JP2003070106A - 自動車用蓄電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力損失を低減して燃費を向上しガス排出を
抑制し、短時間に大電力の蓄電・放電が可能であり、且
つ長時間に亘って電力を供給できる自動車用蓄電システ
ムを提供する。 【解決手段】 自動車の動力源であるエンジンに連結さ
れた発電機が発電した電力を負荷に供給する電源線に、
電力を蓄積する電気二重層キャパシタからなる蓄電装置
と補助発電装置とを接続する。回生エネルギー回収時に
は、内部抵抗が小さく出力密度が大きい蓄電装置が回生
余剰電力を低電力損失で短時間に蓄電し、自動車加速時
には、蓄電装置が電動機に低電力損失で短時間に大電力
を供給する。停車時には、エネルギー密度の大きい燃料
電池等の補助発電装置が出力密度の小さい蓄電装置を補
って、負荷に長時間に亘り電力を供給し、エンジン始動
時には蓄電装置がスターターに大電力を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車用蓄電システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球温暖化防止に対応するため、
自動車の燃費向上が求められ、燃費向上の一環として、
電力損失が少なく小型・軽量な自動車用蓄電システムが
求められている。この種の自動車用蓄電システムは、基
本的には発電機が負荷の消費電力を超えて発電した電力
（余剰電力）を蓄電装置に蓄電し、その電力を自動車の
電装装置に供給するものである。なお、ハイブリッド車
においては、エンジンが動力源として出力不足の場合に
は、蓄電装置に蓄電された電力で駆動される電動機によ
ってエンジンの出力不足を補ったり（加速パワーアシス
ト機能）、さらに、自動車の減速時においては、上記発
電機の回生エネルギーを回生電力として回収し、回生電
力を蓄電装置に蓄電する（回生エネルギー回収機能）こ
とも行われる。

【０００３】こうした自動車用蓄電システムでは、電力
損失低減を実現するために、自動車用蓄電システムの電
源電圧を現在の１４Ｖからより高い電源電圧に昇圧する
ことが行われ、さらに、電源電圧を４２Ｖと１４Ｖの２
系統にすることも提案されている。また、自動車用蓄電
システムが長時間に亘って負荷に電力を供給するために
は、大きいエネルギー密度（単位重量当たり蓄電できる
電力量、単位はワット時／ｋｇ）の蓄電装置が必要であ
り、自動車用蓄電システムが短時間に大電力を蓄電・放
電（供給）するためには、大きい出力密度（単位重量あ
たり蓄電または放電できる電力、単位はワット／ｋｇ）
の蓄電装置が必要である。そして、低電力損失で蓄電・
放電を行うためには、蓄電装置の内部抵抗が小さいこと
が求められ、さらに、長期に亘って蓄電・放電を可能と
するため、蓄電・放電サイクル寿命（以下「サイクル寿
命」）の長いことが求められる。

【０００４】このような蓄電装置として従来から使用さ
れている鉛電池は、比較的大きなエネルギー密度を有す
るが、その内部抵抗による電力損失低減に限界があるこ
と、サイクル寿命が短いこと、および出力密度が比較的
小さいために短時間に大電力を蓄電・放電することが困
難である、といった問題がある。近年、二次電池として
使用され始めたニッケル水素電池、リチウムイオン電池
等は、エネルギー密度が鉛電池よりも大きく、且つ、サ
イクル寿命が鉛電池に比べ改善されてはいるが、出力密
度が未だ充分ではなく、短時間における電力の蓄電・放
電の要求を満たすことができない。

【０００５】このため、上記二次電池に比べて内部抵抗
が小さく出力密度が大きく（したがって、小型・軽量か
つ低電力損失で短時間に大電力の蓄電・放電が可能）、
しかもサイクル寿命が長く（二次電池の数百倍）かつ使
用温度範囲が広い（鉛電池等の二次電池より高温で使用
できる）といった特徴を有する電気二重層キャパシタが
蓄電装置として使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二次電
池に比べて上記の特徴を有している電気二重層キャパシ
タは、反面、エネルギー密度が小さいために、長時間に
亘って電力を供給することが困難である、といった問題
がある。また、二次電池は充放電時に電池電圧が殆ど変
化しないが、コンデンサである電気二重層キャパシタが
蓄電する電圧は、一定電流で蓄電すると時間に比例して
上昇し、一定電流で放電すると時間に比例して低下す
る。このため、電気二重層キャパシタからなる蓄電装置
に蓄電された電圧（以下「蓄電装置電圧」）が電源電圧
より低下した場合には、ＤＣ・ＤＣコンバータによって
蓄電装置電圧を電源電圧まで昇圧する方法が提案されて
いる。しかし、ＤＣ・ＤＣコンバータは電力損失を伴う
（特に昇圧においては電力損失が増加する）といった問
題がある。

【０００７】また、上記のように、ＤＣ・ＤＣコンバー
タを使用して、蓄電装置電圧の低下を補償しても、電気
二重層キャパシタはエネルギー密度（単位重量当たり蓄
電できる電力量）が小さいため、長時間に亘って負荷に
電力を供給できないといった問題は何ら改善されないと
共に、上記昇圧に伴う電力損失増加は、電気二重層キャ
パシタからなる蓄電装置による電力供給時間をさらに短
くしてしまうという新たな問題を生じることになる。

【０００８】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、燃費向上のため電力損失を低減して小
型・軽量、且つ、自動車停車中、長時間に亘る電力供給
することができ、さらに、低電力損失で短時間に大電力
の蓄電・放電を可能として回生エネルギー回収機能およ
び加速パワーアシスト機能にすぐれた自動車用蓄電シス
テムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によれば、請求項１では、自動車の動力源とし
て用いられるエンジンと、前記エンジンに連結されて電
力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力を負
荷に供給する電源線に接続されて、前記電力を蓄積する
電気二重層キャパシタからなる蓄電装置と、前記電源線
に選択的に接続されて、前記発電機の発電する電力が前
記負荷の消費電力よりも少ない場合には、前記蓄電装置
と共に前記負荷に電力を供給する補助発電装置とを備え
た自動車用蓄電システムが提供される。

【００１０】このように構成された自動車用蓄電システ
ムでは、内部抵抗が小さく出力密度が大きい電気二重層
キャパシタからなる蓄電装置が、余剰電力を低電力損失
且つ短時間で蓄電でき、一方、発電機の発電する電力が
負荷の消費電力よりも少ないときには、蓄電装置は蓄え
た電力を低電力損失且つ短時間で負荷に供給することが
できる。また、電力供給に伴う蓄電装置電圧の低下は、
エネルギー密度の大きい補助発電装置によって補われる
ので、電力損失を伴うＤＣ・ＤＣコンバータによる昇圧
が不必要であると共に、補助発電装置が長時間に亘って
負荷に電力を供給することができる。

【００１１】すなわち、電力損失が少なく、短時間に大
電力を蓄電・放電することができると共に、長時間に亘
って負荷に電力を供給することができる小型・軽量の自
動車用蓄電システムが実現される。請求項２では、前記
蓄電装置で蓄電された電圧が所定の電圧まで低下した場
合には、前記補助発電装置が前記蓄電装置に接続されて
電源線に電力を供給する自動車用蓄電システムが提供さ
れる。

【００１２】このように構成された自動車用蓄電システ
ムでは、蓄電装置が負荷に電力を供給することによって
蓄電装置が蓄電している電圧が低下した場合、補助発電
装置が蓄電装置に接続されて負荷に電力を供給するの
で、長時間に亘って負荷に電力を供給することができ
る。また、蓄電装置が蓄電している電圧は補助発電装置
の発電電圧に維持され、エンジン始動時等に必要な大電
力は、蓄電装置から供給されるので、アイドルストップ
機能が実現される。

【００１３】請求項３においては、補助発電装置として
自動車用燃料、たとえばガソリンや軽油から直接電力を
得る燃料電池、または、亜鉛と空気中の酸素とが酸化す
る際のエネルギーを電気エネルギーに変換する亜鉛・空
気電池が使用される。ここで、電気二重層キャパシタの
エネルギー密度、例えば５ワット時／ｋｇに対して、ガ
ソリンや軽油を使用する燃料電池（例えば固体酸化型燃
料電池）のエネルギー密度は、例えば１００〜１０００
ワット時／ｋｇであり、固体酸化型燃料電池は、小型・
軽量、且つ、二次電池や電気二重層キャパシタに比べて
長時間に亘って負荷に電力を供給できる。したがって、
補助発電装置を固体酸化型燃料電池で構成すれば、電気
二重層キャパシタが有する低電力損失で短時間に電力を
蓄電・放電できる特性（出力密度が、例えば１０００ワ
ット／ｋｇ）と、長時間に亘って負荷に電力を供給でき
る固体酸化型燃料電池の特性とが共に発揮される小型・
軽量な自動車用蓄電システムが実現される。

【００１４】また、亜鉛・空気電池のエネルギー密度
は、例えば３００ワット時／ｋｇであり、補助発電装置
を亜鉛・空気電池で構成すれば、電気二重層キャパシタ
が有する低電力損失で短時間に電力の蓄電・放電特性
と、長時間に亘って負荷に電力を供給できる亜鉛・空気
電池の特性とが共に発揮される小型・軽量な自動車用蓄
電システムが実現される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態に係る自動車用蓄電システムを説明する。図１
は、本発明に係る自動車用蓄電システムのハイブリッド
車における一実施形態の概略要部構成図である。自動車
用蓄電システム１は、動力源であるエンジン２、エンジ
ン２に連結されて電力を発電する発電機３、エンジン２
と共に自動車の動力源となる電動機４、発電機３が発電
した電力および電動機４が回生発電機として作動して回
収した回生電力を蓄える主蓄電装置（蓄電装置）５、並
びに主蓄電装置５を補助する補助発電装置６を備えてい
る。

【００１６】ここで、主蓄電装置５および補助発電装置
６は、インバータ７を介して、電動機４と接続される。
この自動車用蓄電システム１では、電力損失を低減する
ため、電源電圧は従来の自動車の電源電圧１４Ｖよりも
高い４２Ｖとされ、発電機３の発電電圧も４２Ｖであ
る。発電機３が発電する電力は、４２Ｖの電源線８とグ
ランド線９を介して、負荷１０およびコンバータ１１に
供給される。なお、負荷１０は、４２Ｖの電源線８とグ
ランド線９との間に接続される複数の電装装置をまとめ
て一つの負荷として表示したものである。

【００１７】また、４２Ｖの電源線８とグランド線９と
の間には、主蓄電装置５と補助発電装置６とが接続され
ており、主蓄電装置５は発電機３の余剰電力を蓄電す
る。発電機３の発電電力が不足した場合には、主蓄電装
置５に蓄えられた電力と補助発電装置６によって発電さ
れた電力とが電力不足を補う。なお、上記のようにして
電力供給を受けるコンバータ１１が出力する１４Ｖの電
力は、１４Ｖの電源線１２とグランド線９との間に接続
された低電圧負荷１３に供給されると共に、副蓄電装置
１４に蓄えられる。副蓄電装置１４は、たとえば、二次
電池または電気二重層キャパシタによって構成される。
なお、低電圧負荷１３は１４Ｖの電源線１２とグランド
線９との間に接続される複数の電装装置をまとめて一つ
の負荷として表示したものである。

【００１８】さて、ハイブリッド車は、低燃費かつ低排
気ガスの状態でエンジン２を運転し、該状態において、
エンジン２はハイブリッド車の動力源として図示しない
駆動輪を駆動してハイブリッド車を走行させる。このと
き、エンジン２に連結された発電機３は、電力を発電し
て負荷１０およびコンバータ１１に供給し、発電機３の
余剰電力が主蓄電装置５に蓄電される。

【００１９】ハイブリッド車が減速された場合、駆動輪
と連結した電動機４は、回生発電機として作動し、ハイ
ブリッド車の運動エネルギーを回生エネルギーとして回
収し回生電力に変換する。こうして得られた回生電力
は、インバータ７によって４２Ｖの電源線８とグランド
線９との間に供給される。通常、負荷１０およびコンバ
ータ１１に供給される電力は、前記発電機３が発電する
電力よって賄われており、比較的短時間に大電力として
発電される回生電力は余剰電力となって主蓄電装置５に
蓄電される。

【００２０】ここで、電気二重層キャパシタによって構
成される主蓄電装置５は、前述のように、二次電池に比
べ内部抵抗が小さく出力密度が大きいので、主蓄電装置
５は、二次電池に比べて低電力損失で短時間に大電力を
蓄電することが可能である。したがって、自動車用蓄電
システム１は、前述通常運転時には、低電力損失で余剰
電力を蓄電すると共に、減速時には、大きな回生電力を
短時間に低電力損失で蓄電する回生エネルギー回収機能
を実現することができる。

【００２１】一方、ハイブリッド車を加速する場合、低
電力損失で短時間に大電力を放電できる主蓄電装置５
は、インバータ７を介して電動機４に電力を供給するこ
とができる。かくして、ハイブリッド車の加速時におい
ても、エンジン２は加速に必要なエネルギーを供給する
必要がないので、エンジン２は燃費が少なくかつ排気ガ
スが少ない運転状態で運転される。こうして加速パワー
アシスト機能が低燃費状態のもと実現される。

【００２２】さらに、停車時においては、ハイブリッド
車はエンジンを停止して排気ガスの排出を抑制する。こ
のとき、自動車用蓄電システム１は、負荷１０およびコ
ンバータ１１に電力を供給し続ける必要があり、かつ、
エンジン２の始動時には、図示しないスターターに大電
力を供給する必要がある。しかし、前述のように、電気
二重層キャパシタによって構成される主蓄電装置５は大
電力の蓄電・放電に優れるが、エネルギー密度が二次電
池に比べて小さいため、長時間に亘って電力を供給し続
けることができない。また、電気二重層キャパシタは放
電に伴い電圧が低下するので、主蓄電装置５の蓄電装置
電圧も低下する。

【００２３】ここで主蓄電装置５の蓄電装置電圧が所定
の電圧よりも低下した場合（例えば、４２−４．２＝３
７．８Ｖよりも低下した場合）、主蓄電装置５に選択的
に並列に接続された補助発電装置６が４２Ｖの電源線８
とグランド線９との間に電力を供給する。図２は係る補
助発電装置６と主蓄電装置５との要部概略構成を示す図
である。ここで、６１は固体酸化型燃料電池からなる燃
料電池スタック、６２は高温（例えば６５０〜８００
℃）で動作する固体酸化型燃料電池の排出熱エネルギー
を回収する排出エネルギー回収器であり、そして、６３
は、上記排出エネルギー回収器が回収した熱エネルギー
を利用して、図示しない燃料タンクより供給される燃料
（例えばガソリン）から、水素と一酸化炭素を得て燃料
電池スタック６１へ供給する改質器である。一方、主蓄
電装置５は複数の電気二重層キャパシタ５ａ〜５ｎが直
列に接続されて構成されている。また、主蓄電装置５の
蓄電装置電圧は電圧検出器６４によって監視されてい
る。

【００２４】長時間に亘る停車によって、主蓄電装置５
の蓄電装置電圧が所定の電圧よりも低下したことが電圧
検出器６４によって検出されたときには、スイッチ６５
が電圧検出器６４によってオンされ、補助発電装置６の
有する燃料電池スタック６１が、主蓄電装置５と並列接
続されて、負荷１０等に電力の供給を開始する。主蓄電
装置５に燃料電池スタック６１が接続されると、燃料電
池スタック６１は、電気二重層キャパシタに比べて非常
にエネルギー密度が大きいので、長時間に亘って負荷１
０等に電力を供給することができ、一方、エンジン２の
始動時等、大電力を負荷１０等に供給しなければならな
いときには、燃料電池スタック６１と並列接続された主
蓄電装置５からスターター等に大電力が供給され、アイ
ドルストップ機能が実現される。

【００２５】なお、負荷１０等に発電機３から充分な電
力が供給されている場合には、余剰電力によって主蓄電
装置５は蓄電されて、やがて蓄電装置電圧が所定の電圧
よりも高くなり、電圧検出器６４によりスイッチ６５は
オフされて、補助発電装置６の燃料電池スタック６１は
電力供給を停止する。ここで、電圧検出器６４は、補助
発電装置６とは別個に構成されて、主蓄電装置５の蓄電
装置電圧を検出し、スイッチ６５をオン／オフしてもよ
い。

【００２６】図３は、亜鉛・空気電池を使用した補助発
電装置６と主蓄電装置５との要部の概略構成を示す図で
ある。なお、図２と同様の機能を有する構成要素には同
一の符号を付してその説明を省略する。補助発電装置６
は、電圧検出回器６４、亜鉛・空気電池６６およびスイ
ッチ６５を備えている。長時間に亘る停車によって、主
蓄電装置５の蓄電装置電圧が所定の電圧よりも低下した
場合、亜鉛・空気電池６６は、スイッチ６５によって４
２Ｖの電源線８に接続され、４２Ｖの電源線８とグラン
ド線９との間に電力を供給する。亜鉛・空気電池６６も
電気二重層キャパシタに比べて非常にエネルギー密度が
大きいので、長時間に亘って電力供給が可能である。ま
た、エンジン２の始動時等、大電力を負荷１０等に供給
しなければならないときには、亜鉛・空気電池６６と並
列接続された主蓄電装置５がスターター等に大電力を供
給するので、亜鉛・空気電池６６は大電力を供給する必
要がない。

【００２７】さて、図２、３において、主蓄電装置５を
構成する電気二重層キャパシタ５ａ〜５ｎのそれそれが
蓄電した電圧（以下「キャパシタ単体蓄電電圧」）は揃
っていることが望ましい。直列接続された電気二重層キ
ャパシタ５ａ〜５ｎそれぞれのキャパシタ単体蓄電電圧
が均一でない（各電気二重層キャパシタに蓄電された電
力が均一でない）場合には、最も少ない電力を蓄電して
いる電気二重層キャパシタの放電終了時が、主蓄電装置
５の放電終了時となる。したがって、キャパシタ単体蓄
電電圧が均一の電圧（各電気二重層キャパシタに蓄電さ
れた電力が均一）であるとき、主蓄電装置５は蓄電した
電力をより多く放電することができる。したがって、主
蓄電装置５が電力をより多く蓄電・放電するためには、
図４に示すように、各電気二重層キャパシタと補助発電
装置６の電池（固体酸化型燃料電池等の各電池）の各セ
ルとが接続されることが望ましい。

【００２８】具体的には、電気二重層キャパシタ５ａ〜
５ｎのそれぞれには、固体酸化型燃料電池スタック６１
を構成するセル６１ａ〜６１ｎのそれぞれが、スイッチ
６５ａ〜６５ｎを介して接続される。ここでスイッチ６
５ａ〜６５ｎは前述したスイッチ６５と同様にオン／オ
フされる。このように構成される主蓄電装置５と補助発
電装置６とにおいては、スイッチ６５ａ〜６５ｎがオン
のとき、電気二重層キャパシタ５ａ〜５ｎは、各セル６
１ａ〜６１ｎと並列接続されるので、電気二重層キャパ
シタ５ａ〜５ｎのキャパシタ単体蓄電電圧に違いが生じ
難い。したがって、直列接続された電気二重層キャパシ
タ５ａ〜５ｎに蓄電される電力が均一化されて、主蓄電
装置５は蓄電した電力をより多く放電することができ
る。

【００２９】なお、自動車用蓄電システムの補助発電装
置の電池は、固体酸化型燃料電池や亜鉛・空気電池に限
定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、
他の電池を使用することができる。ここで、補助発電装
置の電池は、常時蓄電装置に接続されるものであっても
よい。常時、蓄電装置と補助発電装置の電池とが接続さ
れている場合には、蓄電装置が短時間に大電力を供給
し、補助発電装置の電池が長時間に亘って電力を供給す
る。こうして、両者の特性が自動車用蓄電システムに対
する要求を満たすからである。

【００３０】また、本発明にかかる自動車用蓄電システ
ムは、ハイブリッド車に限定されるものではなく、エン
ジンを補助する電動機を有しない従来の自動車にも適用
可能である。さらに、本発明は、上記の実施形態に限定
されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で変形
して実施することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の自動車用
蓄電システムよれば、出力密度が大きい電気二重層キャ
パシタからなる主蓄電装置によって発電機の余剰電力を
低電力損失で短時間に蓄電することができ、停車中にエ
ンジンを停止した場合でもエネルギー密度の大きい補助
発電装置によって長時間に亘って負荷に電力を供給する
ことができ、エンジン始動時に必要な大電力は主蓄電装
置によって供給され、自動車減速時の回生エネルギーは
低電力損失で短時間に主蓄電装置によって蓄電され、自
動車加速時にエンジンを補助する電動機の電力は低電力
損失で短時間に主蓄電装置によって供給され、小型・軽
量であり、自動車の燃費が向上し、排気ガスの排出が抑
制され、且つ、二次電池よりも長いサイクル寿命の自動
車蓄電システムが得られるという効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自動車蓄電システムの一実施形態
を示す概略要部構成図である。

【図２】図１における補助発電装置と主蓄電装置の一例
を示す概略要部構成図である。

【図３】図１における補助発電装置と主蓄電装置の他の
例を示す概略要部構成図である。

【図４】図１において主蓄電装置を構成する各電気二重
層キャパシタ毎に主蓄電装置の電池セルを接続する補助
発電装置の一例を示す概略要部構成図である。

【符号の説明】

１ 自動車用蓄電システム ２ エンジン ３ 発電機 ４ 電動機（回生発電機） ５ 主蓄電装置 ６ 補助発電装置 ８ ４２Ｖの電源線 ９ グランド線 １０ 負荷 １１ コンバータ ６１ 燃料電池スタック ６５ 亜鉛・空気電池

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G003 AA07 BA01 DA07 DA18 FA06 5H115 PA12 PG04 PI15 PI16 PI18 PI22 PO02 PO17 PU01 PU25 PV09 QE01 QE12 QI04 SE02 SE06 TI05 TO14 TR19 TU06 TU17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自動車の動力源として用いられるエンジ
   ンと、 前記エンジンに連結されて電力を発生する発電機と、 前記発電機が発電した電力を負荷に供給する電源線に接
   続されて、前記電力を蓄積する電気二重層キャパシタか
   らなる蓄電装置と、 前記電源線に選択的に接続されて、前記発電機の発電す
   る電力が前記負荷の消費電力よりも少ない場合には、前
   記蓄電装置と共に前記負荷に電力を供給する補助発電装
   置とを備えたことを特徴とする自動車用蓄電システム。
2. 【請求項２】 前記蓄電装置で蓄電された電圧が所定の
   電圧まで低下した場合には、前記補助発電装置が前記蓄
   電装置に接続されて電源線に電力を供給することを特徴
   とする請求項１に記載の自動車用蓄電システム。
3. 【請求項３】 前記補助発電装置は自動車用燃料で発電
   を行う燃料電池または亜鉛・空気電池からなることを特
   徴とする請求項１に記載の自動車用蓄電システム。