JP6483731B2 - 慣性力を用いて電力を生産する車両用補助発電機 - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年０９月０４日付けの韓国特許出願第１０−２０１４−０１１７４４号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、慣性力を用いて電力を生産する車両用補助発電機に関する。

ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ；Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）は、内燃機関のエンジン及びバッテリーの電源を用いたモータを動力源として使用する車両であって、化石燃料の枯渇による次世代運送手段として多くの関心を集めている。

このようなハイブリッド電気自動車は、高速走行において内燃機関で運行する一方、バッテリーの電力を通じて低速走行においてモータで運行する車両である。

また、内燃機関を使用せず、バッテリーと電気モータのみで運行する電気自動車も多くの関心を集めている。このような電気自動車は、バッテリーに蓄積された電気を動力として使用して電気モータを駆動させることによって走行するようになり、構造が簡単で、耐久性に優れ、運転及び整備が容易であり、さらに、汚染物質が排出されないことによって環境保護に寄与するという点で広く開発されている。

このようなハイブリッド電気自動車及び電気自動車は、従来の化石燃料を用いた車両に比べて運行費と維持費が少なくかかるという点で、その利用が増加すると予想されている。

しかし、ハイブリッド電気自動車及び電気自動車に使用されるバッテリーは、電気容量の限界により、内燃機関に比べて走行距離が短いという欠点を有しているところ、持続的なバッテリーの充電が可能なシステムが備えられなければならない。

そのために、ハイブリッド電気自動車及び電気自動車は、高速走行時の余裕駆動力または制動によるエネルギー回生システムを通じてバッテリーを充電する方式を使用しているが、このようなエネルギー回生システムのみでは走行距離を改善するのに限界がある。

したがって、ハイブリッド電気自動車または電気自動車でバッテリーを持続的に充電させることで、これらの車両の走行距離を延ばす技術に対する必要性が非常に高いのが実情である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

本出願の発明者らは、鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、後述するように、車両の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換する車両用補助発電機を用いて、バッテリーの充電を持続的に行うことができ、それによって、車両の走行距離を改善できることを確認し、本発明を完成するに至った。

このような目的を達成するための本発明に係る補助発電機は、車両の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換する車両用補助発電機であって、
車両の運動による慣性力によって車両の運動方向の対向方向に運動する慣性球体；
前記運動する慣性球体を内部に収容する１つ以上の固定管；
前記固定管の内部に装着されており、前記慣性球体の運動によって電気的エネルギーを発生させる発電部材；及び
前記発電部材に電気的に接続されており、前記発電部材から発生した電気的エネルギーを収容して利用可能な電気に変換する変換器；
を含むことを特徴とする。

すなわち、本発明に係る補助発電機は、車両の運行による運動エネルギーを、前述した特別な構造を通じて電気的エネルギーに変換できるところ、車両の運行と同時に電気的エネルギーを得ることができ、それによって、バッテリーを持続的に充電することができるので、車両の走行距離を改善することができる。

前記発電部材の非制限的な例として、前記発電部材は圧電素子であってもよい。圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸バリウムを焼結した圧電セラミックであってもよいが、これらに限定されるものではない。

前記圧電素子は、固定管の内部全面に設置されてもよく、このとき、前記慣性球体が慣性力によって運動しながら圧電素子に直接圧力を加えることによって、圧電素子が電気的エネルギーを発生させることができる。

このような構造では、圧電素子が変換器と電気的に接続されており、慣性球体が固定管に沿って運動しながら圧電素子に圧力を提供して、圧電素子が電気的エネルギーを発生させることができる。このように発生した電気的エネルギーである電気は変換器に移送され、移送された電気は、変換器で利用可能な電気に変換されて、車両の電池セルを充電したり、モータに動力として使用したりすることができる。

また、慣性球体が固定管に沿って運動することによって圧力を提供すること以外にも、車両が運行するとき、外力によって振動が発生するようになり、このとき、車両の振動に対応して、慣性球体が固定管の内部で運動するようになり、固定管の内面に装着された圧電素子の様々な部分に圧力を提供することができる。

したがって、慣性球体は、固定管内で様々に動くことができるように、固定管の内径に比べて小さい大きさが好ましく、詳細には、固定管の内径に比べて５０％〜８０％の大きさからなることができる。

前記慣性球体の大きさが前記範囲よりも小さい場合には、圧電素子に十分な圧力を提供することができず、圧電素子と接触する可能性が減少するため好ましくなく、前記範囲よりも大きい場合には、慣性球体が圧電素子との摩擦により運動速度が低下し、それによって、圧電素子の電気的エネルギーの発生量が減少することがある。

前記発電部材の他の非制限的な例として、前記発電部材は、前記固定管の内部に装着されており、前記慣性球体の運動によって回転運動する発電球体を含み、発電球体が回転運動しながら発生する摩擦力により摩擦電気を発生させる発電ベアリングであってもよい。

具体的に、前記発電ベアリングは、リング状からなる一対の固定部をさらに含み、前記発電球体が固定部の間に２つ以上装着されている構造であってもよい。

ここで、前記一対の固定部は、これらの間に２つ以上の回転軸が形成されており、前記回転軸を中心に発電球体が回転するように、発電球体が回転軸に装着されてもよい。

このような発電球体は、回転運動のために球状の形状であってもよく、回転運動時に回転軸と摩擦して摩擦電気を発生させることができるように、不導体であるプラスチックからなることができる。また、回転軸もまた、摩擦電気の発生が容易なプラスチックからなることができる。

前記発電球体の回転により発生した摩擦電気は、回転軸で発電ベアリングに捕集され、捕集された摩擦電気は、発電ベアリングに電気的に接続された変換器に捕集されて電気に変換され得る。したがって、発電ベアリングは、電気伝導性の金属素材であってもよく、詳細には、アルミニウム又は銅のような電気伝導性素材からなることができるが、これらに限定されるものではない。

前記発電球体の回転運動は慣性球体の運動によって達成され得る。すなわち、前記慣性球体が固定管の内部で運動するとき、固定管の内部に装着された発電ベアリングの発電球体と接触するようになり、このとき、発電球体は、慣性球体の運動方向に対して対向方向に回転力を得て回転するようになる。すなわち、慣性球体の運動速度が発電球体の回転力を決定する。

したがって、慣性球体は、運動速度が低下しないと共に、発電ベアリングを通過できる大きさからなることができ、詳細には、発電ベアリングの内径に比べて５０％〜８０％の大きさからなることができる。

前記慣性球体の大きさが前記範囲よりも小さい場合には、発電ベアリングを容易に通過する一方、発電球体と接触する可能性が減少するため、発電球体の回転運動を誘導することが難しく、前記範囲よりも大きい場合には、慣性球体が発電ベアリングを容易に通過することができないため、慣性球体の運動速度が低下し、それによって、発電球体の回転力が減少することがあるため、好ましくない。

また、前記慣性球体は、高い慣性力を得るために、密度の高い金属からなることができ、詳細には、タングステン又は白金であってもよいが、これらに限定されるものではない。

一方、一具体例において、前記固定管は、それぞれ異なる方向に向かう２つ以上の管が結合された構造からなることができる。

具体的に、前記固定管は、車両の幅方向に対して水平な第１管、車両の長手方向に対して水平な第２管、及び車両の高さ方向に対して平行な第３管を含むことができる。

ここで、前記の方向に配置された第１管、第２管及び第３管は、互いに直交する形態で結合された構造であってもよく、これらが結合された構造は、車両の内部構造に応じて弾力的に構成して結合することができる。

また、前記第１管、第２管及び第３管は、それぞれその内部に慣性球体を含むことができる。

ここで、前記第１管、第２管及び第３管は、それぞれその内部に２つ以上の発電ベアリングが装着されている構造であってもよい。

これとは異なり、前記第１管、第２管及び第３管は、それぞれその内面全体に圧電素子が装着されている構造であってもよい。

このような構造は、それぞれの第１管、第２管及び第３管を通じて慣性球体が様々な方向で慣性力を得ることができるところ、車両の様々な動きによる運動エネルギーを用いて電気的エネルギーを生産することができる。

例えば、車両の幅方向に対して水平な第１管の場合、それの慣性球体は、車両が左側又は右側に運動するとき、車両の運動方向の対向方向に第１管の内部で運動できるので、車両の左右運動による運動エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。

これとは異なり、車両の長手方向に対して水平な第２管の場合、それの慣性球体は、車両が制動するときに車両の前方に運動し、車両が加速するときに車両の後方に運動できるので、車両の直線運動による運動エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。

さらに、車両の高さ方向に対して平行な第３管の場合には、それの慣性球体は、車両が振動により上向き又は下向きに運動するとき、車両の運動方向の対向方向に第３管の内部で運動できるので、車両の振動による運動エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。

これとは異なり、前記第１管、第２管及び第３管は、それぞれその内面全体に圧電素子及び発電ベアリングが共に装着されている構造であってもよい。

同様に、このような構造は、車両の様々な動きによる慣性球体の運動エネルギーが圧電素子に圧力を印加し、発電ベアリングの発電球体に回転力を提供して、効果的に電気的エネルギーを生産することができる。

したがって、本発明に係る補助発電機は、上述したように、自動車の運行と同時に自然に発生する慣性力で固定管の内部の慣性球体を運動させ、この慣性球体が、圧電素子及び／又は発電ベアリングに電気的エネルギーの生産が可能な外力を提供し、結果的に、車両の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。また、固定管を様々な方向に配置して、車両の上、下、左、右及び直線運動による様々な運動エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる構造的特徴を有する。

一具体例において、前記固定管は、電気絶縁性の高分子素材または複合素材からなることができ、詳細には、重量が非常に低い複合素材からなることができる。このような複合素材は、例えば、炭素繊維複合素材またはガラス繊維複合素材であってもよいが、前記例に限定されるものではない。

本発明はまた、前記補助発電機、及び前記補助発電機から生産された電力によって充電可能な電池セルを２つ以上含む、車両を提供する。

前記電池セルは、正極と負極との間に分離膜が介在した構造の電極組立体が、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートの電池ケースに密封されているパウチ型二次電池であってもよく、このような電池セルはリチウム二次電池であってもよい。

また、前記２つ以上の電池セルは、特定の構造で積層して大容量の電池モジュールを構成することもできる。

前記車両は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、及びプラグインハイブリッド電気自動車からなる群から選択されるいずれか１つであってもよいが、これらのみに限定されるものではない。

本発明に係る補助発電機の模式図である。 図１の固定管を具体的に示した模式図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿う固定管の垂直断面図である。 図２の発電ベアリングを具体的に示した模式図である。 本発明に係る補助発電機が搭載された車両の模式図である。

以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのもので、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。

図１には、本発明に係る補助発電機が模式的に示されており、図２には、図１の固定管が具体的に示されており、図３には、図２のＡ−Ａ’線に沿う固定管の垂直断面が示されており、図４には、図２の発電ベアリングが具体的に示されており、図５には、本発明に係る補助発電機が搭載された車両が示されている。

まず、図１乃至図３を共に参照すると、補助発電機１０は、固定管１００、固定管１００の内面に装着された圧電素子２１０、固定管１００の内部に装着された発電ベアリング３００、固定管１００の内部で運動する慣性球体２０１，２０２，２０３、及び圧電素子２１０と発電ベアリング３００から摩擦電気を収容して電気に変換する変換器１２０で構成されている。

図１に示したように、固定管の内部で慣性球体２０１，２０２，２０３が運動しながら圧電素子と発電ベアリング３００が発生させた電気は、これらに電気的に接続された変換器１２０に移送され、変換器１２０は、収容した電気を電池セル２０を充電できる電流に変換し、一定の電圧で電池セル２０を充電する。

図２乃至図５を共に参照すると、固定管１００は、それぞれ異なる方向に向かう第１管１０１、第２管１０２及び第３管１０３からなっている。

具体的に、第１管１０１は、車両４００の幅方向に水平なＸ軸に向かう状態で、第２管１０２及び第３管１０３と直交する形態で結合されており、第２管１０２は、車両４００の長手方向に水平なＹ軸に向かう状態で、第１管１０１及び第３管１０３と直角をなす状態で結合されており、第３管１０３は、車両４００の高さ方向に水平なＺ軸に向かう状態で、第１管１０１及び第２管１０２と直角をなす状態で結合されている。

以下では、説明の便宜上、図２での一つの発電ベアリング３００、及び第２管を例に挙げて圧電素子２１０を示したが、これは例示的なもので、前記発電ベアリング３００は、第１管１０１〜第３管１０３にそれぞれ２つ以上装着されており、第１管〜第３管の内面全体に圧電素子が装着されてもよいことは勿論であり、各管の長さ及び所望の電気的エネルギー量を考慮して、発電ベアリング３００及び圧電素子２１０を弾力的に配置することができる。

第１管１０１の内部には圧電素子（図示せず）及び発電ベアリング３００が装着されており、第１管１０１に沿ってＸ軸方向に運動するように慣性球体２０１が内蔵されている。第２管１０２の内部には圧電素子２１０及び発電ベアリング（図示せず）が装着されており、第２管１０２に沿ってＹ軸方向に運動するように慣性球体２０２が内蔵されている。第３管１０３の内部には圧電素子（図示せず）及び発電ベアリング（図示せず）が装着されており、第３管１０３に沿ってＺ軸方向に運動するように慣性球体２０３が内蔵されている。

発電ベアリング３００は、リング状からなる一対の固定部３０２，３０４の間に多数の発電球体３０８が回転軸（図示せず）に装着されている構造となっている。リング状の発電ベアリング３００は、慣性球体２０１が通過できるように開口３１０が形成されており、開口３１０の内部に発電球体３０８の一部が突出している。したがって、慣性球体２０１が発電ベアリング３００の開口３１０を通過するとき、突出した発電球体３０８が慣性球体２０１と接触し、慣性球体２０１の運動方向の対向方向への回転力を得て回転するようになる。このとき、発電球体３０８が回転しながら、回転軸と摩擦電気を発生させる。

一方、図５に示された車両４００は補助発電機１０を車両の内部に含んでおり、車両４００の幅方向であるＸ軸方向（左側又は右側）に運動する場合、第１管１０１に内蔵された慣性球体２０１は、車両４００の運動方向の対向方向に慣性力を得ることで第１管１０１内で運動するようになる。このとき、慣性球体２０１が運動しながら、圧電素子を進行方向に沿って押圧するようになり、圧電素子は、瞬間的に圧力が変化することによって電気を生産する。また、慣性球体は、発電ベアリング３００の発電球体３０８を回転させ、発電球体３０８の回転運動が電気的エネルギーに変換される。

また、車両４００の長手方向であるＹ軸方向に加速又は減速運動する場合、第２管１０２に内蔵された慣性球体は、車両４００の加速又は減速に伴い、加速又は減速方向の対向方向に慣性力を得て運動するようになり、このとき、慣性球体２０２が運動しながら、圧電素子を進行方向に沿って押圧するようになり、圧電素子は、瞬間的に圧力が変化することによって電気を生産する。また、慣性球体２０２は、発電ベアリング（図示せず）の発電球体（図示せず）を回転させ、発電球体（図示せず）の回転運動が電気的エネルギーに変換される。

同様に、車両４００の高さ方向であるＺ軸方向に車両４００が上向きに運動する場合、第３管１０３に内蔵された慣性球体２０３は、下向きに慣性力を得て運動するようになり、Ｚ軸方向に車両４００が下向きに運動する場合、慣性球体２０３は、上向きに慣性力を得て運動するようになることによって、慣性球体が圧電素子及び発電ベアリングに圧力及び回転力を提供して電気を生産することができる。同時に、車両４００が上向き又は下向きに運動する場合に、第１管１０１及び第２管１０２の慣性球体２０１，２０２は、第１管１０１及び第２管１０２の内部で車両４００の運動方向に沿って上向き又は下向きに激しく揺れながら圧電素子２１０に圧力を印加し、それによって、圧電素子２１０が電気的エネルギーを発生させることができる。

以上、図面を参照して説明したように、本発明に係る補助発電機は、車両の運行による運動エネルギーで固定管の内部の慣性球体が運動するようにし、この慣性球体の運動で圧電素子及び発電ベアリングを通じて電気的エネルギーを発生させるため、車両の運行と同時に電気的エネルギーを得ることができる構造的特徴を有する。したがって、本発明に係る補助発電装置は、電気を用いる車両の運行距離を増加させることができる。

本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。

以上で説明したように、本発明に係る補助発電機は、車両の運行による運動エネルギーを、前述した特別な構造を通じて電気的エネルギーに変換できるところ、車両の運行と同時に電気的エネルギーを得ることができ、それによって、バッテリーを持続的に充電することができるので、車両の走行距離を改善することができる。

１０ 補助発電機
２０ 電池セル
１００ 固定管
１０１ 第１管
１０２ 第２管
１０３ 第３管
１２０ 変換器
２０１ 慣性球体
２０２ 慣性球体
２０３ 慣性球体
２１０ 圧電素子
３００ 発電ベアリング
３０２ 固定部
３０４ 固定部
３０８ 発電球体
３１０ 開口
４００ 車両

Claims (19)

1. 車両の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換する車両用補助発電機であって、
   車両の運動による慣性力によって車両の運動方向の対向方向に運動する慣性球体と、
   前記運動する慣性球体を内部に収容する１つ以上の固定管と、
   前記固定管の内部に装着されており、前記慣性球体の運動によって電気的エネルギーを発生させる発電部材と、
   前記発電部材に電気的に接続されており、前記発電部材から発生した電気的エネルギーを収容して利用可能な電気に変換する変換器と
   を含み、
   前記発電部材は、前記固定管の内部に装着されており、前記慣性球体の運動によって回転運動する発電球体を含み、発電球体が回転運動しながら発生する摩擦力で摩擦電気を発生させる発電ベアリングであることを特徴とする、補助発電機。
2. 前記発電部材は圧電素子であることを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
3. 前記圧電素子は、固定管の内部全面に設置されており、前記慣性球体が慣性力によって運動しながら圧電素子に直接圧力を加え、圧電素子が電気的エネルギーを発生させることを特徴とする、請求項２に記載の補助発電機。
4. 前記発電ベアリングは、リング状からなる一対の固定部をさらに含み、前記発電球体が固定部の間に２つ以上装着されていることを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
5. 前記一対の固定部は、これらの間に２つ以上の回転軸が形成されており、前記回転軸を中心に発電球体が回転するように、発電球体が回転軸に装着されていることを特徴とする、請求項４に記載の補助発電機。
6. 前記慣性球体は、固定管の内部で運動するとき、固定管の内部に装着された発電ベアリングの発電球体と接触するようになり、このとき、発電球体は、慣性球体の運動方向に対して対向方向に回転力を得ることを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
7. 前記固定管は、それぞれ異なる方向に向かう２つ以上の管が結合された構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
8. 前記固定管は、車両の幅方向に対して水平な第１管、車両の長手方向に対して水平な第２管、及び車両の高さ方向に対して平行な第３管を含むことを特徴とする、請求項７に記載の補助発電機。
9. 前記第１管、第２管及び第３管は、それぞれその内部に慣性球体を含むことを特徴とする、請求項８に記載の補助発電機。
10. 前記第１管の慣性球体は、車両が左側又は右側に運動するとき、車両の運動方向の対向方向に第１管の内部で運動することを特徴とする、請求項９に記載の補助発電機。
11. 前記第２管の慣性球体は、車両が制動するときに車両の前方に運動し、車両が加速するときに車両の後方に運動することを特徴とする、請求項９に記載の補助発電機。
12. 前記第３管の慣性球体は、車両が振動によって上向き又は下向きに運動するとき、車両の運動方向の対向方向に第３管の内部で運動することを特徴とする、請求項９に記載の補助発電機。
13. 前記第１管、第２管及び第３管は、それぞれその内部に２つ以上の発電ベアリング及び／又は圧電素子が装着されていることを特徴とする、請求項８に記載の補助発電機。
14. 前記慣性球体は、その直径が固定管の内径に比べて５０％〜８０％の大きさを有することを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
15. 前記固定管は、電気絶縁性の高分子素材または複合素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
16. 前記複合素材は、炭素繊維複合素材またはガラス繊維複合素材から選択されることを特徴とする、請求項１５に記載の補助発電機。
17. 前記慣性球体は、タングステンまたは白金であることを特徴とする、請求項１に記載の補助発電機。
18. 請求項１に記載の補助発電機、及び前記補助発電機から生産された電力により充電可能な電池セルを２つ以上含むことを特徴とする、車両。
19. 前記車両は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、及びプラグインハイブリッド電気自動車からなる群から選択されるいずれか１つであることを特徴とする、請求項１８に記載の車両。

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