JP5216953B2 - 車両用ハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで駆動する前輪駆動部と駆動用バッテリによりホイールインモータで駆動する後輪部とを少なくとも設けた車両用ハイブリッドシステムに関する。とくに駆動用バッテリに従来より高性能、高容量の高密度２次電池を使用した鉛フリーの環境保護に適した車両用ハイブリッドシステムに関する。

従来の車両用ハイブリッドシステムにはシリーズハイブリッド方式、パラレルハイブリッド方式、シリーズ・パラレルハイブリッド方式等各種のハイブリッドシステムがあった。
いずれにしても、エンジンと、バッテリにより駆動するモータとが併用され、協調しながら少ない燃料で効率よく走行するシステムとして考案されてきた。

しかしながら、ハイブリッドシステムの弱点がバッテリにあり、その性能がエンジンと協調できる程度のものでなかった。
従来から車両用に鉛電池が使用されていたが、以下のような種々の問題があった。ひとつには、単位容積あたりのエネルギー容量が低く、車両用に使用するに当たっては重く、大きな容積となるという問題があった。

さらに加えて、電解液として硫酸を用いることによって、一般に性能を高めるとサルフレーション（硫化）が起こりやすくなり、電池の内部抵抗増加が避けられなかった。
そのサルフレーションが進行すると、イオンの移動が難しくなり、動作不能となって廃棄に至るが、電解液の硫酸と電極の鉛の公害物質の廃棄処理が容易でなかった。

特に車両用鉛電池は重負荷で使用されるので、極板及び電解液も共に減耗するが、シールドタイプ電池の場合は、極板の取替え、電解液の補充はできない。
材料固有の公害物資としての危険要因も回避できない状態であった。

例えば、車両用の重負荷に耐えられるように、鉛電池内部構造の改良に関して特許文献１には、電解液槽の上部に触媒を配した制御弁を設け、電池内で発生するガスを効率よく触媒反応させて、生成した水を還流すると共に負極のサルフレーションを防止する技術が開示されている。鉛電池は以上のように問題点を解決しても、そのため用途及び使用方法が限定されることが多かった。
鉛電池の有する前述の問題点をある程度回避できるリチウムイオン電池が最近携帯機器に使用されている。リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量で公害性が低い。

しかしながら、リチウムイオン電池は製造コストが高く、さらにサイクル壽命が３００回程度と、鉛電池の１０００回程度に較べて低いので、ランニングコストがより高価になるという問題があった。
又、リチウムイオン電池は、過放電と過充電に対して耐力がなく、車両用として利用するには適していなかった。特に過充電を行うと電池が過熱し、約１３０℃を越えると電池が破裂し、電解液の吐出に到る大きな問題があった。

そこで、電池の内部が高温で破裂直前になると、封入部のガスケットの一部からガスを逃がす方法や、蓋部分（正極端子）が飛出すことでガスを逃がす方法や、内部セパレータを破壊して短絡することでガスの発生を抑える方法などが開発されている。
又、特許文献２にはこれらの問題を解決するため、ゲル状の非水系電解液を用いることで、可燃性の有機溶媒を電解液の溶剤として用いて火災の危険性を減少させる技術が開示されているが、車両用にリチウムイオン電池を使用することは難しいものであった。

そこで、その弱点とするバッテリの性能を有効に利用するために、ホイールインモータに使用されるコイルの発熱を効果的に冷却する構成（特許文献３）、バッテリの完全放電を実行しメモリ効果にする出力電圧低下を回復させる充放電システム（特許文献４）などが考えられていた。
特開２００１−１４８２５６号公報（第２、３頁、第１図） 特開平０９−２７０２７１号公報（第２、３頁、第１図） 開２００６―２４６６７８号公報 特開２００８−３０５５９号公報

本発明の目的は、車両用ハイブリッドシステムに用いる２次電池として、前述の各種の問題を解決されたホイールモータ駆動用バッテリを使用しエンジンの負荷を減らし、バッテリの負荷を増やし、燃費のよいハイブリッドシステムを提供する。

このホイールモータ駆動用バッテリは公害要因である鉛と硫酸を使用せず、鉛電池より高性能（急速充電に対しては立ち上がりが速く急速放電に対しては、その放電時間が長い）であり、高容量（高エネルギー密度の２次電池）の環境保護対応の高容量鉛フリーバッテリとした車両用ハイブリッドシステムを提供する。

前記課題を解決するため、本発明の車両用ハイブリッドシステムは、エンジンで駆動される前輪駆動部と、バッテリによりホイールモータで駆動される後輪駆動部と、エンジンに接続されエンジンから伝達される機械的エネルギーを交流電力に変換する交流発電機及び発生した交流電力を直流電力に変換する整流器を含むオルタネータと、オルタネータに接続されて充電される車両用の１２Ｖ汎用バッテリと、オルタネータに接続されて充電され、ホイールモータに放電して後輪を駆動する単位セルバッテリを複数個直列接続して形成された同一電圧、容量の複数ｎ組の第１・・・第ｎの駆動用バッテリと、中央制御部と入力端子部とを含むコントローラ部と、を備え、
（１）コントローラ部が、ギアシフトが車両を駆動するドライブモードからニュートラルモードに切替ったか或いはその逆かの何れかのセンサー信号を受けて、ドライブモードに切替ったと判定したときは、エンジンに駆動信号を送って前輪を駆動し、ニュートラルモードに切替ったと判定したときは駆動用バッテリに接続信号を送りホイールモータを駆動して後輪を駆動させる切替手段と、一時的にパワーが必要な場合は、エンジンに自動的にその時間のみ駆動信号を送り前輪駆動状態とすると共に、その間ホイールモータを駆動せずに、オルタネータから駆動用バッテリを充電するための回路接続信号を送って充電する一時的加速時手段と、持続的に一定高速走行時のパワーが必要でない場合は、駆動用バッテリをホイールモータに自動的に接続して後輪駆動させると共に、エンジンにはアイドリング状態を維持させて、そのアイドリング状態でオルタネータを駆動させその出力を駆動用バッテリへ充電する長時間一定速度時手段と、を備え、
（２）単位セルバッテリが、カルシウム、酸化銀、カーボンにバインダを加えて混合した混合ペースト材を塗布、乾燥して形成された陽極側電極と、亜鉛にバインダを加え混合した第１のペースト材を塗布、乾燥して形成された第１の領域と、カーボンにバインダを加え混合した第２のペースト材を塗布、乾燥して形成された第２の領域と、を有する陰極側電極と、前記陽極側電極と前記陰極側電極との対向面間に設けられ水酸イオンを選択的に通過させるセパレータと、前記陽極側電極、前記陰極側電極、及び前記セパレータの間に配されたアルカリ水溶液と、を含んで構成される車両用ハイブリッドシステムであって、
前記陰極側電極は、亜鉛が含まれる第１の領域とカーボンが含まれる第２の領域とが並列に接続された、ことを特徴とする。

また、陽極側電極の基材に塗布する材料のカルシウムと酸化銀とカーボンとの配合比は、カルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、及びカーボン１０〜４０％の範囲であることを特徴とする。
また、陰極側電極の基材に亜鉛のみの材料とカーボンのみの材料とを分離して塗布する際の面積比は、亜鉛のみ塗布の第１の領域が６０〜９０％、カーボンのみ塗布の第２の領域が１０〜４０％の範囲に入ることを特徴とする。
また、陽極側電極の基材と陰極側電極の基材とが、共にメッシュ状であり、電極基剤の陽極面と陰極面とを効率よく対向させるように、陽極側電極と陰極側電極とを交互に複数枚配置した構造であることを特徴とする。
また、陽極側電極の基材と陰極側電極の基材とが、共に金属が蒸着されて形成された薄膜フィルム状であり、電極基材は長巻フィルムの構造とし、陽極側電極の基材と陰極側電極の基材とを同一寸法とし、陽極側電極の基材のフィルムには混合ペースト材を塗布・乾燥させ、陰極側電極の基材のフィルムには第１のペースト材および第２のペースト材を第１の領域及び第２の領域それぞれに塗布乾燥させ、陽極側電極と陰極側電極との間に長巻のセパレータを挟み、長巻フィルムを折り曲げる構造、又は、巻き取る構造であることを特徴とする。
また、陰極側電極は、基材に亜鉛材料とカーボン材料とを分離して塗布するに際して、電極基材がメッシュ状であり、メッシュ状電極基材毎に縦方向又は横方向に所定パターン周期Ｎ（整数）で亜鉛材料領域とカーボン材料領域とが繰返された分離パターンを有するることを特徴とする。
また、陰極側電極は、基材に亜鉛材料とカーボン材料とを分離して塗布するに際して、電極基材が長巻フィルムであり、そのフィルム電極基材に対し長手方向又は幅方向に所定パターン周期で亜鉛材料領域とカーボン材料領域とが繰返された分離パターンを有することを特徴とする。
また、ホイールモータは中空車軸の空間内に配置され、コイルが巻き付けられた電磁極を有するステータとそのステータに対して回転するロータとからなり、コントローラを介して駆動用バッテリに接続されていることを特徴とする。
また、前述記載の前輪を後輪に替え、後輪を前輪に替えたことを特徴とする車両用ハイブリッドシステム。

本発明の車両用ハイブリッドシステムは、以下の効果を奏する。
エンジン駆動で前輪駆動部を動作させるか、或いは、バッテリによりホイールモータで後輪駆動部を動作させるかの切替は、運動者が判断して行うことにより、より効率を向上させることができる。

バッテリは鉛電池より高性能、高容量なので、システムとして、従来とは反対にエンジンに対する負荷よりバッテリに対する負荷を大きくする切替手段をコントローラに与えることができるので、その結果、燃費は、市販のハイブリッド車のガソリンエンジンのみの場合の１３ｋｍ／ｌ、ハイブリッドの場合の１８ｋｍ／ｌに比べて、本システムでは最低７０ｋｍ／ｌにすることができる。
バッテリは鉛電池を使用しないので、環境保護対応とするハイブリッドシステムとなる。

バッテリは高容量なので、容積・重量を鉛電池に対して少なくできる。具体的には容積は１／３、重量は１／５とすることができる。
バッテリはメモリ効果がないので、継ぎ足し充電が可能である。走行中バッテリでホイールモータを駆動しながら、エンジンアイドリングでいつでもそのバッテリに充電することができる。

２組以上の駆動バッテリの切替を任意に行い走行中片方ずつエンジンアイドリングによる補充充電することもできる。
１セル当たりの電圧は鉛電池（１セル２．０ｖ）より高く、約２．５ｖあるため、所定電圧を求める場合のセル数が少なく済み、小型軽量化ができる。

電池内部構造は、シンプルで低重量且つ材料費が安価であり製造コストが低い。外囲器も小重量構造でよく材料費が安価となる。

以下、本発明の車両用ハイブリッドシステムを図に基づいて説明する。
図１には、そのハイブリッドシステム一実施例を示す。

ここで、１０はエンジン、２０はエンジン１０から伝達される機械的回転エネルギーを電気的交流エネルギーに変換する交流発電機２１とその発生した交流電力を直流電力に変換する整流器２２とからなるオルタネータである。
４０はホイールモータを示し、そのホイールモータ４０は中空車軸の空間内に配置されてホイールインモータ４０を形成する。

すなわち、コイルが巻き付けれられた電磁極を有するステータ４１と、そのステータ４１に対して回転するロータ４２からなる。
３１、３２はホイルーモータ４０の駆動用バッテリを示し、図１では２組の駆動用バッテリ３１、３２で図示されているが、２組より多い複数の組であってもよい。

３９は従来からある車両用汎用の１２ｖバッテリを示す。
３１、３２、３９の各バッテリはいずれもオルタネータ２０から充電される回路に接続される。尚、この接続のＯＮ／ＯＦＦは後述するコントローラ５０からの信号による。

ホイールモータ４０の駆動用バッテリ３１、３２は、並列接続されホイールモータ４０の入力端子に接続される。尚、この回路の接続のＯＮ／ＯＦＦはコントローラ５０からの信号による。
コントローラ５０は、中央制御部５１、車両のギアシフトが車両を駆動するドライブモードになっているか、或いはニュートラルモードになっているかについてのギアシフト部からのセンサー信号をＩ／Ｆを介して受信する入力端子部５２、オルタネータ２０とモータ駆動用バッテリ３１、３２との間の充電回路に対するＯＮ／ＦＦ信号をＩ／Ｆを介して送信する出力端子部５３、モータ駆動用バッテリ３１、３２と、ホイールモータ４０との間の放電駆動回路に対するＯＮ／ＯＦＦ信号をＩ／Ｆを介して送信する出力端子部５４、記憶装置５５、表示部５６、保守信号入力部５７等を少なくとも備えるコンピュータシステムである。（図２参照）

そのコントローラ５０は以下に示す制御手段６０を記憶装置５５に記録され、中央制御部５１により車両の状態に対応して制御手段６０のプログラムが実行される。
コントローラ５０の電源が入り、コンピュータが起動すると、中央制御部５１は、車両ギアシフト部からのセンサー信号を受信し、ニュートラルモードからドライブモードに切替ったと判定したときは、エンジン１０に駆動信号を送り、エンジン前輪駆動状態とする。

センサー信号を受信し、ドライブモードからニュートラルモードに切替ったと判定したときは、第１、第２の駆動用バッテリ３１、３２に回路接続信号を送りホイールモータ４０を駆動させる。すなわち後輪駆動状態とする。
以上の切替手段６１がコンピュータにより常時に実行されている。

このコントローラ５０の切替手段６１に加えて、以下のプログラムが実行される。
急斜面登坂時、追越しなどの急加速時の一時的にパワーが必要な場合は、エンジン１０に自動的にコントローラ５０から信号を送り、その時間のみ駆動信号を送信し前輪駆動状態とすると共に、その間ホイールモータ４０を駆動しないで、オルタネータ２０から第１、第２のモータ駆動バッテリ３１、３２を充電するための回路接続信号を送り充電する一時的加速時手段６２を備える。尚、予め定めた時間を経過したとき或は前記切替手段６１によりバッテリによるホイールモータ駆動となりこの手段６２は終る。

さらに、低速度で市街地走行時、持続的に一定高速走行時で長時間パワーが必要でない場合は第１、第２のモータ駆動用バッテリ３１、３２を前記ホイールモータ４０に自動的に接続して後輪駆動状態とするとともに、エンジン１０にはアイドリング状態を維持させて、そのアイドリング状態で前記オルタネータ２０を駆動させて、その直流出力を第１、第２モータ駆動用バッテリ３１、３２へ充電させる長時間一定速度時手段６３を備える。尚、この間前記切替手段６１により、一定速度時手段手段６３は終る。
以上のように切替手段６１に加えて、一時的加速時手段６２と長時間一定速度時手段６３が併用して実行される。

ホイールモータは中空車軸の空間内に配置されて、ホイールインモータを形成した機構がよい。
コイルが巻き付けられた電磁極を有するステータが車軸に取付けられ、車軸に取付けられたロータとからなり、特許文献３などに改良された機構が公開されている。

尚、図１においてエンジン駆動は前輪駆動で行いバッテリによるホイールモータ駆動は後輪駆動で行うように図示されているが、エンジン駆動で後輪駆動を行い、バッテリによるホイールモータ駆動は前輪駆動で行うようにしてもよい。
次に、ホイールモータ４０を駆動するため放電する駆動用バッテリ３１、３２について説明する。

前述した問題点でも述べたように、車両用ハイブリッドシステムの弱点はバッテリにあった。
すなわち、ハイブリッドシステムはエンジン駆動とバッテリによるホイールモータ駆動の性能が、併合して協調しなければならないのにバッテリの性能が少し低いので、どうしても駆動制御する従来のプログラム手段はエンジン１０に対する負荷が大きくなる。よって、このような従来のプログラム手段による車両用ハイブリッドシステムは、燃費を特に良くすることができない。

本車両用ハイブリッドシステムは、できるだけエンジン１０に対する負荷を、必要最少時間内として、高性能のバッテリ３１、３２の負荷を大きくする。よって、本発明のプログラム切替手段による車両用ハイブリッドシステムは燃費を従来と比較して大きく良くすることができる。
そこで、その高性能バッテリ３１、３２について以下に説明する。

図３には高性能バッテリ３１、３２の単位セルの構造を示す。この実施例の単位セルの構造は電極基板がメッシュ状の場合を示す。
図３はその上部に高性能バッテリ３１、３２として高容量（密度）鉛フリーバッテリの単位セルの原理的な組立構造図を示す。

ここでａは陽極端子、６は陰極端子、ｃは陰極側電極材料、ｃｏはその材料を塗布などする電極基材、ｄは陽極側電極材料、ｄｏはその材料の電極基材を示す。
ｆは陰極電極材料ｃと陽極電極材料ｄとの中間部にあり、水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータである。ｅは陽極陰極間に配した電解質溶液であり、ここではアルカリ水溶液を用いる。尚、ｇはそれらを収容する外囲器を示す。

図３（ａ）は陽極側のメッシュ状の電極基材ｄｏに電極材料ｄを塗布・乾燥する製造の流れ図を示す。
ここで電極基材ｄｏはメッシュ状（金属格子状）の場合と金属が蒸着された誘電体フィルム膜状の場合がある。図３、図４はメッシュ状の場合であり、図５、図６はフィルム膜状の電極基材ｄｏを示す。

図３（ａ）に戻り、陽極側電極基材ｄｏは、白銅板メッシュ或いは白銅格子の構造からなる。このメッシュｄｏに対して、ＣａとＡｇ_２Ｏとカーボンとを混合してさらにバインダを入れた混合ペースト状にして塗布を行う。次に焼き付けて陽極側電極材料が完成する。
ここで、ＣａＡｇ_２Ｏカーボンの配合比はそれぞれ４０〜６０％、２０〜３０％、１０〜４０％の範囲に入るようにする。

図３（ｂ）では、陰極側電極基材ｃｏは亜鉛板メッシュ或いは亜鉛格子の構造からなる。このメッシュｃｏに対してＺｎとカーボンを混合せずに、それぞれにバインダを入れてペースト状にして、分離した領域に塗布し、次に焼き付けて陰極側電極材料が完成する。
図３（ｂ）の実施例では単位電極基材毎に横方向に分離し、上部はＺｎにバインダを入れて塗布した領域であり、下部はカーボンにバインダを入れて塗布した領域である。

ここで、Ｚｎ領域とカーボン領域の面積比はそれぞれ６０〜９０％、カーボン１０〜４０％の範囲に入るようにする。例えばＺｎ領域が６０％ならば、カーボン領域は４０％、Ｚｎ領域が７０％ならば、カーボン領域は３０％とする。
尚、図３（ｂ）は横方向にパターン周期１回だけでありＮ＝１の場合である。パターン周期をＮ回繰返してもよい。

図３（ｃ）は縦方向にパターン周期Ｎ＝２の場合を示した。縦方向分離型である。
図３のようなメッシュ状の電極基材ｃｏ、ｄｏを用いた場合、単位面積当りの容量を増加させるため、電極基材ｃｏ、ｄｏ面上に焼き付けられた電極材料の両面が対向するように効率のよい配置をした実施例を図４に示す。

図４は電極基材がメッシュ状の場合、その容量を所定量まで増加させるため、複数枚の電極基材ｃｏ、ｄｏを配置した構成例を示す。
すなわち、陰極材料ｃと陽極材料ｄはその両面が使用できるので、陰極側と陽極側それぞれ交互に配置して、それぞれの材料面が対向するように構成する。

図４では陰極材料ｃを３枚陽極材料ｄを３枚合計Ｍ＝６枚用いて交互配置を行っている。
以上の配置構成を２．５ｖ１セルとして、その１セルを５個直列にしたものが、ＤＣ１２ｖ６０ａｈ仕様を示してある。尚、図１のモータ駆動用バッテリ３１、３２は、その１セルを２０個直列にしてＤＣ４８ｖ６０ａｈ仕様とした。

図５、図６は電極基材ｃｏ、ｄｏが薄膜フィルム状の場合の高容量（密度）鉛フリーバッテリとした構成のバッテリを実施例で示す。
ここで、図５は縦方向分離陰極電極材料であり、図６の横方向分離陰極電極材料である。

図５（ａ）には、陰極側電極基材Ｃｏが長巻フィルム（或は長尺フィルム）の上面に亜鉛と蒸着した薄膜層が構成されていることを示す。
さらに、その薄膜金属の上面に図に示すようにカーボンのみ含んだペースト材料と亜鉛のみ含んだペースト材料と亜鉛のみ含んでペースト材料とは所定の面積比で交互に塗布されている。（縦方向分離型）

例えばカーボン領域と亜鉛の領域とは、それぞれ４０％、６０％の面積比などである。
次に、図５（ｂ）には、陽極側電極基材ｄｏが長巻フィルム（或は長尺フィルム）の上面に白銅を蒸着した薄膜層が構成されていることを示す。

さらに、その薄膜金属の上面に図に示すようにＣａとＡｇ_２Ｏとカーボンを含んだ混合ペースト材料が塗布されている。
以上のように、陰極電極材料ｃは２種類のペーストを所定面積比で分離塗布し、陽極電極材料ｄは混合したペースト材料を全面に塗布した構成である。

以上の陰極電極材料ｃと陽極電極材料ｄの間に同一寸法の長尺のセパレータｆを挟み、図５（ｃ）に示すように所定のピッチ長で折り曲げ、各材料ｃ、ｄの各面はセパレータを介して対向する。以上のように折り合わせる。
材料ｃ、ｄの対抗面でない外側は絶縁フィルムであるので折り曲げられ、材料ｃ、ｄの面が接触しても特性に無関係であり、また、完全に折りたたまれて圧縮され、コンパクトな形状とすることができる。

また、図５（ｃ）の折り曲げ構造でなく、図５（ｄ）に示すようにコイル状に巻取り構造でもよい。
この構造は小形電池などに見られるものである。
尚、図５（ｃ）の折り曲げ構造は、その折り曲げピッチ長と、亜鉛及びカーポンのパターンの繰返しがＮ＝１の場合と同一の実験例を示す。

必ずしも、ピッチ長と繰返しパターン長を一致させる必要はない。しかし、繰返しパターン長はなるべくピッチ長又はその長さより短く設計することが望ましい。
次に、図６には、図５と同様、電極基材ｃｏが薄膜フィルムの場合の高容量（密度）鉛フリーバッテリとした高性能バッテリである。但し、陰極電極材料ｃが横方向分離型である。

図６（a）は長尺フィルムが面上に亜鉛を蒸着した金属層を設け、その面上にさらにカーボンペースト材料と亜鉛ペースト材料を分離した領域にそれぞれ塗布した状態を示す。但し、その分離領域は、横方向分離型の場合である。また、そのパターン周期がＮ＝１の場合である。
図６（ｂ）には、そのパターン周期がＮ＝３の場合である。

いずれにしても、（ａ）（ｂ）は長手方向に一定の幅で連続して２種類のペースト材料が塗布されているので横方向分離型は製造工程が容易になる。
以上のように陰極電極材料Ｃが２種類のペースト材を分離して塗布し乾燥させて製造した分離型の特徴とする高容量（密度）鉛フリーバッテリとした高性能バッテリの動作は以下のようになる。

陰極電極材料Ｃが２種類のペースト材で分離している場合、それらペースト材の面とセパレータｆを介して対向して、陽極電極材料ｄ面とから構成される２つの異なる領域が並列に接続している２個の２次電池と考えることができる。
陰極面のペースト材に亜鉛が含まれている第１の領域内では、従来ある銀亜鉛電池として動作する。

すなわち、電極の反応式は以下のようになって負極から電子２ｅ⁻が正極へ流れる。
正極 Ａｇ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→ ２Ａｇ＋２ＯＨ⁻
負極 Ｚｎ＋２ＯＨ⁻→ ＺｎＯ＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

ここで、正極で生成された水酸化イオン２ＯＨ⁻はセパレータを通り負極へ移動する。
一方、陰極面のペースト材にカーボンが含まれる第２の領域内では以下のようにカルシウムイオンＣａ^＋が反応する。

充電時にはＣａ^＋が陽極電極材料ｄ面から放電され、負極電極材料ｃのカーボンに吸着される。
又、放電時には、負極電極材料ｃに吸着されたカルシウムイオンＣａ⁻がカーボンより離脱され陽極電極材料ｄに戻る。
カルシウムイオンＣａ^＋は、イオン半径が大きいので、充電時にそのイオンを格納する負極電極材が性能に大きく依存する。よって負極電極材にカーボンを分離した第２の領域を設けることにより、そのカルシウムイオンＣａ^＋を多く吸着させることができる。

また、カルシウムイオンＣａ^＋は２価の陽イオンであるので、第２の領域内における電池は高電圧（１セル当たり１．８Ｖ〜３．０Ｖ）：高容量とエネルギー密度が高い。
以上のように第１の領域と第２の領域に分離することにより、それぞれエネルギー密度が高い電池となり鉛電池に比較しても分離型鉛フリーバッテリはそのエネルギー密度は数倍となる。よって、小型・軽量化が実現できる。

次に、鉛フリーバッテリにおいて、特に陰極電極材料ｃに、亜鉛とカーボンをそれぞれ別々にバインダを入れて混合し、亜鉛のみのペースト材とカーボンのみのペースト材を作り図３〜図６に示すように分離して塗布・乾燥して電極材料ｃを製造したときは、分離しない場合に対してどのように性能が向上するかの実施例を図７、図８に示す。
図７は充放電特性比較図であり、従来の鉛電池及び陰極分離型でない鉛フリーバッテリに対して、本発明の陰極分離型の高エネルギー密度鉛フリーバッテリの実測値と比較してある。いずれの曲線も４０Ａｈ容量の場合で比較している。

（ａ）は充電特性を比較した図であり、高容量タイプは、陰極分離型の鉛フリーバッテリを示し、非分離型は陰極分離型でない（亜鉛とカーボンを混合したペースト）鉛フリーバッテリを示す。いずれも４０Ａｈ容量とし１０．８Ｖでスタートして１２．５Ｖになるまでの時間の差を示す。
分離型の高容量密度鉛フリーバッテリ（高容量タイプ）は他の非分離型、鉛電池比較して非常に充電時間が短い。

（ｂ）は放電特性を比較した図であり、高容量タイプは陰極分離型を示す。いずれも１２．５Ｖから１０Ａの定電流放電により終始電圧１０．８Ｖになる時間を、それぞれ示している。陰極分離型は７．２Ｈ、分離型でない鉛フリーは３．５Ｈ、鉛電池は２．２Ｈであり、陰極分離型のフリーバッテリは、放電特性も他より大きいことを示す。
以上の充放電特性は車両用ハイブリッドシステムで２組に分けて充放電を交互に行ないながら走行する場合は大いに有利であることはいうまでもない。

図８は陰極電極材料分離型の鉛フリーバッテリ（高容量）が分離型でない鉛フリーバッテリ（鉛フリー）及び鉛電池、Ａ、Ｂに対して如何に容量が大きくなるかを示す表である。
陰極分離型（高容量）は分離しない場合に比較して約２倍程度増加することが分かる。

また、陰極分離しない場合でも、同程度の容積の鉛電池と比較して高容量の高エネルギー密度を示していることが分かる。
尚、図３、図５、図６で単位長あたりのパターン周期Ｎは大になる程非分離型の鉛フリーバッテリの特性に近づくので、パターン周期Ｎを余り大きくするのは意味がない。

車両用ハイブリッドシステムの構成図 コントローラ５０のコンピュータシステムの構成図 高性能バッテリの単位セル構造図（メッシュ状） 高性能バッテリの直列接続構造図（メッシュ状） 高性能バッテリ（フィルム状・縦方向分離） 高性能バッテリ（フィルム状・横方向分離 高容量（密度）２次電池の充放電特性比較図 陰極材料分離型により容量の増大を示す表

符号の説明

１０ エンジン
２０ オルタネータ
２１ 交流発電機
２２ 整流器
３１、３２ モータ駆動用バッテリ、高容量（密度）鉛フリーバッテリ
３９ 車両用汎用１２ｖバッテリ
４０ ホイールモータ
４１ ステータ
４２ ロータ
５０ コントローラ
５１ 中央制御部（ＣＰＵ）
５２ 入力端子部
５３、５４ 出力端子部
６０ 制御手段
６１ 切替手段
６２ 一時的加速手段
６３ 長時間一定速度手段

Claims (9)

1. エンジンで駆動される前輪駆動部と、
   バッテリによりホイールモータで駆動される後輪駆動部と、
   前記エンジンに接続され、前記エンジンから伝達される機械的エネルギーを交流電力に変換する交流発電機と、発生した交流電力を直流電力に変換する整流器と、を含むオルタネータと、
   前記オルタネータに接続されて充電される車両用の１２Ｖ汎用バッテリと、
   前記オルタネータに接続されて充電され、前記ホイールモータに放電して後輪を駆動する単位セルバッテリを複数個直列接続して形成された同一電圧、容量の複数ｎ組の第１・・・第ｎの駆動用バッテリと、
   中央制御部と入力端子部とを含むコントローラ部と、を備え、
   （１）前記コントローラー部が、
   ギアシフトが車両を駆動するドライブモードからニュートラルモードに切替ったか或いはその逆かの何れかのセンサー信号を受けて、ドライブモードに切替ったと判定したときは前記エンジンに駆動信号を送って前輪を駆動させ、ニュートラルモードに切替ったと判定したときは前記駆動用バッテリに接続信号を送り前記ホイールモータを駆動して後輪を駆動させる切替手段と、
   一時的にパワーが必要な場合は、前記エンジンに自動的にその時間のみ駆動信号を送り前輪駆動状態とすると共に、その間前記ホイールモータを駆動せずに、前記オルタネータから前記駆動用バッテリを充電するための回路接続信号を送って充電する一時的加速時手段と、
   持続的に一定高速走行時のパワーが必要でない場合は、前記駆動用バッテリを前記ホイールモータに自動的に接続して後輪駆動させると共に、前記エンジンにはアイドリング状態を維持させて、そのアイドリング状態で前記オルタネータを駆動させその出力を前記駆動用バッテリへ充電する長時間一定速度時手段と、を備え、
   （２）前記単位セルバッテリが、
   カルシウム、酸化銀、カーボンにバインダを加えて混合した混合ペースト材を塗布、乾燥して形成された陽極側電極と、
   亜鉛にバインダを加え混合した第１のペースト材を塗布、乾燥して形成された第１の領域と、カーボンにバインダを加え混合した第２のペースト材を塗布、乾燥して形成された第２の領域と、を有する陰極側電極と、
   前記陽極側電極と前記陰極側電極との対向面間に設けられ水酸イオンを選択的に通過させるセパレータと、
   前記陽極側電極、前記陰極側電極、及び前記セパレータの間に配されたアルカリ水溶液と、を含んで構成される車両用ハイブリッドシステムであって、
   前記陰極側電極は、亜鉛が含まれる前記第１の領域とカーボンが含まれる前記第２の領域とが並列に接続されたことを特徴とする車両用ハイブリッドシステム。
2. 前記陽極側電極の基材に塗布する材料のカルシウムと酸化銀とカーボンとの配合比は、カルシウム４０〜６０％、酸化銀２０〜３０％、及びカーボン１０〜４０％の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の車両用ハイブリッドシステム。
3. 前記陰極側電極の基材に亜鉛のみの材料とカーボンのみの材料とを分離して塗布する際の面積比は、亜鉛のみ塗布の第１の領域が６０〜９０％、及びカーボンのみ塗布の第２の領域が１０〜４０％の範囲に入ることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用ハイブリッドシステム。
4. 前記陽極側電極の基材と前記陰極側電極の基材とが共にメッシュ状であり、電極基材の陽極面と陰極面とを対向させるように、前記陽極側電極と前記陰極側電極とを交互に複数枚配置した構造であることを特徴とする請求項１又は３に記載の車両用ハイブリッドシステム。
5. 前記陽極側電極の基材と前記陰極側電極の基材とが共に金属が蒸着された薄膜フィルム状であり、電極基材は長巻フィルムの構造とし、前記陽極側電極の基材と前記陰極側電極の基材とを同一寸法とし、前記陽極側電極の基材のフィルムには前記混合ペースト材を塗布・乾燥させ、前記陰極側電極の基材のフィルムには前記第１のペースト材および前記第２のペースト材を前記第１の領域及び前記第２の領域それぞれに塗布・乾燥させ、前記陽極側電極と前記陰極側電極との間に長巻の前記セパレータを挟み、長巻フィルムを折り曲げる構造、又は、巻き取る構造であることを特徴とする請求項１又は３に記載の車両用ハイブリッドシステム。
6. 前記陰極側電極は、基材に亜鉛材料とカーボン材料とを分離して塗布するに際して、前記電極基材がメッシュ状であり、メッシュ状電極基材毎に縦方向又は横方向に所定パターン周期で亜鉛材料領域とカーボン材料領域とが繰返された分離パターンを有することを特徴とする請求項１又は４に記載の車両用ハイブリッドシステム。
7. 前記陰極側電極は、基材に亜鉛材料とカーボン材料とを分離して塗布するに際して、前記電極基材が長巻フィルムであり、そのフィルム電極基材に対し長手方向又は幅方向に所定パターン周期で亜鉛材料領域とカーボン材料領域とが繰返された分離パターンを有することを特徴とする請求項１又は５に記載の車両用ハイブリッドシステム。
8. 前記ホイールモータは中空車軸の空間内に配置され、コイルが巻き付けられた電磁極を有するステータと前記ステータに対して回転するロータとからなり、前記コントローラを介して前記駆動用バッテリに接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の車両用ハイブリッドシステム。
9. 請求項１に記載の前輪及び前輪駆動部それぞれを後輪及び後輪駆動部に替え、後輪及び後輪駆動部それぞれを前輪及び前輪駆動部に替えたことを特徴とする車両用ハイブリッドシステム。
   

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