JP7214178B1 - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】振動発電により生成した電力を、バッテリーに対して安定供給できるようにする。【解決手段】本発明によるバッテリー充電装置は、主バッテリー６と、主バッテリー６からの電力により動作する走行用電動機２と、駆動輪５と、走行用電動機２の回転を所定の減速比で駆動輪５に伝達する減速機４と、を有する電気自動車１に内蔵されるバッテリー充電装置であって、走行用電動機２の回転を減速機４に伝達する駆動軸１０と、駆動軸１０の外周面に接するように配置される振動発電機８と、を含み、駆動軸１０のうち振動発電機８に接する部分である駆動軸１０ａのうちの少なくとも一部の駆動軸１０の回転軸と直交する方向の断面は、該回転軸から外周面までの距離が均一でない形状により構成され、振動発電機８により生成された電力により主バッテリー６を充電する、バッテリー充電装置である。【選択図】図１

Description

本発明はバッテリー充電装置及び電気自動車に関し、特に、電気自動車のバッテリーを充電するためのバッテリー充電装置、及び、そのようなバッテリー充電装置を備える電気自動車に関する。

近年、ＢＥＶ（バッテリー式電気自動車）、ＥＲＥＶ（レンジエクステンダー電気自動車）、ＰＨＥＶ（プラグインハイブリッド式電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド式電気自動車）など、バッテリーに蓄積される電力を用いて電動機を駆動することにより走行する機能を有する自動車の普及が進展している。本明細書では、この種の自動車をまとめて「電気自動車」と称する。

電気自動車においては、バッテリーが消耗すると電力による走行ができなくなってしまう。そこで、近年の電気自動車には、外部電源や電動機からの回生電力によってバッテリーを充電する機能が設けられる。また、最近では、車体の振動を電力に代えてバッテリーを充電しようとする技術も提案されている。

特許文献１～３には、この種の技術の例が開示されている。特許文献１は、タイヤに振動板及び発電板を取り付け、振動板により走行中のタイヤのたわみを圧力に変え、この圧力により発電板が発電し、発電によって得られた電力によりバッテリーを充電する技術を開示している。特許文献２は、車体に取り付けた振動発電機により走行中の振動を電力に変換し、バッテリーを充電する技術を開示している。特許文献３は、タイヤに埋め込んだ圧電素子アレイ又は電磁誘導式振動発電機により走行中の振動を電力に変換し、バッテリーを充電する技術を開示している。

特開２０１１－０６２０６６号公報 特開２０１９－１０３２２７号公報 特開２０２２－０９３４２１号公報

上記特許文献１～３の技術はいずれも、電気自動車の走行に伴って発生する自然な振動を利用して発電するものである。このように自然な振動を利用して発電を行う場合、振動自体が安定していないことから、バッテリーに対して電力を安定供給することは困難である。

したがって、本発明の目的の一つは、振動発電により生成した電力をバッテリーに対して安定供給することのできるバッテリー充電装置及び電気自動車を提供することにある。

本発明によるバッテリー充電装置は、バッテリーと、前記バッテリーからの電力により動作する電動機と、駆動輪と、前記電動機の回転を所定の減速比で前記駆動輪に伝達する減速機と、を有する電気自動車に内蔵されるバッテリー充電装置であって、前記電動機の回転を前記減速機に伝達する駆動軸と、前記駆動軸の外周面に接するように配置される振動発電機と、を含み、前記駆動軸のうち前記振動発電機に接する部分のうちの少なくとも一部の前記駆動軸の回転軸と直交する方向の断面は、前記回転軸から外周面までの距離が均一でない形状により構成され、前記振動発電機により生成された電力により前記バッテリーを充電する、バッテリー充電装置である。

本発明による電気自動車は、バッテリーと、前記バッテリーからの電力により動作する電動機と、駆動輪と、前記電動機の回転を所定の減速比で前記駆動輪に伝達する減速機と、前記電動機の回転を前記減速機に伝達する駆動軸と、前記駆動軸の外周面に接するように配置される振動発電機と、を含み、前記駆動軸のうち前記振動発電機に接する部分のうちの少なくとも一部の前記駆動軸の回転軸と直交する方向の断面は、前記回転軸から外周面までの距離が均一でない形状により構成され、前記振動発電機により生成された電力により前記バッテリーを充電する、電気自動車である。

本発明によれば、駆動軸の回転という安定した動きにより振動発電機を振動させ、それによって振動発電機に発電させることができるので、振動発電により生成した電力をバッテリーに対して安定供給することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態による電気自動車１のシステム構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による駆動軸１０ａ及び振動発電機８の具体的な構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による振動発電機８に含まれる複数の振動発電半導体８ｃの電気的な接続を示す図である。 駆動軸１０ａの断面形状の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による駆動軸１０ａ及び振動発電機８の具体的な構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による振動発電機８の内部構成及び電気的な接続を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による電気自動車１のシステム構成を示す図である。同図に示すように、電気自動車１は、走行用電動機２、クラッチ３、減速機４、駆動輪５、主バッテリー６、サブバッテリー７，振動発電機８、電力増幅器９、駆動軸１０，１１、車軸１２を含んで構成される。本実施の形態によるバッテリー充電装置は、このうち振動発電機８、電力増幅器９、及び駆動軸１０を含んで構成される。

走行用電動機２は、主バッテリー６からのバッテリーからの電力により動作する電動機（モーター）であり、図示しないアクセルペダルが踏まれているとき（力行時）、主バッテリー６からの電力エネルギーを動力エネルギーに変え、駆動軸１０を回転させる役割を果たす。アクセルペダルが踏まれておらず、かつ、電気自動車１が停止していないとき（回生時）の走行用電動機２は、駆動輪５から駆動軸１０に伝達される運動エネルギーを電力エネルギー（回生エネルギー）に変え、主バッテリー６を充電する役割を果たす。

クラッチ３は、駆動軸１０，１１が互いに接続されている状態（接続状態）と、駆動軸１０，１１が互いに接続されていない状態（切断状態）とを切り替えるための装置である。通常の状態（走行中、停止中を含む）においては、クラッチ３は接続状態となっており、駆動軸１０，１１は一体となって回転する。したがって、このときの駆動軸１０は、走行用電動機２の回転を減速機４に伝達する役割を果たす。一方、図示しない車載コンピュータが暴走を検知したときなどの非常時には、クラッチ３は切断状態となり、駆動軸１０から駆動軸１１を切り離す役割を果たす。

減速機４は、駆動軸１１の回転を所定の減速比で車軸１２に伝達する装置であり、走行用電動機２のトルクを増幅して発進時の加速力を確保するとともに、走行用電動機２の小型化を実現する役割を有している。なお、減速比を切り替えることができるように減速機４を構成することとしてもよく、その場合の減速機４は「変速機」と称されることがある。

駆動輪５は、車軸１２とともに回転する車輪である。図１には１つの駆動輪５のみを示しているが、実際の電気自動車１には、２つの駆動輪５（前輪駆動又は後輪駆動の場合）、又は、４つの駆動輪５（４輪駆動の場合）が設けられる。前輪駆動の場合、２つの駆動輪５が操舵輪を兼ねており、駆動輪５の他に２つの車輪が設けられる。後輪駆動の場合、２つの駆動輪５とは別に２つの操舵輪が設けられる。

主バッテリー６は、走行用電動機２を駆動するための電力エネルギーを蓄積する電池であり、例えばリチウムイオン電池又はニッケル水素電池によって構成される。サブバッテリー７は、図示しないオーディオシステム、ＳＲＳエアバッグシステム、ヘッドライト、ワイパー、セキュリティ回路などを駆動するための電力エネルギーを蓄積する電池であり、例えば鉛蓄電池又はリチウムイオン電池によって構成される。サブバッテリー７に蓄積される電力エネルギーは、図示しないメモリの保護及びスタンバイ時の待機電力供給のためにも利用される。主バッテリー６の充電は、外部の充電器（家庭用通常コンセントに接続されるもの、及び、専用高速充電器を含む）から供給される電力エネルギー、走行用電動機２から供給される回生エネルギー、及び、後述する電力増幅器９から供給される電力エネルギーによって実行される。サブバッテリー７の充電は、主バッテリー６から供給される電力エネルギーによって実行される。

振動発電機８は、振動エネルギーを電力エネルギーに変換する装置であり、駆動軸１０の外周面に接するように配置される。以下では、駆動軸１０のうち振動発電機８に接する部分を「駆動軸１０ａ」と称して、他の部分と区別する場合がある。詳しくは後述するが、振動発電機８は天井から吊り下げられ、揺動可能な状態で配置される。また、駆動軸１０ａの少なくとも一部の駆動軸１０の回転軸と直交する方向の断面（以下、単に「断面」と称する）は、該回転軸から外周面までの距離が均一でない形状により構成される。このように振動発電機８及び駆動軸１０ａを構成したことにより、駆動軸１０が回転すると振動発電機８が揺動し、その結果として、振動発電機８による発電が行われる。振動発電機８によって生成された電力エネルギーは電力増幅器９によって増幅され、主バッテリー６に供給される。

図２は、本実施の形態による駆動軸１０ａ及び振動発電機８の具体的な構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態による電気自動車１は、駆動軸１０ａの水平方向両側に各１つずつ、計２つの振動発電機８を有して構成される。

図２に示すように、２つの振動発電機８はそれぞれ、駆動軸１０ａに向かって突出する突出部８ａと、板状の平面部材であるベース部８ｂと、ベース部８ｂの表面に貼付された複数の振動発電半導体８ｃとを有して構成される。突出部８ａは駆動軸１０ａと接触する部分である。突出部８ａの駆動軸１０ａとの接触面は、駆動軸１０ａの回転を妨げることのないよう、滑らかな凸曲面により構成される。ベース部８ｂの上端は紐３０によって天井２０から吊持されており、これにより振動発電機８は、水平方向に揺動可能に構成される。

図３は、振動発電機８に含まれる複数の振動発電半導体８ｃの電気的な接続を示す図である。同図に示すように、振動発電機８に含まれる複数の振動発電半導体８ｃは、電力増幅器９のプラス側入力端子とマイナス側入力端子との間に直列に接続される。

図２に戻り、本実施の形態による駆動軸１０ａは、断面が回転軸Ｃとの交点を重心とする角丸三角形（おにぎり形）となるように形成される。また、駆動軸１０ａの外表面は、突出部８ａの表面と同様、滑らかな凸曲面により構成される。駆動軸１０ａをこのように構成したことで、駆動軸１０ａの回転（力行時、回生時を含む）に伴い、振動発電機８が水平方向に揺動することになる。振動発電機８が揺動するとその中の各振動発電半導体８ｃによって発電が行われ、発電により生じた電流が電力増幅器９に入力される。電力増幅器９は、こうして入力された電流により主バッテリー６の充電を行う。

各振動発電機８の駆動軸１０ａと反対側には、所定距離Ｊを空けて壁面２１が設けられる。ただし、Ｊは、駆動軸１０ａに接した状態を維持しながら揺動する場合における振動発電機８の振り幅である。具体的な壁面２１の構成材料は特に限定されず、エンジンルームの隔壁を用いて壁面２１を構成してもよいし、車体に固定された専用の板状部材を用いて壁面２１を構成してもよい。振動発電機８は、慣性により駆動軸１０ａから離れてしまうことがあり得るが、そうすると安定した揺動が得られなくなり、各振動発電半導体８ｃの発電量も不安定になる。壁面２１を設けることで、振動発電機８が駆動軸１０ａから離れてしまうことを防止し、各振動発電半導体８ｃの発電量を安定させることが可能になる。

以上説明したように、本実施の形態によるバッテリー充電装置によれば、駆動軸１０の回転という安定した動きにより振動発電機８を振動させ、それによって振動発電機８に発電させることができるので、振動発電により生成した電力を主バッテリー６に対して安定供給することが可能になる。

なお、本実施の形態では、駆動軸１０ａの断面形状を、回転軸Ｃとの交点を重心とする角丸三角形（おにぎり形）とする例を説明したが、この形状とすることが必須というわけではなく、駆動軸１０ａの断面形状は、回転軸Ｃから外周面までの距離が均一でない形状であればよい。

図４（ａ）～（ｃ）は、駆動軸１０ａの断面形状の例を示す図である。図４（ａ）は、図２にも示したように、回転軸Ｃとの交点を重心とする角丸三角形（おにぎり形）とする例を示している。図４（ｂ）は、回転軸Ｃとの交点を重心とする角丸四角形とする例を示している。図４（ｃ）は、回転軸Ｃとの交点とは異なる位置を重心とする真円形とする例を示している。これらの例に示すように、駆動軸１０ａの断面形状は、真円形を含む各種の形状であり得る。

図５は、本発明の第２の実施の形態による駆動軸１０ａ及び振動発電機８の具体的な構成を示す図である。また、図６は、本実施の形態による振動発電機８の内部構成及び電気的な接続を示す図である。本実施の形態によるバッテリー充電装置は、振動発電機８の内部構成の点で第１の実施の形態によるバッテリー充電装置と異なり、その他の点では、第１の実施の形態によるバッテリー充電装置と同様である。そこで以下では、第１の実施の形態によるバッテリー充電装置との相違点に着目して説明を行う。

図５に示すように、本実施の形態による振動発電機８は、駆動軸１０ａに向かって突出する突出部８ａと、筐体８ｄと、複数のゲル状部材８ｅと、複数の振動圧電素子８ｆとを有して構成される。突出部８ａの具体的な構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。複数のゲル状部材８ｅ及び複数の振動圧電素子８ｆは、筐体８ｄの中に並べて配置される。

筐体８ｄ内におけるゲル状部材８ｅ及び振動圧電素子８ｆの配置について、図６を参照しながら具体的に説明すると、筐体８ｄの底部側から順に、６個のゲル状部材８ｅ、１２個の振動圧電素子８ｆ、６個のゲル状部材８ｅ、１２個の振動圧電素子８ｆ、６個のゲル状部材８ｅ、１２個の振動圧電素子８ｆ、６個のゲル状部材８ｅの順で積層配置される。なお、各層におけるゲル状部材８ｅ及び振動圧電素子８ｆの数は、それぞれ６個及び１２個に限定されるものではない。また、図６では、各層内のゲル状部材８ｅ及び振動圧電素子８ｆを図面横方向に沿って一列に並べているが、図面奥行き方向も含めてマトリクス状に並べることとしてもよい。

各振動圧電素子８ｆは、垂直方向に圧力が加わった場合に発電する向きで配置され、各振動圧電素子８ｆと隣接するゲル状部材８ｅの間は接着剤８ｇにより固定（接着）される。電気的には、各振動発電半導体８ｃは、電力増幅器９のプラス側入力端子とマイナス側入力端子との間に直列に接続される

振動発電機８を以上のように構成したことで、駆動軸１０ａの回転に伴って振動発電機８が揺動すると、各ゲル状部材８ｅが振動し、それによって生ずる圧力により、各振動圧電素子８ｆによる発電が行われる。そして、その結果として発生する電流が電力増幅器９を介して主バッテリー６に供給されることにより、主バッテリー６が充電されることになる。

以上説明したように、本実施の形態によるバッテリー充電装置によっても、駆動軸１０の回転という安定した動きにより振動発電機８を振動させ、それによって振動発電機８に発電させることができるので、振動発電により生成した電力を主バッテリー６に対して安定供給することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

例えば、上記第１の実施の形態では振動発電半導体８ｃにより、上記第２の実施の形態では振動圧電素子８ｆにより、それぞれ振動発電を行う例を説明したが、他の振動発電材料による振動発電を行うこととしてもよい。既に特許が取得されてる全ての振動発電材料や既に市販されているあらゆる振動発電材料の中から、高効率な振動発電材料を選択し、使用すればよい。

また、駆動軸１０を手動で回転させるためのハンドルを電気自動車１に設けることとしてもよい。こうすれば、電気自動車１の停止中であっても振動発電機８から主バッテリー６を充電することができるので、豪雪による長時間渋滞などの緊急時に、電欠に至るまでの時間をできるだけ稼ぎ、乗員の命を守ることが可能になる。

１ 電気自動車
２ 走行用電動機
３ クラッチ
４ 減速機
５ 駆動輪
６ 主バッテリー
７ サブバッテリー
８ 振動発電機
８ａ 突出部
８ｂ ベース部
８ｃ 振動発電半導体
８ｄ 筐体
８ｅ ゲル状部材
８ｆ 振動圧電素子
８ｇ 接着剤
９ 電力増幅器
１０，１１ 駆動軸
１０ａ 駆動軸１０の一部
１２ 車軸
２０ 天井
２１ 壁面
３０ 紐
Ｃ 駆動軸１０の回転軸

Claims (9)

1. バッテリーと、
   第１及び第２の駆動軸と、
   前記バッテリーからの電力により前記第１の駆動軸を回転させる電動機と、
   前記第１及び第２の駆動軸が互いに接続されている状態と、前記第１及び第２の駆動軸が互いに接続されていない状態とを切り替えるクラッチと、
   駆動輪と、
   前記第２の駆動軸の回転を所定の減速比で前記駆動輪に伝達する減速機と、
   前記第１の駆動軸の外周面に接するように配置される振動発電機と、を含み、
   前記第１の駆動軸のうち前記振動発電機に接する部分のうちの少なくとも一部の前記第１の駆動軸の回転軸と直交する方向の断面は、前記回転軸から外周面までの距離が均一でない形状により構成され、
   前記振動発電機により生成された電力により前記バッテリーを充電する、
   電気自動車。
2. 前記形状は、前記回転軸との交点を重心とする角丸三角形である、
   請求項１に記載の電気自動車。
3. 前記振動発電機は、水平方向に揺動可能に吊持される、
   請求項１又は２に記載の電気自動車。
4. 前記振動発電機が前記駆動軸の外周面から離れることを防止する壁面、
   をさらに含む請求項３に記載の電気自動車。
5. 前記振動発電機は、１以上の振動発電半導体を含む、
   請求項１又は２に記載の電気自動車。
6. 前記１以上の振動発電半導体は直列に接続される、
   請求項５に記載の電気自動車。
7. 前記振動発電機は、それぞれゲルに固定された１以上の振動圧電素子を含む、
   請求項１又は２に記載の電気自動車。
8. 前記１以上の振動圧電素子は直列に接続される、
   請求項７に記載の電気自動車。
9. 前記駆動軸を手動で回転させるためのハンドル、
   をさらに含む請求項１又は２に記載の電気自動車。

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