JP5301658B2 - Hybrid vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、圧縮空気車両、詳しくは、圧縮空気および電気エネルギーを駆動動力源とする、圧縮空気車両を改良したハイブリッド車両に関する。 The present invention relates to a compressed air vehicle, and more particularly, to a hybrid vehicle having an improved compressed air vehicle that uses compressed air and electric energy as driving power sources.
現在、車両の一種である自動車のほとんどは、ガソリン、軽油等の化石燃料を使用して、内燃機関により走行する。しかし近年、CO2等の有害排気ガス削減および化石燃料の使用削減など、環境保護の面から、「低排気ガスかつ低燃費」の低公害車、すなわち、電気自動車やガソリンと電気のハイブリッドカー等が注目されている。すでにハイブリッドカーは市販され、電気自動車もまもなく市場導入される段階であり、燃料電池車も実用化に向け開発に拍車がかかっている。 Currently, most automobiles, which are a type of vehicle, run on an internal combustion engine using fossil fuels such as gasoline and light oil. However, in recent years, from the viewpoint of environmental protection such as reduction of harmful exhaust gases such as CO 2 and use of fossil fuels, low-emission vehicles with low exhaust gas and low fuel consumption, that is, electric vehicles and hybrid vehicles of gasoline and electricity, etc. Is attracting attention. Hybrid cars are already on the market, and electric cars are about to be introduced soon. Fuel cell cars are also being developed for practical use.
しかし、現行のハイブリッドカーは内燃機関を依然として使用しているため、内燃機関単独車より少ないとはいえ、走行中に大気へ有害排気ガスが排出されている。電気自動車は二次電池の高性能化により1回の充電当たりの走行距離は伸びているが、充電に長時間を要するという課題は依然として残っている。したがって、その使用場面に制約がある。さらに、燃料電池車は製造するためには非常に高いコストがかかり、また駆動動力源のインフラ整備等が必要であり、市販可能となるには相当な長期間を要すると考えられている。 However, since the current hybrid car still uses an internal combustion engine, harmful exhaust gas is discharged into the atmosphere while traveling, although it is less than an internal combustion engine alone. Although the mileage per charge of an electric vehicle has been increased due to the high performance of the secondary battery, the problem that it takes a long time to charge still remains. Therefore, there are restrictions on the usage situation. Furthermore, it is considered that a fuel cell vehicle is very expensive to manufacture, requires infrastructure development of a driving power source, and so on, and takes a considerable long time to become commercially available.
このような状況の中、本発明者らは走行中の大気汚染につながる有害排気ガスを排出せず、駆動動力源の充填が短時間に行われる圧縮空気車両を発明し、特許出願を行った(特許文献1)。圧縮空気車両とは、空気を高圧下に圧縮して得られる圧縮空気が、空気エンジン等の原動機を作動させて駆動力を得る車両のことである。 Under such circumstances, the inventors have invented a compressed air vehicle that does not discharge harmful exhaust gas that leads to air pollution during traveling, and is charged in a short time, and has applied for a patent. (Patent Document 1). A compressed air vehicle is a vehicle in which compressed air obtained by compressing air under high pressure operates a prime mover such as an air engine to obtain driving force.
なお、駆動動力源とは、内燃機関自動車においてはガソリンや軽油などの燃料を、電気自動車においては電気エネルギーを、本発明に代表される圧縮空気車両では圧縮空気を指すものとする。すなわち車両の走行、および走行に伴って適宜必要となるエアーコンディショナーやライトの点灯等に必要なエネルギー源をいうものである。 The driving power source refers to fuel such as gasoline or light oil in an internal combustion engine vehicle, electric energy in an electric vehicle, and compressed air in a compressed air vehicle represented by the present invention. That is, it refers to an energy source necessary for running the vehicle and lighting an air conditioner or a light that is necessary as the vehicle travels.
圧縮空気自動車に関しては、フランスのMDIエンタープライゼス社のインターネットのホームページにも紹介されている。圧縮空気自動車は、前記のように走行中に有害排気ガスを排出せず、かつ圧縮空気の補充に長時間を要しないという利点を有するが、圧縮空気のみを駆動動力源とした場合には、パワー不足および走行可能距離が短いという課題を有している。前記ホームページの圧縮空気自動車においても、車両重量が400kg以下にもかかわらず、市街地走行可能距離(圧縮空気フル充填1回当たり)が100km、最高速度が約100km/hrと、性能的に不十分である。 Compressed-air vehicles are also introduced on the Internet website of MDI Enterprises, France. The compressed air vehicle has the advantage that it does not discharge harmful exhaust gas during traveling as described above and does not require a long time to replenish compressed air, but when only compressed air is used as the driving power source, There is a problem of insufficient power and a short traveling distance. Even in the compressed air vehicle of the homepage, although the vehicle weight is 400 kg or less, the city traveling distance (per compressed air full charge) is 100 km and the maximum speed is about 100 km / hr, which is insufficient in performance. is there.
駆動動力源としての圧縮空気の前記欠点を解決するために、ソーラーパネルを搭載して太陽光発電による電気エネルギーを利用するハイブリッド装置が提案されている(特許文献2)。しかしながら、このタイプのハイブリッド車両は、装置が大掛かりとなり、そして、夜間等の太陽光が無い場合には電気エネルギーが得られず、実用的な車両ではない。 In order to solve the above-described drawbacks of compressed air as a driving power source, a hybrid device that uses a solar panel and uses electric energy by solar power generation has been proposed (Patent Document 2). However, this type of hybrid vehicle is not a practical vehicle because it requires a large amount of equipment, and electric energy cannot be obtained when there is no sunlight at night.
本発明の目的は、走行中に有害排気ガスを排出せず、および圧縮空気の補充に長時間を要しないという圧縮空気車両の利点を活かしつつ、パワーおよび圧縮空気フル充填1回当たりの走行距離の点で実用上満足できるハイブリッド型圧縮空気車両を提供することにある。 An object of the present invention is to take advantage of a compressed air vehicle that does not discharge harmful exhaust gas during traveling and does not require a long time for replenishing compressed air, and travel distance per full charge and compressed air. Therefore, it is an object of the present invention to provide a hybrid type compressed air vehicle that can be satisfied in practical terms.
前記課題を解決するために、下記装置を備える圧縮空気と電気エネルギーとを駆動動力源にするハイブリッド車両が提供される。これによって、エネルギー効率が飛躍的に向上し、パワーおよび走行可能距離が大幅に改善される。ここで、エネルギー効率とは、駆動動力源の持つエネルギーが車両の駆動動力に変換される効率をいう。 In order to solve the above-mentioned problems, a hybrid vehicle using compressed air and electrical energy as a driving power source is provided. This dramatically improves energy efficiency and greatly improves power and travelable distance. Here, energy efficiency refers to the efficiency with which the energy of the driving power source is converted into the driving power of the vehicle.
すなわち、本発明のハイブリッド車両は、(a)圧縮空気を貯蔵する第1圧縮空気貯蔵部と、(b)該第1圧縮空気貯蔵部から供給される圧縮空気によって動力を発生するタービン型空気エンジンと、(c)該動力を分割する第1動力分割部と、(d)該第1動力分割部に接続される第1発電機と、(e)前記第1動力分割部を介して前記タービン型空気エンジンに接続される車輪駆動部と、(f)該車輪駆動部に接続される電動機および第2発電機と、(g)前記第1および第2発電機で発生する電気エネルギーを貯蔵する蓄電部と、(h)前記タービン型空気エンジンに接続される空気圧縮部と、(i)該空気圧縮部に接続される第2圧縮空気貯蔵部と、および、(j)前記車輪駆動部、前記第2発電機および前記空気圧縮部に接続される第2動力分割部と、を備える、圧縮空気および電気エネルギーが駆動動力源であるハイブリッド車両である。 That is, the hybrid vehicle of the present invention includes: (a) a first compressed air storage unit that stores compressed air; and (b) a turbine type air engine that generates power by compressed air supplied from the first compressed air storage unit. (C) a first power split unit that divides the power; (d) a first generator connected to the first power split unit; and (e) the turbine via the first power split unit. A wheel drive unit connected to the pneumatic engine, (f) an electric motor and a second generator connected to the wheel drive unit, and (g) storing electrical energy generated by the first and second generators. A power storage unit, (h) an air compression unit connected to the turbine type air engine, (i) a second compressed air storage unit connected to the air compression unit, and (j) the wheel drive unit, Connected to the second generator and the air compressor. Comprising a second power split portion, the compressed air and electrical energy is a hybrid vehicle is a drive power source.
ここで、空気エンジンとは空気圧すなわち圧縮空気で作動する原動機のことである。また、車輪駆動部とは、圧縮空気および電気エネルギーから得られる動力を車輪に伝達する動力伝達装置を意味し、例えばディファレンシャルギアのような差動装置を含む。 Here, the air engine is a prime mover that operates by air pressure, that is, compressed air. The wheel drive unit means a power transmission device that transmits power obtained from compressed air and electric energy to the wheel, and includes a differential device such as a differential gear.
好適には、前記本発明のハイブリッド車両は、前記第1圧縮空気貯蔵部からの圧縮空気だけでなく、前記第2圧縮空気貯蔵部からの圧縮空気によっても、前記タービン型空気エンジンを作動させ得る。 Preferably, the hybrid vehicle of the present invention can operate the turbine type air engine not only with the compressed air from the first compressed air storage unit but also with the compressed air from the second compressed air storage unit. .
好適には、前記空気圧縮部はピストン型圧縮機である。 Suitably, the said air compression part is a piston type compressor.
好適には、前記本発明のハイブリッド車両は、前記タービン型空気エンジンおよび前記電動機から車輪駆動部に伝達される、圧縮空気由来の駆動力と電気エネルギー由来の駆動力との配分を制御する制御手段を備える。 Preferably, the hybrid vehicle of the present invention controls the distribution of the driving force derived from compressed air and the driving force derived from electric energy, which is transmitted from the turbine type air engine and the electric motor to a wheel driving unit. Is provided.
好適には、前記本発明のハイブリッド車両は、減速時および制動時などに発生する回生エネルギーで前記第2発電機を作動させて前記蓄電部に電気エネルギーとして、もしくは前記空気圧縮部を作動させて前記第2圧縮空気貯蔵部に圧縮空気として、または前記第2動力分割部を使用して、電気エネルギーおよび圧縮空気の両者として前記蓄電部ならびに前記第2圧縮空気貯蔵部の両部に、回生エネルギーを貯蔵する。 Preferably, in the hybrid vehicle of the present invention, the second generator is operated with regenerative energy generated during deceleration, braking, or the like, and the power storage unit is operated as electric energy or the air compression unit is operated. Using the second compressed air storage unit as compressed air or using the second power split unit, both the electrical storage unit and the second compressed air storage unit as regenerative energy as both electric energy and compressed air. Store.
なお、蓄電部に電気エネルギーを貯蔵する場合、該蓄電部が二次電池等であれば、実際には該電気エネルギーは化学エネルギーに変換されて貯蔵されるが、ここでは該化学エネルギーも含めて電気エネルギーまたは電気と総称する。 In addition, when storing electrical energy in the power storage unit, if the power storage unit is a secondary battery or the like, the electrical energy is actually converted into chemical energy and stored, but here the chemical energy is also included. Collectively referred to as electrical energy or electricity.
好適には、前記本発明のハイブリッド車両は、前記回生エネルギーを前記蓄電部に電気エネルギーとして貯蔵する配分と、前記第2圧縮空気貯蔵部に圧縮空気として貯蔵する配分と、を制御する制御手段を備える。 Preferably, in the hybrid vehicle of the present invention, control means for controlling distribution for storing the regenerative energy as electrical energy in the power storage unit and distribution for storing the regenerative energy as compressed air in the second compressed air storage unit. Prepare.
また、本発明のハイブリッド車両においては、前記タービン型空気エンジンおよび前記電動機は、その両者が同一の車輪駆動部に接続されてもよく、あるいはそれぞれ別の車輪駆動部に接続されてもよい。 In the hybrid vehicle of the present invention, both the turbine type air engine and the electric motor may be connected to the same wheel drive unit or may be connected to different wheel drive units.
さらに、本発明のハイブリッド車両においては、前記電動機および第2発電機は一つの装置、すなわち前記電動機は前記第2発電機を兼ねるものであってもよい。 Furthermore, in the hybrid vehicle of the present invention, the electric motor and the second generator may be one device, that is, the electric motor may also serve as the second generator.
本発明によれば、圧縮空気車両のエネルギー効率を飛躍的に向上させることができる。さらに、走行中に有害排気ガスを排出せず、かつ圧縮空気の補充に長時間を要しないという圧縮空気の利点を活かしつつ、パワーおよび走行可能距離の点で実用上満足できるハイブリッド型圧縮空気車両を提供することができる。さらに、エネルギー回生装置を備える場合には、よりいっそうエネルギー効率の良好なハイブリッド型圧縮空気車両を提供することができる。 According to the present invention, the energy efficiency of a compressed air vehicle can be dramatically improved. Furthermore, a hybrid type compressed air vehicle that is practically satisfactory in terms of power and travelable distance while taking advantage of the compressed air that does not discharge harmful exhaust gas during traveling and does not require a long time to replenish compressed air. Can be provided. Furthermore, when an energy regeneration device is provided, it is possible to provide a hybrid compressed air vehicle with even better energy efficiency.
前記パワー不足という第1の課題を解決するに当たり、本発明では次のような点に着目した。すなわち、走行負荷が大きく圧縮空気のみの駆動力では不十分であるときに、電気エネルギーでその不足分を補うものである。具体的には、発進時、加速時および上り坂走行時等である。すなわち、大きな駆動エネルギーを必要とするときに、圧縮空気によるエネルギーに加えて電気エネルギーによっても駆動力を得るものである。 In solving the first problem of insufficient power, the present invention focuses on the following points. That is, when the driving load is large and the driving force using only compressed air is insufficient, the shortage is compensated with electric energy. Specifically, when starting, accelerating, and traveling uphill. That is, when a large amount of driving energy is required, a driving force is obtained by electric energy in addition to energy by compressed air.
本発明のハイブリッド車両を最初に駆動させるに当っての準備として、まず圧縮空気貯蔵部(第1圧縮空気貯蔵部)にコンプレッサー等で空気を圧縮して充填する。空気の貯蔵圧力は貯蔵部の耐圧度によるが、実用的には10MPa以上、好ましくは30MPa以上で貯蔵できる貯蔵部とするのがよい。圧力の上限は貯蔵部の耐圧度により必然的に決まるが、該耐圧度および安全性の点で許容される範囲内で、該上限圧力は高ければ高いほど走行可能距離の点で有利である。 In preparation for driving the hybrid vehicle of the present invention for the first time, first, the compressed air storage unit (first compressed air storage unit) is compressed and filled with a compressor or the like. Although the storage pressure of air depends on the pressure resistance of the storage unit, it is practically preferable to use a storage unit capable of storing at 10 MPa or more, preferably 30 MPa or more. The upper limit of the pressure is inevitably determined by the pressure resistance of the storage unit, but the higher the upper limit pressure is, the higher the upper limit pressure is, which is advantageous in terms of the travel distance.
また、電気エネルギーを最初に蓄電部に蓄電する場合、電気自動車のように外部電源から充電してもよい。また、前記圧縮空気貯蔵部に貯蔵した圧縮空気でタービン型空気エンジンを作動させ、得られた動力で第1発電機を作動させて発電し、該電気エネルギーを蓄電部に充電してもよい。なお、圧縮空気で電気エネルギーを充電した場合には充電のために消費した圧縮空気を補充しておくことが好ましい。 Further, when electric energy is first stored in the power storage unit, it may be charged from an external power source like an electric vehicle. Further, the turbine type air engine may be operated with the compressed air stored in the compressed air storage unit, the first generator may be operated with the obtained power to generate electric power, and the electric energy may be charged in the power storage unit. When electric energy is charged with compressed air, it is preferable to replenish the compressed air consumed for charging.
該蓄電部としてはニッケル水素二次電池もしくはリチウムイオン二次電池等の蓄電池、またはキャパシター等蓄電できるものであれば特に制限はないが、蓄電容量および取り扱い易さの点から前記蓄電池が好ましい。 The power storage unit is not particularly limited as long as it can store electricity such as a nickel hydride secondary battery or a lithium ion secondary battery, or a capacitor, but the above storage battery is preferable from the viewpoint of storage capacity and ease of handling.
圧縮空気によって作動する空気エンジンには、本発明のタービン型以外にピストン型が存在する。しかし、メカニカルロスがタービン型よりも大きく、走行可能距離の増大という前記第2の課題解決に反するので好ましくない。すなわち、タービン型はピストン型よりエネルギー効率が高く、走行可能距離を大幅に改善することができる。しかしながら、タービン型は高速回転に適したものであり、低速回転時のトルクが小さく、また制御が難しいという欠点がある。 In the air engine operated by compressed air, there is a piston type in addition to the turbine type of the present invention. However, it is not preferable because the mechanical loss is larger than that of the turbine type and is contrary to the solution to the second problem of increasing the travelable distance. That is, the turbine type has higher energy efficiency than the piston type, and can greatly improve the travelable distance. However, the turbine type is suitable for high-speed rotation, has a drawback that torque during low-speed rotation is small, and control is difficult.
本発明の圧縮空気と電気エネルギーとのハイブリッド車両には、タービン型空気エンジンの該欠点を解決できるという利点がある。 The hybrid vehicle of compressed air and electric energy according to the present invention has an advantage that the disadvantage of the turbine type air engine can be solved.
次に、前記課題解決に対する本発明のその他の構成の役割について詳述する。第1動力分割部は前記空気エンジンの作動によって発生した動力を分割し、その動力の一部を車輪駆動部に伝達して車両を駆動する。残りの動力で第1発電機を作動させ、発生した電気エネルギーをインバータを介して蓄電部に蓄電する(充電)。 Next, the role of the other configuration of the present invention for solving the above problem will be described in detail. The first power split unit splits the power generated by the operation of the air engine and transmits a part of the power to the wheel drive unit to drive the vehicle. The first generator is operated with the remaining power, and the generated electrical energy is stored in the power storage unit via the inverter (charging).
前記動力を車両の駆動と蓄電に分割する状況は、平坦道や下り坂を定速走行している場合等の運転モードのときである。この場合は、要求される駆動エネルギーは大きくないので、発生する動力の一部を電気エネルギーに変換して大きな駆動エネルギーを必要とするときに備えるというものである。 The situation in which the power is divided into driving of the vehicle and power storage is in an operation mode such as when driving at a constant speed on a flat road or downhill. In this case, since the required driving energy is not large, a part of the generated power is converted into electric energy to prepare for a case where large driving energy is required.
このような場合には、圧縮空気の流量を絞って発生動力を小さくする方法も考えられる。しかし、市街地走行の場合のように、発進、加速、定速、減速および制動が短時間で繰り返される場合には、圧縮空気の流量制御のみで対応するとエネルギーロスが大きくエネルギー効率が非常に低いものとなってしまう。すなわち、前記第1動力分割部は、その働きにより圧縮空気の流量制御操作を極力抑制してエネルギーロスを防止し、走行可能距離の増大に貢献して第2の課題を解決する装置の一つである。 In such a case, a method of reducing the generated power by reducing the flow rate of the compressed air is also conceivable. However, when starting, accelerating, constant speed, decelerating, and braking are repeated in a short time, as in urban driving, energy loss is large and energy efficiency is very low if only compressed air flow control is used. End up. That is, the first power split unit is one of devices that solves the second problem by contributing to an increase in the travelable distance by suppressing the flow control operation of the compressed air as much as possible to prevent energy loss. It is.
第1動力分割部は、タービン型空気エンジンにより発生した動力を前述のように分割できればどのような構成でもよく、特に制限は無い。例えばプラネタリーギアを使用する機構により作動させることができる。また、エネルギー効率を最適な状態にするために、該動力の分割はコンピュータ等の制御手段により各運転モードおよび走行状態等で最適に制御されることが好ましい。従って、前記発生動力はすべて車輪駆動に使用される場合も、また逆にすべて発電に使用される場合もあり得る。 The first power split section may have any configuration as long as the power generated by the turbine type air engine can be split as described above, and is not particularly limited. For example, it can be operated by a mechanism using a planetary gear. In order to optimize the energy efficiency, the power division is preferably optimally controlled in each operation mode and traveling state by a control means such as a computer. Accordingly, all of the generated power may be used for driving the wheel, and conversely, it may be used for generating electricity.
ここで、エネルギー効率を最適にするとは、運転モード、走行状態および運転者からのアクセルペダル操作等による指令等の状況に応じて、要求される車両駆動力を発生させつつ、エネルギーロスを最小限に抑制することをいう。 Here, optimizing energy efficiency means minimizing energy loss while generating the required vehicle driving force in accordance with the operation mode, driving conditions, and commands such as an accelerator pedal operation from the driver. It means to suppress.
本発明の構成の一つである電動機は、加速時あるいは上り坂走行時のように大きな駆動エネルギーを必要とするときに、蓄電部から電気エネルギーの供給を受けて作動し、動力を発生させ、該動力は空気エンジンからの動力と共に車両を駆動する。これによってパワー不足という第1の課題の解決に貢献する。 The electric motor that is one of the configurations of the present invention operates when receiving a large amount of driving energy, such as during acceleration or traveling uphill, receives electric energy from the power storage unit, generates power, The power drives the vehicle together with the power from the air engine. This contributes to solving the first problem of insufficient power.
さらに、徐行等の極低速走行時には、本発明の車両は、該電動機による動力だけで走行する場合もあり得る。このような場合には空気エンジンのエネルギー効率が悪いので、低回転でも効率がよくかつ低速トルクが大きいという電動機の長所を活かすためである。すなわち、前記電動機は走行可能距離の増大に貢献して第2の課題を解決する装置でもある。 Furthermore, during extremely low speed traveling such as slow driving, the vehicle of the present invention may travel only with the power of the electric motor. In such a case, since the energy efficiency of the air engine is poor, it is to take advantage of the electric motor that is efficient at a low speed and large in low-speed torque. That is, the electric motor is an apparatus that contributes to an increase in the travelable distance and solves the second problem.
本発明の実施態様では、タービン型空気エンジンおよび第2動力分割部に接続される空気圧縮部、ならびに該空気圧縮部で圧縮された空気を貯蔵するための第2圧縮空気貯蔵部を備える。前記空気圧縮部は、タービン型空気エンジンを作動させた後の圧縮空気(排気空気)を回収する役割、ならびに車両の減速時および制動時等に生じる回生エネルギーを圧縮空気に変換する役割を担う。 In an embodiment of the present invention, an air compression unit connected to the turbine type air engine and the second power split unit, and a second compressed air storage unit for storing the air compressed by the air compression unit are provided. The air compressing unit plays a role of collecting compressed air (exhaust air) after operating the turbine type air engine and a function of converting regenerative energy generated when the vehicle is decelerated and braked into compressed air.
すなわち、該空気圧縮部は、廃棄されていたエネルギーを回収してエネルギー効率を向上させる装置であり、第2の課題である走行可能距離の増大に貢献する。 That is, the air compression unit is a device that recovers discarded energy and improves energy efficiency, and contributes to an increase in the travelable distance, which is a second problem.
ここで回生エネルギーとは、車両の減速時および/または制動時等に、車両の運動エネルギーの中で回生により回収し得るエネルギー(回収エネルギー)のことをいう。 Here, the regenerative energy refers to energy (recovered energy) that can be recovered by regeneration in the kinetic energy of the vehicle when the vehicle is decelerated and / or braked.
前記排気空気には、空気エンジンで動力に変換されなかったエネルギーが残されており、そのまま外気へ排出すればそのエネルギーをロスすることになる。そこで、前記排気空気を圧縮空気に再生して該エネルギーを回収するものである。従って、前記空気圧縮部で前記排気空気を圧縮する場合には、外気から空気を取り入れて圧縮する場合よりも少ないエネルギーで圧縮空気を生成できる。エネルギー回生については後述する。 In the exhaust air, energy that has not been converted into power by the air engine is left, and if it is discharged to the outside air as it is, the energy is lost. Therefore, the exhaust air is regenerated into compressed air to recover the energy. Therefore, when the exhaust air is compressed by the air compression unit, compressed air can be generated with less energy than when air is taken in from outside air and compressed. Energy regeneration will be described later.
第2圧縮空気貯蔵部に貯蔵される当該圧縮空気は第1圧縮空気貯蔵部の圧縮空気の使用後に、または交互に、または同時に使用されてもよい。燃料警告灯点灯時の走行用として、すなわち、予備的に使用するのであれば、第1圧縮空気貯蔵部の圧縮空気の使用後に使用するのが好ましい。 The compressed air stored in the second compressed air storage unit may be used after using the compressed air of the first compressed air storage unit, alternately, or simultaneously. If the fuel warning lamp is turned on, that is, if it is used preliminarily, it is preferably used after use of compressed air in the first compressed air storage unit.
前記空気圧縮部は、高圧力の圧縮空気を生成させる点でピストン型の圧縮機が好ましい。また、実用的な面で、前記排気空気の回収および前記回生エネルギーの変換によって前記第2圧縮空気貯蔵部に圧縮空気を貯蔵する場合、その貯蔵圧力は1MPa以上を維持することが好ましく、5MPa以上を維持することがより好ましい。 The air compressor is preferably a piston-type compressor in that it generates high-pressure compressed air. In practical terms, when storing compressed air in the second compressed air storage unit by collecting the exhaust air and converting the regenerative energy, the storage pressure is preferably maintained at 1 MPa or more. Is more preferable.
本発明の実施態様ではまた、エネルギー回生手段、および好ましくはその制御手段を備える。すなわち、車両の減速時および制動時等に車両の運動エネルギーを回生し、該回生エネルギーを次の3パターンで貯蔵する。第1は、回生エネルギーで第2発電機を作動させ、インバータを介して蓄電部に電気エネルギーとして貯蔵する。第2は、前述したように回生エネルギーによって前記空気圧縮部を作動させ、製造される圧縮空気を前記第2圧縮空気貯蔵部に貯蔵する。第3は、第2動力分割部により回生エネルギーを、第2発電機を作動させる動力と空気圧縮部を作動させる動力とに分割し、当該回生エネルギーを電気エネルギーおよび圧縮空気の両者の形として貯蔵する。 Embodiments of the invention also include energy regeneration means, and preferably control means thereof. That is, the kinetic energy of the vehicle is regenerated when the vehicle is decelerated and braked, and the regenerative energy is stored in the following three patterns. First, the second generator is operated with regenerative energy and stored as electric energy in the power storage unit via the inverter. Second, as described above, the air compression unit is operated by regenerative energy, and the produced compressed air is stored in the second compressed air storage unit. Third, the regenerative energy is divided into power for operating the second generator and power for operating the air compressor by the second power split unit, and the regenerative energy is stored in the form of both electric energy and compressed air. To do.
第2動力分割部は、動力として伝達される回生エネルギーを分割できればどのような構成でもよく、特に制限は無い。例えば、第1動力分割部と同様にプラネタリーギアを使用する機構により作動させることができる。ただし、該第2動力分割部はエネルギー回生時にのみ働き、駆動力を車輪駆動部に伝達している走行中には、走行の負荷とはならない状態となっている。 The second power split unit may have any configuration as long as it can split the regenerative energy transmitted as power, and is not particularly limited. For example, it can be operated by a mechanism using a planetary gear as in the first power split section. However, the second power split section works only at the time of energy regeneration and is in a state where it does not become a travel load during travel while transmitting driving force to the wheel drive section.
また、前記3パターンの選択は、コンピュータ等によるエネルギー回生制御手段により最適なパターンが選択されることが好ましい。例えば、当該回生エネルギーは電気エネルギーとして回収し、貯蔵することを原則とするが、蓄電部の蓄電量がフル充電に近づいているときは前記第3のパターンを、フル充電のときは第2のパターンを選択する。 The three patterns are preferably selected by an energy regeneration control means such as a computer. For example, in principle, the regenerative energy is collected and stored as electric energy, but the third pattern is used when the amount of power stored in the power storage unit is approaching full charge, and the second pattern is used when full charge is performed. Select a pattern.
またさらに、蓄電部として二次電池を使用する場合、二次電池は自然放電が大きいため、走行後に例えば数日間以上走行させないような状況においては、前記第2のパターンを選択する。なぜならば、圧縮空気は数ヶ月程度で自然に漏洩することはほとんど無いからである。このような場合には運転者がパターンを選択できるシステムとすることが好ましい。 Furthermore, when a secondary battery is used as the power storage unit, the secondary battery has a large spontaneous discharge. Therefore, the second pattern is selected in a situation where the vehicle does not run for several days or more after running. This is because compressed air hardly leaks naturally in a few months. In such a case, it is preferable that the driver can select a pattern.
上記エネルギー回生手段およびその制御手段は、エネルギー効率を高くして第2の課題である走行可能距離の増大に貢献する手段である。 The energy regeneration means and the control means are means for increasing energy efficiency and contributing to an increase in the travelable distance, which is a second problem.
本発明のタービン型空気エンジンおよび電動機は、前輪もしくは後輪の同一の車輪駆動部に接続されていてもよく、または車両の大きさ等の制約により前輪と後輪に別々に接続されていてもよい。さらには、電動機が全ての車輪に各々接続され、全輪が駆動する車両構造であってもよい。またさらには、タービン型空気エンジンの代わりに、ロータリー型空気エンジンを空気エンジンとして使用することができる。 The turbine type air engine and the electric motor of the present invention may be connected to the same wheel drive unit of the front wheel or the rear wheel, or may be connected separately to the front wheel and the rear wheel due to restrictions such as the size of the vehicle. Good. Furthermore, a vehicle structure in which an electric motor is connected to each wheel and all wheels are driven may be used. Still further, instead of the turbine type air engine, a rotary type air engine can be used as the air engine.
<実施形態>
以下、好適な実施形態について図面に基づきさらに詳しく説明する。
<Embodiment>
Hereinafter, preferred embodiments will be described in more detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の好適な一実施形態に係る圧縮空気および電気エネルギーを駆動動力源とするハイブリッド自動車(以降、圧縮空気・電気ハイブリッド車と称する)の構成の概略が総括的に示されている。なお、図1〜5では電動機が第2発電機を兼ねる場合を表している。 FIG. 1 generally shows a schematic configuration of a hybrid vehicle (hereinafter, referred to as a compressed air / electric hybrid vehicle) using compressed air and electric energy as a driving power source according to a preferred embodiment of the present invention. ing. 1 to 5 show the case where the electric motor also serves as the second generator.
本発明の圧縮空気・電気ハイブリッド車は、タービン型空気エンジン2、および電動機(第2発電機)6(以降、電動機として働くときは電動機6と、発電機として働くときは第2発電機6と称する)を動力発生装置としている。すなわち、タービン型空気エンジン2、もしくは電動機6、またはタービン型空気エンジン2および電動機6の両者が作動されると、その発生動力は車輪駆動部8を介して駆動輪9に伝達され、車輪が駆動される。電動機の例としては、例えば三相交流誘導モーターを挙げることができる。
The compressed air / electric hybrid vehicle of the present invention includes a turbine
また、電動機6を作動させる電気エネルギー源として、第1発電機4等から発生する電気エネルギーを貯蔵する蓄電部7が搭載されている。第1発電機4および第2発電機6から発生する電気エネルギーはインバータ5を介して蓄電部7に蓄電される。また、電動機6には、蓄電部7からインバータ5を介して電気エネルギーが供給される。このときの蓄放電は、車両の走行状態および運転モードに応じて制御手段14により自動制御され、運転者からのパワー要求の満足とエネルギー効率の向上が図られる。
In addition, a
本実施形態では、第1圧縮空気貯蔵部1には30MPaの圧力で圧縮空気が充填されている。 In the present embodiment, the first compressed air storage unit 1 is filled with compressed air at a pressure of 30 MPa.
第1圧縮空気貯蔵部1からの圧縮空気の供給量を調整する圧縮空気供給装置(本実施形態では電磁弁)を、補助バッテリー13を電源とする制御手段14によって作動させ、供給される圧縮空気によりタービン型空気エンジン2を作動させて動力を得る。
Compressed air supplied by operating a compressed air supply device (in this embodiment, a solenoid valve) that adjusts the amount of compressed air supplied from the first compressed air storage unit 1 by a control means 14 that uses an
タービン型空気エンジン2から発生する動力は第1動力分割部3によって、車輪駆動部8へ伝達される動力と、蓄電のために第1発電機4を作動させる動力とに分割される。該動力分割の判断は、走行状態および運転モード等に応じて制御手段14により自動制御される。なお、本実施形態では第1動力分割部3としてプラネタリーギアを使用する機構を用いている。
The power generated from the turbine
次に、エネルギー回生について説明する。図中の白の矢印は、回生エネルギーの回収から貯蔵部へ至る流れを示している。回生エネルギーの実際のエネルギー形態は、第2発電機6、空気圧縮部11またはその両者を作動させる動力であり、次に、その動力が第2発電機6から発生する電気エネルギー、および空気圧縮部11で生成される圧縮空気の持つエネルギーに変換される。すなわち、回生エネルギーは該電気エネルギーおよび圧縮空気として貯蔵される。
Next, energy regeneration will be described. White arrows in the figure indicate the flow from recovery of the regenerative energy to the storage unit. The actual energy form of the regenerative energy is the power that operates the
エネルギー回生の第1は、排気空気からの回生である。すなわち、第1圧縮空気貯蔵部1から供給される圧縮空気は、タービン型空気エンジン2を作動させることにより消費されるが、そのときの排気空気は空気圧縮部11に送られる。この場合、空気圧縮部11は蓄電部7または補助バッテリー13から供給される電気エネルギーによる作動を基本とする。しかし、車両が減速時および制動時等にある場合は、空気圧縮部11は、動力として第2動力分割部10から供給される回生エネルギーにても作動する。
The first energy regeneration is regeneration from exhaust air. That is, the compressed air supplied from the first compressed air storage unit 1 is consumed by operating the turbine
空気圧縮部11の働きにより、前記排気空気は圧縮されて第2圧縮空気貯蔵部12に充填貯蔵される。第2圧縮空気貯蔵部12に充填された圧縮空気は、補助バッテリー13を電源とする制御手段14による圧縮空気供給装置(本実施形態では電磁弁)の働きによって、タービン型空気エンジン2の作動用圧縮空気として再利用される。
The exhaust air is compressed and filled and stored in the second compressed
エネルギー回生の第2は、減速時および制動時等における車両の運動エネルギーの回生(回収)である。その第1は、該運動エネルギー(回生エネルギー)を動力源として第2発電機6を作動させて電気エネルギーとして回収する。いわゆる回生ブレーキである。第2は、前述したように、第2動力分割部10を介して該運動エネルギーを動力源として空気圧縮部11を作動させることにより、圧縮空気を生成させ、該圧縮空気として回収して第2圧縮空気貯蔵部12に貯蔵する。この場合、空気圧縮部11において回生ブレーキが働く。
The second type of energy regeneration is regeneration (recovery) of vehicle kinetic energy during deceleration, braking, or the like. First, the
このとき、前記排気空気だけでなく、外気からも空気を取り入れて圧縮空気を生成する。さらに、ブレーキ作動時に得られる熱エネルギーを利用して第2圧縮空気貯蔵部12の空気予熱を行い、充填圧力を増大させ得る。
At this time, compressed air is generated by taking in air not only from the exhaust air but also from outside air. Furthermore, the air pressure of the 2nd compressed
制御手段14は、運転モード、走行状態および運転者からの指令を感知および判断して動作する。例えば、制御手段14は、タービン型空気エンジン2、電動機および第2発電機6、ならびに第1発電機4等の始動および停止の制御を行う。さらに、制御手段14は、第1動力分割部3および第2動力分割部10における動力分割の割合を走行状態等に従って、エネルギー効率が最適になるように原則自動制御する。またさらに、制御手段14は、回生エネルギーを電気エネルギーとして回収するか、圧縮空気として回収するか、またはその両者として回収するかを、蓄電部7の蓄電状況等を判断して制御する。ただし、運転者からの指令がある場合は、エネルギー効率よりも当該指令を優先する場合もあり得る。
The control means 14 operates by sensing and determining a driving mode, a running state, and a command from the driver. For example, the control means 14 controls starting and stopping of the turbine
以下に各運転モードに応じた各構成部の動作について説明する。 The operation of each component according to each operation mode will be described below.
<発進時>
発進時の各構成部の動作の例について図2に示す。発進時には第1圧縮空気貯蔵部1から供給される圧縮空気により、タービン型空気エンジン2を作動させることによって動力を発生させる。そして、基本的に該動力の全てが車輪駆動部8に伝達されて車両の駆動力に供される。また、排気空気からのエネルギー回生も行う(以降、タービン型空気エンジン2を作動させる場合は同様である)。なお、図2では第2圧縮空気貯蔵部12からは圧縮空気が供給されない場合を示しているが、前述したように第2圧縮空気貯蔵部12から圧縮空気が供給されてもよい(後述の図4、5においても同様)。
<At departure>
An example of the operation of each component when starting is shown in FIG. At the time of starting, power is generated by operating the turbine
しかし、いずれにしろ前述したように、タービン型空気エンジン2のみでは発進動力としては不十分なので、すでに蓄電部7に蓄電されている電気エネルギーを電動機6に供給して、該電動機6から発生する動力も車輪駆動部8に伝達されて車両の駆動力に供される。これによって十分な発進動力を得ることができる。
However, as described above, the turbine-
このとき、運転者のアクセルペダル操作等によって、要求される発進力(発進加速度)の強弱を感知し、制御手段14は圧縮空気の流量と蓄電部7からの電気エネルギー供給量とのバランスを最適にコントロールする。例えば、緩やかな発進指令のときは、制御手段14はエネルギー効率を優先して、電気エネルギーによる電動機6のみでの発進を指令し、一方、フルスロットルの発進指令のときには、圧縮空気と電気エネルギーの組み合わせを最大パワーが得られるようにコントロールする。図3に電気エネルギーによる電動機6のみでの発進の場合の例を示す。
At this time, the driver's accelerator pedal operation or the like senses the strength of the required starting force (starting acceleration), and the control means 14 optimizes the balance between the flow rate of compressed air and the amount of electric energy supplied from the
<加速時および上り坂走行時>
この場合は基本的には発進時と同様に、タービン型空気エンジン2から得られる動力と電動機6から得られる動力との両者によって車両を駆動する(図2)。このときもやはり、加速指令の強度や上り坂の勾配の程度などを判断して、制御手段14は圧縮空気の流量と蓄電部7からの電気エネルギー供給量とのバランスを最適にコントロールする。これによって、圧縮空気自動車のパワー不足という欠点を改善することができる。
<During acceleration and uphill driving>
In this case, basically, the vehicle is driven by both the power obtained from the turbine
<定速走行時>
平坦道での定速走行時の各構成部の動作の例について図4に示す。平坦道での定速走行時においては、基本的にはタービン型空気エンジン2のみを作動させ、これによる動力のみで走行する。市街地等での走行時のように速度がそれほど速くない場合には、駆動動力は少なくて済むので、発生した動力の一部を第1動力分割部3で分割して第1発電機4を作動させ、発生した電気エネルギーを蓄電部7に蓄電する。
<During constant speed>
FIG. 4 shows an example of the operation of each component when traveling at a constant speed on a flat road. When traveling at a constant speed on a flat road, basically, only the turbine
一方、定速走行であっても高速道での走行のような場合には、電動機6も作動させ、タービン型空気エンジン2から得られる動力と電動機6から得られる動力との両者によって車両を駆動する。
On the other hand, in the case of traveling on a highway even at constant speed, the
<減速時および制動時>
減速時および制動時の各構成部の動作の例について図5に示す。減速時および制動時には車輪駆動部8と接続している第2発電機6を、車輪側から伝達される運動エネルギーで作動させることによって、第2発電機6の回転による抵抗を生みつつ(回生ブレーキ)誘導電力を発生させ、蓄電部7に充電する。
<Deceleration and braking>
FIG. 5 shows an example of the operation of each component during deceleration and braking. During deceleration and braking, the
また、第2動力分割部10により回生エネルギーを動力として空気圧縮部(ピストン型圧縮機)11に伝達して作動させる。そして、該圧縮機11のクランクの慣性回転を利用して回生エネルギーを圧縮空気に変換し、第2圧縮空気貯蔵部12に充填貯蔵する。さらに、ブレーキ動作によって生じる熱エネルギーで第2圧縮空気貯蔵部12の空気予熱を行い、圧縮空気の貯蔵量の増大を図る。
Further, the second
図5ではタービン型空気エンジン2を作動させた状態での減速時および制動時の状態を示しているが、該タービン型空気エンジン2は停止していてもよい。
Although FIG. 5 shows a state during deceleration and braking in a state where the turbine
1・・・第1圧縮空気貯蔵部、2・・・タービン型空気エンジン、3・・・第1動力分割部、 4・・・第1発電機、5・・・インバータ、6・・・電動機および第2発電機、7・・・蓄電部、8,8a,8b・・・車輪駆動部、9,9a,9b・・・車輪(駆動輪)、10・・・第2動力分割部、11・・・空気圧縮部、12・・・第2圧縮空気貯蔵部、13・・・補助バッテリー、14・・・制御手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st compressed air storage part, 2 ... Turbine type air engine, 3 ... 1st power division part, 4 ... 1st generator, 5 ... Inverter, 6 ... Electric motor And 2nd generator, 7 ... power storage unit, 8, 8a, 8b ... wheel drive unit, 9, 9a, 9b ... wheel (drive wheel), 10 ... second power split unit, 11 ... Air compressor, 12 ... Second compressed air storage, 13 ... Auxiliary battery, 14 ... Control means
Claims (14)
(a)圧縮空気を貯蔵する第1圧縮空気貯蔵部と、
(b)該第1圧縮空気貯蔵部から供給される圧縮空気によって動力を発生するタービン型空気エンジンと、
(c)該動力を分割する第1動力分割部と、
(d)該第1動力分割部に接続される第1発電機と、
(e)前記第1動力分割部を介して前記タービン型空気エンジンに接続される車輪駆動部と、
(f)該車輪駆動部に接続される電動機および第2発電機と、
(g)前記第1および第2発電機で発生する電気エネルギーを貯蔵する蓄電部と、
(h)前記タービン型空気エンジンに接続される空気圧縮部と、
(i)該空気圧縮部に接続される第2圧縮空気貯蔵部と、
(j)前記車輪駆動部、前記第2発電機および前記空気圧縮部に接続される第2動力分割部と、を備え、
回生エネルギーで前記第2発電機を作動させて前記蓄電部に電気エネルギー(化学エネルギーを含む)として、もしくは前記空気圧縮部を作動させて前記第2圧縮空気貯蔵部に圧縮空気として、または前記第2動力分割部を使用して、電気エネルギー(化学エネルギーを含む)および圧縮空気の両者として前記蓄電部ならびに前記第2圧縮空気貯蔵部の両部に、回生エネルギーを貯蔵する、
圧縮空気および電気エネルギーを駆動動力源とするハイブリッド車両。 A hybrid vehicle in which compressed air and electric energy are driving power sources,
(A) a first compressed air storage section for storing compressed air;
(B) a turbine type air engine that generates power by compressed air supplied from the first compressed air storage unit;
(C) a first power split unit that splits the power;
(D) a first generator connected to the first power split unit;
(E) a wheel drive unit connected to the turbine type air engine via the first power split unit;
(F) an electric motor and a second generator connected to the wheel drive unit;
(G) a power storage unit that stores electrical energy generated by the first and second generators;
(H) an air compressor connected to the turbine type air engine;
(I) a second compressed air storage unit connected to the air compression unit;
(J) a second power split unit connected to the wheel drive unit, the second generator, and the air compression unit,
The second generator is operated with regenerative energy to act as electrical energy (including chemical energy) in the power storage unit, or the air compression unit is operated as compressed air in the second compressed air storage unit, or the first Regenerative energy is stored in both parts of the power storage unit and the second compressed air storage unit as both electric energy (including chemical energy) and compressed air using two power split units,
A hybrid vehicle using compressed air and electric energy as a driving power source.
請求項1に記載のハイブリッド車両。 The air compression unit is a piston type compressor.
The hybrid vehicle according to claim 1.
請求項1または2に記載のハイブリッド車両。 Control means for controlling the distribution of the driving force derived from compressed air and the driving force derived from electric energy transmitted from the turbine type air engine and the electric motor to the wheel driving unit;
The hybrid vehicle according to claim 1 or 2.
請求項3に記載のハイブリッド車両。 The control means also controls the distribution for storing the regenerative energy as electrical energy (including chemical energy) in the power storage unit and the distribution for storing compressed air in the second compressed air storage unit.
The hybrid vehicle according to claim 3.
請求項1または2に記載のハイブリッド車両。 Having two wheel drive units, the turbine type air engine and the electric motor are respectively connected to different wheel drive units,
The hybrid vehicle according to claim 1 or 2.
請求項4に記載のハイブリッド車両。 Having two wheel drive units, the turbine type air engine and the electric motor are respectively connected to different wheel drive units,
The hybrid vehicle according to claim 4.
請求項4に記載のハイブリッド車両。 The motor and the second generator are one device, that is, the motor also serves as the second generator.
The hybrid vehicle according to claim 4.
請求項6に記載のハイブリッド車両。 The motor and the second generator are one device, that is, the motor also serves as the second generator.
The hybrid vehicle according to claim 6.
請求項7に記載のハイブリッド車両。 When starting, accelerating, and traveling uphill, the control means controls the turbine-type air engine and the electric motor to drive the wheel drive unit with the driving force of both.
The hybrid vehicle according to claim 7.
請求項8に記載のハイブリッド車両。 When starting, accelerating, and traveling uphill, the control means controls the turbine-type air engine and the electric motor to drive the wheel drive unit with the driving force of both.
The hybrid vehicle according to claim 8.
請求項7に記載のハイブリッド車両。 At the time of constant speed running, the control means controls so that only the turbine type air engine is operated and the wheel driving unit is driven by the driving force.
The hybrid vehicle according to claim 7.
請求項8に記載のハイブリッド車両。 At the time of constant speed running, the control means controls so that only the turbine type air engine is operated and the wheel driving unit is driven by the driving force.
The hybrid vehicle according to claim 8.
請求項7に記載のハイブリッド車両。 At the time of deceleration and / or braking, the second generator is operated with the regenerative energy generated to generate electric energy (including chemical energy) in the power storage unit, or the air compression unit is operated to generate the second compressed air. As the compressed air in the storage unit or using the second power split unit, the electric storage unit (including chemical energy) and the compressed air as both the electric storage unit and the second compressed air storage unit are regenerated. The control means controls to store energy;
The hybrid vehicle according to claim 7.
請求項8に記載のハイブリッド車両。 At the time of deceleration and / or braking, the second generator is operated with the regenerative energy generated to generate electric energy (including chemical energy) in the power storage unit, or the air compression unit is operated to generate the second compressed air. As the compressed air in the storage unit or using the second power split unit, the electric storage unit (including chemical energy) and the compressed air as both the electric storage unit and the second compressed air storage unit are regenerated. The control means controls to store energy;
The hybrid vehicle according to claim 8.
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