JP3998991B2 - 電動モータ搭載型車両 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータにより走行する電動モータ搭載型車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータにより走行する電動モータ搭載型車両として、例えば、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池車両が開発されつつある。この固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。前記燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００５】
ところで、燃料電池車両では、上記の燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムが用いられている。図２５に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック（電力供給機構）２を備え、この燃料電池スタック２には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部３と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部４と、酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部５とが設けられている。
【０００６】
燃料ガス供給部３は燃料ガスポンプ（反応ガス供給用ポンプ）６を備え、この燃料ガスポンプ６と燃料電池スタック２の燃料ガス流路（図示せず）とが、燃料ガス供給路７を介して連通している。燃料ガスポンプ６には、ポンプ用電動モータ８が連結されている。
【０００７】
冷却媒体供給部４は冷却媒体ポンプ（冷却媒体供給用ポンプ）９を備えている。この冷却媒体ポンプ９と燃料電池スタック２の冷却媒体流路（図示せず）とは、冷却媒体供給路１０を介して連通している。冷却媒体ポンプ９には、ポンプ用電動モータ１１が連結されている。
【０００８】
酸化剤ガス供給部５はスーパーチャージャ（反応ガス供給用ポンプ）１２を備えており、このスーパーチャージャ１２と燃料電池スタック２の酸化剤ガス流路（図示せず）とが、酸化剤ガス供給路１３を介して連通している。スーパーチャージャ１２には、ポンプ用電動モータ１４が連結されている。
【０００９】
燃料電池スタック２は、メイン電動モータ（主電動モータ）１５に電力を供給するとともに、前記メイン電動モータ１５がトランスミッション１６を介して車軸１７に連結されている。この車軸１７の両端には、タイヤ１８が取り付けられている。燃料電池スタック２は、メイン電動モータ１５と電動モータ８、１１および１４の他、空調エアコン用コンプレッサ１９に付設された電動モータ２０に主電力を供給している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、反応ガスや冷却媒体を供給する補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２を駆動するために、それぞれ専用の電動モータ８、１１および１４が設けられるとともに、それぞれ駆動装置（図示せず）が必要となっている。
【００１１】
しかも、空調エアコン用コンプレッサ１９に付設された専用の電動モータ２０を駆動しなければならない。このため、燃料電池システム１全体のエネルギ効率やスペース効率が相当に低下するとともに、部品点数が増加しかつ構造が複雑化してしまい、製造費が高騰するという問題が指摘されている。
【００１２】
そこで、例えば、米国特許第６，２２３，８４４Ｂ１号公報に開示されているように、タイヤを回転させるための少なくとも１つのホイールモータと、各種の補器を駆動するための主モータとを個別に設けた燃料電池エンジンが知られている。
【００１３】
ところが、通常、車両を加速させる際には、比較的大きな出力が必要となる。従って、上記の従来技術では、各種の補器に所望の駆動力を付与するために、主モータが大型化してしまう。これにより、特にアイドリング時等のように燃料電池を低出力に維持し得る運転状態でも、主モータの出力が大きいために必要以上の発電が行われてしまい、効率的ではないという問題が指摘されている。
【００１４】
また、走行中に燃料電池を停止する場合に、補器やエアコンをそれぞれの独立した主モータで個別に停止させる必要がある。このため、燃料電池の効率が悪いという問題がある。
【００１５】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成の小型化および簡素化を図るとともに、効率的な運転状態を維持することが可能な電動モータ搭載型車両を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る電動モータ搭載型車両では、主電動モータと補器とを着脱し、前記主電動モータから前記補器に駆動力を伝達可能な駆動力伝達機構と、前記主電動モータに同軸的に連結可能であるとともに、運転状態に応じて前記主電動モータと同時に前記補器に駆動力を伝達する副電動モータとを備え、前主記電動モータおよび前記副電動モータは、前記駆動力伝達機構の入力側に単一の駆動軸を介して連結される一方、前記補器は、前記駆動力伝達機構の出力側に連結されている。この場合、補器とは、車両に組み込まれ駆動力として電力を必要とする各種の機器類をいう。
【００１７】
このため、副電動モータにより主電動モータがアシストされて加速が行われるとともに、補器の駆動力が、運転状態に応じて前記主電動モータまたは前記副電動モータから、あるいは前記主電動モータおよび前記副電動モータの双方から供給される。これにより、車両構成の小型化および簡素化を図るとともに、車両全体のエネルギ効率および動力性能を有効に向上させることができる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る電動モータ搭載型車両では、少なくとも主電動モータに電力を供給する電力供給機構と、前記主電動モータに発生する回生電力を蓄電するとともに、必要に応じて前記主電動モータおよび／または前記副電動モータに電力を供給する蓄電機構とを備えている。
【００１９】
従って、主電動モータに発生する回生電力を有効に利用することが可能になる。しかも、蓄電機構がフル充電した際には、回生電力を副電動モータに供給することにより、前記回生電力を補器の動力源として利用することができるとともに、ブレーキの踏力が変動することを有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項３に係る電動モータ搭載型車両では、電力供給機構が、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックを備え、補器が、前記燃料電池スタックに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプを備えている。
【００２１】
このため、例えば、車両を加速させる際には、主電動モータおよび副電動モータから補器に電力（駆動力）を供給するとともに、燃料電池スタックの出力不足を蓄電機構からのアシストで補うことにより、良好な加速を行うことが可能になる。一方、アイドリング時等、燃料電池スタックの出力を低下させる際には、副電動モータのみから補器に駆動力を供給することにより、前記燃料電池スタックの出力を良好に低下させることができ、燃料電池システムのエネルギ効率の向上が図られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動モータ搭載型車両３０の概略構成説明図であり、図２は、前記車両３０を構成する燃料電池システム３２の要部斜視説明図である。なお、図２５に示す燃料電池システム１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
燃料電池システム３２を構成する燃料電池スタック２は、ＰＣＵ（power control unit）３４を介してメイン電動モータ１５と蓄電機構３６とに電気的に接続される。
【００２５】
燃料電池システム３２は、メイン電動モータ１５と、補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２およびコンプレッサ１９とを着脱し、前記補器に駆動力を伝達可能な駆動力伝達機構３８と、前記メイン電動モータ１５に同軸的に連結可能であるとともに、運転状態に応じて前記補器に駆動力を伝達する副電動モータ４０とを備える。蓄電機構３６は、例えば、キャパシタや２次電池により構成されている。
【００２６】
メイン電動モータ１５の駆動軸４２と、副電動モータ４０の入力軸４４とは、クラッチ機構（または無段変速機構）４６を介して着脱自在であるとともに、前記副電動モータ４０は、ＰＣＵ３４にスイッチ４８を介して電気的に連結可能である。
【００２７】
駆動力伝達機構３８は、副電動モータ４０の出力軸５０に軸着されるプーリ５２を備え、このプーリ５２の外周面には、４条のベルト溝５４ａ〜５４ｄが互いに平行に形成される。ベルト溝５４ａ〜５４ｄには、第１乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄが係合する（図１乃至図３参照）。なお、プーリ５２に代替して、歯車を使用してもよい。
【００２８】
コンプレッサ１９、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２には、クラッチ機構５８ａ、５８ｂ、５８ｃおよび５８ｄを介してプーリ６０ａ、６０ｂ、６０ｃおよび６０ｄが装着される。第１乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄは、プーリ６０ａ〜６０ｄに架け渡される。
【００２９】
図２および図３に示すように、燃料電池スタック２は、所定組数の単位燃料電池セル６２を鉛直方向（矢印Ａ方向）に重ね合わせて構成されている。単位燃料電池セル６２は、電解質膜（電解質）・電極構造体６４と、前記電解質膜・電極構造体６４を挟持する第１および第２セパレータ６６、６８とを備える。
【００３０】
燃料電池スタック２は、マニホールドブロック７０の上面７０ａに固定されるとともに、前記燃料電池スタック２上には、ＰＣＵ３４とエアコン７２とが積層される。
【００３１】
マニホールドブロック７０の底部には、メイン電動モータ１５、クラッチ機構４６および副電動モータ４０が、同軸的に連結された状態で取り付けられている。メイン電動モータ１５に並列して、コンプレッサ１９が配置されている。マニホールドブロック７０の側面７０ｂ側には、スーパーチャージャ１２と燃料ガスポンプ６とが固定される一方、前記マニホールドブロック７０の側面７０ｃ側には、冷却媒体ポンプ９が組み付けられる。
【００３２】
マニホールドブロック７０は、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２から燃料電池スタック２内に燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料電池スタック２から使用済みの燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを排出するための通路（図示せず）を備えている。
【００３３】
このように構成される車両３０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
まず、車両３０を通常（定常）走行させる際には、図４および図５に示すように、クラッチ機構４６がオンされるとともに、スイッチ４８がオフされている。このため、メイン電動モータ１５には、後述するように、燃料電池スタック２から電力が供給されており、このメイン電動モータ１５の駆動作用下に、トランスミッション１６を介して車軸１７に回転力が伝達され、タイヤ１８が所定方向に回転して車両３０の通常走行が行われる。
【００３５】
メイン電動モータ１５の駆動軸４２は、クラッチ機構４６を介して副電動モータ４０の入力軸４４が連結されており、前記メイン電動モータ１５の回転駆動力は、前記副電動モータ４０の出力軸５０に設けられているプーリ５２に伝達される。このプーリ５２の各ベルト溝５４ａ〜５４ｄには、第1乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄが係合している。従って、プーリ５２が回転することにより、第1乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄが周回走行して、プーリ６０ａ〜６０ｄが回転駆動される。
【００３６】
この場合、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄがオンされており、プーリ６０ｂ〜６０ｄが回転することによって、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２に駆動力が付与される。このため、燃料電池スタック２には、マニホールドブロック７０を介して水素含有ガス等の燃料ガス、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体および酸化剤ガスとして空気等の酸素含有ガスが供給される。
【００３７】
従って、図２および図３に示すように、各単位燃料電池セル６２では、電解質膜・電極構造体６４のカソード側電極（図示せず）に供給される酸化剤ガスとアノード側電極（図示せず）に供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。この発電によって、メイン電動モータ１５に電力が供給され、前記メイン電動モータ１５を動力源として車軸１７並びに補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２の駆動が行われる。
【００３８】
なお、エアコン７２を駆動する際には、クラッチ機構５８ａをオンすることにより、駆動力伝達機構３８を介してコンプレッサ１９を選択的に駆動すればよい。また、蓄電機構３６が規定量だけ充電していない際には、燃料電池スタック２からの出力によって、前記蓄電機構３６の充電を行うことができる（図５参照）。
【００３９】
次いで、車両３０を加速させる際には、図６に示すように、クラッチ機構４６とスイッチ４８とがオンされる。このため、図７に示すように、メイン電動モータ１５の回転と副電動モータ４０によるアシストとによって、車両３０の加速が行われる。その際、燃料電池スタック２の出力が不足する場合、蓄電機構３６から電力が供給されてアシスト（放電）が行われる。
【００４０】
一方、車両３０を減速させる際には、図８および図９に示すように、クラッチ機構４６をオンさせるとともに、スイッチ４８がオフされており、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄのオン／オフ制御が行われている。従って、燃料電池スタック２への燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの供給が、前記燃料電池スタック２の出力に応じて調整される。
【００４１】
このため、メイン電動モータ１５および副電動モータ４０の回転数が減少し、前記メイン電動モータ１５のブレーキ回生により発生する回生電力が蓄電機構３６に充電される。そして、蓄電機構３６が規定量だけ充電（フル充電）を行うと、スイッチ４８がオンされて副電動モータ４０への電気回路がオンされる。
【００４２】
これにより、メイン電動モータ１５で発生する余剰の回生電力が副電動モータ４０に供給され、この副電動モータ４０を介して副動力伝達機構３８が駆動される。なお、必要に応じて、コンプレッサ１９等の駆動が行われている。
【００４３】
このように、車両３０の減速時にメイン電動モータ１５で発生する回生電力が蓄電機構３６に充電された後、余剰の回生電力が副電動モータ４０に供給されて、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２およびコンプレッサ１９等の動力源として利用することができる。従って、蓄電機構３６に規定量の充電が終了した後、エンジンブレーキの作動に変化が発生することがなく、所望のブレーキ踏力を得ることが可能になる。
【００４４】
次に、車両３０をアイドリング状態で停止させる際には、図１０および図１１に示すように、クラッチ機構４６がオフされる。燃料電池スタック２は、インテリア電気等の負荷運転に応じて出力されており、スイッチ４８がオンされることによって、蓄電機構３６から副電動モータ４０に電力が供給されている。このため、副電動モータ４０の駆動作用下に、駆動力伝達機構３８を介してプーリ６０ａ〜６０ｄが回転する。
【００４５】
その際、クラッチ機構５８ａをオンすることにより、コンプレッサ１９を介してエアコン７２の運転が行われる。一方、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄをオン／オフ制御することによって、蓄電機構３６の残容量に応じて燃料電池スタック２の起動、発電および停止を繰り返し行うことができる。これにより、燃料電池スタック２は、効率の良好な範囲で運転可能となる。
【００４６】
そこで、図示しないイグニッションがオフされた際には、図１２に示すような制御が行われる。すなわち、蓄電機構３６の残容量に応じてスイッチ４８をオンさせ、副電動モータ４０の駆動作用下に、燃料電池スタック２を発電させる。さらに、蓄電機構３６が規定量だけ充電（フル充電）した後、前記燃料電池スタック２を自動的に停止させる。
【００４７】
なお、イグニッションがオンされている際には、蓄電機構３６をある規定量まで消費させておき、この蓄電機構３６が回生電力を充電し得る状態にしておく場合もある。
【００４８】
さらにまた、車両３０の始動時（初期アイドリング時）には、図１０および図１３に示すように、クラッチ機構４６をオフ状態にしており、暖気状態に応じて燃料電池スタック２の負荷を制御するため、副電動モータ４０への燃料電池スタック２からの電気回路、すなわち、スイッチ４８をオンする。
【００４９】
その際、電気ヒータ等のように始動負荷が高い場合には、蓄電機構３６からの出力補正も行われるが、基本的には、暖気負荷に応じて前記蓄電機構３６の充放電が繰り返される。
【００５０】
ここで、暖気中に車両３０の走行を開始した場合には、クラッチ機構４６をオフにした状態で、メイン電動モータ１５を駆動させる。そして、メイン電動モータ１５が副電動モータ４０と同期回転した際に、クラッチ機構４６をオンにして通常走行に移行する。
【００５１】
このように、第1の実施形態では、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２およびコンプレッサ１９等の補器の駆動力が、車両３０の運転状態に応じてメイン電動モータ１５、または、副電動モータ４０から、あるいは、前記メイン電動モータ１５および前記副電動モータ４０の双方から供給される。
【００５２】
例えば、車両３０を加速させる際には、メイン電動モータ１５および副電動モータ４０から補器に駆動力を供給するとともに、燃料電池スタック２の出力不足を蓄電機構３６からのアシストで補うことにより、良好な加速を行うことが可能になる。
【００５３】
一方、アイドリング時等、燃料電池スタック２の出力を低下させる際には、副電動モータ４０のみから補器に駆動力を供給することにより、前記燃料電池スタック２の出力を良好に低下させることができる、従って、燃料電池スタック２のエネルギ効率が向上することになる。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、車両３０の全体構成を小型化および簡素化するとともに、前記車両３０全体のエネルギ効率および動力性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００５５】
さらに、メイン電動モータ１５に発生する回生電力を蓄電機構３６で充電することにより、この回生電力を有効に利用することが可能になる。しかも、蓄電機構３６がフル充電した際には、回生電力を副電動モータ４０に供給することができ、ブレーキの踏力が変動することを有効に阻止することが可能になる。
【００５６】
さらにまた、補器および副電動モータ４０は、メイン電動モータ１５に直列的に連結されている。このため、燃料電池スタック２の出力を停止させた場合に、慣性力によって補器をメイン電動モータ１５と同期した回転数に維持することができる。これにより、燃料電池スタック２による発電を迅速に開始することが可能になり、効率の向上が容易に図られる。
【００５７】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る電動モータ搭載型車両８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る車両３０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３乃至第６の実施形態においても、同様である。
【００５８】
車両８０を構成する燃料電池システム８２は、燃料ガス供給部８４、冷却媒体供給部８６および酸化剤ガス供給部８８を備えている。燃料ガス供給部８４は、燃料ガスポンプ６の燃料ガス吐出口と燃料電池スタック２の燃料ガス供給口とを連通する燃料ガス供給路７の途上に、バイパス用第１バルブ９０ａを設けている。
【００５９】
第１バルブ９０ａは、燃料ガスポンプ６の燃料ガス吐出口を、燃料電池スタック２に連なる燃料ガス供給路７と第１バイパス流路９２ａとに、選択的に連通する機能を有するとともに、前記第１バイパス流路９２ａが前記燃料ガスポンプ６の燃料ガス導入口に連通する。この第１バイパス流路９２ａには、燃料ガスの流れに燃料電池スタック２内の流れと同様な流動抵抗を付与するために、第１絞り９４ａが配置されている。
【００６０】
冷却媒体供給部８６および酸化剤ガス供給部８８には、同様に冷却媒体供給路１０および酸化剤ガス供給路１３の途上に、バイパス用第２および第３バルブ９０ｂ、９０ｃが配置される。第２バルブ９０ｂは、冷却媒体ポンプ９の冷却媒体吐出口を、燃料電池スタック２に連なる冷却媒体供給路１０と第２バイパス流路９２ｂとに、選択的に連通する機能を有するとともに、前記第２バイパス流路９２ｂが前記冷却媒体ポンプ９の冷却媒体導入口に連通する。
【００６１】
第３バルブ９０ｃは、スーパーチャージャ１２の酸化剤ガス吐出口を、燃料電池スタック２に連なる酸化剤ガス供給路１３と第３バイパス流路９２ｃとに、選択的に連通する機能を有するとともに、前記第３バイパス流路９２ｃが前記スーパーチャージャ１２の酸化剤ガス導入口に連通する。第２および第３バイパス流路９２ｂ、９２ｃには、流動抵抗を付与するための第２および第３絞り９４ｂ、９４ｃが配置される。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２と、プーリ６０ｂ〜６０ｄとの間に、クラッチ機構が設けられていない。従って、燃料電池スタック２に対する燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの供給を停止する際には、第１乃至第３バルブ９０ａ、９０ｂおよび９０ｃを切り替え操作し、前記燃料ガス、前記冷却媒体および前記酸化剤ガスを第１乃至第３バイパス流路９２ａ、９２ｂおよび９２ｃを介して循環させる。
【００６３】
このため、燃料電池スタック２には、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスが不要に導入されることがない。しかも、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２が規定の回転速度で回転しているため、第１乃至第３バルブ９０ａ、９０ｂおよび９０ｃを切り替え操作するだけで、燃料電池スタック２に燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを迅速かつ確実に供給することが可能になる。
【００６４】
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る電動モータ搭載型車両１００の概略構成説明図である。
【００６５】
この車両１００を構成する燃料電池システム１０２は、第１および第２の実施形態で用いられている燃料電池システム３２、８２を組み合わせて構成されている。従って、第３の実施形態では、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄと第１乃至第３バルブ９０ａ〜９０ｃとが駆動制御されることにより、種々の運転状態の変化に対し、良好に対応することができる。
【００６６】
例えば、燃料電池スタック２を比較的長時間停止させる際には、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄをオフにする。一方、燃料電池スタック２の起動および停止を繰り返す際には、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄをオンにした状態で、第１乃至第３バルブ９０ａ〜９０ｃを切り替え操作して、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを第１乃至第３バイパス流路９２ａ〜９２ｃに循環させればよい。
【００６７】
図１６は、本発明に関連する電動モータ搭載型車両１１０の概略構成説明図である。
【００６８】
この車両１１０を構成する燃料電池システム１１２では、メイン電動モータ１５の駆動軸４２に、クラッチ機構４６、駆動力伝達機構３８および副電動モータ４０の順で直列的に連結されている。
【００６９】
図１７は、本発明に関連する電動モータ搭載型車両１２０の概略構成説明図である。
【００７０】
この車両１２０を構成する燃料電池システム１２２は、メイン電動モータ１５に並列的に連結可能な副電動モータ１２４を備える。副電動モータ１２４の出力軸１２６には、クラッチ機構４６と並列してクラッチ機構１２８が設けられ、このクラッチ機構１２８は、前記出力軸１２６と駆動力伝達機構３８に連結された連結軸１３０とを着脱可能である。
【００７２】
このように構成される車両１２０では、第１の実施形態に係る車両３０と略同様に、運転状態に応じてメイン電動モータ１５と副電動モータ１２４とが選択的に、あるいは組み合わされて駆動制御される。
【００７３】
具体的には、車両１２０の通常走行時には、図１８に示すように、クラッチ機構４６がオンされる一方、クラッチ機構１２８がオフされる。このため、副電動モータ１２４が停止した状態で、メイン電動モータ１５のみが駆動され、このメイン電動モータ１５を介して車軸１７に回転力が伝達されるとともに、補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２に駆動力が付与されて、燃料電池スタック２の運転が行われる。
【００７４】
補器であるコンプレッサ１９等にも、駆動力伝達機構３８を介して駆動力が付与されており、必要に応じてエアコン７２が運転される。
【００７５】
また、車両１２０の加速時には、図１９に示すように、クラッチ機構４６および１２８がともにオンされる。従って、車両１２０は、メイン電動モータ１５と副電動モータ１２４によるアシストとによって加速を行うとともに、燃料電池スタック２の出力が不足する際には、蓄電機構３６からのアシスト（放電）が行われる。
【００７６】
さらに、車両１２０の減速時には、図２０に示すように、クラッチ機構４６がオンされる一方、クラッチ機構１２８がオフされており、メイン電動モータ１５に発生する回生電力が蓄電機構３６に充電された後、前記クラッチ機構１２８がオンされる。これにより、余剰の回生電力で副電動モータ１２４が駆動され、この回生電力が補器の駆動源として利用されるとともに、エンジンブレーキの変動を阻止することが可能になる。
【００７７】
さらにまた、車両１２０のアイドリング時には、図２１に示すように、クラッチ機構４６がオフされる一方、クラッチ機構１２８がオンされる。そして、燃料電池スタック２から副電動モータ１２４やインテリア電気等の負荷に電力が供給される。ここで、燃料電池スタック２は、蓄電機構３６の残容量に応じて起動、発電および停止を繰り返し行って、効率のよい範囲で運転が遂行される。
【００７８】
また、車両１２０のイグニッションがオフされる際には、図２２に示すように、蓄電機構３６の残容量に応じて副電動モータ１２４に電力が供給され、燃料電池スタック２を発電させて前記蓄電機構３６を規定量だけ充電させた後、前記燃料電池スタック２を自動停止させる。
【００７９】
さらにまた、車両１２０を始動させる際には、図２３に示すように、クラッチ機構４６をオフ状態にし、暖気状態に応じて燃料電池スタック２の負荷を制御するため、副電動モータ１２４に電力が供給される。そして、暖気中に車両１２０の走行が開始されたときには、クラッチ機構４６をオフにしてメイン電動モータ１５を駆動させ、このメイン電動モータ１５が副電動モータ１２４と回転同期した際に、前記クラッチ機構４６をオンさせて通常走行に移行する。
【００８１】
図２４は、本発明に関連する電動モータ搭載型車両１４０の概略構成説明図である。
【００８２】
この車両１４０を構成する燃料電池システム１４２は、メイン電動モータ１５、駆動力伝達機構３８および副電動モータ１４４が直列的に連結されるとともに、前記メイン電動モータ１５、前記駆動力伝達機構３８および前記副電動モータ１４４が、クラッチ機構４６、１４６を介して互いに着脱可能である。
【００８３】
このように構成される車両１４０では、クラッチ機構４６、１４６を駆動制御することにより、運転状態に応じてメイン電動モータ１５と副電動モータ１４４とを選択的に、あるいは、組み合わせて使用することができる。
【００８４】
なお、第１乃至第３の実施形態では、燃料電池スタック２を冷却するために、冷却媒体ポンプ９を介して純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を前記燃料電池スタック２に供給しているが、これに限定されるものではなく、該燃料電池スタック２を空冷により冷却する構成であってもよい。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る電動モータ搭載型車両では、主電動モータが副電動モータによりアシストされるとともに、車両に組み込まれた補器の駆動力が、運転状態に応じて前記主電動モータまたは前記副電動モータから、あるいは前記主電動モータおよび前記副電動モータの双方から選択的に供給される。
【００８６】
これにより、車両構成の小型化および簡素化を図るとともに、車両全体のエネルギ効率および動力性能を有効に向上させることができる。従って、車両による効率的な運転状態を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図２】 前記車両を構成する燃料電池システムの要部斜視説明図である。
【図３】 前記燃料電池システムの要部側面図である。
【図４】 前記車両の通常走行状態の説明図である。
【図５】 前記車両の通常走行状態の動作説明図である。
【図６】 前記車両の加速時の説明図である。
【図７】 前記車両の加速時の動作説明図である。
【図８】 前記車両の減速時の説明図である。
【図９】 前記車両の減速時の動作説明図である。
【図１０】 前記車両の停止時の説明図である。
【図１１】 前記車両の停止時の動作説明図である。
【図１２】 前記車両のイグニッションがオフされた際の動作説明図である。
【図１３】 前記車両の始動時の動作説明図である。
【図１４】 本発明の第２の実施形態に係る電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１５】 本発明の第３の実施形態に係る電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１６】 本発明に関連する電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１７】 本発明に関連する電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１８】 図１７に示す車両の通常走行時の動作説明図である。
【図１９】 図１７に示す車両の加速時の動作説明図である。
【図２０】 図１７に示す車両の減速時の動作説明図である。
【図２１】 図１７に示す車両のアイドリング時の動作説明図である。
【図２２】 図１７に示す車両のイグニッションがオフされた際の動作説明図である。
【図２３】 図１７に示す車両の始動時の動作説明図である。
【図２４】 本発明に関連する電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図２５】 従来技術に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
２…燃料電池スタック ６…燃料ガスポンプ
７…燃料ガス供給路 ９…冷却媒体ポンプ
１０…冷却媒体供給路 １２…スーパーチャージャ
１３…酸化剤ガス供給路 １５…メイン電動モータ
１６…トランスミッション １７…車軸
１８…タイヤ １９…コンプレッサ
３０、８０、１００、１１０、１２０、１４０…車両
３２、８２、１０２、１１２、１２２、１４２…燃料電池システム
３４…ＰＣＵ ３６…蓄電機構
３８…駆動力伝達機構 ４０、１２４、１４４…副電動モータ
４６、５８ａ〜５８ｄ、１２８、１４６…クラッチ機構
４８…スイッチ ５２…プーリ
６２…単位燃料電池セル ６４…電解質膜・電極構造体
６６、６８…セパレータ ７０…マニホールドブロック
７２…エアコン ９０ａ〜９０ｃ…バルブ
９２ａ〜９２ｃ…バイパス流路 ９４ａ〜９４ｃ…絞り
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータにより走行する電動モータ搭載型車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータにより走行する電動モータ搭載型車両として、例えば、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池車両が開発されつつある。この固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。前記燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００５】
ところで、燃料電池車両では、上記の燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムが用いられている。図２５に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック（電力供給機構）２を備え、この燃料電池スタック２には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部３と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部４と、酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部５とが設けられている。
【０００６】
燃料ガス供給部３は燃料ガスポンプ（反応ガス供給用ポンプ）６を備え、この燃料ガスポンプ６と燃料電池スタック２の燃料ガス流路（図示せず）とが、燃料ガス供給路７を介して連通している。燃料ガスポンプ６には、ポンプ用電動モータ８が連結されている。
【０００７】
冷却媒体供給部４は冷却媒体ポンプ（冷却媒体供給用ポンプ）９を備えている。この冷却媒体ポンプ９と燃料電池スタック２の冷却媒体流路（図示せず）とは、冷却媒体供給路１０を介して連通している。冷却媒体ポンプ９には、ポンプ用電動モータ１１が連結されている。
【０００８】
酸化剤ガス供給部５はスーパーチャージャ（反応ガス供給用ポンプ）１２を備えており、このスーパーチャージャ１２と燃料電池スタック２の酸化剤ガス流路（図示せず）とが、酸化剤ガス供給路１３を介して連通している。スーパーチャージャ１２には、ポンプ用電動モータ１４が連結されている。
【０００９】
燃料電池スタック２は、メイン電動モータ（主電動モータ）１５に電力を供給するとともに、前記メイン電動モータ１５がトランスミッション１６を介して車軸１７に連結されている。この車軸１７の両端には、タイヤ１８が取り付けられている。燃料電池スタック２は、メイン電動モータ１５と電動モータ８、１１および１４の他、空調エアコン用コンプレッサ１９に付設された電動モータ２０に主電力を供給している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、反応ガスや冷却媒体を供給する補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２を駆動するために、それぞれ専用の電動モータ８、１１および１４が設けられるとともに、それぞれ駆動装置（図示せず）が必要となっている。
【００１１】
しかも、空調エアコン用コンプレッサ１９に付設された専用の電動モータ２０を駆動しなければならない。このため、燃料電池システム１全体のエネルギ効率やスペース効率が相当に低下するとともに、部品点数が増加しかつ構造が複雑化してしまい、製造費が高騰するという問題が指摘されている。
【００１２】
そこで、例えば、米国特許第６，２２３，８４４Ｂ１号公報に開示されているように、タイヤを回転させるための少なくとも１つのホイールモータと、各種の補器を駆動するための主モータとを個別に設けた燃料電池エンジンが知られている。
【００１３】
ところが、通常、車両を加速させる際には、比較的大きな出力が必要となる。従って、上記の従来技術では、各種の補器に所望の駆動力を付与するために、主モータが大型化してしまう。これにより、特にアイドリング時等のように燃料電池を低出力に維持し得る運転状態でも、主モータの出力が大きいために必要以上の発電が行われてしまい、効率的ではないという問題が指摘されている。
【００１４】
また、走行中に燃料電池を停止する場合に、補器やエアコンをそれぞれの独立した主モータで個別に停止させる必要がある。このため、燃料電池の効率が悪いという問題がある。
【００１５】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成の小型化および簡素化を図るとともに、効率的な運転状態を維持することが可能な電動モータ搭載型車両を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る電動モータ搭載型車両では、主電動モータと補器とを着脱し、前記主電動モータから前記補器に駆動力を伝達可能な駆動力伝達機構と、前記主電動モータに同軸的に連結可能であるとともに、運転状態に応じて前記主電動モータと同時に前記補器に駆動力を伝達する副電動モータとを備え、前主記電動モータおよび前記副電動モータは、前記駆動力伝達機構の入力側に単一の駆動軸を介して連結される一方、前記補器は、前記駆動力伝達機構の出力側に連結されている。この場合、補器とは、車両に組み込まれ駆動力として電力を必要とする各種の機器類をいう。
【００１７】
このため、副電動モータにより主電動モータがアシストされて加速が行われるとともに、補器の駆動力が、運転状態に応じて前記主電動モータまたは前記副電動モータから、あるいは前記主電動モータおよび前記副電動モータの双方から供給される。これにより、車両構成の小型化および簡素化を図るとともに、車両全体のエネルギ効率および動力性能を有効に向上させることができる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る電動モータ搭載型車両では、少なくとも主電動モータに電力を供給する電力供給機構と、前記主電動モータに発生する回生電力を蓄電するとともに、必要に応じて前記主電動モータおよび／または前記副電動モータに電力を供給する蓄電機構とを備えている。
【００１９】
従って、主電動モータに発生する回生電力を有効に利用することが可能になる。しかも、蓄電機構がフル充電した際には、回生電力を副電動モータに供給することにより、前記回生電力を補器の動力源として利用することができるとともに、ブレーキの踏力が変動することを有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項３に係る電動モータ搭載型車両では、電力供給機構が、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックを備え、補器が、前記燃料電池スタックに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプを備えている。
【００２１】
このため、例えば、車両を加速させる際には、主電動モータおよび副電動モータから補器に電力（駆動力）を供給するとともに、燃料電池スタックの出力不足を蓄電機構からのアシストで補うことにより、良好な加速を行うことが可能になる。一方、アイドリング時等、燃料電池スタックの出力を低下させる際には、副電動モータのみから補器に駆動力を供給することにより、前記燃料電池スタックの出力を良好に低下させることができ、燃料電池システムのエネルギ効率の向上が図られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動モータ搭載型車両３０の概略構成説明図であり、図２は、前記車両３０を構成する燃料電池システム３２の要部斜視説明図である。なお、図２５に示す燃料電池システム１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
燃料電池システム３２を構成する燃料電池スタック２は、ＰＣＵ（power control unit）３４を介してメイン電動モータ１５と蓄電機構３６とに電気的に接続される。
【００２５】
燃料電池システム３２は、メイン電動モータ１５と、補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２およびコンプレッサ１９とを着脱し、前記補器に駆動力を伝達可能な駆動力伝達機構３８と、前記メイン電動モータ１５に同軸的に連結可能であるとともに、運転状態に応じて前記補器に駆動力を伝達する副電動モータ４０とを備える。蓄電機構３６は、例えば、キャパシタや２次電池により構成されている。
【００２６】
メイン電動モータ１５の駆動軸４２と、副電動モータ４０の入力軸４４とは、クラッチ機構（または無段変速機構）４６を介して着脱自在であるとともに、前記副電動モータ４０は、ＰＣＵ３４にスイッチ４８を介して電気的に連結可能である。
【００２７】
駆動力伝達機構３８は、副電動モータ４０の出力軸５０に軸着されるプーリ５２を備え、このプーリ５２の外周面には、４条のベルト溝５４ａ〜５４ｄが互いに平行に形成される。ベルト溝５４ａ〜５４ｄには、第１乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄが係合する（図１乃至図３参照）。なお、プーリ５２に代替して、歯車を使用してもよい。
【００２８】
コンプレッサ１９、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２には、クラッチ機構５８ａ、５８ｂ、５８ｃおよび５８ｄを介してプーリ６０ａ、６０ｂ、６０ｃおよび６０ｄが装着される。第１乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄは、プーリ６０ａ〜６０ｄに架け渡される。
【００２９】
図２および図３に示すように、燃料電池スタック２は、所定組数の単位燃料電池セル６２を鉛直方向（矢印Ａ方向）に重ね合わせて構成されている。単位燃料電池セル６２は、電解質膜（電解質）・電極構造体６４と、前記電解質膜・電極構造体６４を挟持する第１および第２セパレータ６６、６８とを備える。
【００３０】
燃料電池スタック２は、マニホールドブロック７０の上面７０ａに固定されるとともに、前記燃料電池スタック２上には、ＰＣＵ３４とエアコン７２とが積層される。
【００３１】
マニホールドブロック７０の底部には、メイン電動モータ１５、クラッチ機構４６および副電動モータ４０が、同軸的に連結された状態で取り付けられている。メイン電動モータ１５に並列して、コンプレッサ１９が配置されている。マニホールドブロック７０の側面７０ｂ側には、スーパーチャージャ１２と燃料ガスポンプ６とが固定される一方、前記マニホールドブロック７０の側面７０ｃ側には、冷却媒体ポンプ９が組み付けられる。
【００３２】
マニホールドブロック７０は、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２から燃料電池スタック２内に燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料電池スタック２から使用済みの燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを排出するための通路（図示せず）を備えている。
【００３３】
このように構成される車両３０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
まず、車両３０を通常（定常）走行させる際には、図４および図５に示すように、クラッチ機構４６がオンされるとともに、スイッチ４８がオフされている。このため、メイン電動モータ１５には、後述するように、燃料電池スタック２から電力が供給されており、このメイン電動モータ１５の駆動作用下に、トランスミッション１６を介して車軸１７に回転力が伝達され、タイヤ１８が所定方向に回転して車両３０の通常走行が行われる。
【００３５】
メイン電動モータ１５の駆動軸４２は、クラッチ機構４６を介して副電動モータ４０の入力軸４４が連結されており、前記メイン電動モータ１５の回転駆動力は、前記副電動モータ４０の出力軸５０に設けられているプーリ５２に伝達される。このプーリ５２の各ベルト溝５４ａ〜５４ｄには、第1乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄが係合している。従って、プーリ５２が回転することにより、第1乃至第４駆動ベルト５６ａ〜５６ｄが周回走行して、プーリ６０ａ〜６０ｄが回転駆動される。
【００３６】
この場合、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄがオンされており、プーリ６０ｂ〜６０ｄが回転することによって、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２に駆動力が付与される。このため、燃料電池スタック２には、マニホールドブロック７０を介して水素含有ガス等の燃料ガス、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体および酸化剤ガスとして空気等の酸素含有ガスが供給される。
【００３７】
従って、図２および図３に示すように、各単位燃料電池セル６２では、電解質膜・電極構造体６４のカソード側電極（図示せず）に供給される酸化剤ガスとアノード側電極（図示せず）に供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。この発電によって、メイン電動モータ１５に電力が供給され、前記メイン電動モータ１５を動力源として車軸１７並びに補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２の駆動が行われる。
【００３８】
なお、エアコン７２を駆動する際には、クラッチ機構５８ａをオンすることにより、駆動力伝達機構３８を介してコンプレッサ１９を選択的に駆動すればよい。また、蓄電機構３６が規定量だけ充電していない際には、燃料電池スタック２からの出力によって、前記蓄電機構３６の充電を行うことができる（図５参照）。
【００３９】
次いで、車両３０を加速させる際には、図６に示すように、クラッチ機構４６とスイッチ４８とがオンされる。このため、図７に示すように、メイン電動モータ１５の回転と副電動モータ４０によるアシストとによって、車両３０の加速が行われる。その際、燃料電池スタック２の出力が不足する場合、蓄電機構３６から電力が供給されてアシスト（放電）が行われる。
【００４０】
一方、車両３０を減速させる際には、図８および図９に示すように、クラッチ機構４６をオンさせるとともに、スイッチ４８がオフされており、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄのオン／オフ制御が行われている。従って、燃料電池スタック２への燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの供給が、前記燃料電池スタック２の出力に応じて調整される。
【００４１】
このため、メイン電動モータ１５および副電動モータ４０の回転数が減少し、前記メイン電動モータ１５のブレーキ回生により発生する回生電力が蓄電機構３６に充電される。そして、蓄電機構３６が規定量だけ充電（フル充電）を行うと、スイッチ４８がオンされて副電動モータ４０への電気回路がオンされる。
【００４２】
これにより、メイン電動モータ１５で発生する余剰の回生電力が副電動モータ４０に供給され、この副電動モータ４０を介して副動力伝達機構３８が駆動される。なお、必要に応じて、コンプレッサ１９等の駆動が行われている。
【００４３】
このように、車両３０の減速時にメイン電動モータ１５で発生する回生電力が蓄電機構３６に充電された後、余剰の回生電力が副電動モータ４０に供給されて、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２およびコンプレッサ１９等の動力源として利用することができる。従って、蓄電機構３６に規定量の充電が終了した後、エンジンブレーキの作動に変化が発生することがなく、所望のブレーキ踏力を得ることが可能になる。
【００４４】
次に、車両３０をアイドリング状態で停止させる際には、図１０および図１１に示すように、クラッチ機構４６がオフされる。燃料電池スタック２は、インテリア電気等の負荷運転に応じて出力されており、スイッチ４８がオンされることによって、蓄電機構３６から副電動モータ４０に電力が供給されている。このため、副電動モータ４０の駆動作用下に、駆動力伝達機構３８を介してプーリ６０ａ〜６０ｄが回転する。
【００４５】
その際、クラッチ機構５８ａをオンすることにより、コンプレッサ１９を介してエアコン７２の運転が行われる。一方、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄをオン／オフ制御することによって、蓄電機構３６の残容量に応じて燃料電池スタック２の起動、発電および停止を繰り返し行うことができる。これにより、燃料電池スタック２は、効率の良好な範囲で運転可能となる。
【００４６】
そこで、図示しないイグニッションがオフされた際には、図１２に示すような制御が行われる。すなわち、蓄電機構３６の残容量に応じてスイッチ４８をオンさせ、副電動モータ４０の駆動作用下に、燃料電池スタック２を発電させる。さらに、蓄電機構３６が規定量だけ充電（フル充電）した後、前記燃料電池スタック２を自動的に停止させる。
【００４７】
なお、イグニッションがオンされている際には、蓄電機構３６をある規定量まで消費させておき、この蓄電機構３６が回生電力を充電し得る状態にしておく場合もある。
【００４８】
さらにまた、車両３０の始動時（初期アイドリング時）には、図１０および図１３に示すように、クラッチ機構４６をオフ状態にしており、暖気状態に応じて燃料電池スタック２の負荷を制御するため、副電動モータ４０への燃料電池スタック２からの電気回路、すなわち、スイッチ４８をオンする。
【００４９】
その際、電気ヒータ等のように始動負荷が高い場合には、蓄電機構３６からの出力補正も行われるが、基本的には、暖気負荷に応じて前記蓄電機構３６の充放電が繰り返される。
【００５０】
ここで、暖気中に車両３０の走行を開始した場合には、クラッチ機構４６をオフにした状態で、メイン電動モータ１５を駆動させる。そして、メイン電動モータ１５が副電動モータ４０と同期回転した際に、クラッチ機構４６をオンにして通常走行に移行する。
【００５１】
このように、第1の実施形態では、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９、スーパーチャージャ１２およびコンプレッサ１９等の補器の駆動力が、車両３０の運転状態に応じてメイン電動モータ１５、または、副電動モータ４０から、あるいは、前記メイン電動モータ１５および前記副電動モータ４０の双方から供給される。
【００５２】
例えば、車両３０を加速させる際には、メイン電動モータ１５および副電動モータ４０から補器に駆動力を供給するとともに、燃料電池スタック２の出力不足を蓄電機構３６からのアシストで補うことにより、良好な加速を行うことが可能になる。
【００５３】
一方、アイドリング時等、燃料電池スタック２の出力を低下させる際には、副電動モータ４０のみから補器に駆動力を供給することにより、前記燃料電池スタック２の出力を良好に低下させることができる、従って、燃料電池スタック２のエネルギ効率が向上することになる。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、車両３０の全体構成を小型化および簡素化するとともに、前記車両３０全体のエネルギ効率および動力性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００５５】
さらに、メイン電動モータ１５に発生する回生電力を蓄電機構３６で充電することにより、この回生電力を有効に利用することが可能になる。しかも、蓄電機構３６がフル充電した際には、回生電力を副電動モータ４０に供給することができ、ブレーキの踏力が変動することを有効に阻止することが可能になる。
【００５６】
さらにまた、補器および副電動モータ４０は、メイン電動モータ１５に直列的に連結されている。このため、燃料電池スタック２の出力を停止させた場合に、慣性力によって補器をメイン電動モータ１５と同期した回転数に維持することができる。これにより、燃料電池スタック２による発電を迅速に開始することが可能になり、効率の向上が容易に図られる。
【００５７】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る電動モータ搭載型車両８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る車両３０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３乃至第６の実施形態においても、同様である。
【００５８】
車両８０を構成する燃料電池システム８２は、燃料ガス供給部８４、冷却媒体供給部８６および酸化剤ガス供給部８８を備えている。燃料ガス供給部８４は、燃料ガスポンプ６の燃料ガス吐出口と燃料電池スタック２の燃料ガス供給口とを連通する燃料ガス供給路７の途上に、バイパス用第１バルブ９０ａを設けている。
【００５９】
第１バルブ９０ａは、燃料ガスポンプ６の燃料ガス吐出口を、燃料電池スタック２に連なる燃料ガス供給路７と第１バイパス流路９２ａとに、選択的に連通する機能を有するとともに、前記第１バイパス流路９２ａが前記燃料ガスポンプ６の燃料ガス導入口に連通する。この第１バイパス流路９２ａには、燃料ガスの流れに燃料電池スタック２内の流れと同様な流動抵抗を付与するために、第１絞り９４ａが配置されている。
【００６０】
冷却媒体供給部８６および酸化剤ガス供給部８８には、同様に冷却媒体供給路１０および酸化剤ガス供給路１３の途上に、バイパス用第２および第３バルブ９０ｂ、９０ｃが配置される。第２バルブ９０ｂは、冷却媒体ポンプ９の冷却媒体吐出口を、燃料電池スタック２に連なる冷却媒体供給路１０と第２バイパス流路９２ｂとに、選択的に連通する機能を有するとともに、前記第２バイパス流路９２ｂが前記冷却媒体ポンプ９の冷却媒体導入口に連通する。
【００６１】
第３バルブ９０ｃは、スーパーチャージャ１２の酸化剤ガス吐出口を、燃料電池スタック２に連なる酸化剤ガス供給路１３と第３バイパス流路９２ｃとに、選択的に連通する機能を有するとともに、前記第３バイパス流路９２ｃが前記スーパーチャージャ１２の酸化剤ガス導入口に連通する。第２および第３バイパス流路９２ｂ、９２ｃには、流動抵抗を付与するための第２および第３絞り９４ｂ、９４ｃが配置される。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２と、プーリ６０ｂ〜６０ｄとの間に、クラッチ機構が設けられていない。従って、燃料電池スタック２に対する燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの供給を停止する際には、第１乃至第３バルブ９０ａ、９０ｂおよび９０ｃを切り替え操作し、前記燃料ガス、前記冷却媒体および前記酸化剤ガスを第１乃至第３バイパス流路９２ａ、９２ｂおよび９２ｃを介して循環させる。
【００６３】
このため、燃料電池スタック２には、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスが不要に導入されることがない。しかも、燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２が規定の回転速度で回転しているため、第１乃至第３バルブ９０ａ、９０ｂおよび９０ｃを切り替え操作するだけで、燃料電池スタック２に燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを迅速かつ確実に供給することが可能になる。
【００６４】
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る電動モータ搭載型車両１００の概略構成説明図である。
【００６５】
この車両１００を構成する燃料電池システム１０２は、第１および第２の実施形態で用いられている燃料電池システム３２、８２を組み合わせて構成されている。従って、第３の実施形態では、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄと第１乃至第３バルブ９０ａ〜９０ｃとが駆動制御されることにより、種々の運転状態の変化に対し、良好に対応することができる。
【００６６】
例えば、燃料電池スタック２を比較的長時間停止させる際には、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄをオフにする。一方、燃料電池スタック２の起動および停止を繰り返す際には、クラッチ機構５８ｂ〜５８ｄをオンにした状態で、第１乃至第３バルブ９０ａ〜９０ｃを切り替え操作して、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを第１乃至第３バイパス流路９２ａ〜９２ｃに循環させればよい。
【００６７】
図１６は、本発明に関連する電動モータ搭載型車両１１０の概略構成説明図である。
【００６８】
この車両１１０を構成する燃料電池システム１１２では、メイン電動モータ１５の駆動軸４２に、クラッチ機構４６、駆動力伝達機構３８および副電動モータ４０の順で直列的に連結されている。
【００６９】
図１７は、本発明に関連する電動モータ搭載型車両１２０の概略構成説明図である。
【００７０】
この車両１２０を構成する燃料電池システム１２２は、メイン電動モータ１５に並列的に連結可能な副電動モータ１２４を備える。副電動モータ１２４の出力軸１２６には、クラッチ機構４６と並列してクラッチ機構１２８が設けられ、このクラッチ機構１２８は、前記出力軸１２６と駆動力伝達機構３８に連結された連結軸１３０とを着脱可能である。
【００７２】
このように構成される車両１２０では、第１の実施形態に係る車両３０と略同様に、運転状態に応じてメイン電動モータ１５と副電動モータ１２４とが選択的に、あるいは組み合わされて駆動制御される。
【００７３】
具体的には、車両１２０の通常走行時には、図１８に示すように、クラッチ機構４６がオンされる一方、クラッチ機構１２８がオフされる。このため、副電動モータ１２４が停止した状態で、メイン電動モータ１５のみが駆動され、このメイン電動モータ１５を介して車軸１７に回転力が伝達されるとともに、補器である燃料ガスポンプ６、冷却媒体ポンプ９およびスーパーチャージャ１２に駆動力が付与されて、燃料電池スタック２の運転が行われる。
【００７４】
補器であるコンプレッサ１９等にも、駆動力伝達機構３８を介して駆動力が付与されており、必要に応じてエアコン７２が運転される。
【００７５】
また、車両１２０の加速時には、図１９に示すように、クラッチ機構４６および１２８がともにオンされる。従って、車両１２０は、メイン電動モータ１５と副電動モータ１２４によるアシストとによって加速を行うとともに、燃料電池スタック２の出力が不足する際には、蓄電機構３６からのアシスト（放電）が行われる。
【００７６】
さらに、車両１２０の減速時には、図２０に示すように、クラッチ機構４６がオンされる一方、クラッチ機構１２８がオフされており、メイン電動モータ１５に発生する回生電力が蓄電機構３６に充電された後、前記クラッチ機構１２８がオンされる。これにより、余剰の回生電力で副電動モータ１２４が駆動され、この回生電力が補器の駆動源として利用されるとともに、エンジンブレーキの変動を阻止することが可能になる。
【００７７】
さらにまた、車両１２０のアイドリング時には、図２１に示すように、クラッチ機構４６がオフされる一方、クラッチ機構１２８がオンされる。そして、燃料電池スタック２から副電動モータ１２４やインテリア電気等の負荷に電力が供給される。ここで、燃料電池スタック２は、蓄電機構３６の残容量に応じて起動、発電および停止を繰り返し行って、効率のよい範囲で運転が遂行される。
【００７８】
また、車両１２０のイグニッションがオフされる際には、図２２に示すように、蓄電機構３６の残容量に応じて副電動モータ１２４に電力が供給され、燃料電池スタック２を発電させて前記蓄電機構３６を規定量だけ充電させた後、前記燃料電池スタック２を自動停止させる。
【００７９】
さらにまた、車両１２０を始動させる際には、図２３に示すように、クラッチ機構４６をオフ状態にし、暖気状態に応じて燃料電池スタック２の負荷を制御するため、副電動モータ１２４に電力が供給される。そして、暖気中に車両１２０の走行が開始されたときには、クラッチ機構４６をオフにしてメイン電動モータ１５を駆動させ、このメイン電動モータ１５が副電動モータ１２４と回転同期した際に、前記クラッチ機構４６をオンさせて通常走行に移行する。
【００８１】
図２４は、本発明に関連する電動モータ搭載型車両１４０の概略構成説明図である。
【００８２】
この車両１４０を構成する燃料電池システム１４２は、メイン電動モータ１５、駆動力伝達機構３８および副電動モータ１４４が直列的に連結されるとともに、前記メイン電動モータ１５、前記駆動力伝達機構３８および前記副電動モータ１４４が、クラッチ機構４６、１４６を介して互いに着脱可能である。
【００８３】
このように構成される車両１４０では、クラッチ機構４６、１４６を駆動制御することにより、運転状態に応じてメイン電動モータ１５と副電動モータ１４４とを選択的に、あるいは、組み合わせて使用することができる。
【００８４】
なお、第１乃至第３の実施形態では、燃料電池スタック２を冷却するために、冷却媒体ポンプ９を介して純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を前記燃料電池スタック２に供給しているが、これに限定されるものではなく、該燃料電池スタック２を空冷により冷却する構成であってもよい。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る電動モータ搭載型車両では、主電動モータが副電動モータによりアシストされるとともに、車両に組み込まれた補器の駆動力が、運転状態に応じて前記主電動モータまたは前記副電動モータから、あるいは前記主電動モータおよび前記副電動モータの双方から選択的に供給される。
【００８６】
これにより、車両構成の小型化および簡素化を図るとともに、車両全体のエネルギ効率および動力性能を有効に向上させることができる。従って、車両による効率的な運転状態を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図２】 前記車両を構成する燃料電池システムの要部斜視説明図である。
【図３】 前記燃料電池システムの要部側面図である。
【図４】 前記車両の通常走行状態の説明図である。
【図５】 前記車両の通常走行状態の動作説明図である。
【図６】 前記車両の加速時の説明図である。
【図７】 前記車両の加速時の動作説明図である。
【図８】 前記車両の減速時の説明図である。
【図９】 前記車両の減速時の動作説明図である。
【図１０】 前記車両の停止時の説明図である。
【図１１】 前記車両の停止時の動作説明図である。
【図１２】 前記車両のイグニッションがオフされた際の動作説明図である。
【図１３】 前記車両の始動時の動作説明図である。
【図１４】 本発明の第２の実施形態に係る電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１５】 本発明の第３の実施形態に係る電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１６】 本発明に関連する電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１７】 本発明に関連する電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図１８】 図１７に示す車両の通常走行時の動作説明図である。
【図１９】 図１７に示す車両の加速時の動作説明図である。
【図２０】 図１７に示す車両の減速時の動作説明図である。
【図２１】 図１７に示す車両のアイドリング時の動作説明図である。
【図２２】 図１７に示す車両のイグニッションがオフされた際の動作説明図である。
【図２３】 図１７に示す車両の始動時の動作説明図である。
【図２４】 本発明に関連する電動モータ搭載型車両の概略構成説明図である。
【図２５】 従来技術に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
２…燃料電池スタック ６…燃料ガスポンプ
７…燃料ガス供給路 ９…冷却媒体ポンプ
１０…冷却媒体供給路 １２…スーパーチャージャ
１３…酸化剤ガス供給路 １５…メイン電動モータ
１６…トランスミッション １７…車軸
１８…タイヤ １９…コンプレッサ
３０、８０、１００、１１０、１２０、１４０…車両
３２、８２、１０２、１１２、１２２、１４２…燃料電池システム
３４…ＰＣＵ ３６…蓄電機構
３８…駆動力伝達機構 ４０、１２４、１４４…副電動モータ
４６、５８ａ〜５８ｄ、１２８、１４６…クラッチ機構
４８…スイッチ ５２…プーリ
６２…単位燃料電池セル ６４…電解質膜・電極構造体
６６、６８…セパレータ ７０…マニホールドブロック
７２…エアコン ９０ａ〜９０ｃ…バルブ
９２ａ〜９２ｃ…バイパス流路 ９４ａ〜９４ｃ…絞り
Claims (4)
- 電動モータにより走行する電動モータ搭載型車両であって、
主電動モータと補器とを着脱し、前記主電動モータから前記補器に駆動力を伝達可能な駆動力伝達機構と、
前記主電動モータに同軸的に連結可能であるとともに、運転状態に応じて前記主電動モータと同時に前記補器に駆動力を伝達する副電動モータと、
を備え、
前記主電動モータおよび前記副電動モータは、前記駆動力伝達機構の入力側に単一の駆動軸を介して連結される一方、前記補器は、前記駆動力伝達機構の出力側に連結されることを特徴とする電動モータ搭載型車両。 - 請求項１記載の車両において、少なくとも前記主電動モータに電力を供給する電力供給機構と、
前記主電動モータに発生する回生電力を蓄電するとともに、必要に応じて前記主電動モータおよび／または前記副電動モータに電力を供給する蓄電機構と、
を備えることを特徴とする電動モータ搭載型車両。 - 請求項２記載の車両において、前記電力供給機構は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックを備え、
前記補器は、前記燃料電池スタックに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプを備えることを特徴とする電動モータ搭載型車両。 - 請求項１記載の車両において、前記主電動モータおよび前記副電動モータは、前記単一の駆動軸上でクラッチ機構を介して互いに着脱自在であることを特徴とする電動モータ搭載型車両。
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