JP2009131139A

JP2009131139A - 自動車のバケット充電式パワートレイン

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Publication number: JP2009131139A
Application number: JP2007307334A
Authority: JP
Inventors: Isao Shirayanagi; 伊佐雄白柳; Yosuke Shirayanagi; 洋介白柳
Original assignee: SGG KENKYUSHO KK; SGG Kenkyusho KK
Current assignee: SGG KENKYUSHO KK; SGG Kenkyusho KK
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】
燃費がよく、車輪駆動用の電動機やバッテリを大容量化、あるいは大重量化させることのないBHEV構成でありながら、低電圧で、バッテリからの出力を一時的に大きくする手段を備えたパワートレインを得ることにある。
【解決手段】
車輪に連結された電動機を駆動するバッテリと、発電機によって充電される２個のバッテリを有し、エンジンの急加速操作時に前記充電用バッテリを前記駆動用バッテリと直列に電動機へ接続可能に構成したものである
【選択図】図１

Description

本発明は、原油価格の高騰や地球温暖化の危機に晒されている今、低燃費自動車は強く求められており、それを実現するためのパワートレインに関するもので、特に、エンジン発電機によって最高効率で発電した安価な電気を用いて、車輪に連結された電動機を間接的に駆動する、いわゆる、直列形ハイブリット駆動装置の改良の範疇に属する。

直列形のハイブリッド駆動装置は、エンジンによって直接に車輪を駆動せず、発電機を駆動して得られた電力によってバッテリを充電して、その電力で車輪に連結された電動機を駆動して走行するものである。すなわち、エンジン付き電気自動車である。

エンジン付きの電気自動車にはPHEV（プラグインハイブリッド自動車）が知られている。PHEVは自宅で充電した安価な電気で走ることが可能な反面、航続距離が５０Km以下と短いため毎日の頻繁な充電操作は大変面倒である。従って、エンジンを使ってしまうケースが多くなり、それほどの効果は上がらないのが現実である。

今、自動車には航続距離が５００Ｋｍ以上で、２リッターカー（モード燃費５０Ｋｍ／Ｌ）が求められ、欲を言えば１リッターカー（モード燃費１００Ｋｍ／Ｌ）が出来ないものかとの願望がある。ＢＨＥＶ（バケット充電式ハイブリッド自動車）は、航続距離が８００Ｋｍあり、２リッターカー以上の燃費性能にはなりうるものの、キャパシターなどの複合バッテリと高電圧を使わなければならなかった（特許文献１参照）。

ＢＨＥＶは、小型エンジンを最高熱効率が得られる回転速度と負荷状態でのみ、一定量（１バケット）発電運転をし、間欠充電を繰り返すから理論上最も安価な電気が発生しているので、車両を低燃費、長航続距離で走らせうる。

他方、バッテリは一般に用いられている鉛式バッテリで自動車が所望する出力と電気量を満たすには、重量と容積が増大してしまう難点があり、高価ではあるが重量と容積が３分の１にまで減らせるリチウムイオン式バッテリを搭載せざるを得なかった。そして、安全面から電圧は１００Ｖ（ボルト）以下が望まれていた。
特願２００７−９７１５９号

解決しようとする問題点は、燃費がよく、車輪駆動用の電動機やバッテリを大容量化、あるいは大重量化させることのないＢＨＥＶ構成でありながら、低電圧で、バッテリからの出力を一時的に大きくする手段を備えたパワートレインを得ることにある。

本発明は、車輪に連結された電動機を駆動するバッテリと、そのバッテリを充電するための発電機を駆動するエンジンとを備え、前記エンジンをバッテリの電気量が予定以下に低下したとき再起動可能に構成した直列形ハイブリット自動車において、前記バッテリは同一の種類でしかも、同一の電気容量である２個のバッテリであり、その片方を車両駆動用バッテリに、他方を充電準備用バッテリとに分けて機能させ、その機能を即時交替可能に構成することを最も主要な特徴とする。
加えて、車両を急加速操作した時は、前記２個のバッテリが短時間直列に接続して車両駆動用バッテリ化するよう構成し、急加速操作時間は駆動用電動機の短時間定格の範囲内に設定されていることが望ましい。

本発明に係る自動車のバケット充電式パワートレインは、同一種類で、同一電気容量の２個のバッテリを即時交替可能に構成しているから、通常の運転時には１個を充電しつつ他の１個で走行することとし、駆動中のバッテリの電気量が予定以下に低下したとき、完充電されたバッテリと即時に自動交替することで、運転者は何も知らずに連続して運転を続行できる。

また、急加速時に両バッテリを直列接続して用いるものであるから、バッテリ自体を高電圧化することなく一時的にバッテリの出力電圧を２倍に昇圧できる。

そして、バッテリ側から供給される高圧の電流は、急加速時の数秒間作用するだけであるから、車輪駆動用の電動機の短時間定格の範囲内で動作させれば、電動機を大型化させる必要がなく、車載上の問題を生じることがなく、ＢＨＥＶであるから低燃費が得られるなどの効果がある。

以下、図示した本願発明の一実施例を説明する。図１中、１０は車両の直列形ハイブリットパワートレインであり、直列形ハイブリットパワートレイン１０は車輪１２を駆動するべく連結された駆動用の電動機１４を有し、その電動機１４はバッテリ装置１６から給電される。

１８は前記バッテリ装置１６を充電する充電用の発電機である。その発電機１８はエンジン２０に連結されており、それによって駆動される。２０ａは燃料タンクであり、エンジン２０へ燃料を供給する。

かくて、前記車輪１２はエンジン２０の動力によって直接駆動されるのではなく、発電された電力を介して駆動されるので、全体として、直列形ハイブリットパワートレイン１０が構成される。

前記バッテリ装置１６は、走行用に供された状態にある駆動用バッテリBａと、充電を行う発電機１８によって充電され電気量を充分満たした状態で待機する状態にある充電用バッテリBｂとの２個を有し、それらはコンピュータ２２によって接続が切り替えられて、一方が駆動用として、また、他方が充電用として作用する。

ＢａとＢｂとは、鉛バッテリ、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなど何れの種でもよいが、同一種類で無ければならず、しかも、同一の電気容量を持つように設けなければならない。つまりＢａとＢｂとは同じものであることが、即時交替の要件である。

また、図３で示すように、バッテリ装置１６における駆動用バッテリＢａと、充電用バッテリＢｂの接続の切り替えには、
１）充電のため両バッテリＢａ、Ｂｂを交互に充電用の発電機へ接続する充電のための切り替えと、
２）充電用バッテリＢｂを駆動用バッテリＢａと直列接続にして出力電圧を昇圧させる昇圧のための切り替え、
との各々２種、合計４通りが準備される。

コンピュータ２２はエンジン２０の操作子であるアクセルペダル２４の操作量と、前記駆動用バッテリＢａの有する電気量と、メインスイッチ１９のキー状態を制御信号として、駆動用バッテリＢａと充電用バッテリＢｂとを入れ替え接続したり、あるいは両者を同時に前記電動機１４へ接続したりするための出力信号を発する。

コンピュータ２２の主要な機能は、大別すると、
１）駆動用バッテリＢａの電気残量を制御信号として、駆動用バッテリＢａの電気量が予定以下になったとき、完充電された充電用バッテリＢｂと即時交替させ、駆動用バッテリＢａは充電用発電機１８に接続してエンジン２０を再起動させバケット充電して完充電状態にしておく、交替・充電管理と、
２）アクセルペダル２４の踏み込み量を制御信号として、急加速時に駆動用バッテリＢａと充電用バッテリＢｂとを直列に短時間接続して駆動用の電動機１４へ給電して、その電動機１４を介して車輪１２を急加速させるための増力管理と、
３）メインスイッチ１９のキー状態を制御信号として、走行及び走行準備中か、インガレージかを判断する状態管理
とを行う。

図２は前記コンピュータ２２によって電気的な切り替えを行うバッテリ装置１６の構成を示すものである。バッテリ装置１６はスイッチング基板１６ａと、そのスイッチング基板１６ａの端子G＋、G−に連結された充電用発電機１８、端子M＋、M−に連結された駆動用電動機１４、および、端子ａ＋、ａ−に連結された前記駆動用バッテリＢａと端子ｂ＋、ｂ−に連結された充電用バッテリＢｂなどからなっている。

図２では複雑さを避けるため直流表示をしているが、実際には、図５に示したように３相交流を用いて電動機にはインバータ１６ｃ、発電機からはコンバータ１６ｂを介在させることが多い。

スイッチング基板１６ａでの接続替えには、図３で示すように、定常運転と急加速運転との運転状態の変化、および両バッテリＢａ、Ｂｂの充電状況に応じて、コンピュータ２２からの指令によってパワースイッチング素子で行う。

素子としては、サイリスタ、GTO、IGBTなどを用いることができ、定格電圧１０００V以上、定格電流６００A以上であってもターンオン、ターンオフ時間が２０マイクロ秒以下の短時間で接続替えが可能である。車両の運転者は１００ミリ秒以下ならば気付かないといわれている。図６に電動機の回転力特性を示した。

即ち、定常運転時には駆動用バッテリＢａが車輪１２を駆動し、充電用バッテリＢｂが充電用の発電機１８から給電されて充電する。なお、定常運転は急加速以外の全ての運転状態を含み、登坂時の運転をも包含する。

充電用バッテリＢｂの充電は比較的小型のエンジンを熱効率の良い狭い回転域・負荷域で運転し、駆動用バッテリＢａが放電してしまう以前に充電を完了し、充電が完了するとエンジン２０は停止して次の充電のため待機する。この作動を図４で示す。

バッテリの電気容量はＡｈ（アンペアアワー）で表すが、全容量を１００％とすると、当初は１００％からスタートするが、消費、充電を繰り返すようになると、０％まで使い切るのは好ましくない。

よって、上限と下限を設けて管理しなければならず、下限が交替レベル、上限が１バケット充電レベルになり、その幅をSOC（ステイトオブチャージ）といい、５０％程度である。また、上限を完充電状態ともいい、電気量は化学センサーによる直接計測、もしくはシャント電流の時間積分による電荷移動計測で知る事ができる。

アクセルペダル２４が急加速操作されると、図３（ａ）で示すように、充電用バッテリＢｂが駆動用バッテリＢａと駆動用の電動機１４とを結ぶ回路中へ直列に接続され、駆動用の電動機１４に２倍の電力が供給されて、車両が急加速する。

この際、充電用バッテリＢｂに連結された充電用の発電機１８もそのままに、駆動用の回路に接続されていたほうがよい。エンジン２０の無負荷運転は、過回転を招き好ましくない。

アクセルペダル２４の急加速操作は、普通踏み切りスイッチによって行ない、また、充電用発電機１８の１回分の発電量（１バケット充電）はコンピュータ２２のタイマー指令で行う。

この急加速時間は実用上３秒以下であり、その時間を過ぎるとコンピュータ２２が設定するタイマーによってバッテリの直列化が解除される。また、１回急加速すると１分間は急加速が利かないようにしてある。

当然ながら、駆動用の電動機１４の短時間定格はこの操作を許容する水準に設定されている。よって、駆動用の電動機１４の定格を急加速に合わせて強化する必要がないので、電動機の定格を強化して急加速以外の全運転域に亘って余裕をもたせてしまう場合に比して車量の増加を最小限にとどめることができる。

また、従来の直列形ハイブリッド駆動装置のバッテリを２つに分け、一方を充電用、他方を駆動用とし、交互に充電するように構成したから、急加速時に両者を直列に接続すれば、２倍の出力電圧が得られる。よって、バッテリの容量を大型化することなく出力電圧を増し、急加速させることができるようになるのでバッテリを増設する必要がなく、バッテリの増設による車重の増加が回避できる。
この考え方の前者は、在庫管理学におけるダブルビン方式の応用である。

本願発明の実施方法を示したシステム説明図である。図１中のスイッチング基板の端子を示すシステム説明図である。図２中のスイッチング基板の動作を示す作動説明図であり、（ａ）は運転状態に対応させた回路図を示し、（ｂ）は各運転状態における各端子の接続の切り替わりを表す。充電バッテリの電気容量を示す特性図である。実用基板のシステム説明図である。電動機の回転力特性図である。

符号の説明

１０直列形ハイブリット駆動装置
１２車輪
１４駆動用の電動機
１６バッテリ装置
１６ａスイッチング基板
１６ｂコンバータ
１６ｃインバータ
１８充電用の発電機
２０エンジン
２０ａ燃料タンク
２２コンピュータ
２４アクセルペダル
Ｂａ駆動用バッテリ
Ｂｂ充電用バッテリ
G＋、G−、M＋、M−、ａ＋、ａ−、ｂ＋、ｂ− 端子

Claims

車輪に連結された電動機を駆動するバッテリと、そのバッテリを充電するための発電機を駆動するエンジンとを備え、前記エンジンをバッテリの電気量が予定以下に低下したとき再起動可能に構成した直列形ハイブリット自動車において、前記バッテリは同一の種類でしかも、同一の電気容量である２個のバッテリであり、その片方を車両駆動用バッテリに、他方を充電準備用バッテリとに分けて機能させ、その機能を即時交替可能に構成してなる自動車のバケット充電式パワートレイン。
請求項１において、車両を急加速操作した時は、前記２個のバッテリが短時間直列に接続して車両駆動用バッテリ化するよう構成した自動車のバケット充電式パワートレイン。
請求項２において、前記急加速操作時間は駆動用電動機の短時間定格の範囲内に設定されている自動車のバケット充電式パワートレイン。