JP2013511257A - 車両用発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両走行中、車輪に印加される圧力を用いて電気を生産し、電気自動車またはハイブリッド自動車等の電気駆動車両の動力源を供給する車両用発電装置を提供する。
【解決手段】車両のホイールに装着され、車輪回転時に地面から車輪を通じて伝達される圧力によって発電する多数の圧電素子を含む発電モジュールと、発電された電気を蓄える蓄電器と、発電モジュールと蓄電器を電気的に連結する連結ユニットを備える。発電モジュールは、タイヤに包まれるようにホイールのフランジに設けられる保持部材と、保持部材に設けられる圧電素子を含み、連結ユニットは、車輪を保持する車軸に設けられ一方の面に円周方向に沿った接触端子を有する回転ディスクと、一端が発電モジュールに電気的に連結され、他端が回転ディスクに連結された電源連結部材と、車体または車両のフレームに保持され、二つの接触端子に接触するブラシを有する接触連結部を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は車両用発電装置に関し、さらに詳しくは、車両が走行中に車輪に印加される圧力を用いて電気を生産することによって、電気自動車またはハイブリッド自動車のように電気を用いて駆動する車両の動力源として提供される車両用発電装置に関する。

一般に、自動車は、揮発油や軽油のような化石燃料を燃焼させる過程で発生する動力によって車輪を回転させ、走行動力を得る。ところが、従来の自動車は、化石燃料の燃焼過程で発生する二酸化炭素のような温室ガス及び各種の汚染物質のため、環境汚染の主な原因の一つとして評価されている。

従って、このような問題点を解決するために、太陽光自動車や、電気自動車または燃料電池自動車のように、汚染物質を排出しない、環境に優しい自動車に関する研究が盛んに行われている。

そのうち、電気自動車に関する研究と開発が極めて活発に行われているが、今までの電気自動車は、蓄電技術が足りなくて、極端に長い充電時間と短い放電時間という問題があり、商用化するためには解決すべき難題がたくさんあった。従って、現在は化石燃料と電気エネルギーを併用することによって化石燃料の使用量を減少させうるハイブリッド自動車に対する開発が活発に行われており、一部の車種が現在量産されている。

現在量産中のハイブリッド自動車は、自動車の速度範囲によって電気モータと内燃機関を選択的に使用する場合が多いが、一般的に、低速範囲では電気モータを用いて車輪を駆動させる。ところが、都心の渋滞の状況のように、低速範囲における運行時間が長くなる場合には、電気モータに供給する電源を十分に確保できなくなり、内燃機関から動力を得ることになり、これによって、非効率的な燃料の使用と汚染物質の排出増加というような問題が発生する恐れがあった。

この問題点を解決するために、自動車の走行中にバッテリを充電する案が提案されており、韓国特開第2002-0008137号には、電気自動車の自家発電装置が開示されている。

前記文献の電気自動車は、車両の両側の後輪に固設され、軸受けによって後輪と同時に回転するように装着された車輪側にべべルギヤ装置が設けられ、該べベルギヤ装置によって回転される大型回転輪が設けられ、該大型回転輪によって駆動されてバッテリを充電する高速発電機を備える。

また、韓国特開第2000-010126号には電気自動車の補助充電装置が開示されている。

前記文献の電気自動車は、自動車の前方部または両側部を通して流入される空気を捕集するホッパと、ホッパを通して流入される風を通してて回転力を発生させるファンと、ファンの駆動力を発電機に伝達及び短絡させるファン駆動力断続部と、ファンの回転数を電気的信号として検出する回転数検出センサと、自動車のルーフに設けられるソーラーセルを備える。

前記文献の電気自動車の場合、走行中に発生する風力を用いて発電を行うので、自動車の空気抵抗を増加させて十分なバッテリ充電効果を期することができない。

前述した従来の技術は、車両が地面に接触して走行しつつ車輪が受ける圧力を用いた発電は不可能である。

本発明は、前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、車両が駆動中に車輪に印加される圧力を利用して発電をすることによって、電気自動車またはハイブリッド自動車の駆動に使われる電気の安定的な供給を図れる、車両用発電装置を提供するところにある。

本発明に係る車両用発電装置は、車両のホイールに装着されて車輪が回転する際、地面から前記車輪を通じて伝達される圧力によって発電する多数の圧電素子を含む発電モジュールと、前記発電モジュールで発電された電気を蓄電する蓄電器と、前記発電モジュールと前記蓄電器を電気的に連結する連結ユニットを備える。

前記発電モジュールは、前記ホイールのフランジにタイヤによって包まれるように設けられる保持部材と、前記保持部材に設けられる前記圧電素子を含み、前記連結ユニットは前記車輪を保持する車軸に設けられ一方の面に円周方向に沿って延びる接触端子を有する回転ディスクと、一端が前記発電モジュールに電気的に連結されており、他端が前記回転ディスクに連結された電源連結部材と、車体または車両のフレームに保持され、前記２つの接触端子に接触されるブラシを有する接触連結部とを備えることが望ましい。

そして、車両の振動力を通じて発電する補助発電ユニットをさらに具備できるが、前記補助発電ユニットは車両のフレームや車軸に設けられ圧電素子を有する補助発電モジュールと、車両が上下方向に振動する際、前記補助発電モジュールを加圧できるように車体に装着される加圧部材を備え、前記加圧部材は弾性力のある緩衝材で形成されるのが望ましい。

以上説明したように本発明によれば、車輪が回転することによって受ける圧力により発電を行うので、電気自動車またはハイブリッド自動車の動力として使用される電気の充電を効率よく補助できる利点がある。

図１は、本発明に係る車両用発電装置を示した部分斜視図である。 図２は、図１の車両用発電装置の断面図である。 図３は、図２の車両用発電装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付した図面を参照して本発明に係る車両用発電装置をさらに詳しく説明する。

図１ないし図３には本発明に係る車両用発電装置１００の一実施形態が示されている。

同図に示すように、車両用発電装置１００は、車輪１０に設けられる発電モジュール２０と、車両の振動力を用いて発電する補助発電ユニット４０と、発電された電気を蓄える蓄電器と、発電モジュール２０と蓄電器を電気的に連結する連結ユニットと、を備える。

前記発電モジュール２０は、車輪１０の回転によって車輪１０が地面から受ける圧力を通じて発電を行うもので、ホイール１１のフランジ部１２に車輪１０により包まれるように装着される。

前記発電モジュール２０は、ホイール１１に設けられる保持部材２１と、該保持部材２１に設けられる多数の圧電素子２２を備える。

圧電素子２２は、ピエゾ素子とも呼ばれ、外部から圧力または力が加わると電気を発電する。

車輪１０は、車両の駆動によって地面と接触しつつ転がり運動を行うようになるが、地面から持続的に圧力を受けるにようになる。従って、この圧力を用いて発電が行えるように圧電素子２２を含む発電モジュール２０をホイール１１に設けるようになる。

車輪１０が回転しつつタイヤ１６が地面に接触して地面から圧力が印加されると、地面と接触するタイヤ１６と隣接した圧電素子２２は空圧によって圧力を受けるようになり、この圧力によって圧電素子２２で発電が行われる。

保持部材２１は、圧電素子２２がホイール１１の円周方向に沿って設けられるようになっており、保持部材２１にはそれぞれの圧電素子２２が電気的に連結できるようにそれぞれの圧電素子２２が装着されうる装着ホールを有するＰＣＢ板で形成されることが望ましい。

蓄電器は、前記発電モジュール２０または後述する補助発電ユニット４０において発電された電気を蓄えるためのものであって、充放電の可能な２次電池または大容量のコンデンサが適用されうる。蓄電器に充電された電気は、電気自動車またはハイブリッド自動車の駆動動力または車両の駆動に必要な補助電源として使用できる。

連結ユニットは、前記蓄電器と発電モジュール２０とを相互連結するためのものである。

前記発電モジュール２０が設けられた車輪１０は、車両の駆動によって車輪１０と共に回転することから、回転状態の発電モジュール２０から生産された電気を蓄電器に連結するための別の連結手段３０が必要であるが、本実施形態の連結手段３０は前記発電モジュール２０から延びる電源連結部材３１と、車軸１３に設けられる回転ディスク３２及び接触連結部３５とを備える。

電源連結部材３１は、一端が保持部材２１に電気的に連結されて圧電素子２２で発電された電流が伝達できるように形成された電線ケーブルであり、他端が、前記ホイール１１を貫通して保持部材２１から延びて回転ディスク３２に電気的に連結される。

前記電源連結部材３１は、車体１５内の他の構成要素に引っ掛かる等して車輪１０の回転中に破断が発生することを防止できるように、延びている部分の一部が回転ドラム１７に固定されていて、電源連結部材３１の遊び距離（変位（たるみ）可能に長さに余裕をもたせる長さ）を最小化するのが望ましい。

回転ディスク３２は車軸１３に設けられて車軸１３と共に回転する円板状であり、車輪１０と向かい合う一方の面と対向する他方の面には、回転ディスク３２の回転中心から放射方向に相互に所定間隔離された第１及び第２接触端子３３，３４が、回転ディスク３２の円周方向に沿って環状に形成されている。

接触連結部３５は、前記回転ディスク３２と接触して電源が蓄電器に伝達できるように連結するものであって、車軸１３を保持する軸受け１４に固定されたボディ３６と、ボディ３６に設けられ前記第1及び第２接触端子３３，３４とそれぞれ接触する第１及び第２ブラシ３７，３８を備える。

前記ボディ３６は、軸受け１４に設けられる円筒形の固定部材３６ａと、固定部材の一端部に連結され、前記固定部材３６ａより相対的に外径が大きく形成されている拡張部材３６ｂとを備える。

固定部材３６ａと拡張部材３６ｂとは、軸受け１４を取り囲めるように（外接するように）形成されるべきなので、中央に、長手方向に沿って延びて軸受け１４が貫通できる中空部が設けられている。

図示されていないが、固定部材３６ａは、固定ボルトとナットとによって軸受け１４に着脱自在に固定される。拡張部材３６ｂは、回転ディスク３２に向かって露出される面に第１及び第２ブラシ３７，３８が設けられるように、その直径は、前記回転ディスク３２の直径と対応するように略等しく形成するのが望ましい。

第１及び第２ブラシ３７，３８は、前記第１及び第２接触端子３３，３４と接触するもので、前記回転ディスク３２が車軸１３及び車輪１０と共に回転する場合も、第１及び第２ブラシ３７，３８は回転ディスク３２に環状に延びている第１及び第２接触端子３３，３４に接触して電流が流れる状態であり、これにより通電が行われる。前記第１及び第２接触端子３３，３４は、それぞれ回転ディスク３２の中心から放射方向に相違なる離隔距離の環状の帯状に形成されるので、これにそれぞれ接触する第１及び第２ブラシ３７，３８も、拡張部材３６ｂの中心からの離隔距離が相異なるように配置される。そして、それぞれ＋極と−極に連結される。

前記回転ディスク３２が回転する状態で、第１及び第２接触端子３３，３４と前記第１及び第２ブラシ３７，３８とが接触するので、摩擦によって第１及び第２接触端子３３，３４及び第１及び第２ブラシ３７，３８に磨耗が発生し、これらの接触が解除される恐れがある。

従って、図１に示したように、前記拡張部材３６ｂには第１及び第２ブラシ３７，３８を回転ディスク３２側に加圧する弾性部材３９が設けられていて、摩擦によって磨耗が発生しても、第１及び第２接触端子３３，３４と第１及び第２ブラシ３７，３８の接触状態が持続的に保たれるようにする。

発電モジュール２０で生成された電流は、前記接触連結部３５を通じて蓄電器に移動して充電が行われる。

補助発電ユニット４０は、車両の走行中、上下方向に振動する振動力を通じて発電を行うためのもので、車軸１３に設けられる補助発電モジュール４１と、車体１５に設けられて、車両が上下方向へ振動する際に前記補助発電モジュール４１を加圧できるように形成された加圧部材４４とを備える。

補助発電モジュール４１は、車軸１３に設けられるサポート部材４２と、サポート部材４２に保持される複数の圧電素子４３を含むが、前記圧電素子４３は上方の車体１５が下降する際、車体１５に設けられた加圧部材４４によって加圧できるように設けられていて、加圧部材４４の押圧力によって圧電素子４３で電気が生成される。

一般の走行状況下では車両の振動が大きく発生しないが、スピードバンプを始めて平坦でない道路を走行する時は、車両に上下方向の振動が発生するようになるので、この振動力を用いて発電が行われる。

前記加圧部材４４は、補助発電モジュール４１を加圧する過程で圧電素子４３またはサポート部材４２を破損させることを防止できるように、弾性変形の可能な緩衝材で形成されるのが望ましい。

前記補助発電ユニット４０も蓄電器と電気的に連結されていて、補助発電モジュール４１で発電された電気は蓄電器に充電され、蓄電器に充電された電気は、必要に応じて、車両の走行または電気装置の電源供給に使用できる。

本実施形態では、前記補助発電モジュール４１は車軸１３に設けられることとして説明したが、補助発電モジュール４１は、車両のフレームに設けることもできる。そして、前記加圧部材４４と前記補助発電モジュール４１の設置位置を、互いに反対になるようにすることができる。

本発明に係る車両用発電装置１００の、作動過程を説明すれば次の通りである。

車両の走行が始まると、車軸１３の回転と共に車輪１０が回転するようになる。

車輪１０が回転すると、地面に接触するタイヤ１６は地面から圧力を受けるようになり、タイヤ１６の内部空気を通じてこの圧力がホイール１１に装着された発電モジュール２０に伝達される。発電モジュール２０の圧電素子２２は、車輪１０の回転に起因して地面から伝達される圧力によって発電を行うようになり、発電モジュール２０で発電された電気は電源連結部材３１を通じて回転ディスク３２に伝達され、回転ディスク３２の第１及び第２接触端子３３，３４と接触連結部３５の第１及び第２ブラシ３７，３８の接触によって電流は蓄電器に伝達され、充電が行われる。

また、走行中、スピードバンプを越える際、または地面が平坦でない道路を走行する際には、車両の振動を用いて補助発電ユニット４０で発電を行うようになる。車体１５に設けられている加圧部材４４が車両の振動によって上下方向に振動し、車軸１３に設けられている補助発電モジュール４１の圧電素子４３を加圧して、電気が生成されるようになる。

補助発電ユニット４０で発電された電気も蓄電器に充電されて、必要に応じて自動車の駆動または電気装置の電源供給に使用可能となる。

本発明に係る車両用発電装置は車両に簡単に設置できるものであって、産業上の利用可能性が高い。

１００；車両用発電装置
２０；発電モジュール
３０；連結手段
３１；電源連結部材
３２；回転ディスク
３３，３４；第１及び第２接触端子
３５；接触連結部
３６；ボディ
３７，３８；第１及び第２ブラシ
４０；補助発電ユニット
４１；補助発電モジュール
４４；加圧部材
５０；蓄電器

Claims (4)

1. 車両のホイールに装着されて、車輪が回転する際、地面から前記車輪を通じて伝達される圧力により発電する多数の圧電素子を含む発電モジュールと、
   前記発電モジュールで発電された電気を蓄電する蓄電器と、
   前記発電モジュールと前記蓄電器を電気的に連結する連結ユニットと、を備えることを特徴とする車両用発電装置。
2. 前記発電モジュールは、前記ホイールのフランジに、タイヤにより包まれるように設けられる保持部材と、該保持部材に設けられる前記圧電素子と、を備え、
   前記連結ユニットは、前記車輪を保持する車軸に設けられ、一方の面に円周方向に沿って延びる接触端子を有する回転ディスクと、一端が前記発電モジュールに電気的に連結されており、他端が前記回転ディスクに連結された電源連結部材と、車体または車両のフレームに保持され、前記二つの接触端子に接触されるブラシを有する接触連結部とを具備することを特徴とする請求項１に記載の車両用発電装置。
3. 車両の振動力を通じて発電する補助発電ユニットをさらに具備し、
   前記補助発電ユニットは、
   車両のフレーム又は車軸に設けられ圧電素子を有する補助発電モジュールと、
   車両が上下方向に振動する際、前記補助発電モジュールを加圧できるように車体に装着される加圧部材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用発電装置。
4. 前記加圧部材は弾性力のある緩衝材で形成されることを特徴とする請求項３に記載の車両用発電装置。

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