JP2015182628A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気自動車等の車両に於いて、レンジエクステンダを搭載する場合に、発電用装置として、ガスタービンを用い、複数の異なる特性の蓄電装置を搭載し、ガスタービンの排気熱を、蓄電装置の特性に応じて適切に利用できるようにすること。【解決手段】 本発明の車両は、電気エネルギーによって駆動される車両であって、電気エネルギーを蓄電する複数の蓄電装置と、蓄電装置に蓄電される電気エネルギーを発電する発電装置と、発電装置を駆動するガスタービンとを含み、ガスタービンが車両の前方に配置され、ガスタービンの排気を導く排気管がガスタービンから車両の後端まで略直線状に延在し、複数の蓄電装置のうち、高温動作の好ましい蓄電装置が排気管の近傍に配置され、高温動作の好ましくない蓄電装置が排気管から遠い位置に配置されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車等の電力により駆動される車両に係り、より詳細には、電力を蓄えるための蓄電装置（バッテリ）を搭載し、更に、車両の航続距離を延長するためのレンジエクステンダを搭載した車両の構造に係る。

電気自動車等の車両に於いて、その航続距離は、車両に搭載される蓄電装置の蓄電容量（一時に蓄電可能な電気エネルギー量）によって決定される。従って、航続距離の延長を図ろうとする場合には、蓄電容量の増大が試みられるところ、蓄電容量の増大には限界や制約がある（例えば、単に蓄電容量の増大を行う場合には、車両に搭載される蓄電装置が大型化し、車両の重量を増大してしまうといった問題がある。）。そこで、電気自動車等の車両の航続距離を延長するために、車両に発電機と発電用の内燃機関を搭載して発電を行って、その電気エネルギーによっても車両の駆動モータを駆動できるようにする「レンジエクステンダ技術」が提案されている。そのような電気自動車等の車両に於いて、「レンジエクステンダ技術」を実現する場合に参考となる技術として、例えば、特許文献１は、電気自動車の車室内の暖房用に燃料を燃焼する燃焼室を設けた構成を開示している。一般に、電気自動車の駆動用のバッテリは、外気温が低く、これにより、バッテリの温度が低下すると、性能の低下が生ずる場合がある。そこで、特許文献１では、駆動用バッテリの性能の低下を防止すべく、暖房用燃焼室に於ける燃焼によって生じた熱の一部又は排気ガスの熱を駆動用バッテリの加熱に利用できるようになった燃焼室及び排気管の配置構成が提案されている。より具体的には、特許文献１は、駆動用バッテリの周囲に沿って排気ガスが流通する構成などを提案している。また、特許文献２では、駆動用の内燃機関と駆動用の電動モータとが搭載されたハイブリッド自動車等の車両に於いて、車外から車内へ取り込まれて触媒コンバータを冷却して暖気された空気流を駆動用の電動モータへ供給される電気エネルギーを蓄電するバッテリの周囲に流通させてバッテリを加熱する構成が開示されている。更に、特許文献３では、ハイブリッド自動車や電気自動車に於いて、種々の電気機器を冷却するための、ラジエータを備えた冷却液循環システムに於ける冷却液により、車載電池を、その温度に応じて加熱できるようになった構成を開示している。更にまた、特許文献４には、エンジンの排気熱を、化学反応（脱水和反応）を通じて、化学蓄熱材に蓄熱した後、かかる化学蓄熱材に蓄熱された熱を、化学反応（水和反応）を通じて、放出してバッテリや触媒コンバータの加熱に利用するといったことが提案されている。

特開平０６−１４３９８７ 特開２０１３−１８０６１４ 特開２０１０−１９８７９５ 特許第５２１７５９５号

上記の如き電気自動車等の車両に於ける「レンジエクステンダ技術」の実現に於いて、その構成の占有空間の増大やその構成の搭載による車両重量の増加及びそれに起因する電費悪化をできるだけ抑制することを考慮すると、レンジエクステンダのための内燃機関の一つの候補としては、小型軽量のガスタービンが挙げられる。また、小型軽量のガスタービンの場合、触媒が不要であること、排気温度が高いこと、排気流量が多いことなどの点から、ガスタービンの排気熱を低温時の蓄電装置の暖気のために利用をする構成も考えられる。この点に関し、車両の航続距離向上、出力向上、コスト、蓄電装置の交換の容易性を考慮すると、（現在に於いては、実車化されている例は殆どないが、）一つの車両に複数の異なる特性の蓄電装置を搭載しておくと有利な場合が想定され、その場合には、それぞれの蓄電装置の特性によって、ガスタービンの排気熱を蓄電装置の暖気に利用できるように、或いは、排気熱による影響を受けないように、蓄電装置が配置されていることが好ましい。例えば、蓄電装置の種類によって、既に触れた如く、温度が相当に低いときには、内部抵抗増大による充放電効率低下、出力制限等など、性能が低下する場合があり（暖気することが好ましい形式の蓄電装置）、また、温度が高過ぎる場合には、劣化の進行が早まってしまう場合（過度に暖気することが好ましくない形式の蓄電装置）もある。即ち、ガスタービンの排気熱を蓄電装置の暖気に利用することを考える場合、蓄電装置のそれぞれの性能を向上させるべく、ガスタービン及びその排気路と蓄電装置とを、蓄電装置の特性に応じて、最適に配置することにより、電気自動車等の車両の性能の更なる向上が期待される。

かくして、本発明の一つの課題は、電気自動車等の車両に於いて、レンジエクステンダを搭載する場合に、発電用装置として、ガスタービンを用い、複数の異なる特性の蓄電装置を搭載し、且つ、ガスタービンの排気熱を、蓄電装置の特性に応じて適切に利用できるようにガスタービン及びその排気路と蓄電装置とが配置された車両を提供することである。

なお、上記の課題の達成に於いて、本発明の発明者は、下記の点を考慮した。
（１）蓄電装置の種類によっては過度な熱を与えると劣化が早まる（寿命が短くなる）場合があるので、蓄電装置毎に、最適な熱量が与えられるようにすることが好ましい。
（２）ガスタービンは水冷を必要としないので、蓄電装置の暖気は、ガスタービンの排気から熱を直接的に蓄電装置へ与えるようになっていることが好ましい。また、暖気の行われる蓄電装置とガスタービンの排気管又は排気路との距離が長過ぎると、ガスタービンの排気管又は排気路から蓄電装置への熱の伝達に熱媒体を利用する構成が必要となり、システムの複雑化、重量の更なる増大となってしまう。
（３）ガスタービンの効率は、吸排気圧損によって大きく影響を受けるので、曲げを有する吸排気管を用いず、細かい流量の制御が必要ないようにすることが好ましい。また、排気管又は排気路の排出口は、車両後方に設けることが好ましい。（例えば、車両前方に設けると、車両の走行中、車両が排気ガスを被ることとなってしまう。）
上記の事項は、本発明に於いて利用される。

本発明によれば、上記の課題は、電気エネルギーによって駆動される車両であって、電気エネルギーを蓄電する複数の蓄電装置と、蓄電装置に蓄電される電気エネルギーを発電する発電装置と、発電装置を駆動するガスタービンとを含み、ガスタービンが車両の前方に配置され、ガスタービンの排気を導く排気管がガスタービンから車両の後端まで略直線状に延在し、複数の蓄電装置のうち、高温動作の好ましい蓄電装置が排気管の近傍に配置され、高温動作の好ましくない蓄電装置が排気管から遠い位置に配置されている車両によって達成される。

上記の構成に於いて、「電気エネルギーによって駆動される車両」とは、電気自動車等の車両であり、即ち、車両の走行駆動が電気エネルギーによって駆動される駆動装置（電動モータ）によって為される車両である。また、駆動装置に与えられる電気エネルギーは、蓄電装置に蓄電されるエネルギーであるところ、上記の車両に於いては、車両の航続距離を延長する「レンジエクステンダ」として、発電装置（発電機）とその発電装置を駆動するガスタービンとが搭載され、ガスタービンは、燃料を燃焼して発電装置を駆動して発電させ、これにより得られた電気エネルギーが蓄電装置に蓄電されることとなる。

上記の本発明の構成によれば、まず、ガスタービンが車両の前方に配置され、排気管が車両の長さ方向に車両の後端まで直線的に延在するよう配置されることにより、排気管の構造に於いて、排気路が屈曲した部位が存在せず、従って、吸排気圧損が抑制され（これにより、ガスタービンの効率の低下が防止され、）、しかも、車両の長手方向に比較的広い範囲に於いて、排気管からの排気熱を受容できる領域が得られることとなるので、排気熱を蓄電装置へ適切に与えるべく為される蓄電装置の配置の自由度が大きくなる点で有利である。そして、高温動作の好ましい蓄電装置、即ち、低温時の出力特性が低い蓄電装置、を排気管付近に配置し、高温動作の好ましくない蓄電装置、即ち、高温になると、劣化の進行が早まってしまうおそれのある蓄電装置を排気管から離れた配置することによって、各蓄電装置の特性に対応した加熱が達成され、より好ましい動作条件が実現できるようになる。

上記の本発明の電気自動車等の車両は、車両の航続距離を延長する「レンジエクステンダ」の発電機を駆動するための装置として、ガスタービンを用い、更に、そのガスタービンの排気熱を、蓄電装置の暖気に適宜利用できるよう構成されている。即ち、本発明では、単に、車両の航続距離の延長が達成できるだけでなく、低温時の蓄電装置の性能低下も防止できることとなる。特に、ガスタービンとしては、小型・軽量のものが利用できるので、その場合には、レンジエクステンダの構成の占有空間の増大やその構成の搭載による車両重量の増加をできるだけ小さく抑えることも可能となる。そして、ガスタービンの排気熱を蓄電装置の暖気に利用することに関して、蓄電装置の暖気に利用される排気の流路が、車両の前方から長手方向に車両の後端へ延在する構成となっており、従って、蓄電装置の配置箇所に自由度があるので、蓄電装置の特性を対応して、適切な熱が与えられるように適切な位置に蓄電装置を配置することができる点で有利である。更に、加熱される蓄電装置について、排気管の近傍に配置することにより、排気管から蓄電装置への熱の伝達は、輻射熱によって為され、冷媒を循環させるためのシステムが必要ない点で有利である。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明による電気自動車等の車両に於ける蓄電装置とガスタービン及び排気管との配置の例を表した車両の模式的な平面図である。（Ａ）は、搭載される蓄電装置が２つの場合であり、（Ｂ）は、搭載される蓄電装置が４つの場合であり、（Ｃ）は、更に遮熱板を設けた場合である。 図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明による電気自動車等の車両に搭載され得る蓄電装置の性能の温度特性を表す模式的なグラフ図である。（Ａ）は、蓄電装置の内部抵抗の温度特性の例であり、（Ｂ）は、蓄電装置の内部抵抗の温度による変化の例であり、蓄電装置の容量の温度に対する時間変化の例である。

１０…車両
１２…車輪
ＥＧ…発電機
ＧＴ…ガスタービン
ＥＢ１〜４…蓄電装置
ＥｘＰ…排気管
ＰＯ…排気口
Ｓ１、Ｓ２…遮熱板

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

本発明の適用される電気自動車等の車両は、基本的には、蓄電装置の電力により、電動モータを駆動して走行する車両であるところ、車両の航続距離の延長を図るために、レンジエクステンダ・システムが車両に搭載される。レンジエクステンダ・システムは、端的に述べれば、車両に於いて、内燃機関と発電機を搭載し、内燃機関が燃料を燃焼して得られるエネルギーによって発電機にて発電し、その発電により得られた電気エネルギーを蓄電装置に充電するシステムである。かかるレンジエクステンダ・システムによれば、車両の走行開始時に蓄電装置に充電されていた電気エネルギーを使い切った後にも、車両にて発電された電気エネルギーが利用できることとなるので、車両の航続距離の延長が達成できることとなる。また、レンジエクステンダ・システムが搭載されていれば、車両の走行開始後に、蓄電装置へ追加的に電気エネルギーを蓄電できることになるので、車両に要求される航続距離に対して蓄電装置の容量を小さくできることとなり、車両に搭載されるべき蓄電装置の小型化も可能となる。一方、上記のレンジエクステンダ・システムの搭載する場合には、その分、車両内の空間を占有し、車両重量が増加することので、電費の悪化を引き起こし得る。そこで、本発明の車両に於いては、レンジエクステンダ・システムの搭載による占有空間の増大と車両重量の増加をできるだけ抑えることを考慮して、既に触れた如く、内燃機関としては、小型軽量のガスタービンエンジンが採用される。

ところで、電気自動車等の車両に搭載される蓄電装置に関して、例えば、リチウムイオン電池などの化学電池は、充放電が化学反応によって行われる。従って、電池の温度が低過ぎると、化学反応の速度が低下して、図２（Ａ）に例示されている如く、内部抵抗が上昇することから、出力が制限されてしまう場合がある。また、低温時に過剰に高い出力にて充放電を実行すると、電池の早期の劣化の原因ともなり得る。一方、電池の温度が高過ぎる場合にも、化学反応に関与する物質の電池の劣化の速度が速まることがある。例えば、図２（Ｂ）に模式的に例示されている如く、電池温度が４０℃と７０℃との場合（外気温より、高い場合である。）を比較すると、後者の場合、時間に対する容量の低下が早く、劣化が早い。従って、蓄電装置を動作させる際には、蓄電装置の特性に応じて、適切な温度となるよう蓄電装置を適宜暖気できるようになっていることが好ましい。この点に関し、小型軽量のガスタービンエンジンは、触媒が不要であること、排気温度が高いこと、排気流量が多いことから、ガスタービンの排気熱を低温時の蓄電装置の暖気のために利用できるという利点も得られることとなる。

また、現在のところ、一つの車両に一つ又は一種類の蓄電装置が搭載されるのが一般的であるが、車両の航続距離向上、蓄電装置の出力向上、（劣化した又は寿命に達した古い）蓄電装置の交換の容易性、コストなどを考慮すると、一つの車両に複数の異なる特性の蓄電装置を搭載しておくと有利な場合がある。その場合、複数の異なる特性の蓄電装置に於いて、蓄電装置の特性によって、暖気を必要とする装置と、暖気を殆ど必要としない装置とが含まれることがある。従って、レンジエクステンダ・システムの内燃機関としてガスタービンエンジンを採用し、その排気熱を蓄電装置の暖気に利用する構成を有する車両に於いて、複数の異なる特性の蓄電装置が搭載される場合には、それらの蓄電装置の温度が適切な値となるように排気熱を放出するガスタービンエンジンの排気管と複数の蓄電装置とを配置することが好ましい。また、その場合、ガスタービンエンジンに於いて、その効率は吸排気圧損によって大きく影響を受けるので、吸排気圧損を抑制するべく、排気管に於いて屈曲した部位が実質的に存在しないようにすることが好ましい。

かくして、本発明の電気自動車等の車両に於いては、上記の事情を鑑み、図１（Ａ）に模式的に描かれている如く、発電機ＥＧを駆動するガスタービンエンジンＧＴは、車両１０の前部に配置され、その排気管ＥｘＰは、車両１０のガスタービンエンジンＧＴから車両１０の後端へ実質的に略直線状に延在し、排気口ＰＯが車両１０の後端に位置するように配置される。そして、車両１０には、発電機ＥＧで発電された電力を蓄電可能な蓄電装置として、高温動作の好ましい蓄電装置ＥＢ１と高温動作の好ましくない蓄電装置ＥＢ２とが搭載されるところ、高温動作の好ましい蓄電装置ＥＢ１が排気管ＥｘＰのすぐ傍に配置され、高温動作の好ましくない蓄電装置ＥＢ２が排気管ＥｘＰから離れた位置に配設される。なお、高温動作の好ましい蓄電装置ＥＢ１と高温動作の好ましくない蓄電装置ＥＢ２とは、具体的には、下記の表のような特性をそれぞれ有する。

即ち、出力が大きく耐高温性が高いが耐用年数が短い蓄電装置ＥＢ１は、高温動作の好ましい蓄電装置であり、ガスタービンエンジンＧＴの作動時にその排気管から排気熱が与えられるように、排気管ＥｘＰの近傍に配置され、また、交換が容易にできるように配置される。なお、排気管ＥｘＰから蓄電装置ＥＢ１の熱の伝達は、輻射熱によるものであってよく、従って、蓄電装置ＥＢ１の位置は、適切な量の輻射熱が排気管ＥｘＰから伝達されるよう調整される。一方、出力が小さく耐高温性が低いが耐用年数が長い蓄電装置ＥＢ２は、排気管から排気熱の影響を受けないように排気管ＥｘＰから離隔した位置に配置される。その際、蓄電装置ＥＢ２は短期間での交換を想定していない場合には、蓄電装置の交換が容易に実施できない部位であってもよい。

上記の図１（Ａ）の構成によれば、ガスタービンエンジンＧＴの排気管ＥｘＰが車両前方から車両の後端まで長手方向に略直線状に延在しているので、排気管ＥｘＰに於ける吸排気圧損が抑制され、ガスタービンエンジンＧＴの効率の低下が抑えられ、また、車両前方から車両の後端まで長手方向に於いて、比較的広い蓄電装置の暖気が可能な領域が得られることとなる。そして、蓄電装置の特性に応じて、高温動作の好ましい蓄電装置ＥＢ１を排気管ＥｘＰのすぐ傍に配置して、暖気できるようにし、高温動作の好ましくない蓄電装置ＥＢ２を排気管ＥｘＰから離れた位置に配設して、排気管ＥｘＰからの熱の影響を受けないようにすることにより、蓄電装置を、それぞれの特性にあった作動環境にて作動させることが可能となる。なお、ガスタービンエンジンＧＴの駆動出力は、その殆どが発電機ＥＧの作動に消費され、排気ガスの運動量は十分に下がっており、車両の推進力にならないので、ガスタービンエンジンＧＴが車両後方に配置され、排気口ＰＯが車両前方に配置される構成であっても、上記の利点は得られるが、その場合、車両の走行中に、車両全体が排気口ＰＯから放出された排気ガスを被ることとなり得るので、ガスタービンエンジンＧＴが車両前方に配置され、排気口ＰＯが車両後端に配置される構成がより好ましいこととなる。

更に、上記の構成に於いて、排気管ＥｘＰは、典型的には、断面が略円の円筒状構造を有するが、排気熱の利用と搭載の容易さの向上のために、断面が扇平な楕円、または長方形の形状の筒状構造となっていてもよい。また、排気管ＥｘＰと蓄電装置ＥＢ１との間には、熱伝達量を調節できる任意の熱交換装置又は構造（冷媒の循環の必要のない機構）が設けられていてもよい。

更に、車両１０に搭載される蓄電装置がより多い場合、例えば、蓄電装置ＥＢ１〜ＥＢ４の四つである場合には、図１（Ｂ）に模式的に描かれている如く、蓄電装置ＥＢ１〜ＥＢ４のそれぞれの特性によって排気管ＥｘＰとの位置関係が設定されてよい。図示の例では、蓄電装置ＥＢ１、ＥＢ３が高温動作の好ましい蓄電装置であり、蓄電装置ＥＢ２、ＥＢ４が高温動作の好ましくない蓄電装置であるところ、蓄電装置ＥＢ１、ＥＢ３のうち、蓄電装置ＥＢ１がより暖気を必要とする装置であるときには、排気管ＥｘＰに於いて、ガスタービンＧＴに近い側に配置され、これにより、排気温度の高い部分を利用できることとなっていてよい。また、高温動作の好ましくない蓄電装置ＥＢ２、ＥＢ４に対する排気管ＥｘＰからの排気熱の伝達をより確実に防ぐために、図１（Ｃ）に模式的に描かれている如く、遮熱板Ｓ１が排気管ＥｘＰと蓄電装置ＥＢ２、ＥＢ４との間に配置されてもよい。更に、暖気を実施する蓄電装置ＥＢ１、ＥＢ３に於いて、暖気が完了後の更なる熱の流入を回避する目的で、図１（Ｃ）に模式的に描かれている如く、蓄電装置ＥＢ１、ＥＢ３と排気管ＥｘＰとの間に可動式に介装される遮熱板Ｓ２が設けられていてもよい。

かくして、上記の本発明の構成によれば、レンジエクステンダのガスタービンを車両の前方に置くことで、排気管を後方に伸ばし、その排気熱を直接利用できる位置に蓄電装置を配置できることとなり、排気熱によって蓄電装置の暖気が可能となる。また、排気管が車両後方まで直線的に配置されることで、排気管の形状を複雑にすることない点で有利である。更に、複数の蓄電装置がガスタービンの後方に置くことができるので、低温時の特性が低い蓄電装置を排気管付近に配置し、逆に高温動作が好ましくない蓄電装置を他の位置に配置するといったことが可能となり、それぞれの蓄電装置に対して最適な動作条件を与えることが可能となる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (1)

1. 電気エネルギーによって駆動される車両であって、前記電気エネルギーを蓄電する複数の蓄電装置と、前記蓄電装置に蓄電される電気エネルギーを発電する発電装置と、前記発電装置を駆動するガスタービンとを含み、前記ガスタービンが前記車両の前方に配置され、前記ガスタービンの排気を導く排気管が前記ガスタービンから前記車両の後端まで略直線状に延在し、前記複数の蓄電装置のうち、高温動作の好ましい蓄電装置が前記排気管の近傍に配置され、高温動作の好ましくない蓄電装置が前記排気管から遠い位置に配置されている車両。

Images