JP2005295711A

JP2005295711A - ハイブリッド電気自動車

Info

Publication number: JP2005295711A
Application number: JP2004108477A
Authority: JP
Inventors: Takeo Saito; 武雄齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】従来技術のハイブリッド電気自動車は、内燃機関による走行が主となっており、部分負荷走行が多く、常に最高効率の状態で走行しているわけではない。また、エネルギー貯蔵装置の容量が小さく、回生エネルギーを十分に貯蔵することが困難となっている。さらに太陽エネルギーをほとんど利用していない。
【解決手段】３系統の大容量のエネルギー貯蔵装置と最高効率状態での稼働を行う内燃機関を組み合わせることにより効率が高められ、さらに、太陽電池および深夜電力を利用することによって、低燃費かつ低走行コストを実現できる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ハイブリッド電気自動車に関する。

近年、地球温暖化や都市温暖化（ヒートアイランド）などの多様な環境問題が顕在化し、自動車の高効率化（低燃費化）、排気ガスの清浄化がなされてきたが、化石燃料を燃料とした内燃機関のみを駆動源とする自動車には改善の限界が生じ、最近では内燃機関と電気モーターを搭載したハイブリッド自動車が実用化されている。省エネルギーかつクリーンなハイブリッド電気自動車の普及は、環境問題の軽減に非常に有効である。
たとえば、図４は１９９０年から今日までの我が国における普通乗用車およびハイブリッド車の燃費を示したものである。１９９０年当時の１０モード燃費の平均値は約１２km/リットルであったが、１９９７年ハイブリッド車が初めて実用化され燃費が飛躍的に伸びている。最近のハイブリッド車では１０・１５モードで３５．５km/リットルを記録している。将来、世界の自動車の台数が３０億台になると推定されているが、地球環境および化石燃料資源の有効利用の観点から、車の燃費は最低でも１００km/リットルを達成する必要がある。なお、図４中のSEEVは東北大の提案した高効率ハイブリッド電気自動車である（非特許文献1および２参照）。

しかしながら、これまでに実用化されたハイブリッド電気自動車は、低速走行時の電気モーターによるアシストはあるものの、依然として内燃機関による走行がベースとなっており、部分負荷による走行が多く、常にその機関の最高効率の状態で走行しているわけではない。また、エネルギー貯蔵装置の容量が小さく、長い下り坂などの回生エネルギーを十分に貯蔵することが極めて困難となっている。さらに将来の重要なエネルギー源である太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーをほとんど利用していないのが現状である。

T.S.Saitoh, A.Hoshi, D.Ando, K.Kurata and N.Yamada, Energy-efficient vehicle to reduce urban warming, air pollution and CO2 emissions in urban area, Proceedings of Urban Transport and the Environment for the 21st Century IV, Lisbon (1998), 521-530. T.S.Saitoh, A.Hoshi, N.Yamada, A.Yoshimura & D.Ando, A grand design of future advanced electric vehicle powered by fuel cell, battery, flywheel and photovoltaic cell, Proceedings of Urban Transport VII: Urban Transport and the Environment in the 21st Century, Lemnos island (2001), 727-740. 齋藤武雄、安藤啓文、山田昇、若嶋振一郎、ソーラーオーガニックランキンサイクルシステムに関する研究、太陽エネルギー, 30-1 (2004), 55-60.

本発明では、ハイブリッド電気自動車の大幅な高効率化を課題とする。

以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、従来の２次電池に加えて、フライホイール（Flywheel）およびキャパシタ（Capacitor）の３系統のエネルギー貯蔵装置を搭載し、常に最高効率状態で稼働する発電機からの電力をこれら３系統の装置に貯蔵し、状況に応じて最適に走行モーターを稼働する

また、請求項２の発明では、請求項１記載のハイブリッド電気自動車において、太陽電池を搭載し、太陽光発電を適宜行うことによって、さらなる高効率化が可能となる。さらに、請求項３の発明は、深夜電力を利用することによって、内燃機関の発電効率よりも高効率な大型発電所からの安価な電力をエネルギー貯蔵装置に貯え、燃料の保有熱量をベースとした燃料消費率をさらに向上することができる。

この発明の一実施形態を図１に示す。
図１はハイブリッド電気自動車のエネルギーフローを示すもので、本発明において主要な構成要素のみを概略しており、さまざまな一般の自動車を構成する多様な補機類、変速機構などは省略してある。

オンボードチャージャー（内燃機関）１は発電機２に連結されており、通常は最高効率状態で定格稼働する。通常走行時においては矢印１０に示すように、内燃機関が発電した電力は、コントローラ６によって、２次電池３、フライホイール４およびキャパシタ５に最適に振り分けられる。これら３系統のエネルギー貯蔵装置の貯蔵量が走行に必要十分に達した場合、内燃機関２は停止する。３系統の貯蔵装置のうち、コントローラ６によって走行状態に最も適した貯蔵装置から走行用のモーター７に出力され、変速機等を経由してタイヤ８に伝達される。また、下り坂や制動時の回生時においては矢印９に示すように、走行用モーターから回生電力がコントローラ６を介して３系統のエネルギー貯蔵システムに振り分けられる。２次電池、フライホイールおよびキャパシタは、それぞれエネルギー密度、入出力パワー密度が異なり、走行の負荷変動周期にあわせて最適なものを稼働する。

２次電池の例としてはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などが挙げられ、キャパシタの例としては電気二重層キャパシタが挙げられる。フライホイールについては、通常の雰囲気下においては、空気抵抗による貯蔵量の減衰が生じるが、場合によっては真空化により回避できる。また、同じ目的で電磁軸受を用いることがある。フライホイールエネルギー貯蔵装置は通常、モーター兼発電機が一体化しており、入出力はこれを介して電気的に行われる。しかし、場合によっては、モーター兼発電機を介さず回転エネルギーのままクラッチや変速機構を介して駆動力に直接利用する形態もとりうる。なお、オンボードチャージャー（内燃機関）１は燃料電池やガスタービンなどに置き換えられる場合もある。
また、オンボードチャージャー１として、”重ね合わせの概念”に基づくシンラタービン（SHINLA TURBINE）（非特許文献３参照）を適用する場合がある。シンラタービンは比較的単純なディスク状のディスクを軸方向に稠密に多数重ね合わせた構造を有するタービンで、作動流体から粘性・衝動・反動を複合して高効率に動力を取り出すことのできるタービン機関である。効率は６０％を超え、静粛で振動も少なく、多種の燃料に対応できるという特長を有する。

図２は実施例１のエネルギーフロー図である。
他の実施例１として、前述の実施形態に加えて、太陽電池（Photovoltaic cell：ＰＶセル）を車両に設置する例がある。太陽電池はボンネット、屋根、トランクなどの比較的平坦で太陽光が入射しやすい面に最大限に設置する。通常の普通乗用車では２平方メートル以上の設置が可能である。また、場合によっては後席窓ガラスや後部窓ガラスにシースルータイプの太陽電池を設置する場合もある。太陽電池は近い将来、発電効率が２０％に達する可能性があり、エネルギー源として十分に期待できる。年間１０,０００km走行するとして、その３０〜４０％をＰＶセルで賄うことが可能である。図２に示すように太陽電池から得られる電力もコントローラ６を介して３系統のエネルギー貯蔵装置に適宜貯蔵される。また、例として、３系統のエネルギー貯蔵装置を介さずに太陽電池による発電で直接モーターを駆動する場合もある。

図３は実施例２のエネルギーフロー図である。
他の実施例２として、前述の実施形態ならびに実施例１に加えて、深夜電力１２を利用する例がある。駐車場などに夜間駐車している時、深夜電力１２を３系統のエネルギー貯蔵装置に充電・充勢することにより、走りはじめからかなりの距離（50〜100km程度）は内燃機関１による発電を行わずに走行することが可能となる。深夜電力は大型発電所によって発電されるため、一般的には内燃機関１よりも発電効率が高く、また価格も安いため、燃料の燃焼熱をベースとした効率は向上し、走行コストは低くなる。

以上説明したように、本発明のハイブリッド電気自動車は、３系統の大容量のエネルギー貯蔵装置と最高効率状態での稼働を行う内燃機関を組み合わせることにより効率が高められ、さらに、太陽電池および深夜電力を利用することによって、低燃費かつ低走行コストを実現できるため、産業上の利用可能性が極めて高い。１０・１５モードに基づく試算によるとガソリンを基準とした場合、燃費100km/リットル〜170km/リットルを達成できる可能性がある。

ハイブリッド電気自動車の実施形態を示した説明図である。ハイブリッド電気自動車の実施例１を示した説明図である。ハイブリッド電気自動車の実施例２を示した説明図である。普通乗用車およびハイブリッド車の燃費の説明図である。

符号の説明

１内燃機関
２発電機
３２次電池
４フライホイール
５キャパシタ
６コントローラ
７モーター
８タイヤ
９回生時のエネルギーの向き
１０通常走行時のエネルギーの向き
１１太陽電池
１２深夜電力

Claims

エネルギー貯蔵装置として、従来の２次電池（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池など）に加えて、フライホイールおよびキャパシタの３系統を搭載し、オンボードチャージャー（たとえば内燃機関、他に燃料電池、マイクロガスタービンなど）は最高効率状態における稼働に限定した発電機として用い、３系統のエネルギー貯蔵装置を介して、状況に応じて最適なエネルギー貯蔵装置から走行用モーターを稼働するという特徴を有する高性能なハイブリッド電気自動車（実質燃費は100km/リットルを超える）。なお、下り坂走行時や制動時に生じる回生エネルギーは状況に応じてフライホイールもしくはコンデンサに貯えられる。ただし、高速走行時の追い越しなど一時的に大きなエネルギーを必要とする場合は、最高効率状態での稼働ではなくなる場合もある。
発電機によるエネルギーのほかに、太陽電池を車両の日射を有効に受ける面に設置し、太陽エネルギーから電力を得るという特徴を有する請求項１記載のハイブリッド電気自動車。なお、太陽電池から得られた電力は、３系統のエネルギー貯蔵装置のうち、状況に応じて最適なものに貯蔵される。
駐車場などにおいて、夜間の深夜電力を用いて３系統のエネルギー貯蔵システムに充電するという特徴を有する請求項１記載のハイブリッド電気自動車。
“重ね合わせの概念”を用いた多種・多段ディスクタービン（Shinla turbine）をオンボードチャージャーとして搭載した請求項１記載のハイブリッド電気自動車。