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技術 車両電池充電システム

出願人 工藤二郎
発明者 工藤二郎
出願日 2011年11月4日 (7年7ヶ月経過) 出願番号 2011-254379
公開日 2013年5月20日 (6年1ヶ月経過) 公開番号 2013-099239
状態 特許登録済
技術分野 電池等の充放電回路 DC‐DCコンバータ 特殊な電動機、発電機 熱電素子 二次電池の保守(充放電、状態検知)
主要キーワード 熱電変換器 常時摺動 熱発電モジュール 銅薄板 充電制御器 流動空気 スイッチド エンジン廃熱
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年5月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

一般車両ハイブリッド車両オルタネータを省略できエンジンにかかる負担を小さくして、燃費の向上が図れる車両電池充電システムを提供する。

解決手段

車両電池充電システムは、複数の半導体熱電変換素子モジュール並列及び直列に接続している熱電変換素子ユニットに固定したヒートシンクに、強制的に冷却水不凍液)をエンジン1で駆動されるポンプ循環させる冷却パイプを固定した熱電変換器2と、熱電変換素子ユニットと充電制御器4を電気的に切り離すスイッチ機構チョッパーで構成される回転子を内蔵して、絶縁材のケースの外側に冷却ファンとエンジンの回転を伝えるプーリを有する機械式チョッパー3と、電圧の昇圧と充電する電圧及び電流を制御する充電制御器4と、車両に付属する電池5とで構成される。

概要

背景

化石燃料を使用するエンジン廃熱回収する手段として、半導体熱電変換素子電力を得る方法(例えば特許文献1、特許文献4、特許文献6参照)はこれまでも提案されている。また車体の振動を利用して圧電素子電気を発生させ、電池充電する方法(例えば特許文献2参照)や走行時の流動空気ファンを回転させて発電機を回して電力を得る方法(例えば特許文献3参照)も提案されている。さらに太陽光発電で発電した電力を電池に充電する方法(例えば特許文献5参照)等が提案されている。

概要

一般車両ハイブリッド車両オルタネータを省略できエンジンにかかる負担を小さくして、燃費の向上がれる車両電池充電システムを提供する。車両電池充電システムは、複数の半導体熱電変換素子のモジュール並列及び直列に接続している熱電変換素子ユニットに固定したヒートシンクに、強制的に冷却水不凍液)をエンジン1で駆動されるポンプ循環させる冷却パイプを固定した熱電変換器2と、熱電変換素子ユニットと充電制御器4を電気的に切り離すスイッチ機構チョッパーで構成される回転子を内蔵して、絶縁材のケースの外側に冷却ファンとエンジンの回転を伝えるプーリを有する機械式チョッパー3と、電圧の昇圧と充電する電圧及び電流を制御する充電制御器4と、車両に付属する電池5とで構成される。

目的

本発明によれば一般車両、ハイブリッド車両のオルタネータを省略できエンジンにかかる負担を小さくして、燃費の向上が図れる車両電池充電システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

複数の半導体熱電変換素子モジュール並列及び直列に接続している一個熱電変換素子ユニットに固定した一個のヒートシンクに、強制的に冷却水不凍液)をエンジンで駆動されるポンプ循環させる冷却パイプを固定した一個の熱電変換器と、熱電変換素子ユニットと充電制御器電気的に切り離すスイッチ機構チョッパーで構成される回転子を内蔵して、ケースの外側に冷却ファンエンジン回転を伝えるプーリを有する一個の機械式チョッパーと、電圧の昇圧と充電する電圧及び電流を制御する一個の充電制御器と、車両に付属する電池とで構成されていることを特徴とする車両電池充電システム

請求項2

前記冷却パイプの一部に冷却ファンで空気を吹き付けて冷却し熱源側(エンジン)との温度差を生じさせて、冷却水はエンジンに使用する不凍液と同等であって冷却ファンはベルトを介してエンジンで回転されることを特徴とする請求項1に記載の車両電池充電システム。

請求項3

前記機械式チョッパーに内蔵される回転子のチョッパーの働きで熱電変換素子ユニットの出力電圧を昇圧して前記充電制御器の動作範囲を広くするとともに、熱電変換素子ユニットが短絡による損傷を防ぐ為に電源スイッチの働きをする複数個摺動子が組み込まれていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両電池充電システム。

技術分野

0001

本発明は車両で化石燃料を使用するエンジン廃熱を利用した半導体熱電変換素子による車両電池充電システムに関する。

背景技術

0002

化石燃料を使用するエンジンの廃熱を回収する手段として、半導体熱電変換素子で電力を得る方法(例えば特許文献1、特許文献4、特許文献6参照)はこれまでも提案されている。また車体の振動を利用して圧電素子電気を発生させ、電池充電する方法(例えば特許文献2参照)や走行時の流動空気ファンを回転させて発電機を回して電力を得る方法(例えば特許文献3参照)も提案されている。さらに太陽光発電で発電した電力を電池に充電する方法(例えば特許文献5参照)等が提案されている。

先行技術

0003

特開公 平10−309088特開公2011−093505特開公2010−112367特開公2009−133210特開公2006−340544特開公2001−023666

発明が解決しようとする課題

0004

前記で提案されている化石燃料を使用するエンジンの廃熱を利用した半導体熱電変換素子で電力を得る方法では、熱電変換素子の保護や出力電力変動を抑える為に熱源と熱電変換素子の間に空間を作り、熱媒体を流してその流量を調節する(特許文献1)、または熱源の温度を制御(特許文献6)してエンジン冷却と熱電変換素子の発電を最適(特許文献4)にするとされている。また温度によって熱電変換素子と電池の接続を制御する(特許文献4)とされているがいずれの方法も制御手段が高コストになる恐れがあり、また圧電素子を利用する方法(特許文献2)やファンを利用した方法(特許文献3)では車が停止した時は発電できず発電容量が小さくて充電は難しい。太陽光発電(特許文献5)では雨天の日や夜間は発電できないので効率が悪いという課題がある。

課題を解決するための手段

0005

このような課題を解決するために本発明に係わる車両電池充電システムは、複数の半導体熱電変換素子のモジュール並列及び直列に接続している一個熱電変換素子ユニットに固定した一個のヒートシンクに、強制的に冷却水不凍液)をエンジンで駆動されるポンプ循環させる冷却パイプを固定した一個の熱電変換器と、熱電変換素子ユニットと充電制御器を電気的に切り離すスイッチ機構チョッパーで構成される回転子を内蔵して、ケースの外側に冷却ファンエンジン回転を伝えるプーリを有する一個の機械式チョッパーと、電圧の昇圧と充電する電圧及び電流を制御する一個の充電制御器と、車両に付属する電池とで構成されている。

0006

前記半導体熱電変換素子のモジュールは、P型半導体N型半導体チップ複数個組み合わせたゼーベック効果による熱発電モジュールで、該熱発電モジュールを複数個組み合わせた一個の熱電変換素子ユニットがエンジンの周りに配設されている。ゼーベック効果は温度差が大きいほど効率が高くなるので、冷却の為のヒートシンクと該ヒートシンクに固定する冷却パイプに冷却水(不凍液)を強制循環させ、該冷却パイプの一部に冷却ファンで空気を吹き付けて冷却し熱源側(エンジン)との温度差を生じさせている。前記冷却水はエンジンに使用する不凍液と同等のものであり冷却水を循環させるポンプとファンはベルトを介してエンジンで回転される。

0007

前記機械式チョッパーはスイッチング電源のチョッパーの働きを機械式に行うもので、車両の始動時にエンジンの温度が低く熱電変換素子ユニットの出力電圧が低い時に昇圧して充電制御器の動作範囲を広める為に作用させている。熱電変換素子ユニットが短絡による損傷を防ぐ為に電源スイッチの働きをする複数個の摺動子が組み込まれていて、エンジン停止時には熱電変換素子ユニットの出力が開放される。内蔵されている回転子はケース外部に取り付けられたプーリにベルトを介してエンジンで回転される。

0008

前記充電制御器は熱電変換素子ユニットの出力電圧を一旦昇圧して平滑した後、DC−DCコンバータで再び電圧の昇圧と、電圧及び電流が制御されて電池に充電電力を供給する。車両が停止している間もエンジンが回転し尚且つ温度が高い時は充電が継続され、エンジンが停止すると熱電変換素子ユニットから電気的に切り離されて充電が停止する。

発明の効果

0009

本発明によれば一般車両ハイブリッド車両オルタネータを省略できエンジンにかかる負担を小さくして、燃費の向上が図れる車両電池充電システムを提供することが出来る。

図面の簡単な説明

0010

本発明の実施の形態の車両電池充電システムの外観図である。同機械式チョッパーの拡大外観図である。同機械式チョッパーの回転停止時の拡大断面図である。同機械式チョッパーの回転時の拡大断面図である。同熱電変換器の拡大外観図である。同機械式チョッパー回転子の拡大外観図である。同電気回路ブロック図である。

実施例

0011

下図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
エンジン1のエンジン廃熱が伝わる外周の位置に熱電変換器2を直接または取り付け金具(図示せず)で固定する。固定位置はプーリB73がエンジン1の外側にはみ出す位置でエンジン1からベルト(図示せず)を介して回転を伝えられる位置になっている。またエンジン1の振動を避ける為にポンプ72を車体に取り付ける場合は、ポンプ72と冷却パイプ74の間をゴム管(図示せず)で繋ぐ

0012

機械式チョッパー3は回転子(図6)を内蔵し絶縁材のケースA11とケースB12で覆われて両ケース密着固定される。前記両ケースはプーリA10がエンジン1の外側にはみ出す位置で車体またはエンジン1に固定されて、エンジン1からベルト(図示せず)を介して回転が伝えられる。ケースA11には端子14a、b、cが一体成型されていて、内部には上下に自由に動けるようにカーボンブラシ30a、b、cがスプリング50a、b、cで常時摺動子A53(30c)と摺動子B54(30a、b)に圧して接触している。カーボンブラシ30a、b、cからは配線する電線(図示せず)が引き出されている。同じようにケースB12には端子14dが一体成型されていて、内部には上下に自由に動けるようにカーボンブラシ30dがスプリング50dで常時摺動子C55に圧して接触している。カーボンブラシ30dからは配線する電線(図示せず)が引き出されている。

0013

前記回転子(図6)のシャフト34には絶縁材のチョッパードラム31と固定具33と、ケースA11の外側にプーリA10と、ケースB12の外側に冷却ファン13が固定されている。絶縁材のスイッチドラム32はシャフト34を摺動自在に嵌め込まれている。二個の錘51a、bがそれぞれの板バネ52a、bに固定されていて、該板バネ52a、bの一端は錘固定具33に固定され、他端はスイッチドラム32に固定されている。シャフト34はケースA11とケースB12を回転自在に貫通している。

0014

絶縁材のチョッパードラム31の外周にはリング状に摺動子A53(銅薄板)と、一部を櫛型に等間隔で切り抜いた摺動子B54(銅薄板)を巻いて固定し、絶縁材のスイッチドラム32の外周にも同じく複数個所を残して切り抜いた摺動子C55(銅薄板)を巻いて固定し、前記残された部分の先端はチョッパードラム31に突き当たらないように曲げ加工されて、移動した時に該チョッパードラム31に接触し乍らせり上がる構造になっている。

0015

次に作用について説明する。
エンジン1が停止時は機械式チョッパー3に内蔵する回転子の電源スイッチの働きをするチョッパードラム31の摺動子A53と、スイッチドラム32の摺動子C55は接触せず熱電変換素子ユニット70の出力は開放されている。エンジン1が回転し始めるとチョッパードラム31とスイッチドラム32と錘固定具33は同時に回転を始め、板バネ52a、bに固定された錘51a、bが遠心力で外側に押しやられてスイッチドラム32をシャフト34に沿って引き寄せる。この時スイッチドラム32の摺動子C55の複数個所の一部がチョッパードラム31の摺動子A53にせり上がって接触し電気的に導通する。

0016

チョッパードラム31が回転して摺動子B54の櫛型にカットされた部分に接触するカーボンブラシ30aは、等間隔で導通と否導通を繰り返して充電制御器4の内部に配設した一次側コイル(T)に電流を流して二次側コイル(T)の出力電圧を昇圧する。昇圧された電圧は平滑されて前記充電制御器4に内蔵されたDC−DCコンバータに供給されて電池5の充電に適した電圧及び電流に制御される。

0017

熱電変換素子ユニット70の出力電圧を昇圧することで半導体熱電変換素子のモジュールの数量を減して該熱電変換器2を小型にすると同時にコストを下げる効果が期待できる。既存の車両でもオルタネータの代替として利用可能である。

0018

1エンジン33錘固定具
2熱電変換器34シャフト
3機械式チョッパー50スプリング
4充電制御器51 錘
5電池52板バネ
10プーリA 53摺動子A
11ケースA 54 摺動子B
12 ケースB 55 摺動子C
13冷却ファン70熱電変換素子ユニット
14端子71ヒートシンク
30カーボンブラシ72ポンプ
31チョッパードラム73 プーリB
32スイッチドラム74 冷却パイプ

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