JP4755099B2 - 電動車椅子 - Google Patents
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Description
一方、車椅子にも燃料電池を搭載した技術が提案されている。この車椅子は、環境に優しいものであり、その燃料電池は、二次電池に比べれば、その燃料となる水素を充填したボンベを取換えるだけで、直ぐに、走行を続けることができ、そのボンベも比較的軽い。
また、上記課題を解決するためのこの発明の他の手段は、水素を燃料とする燃料電池と二次電池を搭載し、その燃料電池及び二次電池から電力が供給されるモータにより自走し、その燃料電池及び二次電池からモータへの電力供給を、車椅子の走行条件に応じた電力負荷変動に基づき、ハイブリッド制御する電動車椅子において、電動車椅子本体の大車輪間の座席下部に、燃料電池、その補器、ボンベからなる水素燃料及び二次電池を搭載した構成を採用したのである。
このように、まず、燃料電池と二次電池の特性を考慮したハイブリッド制御をすれば、搭載する車椅子の重量等を考慮して、その走行駆動を担う最小の燃料電池と二次電池を採用することにより、軽量で、走行距離が長い車椅子とすることができる。
このことから、上記ハイブリッド制御の一態様として、負荷変動幅も比較的小さく、また、その変動も急変しない場合、燃料電池の発電エネルギーを一定に保持し、その燃料電池の発電エネルギーにより、車椅子の走行エネルギーの大半を担うこととする。
負荷変動が比較的少ない場合、その負荷変動の少ない走行を、一定のエネルギーで担っても、その走行に支障が生じる恐れは少ない。ここで、「発電エネルギーを一定」とは、出力電圧と出力電流の積である「出力エネルギーを一定」のことを言う。
このとき、燃料電池は、一定の電気エネルギーしか出力し得ないが、一定の電気エネルギーにより二次電池の充電を行なうこととなるため、その充電による二次電池の負担も小さく、二次電池の高寿命化に繋がる。
二次電池にその負荷変動を担う容量のものを採用すれば良く、それは、最低限の容量のもので良いため、小型化が可能となる。
T 車椅子
M 走行用モータ
1 車椅子本体
2 大車輪
3 燃料電池
4 水素燃料
5 リチウムイオン二次電池
6 ハイブリッドシステム制御器
7 手元操作部
8 回生過剰処理抵抗
10 ハイブリッドシステム制御回路
11 CPU
12 A/D変換器
13 I/O
14 DC−DCコンバータ
15 リレー
16 ダイオード
この場合、そのスイッチで、二次電池のみでの走行に切り替えれば、騒音を出す上記補機を停止させることができ(サイレントモードにすることができ)、その騒音源を無くすことができる。すなわち、燃料電池車椅子とその使用者が周辺環境に馴染みやすくなって、様々な環境により適応できるものとなる。
このとき、上記燃料電池の余剰発電エネルギーにより上記二次電池の充電を行えば、走行中の停止時等の燃料電池の発電エネルギーが余る時に、その余剰発電エネルギーで二次電池の充電を行うこととなり、二次電池は、走行途中において、充電作用が行われるため、二次電池のエネルギーの消耗も極力抑制されて、長い走行距離を確保できる。
つぎに、上記二次電池の所要充電率%を考慮し、車椅子の通常の走行では、その発電エネルギーで担うことができ、かつ、車椅子の一回の走行で使用する全エネルギーを、二次電池の充電エネルギーも含めて、燃料電池の発電によって担うことができるように実走行・実験等によって適宜に設定する。
このようにすれば、二次電池による給電作用の軽減を図ることができ、二次電池の小型化をさらに図ることができる。
その暖機運転時の燃料電池の出力電圧P1と定常運転時の同出力電圧P2の比は、適宜に設定すればよいが、例えば、P1:P2=1:2とする。また、定常運転時の燃料電池の出力電圧P2は、適宜に変動させてもよいが、定格とすることもできる。
燃料電池の発電エネルギーを一定にする場合には、その電圧が、二次電池の充電進行後、最終的に充電率として上記所要a%以下となるように保持することができる。
二次電池が満充電になれば(満充電以上の場合は)、上記回生エネルギーは保護抵抗に流して処理して二次電池の過充電を防止する。
一方、二次電池を充電再開する充電率b%は、所要の充電率aと同様に、車椅子の使用態様、燃料電池及び二次電池の性能等を考慮して適宜に設定すれば良いが、例えば、80%〜90%(<a%)の間、好ましくは80〜85%(<a%)とする。
また、この電動車椅子の使用を止める場合には、燃料電池を一定温度まで強制冷却することが好ましい。この冷却作用は、車椅子の使用者が、その使用を止めて、手元スイッチを切った後、自動的に行なうようにする。この冷却によって、燃料電池の熱によるダメージが軽減されて、燃料電池の寿命を高めることができる。
すなわち、鉛電池は、安価であるうえに、常時、充電状態にさらされる環境下に強いことなどから広く一般的に採用されているが、重量エネルギー密度が、ニッケル系二次電池の約半分、リチウムイオン電池の約1/3程度と特に低いため、搭載電池重量が、おおよそニッケル系二次電池の2倍、リチウムイオン電池の3倍必要となり、電動車椅子総重量を低減させるには限界がある。又、サイクル寿命も数百回程度であるため、使用状況、環境にも因るが一の車椅子(製品)寿命に対し何度か交換しなければならない恐れがある。
このように、燃料電池3の発電出力を一定状態に保持することにより、燃料電池3を常時高効率で運転させ続けることが可能となり、燃料電池3自体の長寿命化も期待できる。
回生過剰処理用の抵抗8は、坂道を長時間降下した場合で、かつリチウムイオン二次電池5が満充電となった場合に、燃料電池3の発電余剰エネルギー、回生エネルギー又はその両者を処理する目的で備えている。燃料電池3側からの水素圧力は水素エネルギー不足の検知のため、燃料電池3側からの燃料電池温度は冷却ファンの作動制御のため、それぞれ制御回路10に入力している。
このとき、通常走行、例えば、平坦な道走行等の通常負荷を作動させている状況において、前進加速、回転、坂道上昇等の通常の走行以上の電力を必要とする場合を想定することができる。
この場合、通常は、燃料電池3の発電エネルギーで走行し、前進加速等のそれ以上のエネルギーを必要とする場合に、二次電池5からエネルギーが供給されることとなる。
しかし、その通常走行においても、二次電池5の負担とならない限りにおいて、その二次電池5から電気エネルギーを供給すれば、走行はよりスムースとなる。その供給度合は、実走行、実験等によって適宜に設定する。
この実施例においても、燃料電池3による二次電池5の充電は、その二次電池3の充電率aが95%になるまで行い、その95%になれば、燃料電池3の発電を停止し、その発電停止時の燃料電池3の温度が一定値以下になれば、前記燃料電池3を上記暖機運転モードに移行させてその温度を一定値以上とする。この場合、二次電池5の充電率が95%以下の80%以下になれば、燃料電池3を起動させて二次電池5の充電を行なう。
このスイッチで、二次電池のみでの走行に切り替えれば、騒音を出す上記補機を停止させることができて、サイレントモードに移行し、騒音源を無くすことができる。
このとき、そのスイッチを切れば、燃料電池3、3aが駆動し、燃料電池による走行が行われる。なお、二次電池のみの走行時には、必ず、二次電池の容量を正確に表示するとともに、その二次電池の容量が必要最低限を割るようであれば、そのスイッチの入切に関係なく、燃料電池が再駆動するようにする。この制御システムのフローチャート図を、実施例1においては図8に、実施例2においては図9にそれぞれ示す。
Claims (8)
- 水素を燃料とする燃料電池(3)と二次電池(5)を搭載し、その燃料電池(3)及び二次電池(5)から電力が供給されるモータ(M)により自走し、その燃料電池(3)及び二次電池(5)からモータ(M)への電力供給を、車椅子(T)の走行条件に応じた電力負荷変動に基づき、ハイブリッド制御する電動車椅子において、
上記燃料電池(3)の発電エネルギーを一定に保持し、通常時、その燃料電池(3)の発電エネルギーが二次電池(5)の充電用及びモータ(M)の電力用として供給され、モータ(M)が燃料電池(3)からの一定出力より消費電力を差し引いた電力以上必要とする場合、その差し引いた電力が二次電池(5)からモータ(M)に供給されるように、車椅子(T)の走行条件に応じて電力負荷変動には前記二次電池(5)から供給される電力を変化させて対応するハイブリッド制御を行って走行することを特徴とする電動車椅子。 - 水素を燃料とする燃料電池(3)と二次電池(5)を搭載し、その燃料電池(3)及び二次電池(5)から電力が供給されるモータ(M)により自走し、その燃料電池(3)及び二次電池(5)からモータ(M)への電力供給を、車椅子(T)の走行条件に応じた電力負荷変動に基づき、ハイブリッド制御する電動車椅子において、
電動車椅子本体(1)の大車輪(2)間の座席下部に、燃料電池(3)、その補器(3a)、ボンベからなる水素燃料(4)及び二次電池(5)を搭載したことを特徴とする電動車椅子。 - 上記燃料電池(3)の電気エネルギー出力は、その燃料電池(3)が定常運転になるまでの暖機運転モードを有して、上記二次電池(5)はそれのみで上記モータ(M)を駆動させて走行可能なものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電動車椅子。
- 電動車椅子の使用中において、上記燃料電池(3)の発電停止時の温度が一定値以下になれば、その燃料電池(3)を上記暖機運転モードに移行させてその温度を一定値以上とすることを特徴とする請求項3に記載の電動車椅子。
- 上記燃料電池(3)の発電エネルギーを、その電圧が、上記二次電池(5)の充電進行後、最終的に充電率として所要(a)%以下となるように一定に保持することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の電動車椅子。
- 坂道降下走行時における回生エネルギーによって上記二次電池(5)の充電を行うことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の電動車椅子。
- 上記回生エネルギーによる二次電池の充電は、上記所要(a)%の充電率から100%の満充電まで行われ、満充電以上の場合は、前記回生エネルギーを保護抵抗(8)で処理することを特徴とする請求項5を引用する請求項6に記載の電動車椅子。
- この電動車椅子(T)の使用を止める場合には、上記燃料電池(3)を一定温度まで強制冷却することを特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載の電動車椅子。
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