will require innovative materials in the future.

Looking at CO2 emissions regulations, they will continue to get stricter in the future, led by Europe. If they continue to be strengthened at around a rate of 4% every year, they will reach 60g/km (fuel efficiency of 38km/L) in 2030. Domestically, on the other hand, among next generation vehicles, at the very least, hybrid vehicles will make up over 20%, while electric vehicles and plug-in hybrid vehicles are projected to spread to over 10% by 2030, which is expected to be a similar penetration rate as Europe and other developed nations. Moreover, according to the JHFC’s (Overall Efficiency Study Project Committee), given the fact that HEV emissions will be 1/3rd less than those of gasoline engine vehicles and assuming that PHEVs will not emit the same level of CO2 as EVs, and given the impact of CO2 emission regulations and next generation vehicle penetration rates, traditional vehicle CO2 emission targets will be 104g/km in 2020 and 72g/km in 2030.

Next, considering the percentage contribution of weight reduction to improving fuel efficiency in standard vehicles, it is expected to contribute by a 1:3 ratio, in comparison with powertrain advances, and the role is needs to play is assumed to be 1/4th. Advances in powertrain technology are projected to continuously improve GE combustion efficiency, while in CO2 emissions standards as well, they are expected to contribute at about the same level as in the past. Thus, if weight reduction’s contribution rate is 1/4th, fuel efficiency improvement targets through weight reduction will be approximately 1.1km/L in 2020 and roughly 3.6km/L in 2030.

Furthermore, according to research by the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, engine vehicles were found to need to be reduced in weight by roughly 100kg in order to improve fuel efficiency by 1.0km/L. Additionally, the portion of vehicle weight comprised by safety, comfort, and environmental gear is continuing to increase, and in the case of the average vehicle in Japan, by 2020 they will amount of a 43kg increase over 2014, and are estimated to increase by 127kg by 2030. And based on the results of the above calculations, it will be necessary in 2020 to reach weight reduction targets of 8% less than 2014 levels, and 27% by 2030, in order to comply with CO2 emissions standards.

In terms of weight reduction scenarios, ones which assume the high tensile strength of HTS steel face impending limits on its use in parts that require rigidity, and so it is expected that replacement material will be necessary by 2020. Assuming the use of unique material features in each separate part/component in order to achieve lightweight targets, it is expected that CFRP will be used in parts that do not crumple, while aluminum will be used on exterior panels. Based on the assumptions for the commercialization of CFRP technology timeframes, we assume a scenario in which thermoplastic CFRP will be in actual use in 2020, and thermosetting CFRP will be in use by 2030.
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