(57)【要約】【課題】自動車に搭載するモータとして、超電導モータを使用することで減速機を不要とし、かつ、モータ回転の銅損をなくす。【解決手段】内燃機関エンジンとモータとを組み合わせて車両駆動させるパラレル型、シリーズ型あるいはシリーズパレラル型のハイブリッド自動車の車両駆動システムであって、上記モータとして超電導モータを用い、  該超電導モータは自動車に搭載した燃料電池あるいは／および上記内燃機関エンジンにより充電している二次電池から供給される電力で稼働される構成としている。【選択図】  図１
2005020913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関エンジンとモータとを組み合わせて車両駆動させるパラレル型、シリーズ型あるいはシリーズパラレル型のハイブリッド自動車の車両駆動システムであって、
上記モータとして超電導モータを用い、  該超電導モータは自動車に搭載した燃料電池あるいは／および上記内燃機関エンジンにより充電している二次電池から供給される電力で稼働される構成としていることを特徴とするハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【請求項２】
上記超電導モータを、液体窒素あるいは液体水素等の冷媒を循環させる冷媒循環ジャケット内に収容して超電導状態となるように冷却し、
あるいは、上記超電導モータを断熱容器内に収容すると共に該断熱容器を冷却器と接続して超電導状態となるように冷却している請求項１に記載のハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【請求項３】
上記冷却器は、上記二次電池から供給される電力、上記内燃機関エンジンの動力で発電される電力あるいは上記燃料電池から供給される電力で稼働している請求項２に記載のハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【請求項４】
上記冷媒循環ジャケットの冷媒が超電導モータの冷却により気化した時に、該気化した冷媒を冷却器に通して液化させている請求項２に記載のハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【請求項５】
上記超電導モータの温度検出手段と、該温度検出手段で検出された温度が超電導温度か常電導温度であることを判断する判別手段を備え、該判別手段により超電導温度であると判断された時は超電導モータあるいは／および内燃機関エンジンによる車両駆動とする一方、常電導温度であると判断された時は上記内燃機関エンジンによる車両駆動としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【請求項６】
走行開始時は上記内燃機関エンジンによる車両駆動とし、上記判別手段で上記超電導モータが超電導温度であると判断されると超電導モータによる車両駆動を開始する請求項５に記載のハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【請求項７】
上記超電導モータのコイル両端間に電圧測定手段を設け、該電圧測定手段により測定する電圧が０でなければ上記判別手段で上記超電導モータが常電導状態であると判断して、上記内燃機関エンジンによる車両駆動としている請求項５または請求項６に記載のハイブリッド自動車の車両駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド自動車の車両駆動システムに関し、詳しくは、モータとして超電導モータを用いるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関エンジンとモータを組み合わせたハイブリッド自動車は、ブレーキ時のエネルギー回生やモータによるトルクアシスト等の機能により走行効率が高く燃費がよいため、環境対策自動車としてすでに広く認知されるようになっている。
【０００３】
ハイブリッド自動車として、例えば、特開２００２−１６６７３５号において、図５に示すハイブリッド自動車１が提供されている。該ハイブリッド自動車１は、内燃機関動力システムＡ、バッテリー動力システムＢ、動力変換機１と主減速機２を有する。内燃機関動力システムＡは順に接続されるエンジン３、クラッチ４と変速機５からなる。動力変換機１の第一入力端は変速機５の出力と接続され、第二入力端はバッテリー動力システムＢの出力に接続されると共に、出力端は主減速機２の入力端に接続されている。バッテリー動力システムＢはバッテリー６から電力を受けてモータとして働く。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６６７３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ハイブリッド自動車１であると、バッテリー動力システムＢによるモータ出力では、車両発進時や坂道走行等に必要なトルクを得ることができないため、必要なトルクを得るために減速機２を介在させなければならず、コスト高になるという問題がある。また、モータの回転に銅損が発生するという問題もある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自動車に搭載するモータとして、超電導モータを使用することで減速機を不要とし、かつ、モータ回転時に発生する銅損をなくすことを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関エンジンとモータとを組み合わせて車両駆動させるパラレル型、シリーズ型あるいはシリーズパラレル型のバイブリッド自動車の車両駆動システムであって、
上記モータとして超電導モータを用い、  該超電導モータは自動車に搭載した燃料電池あるいは／および上記内燃機関エンジンにより充電している二次電池から供給される電力で稼働される構成としていることを特徴とするハイブリッド自動車の車両駆動システムを提供している。
【０００８】
上記構成とすると、従来のモータに替えて高トルクを実現できる超電導モータにより車両を駆動しているため、車両発進時や坂道走行時においてもスムーズな加速が可能となる。よって、高トルクを実現するための減速機を不要とすることができ、低コスト化および車両の軽量化を図ることができる。また、超電導モータを用いることにより、モータの回転に銅損が生じることもないため、環境負荷が低く効率的に動力を得ることができる。
【０００９】
上記内燃機関エンジンとしては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ＣＮＧエンジン等が挙げられる。
上記超電導モータの稼動には燃料電池や二次電池（蓄電池、キャパシタ）が用いられる。燃料電池と二次電池のいずれか一方で超電導モータを稼動してもよいし、燃料電池による電力の供給が不足した場合に二次電池により電力を補うようにしてもよい。上記二次電池の充電は内燃機関エンジンの動力を利用して発電機により生じた電力やブレーキ時の回生エネルギーにより行っている。
【００１０】
本発明のハイブリッド自動車の構造は、内燃機関エンジンと超電導モータとの動力源をいずれか単独あるいは複合して駆動軸を回転させるパラレル型でもよいし、エンジン発電機を搭載し、該発電機で発電された電気によって超電導モータを駆動して車両を走行させるシリーズ型でもよく、かつ、パラレル型とシリーズ型とを組み合わせたシリーズ・パラレル・ハイブリッドでもよい。
【００１１】
パラレル型の場合には、上記超電導モータの稼動可能時には該超電導モータにより上記車両を駆動する一方、上記超電導モータの停止時には上記内燃機関エンジンの動力により車両を駆動することができ利便性がよい。
シリーズ型であれば、内燃機関エンジンによる出力に超電導モータによる出力を加えることができ、出力の増大化を図ることができる。かつ、最も効率のよい回転域で内燃機関エンジンを稼動して発電機に電力を生じさせ、二次電池に電力を供給することができ、電力が十分な場合には内燃機関エンジンを停止することもできる。
【００１２】
上記超電導モータを、液体窒素あるいは液体水素等の冷媒を循環させる冷媒循環ジャケット内に収容して超電導状態となるように冷却し、
あるいは、上記超電導モータを断熱容器内に収容すると共に該断熱容器を冷却器と接続して超電導状態となるように冷却している。
【００１３】
超電導モータは超電導線材からなるコイルで構成されており、該コイルを超電導状態とするためには、コイルを超電導状態になる温度（「超電導温度」と称す）まで冷却する必要がある。この冷却には上記した冷媒もしくは冷却器を用いており、冷媒として液体水素や液体窒素が挙げられる。
特に、液体水素であれば、超電導モータの冷却により気化した液体水素を燃料電池に供給することで電気を発生させることができる。即ち、液体水素であれば超電導モータの冷却と電力発生の両方に利用することができる。
また、車両に水素を用いる燃料電池を搭載しない場合には、冷媒として高価な液体水素を用いるよりも液体窒素を用いる方が好ましく、超電導線材として高温超電導線材（ビスマス系線材等）を用いれば、液体窒素の温度（７７Ｋ以下）でも十分にコイルを超電導状態にすることができる。
【００１４】
上記超電導モータの冷却に冷却器を用いる場合、該冷却器は自動車に搭載した二次電池から供給される電力、上記内燃機関エンジンの動力で発電される電力あるいは上記燃料電池から供給される電力で稼働している。
【００１５】
上記冷媒循環ジャケットの冷媒が超電導モータの冷却により気化した時に、該気化した冷媒を冷却器に通し、該冷却器を上記内燃機関エンジンの動力で発電される電力等により稼動して、上記気化した冷媒を再び液化させてもよい。
【００１６】
液体水素あるいは液体窒素を冷媒として用いると、加熱されて気化が進み高圧化するが、冷却器により再び液化すれば、高圧化を回避するために気化した冷媒を外気に放出する必要がなくなり、かつ、再び冷媒として使用することができるので冷媒を補充する必要もない。また、これにより常に液体状の冷媒を冷却に使用することができるため、超電導モータの冷却を短時間で行うことができる。
【００１７】
本発明のハイブリッド自動車がパラレル型の場合、上記超電導モータの温度検出手段と、該温度検出手段で検出された温度が超電導温度か常電導温度であることを判断する判別手段を備え、該判別手段により超電導温度であると判断された時は超電導モータあるいは／および内燃機関エンジンによる車両駆動とする一方、常電導温度であると判断された時は内燃機関エンジンによる車両駆動としている。
【００１８】
即ち、上記温度検出手段により超電導モータの温度を検出し、該温度が上記判別手段に伝達されて、該判別手段により温度検出手段で検出された超電導モータの温度が超電導温度か常電導温度（超電導状態にならない温度）であることを判断する。超電導モータの動力を車両駆動に用いている場合、上記判別手段により超電導温度であると判断された時は超電導モータによる車両駆動を維持する一方、常電導温度であると判断された時は内燃機関エンジンによる車両駆動としている。  逆に、内燃機関エンジンによる車両駆動時に、上記判別手段により超電導温度であると判断された時は超電導モータの動力を車両駆動に利用する一方、常電導温度であると判断された時は内燃機関エンジンによる車両駆動を維持している。
なお、超電導モータが超電導状態になる温度は、超電導線材としてビスマス系線材を用いた場合にはおよそ１００ケルビンである。
【００１９】
また、走行開始時に超電導モータが十分に冷却されていない場合には、上記内燃機関エンジンによる車両駆動とし、上記判別手段で上記超電導モータが超電導温度であると判断されると超電導モータによる車両駆動を開始することが好ましい。
【００２０】
上記構成とすると、車両発進時に、超電導モータが十分に冷却されていなくても内燃機関エンジンの動力により車両を駆動させて発進させることができる。また、内燃機関エンジンの動力による車両駆動中、超電導モータは冷媒もしくは冷却器により冷却され、超電導モータが超電導温度まで冷却されると、自動的に超電導モータによる車両駆動が開始され、内燃機関エンジンと複合して駆動動力として用いる場合には、内燃機関エンジンの動力を超電導モータでアシストすることができる。
【００２１】
上記超電導モータのコイル両端間に電圧測定手段を設け、該電圧測定手段により測定する電圧が０でなければ上記判別手段で上記超電導モータが常電導状態であると判断される。これは常電導状態に移行すると同時に抵抗が発生し、コイルの両端に電位差が発生するためである。電圧差を検出すると、二次電池もしくはオルタネータから電力供給用の配線上のブレーカにて電流の流れを遮断する。これと同時にモータ駆動ができなくなるため、内燃機関エンジンをすぐ稼働させ、以後は内燃機関エンジンで車両の走行を維持している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の第１実施形態を示す。
第１実施形態はパラレル型のハイブリッド自動車からなり、ハイブリッド自動車の車両駆動システム１０には、超電導モータ２０と内燃機関エンジン（以下、エンジンと略称する）３０を搭載し、図１に示すように、前輪の回転駆動軸３１への動力伝達系統はパラレル型とし、内燃機関エンジンによる駆動を基本とし、超電導モータ２０で発生する動力でアシストする構成としている。
【００２３】
図１に示すように、エンジン３０にはガソリンタンク３２からガソリンが供給されると共にエンジン３０にオルタネータ（全波整流三相交流発電機）３３を接続し、該オルタネータ３３を二次電池３４に接続して、エンジン稼働時にオルタネータ３３で電力を発生させ、この電力を二次電池３４に供給している。
上記二次電池３４および燃料電池スタック３５から図中点線で示す経路Ｌ１を通して超電導モータ２０に電力を供給し、この経路Ｌ１には電力の供給を遮断する遮断機３６を介設している。
車両には液体水素タンク３８を搭載し、該液体水素タンク３８内の液体水素を配管３９を介して超電導モータ２０の外周に設けた冷媒循環ジャケット２４に循環させている。この冷媒循環ジャケット２４内で気化された水素は配管Ｌ２を通して燃料電池スタック３５へ供給している。
【００２４】
超電導モータ２０は超電導線材からなるコイル２１により構成され、コイル２１の両端に電圧計（電圧測定手段）２２を取り付けた状態で、真空構造として冷媒循環ジャケット２４内に収容している。
超電導モータ２０の温度を検出する温度センサー（温度検出手段）２３を設け、温度センサー２３からの検出値を判別手段２６へ送信している。この判別手段２６では検出した超電導モータ２０の温度が、超電導温度であるか常電導温度であるかを判断している。
【００２５】
上記判別手段２６による判断結果に基づいて遮断機３６に動作している。かつ、該遮断機３６は上記電圧計２２の測定結果に基づいても動作される。即ち、超電導モータ２０の温度および電圧に応じて遮断機３６を開閉して、超電導モータ２０への燃料電池スタック３５あるいは二次電池３４からの電力供給を継続あるいは停止している。
【００２６】
また、上記冷媒循環ジャケット２４内には高圧化回避弁２５を設け、気化した冷媒により所定の気圧まで達した場合には、該高圧化回避弁２５により気化した冷媒を外気に放出している。
【００２７】
上記エンジン３０は前輪の回転軸３１の回転駆動用としての役割と、二次電池３４を充電するための電力をオルタネータ３３で発電させる役割との２つの役割を果たしている。即ち、ガソリンタンク３２からガソリンを供給してエンジン３０を稼動させると、エンジン３０の動力でオルタネータ３３で発電され、この発電された電力が二次電池３４の充電用として用いられ、二次電池３４より超電導モータ２０に電力が供給されて、超電導モータ２０を稼動される。
なお、二次電池３４の充電は、オルタネータ３３からの電力供給のみならず、ブレーキ時の回生エネルギーによっても行っている。
【００２８】
超電導モータ２０を超電導状態にするためには、超電導モータ２０を十分に冷却する必要があるため、本実施形態では液体水素タンク３８に貯留された液体水素を冷媒として使用し、液体水素を配管３９を通して超電導モータ２０を収容した冷媒循環ジャケット２４に供給し、超電導モータ２０を冷却している。
【００２９】
図２は、本実施形態の駆動システムのフローチャートを示し、ハイブリッド自動車を駆動開始時には、まず、温度センサー２３で超電導モータ２０の温度を検出し、判別手段２６により超電導温度であるか常電導温度であるかを判断する。判別手段２６により超電導モータ２０が超電導温度であると判断されると、遮断機３６がオンとなり、超電導モータ２０に電力が供給されて稼動し、車両駆動が開始させる。一方、超電導モータ２０が常電導温度であると判断されると遮断機３６はオフの状態で、エンジン３０のみによる車両駆動が開始される。
【００３０】
上記超電導モータ２０のコイル２１の電圧が０である限り超電導モータ２０を稼働して車両駆動を継続する。一方、超電導モータ２０が常電導温度になったり、コイル２１の電圧が０でなくなった場合には、温度センサー２３もしくは電圧計２２から信号を受けて、遮断機３６がオフとなり、二次電池３４及び燃料電池スタック３５から超電導モータ２０への電力の供給を遮断して、エンジン３０のみによる車両駆動に切り替えられる。
【００３１】
また、エンジン３０のみによる車両駆動を開始した場合、超電導モータ２０が常電導温度である限りエンジン３０による車両駆動を継続する。超電導モータ２０が超電導温度になった場合には、温度センサー２３からの信号を受けて遮断機３６がオンとなり二次電池３４及び燃料電池スタック３５から超電導モータ２０への電力の供給が開始され、超電導モータ２０も稼働して車両を駆動させる。
【００３２】
上記構成とすると、高トルクを特徴とする超電導モータ２０により車両を駆動しているため、車両発進時や坂道走行時においてもスムーズな加速が可能となる。よって、高トルクを実現するための減速機を不要とすることができ、低コスト化および車両の軽量化を図ることができる。また、超電導モータ２０を用いているため、モータの回転に銅損が生じることもない。
【００３３】
また、超電導モータ２０の冷却に液体水素を使用しているので、超電導モータ２０の冷却により気化した液体水素を燃料電池スタック３５に供給することにより電気を発生させることができる。即ち、液体水素で超電導モータ２０の冷却と電力発生の両方の役割を果たすことができる。
【００３４】
図３は、第２実施形態のハイブリッド自動車の車両駆動システム４０を示す概略図である。第２実施形態もパラレル型であり、第１実施形態との相違点は超電導モータ２０の冷却を冷却器４１を用いて行い、冷媒として液体窒素を用いている点である。
【００３５】
上記車両駆動システム４０では、超電導モータ２０の冷媒ジャケット２４に供給する冷媒として液体窒素を用い、該冷媒ジャケット２４内で気化した窒素は配管４２を通して冷却器４１に送り、冷却器４１で再び液化させて液体窒素を再び冷媒ジャケット２４に供給して、冷媒を循環させている。
冷却器４１は二次電池３４から電力で稼動しているが、該二次電池３４からの電力供給のみでは電力不足となる場合には、燃料電池スタック３５からの電力を供給して稼動している。
【００３６】
上記構成とすると、液体窒素は加熱されて気化が進み高圧化するが、冷却器４１でり再び液化すれば、気化した冷媒を外気に放出する必要がなくなり、かつ、冷媒を補充する必要もない。なお、冷却器４１への供給量を超えて液体窒素が気化した場合には、高圧化回避弁２５より外部に放出している。
上記のように、液体窒素からなる冷媒を冷却器４１に循環させて急速冷却して使用しているため、超電導モータ２０の冷却を短時間で行うことができる。
なお、液体窒素からなる冷媒を用いず直接冷却器により超電導モータを冷却する構成としてもよい。
また、他の構成は第１実施形態と同様のため説明を省略する。
【００３７】
図４は、第３実施形態のシリーズ型ハイブリッド自動車の車両駆動システム６０を示す概略図である。
シリーズ型の車両駆動システム６０であるため、エンジン３０はオルタネータ３３にのみ接続してエンジン３０の動力をオルタネータ３３での発電にのみ利用し、オルタネータ３３で発電された電力を二次電池３４の充電に利用している。この二次電池３４あるいは燃料電池スタック３５からの電力で超電導モータ２０を稼働し、超電導モータ２０で前輪の回転駆動軸３１を回転駆動して車両を駆動させている。
【００３８】
上記超電導モータ２０の冷却機構は第１実施形態と同様であり、かつ、超電導モータ２０の冷却機構以外の他の構成も、超電導モータ２０への二次電池３４、燃料電池スタック３５からの電力供給経路に遮断機を設けていない点以外は同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。
なお、第２実施形態と同様に冷媒として液体窒素を用い、冷却器で気化した窒素を液化させて冷媒として循環させてもよい。
【００３９】
上記構成としても、高トルクを特徴とする超電導モータ２０により車両を駆動しているため、車両発進時や坂道走行時においてもスムーズな加速が可能となる。よって、高トルクを実現するための減速機を不要とすることができ、低コスト化および車両の軽量化を図ることができる。また、超電導モータ２０を用いているため、モータの回転に銅損が生じることもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、高トルクを特徴とする超電導モータにより車両を駆動しているため、車両発進時や坂道走行時においてもスムーズな加速が可能となる。よって、高トルクを実現するための減速機を不要とすることができ、低コスト化および車両の軽量化を図ることができる。かつ、超電導モータを用いているため、モータの回転に銅損が生じることもない。
【００４１】
また、超電導モータには冷媒を循環させて冷却しているが、冷媒として液体水素を利用した場合、超電導モータの冷却により気化した液体水素を燃料電池に供給することにより電気を発生させることができる。即ち、液体水素であれば超電導モータの冷却と電力発生の両方の役割を果たすことができる。
冷媒として液体窒素を用いる場合には、冷却器に循環させて気化した窒素を液化して超電導モータの冷却に利用している。よって、高圧化を回避するために気化した冷媒を外気に放出する必要がなくなり、かつ、再び冷媒として使用することができるので冷媒を補充する必要もない。また、冷却器を循環させることにより、超電導モータの冷却を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のハイブリッド自動車の車両駆動システムを示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態の駆動方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態のハイブリッド自動車の車両駆動システムを示す概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態のハイブリッド自動車の車両駆動システムを示す概略図である。
【図５】従来例を示す図面である。
【符号の説明】
１０  ハイブリッド自動車の車両駆動システム
２０  超電導モータ
２１  コイル
２２  電圧計
２３  温度センサー
２４  冷媒循環ジャケット
２５  高圧化回避弁
２６  判別手段
３０  内燃機関エンジン
３１  回転軸
３３  オルタネータ
３４  二次電池
３５  燃料電池スタック
３６  遮断機
４１  冷却器
【図１】
2005020913.tif 000003
【図２】
2005020913.tif 000004
【図３】
2005020913.tif 000005
【図４】
2005020913.tif 000006
【図５】
2005020913.tif 000007