JPH09233608A

JPH09233608A - ハイブリッド電気自動車

Info

Publication number: JPH09233608A
Application number: JP8041169A
Authority: JP
Inventors: Michio Okamura; 廸夫岡村
Original assignee: OKAMURA KENKYUSHO KK; Jeol Ltd; Okamura Laboratory Inc
Current assignee: OKAMURA KENKYUSHO KK; Jeol Ltd; Okamura Laboratory Inc
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 1997-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】蓄電装置として電気二重層コンデンサを搭載
すると共に、その充電手段として電力発生手段を搭載す
ることにより、蓄電装置が大型化せず実用的なハイブリ
ッド電気自動車を提供する【構成】本発明のハイブリッド電気自動車は、例えば
内燃機関により駆動される発電機と、大容量のコンデン
サとを備えている。発電機で発生した電力は、定電流特
性を持つ充電器を介してコンデンサへ送られ、充電され
る。充電器は、例えば電流出力型のスイッチングレギュ
レータを主体に構成することができる。コンデンサに蓄
積された電力は、出力コンバータを介して走行車輪を駆
動する電動機へ供給される。コンデンサは、直列接続さ
れた複数の電気二重層コンデンサから構成され、直列接
続された各電気二重層コンデンサには、充電制限回路が
接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力発生手段と蓄
電装置とを併用したハイブリッド電気自動車に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】鉛蓄電池などの二次電池を動力源とする
電気自動車は、排気ガスを出さないことから無公害車と
して注目されている。この種の電気自動車は、すでにス
クーターや構内で使用する作業車などの限られた分野で
実用化されている。しかしながら、一般の乗用車やバ
ス、トラックの分野では、現状では、そのすべての動力
源を二次電池のみで賄うには二次電池の性能が十分では
ないので、実用化されていない。

【０００３】そこで、内燃機関と二次電池を用いた蓄電
装置とを併用したハイブリッド電気自動車が開発され、
その試作車や実用車が発表されている。その例を挙げる
と、米国ゼネラルモータース社のＨＸ−３（40KWのガソ
リンエンジンと二次電池のハイブリッド）、ドイツ国フ
ォルクスワーゲン社のチコ（２気筒のガソリンまたはデ
ィーゼルエンジンとNi−Cd電池のハイブリッド）、イタ
リア国フィアット社のパンダ・ビモデーレ（ディーゼル
エンジンと二次電池のハイブリッド）などがある。

【０００４】ハイブリッド電気自動車は、２つの方式に
分けられる。並列ハイブリッド方式は、主に内燃機関か
らの動力で走行輪を駆動し、補助的に走行輪を駆動でき
る電動機を備える。この電動機は、発進時や加速時、登
坂走行時などの尖頭負荷時だけに蓄電装置から電力の供
給を受け、内燃機関の駆動力を補助する駆動力を発生す
る。

【０００５】直列ハイブリッド方式では、内燃機関は発
電機のみを駆動する。その発電電力は、一旦二次電池に
蓄積された後、走行輪を駆動する電動機へ供給される。
並列ハイブリッド方式では、内燃機関の負担が軽減され
るため、通常の自動車に比べ排気ガスの量が減少すると
共に、その浄化が容易になるという効果が得られる。

【０００６】また、直列ハイブリッド方式では、内燃機
関は二次電池を継続的に充電するために一定回転数の定
常運転を行えば良い。そのため、排気ガスの浄化が並列
方式よりも更に容易になる。また、使用する内燃機関も
小さな出力のもので良く、これは排気ガスの量の低減に
つながる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハイブ
リッド電気自動車は、蓄電装置に二次電池を使用してい
る点で幾つかの問題がある。最も大きな問題は、大容量
の二次電池が必要な点である。すなわち、二次電池はそ
の出力密度が低いため、モータ始動時の大電流に対応す
るには、二次電池の容量を大きくしなくてはならない。
また、二次電池は、寿命を考慮すると放電深度を浅く
（例えば５％程度に）設定する必要がある。さらに、二
次電池は、走行中に使用した電力を補充する充電のスピ
ードが低い。このため、蓄積されている電力に比べて二
次電池から取り出せる電力が少なくなり、この面から
も、大容量の二次電池が必要になる。大容量の二次電池
は重量が大きく、容積も大きい。

【０００８】第２は、二次電池は、０℃以下で出力が低
下する傾向があるため、使用温度範囲が狭い点である。

【０００９】第３は、回生制動時の電力を有効に回収で
きず、その結果、自動車の運動エネルギーの利用率が低
い点である。これは、二次電池に充電する際、二次電池
が大電流充電に対応できないため、その充電能力を超え
た回生電気エネルギーを抵抗器で熱エネルギーに変換し
て捨てるからである。

【００１０】本発明は、これらの問題点を解決するため
に成されたものであり、その目的は、蓄電装置として電
気二重層コンデンサを搭載すると共に、その充電手段と
して電力発生手段を搭載することにより、蓄電装置が大
型化せず実用的なハイブリッド電気自動車を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明のハイブリッド電気自動車は、電力発生手段
と、直列に接続された複数の電気二重層コンデンサから
構成されるコンデンサと、直列接続された各電気二重層
コンデンサにそれぞれ並列接続される電圧等化手段と、
充電器と、走行車輪駆動用の電動機とを備え、上記電力
発生手段から出力される電力を上記充電器を介して上記
コンデンサに充電し、同電気二重層コンデンサから供給
される電力で上記電動機を駆動することを特徴としてい
る。

【００１２】この場合、電力発生手段としては例えば、
内燃機関あるいは燃料電池が利用できる。内燃機関とし
ては、ガソリン機関、ディーゼル機関、ガスタービン機
関、レシプロ型でプロパンガスまたはＬＮＧを燃料とす
る機関、レシプロ型のアルコール機関などが使用可能で
ある。

【００１３】なお、本発明においては、エネルギー容量
が１００Ｗｈ以上、好ましくは１ｋＷｈ以上の電気二重
層コンデンサを使用することが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳説する。図１は、本発明にかかるハイブリ
ッド電気自動車の駆動システムの概略図を示している。
この駆動システムは、直列ハイブリッド方式であり、内
燃機関１０により駆動される発電機１１と、大容量の電
気二重層コンデンサ２０とを備えている。Ｒは電気二重
層コンデンサ２０の内部抵抗である。

【００１５】発電機１１は例えば直流発電機である。発
電機１１で発生した直流電力は、定電流特性を持つ充電
器３０を介して電気二重層コンデンサ２０へ送られ、充
電される。充電器３０は、例えば電流出力型のスイッチ
ングレギュレータを主体に構成することができる。

【００１６】また、電気二重層コンデンサ２０に蓄積さ
れた電力は、出力コンバータ４０を介して走行車輪６０
を駆動する電動機５０へ供給される。

【００１７】内燃機関としては、ガソリンエンジン、デ
ィーゼルエンジンが一般的であるが、この他に、ガスタ
ービンエンジン、レシプロ型でプロパンガス，液化天然
ガス（ＬＮＧ），アルコールなどを燃料とするエンジン
などが使用可能である。

【００１８】この内燃機関１０は、発電機１１の回転数
を最も発電効率のよい回転数に維持するように一定の回
転数で駆動される。そのため、ディーゼルエンジンを用
いた場合には、加減速時に多く発生するとされている黒
煙の発生量を抑制しつつ、ディーゼルエンジンの特長で
ある低燃費を有効に発揮させることができる。

【００１９】また、セラミックス製のガスタービンエン
ジンを用いると、小形化・軽量化が可能で、高効率が得
られると共に、メタノールなどの各種液体燃料を使用す
ることができる。

【００２０】電気二重層コンデンサには、高出力密度で
はあるが内部抵抗Ｒを極端に低下させず、単位容量（１
ファラッド）あたり５〜１０Ωもしくはそれ以上に止
め、その代わりにエネルギー密度を重視した、好ましく
は中程度の出力密度を備えたものが用いられる。

【００２１】充電器３０は、発電機１１により発電され
た直流電力を受けて、電気二重層コンデンサ２０を定電
流特性で充電する。その際、充電器３０は、電気二重層
コンデンサの端子間電圧をモニターし、それが設定電圧
に維持されるように充電電流を制御する電圧制限特性を
備えている。例えば、充電中、端子間電圧が設定電圧を
超えると充電を停止し、電動機の電力消費により端子間
電圧が設定電圧を下回るようになると、再び充電を開始
する。

【００２２】出力コンバータ４０は、加速指令情報Ａに
基づいて、適切な電力を電動機５０へ供給する。効率の
良い電力供給を行うため、例えば、出力コンバータ４０
は電力スイッチング素子を持ち、パルス幅制御により電
動機５０へ供給する電力を制御するのが好ましい。電気
二重層コンデンサの端子間電圧は、前述のように放電深
度に応じて大幅に変化するので、供給電力制御には、そ
の時々の端子間電圧を考慮する必要がある。すなわち、
出力コンバータ４０は、アクセルペダルなどからの加速
指令情報Ａに基づいて決定される必要電力を電気二重層
コンデンサから取り出すべく、パルス幅を電気二重層コ
ンデンサの端子間電圧値に応じて適切に設定する。例え
ば、出力コンバータ４０は、必要電力が大きく端子間電
圧が低い場合にはパルス幅は十分に長く設定し、必要電
力が大きく端子間電圧が高い場合にはパルス幅はそれよ
りも短く設定する。

【００２３】なお、出力コンバータ４０には、本出願人
が先に出願した特開平７−９９７４０号に例示した双方
向型のものを使用することが好ましい。この様な双方向
型のコンバータを用いれば、回生制動時に電動機５０が
発生する回生電力をコンバータを介して電気二重層コン
デンサ２０へ充電し回収することが可能である。

【００２４】図２は、図１に示された駆動システムの電
気二重層コンデンサ２０の部分を更に詳細に表わした図
である。図１と同じ構成要素には同じ番号が付されてい
る。電気二重層コンデンサ２０は、ｎ個の大容量の電気
二重層コンデンサ２０−１〜２０−ｎを直列接続して構
成されている。各電気二重層コンデンサには、電圧等化
手段８０−１〜８０−ｎがそれぞれ並列接続されている
図３は、この電圧等化手段の一例を示す回路図である。
電圧等化手段は基本的には各電気二重層コンデンサＣ１
に並列に接続された充電制限回路である。この充電制限
回路は、三端子シャントレギュレータＸ１，トランジス
タＱ１，ショットキーダイオードＤ１，及び抵抗Ｒ１〜
Ｒ５から構成される。コンデンサＣ１が充電器３０によ
り充電され満充電になると、充電制限回路はトランジス
タＱ１をオンにする。これにより、充電電流はトランジ
スタＱ１をバイパスして流れるようになり、コンデンサ
Ｃ１への充電は停止される。すべての充電制限回路がバ
イパス状態になった時点が、直列接続されたすべての電
気二重層コンデンサが満充電になった時であり、それで
充電を終了させることができる。

【００２５】ところで、直列接続された各電気二重層コ
ンデンサは、製造の公差や経年変化によって静電容量及
び漏洩抵抗が固体差を生じ、ばらついている。静電容量
がばらついている複数のコンデンサを直列に接続して充
電すると、個々のコンデンサは静電容量に応じて異なっ
た電圧に充電される。直列接続されたすべてのコンデン
サの充電を定格電圧以内に止めるには、すべてのコンデ
ンサの中で最も高く充電された１つのコンデンサが定格
電圧に到達した時点で、全体の充電を停止する必要があ
ると考えられる。しかしながら、充電を停止した時点で
は、他のコンデンサの端子間電圧は定格電圧に到達して
いないので、このやり方では、直列接続されたコンデン
サに充電できる電力量が少ない。

【００２６】これに対し、図２のシステムでは、直列接
続された各コンデンサに電圧等化回路が並列接続されて
おり、充電により定格電圧に到達したコンデンサの電圧
等化回路が順次そのコンデンサの充電電流をバイパスさ
せる。そして、すべての電圧等化回路が充電電流をバイ
パスした状態になった時点で充電が完了する。そのた
め、各コンデンサがそれぞれ定格電圧まで確実に充電さ
れることなり、直列接続されたコンデンサにその定格一
杯に充電することができる。この様な電圧等化回路の設
置は、直列接続するコンデンサの数が数１０個以上にな
った場合に特に顕著である。

【００２７】電圧等化手段は、図３の例に限らず、直列
接続される複数の電気二重層コンデンサにそれぞれ並列
に接続され、各コンデンサの充電電圧を均等化する回路
であれば使用できる。例えば単なる抵抗などを用いても
良い。

【００２８】図４は、図１に開示された駆動システムを
装備したハイブリッド電気自動車の全体の構成を示す概
略図である。図４において、図１と同一の構成要素には
同一番号が付されている。ハイブリッド電気自動車１０
０は、前輪６１，６２と、後輪６３，６４を備えてい
る。電動機５０が発生する駆動力は差動機構７０を介し
て後輪６３，６４へ伝達される。出力コンバータ４０
は、アクセルペダル８０から供給される加速指令信号Ａ
及び時々刻々の電気二重層コンデンサ２０の端子間電圧
に基づいてパルス幅制御を行い、電気二重層コンデンサ
２０から適切な電力を取り出して電動機５０へ供給す
る。

【００２９】以下に、本発明のハイブリッド電気自動車
を構成する各要素に要求される能力について、例を挙げ
て検討する。［設計例１］車両総重量：１，０００ｋｇ電動機定格出力：２０ｋＷ電気二重層コンデンサ容量：３．３ｋＷｈ発電機定格出力：５．４〜１０馬力電動機６０の定格を、これまでに製作された車両総重量
１０００ｋｇの電気自動車の例に照らして、例えば２０
ｋＷとする。電気二重層コンデンサ２０に要求される容
量は、仮に、電動機２０の定格出力を１０分間維持でき
るように選べば、３．３ｋＷｈと計算される。この場
合、電気二重層コンデンサ２０の体積と重量を、仮にコ
ンデンサのエネルギー密度が２５Ｗｈ／Ｌ，比重１．２
として計算すると、それぞれ１３４リットル，約１６０
ｋｇとなる。

【００３０】発電機１１の容量は、無負荷時の電気二重
層コンデンサ２０を完全放電の状態から５０分以内に満
充電の状態に充電できれば良いとすると、（３．３ｋＷ
ｈ÷（５０／６０）ｈ) ＝４ｋＷあれば足りることにな
る。

【００３１】これは、約５．４馬力に相当するが、発電
機１１でのロスや充電器３０などの電子回路でのロスを
考慮すると、発電機１１を駆動する内燃機関１０に要求
される定格出力は、５．４馬力の２０％増の約６．５馬
力となる。

【００３２】高速道路などで高い平均巡航速度で走行す
る場合などを考慮して、更に余裕をみて１０馬力程度を
選定するとしても、発電機１１を駆動する内燃機関１０
は、現在使用されている通常の自動車に搭載されるエン
ジンに比べ、例えば１０分の１程度の低出力のもので済
むことが理解される。

【００３３】この様な低出力のエンジンは、排気ガスの
排出量が少ないことは言うまでもない。更に、本発明で
は、内燃機関１０を一定の回転数で定常運転することが
できるため、排気ガスの浄化が容易である。［設計例２］車両総重量：１，０００ｋｇ電動機定格出力：２０ｋＷ電気二重層コンデンサ容量：１ｋＷｈ発電機定格出力：２０馬力設計例１の試算では、電気二重層コンデンサ２０の容量
を、電動機２０の定格出力を１０分間維持できるように
選んだが、この維持時間は更に短く選ぶことが可能であ
る。すなわち、自動車を走行させる場合、駆動する原動
機には、加速時に最大定格あるいはそれに近い出力が要
求されるが、定速走行時にはそれよりも遥かに小さな出
力が要求される。

【００３４】欧米における自動車の走行パターンの研究
によると、平均的な使用形態において、原動機が発生し
た出力の時間平均値（平均馬力）を超える出力が要求さ
れる期間（加速期間）の長さは、３分間程度である。こ
の結果に従い、上記維持時間１０分間を３分間に短縮す
ると、電気二重層コンデンサ２０に要求される容量は、
３．３ｋＷの約１／３の１ｋＷとなる。この場合、電気
二重層コンデンサ２０の体積と重量を、仮にコンデンサ
のエネルギー密度が２５Ｗｈ／Ｌ，比重１．２として計
算すると、それぞれ約４０リットル，約５０ｋｇとな
る。これは、現在の自動車が備えている燃料タンク程度
の容積に相当する。

【００３５】この様に、電気二重層コンデンサの容量を
小さく設定した場合、巡航速度が下がらないようにする
ため、車両総重量１０００ｋｇとするとき、２０馬力
（＝１５ｋＷ）程度の発電機を搭載する事が好ましい。

【００３６】上記設計例２では、電気二重層コンデンサ
２０から供給する最大電力は電動機６０の定格一杯の２
０ｋＷ、維持時間３分間とした。これを連続定格値解か
んが得ると、維持時間の短縮を配慮すれば、電気二重層
コンデンサ２０の尖頭出力電力を連続定格の３倍位に設
計することは容易である。その様な配慮に基づいて電気
二重層コンデンサ２０，出力コンバータ４０，電動機６
０などの最大定格の設計を行えば、例えば、６０ｋＷの
電力を１分間電導機６０に供給して、急加速や、低速で
の脱出トルク（重負荷で停止した状態から動き出すのに
必要な力）を緊急的に得ることができる。

【００３７】なお、電気二重層コンデンサ２０の静電容
量を上記設計例１及び２の数値よりも大きく選定すると
共に、充電器３０による充電制限電圧を電気二重層コン
デンサの定格電圧よりも若干低く設定しておく事が実用
面では好ましい。この様にすれば、電気二重層コンデン
サが充電器３０により充電制限電圧まで充電された状態
であっても、電気二重層コンデンサの端子間電圧がその
充電制限電圧からその定格電圧へ上昇するまで、制動時
に発生する回生電力を電気二重層コンデンサ２０に回収
することが可能となる。

【００３８】なお、上述した実施例では、電力発生手段
として発電機及びそれを駆動する内燃機関を用いたが、
これに限らず、例えばメタノールを燃料とする燃料電池
ゃ、太陽電池を電力発生手段として使用することが可能
である。

【００３９】また、図１〜図４に示した実施例は、直列
方式のハイブリッド電気自動車であったが、本発明は並
列方式のハイブリッド電気自動車にも適用できる。例え
ば、図４に示されているの直列方式ハイブリッド電気自
動車は、内燃機関１０の出力軸を差動機構７０に接続す
ると共に、この内燃機関の出力軸に電動機の出力軸を結
合することにより、並列方式のハイブリッド電気自動車
に変更し得る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、電力
発生手段の出力電力が充電器を介して直列接続された複
数の電気二重層コンデンサに短時間で効率良く充電され
る。その際、各電気二重層コンデンサに並列接続された
充電制限回路により、各コンデンサを定格電圧まで充電
することができる。そして、この電気二重層コンデンサ
に蓄積された電力により走行車輪駆動用の電動機が駆動
される。

【００４１】電気二重層コンデンサは、二次電池と異な
り、蓄積された電力を原理的には１００％利用できる。
すなわち、放電深度は１００％が可能で、端子間電圧
は、満充電電圧の１００％から０％まで変化し得る。実
際には、コンデンサに蓄積された電力を取り出す電子回
路の面の事情から、端子間電圧の１００％から例えば５
０％あるいは２５％の間で使用される。

【００４２】端子間電圧が１００％から５０％へ低下す
るまでコンデンサから電力を取り出すと、満充電時の電
力の７５％［＝（1 − 0.5²）×100 ］を利用したこと
になる。同様に端子間電圧が１００％から２５％へ低下
するまでコンデンサから電力を取り出すと、満充電時の
電力の約９４％［＝（1 − 0.25 ²）×100 ］を利用し
たことになる。

【００４３】また、電気二重層コンデンサは、完全放電
からでも１０〜１５分で満充電にできるほど急速充電が
可能である。この様に、蓄積された電力の利用効率が高
く、しかも使用した電力を高いスピードで補充できるた
め、二次電池に比べて小さな容量のコンデンサを用いる
ことができ、重量や容積の面で有利である。

【００４４】また、電気二重層コンデンサの充放電のサ
イクル寿命は、１万回を超える。これは二次電池の１０
倍以上であり、短期間で交換する必要はない。また、電
気二重層コンデンサは、低温でも出力が低下せず、使用
温度範囲が広い。また、前述の通り急速充電が可能であ
るため、短時間に発生する制動時の回生電力を有効に回
収できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるハイブリッド電気自動車の駆
動システムの概略図を示す図である。

【図２】図１に示された駆動システムの電気二重層コ
ンデンサ２０の部分を更に詳細に表わした図である。

【図３】電圧等化手段の一例を示す回路図である。

【図４】図１に開示された駆動システムを装備したハ
イブリッド電気自動車の全体の構成を示す概略図であ
る。

【符号の説明】１０：内燃機関１１：発電機２０：大容量の電気二重層コンデンサ３０：充電器４０：出力コンバータ５０：電動機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力発生手段と、直列に接続された複数
の電気二重層コンデンサから構成されるコンデンサと、
直列接続された各電気二重層コンデンサにそれぞれ並列
接続される電圧等化手段と、充電器と、走行車輪駆動用
の電動機とを備え、上記電力発生手段から出力される電
力を上記充電器を介して上記コンデンサに充電し、同電
気二重層コンデンサから供給される電力で上記電動機を
駆動することを特徴とするハイブリッド電気自動車。
【請求項２】前記電圧等化手段は、電気二重層コンデ
ンサの端子間電圧が所定の電圧を超えた時該電気二重層
コンデンサの充電電流をバイパスさせるバイパス手段を
備えることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド電
気自動車。
【請求項３】前記充電器は、定電流特性及び電圧制限
特性を有するスイッチングコンバータである請求項１記
載のハイブリッド電気自動車。
【請求項４】前記電力発生手段は内燃機関により駆動
される発電機である請求項１乃至３記載のハイブリッド
電気自動車。
【請求項５】前記内燃機関で発生する駆動力を走行車
輪へ伝達する駆動力伝達手段を更に備えた請求項４記載
のハイブリッド電気自動車。
【請求項６】上記内燃機関がガソリン機関である請求
項４又は５に記載のハイブリッド電気自動車。
【請求項７】上記内燃機関がディーゼル機関である請
求項４又は５に記載のハイブリッド電気自動車。
【請求項８】上記内燃機関がガスタービン機関である
請求項４又は５に記載のハイブリッド電気自動車。
【請求項９】上記内燃機関がレシプロ型のプロパンガ
ス機関またはＬＮＧ機関である請求項４又は５に記載の
ハイブリッド電気自動車。
【請求項１０】上記内燃機関がレシプロ型のアルコー
ル機関である請求項４又は５に記載のハイブリッド電気
自動車。
【請求項１１】前記電力発生手段は燃料電池である請
求項１乃至３記載のハイブリッド電気自動車。