JP2010501158A - 電気牽引による輸送手段のための急速充電式エネルギー給電システム - Google Patents

Abstract

予定される車両の停留所ごとに隣接して直接かつ自動的に実行することができる路床を介する接続によって，電気牽引による輸送車両のための前記停留所において実行される，急速充電式エネルギー給電システムであって，前記車両上に配置された少なくとも１つの充電サブシステムと，電気エネルギーを伝達するために前記充電サブシステムと協働する少なくとも１つの固定システムとを備える給電システムが開示される。

Description

発明の詳細な説明

本発明は，電気牽引(electric traction)による輸送手段，具体的には一括タイプの輸送手段のための急速充電式エネルギー給電システムに関する。

現在公知で多少なりとも実験的に使用されているモータ牽引による輸送手段は，化学エネルギー源又はベクトルに依存しており，効率の面で大きな不利益を生じることが分かっている。例えば水素のような他の構成のいずれによっても，利用効率が最初に投じたエネルギーの７％を超えることはない。さらに，現在，科学界では，バッテリに見られる限界，特に搭載重量に関する限界についての討議が集中的になされている。蓄電池の性能を大いに向上させることによって，液体燃料で得られる自走距離とほぼ同じ値に近づく可能性について開示されている。現在，もっとも有望な蓄電池はリチウムポリマーを使用しているが，携帯電話及びコンピュータにそれらを使用することによって，それらのエネルギーを取り出すことのできる限界が既に予測されている。さらに，これらの蓄電池の寿命も問題となっている。つまり，少数回数の充電サイクル後にそれらの性能は大きく低下し，バッテリパック全体の交換を余儀なくされる。電気牽引の場合，バッテリパックは，製造，処分又はリサイクルにおいて数キンタル(a few quintals)の費用を要する工業製品で構成されている。

本明細書において「給電」という用語は，移動用自律式電気手段の設備の一つであるバッテリの部分的な充電を意味する。この用語は，前記移動手段が，適切な設備が整った領域（例えば，都市及び大都市のバス路線の終点）に停車した際に現在利用可能な技術を使用して実行することができる充電操作を示すために使用される。現在の構成には，従来の蓄電池では本質的に高い充電電流をかけることはできないという短所と，車両の停止回数を最小限に抑えなければならないという課題があり，実際にバッテリは部分的にしか充電されない。マイクロバス（１２席，１０．５トン）を運行させるいくつかの都市の路線輸送会社によって採用されている最先端の給電技術は，車両の１日の自走距離(autonomy)を延ばす特性を有するが，いずれにせよ夜間に時間をかけて充電しなければ運行を再開することはできない。

また，鉄道機関車のパンタグラフを用いて車両に非常に高い電力を伝達する技術が既に知られている。電気自動車の１日の自走距離を延長するためにその車両のさほど短くはない停止時間（約１０分）を利用して蓄電池の部分的な充電を実行する可能性が知られている。

現在，最先端の接触式(conductive)又は非接触式(inductive)給電技術では，同じ大きさの車両による電気自動車の自走距離を，一括輸送のために使用されるエンドサーミック(endothermic)車両の運行計画によって示される走行キロまで延長することはできない。さらに，蓄電池の部分的な充電の実行には１時間毎に少なくとも１０分間を要するため，厳密な意味での都市以外では電気牽引の利点を拡大することができない。

当業界では，２００６年９月７日に本出願人によって出願された欧州特許出願第６０１８７４５．７号に開示されているようなエンドサーミックモータにより操作される車両上で制動回生を実行するためのより単純なシステムも提案されている。具体的には，前記システムは，実質的に車両の電気化学的バッテリを補完する電力電子機器に連結されたスーパーキャパシタを使用する高性能バッテリである。この連結によってエネルギーが大幅に節約可能となり，加速度に依存する作用の調整を行う。

現在では，タイヤ上の輸送手段(transport on tires)のために構築される基幹施設への投資以外に，文化や技術が，施設自体及びそれに伴って走行区域や自走物から実際の牽引部材まで車両に必要なものを要求する機会を支援することができる。

本発明の目的は，既知の蓄電池の代わりとして又は既知の蓄電池と共に使用されるスーパーキャパシタの使用を提供し，充電時間を実質的に短縮することができる電気牽引による輸送手段，具体的には電気牽引による一括輸送手段のための急速充電式エネルギー給電システムを提供することによって前記従来技術の課題を解決することにある。

本発明の別の目的は，車両上のエネルギー蓄積に関する既知の技術の限界を克服することができる急速充電式エネルギー給電システムを提供することにある。

本発明の前記及び他の目的及び利点は，以下の記述から明らかになるように，請求項１に記載の電気牽引による輸送手段のための急速充電式エネルギー給電システムによって達成される。本発明の好適な実施形態及び重要な変更例は従属請求項の対象である。

添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱することなく前記システムに対して（例えば，形状，大きさ，配置及び等価な機能を有する部品に関連する）数多くの変形及び修正が可能であることは直ちに明らかになるだろう。

本発明を，添付の図面を参照することにより非限定的な例として提供される本発明のいくつかの好適な実施形態によってより詳しく説明する。

本発明の急速充電式給電システムの主要な構成要素を示すブロック図。 本発明に係るシステムのために地上に長方形に配列された複数の電気接触端子の好適な実施形態を示す斜視図。 車両と本発明に係るシステム内の領域との間でエネルギー交換を実行するためのタップ型対向配列の好適な実施形態の部分斜視断面図。

全体として，下記の記述からより詳しく理解できるように，特に一括輸送に使用される本発明に係る輸送車両の急速充電式エネルギー給電システムは，停止時に回避不可能な車両の偶発的な接近を考慮しながら，路床から直接かつ自動的に行われる接続又は安全条件下で必要なエネルギーを伝達することができる別の接続を介して，車両自体の予定される停留所毎に実施される。

本発明に必要とされる柔軟性は，車両の予定される停留所に隣接して直接かつ自動的に行われる接続を提供する一方で，乗客が車両を乗降することができる停止長さに応じた時間内で，車両を充電位置（次の停留所）までの離間した道路区間を運行させるために車両に必要なエネルギーを伝達する可能性を提供する。

図面を参照すると，本発明に係るシステムは，２つの部分，すわなち，車両設備としての充電サブシステムと，このような充電サブシステムに電気エネルギーを伝達するように構成された固定システムとに分類することができる。

具体的には，車両設備としてのサブシステムは，実質的に蓄電池１３によって給電され，場合によっては制動回生力を備えた電気手段であって，
− スーパーキャパシタ１１で構成される少なくとも１つのバッテリと，
− 車両の平台の下に懸架された少なくとも１つの給電タップ型対向配列９と，
− 変換電子機器１２及び制御電子機器１４と
を含む。

スーパーキャパシタ１１で構成されたバッテリは，輸送手段のあらゆる場所に配置したり，様々な空間に配設したりすることができる。一括輸送用の寸法を想定すると，所望のエネルギーを得るためには，４００ｋｇの重量を有する約３００リットルの容積が必要である。変換及び制御電子機器１２及び１４の切替え装置に対応する電圧及びアンペア数を得るためには，接続を直列及び並列にする。

変換電子機器１２及び制御電子機器１４は，バッテリを充電する機能を実行し，車両のエンジンが電気を必要とする際にバッテリを補完し，タップ型対向配列９の動作を制御し，給電接触が確立された際にスーパーキャパシタ１１の急速充電機能を管理する。

また，給電接触により，連結位置を提供するためのデータ送信も確立することができる。すなわち，接地点に対して高電位となることを予見する接触を認識することができる。さらに，車両の識別と，機能の監視又は使用料の請求に必要な経理を行うためのエネルギー伝達量の測定値も送信することができる。

タップ型対向配列９は，車両の平台の下に配置されたプレート９ａで構成され，プレート９ａは導電接触端子群を収容し，好ましくは配列順に配置された電気接触端子を確立するためのバネ式フェルール(spring ferrules)９ｂ及び９ｃとして構成されている。

タップ型対向配列９は，後述する地上給電所７の配列に対応する類似した形態を有するため，任意の一般的な連結条件下で最大数の並列接触が形成される。このような対向配列の可能な実施形態によって，接地電位との接触を目的としたバネ式接触端子で構成されたクラウン９ｂが設けられる。クラウン９ｂは，短絡現象をできる限り防止するように，対向配列の中央に配置されたバネ式フェルール９ｃから（以下に説明する，絶縁体を含むマット７のセル７ａの少なくとも直径だけ）離間されている。

プレート９ａは，２つの位置を移動する。１つは，車両の循環時に接触端子の損傷を回避する格納位置であり，もう１つは，伸展位置又はエネルギー移動段階に舗装道路上で押圧される位置である。伸展操作及びその後の格納を実行するためには，少なくとも３つの線形作動装置９ｄが必要となる。

バネ式フェルール９ｂ及び９ｃを保護しかつ清浄な状態に保つために，道路側にカバーを設けることが望ましい。カバーは，動作段階では引戸又はシャッターのように格納され，そうでない場合には適切な位置に留まり，開口部から突出する個々のバネ式フェルール９ｂ及び９ｃと交差している。この場合，カバーは，絶縁材製又はゴム材製でなければならない。

本発明の急速充電式エネルギー給電システムの安全性は，以下に詳述する給電所に対して強く要求される。対向配列９とスーパーキャパシタ１１で構成されるバッテリとの間に配置されたヒューズ１０によって，輸送手段上に電流の通過を保護する手段が設けられている。

他方，本発明に係るシステムの固定システムは，主電源３に接続された給電所であり，絶縁マット７で構成され，路床に配置された金属製平面接触端子７ａ，管理及び制御用電子機器８，安全システム５及び６，電気化学的蓄電池２及びスーパーキャパシタ４の両方によるエネルギー蓄積容量（energy accumulation capacity），及び場合によっては少なくとも１つの片持ち太陽光発電屋根１を収容する。マット７はハニカム配列に整列された平面接触端子７ａを収容する。各前記接触端子は，表面に露出し，絶縁マット７内に埋め込まれた一本の導線７ｂに接続されており，全ての導線はマット７の片側に収束し，管理及び制御用電子機器８のキャビネット内にその接続が到達する。車両に取り付けられた対向配列９に対するマット７の大きさは，車両がマットに対して誤って位置することで接触不良となる可能性を最小限に抑えるために，運転手が停留所に近づいた際に良好に接近することができる大きさである。

管理及び制御用電子機器８は，本システムの全ての動作工程を管理する。停車時の車両の正確な位置を予測することが不可能なため，全ての接触端子７ａを備えた管理及び制御用電子機器は，マット７と対向配列９との間で毎回実行される連結に応じて，これらの端子を高電位の極性及び接地電位に接続することができる。

安全性は，本発明の記述及び実現において重要な側面である。そのため，本発明のシステムは，安全性を高めることを目的としたいくつかの構成を有し，それぞれ異なる段階で動作する。第１の段階は，電子的に管理される接触端子を実現する幾何学的構造に固有のものである。すなわち，車両が停留所に停止すると，作動システムにより対向配列９が路床に向かって下降し，それによりバネ式フェルール９ｂがマット７に圧力を加える。接触が生じると，管理及び制御用電子機器８は，対向配列９の周囲クラウン上に存在するバネ式フェルール９ｂを接地電位に接続する一方で，前記周囲クラウン内に含まれるバネ式フェルール９ｃを高電位に接続する。これは周囲空間からの高電圧を物理的に絶縁することを保証する。本発明に係るシステムの第２の固有な安全段階は，対向配列９のバネ式フェルール９ｂ及び９ｃとマット７上に配置された接触端子７ａとの接触によって，車両と片持ち屋根との間でのエネルギー伝達を実行するために設定された時間に応じて決定される電圧及び電流によって示される。適切な妥協点は，利用可能な接触端子の数及び大きさによって伝達させることができる最大電流を考慮して，停留所における車両の停止に対応した時間内に５ＭＪのエネルギー伝達に必要な電圧を最小にするものでなければならない。１０秒間の停止を考慮してＮ個のバネ式フェルール９ｂを備えた対向配列９を構築することを想定すると，必要な電力は５００ｋＷとなる。１０００Ｖの電圧を利用する必要がある場合，安全性の理由から電流は５００Ａとなる。

本発明に係るシステムは，同時に動作する少なくとも２つのリアルタイム検査システムを備えていることが好ましい。第１のシステムは，マット７の各接触端子７ａのための個々の金属部分で動作し，各接触端子が接地電位にあることを刻々と確認する。ただ１つの接触端子が高電位に接続されている場合でさえも，エネルギー伝達手順の長さに対応した遅延時間の経過後に，前記第１のシステムは，接触遮断器５によって即座かつ決定的に全ての接触を絶縁する機能を有する。第２のシステムは，予測される状況（接地電位又は高電位）と実際の状況との一致を連続的に確認する論理回路によって，バス段階でマット７の接触端子７ａ上で一括して動作する。そうでない場合には，前記第２のシステムは，全ての接触が最終的に絶縁されるまで電流制限器６によって電流の流れを確認する機能を有する。

給電所１６の設備である電気化学的蓄電池及びスーパーキャパシタは，地下に設けられた空間内又は管理及び制御用キャビネット８を収容する適当な筐体(cabin)内に配置することができる。

エネルギー蓄積力に加えて，片持ち屋根にスーパーキャパシタを設けることによって，別の興味深い可能性が開ける。大都市の事業を想像した場合，片持ち屋根は太陽に露出した場所に配置することができる。片持ち屋根が太陽光発電カバーを備えている場合，スーパーキャパシタの充電は太陽から直接得ることができる。片持ち太陽光発電屋根１は，金属，木又はその他の材料から構成された従来の片持ち屋根であり，停留所に到着する車両を充電するために必要なエネルギーを蓄電池２に充電するために必要な大きさの少なくとも１つの太陽電池パネルを収容する。

片持ち屋根の設備である地上のスーパーキャパシタが車両上のスーパーキャパシタと連結されることで，車両と片持ち屋根との間の急速なエネルギー交換が保証される。

太陽電池パネルが存在すると，生成されたエネルギーを貯蔵するために必要な蓄電池を片持ち屋根に設けなければならない。片持ち屋根は主電源３に接続されているので，特定の状況では輸送路線の地形及び運行条件に応じて，生成されたエネルギーを主電源に入力することができる。

本システムの動作では，主電源又は太陽電池パネルが蓄電池及びスーパーキャパシタを充電し，スーパーキャパシタの存在によって，蓄電池の電流を最大にするだけでなく，サイクル及び充放電深度を最小限にし，蓄電池の寿命を延ばしかつ電気化学的変換効率を増加させることができる。

従って，本発明のシステムによれば，公共の移動手段の停留所の片持ち屋根に対向する円形の(round)区域には，通常は中立，すなわち非活動状態である地上の電気接触端子７ｂの長方形配列７を設けることができる。

車両が停留所に到着してそのような配列上に停止した場合，車両設備であるタップ型接触端子９の対向配列が下降して接触端子７のマットと重なり合い，電流の連続性が確立されるが，位置の偶発性(casualty)は回避できない。なぜなら，常に正確に停止して必ず所定の接触を実現することを運転手に求めることができないからである。なお，本発明の別の実施形態では，本給電システムの接触端子を摺動又は回転式とすることができ，例えば，充電自体は可能であるが車両の停止を必要としない充電のために確保された経路設備とすることができる。

その際，電力の接続のための位置及び作動方式を決定するために，２つの配列間での通信が起動する。

地上の配列動作を確認するサブセット８は，計算及び測定された地形に応じてヤードを提供する。いくつかのヤードは高電位の極性に接続され，その他のヤードは接地電位に維持される。

安全性の理由から，２つの配列が重なり合う領域の中心に配置されたヤードを高電位に接続する一方で，周囲クラウンを接地電位に維持することで，例えば，乗客が輸送手段において傘を落とし，それを回収する際に２つの重なり合った配列からなる連結給電システムの近傍に接近する場合等の偶発的な感電の全ての危険性を効果的に回避する。

必要なエネルギー伝達のための連結に要する時間は数秒であり，その後制御サブシステムは充電電位の供給を停止し，輸送手段の対向配列は自由に格納される。

運転手は，乗客の輸送手段への乗車あるいは同手段からの降車を待ち，給電システムに全く注意を払わずに運転を再開することができる。

片持ち屋根による給電システムは，理論上は，数秒間であっても車両にメガワット単位の電力を供給することができることになる。これは主電源３への電気接続に関する限界を示すことになり得るが，蓄積又は緩衝機能は，地上の装置の制御サブシステムの設備として設けられた固定スーパーキャパシタ４によって再度実行することができる。

車両が車道に沿って坂道を上ったり下りたり(rises or descends)する場合，エネルギーを回収する機会が生じる。下り坂に遭遇した輸送手段は，回生制動によって大量のエネルギーを生成する。過剰なエネルギーは輸送手段の総蓄積容量を超過するため，仮定として下り坂に沿って配置された給電所での停止は，上り坂に遭遇しているはずの対向車線を走行する手段にとって有用なエネルギーを固定設備に回収する好機である。

対向する片持ち屋根間の単純な電気接続は，坂道を下る車両が反対方向に沿って走行する対応する車両が坂道を上るためのエネルギーを供給するかを見極める機能を提供する。

本発明に係るエネルギー給電システムは，上述したように，輸送手段に電気エネルギーを電気化学的に蓄積する必要性を大きく減少させ，必要なエネルギーを輸送手段に供給する機能を受け持ち区域(territory)に求め，それによって自走距離の問題を解消する。このような観点から，本発明に係るシステムの用途の可能性は非常に高いことは完全に明らかである。つまり，人々の私的又は公共輸送用車両に電力を供給できるだけでなく，商品輸送用車両への用途に非常に適している。とりわけ食品チェーン店に関しては，生産から消費までの距離を短縮する必要があることが分かっている。現地で生産された食品の輸送では，所望の温度で動作及び維持するための燃料を必要としない自律型冷蔵車両は腐敗しやすい農産物の保存にとって有利である。

最適化の点では，現在の冷蔵トラックと同様の自律型車両による運搬は費用がかかり無駄である。従って，全てに電気を用いる論理のもとでさらに給電システムを太陽光発電力と一体化する冷蔵ワゴン車について検討することが好ましい。また，この場合，システムは，急速負荷冷却及び所望の温度の維持が可能となるようにエネルギーの大きさに合わせた寸法にすることができる。冷蔵ワゴン車に必要なエネルギーの見積もりに関しては，食糧品１トン当たり約１２０ＭＪの熱を抽出する必要があると言われている。

ヒートポンプは，このエネルギーの一部を電気的に消費する場合があり，保存される残留熱量が４０ＭＪであるとの想定のもとに，このような規模は，先に述べた給電用片持ち屋根の機能と対応している。当然のことながら，輸送手段は適当な給電領域も使用することができる。太陽に直接暴露される場合，すなわち，最も困難な状況において，より多くの電力を供給するという利点を有する小型の太陽光発電屋根によって冷温の維持が確実に可能となる。冷蔵容器の断熱量は，設計時に，供給される利用可能なエネルギーに応じて容易に調整することのできる固有値(specifics)である。

公共輸送手段と同様に，別の実施可能な商品輸送手段は，全給電モデルに基づいており，スーパーキャパシタ設備の性能を高めかつ電気化学的蓄電池を構成するバッテリのさらなる有効利用によって自走距離を延ばすことができる。液体燃料で通常利用可能な自走距離よりも輸送手段に与えられる自走距離が短いという概念は依然として変わっていないため，移動のためにエネルギーを蓄積する受け持ち区域に依存する。

従って，本発明に係るエネルギー給電システムは，中距離又は長距離の条件下でさえ，妥協することなく商品の輸送に関する課題を解決することができる。給電システムが例えば大都市に繋がる経路まで拡大している場合，両方のシステムの利点を兼ね備えた，タイヤ上の電気式輸送手段を想定することができる。

経路における交通量や待ち行列によって停止を余儀なくされるため，給電のための非常に短い停止は問題とはならない。さらに，これらは電気式トラックであるため，輸送手段内のスーパーキャパシタの設備を増強することで，大きな不利益を生じることなく，自走距離を延長することができる。

山道を通過する特別な場合には，坂道を下る輸送手段から回生で得られたエネルギー量が供給されるとすれば，上り坂で必要なエネルギーが理論上ゼロとなる。これは，理論的なものであり，なぜならば，実際の機械の効率を考慮することが常に必要だからである。しかし，より大きなエネルギーが確実に得られ，損失補償のためのみに外部から供給されるエネルギーを利用することになる。

Claims (14)

1. 予定される車両の停留所ごとに隣接して直接かつ自動的に実行することができる路床を介する接続によって，電気牽引による輸送車両のための前記停留所において実行される，急速充電式エネルギー給電システムであって，前記車両上に配置された少なくとも１つの充電サブシステムと，電気エネルギーを伝達するために前記充電サブシステムと協働する少なくとも１つの固定システムとを備える給電システム。
2. 前記充電サブシステムが，
   − 前記車両の平台の下部に配置され，導電接触端子（９ｂ，９ｃ）及び少なくとも１つの位置決めシステムを備えた少なくとも１つのタップ型対向配列（９）と，
   − 少なくとも１つの変換及び制御電子機器（１２，１４）の切替装置と，
   − 前記切替装置に対応する電圧及びアンペア数に到達するために接続されたスーパーキャパシタ（１１）で構成された少なくとも１つのバッテリと
   を含む請求項１記載の給電システム。
3. 前記固定システムが，
   − 複数の金属製平面接触端子（７ａ）を備え，前記路床上に配置された少なくとも１つの絶縁マット（７）と，
   − 少なくとも１つの管理及び制御用機器（８）の切替装置と，
   − 前記マット（７）に隣接して配置され，少なくとも１つの前記管理及び制御用電子機器（８）の前記切替装置に対応する電圧及びアンペア数に到達するために接続されたスーパーキャパシタ（４）で構成された少なくとも１つのバッテリと
   を含む請求項１記載の給電システム。
4. 前記導電接触端子（９ｂ，９ｃ）が，バネ式接触端子である請求項２記載の給電システム。
5. 前記金属製平面接触端子（７ａ）が，前記絶縁マット（７）上の配列型配置に従って配置されている請求項３記載の給電システム。
6. 前記停留所には前記マット（７）を備えた片持ち屋根が設けられ，前記スーパーキャパシタ（４）で構成された前記バッテリは，電気化学的蓄電池（２）を備えている請求項１記載の給電システム。
7. 前記片持ち屋根が，主電源（３）に接続されている請求項６記載の給電システム。
8. 前記片持ち屋根は，エネルギーを生成して蓄積及び前記車両に伝達するように構成された少なくとも１つの太陽光発電ソーラーパネル（１）を備える請求項６記載の給電システム。
9. 前記絶縁マット（７）と前記タップ型対向配列（９）との間の接続が，前記車両の予定される停止中に事前に決定不可能な偶発的な重なり合いによって自動的に行われる請求項３記載の給電システム。
10. 前記複数の金属製平面接触端子（７ａ）が，前記タップ型対向配列（９）と接触する可能性を保証するようにハニカム状に配置されている請求項３記載の給電システム。
11. 前記複数の金属製平面接触端子（７ａ）が，表面に露出しかつ前記絶縁マット内に埋め込まれた一本の導線に接続され，全ての前記導線が前記管理及び制御用電子機器（８）の連結部に到達するように前記マットの片側に収束している請求項３記載の給電システム。
12. 前記タップ型対向配列（９）は，バネ式フェルールのクラウン（９ｂ）が接地電位と接触するように配置された前記バネ式接触端子を備え，前記フェルールが前記タップ型対向配列（９）の中央に配置されたバネ式フェルール（９ｃ）による短絡現象を回避するように絶縁体を含む前記マット（７）の前記金属製平面接触端子（７ａ）の少なくとも１つのセルの直径だけ離間されている請求項２記載の給電システム。
13. 前記タップ型対向配列（９）が，少なくとも３つの線形作動装置（９ｄ）によって作動し，前記マット（７）の前記金属製平面接触端子（７ａ）との安定的な接触が確立されるまで前記マット（７）に向かって下降する請求項２記載の給電システム。
14. 前記金属製平面接触端子（７ａ）及び前記マット（７）は，同時に動作する少なくとも２つのリアルタイム検査システムを備える請求項３記載の給電システム。

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