| 【発明の名称】 |
自動車 |
| 【発明者】 |
【氏名】土井 俊哉
【氏名】今橋 甚一
【氏名】山賀 賢史
【氏名】加茂 友一
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| 【要約】 |
【課題】本発明の目的は、効率が高く、走行距離の長い電気自動車，ハイブリッド車を提供することを目的としている。
【解決手段】蓄熱機構と蓄冷熱機構を同時に備えることが特徴である。独自に制御可能な熱生成機構と冷熱生成機構を備えるとより効果的である。蓄熱機構，蓄冷熱機構，熱生成機構，冷熱生成機構をより効果的に制御するために、当該自動車がその時刻に制動を掛けているか否かを検出する制動機構、とその時刻でのバッテリーの容量検出機構と、その時刻において当該自動車としては熱を必要とするのか或いは冷熱を必要とするのかを判定する温度判定機構と、それらのデータを評価して適切な運用を行う為の判定・指示を行う制御機構を備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】電気エネルギーを用いて駆動力の全て及び一部を得る自動車において、蓄熱機構と蓄冷熱機構の両方を具備することを特徴とする自動車。
【請求項２】バッテリーに貯蔵された電気エネルギーを用いてモーターを動かして動力を得る電気自動車において、蓄熱機構と蓄冷熱機構の両方を具備することを特徴とする自動車。
【請求項３】内燃機関とモーターとバッテリーを備えるハイブリッド機構を有する自動車において、蓄冷熱機構を具備することを特徴とする自動車。
【請求項４】燃料電池とバッテリーとモーターを備える自動車において、蓄冷熱機構を具備することを特徴とする自動車。
【請求項５】請求項１ないし４において、該蓄熱機構及び該冷蓄熱機構が水に蓄熱或いは蓄冷熱することを特徴とする自動車。
【請求項６】電気エネルギーを用いて駆動力の全て及び一部を得る自動車であって、制動の有無を検出する制動検出部と、その時刻に自動車全体としては熱を必要とするか冷熱を必要とするかを判定する温度判定機構と、制動時の運動エネルギーを熱に変換する熱変換機構と、制動時の運動エネルギーを冷熱に変換する冷熱変換機構と、前記熱を貯蔵する熱貯蔵機構と、前記冷熱を貯蔵する冷熱貯蔵機構と、それらをコントロールする制御機構を備えることを特徴とする自動車。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電池エネルギーを用いて駆動力の全て及び一部を得る自動車，列車等の移動体に関するものであり、エネルギー効率を高めるためのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、バッテリーとモーターで駆動力を得る電気自動車においては、自動車の制動時には自動車の運動エネルギーで発電機を回して発電し、その電気をバッテリーに充電することでエネルギー効率を高めていた。しかしながら、バッテリーの充電受け入れ性能・容量以上の電気エネルギーは、熱にして外部に捨てていた（例えば、バッテリーが満充電の時に電気自動車が下り坂を走行中の場合等）。また、内燃機関とモーターとバッテリーを備えるハイブリッド車においては自動車の制動時には自動車の運動エネルギーで発電機を回して発電し、その電気をバッテリーに充電することでエネルギー効率を高めていた。しかしながら、バッテリーの充電受け入れ性能・容量以上の電気エネルギーは、熱にして外部に捨てていた（例えば、バッテリーが満充電の時に電気自動車が下り坂を走行中の場合等）。
【０００３】また、燃料電池とバッテリーとモーターを備える燃料電池自動車においては自動車の運動エネルギーを他のエネルギーに変換する機構を備えていないため、制動時の運動エネルギーを回収することはできなかった。
【０００４】例えば、特開平6−319203 号公報では、エネルギー回収装置付き電気自動車として、電気ブレーキによって発生する電気エネルギーを蓄電池に充電する機構を備えた電気自動車において、電気ブレーキ中に発生した電気エネルギーによって蓄電池が損傷を受けなように、蓄電池の受け入れ性能以上の電流は熱として外部に放出する機構となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、電気自動車及びハイブリット車では、バッテリーの充電受け入れ性能・容量以上のエネルギーを回収することができないため、エネルギー効率が良くなかった。また、燃料電池車においても、エネルギー回生の手段を持たないためエネルギー効率が良くかった。
【０００６】そこで、本発明では自動車の制動時の運動エネルギーを別の形のエネルギーに変換し、貯蔵することで、エネルギー効率の高い自動車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、蓄熱機構と蓄冷熱機構を同時に備えることによって達成できる。その際、個別に制御可能な熱生成機構と冷熱生成機構を備えるとより効果的である。上記の蓄熱機構，蓄冷熱機構，熱生成機構，冷熱生成機構をより効果的に制御するために、当該自動車がその時刻に制動を掛けているか否かを検出する制動機構、とその時刻でのバッテリーの容量検出機構と、その時刻において当該自動車としては熱を必要とするのか或いは冷熱を必要とするのかを判定する温度判定機構と、それらのデータを評価して適切な運用を行う為の判定・指示を行う制御機構を備えるとより効果的である。
【０００８】また、燃料電池を搭載した電気自動車においては、水の電気分解によって酸素と水素を作る機構、及びそれらの酸素，水素を貯蔵する機構を備えることによっても、上記の方法と同様に、高効率な自動車を作製できる。
【０００９】バッテリーとモーターで駆動力を得る電気自動車においては、室内温度を下げたい場合にはクーラーを動かし、室内温度を上げたい場合にはヒーターを動かす必要があるが、エネルギー源は何れもバッテリーからの電気である。また、バッテリーを適切な温度範囲に保つ為に、バッテリーの加熱機構と冷熱機構が必要であるが、これらのエネルギー源もバッテリーからの電気である。
【００１０】ところで、電気自動車においては、制動時にモーター或いは発電機を回収して電気を発生し、それをバッテリーに充電することによって、運転の効率化を図っている。しかしながら、発電した電流が大きすぎる場合には全電流をバッテリーに充電することができないため、発電した電流の一部は熱に変換して、車外に捨てるしかなかった。また、バッテリーが満充電になった後は、発生する電気は全て熱に換えて車外に捨てるしかなかった。従って、エネルギー効率の観点からは、非常に長い下り坂にさしかかる可能性を常に考慮して、バッテリーの充電量は満充電に対して常に一定レベル以下に保つ様なシステムが好ましい（例えば、充電スタンドで充電する際には満充電の８０％までしか充電しない等）。しかしながら、電気自動車に必要とされるバッテリーの重量は重く、また価格も高いので、バッテリーを余裕を持って使うようなことは経済的でない。
【００１１】ところで、上述のように電気自動車では熱、或いは冷熱を必要とするので、この系統に熱を貯蔵する機構及び冷熱を貯蔵する機構を付加することで、バッテリーに回収できずに熱として従来は捨てていた電気エネルギーを有効に回収することができる。当該電気自動車が熱を必要としている場合には、ヒーターに回生電流を流して熱を発生し、その熱を貯蔵しておき、必要なときに熱を取り出すことによって回生エネルギーをより有効に活用できる。また、当該電気自動車が冷熱を必要としている場合には、クーラーに回生電流を流して冷熱を発生し、その冷熱を貯蔵しておき、必要なときに冷熱を取り出すことによって回生エネルギーをより有効に活用できる。本発明によれば、熱及び冷熱の発生，分配系統に、新たに貯蔵部分を付加するだけで済むので、僅かなコスト増で、より効果的なエネルギー回生が可能となる。
【００１２】尚、熱および冷熱の分配手段として、水が用いられる場合、本発明による方法では熱および冷熱の分配系統の途中に小さなタンクを設けるだけで済むので、非常に好ましい。
【００１３】内燃機関とモーターとバッテリーを備えるハイブリッド車においても、本発明の原理，作用，効果は上述の電気自動車の場合と基本的に同じである。しかしながら、ハイブリッド車ではバッテリーの容量が電気自動車に比べてかなり小さいので、有効に回収できる回生電気エネルギー量はかなり小さくなるので、本発明の効果は大きい。しかしながら内燃機関を併用するため、回生した電気エネルギーを熱に変換して貯蔵しておくメリットは少なく、回生した電気エネルギーの大部分は冷熱として貯蔵されることが好ましい。そしてこの貯蔵された冷熱は、夏期においては室内の冷却に特に有効に利用できる。また、内燃機関の冷却水の冷却に効果的に利用することができる(冷却水の冷却ファンの電気を節約できる)。本発明の特徴の一つは、蓄冷熱装置と蓄熱装置の２個の装置を有している点である。
【００１４】一つの蓄熱装置に温熱と冷熱の両方を貯蔵させることも考えられるが、車室内熱交換機に冷房機能と同時に暖房機能を持たせると、これは単純な冷房機能のみの役割を担うクーラーに比べて複雑な機構となるために、コスト高になる。
【００１５】後述の本発明の実施例のように、温熱と冷熱を貯蔵する装置を個別に具備しているため、温熱と冷熱の取り出しは、非常にシンプルに行え、全体の機構を単純にでき、結果として低コストである。
【００１６】燃料電池を搭載した燃料電池自動車においても、本発明の原理，作用，効果は上述の電気自動車の場合と基本的に同じである。しかしながら、燃料電池自動車ではバッテリーの容量が電気自動車，ハイブリッド車に比べてかなり小さいので、有効に回収できる回生電気エネルギー量は更に小さくなるので、本発明の効果は大きい。しかしながら燃料電池から常に熱が発生されているので、回生した電気エネルギーを熱に変換して貯蔵しておくメリットは少なく、回生した電気エネルギーの大部分は冷熱として貯蔵されることが好ましい。そしてこの貯蔵された冷熱は、夏期においては室内の冷却に特に有効に利用できる。また、燃料電池の冷却水の冷却に効果的に利用することができる（冷却水の冷却ファンの電気を節約できる）。
【００１７】また、燃料電池を搭載した燃料電池自動車においては、制動時の回生電気エネルギーを冷熱ではなく、水素と酸素の形で貯蔵することも有効である。回生電気エネルギーで水の電気分解を行い、水素と酸素を発生させ、その水素は燃料である水素を供給するラインに送り込み、酸素は燃料電池に供給する空気に混ぜることによって、制動時の運動エネルギーを有効に回収することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明する。
【００１９】［実施例１］図１に、本発明による蓄熱機構及び蓄冷熱機構を備えた電気自動車の温度制御システム周辺の構成概略図を示す。
【００２０】図１において、当該電気自動車の駆動力はモーター兼発電機３によって発生され、その駆動力は駆動輪１に伝えられる。自動車の加速時及び定常走行時には、モーター兼発電機３はバッテリー９からの電力を電流・電圧制御機構４を通して供給され、動力を発生する。自動車の制動時には、モーター兼発電機３は発電機として働いて、自動車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電力は電力を電流・電圧制御機構４を通してバッテリーに充電される。この際、モーター兼発電機３の発生する電流がバッテリー９の受け入れ能力を超える場合には、その超過分の電流でクーラー１０を運転して冷熱を発生し、その冷熱を蓄冷熱装置１１に貯蔵する、或いはその超過分の電流でヒーター１３を運転して熱を発生し、その熱を蓄熱装置１４に貯蔵する。
【００２１】蓄冷熱装置１１に貯蔵された冷熱は室内冷房を必要とする際には、主として室内冷房用放冷熱器１２で有効に利用され、またバッテリーの温度をコントロールするための電池冷却用放冷熱器７でも利用できる。蓄熱装置１４に貯蔵された熱は室内暖房を必要とする際には、主として室内暖房用放熱器１５で有効に利用され、またバッテリーの温度をコントロールするための電池加熱用放熱器８でも利用できる。電池冷却用放冷熱器７及び電池加熱用放熱器８にはそれぞれにファン５及び６が付属しており、バッテリー９に冷風、もしくは温風を送ることでバッテリー９の温度を適切な範囲にコントロールする。
【００２２】バッテリー９として容量を２０ｋＷｈ，最大出力６０ｋＷの鉛蓄電池を使用して本発明による電気自動車を作製した。８月初旬に室内冷房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の充電での走行距離の平均は147kmであった。２月初旬に室内暖房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の充電での走行距離は平均は１３１kmであった。
【００２３】［比較例１］実施例１で作製した電気自動車から、蓄冷熱装置１１と蓄熱装置１４を取り外して、実施例１と同様の走行試験を行った。８月初旬に室内冷房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の充電での走行距離の平均は１３２kmであった。２月初旬に室内暖房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の充電での走行距離の平均は１１０kmであった。
【００２４】実施例１と比較例１より、本発明による電気自動車では走行距離が１０〜１５％増すことが分かる。
【００２５】［実施例２］図２に、本発明による蓄熱機構及び蓄冷熱機構を備えた、内燃機関とモーターとバッテリーを備えるハイブリッド車の温度制御システム周辺の構成概略図を示す。
【００２６】図２において、当該ハイブリッド車の駆動力はエンジン１７及びモーター兼発電機３によって発生され、その駆動力は駆動力合成装置を兼ねる変速機１６を通して駆動輪１に伝えられる。本実施例で作製したハイブリッド車においては、エンジン１７とモーター兼発電機３はパラレルに配置した。エンジン１７はなるべく一定の出力を保ち、走行に必要な駆動力の変動分は、モーターで担うように制御する。バッテリー９からの電力を電流・電圧制御機構４を通して供給し、モーター兼発電機３で動力を発生する。自動車の制動時には、モーター兼発電機３は発電機として働いて、自動車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電力は電力を電流・電圧制御機構４を通してバッテリー９に充電される。この際、モーター兼発電機３の発生する電流がバッテリー９の受け入れ能力を超える場合には、その超過分の電流でクーラー１０を運転して冷熱を発生し、その冷熱を蓄冷熱装置１１に貯蔵する。
【００２７】蓄冷熱装置１１に貯蔵された冷熱は室内冷房を必要とする際には、主として室内冷房用放冷熱器１２で有効に利用され、またバッテリーの温度をコントロールするための電池冷却用放冷熱器７でも利用できる。また、室内冷房を必要としない場合には、蓄冷熱装置１１に貯蔵された冷熱をエンジンを冷却するための冷却水を冷却するために使用することができる。通常のハイブリッド車においては、エンジンの冷却水はラジエーター１９とファン１８によって冷却されるが、本発明ではこの冷却水系統の途中に蓄冷熱装置１１を配置している。
【００２８】バッテリー９として容量を３ｋＷｈ，最大出力３０ｋＷの鉛蓄電池を使用して本発明による電気自動車を作製した。搭載ガソリンを１０リットルとして、８月初旬に室内冷房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は２０３kmであった。２月初旬に室内暖房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は２０５kmであった。
【００２９】［比較例２］実施例２で作製した電気自動車から、蓄冷熱装置１１を取り外して、実施例２と同様の走行試験を行った。搭載ガソリンを１０リットルとして、８月初旬に室内冷房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は１７０kmであった。２月初旬に室内暖房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は１９７kmであった。実施例２と比較例２より、本発明による電気自動車では走行距離が４〜１９％増すことが分かる。
【００３０】（参考例１）図３に、本発明の参考例による酸素貯蔵タンク及び水素貯蔵タンクを備えた、燃料電池を搭載した燃料電池自動車のシステム構成概略図を示す。
【００３１】図３において、当該燃料電池自動車の駆動力はモーター兼発電機３によって発生され、その駆動力は変速機１６を通して駆動輪１に伝えられる。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）２１で発電を行い、電流・電圧制御機構４を通して電力をモーター兼発電機３に供給し、動力を発生する。またPEFC21で発生した電力は電流・電圧制御機構４を通してバッテリー９に充電もしておく。本参考例においては、バッテリーの容量を２００Ｗｈとしたので、モーターへ供給する電力はすべてPEFC21で発電した電力でまかなうこととしたが、バッテリーの容量を大きくすることで、ハイブリッド方式とすることも可能である。本参考例では、バッテリーは基本的には始動時の電源として使用し、その他短時間の加速の際にアシストする程度の働きを受け持っている。
【００３２】PEFC21は水素ボンベ２３から水素、そして空気吸入空気２２から車外から取り入れた空気を供給され、発電を行う。空気吸入装置２２からPEFC21に入った空気は、一部酸素が発電に使用され、ＰＥＦＣから多量の水分を受け取り、気水分離器２５を通った後、車外に排出される。気水分離器２５で分離された水は冷却水系統に回され、冷却水タンク２６に貯蔵される。本参考例では、水素ボンベに純水素を充填して使用している。水素ボンベ２３を出た水素ガスはPEFC21で一部発電に使用された後、コンプレッサで加圧され、再び水素供給ラインに戻される。PEFC21で発電を行うと熱が発生するので、PEFC21は冷却水によって適正温度になるように冷却しなければならない。ポンプ２７で加圧された冷却水はPEFC21を冷却したのち、必要な場合にはラジエーター１９及びファン１８によって冷却される。
【００３３】燃料電池自動車を制動が掛ける場合、モーター兼発電機３を発電機として動作させて、電力を発生し、この電力を冷却水系統につながれた水電気分解装置３１に供給する。この水電気分解装置３０では水の電気分解を行って酸素及び水素を発生する。この酸素は酸素貯蔵タンク３１に貯蔵され、必要に応じて空気ラインに供給される。PEFC21の出力は空気中の酸素濃度が高いほど高出力となるので、燃料電池自動車の加速時に酸素を供給するとより好ましい。また水電気分解装置３０で生成した水素は水素貯蔵タンク３２に貯蔵され、必要に応じて水素ラインに供給される。
【００３４】PEFC21の最大出力を５０ｋＷ、搭載水素を２５００モルとして、８月初旬に室内冷房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は１４２kmであった。２月初旬に室内暖房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は１３７kmであった。
（参考例２）参考例１で作製した燃料電池自動車から、水電気分解装置３０，酸素貯蔵タンク３１及び水素貯蔵タンク３２を取り外して、実施例３と同様の走行試験を行った。搭載水素を２５００モルとして、８月初旬に室内冷房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は１１３kmであった。２月初旬に室内暖房を使用した状態で山岳地の実車走行試験を１０回行った結果、１回の走行距離の平均は１０７kmであった。
【００３５】参考例１を参考例２と比較すると、燃料電池自動車では走行距離が２６〜２８％増すことが分かる。
【００３６】
【発明の効果】本発明によれば、効率の良い、走行距離の長い電気自動車，ハイブリッド車，燃料電池電を得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１０年８月１２日（１９９８．８．１２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６８５０４
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
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| 【公開番号】 |
特開２０００−５９９１８（Ｐ２０００−５９９１８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年２月２５日（２０００．２．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２２７８３２ |
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