JP4188918B2 - 電力貯蔵システム - Google Patents

Description

発明の技術分野

本発明は、電力を貯蔵し車両の駆動システムとの間で電力を送受電するように意図された電力貯蔵システムに関する。該システムは、巻線を備えた固定子と磁束発生装置を備えた少なくとも一つの回転子とを有する、電力貯蔵装置を含む。回転子は、少なくとも一つの回転質量体にエネルギを運動エネルギの形で貯蔵するように意図された、少なくとも一つのフライホイールに接続される。駆動システムは電気装置を含み、電力貯蔵装置は、前記電気装置との間で電力を送受電するように構成される。

駆動対象によって充電され、その後例えば電気モータ用の電力源として働くフライホイールを有する電力貯蔵システムは、中でも特に車両のドライブラインのような駆動システムで使用される。しかし、公知のシステムは限定されており、エネルギ貯蔵能力は、システムの重量、セキュリティ要件、適切な材料の利用可能性のみならず、フライホイールの再充電およびその放電のための適切な駆動システムの利用可能性のような、多くの要因によって限定される。ハイブリッド車両のドライブラインでは、例えばバッテリおよび／または燃料タンク、電気駆動モータおよび／または内燃機関とすることができるエネルギ貯蔵装置が見られる。

車両、例えば自動車または列車の減速時にエネルギを利用することが可能であるためには、高い動力を伝達しかつ貯蔵するように管理する高速システムが必要である。減速が強ければ強いほど、システムはエネルギを利用するために高い動力を取り扱うことができなければならない。

運動エネルギの貯蔵のための公知のシステムが下記特許文献１に示されている。該文書に係る記載のシステムは、エネルギの蓄積および放出用にそれぞれ意図されたフライホイールを含み、それは、エネルギがフライホイールに供給されるかそれともフライホイールから供給されるかによって、それぞれモータおよび発電機として動作する電気装置に結合される。該システムを車両で使用すると、短時間、車両をフライホイールから駆動することができる。このフライホイールは真空中で高速回転する。記載のシステムと共に高電流が必要であり、高電力が取り扱われる場合、結果的に高い損失を生じる。したがって、この公知のシステムは高電力には適さない。
米国特許第５，９３１，２４９号

今日のバッテリは、担持できる電力の点で限界がある。この結果、バッテリ電源車両の充電時間は一般的に数時間に及ぶ。バッテリ電源車両は車両を再充電ステーションに運ばなければならなくなるまでに、限定された航続距離を超えて駆動することができず、かつ車両が再び特定の航続距離、しばしば１００ｋｍの航続距離を持つようになるまで、比較的長時間そこで再充電しなければならない。

発明の概要

本願に係る発明は、上記の問題を解決する、車両の駆動システムにおけるエネルギの貯蔵および放出用に意図された電力貯蔵システムを提供することを意図している。該システムは、二つの巻線を備えた固定子と磁束発生装置を備えた回転子とを有する電力貯蔵装置を含む。固定子の第一巻線は、低電力のエネルギの伝達するための低電圧用に意図される一方、第二巻線は、高電力を伝達するための高電圧用に意図される。回転子は、少なくとも一つの回転質量体に運動エネルギを貯蔵するように意図されたフライホイールに接続される。電力貯蔵システムは、電力貯蔵装置と駆動システムに含まれる電気装置との間で両方向に電力を伝達するように構成される。固定子に高電圧巻線を設けることを選択することにより、非常に高い電力をシステム内で両方向に伝達することができる。これのおかげで、システムは非常に高速になり、かつ高速動的プロセス中に発生する電力を取り扱うことができる。

低電圧とは３８０Ｖ未満の電圧を意味し、高電圧とは３８０Ｖより高い電圧を意味する。

好適な実施形態では、前記第一巻線は、６〜５０Ｖの間の電圧で動作するように構成される。

さらなる好適な実施形態では、前記第二巻線は、１〜２４ｋＶの間の電圧で動作するように構成される。

さらなる好適な実施形態では、前記巻線の少なくとも一つは第一半導電層によって取り巻かれた半導体を含み、前記第一半導電層は次いで一層の固定絶縁層によって取り巻かれ、前記第一固定絶縁層は次いで第二半導電層によって取り巻かれる。この型の絶縁システムを有する巻線によって、非常に高い電力を伝達することができる。

さらなる好適な実施形態では、前記駆動システムにエネルギ貯蔵装置が含まれ、それは駆動システムの電気装置に接続されたバッテリとすることができる。電力は電力貯蔵装置からエネルギ貯蔵装置へ伝達することができ、その逆も然りである。固定子の巻線をそれらが相互に完全に独立して制御されるように構成することによって、駆動システム内のバッテリはあらゆる瞬間に、放電および再充電に関して最適に利用することができる。バッテリが動作している状態で駆動されるハイブリッド車両では、つまり車両の燃料エンジンが使用されないとき、例えば都市環境でのバスの運転中に、高電力を必要とする高速プロセスは、バッテリ動作中に車両のバッテリを介して駆動システムに連続エネルギを供給しながら、電力貯蔵装置／フライホイールを介して調整することができる。したがって、急な強い減速中に、エネルギは蓄積のためにフライホイールに供給され、電力が必要になったとき、例えばトルクの変動時または車両の急加速が必要な時に、そこから送り出される。

さらに、固定子の両巻線がそれぞれ高電圧および低電圧で動作するように意図されていることにより、バッテリへのおよびバッテリからの受給、供給エネルギは、固定子の低電圧巻線を介して適切な電圧で供給されるので、システムは高電圧巻線を介して非常に高速にフライホイールとの間でエネルギを受給および供給することができる。巻線は相互に完全に独立して動作し、したがってバッテリの負荷は、バッテリの状態および耐用年数に有利な仕方で適応させることができる。次いで、あらゆる瞬間にバッテリはそのバッテリに適した方法で動作することができる一方、加速および強い減速のような動作の急な電力需要変動により、フライホイールおよび固定子の高電圧巻線を介して管理され、それはシステムのフライホイールへのおよびフライホイールからの受給、供給エネルギを非常に短時間で高速伝達することが可能とする。

好適な実施形態では、フライホイールは外部電源から伝達されたエネルギを充電される。バッテリ電源車両では、本発明に係る電力貯蔵システムを有する駆動システムを利用することによって、一方では車両のバッテリを従来の方法で再充電ステーションで再充電することができ、他方ではフライホイールに最大限にエネルギを充電することができる。動作中に、フライホイールに蓄積されたエネルギは次いで車両の推進のために使用することができ、それによって車両の航続距離はかなり増大し、あるいは代替的にエネルギは車両のバッテリの連続再充電用に使用することができる。この方法により、バッテリはより長時間連続的に充電することができ、しかも再充電ステーションにおけるダウンタイムはかなり短縮される。

好適な実施形態では、回転子内の前記磁束発生装置は永久磁石を備える。

別の好適な実施形態では、回転子内の前記磁束発生装置はかご形巻線を備える。

さらなる好適な実施形態では、前記回転子に磁気軸受が装着される。

さらなる好適な実施形態では、回転子には磁気軸受および摺動軸受の両方が装着される。

さらなる好適な実施形態では、前記固定子はエアギャップ巻回される。

更なる好適な実施形態では、前記電力貯蔵装置はジャイロ懸吊される。ジャイロ懸吊電力貯蔵装置を選択することによって、車両の駆動特性は小規模に影響されるだけである。

さらなる好適な実施形態では、前記フライホイールは、相互に逆の回転方向に回転するように構成された、少なくとも二つの回転質量体を含む。逆回転する質量体を使用することによって、その回転時にシステム内に生じる力は最小化される。

さらなる好適な実施形態では、前記回転子は第一コア、第二コア、および第三コアをも備える。第一巻線は第一および第二コア間のエアギャップ内に配設され、第二巻線は第二および第三コア間のエアギャップ内に配設される。この構成によって、第一および第二巻線は磁気的に相互に切り離され、よって相互に完全に独立して動作することができる。

本発明に係るシステムは、任意の車両、例えば自動車、列車、航空機、船舶と共に使用することができる。上記システムは９０％を超える高効率を持ち、数ミリ秒の範囲で非常に高速に反応する。該システムは小型で頑健かつ耐久性があり、それらはほとんどの型の車両に当てはまる幾つかの環境で使用するための必要条件である。該システムは、高電力を発生しかつ吸収することができる。

好適な実施形態の詳細な説明

図１は、本発明に係る電力貯蔵システムを示す。固定子２４とフライホイール２２に接続された回転子２１とを有する電力貯蔵装置２０は、第一コンバータ１０、直流トランスミッション１３、および第二コンバータ１１を介して、電気装置１２との間で電力を送受電するように構成される。フライホイール２２は回転質量体２３を含む。電力が電気装置１２から電力貯蔵装置２０に伝達されるとき、例えば電動車両の減速時がそれに当たるが、装置１２は発電機として動作し、電力はコンバータ１１、直流トランスミッション１３、およびコンバータ１０を介して、固定子２４に含まれる巻線（図示せず）に伝達され、次いでフライホイール２２で運動エネルギの形で回転質量体２３に貯蔵される。回転質量体２３に貯蔵された運動エネルギはその後、必要な場合に相応して電気装置に伝達される。次いで電気装置はモータとして動作する。このシステムは車両のドライブラインで使用することができ、次いで電力貯蔵装置２０は電力緩衝装置およびエネルギ緩衝装置の両方として使用される。固定子は二つの巻線を備え、第一巻線は低電力のエネルギを伝達するための低電圧用に意図され、第二巻線は高電力のエネルギを伝達するための高電圧用に意図される。高電力が伝達される固定子の巻線は、３８０Ｖを越える高電圧で、好ましくは１〜２４ｋＶの間で動作するように構成される。前記構成によって、電力貯蔵装置２０との間で非常に高い電力を送受電することができる。これのおかげで、システムは例えば強い減速時に発生する高電力を取り扱うことができる。

図２は、バッテリ、燃料電池、または他の化学的貯蔵エネルギ、例えば内燃機関の燃料タンクとすることのできるエネルギ貯蔵装置１４、および固定子２４と回転質量体２３を有するフライホイール２２に接続された回転子２１とを備えた電力貯蔵装置２０を有するシステムを示す。固定子２４は第一および第二巻線（図示せず）を備える。それぞれの巻線は、それぞれ低電圧および高電圧で動作するように構成される。低電圧とは３８０Ｖより低い電圧を意味し、高電圧とは３８０Ｖより高い電圧を意味する。回転子２１は、例えば永久磁石または誘導巻線などの適切な磁束発生装置を備える。フライホイール２２は、電力の蓄積および駆動システムとの間の急速な送受電用に意図される。さらに、電力貯蔵システムは、中間直流トランスミッション１３を有する二つのコンバータ１０および１１を備える。コンバータの一つ、コンバータ１１は、電気装置１２に接続して配設される。図１に示したシステムの場合と同様に、電気装置１２は、現在の動作モードに応じて、モータまたは発電機のいずれかとして動作する。このシステムを備えた車両の減速時に、装置１２は発電機として動作し、発生した電力はコンバータ１１および例えば１．２ｋＶの高電圧で動作することのできる直流トランスミッション１３を介し、コンバータ１０を介して、固定子の高電圧巻線に伝達され、さらに電力貯蔵装置２０に伝達され、そこでエネルギはフライホイールの回転質量体２３に運動エネルギの形で貯蔵される。固定子の高電圧巻線から高電圧の電力が伝達されることによって、車両の強い減速時の制動力のような高電力を利用し、かつ貯蔵することができる。フライホイールに蓄積された電力はその後、車両のトルクの変動時または急加速時のような高速プロセスに使用することができ、そのときフライホイールからのエネルギは、固定子の高電圧巻線を介して非常に高速で駆動システムに戻すことができる。代替的に、エネルギ貯蔵装置１４がバッテリから構成される場合、フライホイールに貯蔵されたエネルギはバッテリを再充電するために使用することができる。次いでエネルギは低電力および低電圧で、固定子の低電圧巻線を介してバッテリに伝達される。

図３は、図１および２に係る上記システムの両方に含まれる型の電力貯蔵装置を示す。回転子２１にはジャーナル軸受２５およびガイド軸受２６がそれぞれ装着される。軸受は従来の軸受もしくは磁気軸受、または磁気軸受と摺動軸受の組合せとすることができる。回転子２１は、回転質量体２３を備えたフライホイール２２に接続される。さらに、電力貯蔵装置は、第一および第二巻線（図示せず）を備えた固定子２４を含む。動作中、固定子２４と回転子２１との間で電力が伝達され、それによって固定子の巻線の一つを介して回転質量体２３を有するフライホイール２２に伝達される。

図４は、エアギャップ巻回固定子２４の実施形態を示す。第一巻線３１は、回転子に配設された第一および第二コア３２、３３間に配設される。第二巻線３１は、回転子に配設された第二コア３３と第三コア３４との間に配設される。この構成によって、第一巻線３０および第二巻線３１は磁気的に相互に切り離され、よって相互に完全に独立して制御することができる。矢印３５は磁界の方向を示す。

電力貯蔵装置の固定子および回転子は、放射方向または軸方向のいずれかを向いた磁束により動作するように構成することができる。

本発明は、実施例として掲げた上記の実施形態に限定されず、請求の範囲に記載する本発明に係る一般概念の範囲内で変形することができる。

本発明に係る電力貯蔵システムを有する車両の駆動システムを示す図である。 本発明に係る電力貯蔵システムを有する車両の更なる駆動システムを示す図である。 本発明に係るシステムに含まれる電力貯蔵装置を示す図である。 電力貯蔵装置に含まれる固定子の一実施形態を示す図である。

Claims (17)

1. 少なくとも一つの電気装置（１２）を備えた車両の駆動システムとの間で電力を送受電するように意図された電力貯蔵システムであって、
   固定子を備えた巻線（２４）と、
   磁束発生装置を備えた少なくとも一つの回転子（２１）と
   を有し、前記回転子（２１）が少なくとも一つの回転質量体（２３）に運動エネルギの形でエネルギを貯蔵するように意図された少なくとも一つのフライホイール（２２）に接続されて成る電力貯蔵装置（２０）を備え、
   前記電力貯蔵装置（２０）が、前記電気装置（１２）との間で電力を送受電するように構成されて成る電力貯蔵システムにおいて、
   前記固定子（２４）が、低電圧で動作するように構成された少なくとも第一巻線（３０）のみならず、高電圧で動作するように構成された第二巻線（３１）をも備えており、前記第一（３０）および第二巻線（３１）が磁気的に相互に切り離された状態となって前記第一および第二巻線が相互に独立して動作するように構成されたことを特徴とする電力貯蔵システム。
2. 少なくとも一つのエネルギ貯蔵装置（１４）を備え、該エネルギ貯蔵装置が前記電気装置（１２）と接続され、前記電力貯蔵装置（２０）が前記エネルギ貯蔵装置（１４）との間で電力を送受電するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の電力貯蔵システム。
3. 前記電力貯蔵装置（２０）が外部供給源から伝達された電力を受け取るように構成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の電力貯蔵システム。
4. 回転子（２１）内の前記磁束発生装置が永久磁石を備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
5. 回転子（２１）内の前記磁束発生装置がかご形巻線を備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
6. 前記回転子（２１）に磁気軸受が装着されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
7. 前記回転子（２１）に摺動軸受が装着されることを特徴とする、請求項６に記載の電力貯蔵システム。
8. 前記第一巻線（３０）が３８０Ｖより低い電圧で動作するように構成されることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
9. 前記第一巻線（３０）が６〜５０Ｖの間の電圧で動作するように構成されることを特徴とする、請求項８に記載の電力貯蔵システム。
10. 前記第二巻線（３１）が３８０Ｖより高い電圧で動作するように構成されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
11. 前記第二巻線（３１）が１〜２４ｋＶの間の電圧で動作するように構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の電力貯蔵システム。
12. 前記固定子（２４）がエアギャップ巻回されることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
13. 前記電力貯蔵装置（２０）がジャイロ懸吊されることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
14. 前記フライホイール（２２）が、相互に対して逆の回転方向に回転するように構成された二つの回転質量体（２３）を備えることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
15. 前記巻線（３０、３１）の少なくとも一方が第一半導電層によって包囲された導体を備え、前記第一半導電層が次いで固定絶縁層によって包囲され、前記第一固定絶縁層が次いで第二半導電層によって包囲されることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
16. 前記回転子（２４）が第一コア（３２）、第二コア（３３）のみならず第三コア（３４）をも備え、前記固定子の第一巻線（３０）が前記第一コア（３２）と前記第二コア（３３）との間に配設され、前記固定子の第二巻線（３１）が前記第二コア（３３）と前記第三コア（３４）との間に配設されることを特徴とする、請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の電力貯蔵システム。
17. 請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の電力貯蔵システムを備えた車両。

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