電気車両システム
【課題】公害要因である鉛と、硫酸を使用しない電池を用いて走行させる電気車両システムを提供する。
【解決手段】電気車両システム１００は、プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、セパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の反応面における走行時電流の発生熱を発散させる前記電極の支持部材を備えて電池を形成する単位セル１０ａと、二次電池パック群１１，１２，１４と、インホイール発電機３０と、動力モータ２０と、放電・充電切替装置４１と、切替制御部５１と、を備え、前記切替制御部は、記憶手段と、放電切替手段と、充電切替手段と、を少なくとも備える。
【解決手段】電気車両システム１００は、プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、セパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の反応面における走行時電流の発生熱を発散させる前記電極の支持部材を備えて電池を形成する単位セル１０ａと、二次電池パック群１１，１２，１４と、インホイール発電機３０と、動力モータ２０と、放電・充電切替装置４１と、切替制御部５１と、を備え、前記切替制御部は、記憶手段と、放電切替手段と、充電切替手段と、を少なくとも備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車両システムに係り、より詳しくは、鉛成分のない電極と、アルカリ性電解液或は電解液として機能するイオン性液体と、からなる公害原因物質を含まない電池を用いて走行する電気車両システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極に鉛、電解液に硫酸を用いる鉛電池は長い間代表的な２次電池として普及し、材料及び構造が改良され、性能や寿命が向上してきた。すなわち、極板、セパレータ、電池ケースなどの改良により、メンテナンスフリー・シールドタイプ電池に至っていた。
【０００３】
しかしながら、エネルギ密度、電池容量などが低く、重量が重く体積が嵩張るという問題に加えて、電解液として硫酸を用いることによって、一般に性能を高めるとサルフレーション（硫化）が起り易くなり電池の内部抵抗の増加が避けられなかった。
【０００４】
さらにサルフレーションが進行すると、イオンの移動が困難になり動作不能となって廃棄に至るが、硫酸・電極の鉛など公害物質の廃棄処理が容易でなかった。
【０００５】
また、鉛電池を重負荷で使用した場合、極板も電解液も共に減耗するが、特に前述のシールドタイプ電池の場合は、極板は勿論、電解液の補充も不可能である。
【０００６】
そこで、電池内部の構造や電解液などの改良が多少行われているが、殆どの場合、電池の性能を悪化させており、材料固有の公害物質としての危険要因も回避できない。
【０００７】
例えば、鉛電池内部構造の改良に関しては、特許文献１にあるように、電解液槽の蓋に触媒を配した制御弁を設け、電池内で発生するガスを効率よく触媒反応させて生成した水を還流すると共に負極のサルフレーションを防止する技術が開示されている。鉛電池は以上のような問題点があるので、用途及び使用方法が限定されていた。
【０００８】
すなわち、従来から車両用に鉛電池が使用されていたが、以下のような種々の問題があった。ひとつには、単位容積あたりのエネルギー密度、電池容量が低く、車両用に使用するに当っては重く、大きな容積となるという問題があった。
【０００９】
さらに加えて、前述したようなサルフレーションによる鉛電池の内部抵抗の増加と、その鉛電池の硫酸及び鉛公害物質の廃棄が車両システムにとって問題となっていた。
とくに車両用鉛電池は重負荷で使用されるので、極板及び電解液も共に減耗するが、シールドタイプ電池の場合は、極板の取替え、電解液の補充はできないなどの欠点も車両システムにとっては都合が悪かった。
【００１０】
特許文献１は、車両用の重負荷に耐えられるように鉛電池内部構造を改良したものであったが、いずれにしても、２次電池としての鉛電池は電気車両システムの向上を制限していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５６号公報（第２、３頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前述の各種の問題となる公害要因である鉛と、硫酸を使用しない電池を用いて走行させる電気車両システムの提供を目的とする。
【００１３】
すなわち、鉛電池より高エネルギー密度・高容量であり急速充放電特性の優れた２次電池・リチウムイオン電池・空気電池などを用いる車両システムを課題とし、詳しくは１回の外部充電により長距離走行を可能とする車両走行中の補充充電機能を備えると共に、車両公害要因の発生の少ない車両システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するため、請求項１記載の発明の電気車両システムは、鉛を使用しない電池と、駐車中に商用電源から充電する接続端子を有する車載充電部と、前記電池の放電により車両を走行させるモータと、を少なくとも備えた電気車両システムであって、プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、それら電極間に電解質液体を浸すイオン交換用のセパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の反応面における走行時電流の発生熱を発散させる前記電極の支持部材を備えて電池を形成する単位セルと、二次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとしてそれを複数Ｎ組（Ｎは２，３又は４）設置する二次電池パック群と、車両の各車輪のホイールディスクにそれぞれ固着されたロータと前記各車輪の軸受けに固着されたステータからなり、前記ロータ及びステータの少なくとも一部が前記車輪のリムと前記ホイールディスクにより囲まれる空間に収納配設され、車両の走行により前記車輪が回転して電力を出力するインホイール発電機と、前記車両を電池により走行させる動力モータと、前記二次電池パック群中１組のパック電極端子と前記動力モータとを接続し放電させる制御信号を受け、前記二次電池パック群中他の１組のパック電極端子と前記インホイール発電機とを接続し充電させる制御信号を受け、それぞれ所定順序で循環して電池パックの接続切替をする放電・充電切替装置と、前記放電・充電切替装置へ前記制御信号を送り切替制御するコンピュータからなる切替制御部と、を備え、前記切替制御部は、前記二次電池パック群の第１、第２…第Ｎ二次電池パック毎の電力残量を計測するため各センサーからの信号値をメモリに集積する記憶手段と、車両走行に現在使用している放電中のパックの残量が走行に必要な所定量以下になったとの判定時には、次の所定順序のパックに接続させるため前記放電・充電切替装置の電子制御スイッチ群に対してそれぞれ制御信号を送る放電切替手段と、前記発電機から現在充電されている電池パックが満充電になっているとの判定時には、次に放電されたパックに接続させ、放電完了されたパックが無い場合は接続させない制御信号を前記スイッチ郡に対して送る充電切替手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記第１二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第１モードと、前記第２二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第１二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第２モードと、前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第（Ｎ−１）二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第ＮモードからなるＮ個のモードを、走行に使用している二次電池パックの残量が所定量以下になれば次のモードに順次切り替えるモード切替手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記各モードにおいて、車両ギアシフト部のドライブモードによる加速状態中は二次電子パックの電極端子と動力モータを接続し他の接続は切断し、前記ドライブモードによる加速以外の状態及びニュートラルモード状態中は二次電池パックとインホイール発電機を接続し他の接続は切断し充電による制動状態とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記放電切替手段及び充電切替手段に加えて、ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態期間に入れば、直前まで走行使用中の二次電池パックを前記動力モータにのみ接続し、その期間外になれば接続を解除し、一方、ドライブモードによる加速状態及びニュートラルモード状態期間に入れば、前記直前まで走行使用中の二次電池パック以外の電池パックを前記インホイール発電機にのみ接続し充電による車両制動状態とし、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送る加速・制動対応充放電手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記二次電池パック群に加えて、一次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとして、該セルスタックＭ組（Ｍは１又は２）の一次電池パックを設け、前記切替制御部は、前記二次電池パック群の残量がすべて前記所定値以下である時は前記一次電池パック中の１組へ接続制御信号を送り動力モータと接続する緊急切替手段を更に備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記動力モータに接続し現在まで使用していた二次電池パックを除く二次電池パックに対して、車両走行中車両停車中にかかわらず前記一次電池パックの１組から充電するための接続制御信号を送る一次電池充電接続手段を更に備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項５記載の電気車両システムであって、前記一次電池パックは、マイナス極活物質材料を交換できる挿入溝を有する再生型亜鉛空気電池であることを特徴とする。
【００２１】
請求項８記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記単位セルは、プラス極活物質材料をリチウム（Ｌｉ）を含む酸化物、マイナス極活物質材料を黒鉛（Ｃ）とし、セパレーターに含まれる電解質液をアルカリ性電解液又はイオン性液体と、それら活物質材料をそれぞれ固着支持し、電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け、中空間隙又は複数の中空孔を有して空気が通過できる板状の支持部材とからなり、各単位セルは充放電時に活物質部材に発生する熱を熱抵抗の少な支持部材を経由して前記中空孔から外部に熱排出することを特徴とする。
【００２２】
請求項９記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記単位セルは、プラス極活物質材料側には空気陰極を設けその外側に気体透過性膜を介して空気孔を有するプラス端子となる外囲器ケースを設け、マイナス極活物質材料を亜鉛（Ｚｎ）として、板状のマイナス極集電極板両面にその亜鉛材料を設け、そのマイナス極集電極と前記空気陰極との間には前記マイナス極活物質の亜鉛と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むアルカリ性電解液と、マイナス極活物質亜鉛材料を固着支持して電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け中空間隙のある板状の支持部材と、から少なくともなり、前記単位セルは空気中の酸素を使って発電し活物質に発生する熱を熱抵抗の少ない支持部材を経由して、その熱を中空間隙から自然に排出することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の電気車両システムであって、前記単位セルのマイナス極集電極と空気陰極との間は、マイナス極活物質の亜鉛と電解質液となるアルカリ性の水酸化カリウム（ＫＯＨ）とのペースト状からなり、空気のみ透過する膜で包まれていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記単位セルのマイナス極活物質が２種類あってそれらが支持部材上に分離して塗布され、等価的に２つが並列に接続した複合電池を形成し、前記単位セルの陽極は、白銅メッシュ状の所容積寸法の電極材料支持部材と、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかとカルシウムとカーボンとを所定配合比にしてバインダーを入れて混合し、前記電極材料支持部材に塗付し乾燥させたプラス極活物質材料とからなり、前記単位セルの陰極は、前記陽極の面積寸法と同一の電極材料支持部材と、亜鉛（Ｚｎ）、カーボンにそれぞれバインダーを入れて別々に混合し、所定面積比に分離して前記電極材料指示部材に塗り分け、乾燥させた陰極分離塗布型のマイナス極活物質材料とからなり、亜鉛側の対向面間の第１領域は二次電池として動作し、カーボン側の対向面間の第２領域はカルシュウムイオンにより高電圧型（セル当り）二次電池として動作することを特徴とする。
【００２５】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の電気車両システムであって、前記陽極側ペースト材の所定配合比は、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかが２０〜３０％、カルシウム４０〜６０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入り、前記陰極側ペースト材の所定面積比は、亜鉛塗布部６０〜９０％、カーボン塗布部１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の電気車両システムであって、陽極及び陰極の前記電極支持部材はそれぞれ電解質液が漏れないように気密封じして外囲器ケースを突き抜けて固定し、その部材に板状の中空間隙又は複数の中空パイプ孔を有して、熱抵抗の少ない支持部材を経由し熱放散することを特徴とする。
【００２７】
請求項１４記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、接続されている電池パックと前記インホイール発電機の発電出力電圧を常時計測し、その電池パックよりインホイール発電機の電圧値が下回った時点で、インホイール発電機からの出力端子上のすべての電子制御スイッチへ切断信号を送る発電機分離手段を備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項１５記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、複数Ｌ（整数）個の電気２重層コンデンサと、Ｌ個の前記電気２重層コンデンサに対して入力される電力を所定時間ずつ順次充電する充電切替制御回路と、充電されたＬ個の前記電気２重層コンデンサから各コンデンサ毎に順次放電させる放電切替制御回路とからなるコンデンサ部を、前記放電・充電切替装置に前記電池パック群と同様に並列に接続した蓄電装置と、前記切替制御回路部は車両が走行を開始する時を検知した時点より前記コンデンサ部を車両の前記動力モータに接続する制御信号を送り、発進時に必要な電流で動力モータを稼動させるコンデンサ放電手段と、を備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項１６記載の発明は、請求項１、２、４又は５のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記各単位セルのプラス極活物質材料及びマイナス極活物質材料は電解質液体を含めて外囲器又はケースに収容され、それぞれの活物質材料を固定支持する部材は垂直方向に前記外囲器又はケースを突き抜けて設けられると共に、その部材の垂直方向に中空スリット又は複数の中空孔を有する支持部材を備え、活物質材料からの発生熱を熱抵抗の少ない該支持部材へ伝導させ、該スリット又は孔中の空気の対流で発生熱を自然に又は強制空冷により外部に排出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の電気車両システムは、車両走行に用いる電池に鉛、硫酸を使用していないので、公害物質を含まず車両廃棄処理が容易となる。
また、前述した鉛電池に係る各種問題、例えば電池重量が重く、電池容積が大きいなどの問題点も解決され、サルフレーションもなくなり保守が容易となる。
【００３１】
また、車両の発進時、電池は短時間に急速放電が必要となるが、従来の鉛電池より急速放電に耐える性能を有し、又、急速放電による電池故障が少なくなる。その上、複数の電気２重層からなるコンデンサ部を並列して加えることにより、急速放電に対する故障をさらに少なくすることができる。
【００３２】
また、鉛電池より急速充電が可能であるため、鉛電池の場合に比較して少ない時間で満充電が可能となる。走行のため放電中に電池パックが空となり充電する場合は、本発明のシステムでは、車両の走行中にＮ組の電池パックに順次切り替えて充電すると共に、走行させる動力モータには次の電池パックを接続する
従って、電池パックの充放電性能に基づき必要な最小限の電池パックの数Ｎを定められる。
【００３３】
また、鉛を使用しない本願システムの電池はメモリ効果がないので、継ぎ足し充電が可能であることにより、本システムにおけるＮ組の電池パックの切替を任意に行い、走行中に走行に使用しない電池パックを補充充電することにより、走行距離を格段に増加させることができる。又、外部電源による満充電を受ける時間間隔を長くすることができる。
【００３４】
また、本システムの１セル当たりの電圧は鉛電池（１セル２．０Ｖ）より高く、約２．５Ｖあるため、所定電圧を求める場合、セル数が少なくて済み、小型軽量化ができる。
また、電池内部構造は、鉛電池に比較して低重量で材料費が安価であるため、製造コストが低い。さらに、外囲器も小重量構造であるため材料費が安価である。
また、プラスおよびマイナス極活物質材料のそれぞれの支持部材に設けた空気を通す間隙或はパイプ孔により前記材料に発生する熱を外部に出せるので、車両に必要とする電流を流しても温度上昇のし難いセル電池となる。一方、外囲器ケースの温度の排出は容易であり、体積の小型化に効果がある。
【００３５】
また、車両システムの放電・充電を順次行うＮ組の二次電池パック群に加えて、Ｍ組の一次電池パック群も放電・充電切替装置に接続配置すれば、二次電池パック群がすべて使用不能の緊急時には一次電池パックに切り替えられる安定した信頼性のあるシステムとなる。
すなわち、一次電池パックには、マイナス極活物質材料である亜鉛を用いた亜鉛空気電池とすれば、二次電池パックがすべて所定残量以下となった緊急の場合は何時でも切り替えられる車両システムとすることができる。
【００３６】
また、その一次電池パックが所定残量以下になれば、前記マイナス極活物質材料である亜鉛部分を容易に交換できる出し入れ挿入溝を設けた単位セル形状とすることにより、再生できる一次電池として有効に利用できる効果がある。
また、外部給電端子がない場所に停車した場合でも、走行中でも一次電池パックから必要とする二次電池パックへ何時でも充電できる。
尚、二次電子パックがＮ＝２の場合は、充電中の二次電池パックの充電が不足で動力モータの放電に使用されシステムダウンとなり易い。この場合一次電池パックが１組あれば最低の信頼性が保障される。
【００３７】
また、水素を用いる燃料電池を放電・充電切替装置に接続すれば、外部電源による満充電を受ける時間間隔を相当に長くすることができるので、空気中に放出する有害物質が極めて少ない車両となる。
さらに、その車両の外側に、光触媒（例えば二酸化チタンなどの超微粒子液体など）をスプレー或いは塗装すれば、光（紫外線）により車両は電子が抜けて正孔が生成し、結果として大気中の有機物を分解する。以上を総合すれば、従来になく環境問題を解決した車両システムとなる効果が生じることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電気車両システム（第一実施例）
【図２】電気車両システム（第二実施例）
【図３】車輪に取付けたインホイール発電機の構造図
【図４】インホイール発電機のロータとステータの構造図
【図５】放電・充電切替装置の切替回路図
【図６】切替制御部による放電・充電切替装置接続例（１）（第１の接続手段によるモード切替例）
【図７】切替制御部による放電・充電切替装置接続例（２） （第２の接続手段による加速・制動対応切替例）
【図８】電気２重層コンデンサ部の構造図
【図９】リチウムイオン電池の構造図
【図１０】充電放電可能の亜鉛空気電池セルの構造図
【図１１】オキシ水酸化ニッケル又は二酸化マンガンを用いた二次電池セル の構造図
【図１２】各種二次電池セルの充放電特性の比較図
【図１３】陰極材料分離型により電池容量の増大を示す表
【図１４】電極活物質材料別、電解質液別の充放電特性図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の電気車両システムの実施例について図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００４０】
図１は電気車両システム１００の実施例１の構成図である。電気車両システム１００において、１０ａは鉛を使用しない電池（鉛フリーバッテリー）の１単位のセルを示す。この実施例ではセル５単位を直列に接続し、第１、第２…第ＮのＮ組（Ｎは２，３，４）の二次電池パック群１１、１２…１４が構成され、それぞれ充電・放電切替装置４１に接続されている。
単位セル１０ａは、プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、それら電極間に電解質液を浸してイオン交換可能とするセパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の対向面積により所定の電池容量とする二次電池を形成する。
この二次電池セル１０ａは鉛を使用しない電池であり、少なくとも、リチウムイオン電池、充放電可能の亜鉛空気電池、オキシ水酸化ニッケル或は二酸化マンガンを使用した二次電池などのいずれかの種類のセルからなる。電気車両システムが必要とする電池に対応した高エネルギー密度、電池容量の各セル１０ａの詳しい構造に関しては後述する。
【００４１】
前記Ｎ組の二次電池パック群に加えて、１組の一次電池パック１９又はＭ組（Ｍは１，２）の一次電池パック群１６−１７を同様に充電・放電切替装置４１に接続する。勿論この一次電池パックは放電のみ行い充電動作はない。但し、この実施例ではいずれも再生型亜鉛空気電池１６，１７であり、１６ｂ，１７ｂはそれらの亜鉛材料交換口溝部を示す。
一次電池パックは、二次電池パック群がすべてダウンしたときに車両動力モータ２０に接続するように切替制御部ＣＰＵ５１は充電・放電切替装置４１を制御する充電緊急手段を有する。その際に、一次電池パックが複数ならば、ＣＰＵ５１により順次接続制御してＡＣ電源供給端子場所までの走行電力に用いる。或は、一次電池パックから二次電池パックへ停車中或は走行中にかかわらず充電する一次電池接続手段を容易に備えられる。電気車両システムとしての信頼性が向上する。
【００４２】
２０は車両９０の走行用の動力モータを示し、３０は車両９０の前輪３１、後輪３２（図３参照）のホイールディスク３４（図４参照）に取付けた４台のインホイール発電機を示す。このインホイール発電機３０は車両走行中に走行に使用していない電池パックを補充充電することができる。
尚、インホイール発電機３０のホイールディスク３４への取付け及び内部構造の詳細については図３、図４により後述する。
４台のインホイール発電機３０の出力ケーブル３９はマルチプレクサ３０ａを介して放電・充電切替装置４１へ接続する。
【００４３】
以上の実施例１の電気車両システムについては、動力モータ２０以外に車両停車中でも必要とする照明、センサー、空調機、ＡＣ１００Ｖ電源などの電力電源は一次又は二次電池パックの１組に接続して所定の電圧電源を出力させる手段を備える。二次電池パック群１１，１２…１４と動力モータ２０及びインホイール発電機３０との間にある放電・充電切替装置４１の切替回路の１例を図５（ａ）に示す。尚、図５（ｂ）は車内クーラ・ＡＣ１００Ｖ電源用接続回路並びに１次電池パックへ接続する緊急切替回路を示す。
【００４４】
その放電・充電切替装置４１を制御するコンピュータ構成の切替制御部５１による制御信号接続プログラムについて、本システムでは２種類の接続手段を提供する。
先ず、図６に、第１の接続手段として放電・充電切替装置４１の接続例（１）を示す。
即ち、切替制御部５１は、第１二次電池パック１１の電極端子を前記動力モータ２０に制御信号により接続し、第Ｎ二次電池パック１４の電極端子をインホイール発電機３０に制御信号により接続する第１モードと、第２二次電池パック１２の電極端子を動力モータ２０に制御信号により接続し、第１二次電池パック１１の電極端子をインホイール発電機３０に制御信号により接続する第２モードと、第Ｎ二次電池パック１４の電極端子を動力モータ２０に制御信号により接続し、第（Ｎ−１）二次電池パック１３の電極端子をインホイール発電機３０に制御信号により接続する第Ｎモードと、からなるＮ個のモードを順次循環して切り替える循環切替手段を備えるものである。
【００４５】
図６（ａ）には、切替制御部５１の構成図、（ｂ）には切替制御部４２による放電・充電切替装置４１の各モード切替状態表を示す。即ち、第１接続手段の場合おける各モードの接続状態を示す。
ここで、切替制御部５１は、ＣＰＵ（コンピュータ中央制御部）と、記憶装置５３と、入力及び表示装置５６及び５７と、放電・充電切替装置４１への制御端子を含む制御出力端子群５４と、放電・充電切替装置４１に接続される第１〜第Ｎの電池パック１１〜１６、動力モータ２０、インホイール発電機３０の電圧・電流などの情報を入力するセンサー入力端子群５５とからなる。
一方、放電・充電切替装置４１は、ここでは、商用電源の電流に耐えるアノード、カソード、ゲートからなるシリコン制御整流素子を使用する。図示したようにｈ１−ｈ８…ｎ１−ｎ８はゲート端子を示す。
【００４６】
切替制御部５１の出力端子群５４は切替装置４１の前記ゲート端子にそれぞれ接続され、それらのゲートにＯＮ，ＯＦＦの切替制御信号を送り図６に示すように第１モード、第２モード…第Ｎモード、第１モードと循環させることができる。
第１の接続手段は、モード切替手段であり、その切替タイミングは単純であるので、安定性のある電気車両システムとなる。
ここで、効率を向上させるため、切替制御部５１は、前記各モードにおいて、車両ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態中は二次電子パックの電極端子と動力モータ２０を接続し他の接続は切断し、前記ドライブモードによる加速以外の状態及びニュートラルモード状態中は二次電池パックとインホイール発電機３０を接続し他の接続は切断し充電による車両制動状態にするようにしてもよい。そのため切替制御部５１の入力端子群５５からドライブモードにおける加速などの状態及びニュートラルモードにおける状態を検出せるセンサー並びにモータ２０からのセンサーの信号を受けるようにする。
【００４７】
次に、図７の、第２の接続手段の例を以下に示す。
切替制御部５１は、前記放電切替手段及び充電切替手段に加えて以下の手段を備える。ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態期間に入れば、直前まで走行使用中の二次電池パックを前記動力モータにのみ接続する制御信号、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送り、一方、ドライブモードによる加速以外及びニュートラルモード状態期間に入れば、前記直前まで走行使用中の二次電池パック以外のパックを前記インホイール発電機にのみ接続し充電による車両制動状態とする制御信号を送り、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送る加速・制動期間毎の切り替えタイミングで、充電・放電を使用中のそれぞれのパックへ継続して行う充電・放電手段である。
【００４８】
以上の第２接続手段では、前記車両加速状態及び車両制動状態検出したセンサー信号をそれぞれ受信する入力端子群５５を介して切替制御部５１のＣＰＵで受け、そのセンサー信号が切り替わるタイミングに合わせて現在使用中に電池パックに接続したり解除したりする。なお、入力端子群５５から第１、第２の電池パック１１、１２、動力モータ２０、インホイール発電機３０などから電流或いは電圧センサーを用いて状態情報を取得し、切替のタイミングをＣＰＵ５１で判定してもよい。詳しくは、その第２の接続手段を図７に切替制御部の放電・充電切替装置の接続例（２）として電気車両システムの流れ図を示した。
即ち、第２の接続手段は、加速・制動対応切替手段である。
【００４９】
車両が外部電源により二次電池パックを満充電にして、次に走行のため電源が入ると切替制御部５１が稼動して放電・充電切替装置４１の制御が開始される。（Ｓ１）
次に、Ｓ２に移り、車両加速状態期間にあるかを制御部５１は検知する。ＮＯならばＳ３に移り、ＹＥＳならばＳ４に移り、第１の電池パック１１を動力モータ２０に接続させる。そのパックが放電により所定残量以下になれば次の電池パックに接続させる。（放電切替手段）Ｓ６に移り、接続後の電池パックでは該電池パックは放電状態となるが、制御部５１はその間所定時間毎に車両加速状態にあるかを調べる。
ＹＥＳならばＳ４に戻り繰り返し、ＮＯならばＳ８で接続を解除してＳ３に移る。Ｓ３では、車両制動状態期間にあるかを制御部５１は調べる。ＮＯならばＳ１０に移り、ＹＥＳならばＳ５に移り、制御部５１は前回放電して直前まで充電中のパックに接続させる。そのパックが充電完了ならばそのパックの次に放電されたパックに接続させる。
【００５０】
（充電切替手段）
次にＳ７に移り制御部５１は電池パック充電中所定時間毎に車両制動状態であるかを調べる。ＹＥＳならばＳ５に戻り繰り返し充電完了毎に次のパックに接続させ、ＮＯならばＳ９その接続を解除しＳ２に移り繰り返す。
Ｓ１０では車両が停車したか或はギアシフト部がドライブモードか或はブレーキ状態かを調べる。ＮＯならばＳ２に戻る。ＹＥＳならばＳ１１へ移り制御部５１のＣＰＵは待状態となる。或はその電源はＯＦＦとなる。
但し、Ｓ５において、商用電源から全パック充電済み直後は、第１の電池パックの残量が無くなり次のパックに移るまでは、充電接続はしない。
【００５１】
第１の接続手段か第２の接続手段かにかかわらず、複数Ｎ組の二次電池パック群は、Ｎ組が２以上であるが、重量を考慮しＮ組の数は４以下の必要最小限の数に定める。即ち、単位セル１０ａのエネルギー密度、電池容量、充放電特性などと、電気車両システムに要求される一回の外部充電で走行できる距離などとにより定める。
単位セル１０ａのエネルギー密度、電池容量が大きく、充電特性の立ち上がりが速く放電特性の立ち下がりが遅く、本電気車両システムの動作や制御に充分適応した特性であれば、最小のパック数である２組（Ｎ＝２）の二次電池パック１１，１２だけとすることができる。この場合は切替制御部５１により制御する第１モード、第２モードの２組のモードのみとなる。
【００５２】
第１モードで第１の電池パック１１の残量が所定値以下になれば、制御部５１は第２モードに切替えるが、その時、第２の電池パック１２の充電が不足の場合には第１の電池パックは走行に充分使用できず電気車両システムはダウンし易い。そこで一次電池パックを備えて、一次電池パック１６，１７に切り替えるように制御する手段を備えることがシステムの最低の信頼性を確保するため必要となる。尚、Ｎが３以上ならば、必ずしも、一次電池パックを備えなくてもよい。
【００５３】
次に車輪に取付けたインホイール発電機３０の詳細構造を説明する。図３は車輪３１，３２に取付けたインホイール発電機３０の構造図である。
車両９０各車軸３３の前輪３１及び後輪３２のホイールディスク３４にはロータ３５がそれぞれ固着されている。
車両９０の動力モータ２０により車軸３３が回転すると、ロータ３５がステータ３６（図４参照）に対して回転し、発電された電力がケーブル３９を通じてマルチプレクサ３０ａを介して放電・充電切替装置４１へ出力される。
【００５４】
図４は、インホイール発電機３０のロータ３５とステータ３６の詳細構造を示す図である。
図４は、車軸３３を通り地面に垂直な面の断面を示し、９０ａは車両の車台を示し、９０ｂはタイヤ、９０ｃは懸架装置、９０ｄはバネを示す。
車軸３３はベアリング３３ａを介して軸受３７により軸支され、軸受３７は懸架装置９０ｃ及びバネ９０ｄを介して車台９０ａを支持しており、ホイールディスク３４はその中心部分において車軸３３の端部に固着され、その外周部分においてリム３４ｂを備え、タイヤ９０ｂを支持している。
【００５５】
ホイールディスク３４は、その中間部分に突起固着部３４ａを備え、一方、軸受３７は延伸部３７ｃとその外周に設けられた支持体３７ｂを備え、突起固着部３４ａは延伸部３７ｃと支持体３７ｂの間に設けられた同心円状の開口部を貫通するように配置されている。
支持体３７ｂの内部に複数のコイル３５ａを周方向に配列させたロータ３５は突起固着部３４ａに固着され、さらにベアリング３７ａを介して軸受３７により軸支されている。
他方、永久磁石からなるステータ３６は、軸受３７から延伸された支持体３７ｂに固着されている。
以上の構成により、ステータ３６の内側でロータ３５が車軸３３と共に回転すると、コイル３５ａの両端に接続された配線を通じて発電出力が取り出される。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明の電気車両システムの実施例２を説明する。図２は、本発明の電気車両システム２００の実施例２を示す構成図である。図１の符号と同一の符号は同じ機能であり説明を省略する。
６０は、第１第２〜第Ｎの電池パック１１、１２〜１４と同様に放電・充電切替装置４２に接続されたコンデンサ部である。図８はコンデンサ部６０の構成を示す図である。
図８に示すように、コンデンサ部６０は、複数Ｐ（整数）個の電気２重層コンデンサ６１と、Ｐ個の電気２重層コンデンサ６１に対して入力される電力を所定時間Ｔづつ順次充電する充電切替制御回路６２と、充電されたＰ個の２重層コンデンサ６１からその各電気２重層コンデンサ６１毎に順次放電させる放電切替制御回路６３とから構成される。
【００５７】
上記構成のコンデンサ部６０は、放電・充電切替装置４２に蓄電装置として接続される。但し、充電側端子６４と放電側端子６５とに２対にわけて放電・充電切替装置４２に接続される。
尚、コンデンサ部６０内部に充電・放電切替回路を設けて、切替制御部ＣＰＵ５２がその切替を制御するようにすれば、充電側端子６４と放電側端子６５は１対になる。
更に、１組の一次電池パック１９が充電切替装置４２へ接続される。この電池パックは再生型亜鉛空気電池であり、各セル毎に亜鉛材料交換口溝部１９ｂを備える。この構成に関しては、後述する。（図１０参照）
【００５８】
また、Ｎ組の二次電池パック１１−１４と、放電・充電切替装置４２を介する動力モータ２０及びインホイール発電機３０との間の切替制御部５２による接続制御プログラムは前記第１の接続手段でもよく第２の接続手段でもよい。
切替制御部ＣＰＵ５２は、いずれかの接続手段に以下のようなコンデンサ放電手段を加える。
すなわち、切替制御部ＣＰＵ５２は、停止している車両が走行を開始する時を検知して、その時点よりコンデンサ部６０の放電側端子６５を車両の動力モータ２０に接続するＯＮ信号と共に、第１及び第２の電池パック１１、１２はＯＦＦとなる信号を送り、発進時に必要な大電流を所定時間（Ｐ個の２重層コンデンサ６１が全部放電する時間）動力モータ２０を稼動させ、通常のモード切替手段に戻す。
【００５９】
尚、充電切替制御回路６２は、インホイール発電機３０からの充電電力を受けて、図８の破線右側に示すデマルチ部でデマルチし、Ｐ個の電気２重層コンデンサ６１に時分割信号で供給する。
他方、放電切替制御回路６３は、Ｐ個の電気２重層コンデンサ６１にストアされた電力を時分割信号で放電するように制御する。これらの放電電力を図８に示す破線右側のマルチプレクサ部でマルチプレックスし、車両の動力モータ２０へその放電電力を供給する。
【００６０】
二次電池パック群１１−１４及びコンデンサ部６０に加えて、マイナス極活物質材料の交換可能な亜鉛空気電池１９も放電・充電切替装置４２に同様に接続されているので、放電して残量が少ない時は亜鉛材料交換口溝部１９ｂに何時でも亜鉛材料を挿入して空気電池を再生できる。
二次電池パック群が総てダウンするか充電時間が足りない時は緊急用として使用できる。切替制御部ＣＰＵ５２は放電・充電切替装置５２に緊急の場合のみ亜鉛空気電池１９を自動的に接続させる。
【００６１】
放電・充電切替装置５２における二次電池パック群１１−１４との接続回路は、実施例１の放電・充電切替装置４２と同様なので説明を省略する。
尚、第１の接続手段、第２の接続手段のいずれも採ることができる。
又、以上の実施例２は、実施例１と同様に動力モータ以外の電力電源として二次又は一次電池パックの１組に接続する手段を備え、照明、空調機、センサー機器に使用できる電源を設けることができる。
【００６２】
次に電気車両システムに適応するように、電池セルの極間反応の対向面積を大きくして且つ各極活物質材料からの発熱を効率よく放散させる高容量の二次電池単位セル構成について説明する。尚、一次電池セルの構成も同様である。
図９には、リチウムイオン電池の構造図を示す。図９（ａ）は５単位セルからなる１組の二次電池パックを示す。図９（ｂ）（ｃ）はその１単位セルの構造図例を示し、（ｃ）は車両用に特に放熱に対応した構造を示す。図９（ｄ）は（ｃ）のｚ−ｚ断面図を示す。図中、ｃはスラリー状にしたマイナス極活物質材料ｃｘを塗込み乾燥させた支持部材の板状陰極板、ｄはスリラー状にしたプラス極活物質材料ｄｘを塗込み乾燥させた支持部材の板状陽極板、ｅはアルカリ水溶液又はイオン性液体、ｆはイオン交換セパレータ、ｇは外囲器又はケースを示す。ｐは液が漏れないようなパッキング又は封じ機構を示す。
ｃｘは黒鉛（Ｃ）、ｄｘはリチウムを含む酸化物からなる。その酸化物にはコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウムなどを使う。
【００６３】
図９（ｂ）は板状の陰極ｃと陽極ｄとを交互に配列して反応面積を増やし単位体積当りの電池容量を増加させる１単位セルの構造を示す。但し、高エネルギー密度となるので、対応した各極の放熱を図９（ｃ）のように考慮する。
図９（ｃ）は支持部材ｃ、ｄをそれぞれ中空板状或は中空パイプを埋め込んだ板状として熱放散を増加させた構造である。エネルギー密度が高くなると単位面積当りの電流が増加し熱の発生も増加する。従って、電流が増加する程、極板の放熱はセルの高容量化に必要となる。
詳しくは、（ｃ）に示すように、中空板支持部材ｃ、ｄを外囲器或はケースｇに対して垂直方向に突き抜けて、パッキング又は封じ機構ｐにより電解液が洩らないようにそれぞれ配設すれば、マイナス及びプラス極活物質材料ｃｘ、ｄｘが発生する熱を中空板支持部材ｃ、ｄに伝導され、その熱は中空にある空気を加熱して熱対流により加熱空気は支持部材中空排気孔ｓを通り上方へ流れ自然に排気される。図中の矢印は空気の移動方向を示す。
【００６４】
図１０（ａ）（ｂ）には、車両用に対応した亜鉛空気電池単位セルの構造図例を示す。マイナス極活物質材料ｃｘを亜鉛（Ｚｎ）とし、その外側にマイナス極材料支持部材である板状集電極ｃを設ける。
一方、プラス極活物質材料側は空気電極ｄを設け、外囲器ケースｇとの間に気体透過性膜ｋを配置してアルカリ電解液或はイオン性液体ｅを漏らさないように封じ機構ｐを設ける。ここで、ｇａは空気酸素取り入れ口である。ｇｂは外囲器ケースｇ間の空気流通路である。
図１０（ａ）は板状支持部材ｃと外囲器ｇからなる対を横方向に集積し反応面積を増やし車両に適応した電池容量とすることができる構造を示す。
尚、外囲器ケースｇを一体の収納ケースとして、その中に分割する隔壁板を設けてもよい。この場合は各隔壁板毎に中空の空気流通路を設ければよい。
図１０（ｂ）には、更に、ｃｘの支持部材ｃに発生する熱を冷却する中空間隙構造を示すが、図９（ｃ）と同様の原理なので説明は省略する。
【００６５】
図１１は、プラス極活物質材料ｄｘにはオキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかとカルシュウムとカーボンを用い、マイナス極活物質材料ｃｘには亜鉛（Ｚｎ）とカーボンを用いた車両用に対応した二次電池セルの構造図を示す。
図１１（ａ）は、各セル毎の単位セル内部構造図である。ここでａ、ｂはそれぞれ陽極端子、陰極端子を示す。ｃ、ｄはそれぞれ活物質材料ｃｘ，ｄｘを塗布したの板状支持部材を示し、ｅはアルカリ水溶液又はイオン性水溶液を示す。ｆは水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータ、ｇはそれらの外囲器ケースを示す。ｐはパッキング又は封じ機構を示す、尚、板状支持部材ｃ，ｄの放熱構造はそれぞれ後述する。
【００６６】
図１１（ｂ）は陽極側の製造の流れ図、（ｃ）（ｄ）は陰極側の製造の流れ図である。
陽極側は、最初にプラス活物質材料ｄｘの支持部材ｄとして白銅板をメッシュ状にした電極基板を製作する。一端には予め＋端子ａを設ける。
次に、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）と、カルシウム（Ｃａ）と、粒状のカーボンとにバインダーを入れて混合し、ペースト状にしたものを前記白銅板メッシュ状の電極基板に塗布する。
塗布後、ペーストを乾燥させてから焼付け、陽極側の製作が完成する。
一方、陰極側は、最初にマイナス活物質材料ｃｘの支持部材ｃとして亜鉛板をメッシュ状にした電極基板を製作する。一端には予め−端子を設ける。
【００６７】
次に、亜鉛（Ｚｎ）、粒子のカーボンにそれぞれバインダーを入れて別々に混合し、亜鉛のペースト状とカーボンのペースト状の２種類のペーストにしたものを分離して前記亜鉛板メッシュ状の支持部材ｃｘに塗布する。
塗布後、ペーストを乾燥させてから焼付け、陰極側の製作が完成する。
ここで、陽極側の支持部材ｄの水酸化ニッケル又は二酸化マンガンとカルシウムと、カーボンの配合比は、それぞれ２０〜３０％、４０〜６０％、１０〜４０％の範囲に入るようにする。
一方、陰極側の支持部材ｃには２種類のペーストを分離せて塗布するが、その亜鉛ペースト領域とカーボンペースト領域との塗布面積比は、それぞれ６０〜９０％、１０〜４０％の範囲に入るようにする。
尚。ここで、図１１（ｃ）、（ｄ）に示すように前記２種類の分離領域は水平或は横方向に分離したパターンでもよく、垂直或は縦方向に分離したパターンでもよい。更に、その分離パターンを繰り替えしてもよい。製造工程の容易さによって決めればよい。図１１（ｄ）はパターン周期が２回の場合を示す。
【００６８】
以上の構成における二次電池として、支持部材ｃ或はｄがフィルム状の構造が考えられるが、電流を必要とする車両用としては熱放散構造に適当でない。
板状の支持部材ｃ及びｄは、図１１（ａ）に示したように、外囲器ケースｇをパッキングｐにより電解質を漏らさず垂直（縦）に突き抜け、さらにその内部は中空状間隙或は中空孔えを有して空気の対流により自然に排気する構成である。図９（ｃ）図１０（ｂ）と同様の放熱構造である。
図１１（ａ）に示した熱放散によい構造に、図１１（ｂ）（ｃ）のメッシュ状の支持部材ｃ，ｄを変える場合は中空間隙或るいは複数のパイプ孔を持つ板の両側にメッシュ状支持部材ｃ或はｄを貼り付ければよい。
【００６９】
前記２種類の領域において、マイナス極材料ｃｘペースト材に亜鉛が含まれてプラス極材料ｄｘとセパレータｆを介して対向している部分を第１の領域とし、カーボンと対向している部分を第２の領域とする。即ち、マイナス極材料が異なる二次電池が並列に接続された回路と等価である。
プラス極側 ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ− ⇔ Ｎｉ（ＯＨ）＋ ２ＯＨ−
マイナス極側 Ｚｎ＋２ＯＨ− ⇔ ＺｎＯ＋ Ｈ２Ｏ＋ ｅ−
第１の領域では、放電の反応によりプラス極材料ｄｘで生成された水酸化イオンＯＨ−はセパレータｆを透過しマイナス極材料ｃｘに移ると共に陰極端子から電子ｅ−が陽極端子へ流れる二次電池を形成する。
【００７０】
一方、第２の領域では、カルシウムイオン（Ｃａ＋）が反応する。充電時にはカルシウムイオンがプラス極材料ｄｘから放電されマイナス極材料ｃｘのカーボンに吸着される。また、放電時にはマイナス極材料ｃｘに吸着されたカルシウムイオンがカーボンより離脱されプラス極材料ｄｘに戻る。
カルシウムイオンはイオン半径が大きいので、充電時にそのイオンを捕捉するマイナス極材料ｃｘの性能に大きく依存する。従って、マイナス極材料ｃｘにカーボンを分離した第２の領域を設けた複合電池とすることにより、カルシウムイオンをより多く吸着させることができる。前記パターン繰り返しも効果がある。また、カルシウムイオンは２価の陽イオンであるので第２の領域のおける二次電池セルは高電圧（セル当り１，８〜３，０Ｖ）なので、陰極材料分離型二次電池セルとすれば高電圧となり、セル数の少ない二次電池パックとすることができる。
【００７１】
図１２（ａ）は、充電特性の比較図を示す。（ｂ）は、放電特性の比較図を示す。（ａ）、（ｂ）ともに鉛電池、陰極非分離型、陰極材料分離型を比較した図である。いずれの曲線も４０Ａｈ容量の場合で比較した。
（ａ）では１０．８Ｖでスタートして１２．５Ｖになるまで時間の差を示し、分離型は充電時間が短いことを示す。
（ｂ）では、いずれも１２．５Ｖから１０Ａの定電流放電により１０．８Ｖになるまでの時間を示す。陰極分離型は放電特性も長いことを示す。
以上の充放電特性は電池パックの充電時間を短くし、車両による放電時間を長くする。結果として車両が外部電源から充電する時間距離の間隔を長くできる。
図１３は陰極材料分離型により容量の増大を示す表である。非分離型に較べて約２倍程度容量が増加する。
【００７２】
図１４は、陰極材料分離型の電極活物質材料別、電解質液別の充放電特性の比較図を示す。図１４（ａ）は充電特性の比較図であり、図１４（ｂ）は放電特性の比較図である。ここでＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの材料別電解質液別の組合せを以下に示す。
Ａの組合せは、プラス極材料ｄｘが水酸化ニッケル、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがアルカリ電解液である。
Ｂの組合せは、プラス極材料ｄｘが二酸化マンガン、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがアルカリ電解液である。
Ｃの組合せは、プラス極材料ｄｘが水酸化ニッケル、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがイオン性水溶液である。
Ｄの組合せは、プラス極材料ｄｘが二酸化マンガン、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがイオン性水溶液である。
尚、水酸化ニッケル、或は二酸化マンガンの代りに酸化銀でもよいが、コスト面から不利である。
また、イオン性溶液は一般に温度特性がよく、不燃性であり安全性があり、外気との反応が少なく、蒸発も少ない長期的に安定した二次電池となる。
【符号の説明】
【００７３】
ｃｘ マイナス極活物質材料
ｄｘ プラス極活物質材材
ｃ ｃｘの支持部材、集陰極
ｄ ｄｘの支持部材、陽極、空気電極
ｅ アルカリ水溶液又はイオン性液体
ｆ イオン交換セパレータ
ｇ 外囲器又はケース
ｇａ、ｇｂ 空気孔
ｋ 気体透過性膜
ｓ 支持部材中空排気孔
ｐ パッキング又は封じ機構
ｈ１−ｈ８、ｎ１−ｎ８ シリコン制御整流素子のゲート端子
１０ａ，１０ｂ 二次電池、一次電池単位セル
１１−１４ 第１第２…第Ｎの二次電池パック（Ｎ＝２，３，４）
１６−１７ 第１…第Ｍの一次電池パック（Ｍ＝１，２）、再生型亜鉛空気電池
１６ｂ，１７ｂ，１９ｂ 亜鉛材料交換口溝部
１９ 一次電池パック
２０ 動力モータ
３０ インホイール発電機
３０ａ マルチプレクサ
３１ 前輪
３２ 後輪
３３ 車軸
３３ａ ベアリング
３４ ホイールディスク
３４ａ 突起固着部 ３４ｂ リム
３５ ロータ
３５ａ コイル
３６ ステータ
３７ 軸受
３７ａ ベアリング ３７ｂ 支持体 ３７ｃ 延伸部
３９ 出力ケーブル
４１、４２ 放電・充電切替装置
５１、５２ 切替制御部
５３ 記憶装置
５４ 制御出力端子群
５５ 信号入力端子群
６０ コンデンサ部
６１ 電気２重層コンデンサ
６２ 充電切替制御回路
６３ 放電切替制御回路
６４ 充電側端子
６５ 放電側端子
９０ 車両
９０ａ 車台 ９０ｂ タイヤ ９０ｃ 懸架装置 ９０ｄ バネ
１００、２００ 電気車両システム
１９ マイナス極活物質材料の交換可能亜鉛空気電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車両システムに係り、より詳しくは、鉛成分のない電極と、アルカリ性電解液或は電解液として機能するイオン性液体と、からなる公害原因物質を含まない電池を用いて走行する電気車両システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極に鉛、電解液に硫酸を用いる鉛電池は長い間代表的な２次電池として普及し、材料及び構造が改良され、性能や寿命が向上してきた。すなわち、極板、セパレータ、電池ケースなどの改良により、メンテナンスフリー・シールドタイプ電池に至っていた。
【０００３】
しかしながら、エネルギ密度、電池容量などが低く、重量が重く体積が嵩張るという問題に加えて、電解液として硫酸を用いることによって、一般に性能を高めるとサルフレーション（硫化）が起り易くなり電池の内部抵抗の増加が避けられなかった。
【０００４】
さらにサルフレーションが進行すると、イオンの移動が困難になり動作不能となって廃棄に至るが、硫酸・電極の鉛など公害物質の廃棄処理が容易でなかった。
【０００５】
また、鉛電池を重負荷で使用した場合、極板も電解液も共に減耗するが、特に前述のシールドタイプ電池の場合は、極板は勿論、電解液の補充も不可能である。
【０００６】
そこで、電池内部の構造や電解液などの改良が多少行われているが、殆どの場合、電池の性能を悪化させており、材料固有の公害物質としての危険要因も回避できない。
【０００７】
例えば、鉛電池内部構造の改良に関しては、特許文献１にあるように、電解液槽の蓋に触媒を配した制御弁を設け、電池内で発生するガスを効率よく触媒反応させて生成した水を還流すると共に負極のサルフレーションを防止する技術が開示されている。鉛電池は以上のような問題点があるので、用途及び使用方法が限定されていた。
【０００８】
すなわち、従来から車両用に鉛電池が使用されていたが、以下のような種々の問題があった。ひとつには、単位容積あたりのエネルギー密度、電池容量が低く、車両用に使用するに当っては重く、大きな容積となるという問題があった。
【０００９】
さらに加えて、前述したようなサルフレーションによる鉛電池の内部抵抗の増加と、その鉛電池の硫酸及び鉛公害物質の廃棄が車両システムにとって問題となっていた。
とくに車両用鉛電池は重負荷で使用されるので、極板及び電解液も共に減耗するが、シールドタイプ電池の場合は、極板の取替え、電解液の補充はできないなどの欠点も車両システムにとっては都合が悪かった。
【００１０】
特許文献１は、車両用の重負荷に耐えられるように鉛電池内部構造を改良したものであったが、いずれにしても、２次電池としての鉛電池は電気車両システムの向上を制限していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５６号公報（第２、３頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前述の各種の問題となる公害要因である鉛と、硫酸を使用しない電池を用いて走行させる電気車両システムの提供を目的とする。
【００１３】
すなわち、鉛電池より高エネルギー密度・高容量であり急速充放電特性の優れた２次電池・リチウムイオン電池・空気電池などを用いる車両システムを課題とし、詳しくは１回の外部充電により長距離走行を可能とする車両走行中の補充充電機能を備えると共に、車両公害要因の発生の少ない車両システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するため、請求項１記載の発明の電気車両システムは、鉛を使用しない電池と、駐車中に商用電源から充電する接続端子を有する車載充電部と、前記電池の放電により車両を走行させるモータと、を少なくとも備えた電気車両システムであって、プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、それら電極間に電解質液体を浸すイオン交換用のセパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の反応面における走行時電流の発生熱を発散させる前記電極の支持部材を備えて電池を形成する単位セルと、二次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとしてそれを複数Ｎ組（Ｎは２，３又は４）設置する二次電池パック群と、車両の各車輪のホイールディスクにそれぞれ固着されたロータと前記各車輪の軸受けに固着されたステータからなり、前記ロータ及びステータの少なくとも一部が前記車輪のリムと前記ホイールディスクにより囲まれる空間に収納配設され、車両の走行により前記車輪が回転して電力を出力するインホイール発電機と、前記車両を電池により走行させる動力モータと、前記二次電池パック群中１組のパック電極端子と前記動力モータとを接続し放電させる制御信号を受け、前記二次電池パック群中他の１組のパック電極端子と前記インホイール発電機とを接続し充電させる制御信号を受け、それぞれ所定順序で循環して電池パックの接続切替をする放電・充電切替装置と、前記放電・充電切替装置へ前記制御信号を送り切替制御するコンピュータからなる切替制御部と、を備え、前記切替制御部は、前記二次電池パック群の第１、第２…第Ｎ二次電池パック毎の電力残量を計測するため各センサーからの信号値をメモリに集積する記憶手段と、車両走行に現在使用している放電中のパックの残量が走行に必要な所定量以下になったとの判定時には、次の所定順序のパックに接続させるため前記放電・充電切替装置の電子制御スイッチ群に対してそれぞれ制御信号を送る放電切替手段と、前記発電機から現在充電されている電池パックが満充電になっているとの判定時には、次に放電されたパックに接続させ、放電完了されたパックが無い場合は接続させない制御信号を前記スイッチ郡に対して送る充電切替手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記第１二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第１モードと、前記第２二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第１二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第２モードと、前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第（Ｎ−１）二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第ＮモードからなるＮ個のモードを、走行に使用している二次電池パックの残量が所定量以下になれば次のモードに順次切り替えるモード切替手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記各モードにおいて、車両ギアシフト部のドライブモードによる加速状態中は二次電子パックの電極端子と動力モータを接続し他の接続は切断し、前記ドライブモードによる加速以外の状態及びニュートラルモード状態中は二次電池パックとインホイール発電機を接続し他の接続は切断し充電による制動状態とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記放電切替手段及び充電切替手段に加えて、ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態期間に入れば、直前まで走行使用中の二次電池パックを前記動力モータにのみ接続し、その期間外になれば接続を解除し、一方、ドライブモードによる加速状態及びニュートラルモード状態期間に入れば、前記直前まで走行使用中の二次電池パック以外の電池パックを前記インホイール発電機にのみ接続し充電による車両制動状態とし、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送る加速・制動対応充放電手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記二次電池パック群に加えて、一次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとして、該セルスタックＭ組（Ｍは１又は２）の一次電池パックを設け、前記切替制御部は、前記二次電池パック群の残量がすべて前記所定値以下である時は前記一次電池パック中の１組へ接続制御信号を送り動力モータと接続する緊急切替手段を更に備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、前記動力モータに接続し現在まで使用していた二次電池パックを除く二次電池パックに対して、車両走行中車両停車中にかかわらず前記一次電池パックの１組から充電するための接続制御信号を送る一次電池充電接続手段を更に備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項５記載の電気車両システムであって、前記一次電池パックは、マイナス極活物質材料を交換できる挿入溝を有する再生型亜鉛空気電池であることを特徴とする。
【００２１】
請求項８記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記単位セルは、プラス極活物質材料をリチウム（Ｌｉ）を含む酸化物、マイナス極活物質材料を黒鉛（Ｃ）とし、セパレーターに含まれる電解質液をアルカリ性電解液又はイオン性液体と、それら活物質材料をそれぞれ固着支持し、電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け、中空間隙又は複数の中空孔を有して空気が通過できる板状の支持部材とからなり、各単位セルは充放電時に活物質部材に発生する熱を熱抵抗の少な支持部材を経由して前記中空孔から外部に熱排出することを特徴とする。
【００２２】
請求項９記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記単位セルは、プラス極活物質材料側には空気陰極を設けその外側に気体透過性膜を介して空気孔を有するプラス端子となる外囲器ケースを設け、マイナス極活物質材料を亜鉛（Ｚｎ）として、板状のマイナス極集電極板両面にその亜鉛材料を設け、そのマイナス極集電極と前記空気陰極との間には前記マイナス極活物質の亜鉛と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むアルカリ性電解液と、マイナス極活物質亜鉛材料を固着支持して電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け中空間隙のある板状の支持部材と、から少なくともなり、前記単位セルは空気中の酸素を使って発電し活物質に発生する熱を熱抵抗の少ない支持部材を経由して、その熱を中空間隙から自然に排出することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の電気車両システムであって、前記単位セルのマイナス極集電極と空気陰極との間は、マイナス極活物質の亜鉛と電解質液となるアルカリ性の水酸化カリウム（ＫＯＨ）とのペースト状からなり、空気のみ透過する膜で包まれていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１１記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記単位セルのマイナス極活物質が２種類あってそれらが支持部材上に分離して塗布され、等価的に２つが並列に接続した複合電池を形成し、前記単位セルの陽極は、白銅メッシュ状の所容積寸法の電極材料支持部材と、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかとカルシウムとカーボンとを所定配合比にしてバインダーを入れて混合し、前記電極材料支持部材に塗付し乾燥させたプラス極活物質材料とからなり、前記単位セルの陰極は、前記陽極の面積寸法と同一の電極材料支持部材と、亜鉛（Ｚｎ）、カーボンにそれぞれバインダーを入れて別々に混合し、所定面積比に分離して前記電極材料指示部材に塗り分け、乾燥させた陰極分離塗布型のマイナス極活物質材料とからなり、亜鉛側の対向面間の第１領域は二次電池として動作し、カーボン側の対向面間の第２領域はカルシュウムイオンにより高電圧型（セル当り）二次電池として動作することを特徴とする。
【００２５】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の電気車両システムであって、前記陽極側ペースト材の所定配合比は、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかが２０〜３０％、カルシウム４０〜６０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入り、前記陰極側ペースト材の所定面積比は、亜鉛塗布部６０〜９０％、カーボン塗布部１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の電気車両システムであって、陽極及び陰極の前記電極支持部材はそれぞれ電解質液が漏れないように気密封じして外囲器ケースを突き抜けて固定し、その部材に板状の中空間隙又は複数の中空パイプ孔を有して、熱抵抗の少ない支持部材を経由し熱放散することを特徴とする。
【００２７】
請求項１４記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記切替制御部は、接続されている電池パックと前記インホイール発電機の発電出力電圧を常時計測し、その電池パックよりインホイール発電機の電圧値が下回った時点で、インホイール発電機からの出力端子上のすべての電子制御スイッチへ切断信号を送る発電機分離手段を備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項１５記載の発明は、請求項１、２又は４のいずれかに記載の電気車両システムであって、複数Ｌ（整数）個の電気２重層コンデンサと、Ｌ個の前記電気２重層コンデンサに対して入力される電力を所定時間ずつ順次充電する充電切替制御回路と、充電されたＬ個の前記電気２重層コンデンサから各コンデンサ毎に順次放電させる放電切替制御回路とからなるコンデンサ部を、前記放電・充電切替装置に前記電池パック群と同様に並列に接続した蓄電装置と、前記切替制御回路部は車両が走行を開始する時を検知した時点より前記コンデンサ部を車両の前記動力モータに接続する制御信号を送り、発進時に必要な電流で動力モータを稼動させるコンデンサ放電手段と、を備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項１６記載の発明は、請求項１、２、４又は５のいずれかに記載の電気車両システムであって、前記各単位セルのプラス極活物質材料及びマイナス極活物質材料は電解質液体を含めて外囲器又はケースに収容され、それぞれの活物質材料を固定支持する部材は垂直方向に前記外囲器又はケースを突き抜けて設けられると共に、その部材の垂直方向に中空スリット又は複数の中空孔を有する支持部材を備え、活物質材料からの発生熱を熱抵抗の少ない該支持部材へ伝導させ、該スリット又は孔中の空気の対流で発生熱を自然に又は強制空冷により外部に排出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の電気車両システムは、車両走行に用いる電池に鉛、硫酸を使用していないので、公害物質を含まず車両廃棄処理が容易となる。
また、前述した鉛電池に係る各種問題、例えば電池重量が重く、電池容積が大きいなどの問題点も解決され、サルフレーションもなくなり保守が容易となる。
【００３１】
また、車両の発進時、電池は短時間に急速放電が必要となるが、従来の鉛電池より急速放電に耐える性能を有し、又、急速放電による電池故障が少なくなる。その上、複数の電気２重層からなるコンデンサ部を並列して加えることにより、急速放電に対する故障をさらに少なくすることができる。
【００３２】
また、鉛電池より急速充電が可能であるため、鉛電池の場合に比較して少ない時間で満充電が可能となる。走行のため放電中に電池パックが空となり充電する場合は、本発明のシステムでは、車両の走行中にＮ組の電池パックに順次切り替えて充電すると共に、走行させる動力モータには次の電池パックを接続する
従って、電池パックの充放電性能に基づき必要な最小限の電池パックの数Ｎを定められる。
【００３３】
また、鉛を使用しない本願システムの電池はメモリ効果がないので、継ぎ足し充電が可能であることにより、本システムにおけるＮ組の電池パックの切替を任意に行い、走行中に走行に使用しない電池パックを補充充電することにより、走行距離を格段に増加させることができる。又、外部電源による満充電を受ける時間間隔を長くすることができる。
【００３４】
また、本システムの１セル当たりの電圧は鉛電池（１セル２．０Ｖ）より高く、約２．５Ｖあるため、所定電圧を求める場合、セル数が少なくて済み、小型軽量化ができる。
また、電池内部構造は、鉛電池に比較して低重量で材料費が安価であるため、製造コストが低い。さらに、外囲器も小重量構造であるため材料費が安価である。
また、プラスおよびマイナス極活物質材料のそれぞれの支持部材に設けた空気を通す間隙或はパイプ孔により前記材料に発生する熱を外部に出せるので、車両に必要とする電流を流しても温度上昇のし難いセル電池となる。一方、外囲器ケースの温度の排出は容易であり、体積の小型化に効果がある。
【００３５】
また、車両システムの放電・充電を順次行うＮ組の二次電池パック群に加えて、Ｍ組の一次電池パック群も放電・充電切替装置に接続配置すれば、二次電池パック群がすべて使用不能の緊急時には一次電池パックに切り替えられる安定した信頼性のあるシステムとなる。
すなわち、一次電池パックには、マイナス極活物質材料である亜鉛を用いた亜鉛空気電池とすれば、二次電池パックがすべて所定残量以下となった緊急の場合は何時でも切り替えられる車両システムとすることができる。
【００３６】
また、その一次電池パックが所定残量以下になれば、前記マイナス極活物質材料である亜鉛部分を容易に交換できる出し入れ挿入溝を設けた単位セル形状とすることにより、再生できる一次電池として有効に利用できる効果がある。
また、外部給電端子がない場所に停車した場合でも、走行中でも一次電池パックから必要とする二次電池パックへ何時でも充電できる。
尚、二次電子パックがＮ＝２の場合は、充電中の二次電池パックの充電が不足で動力モータの放電に使用されシステムダウンとなり易い。この場合一次電池パックが１組あれば最低の信頼性が保障される。
【００３７】
また、水素を用いる燃料電池を放電・充電切替装置に接続すれば、外部電源による満充電を受ける時間間隔を相当に長くすることができるので、空気中に放出する有害物質が極めて少ない車両となる。
さらに、その車両の外側に、光触媒（例えば二酸化チタンなどの超微粒子液体など）をスプレー或いは塗装すれば、光（紫外線）により車両は電子が抜けて正孔が生成し、結果として大気中の有機物を分解する。以上を総合すれば、従来になく環境問題を解決した車両システムとなる効果が生じることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】電気車両システム（第一実施例）
【図２】電気車両システム（第二実施例）
【図３】車輪に取付けたインホイール発電機の構造図
【図４】インホイール発電機のロータとステータの構造図
【図５】放電・充電切替装置の切替回路図
【図６】切替制御部による放電・充電切替装置接続例（１）（第１の接続手段によるモード切替例）
【図７】切替制御部による放電・充電切替装置接続例（２） （第２の接続手段による加速・制動対応切替例）
【図８】電気２重層コンデンサ部の構造図
【図９】リチウムイオン電池の構造図
【図１０】充電放電可能の亜鉛空気電池セルの構造図
【図１１】オキシ水酸化ニッケル又は二酸化マンガンを用いた二次電池セル の構造図
【図１２】各種二次電池セルの充放電特性の比較図
【図１３】陰極材料分離型により電池容量の増大を示す表
【図１４】電極活物質材料別、電解質液別の充放電特性図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の電気車両システムの実施例について図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００４０】
図１は電気車両システム１００の実施例１の構成図である。電気車両システム１００において、１０ａは鉛を使用しない電池（鉛フリーバッテリー）の１単位のセルを示す。この実施例ではセル５単位を直列に接続し、第１、第２…第ＮのＮ組（Ｎは２，３，４）の二次電池パック群１１、１２…１４が構成され、それぞれ充電・放電切替装置４１に接続されている。
単位セル１０ａは、プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、それら電極間に電解質液を浸してイオン交換可能とするセパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の対向面積により所定の電池容量とする二次電池を形成する。
この二次電池セル１０ａは鉛を使用しない電池であり、少なくとも、リチウムイオン電池、充放電可能の亜鉛空気電池、オキシ水酸化ニッケル或は二酸化マンガンを使用した二次電池などのいずれかの種類のセルからなる。電気車両システムが必要とする電池に対応した高エネルギー密度、電池容量の各セル１０ａの詳しい構造に関しては後述する。
【００４１】
前記Ｎ組の二次電池パック群に加えて、１組の一次電池パック１９又はＭ組（Ｍは１，２）の一次電池パック群１６−１７を同様に充電・放電切替装置４１に接続する。勿論この一次電池パックは放電のみ行い充電動作はない。但し、この実施例ではいずれも再生型亜鉛空気電池１６，１７であり、１６ｂ，１７ｂはそれらの亜鉛材料交換口溝部を示す。
一次電池パックは、二次電池パック群がすべてダウンしたときに車両動力モータ２０に接続するように切替制御部ＣＰＵ５１は充電・放電切替装置４１を制御する充電緊急手段を有する。その際に、一次電池パックが複数ならば、ＣＰＵ５１により順次接続制御してＡＣ電源供給端子場所までの走行電力に用いる。或は、一次電池パックから二次電池パックへ停車中或は走行中にかかわらず充電する一次電池接続手段を容易に備えられる。電気車両システムとしての信頼性が向上する。
【００４２】
２０は車両９０の走行用の動力モータを示し、３０は車両９０の前輪３１、後輪３２（図３参照）のホイールディスク３４（図４参照）に取付けた４台のインホイール発電機を示す。このインホイール発電機３０は車両走行中に走行に使用していない電池パックを補充充電することができる。
尚、インホイール発電機３０のホイールディスク３４への取付け及び内部構造の詳細については図３、図４により後述する。
４台のインホイール発電機３０の出力ケーブル３９はマルチプレクサ３０ａを介して放電・充電切替装置４１へ接続する。
【００４３】
以上の実施例１の電気車両システムについては、動力モータ２０以外に車両停車中でも必要とする照明、センサー、空調機、ＡＣ１００Ｖ電源などの電力電源は一次又は二次電池パックの１組に接続して所定の電圧電源を出力させる手段を備える。二次電池パック群１１，１２…１４と動力モータ２０及びインホイール発電機３０との間にある放電・充電切替装置４１の切替回路の１例を図５（ａ）に示す。尚、図５（ｂ）は車内クーラ・ＡＣ１００Ｖ電源用接続回路並びに１次電池パックへ接続する緊急切替回路を示す。
【００４４】
その放電・充電切替装置４１を制御するコンピュータ構成の切替制御部５１による制御信号接続プログラムについて、本システムでは２種類の接続手段を提供する。
先ず、図６に、第１の接続手段として放電・充電切替装置４１の接続例（１）を示す。
即ち、切替制御部５１は、第１二次電池パック１１の電極端子を前記動力モータ２０に制御信号により接続し、第Ｎ二次電池パック１４の電極端子をインホイール発電機３０に制御信号により接続する第１モードと、第２二次電池パック１２の電極端子を動力モータ２０に制御信号により接続し、第１二次電池パック１１の電極端子をインホイール発電機３０に制御信号により接続する第２モードと、第Ｎ二次電池パック１４の電極端子を動力モータ２０に制御信号により接続し、第（Ｎ−１）二次電池パック１３の電極端子をインホイール発電機３０に制御信号により接続する第Ｎモードと、からなるＮ個のモードを順次循環して切り替える循環切替手段を備えるものである。
【００４５】
図６（ａ）には、切替制御部５１の構成図、（ｂ）には切替制御部４２による放電・充電切替装置４１の各モード切替状態表を示す。即ち、第１接続手段の場合おける各モードの接続状態を示す。
ここで、切替制御部５１は、ＣＰＵ（コンピュータ中央制御部）と、記憶装置５３と、入力及び表示装置５６及び５７と、放電・充電切替装置４１への制御端子を含む制御出力端子群５４と、放電・充電切替装置４１に接続される第１〜第Ｎの電池パック１１〜１６、動力モータ２０、インホイール発電機３０の電圧・電流などの情報を入力するセンサー入力端子群５５とからなる。
一方、放電・充電切替装置４１は、ここでは、商用電源の電流に耐えるアノード、カソード、ゲートからなるシリコン制御整流素子を使用する。図示したようにｈ１−ｈ８…ｎ１−ｎ８はゲート端子を示す。
【００４６】
切替制御部５１の出力端子群５４は切替装置４１の前記ゲート端子にそれぞれ接続され、それらのゲートにＯＮ，ＯＦＦの切替制御信号を送り図６に示すように第１モード、第２モード…第Ｎモード、第１モードと循環させることができる。
第１の接続手段は、モード切替手段であり、その切替タイミングは単純であるので、安定性のある電気車両システムとなる。
ここで、効率を向上させるため、切替制御部５１は、前記各モードにおいて、車両ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態中は二次電子パックの電極端子と動力モータ２０を接続し他の接続は切断し、前記ドライブモードによる加速以外の状態及びニュートラルモード状態中は二次電池パックとインホイール発電機３０を接続し他の接続は切断し充電による車両制動状態にするようにしてもよい。そのため切替制御部５１の入力端子群５５からドライブモードにおける加速などの状態及びニュートラルモードにおける状態を検出せるセンサー並びにモータ２０からのセンサーの信号を受けるようにする。
【００４７】
次に、図７の、第２の接続手段の例を以下に示す。
切替制御部５１は、前記放電切替手段及び充電切替手段に加えて以下の手段を備える。ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態期間に入れば、直前まで走行使用中の二次電池パックを前記動力モータにのみ接続する制御信号、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送り、一方、ドライブモードによる加速以外及びニュートラルモード状態期間に入れば、前記直前まで走行使用中の二次電池パック以外のパックを前記インホイール発電機にのみ接続し充電による車両制動状態とする制御信号を送り、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送る加速・制動期間毎の切り替えタイミングで、充電・放電を使用中のそれぞれのパックへ継続して行う充電・放電手段である。
【００４８】
以上の第２接続手段では、前記車両加速状態及び車両制動状態検出したセンサー信号をそれぞれ受信する入力端子群５５を介して切替制御部５１のＣＰＵで受け、そのセンサー信号が切り替わるタイミングに合わせて現在使用中に電池パックに接続したり解除したりする。なお、入力端子群５５から第１、第２の電池パック１１、１２、動力モータ２０、インホイール発電機３０などから電流或いは電圧センサーを用いて状態情報を取得し、切替のタイミングをＣＰＵ５１で判定してもよい。詳しくは、その第２の接続手段を図７に切替制御部の放電・充電切替装置の接続例（２）として電気車両システムの流れ図を示した。
即ち、第２の接続手段は、加速・制動対応切替手段である。
【００４９】
車両が外部電源により二次電池パックを満充電にして、次に走行のため電源が入ると切替制御部５１が稼動して放電・充電切替装置４１の制御が開始される。（Ｓ１）
次に、Ｓ２に移り、車両加速状態期間にあるかを制御部５１は検知する。ＮＯならばＳ３に移り、ＹＥＳならばＳ４に移り、第１の電池パック１１を動力モータ２０に接続させる。そのパックが放電により所定残量以下になれば次の電池パックに接続させる。（放電切替手段）Ｓ６に移り、接続後の電池パックでは該電池パックは放電状態となるが、制御部５１はその間所定時間毎に車両加速状態にあるかを調べる。
ＹＥＳならばＳ４に戻り繰り返し、ＮＯならばＳ８で接続を解除してＳ３に移る。Ｓ３では、車両制動状態期間にあるかを制御部５１は調べる。ＮＯならばＳ１０に移り、ＹＥＳならばＳ５に移り、制御部５１は前回放電して直前まで充電中のパックに接続させる。そのパックが充電完了ならばそのパックの次に放電されたパックに接続させる。
【００５０】
（充電切替手段）
次にＳ７に移り制御部５１は電池パック充電中所定時間毎に車両制動状態であるかを調べる。ＹＥＳならばＳ５に戻り繰り返し充電完了毎に次のパックに接続させ、ＮＯならばＳ９その接続を解除しＳ２に移り繰り返す。
Ｓ１０では車両が停車したか或はギアシフト部がドライブモードか或はブレーキ状態かを調べる。ＮＯならばＳ２に戻る。ＹＥＳならばＳ１１へ移り制御部５１のＣＰＵは待状態となる。或はその電源はＯＦＦとなる。
但し、Ｓ５において、商用電源から全パック充電済み直後は、第１の電池パックの残量が無くなり次のパックに移るまでは、充電接続はしない。
【００５１】
第１の接続手段か第２の接続手段かにかかわらず、複数Ｎ組の二次電池パック群は、Ｎ組が２以上であるが、重量を考慮しＮ組の数は４以下の必要最小限の数に定める。即ち、単位セル１０ａのエネルギー密度、電池容量、充放電特性などと、電気車両システムに要求される一回の外部充電で走行できる距離などとにより定める。
単位セル１０ａのエネルギー密度、電池容量が大きく、充電特性の立ち上がりが速く放電特性の立ち下がりが遅く、本電気車両システムの動作や制御に充分適応した特性であれば、最小のパック数である２組（Ｎ＝２）の二次電池パック１１，１２だけとすることができる。この場合は切替制御部５１により制御する第１モード、第２モードの２組のモードのみとなる。
【００５２】
第１モードで第１の電池パック１１の残量が所定値以下になれば、制御部５１は第２モードに切替えるが、その時、第２の電池パック１２の充電が不足の場合には第１の電池パックは走行に充分使用できず電気車両システムはダウンし易い。そこで一次電池パックを備えて、一次電池パック１６，１７に切り替えるように制御する手段を備えることがシステムの最低の信頼性を確保するため必要となる。尚、Ｎが３以上ならば、必ずしも、一次電池パックを備えなくてもよい。
【００５３】
次に車輪に取付けたインホイール発電機３０の詳細構造を説明する。図３は車輪３１，３２に取付けたインホイール発電機３０の構造図である。
車両９０各車軸３３の前輪３１及び後輪３２のホイールディスク３４にはロータ３５がそれぞれ固着されている。
車両９０の動力モータ２０により車軸３３が回転すると、ロータ３５がステータ３６（図４参照）に対して回転し、発電された電力がケーブル３９を通じてマルチプレクサ３０ａを介して放電・充電切替装置４１へ出力される。
【００５４】
図４は、インホイール発電機３０のロータ３５とステータ３６の詳細構造を示す図である。
図４は、車軸３３を通り地面に垂直な面の断面を示し、９０ａは車両の車台を示し、９０ｂはタイヤ、９０ｃは懸架装置、９０ｄはバネを示す。
車軸３３はベアリング３３ａを介して軸受３７により軸支され、軸受３７は懸架装置９０ｃ及びバネ９０ｄを介して車台９０ａを支持しており、ホイールディスク３４はその中心部分において車軸３３の端部に固着され、その外周部分においてリム３４ｂを備え、タイヤ９０ｂを支持している。
【００５５】
ホイールディスク３４は、その中間部分に突起固着部３４ａを備え、一方、軸受３７は延伸部３７ｃとその外周に設けられた支持体３７ｂを備え、突起固着部３４ａは延伸部３７ｃと支持体３７ｂの間に設けられた同心円状の開口部を貫通するように配置されている。
支持体３７ｂの内部に複数のコイル３５ａを周方向に配列させたロータ３５は突起固着部３４ａに固着され、さらにベアリング３７ａを介して軸受３７により軸支されている。
他方、永久磁石からなるステータ３６は、軸受３７から延伸された支持体３７ｂに固着されている。
以上の構成により、ステータ３６の内側でロータ３５が車軸３３と共に回転すると、コイル３５ａの両端に接続された配線を通じて発電出力が取り出される。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明の電気車両システムの実施例２を説明する。図２は、本発明の電気車両システム２００の実施例２を示す構成図である。図１の符号と同一の符号は同じ機能であり説明を省略する。
６０は、第１第２〜第Ｎの電池パック１１、１２〜１４と同様に放電・充電切替装置４２に接続されたコンデンサ部である。図８はコンデンサ部６０の構成を示す図である。
図８に示すように、コンデンサ部６０は、複数Ｐ（整数）個の電気２重層コンデンサ６１と、Ｐ個の電気２重層コンデンサ６１に対して入力される電力を所定時間Ｔづつ順次充電する充電切替制御回路６２と、充電されたＰ個の２重層コンデンサ６１からその各電気２重層コンデンサ６１毎に順次放電させる放電切替制御回路６３とから構成される。
【００５７】
上記構成のコンデンサ部６０は、放電・充電切替装置４２に蓄電装置として接続される。但し、充電側端子６４と放電側端子６５とに２対にわけて放電・充電切替装置４２に接続される。
尚、コンデンサ部６０内部に充電・放電切替回路を設けて、切替制御部ＣＰＵ５２がその切替を制御するようにすれば、充電側端子６４と放電側端子６５は１対になる。
更に、１組の一次電池パック１９が充電切替装置４２へ接続される。この電池パックは再生型亜鉛空気電池であり、各セル毎に亜鉛材料交換口溝部１９ｂを備える。この構成に関しては、後述する。（図１０参照）
【００５８】
また、Ｎ組の二次電池パック１１−１４と、放電・充電切替装置４２を介する動力モータ２０及びインホイール発電機３０との間の切替制御部５２による接続制御プログラムは前記第１の接続手段でもよく第２の接続手段でもよい。
切替制御部ＣＰＵ５２は、いずれかの接続手段に以下のようなコンデンサ放電手段を加える。
すなわち、切替制御部ＣＰＵ５２は、停止している車両が走行を開始する時を検知して、その時点よりコンデンサ部６０の放電側端子６５を車両の動力モータ２０に接続するＯＮ信号と共に、第１及び第２の電池パック１１、１２はＯＦＦとなる信号を送り、発進時に必要な大電流を所定時間（Ｐ個の２重層コンデンサ６１が全部放電する時間）動力モータ２０を稼動させ、通常のモード切替手段に戻す。
【００５９】
尚、充電切替制御回路６２は、インホイール発電機３０からの充電電力を受けて、図８の破線右側に示すデマルチ部でデマルチし、Ｐ個の電気２重層コンデンサ６１に時分割信号で供給する。
他方、放電切替制御回路６３は、Ｐ個の電気２重層コンデンサ６１にストアされた電力を時分割信号で放電するように制御する。これらの放電電力を図８に示す破線右側のマルチプレクサ部でマルチプレックスし、車両の動力モータ２０へその放電電力を供給する。
【００６０】
二次電池パック群１１−１４及びコンデンサ部６０に加えて、マイナス極活物質材料の交換可能な亜鉛空気電池１９も放電・充電切替装置４２に同様に接続されているので、放電して残量が少ない時は亜鉛材料交換口溝部１９ｂに何時でも亜鉛材料を挿入して空気電池を再生できる。
二次電池パック群が総てダウンするか充電時間が足りない時は緊急用として使用できる。切替制御部ＣＰＵ５２は放電・充電切替装置５２に緊急の場合のみ亜鉛空気電池１９を自動的に接続させる。
【００６１】
放電・充電切替装置５２における二次電池パック群１１−１４との接続回路は、実施例１の放電・充電切替装置４２と同様なので説明を省略する。
尚、第１の接続手段、第２の接続手段のいずれも採ることができる。
又、以上の実施例２は、実施例１と同様に動力モータ以外の電力電源として二次又は一次電池パックの１組に接続する手段を備え、照明、空調機、センサー機器に使用できる電源を設けることができる。
【００６２】
次に電気車両システムに適応するように、電池セルの極間反応の対向面積を大きくして且つ各極活物質材料からの発熱を効率よく放散させる高容量の二次電池単位セル構成について説明する。尚、一次電池セルの構成も同様である。
図９には、リチウムイオン電池の構造図を示す。図９（ａ）は５単位セルからなる１組の二次電池パックを示す。図９（ｂ）（ｃ）はその１単位セルの構造図例を示し、（ｃ）は車両用に特に放熱に対応した構造を示す。図９（ｄ）は（ｃ）のｚ−ｚ断面図を示す。図中、ｃはスラリー状にしたマイナス極活物質材料ｃｘを塗込み乾燥させた支持部材の板状陰極板、ｄはスリラー状にしたプラス極活物質材料ｄｘを塗込み乾燥させた支持部材の板状陽極板、ｅはアルカリ水溶液又はイオン性液体、ｆはイオン交換セパレータ、ｇは外囲器又はケースを示す。ｐは液が漏れないようなパッキング又は封じ機構を示す。
ｃｘは黒鉛（Ｃ）、ｄｘはリチウムを含む酸化物からなる。その酸化物にはコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウムなどを使う。
【００６３】
図９（ｂ）は板状の陰極ｃと陽極ｄとを交互に配列して反応面積を増やし単位体積当りの電池容量を増加させる１単位セルの構造を示す。但し、高エネルギー密度となるので、対応した各極の放熱を図９（ｃ）のように考慮する。
図９（ｃ）は支持部材ｃ、ｄをそれぞれ中空板状或は中空パイプを埋め込んだ板状として熱放散を増加させた構造である。エネルギー密度が高くなると単位面積当りの電流が増加し熱の発生も増加する。従って、電流が増加する程、極板の放熱はセルの高容量化に必要となる。
詳しくは、（ｃ）に示すように、中空板支持部材ｃ、ｄを外囲器或はケースｇに対して垂直方向に突き抜けて、パッキング又は封じ機構ｐにより電解液が洩らないようにそれぞれ配設すれば、マイナス及びプラス極活物質材料ｃｘ、ｄｘが発生する熱を中空板支持部材ｃ、ｄに伝導され、その熱は中空にある空気を加熱して熱対流により加熱空気は支持部材中空排気孔ｓを通り上方へ流れ自然に排気される。図中の矢印は空気の移動方向を示す。
【００６４】
図１０（ａ）（ｂ）には、車両用に対応した亜鉛空気電池単位セルの構造図例を示す。マイナス極活物質材料ｃｘを亜鉛（Ｚｎ）とし、その外側にマイナス極材料支持部材である板状集電極ｃを設ける。
一方、プラス極活物質材料側は空気電極ｄを設け、外囲器ケースｇとの間に気体透過性膜ｋを配置してアルカリ電解液或はイオン性液体ｅを漏らさないように封じ機構ｐを設ける。ここで、ｇａは空気酸素取り入れ口である。ｇｂは外囲器ケースｇ間の空気流通路である。
図１０（ａ）は板状支持部材ｃと外囲器ｇからなる対を横方向に集積し反応面積を増やし車両に適応した電池容量とすることができる構造を示す。
尚、外囲器ケースｇを一体の収納ケースとして、その中に分割する隔壁板を設けてもよい。この場合は各隔壁板毎に中空の空気流通路を設ければよい。
図１０（ｂ）には、更に、ｃｘの支持部材ｃに発生する熱を冷却する中空間隙構造を示すが、図９（ｃ）と同様の原理なので説明は省略する。
【００６５】
図１１は、プラス極活物質材料ｄｘにはオキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかとカルシュウムとカーボンを用い、マイナス極活物質材料ｃｘには亜鉛（Ｚｎ）とカーボンを用いた車両用に対応した二次電池セルの構造図を示す。
図１１（ａ）は、各セル毎の単位セル内部構造図である。ここでａ、ｂはそれぞれ陽極端子、陰極端子を示す。ｃ、ｄはそれぞれ活物質材料ｃｘ，ｄｘを塗布したの板状支持部材を示し、ｅはアルカリ水溶液又はイオン性水溶液を示す。ｆは水酸化イオンを選択的に通過させるセパレータ、ｇはそれらの外囲器ケースを示す。ｐはパッキング又は封じ機構を示す、尚、板状支持部材ｃ，ｄの放熱構造はそれぞれ後述する。
【００６６】
図１１（ｂ）は陽極側の製造の流れ図、（ｃ）（ｄ）は陰極側の製造の流れ図である。
陽極側は、最初にプラス活物質材料ｄｘの支持部材ｄとして白銅板をメッシュ状にした電極基板を製作する。一端には予め＋端子ａを設ける。
次に、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）と、カルシウム（Ｃａ）と、粒状のカーボンとにバインダーを入れて混合し、ペースト状にしたものを前記白銅板メッシュ状の電極基板に塗布する。
塗布後、ペーストを乾燥させてから焼付け、陽極側の製作が完成する。
一方、陰極側は、最初にマイナス活物質材料ｃｘの支持部材ｃとして亜鉛板をメッシュ状にした電極基板を製作する。一端には予め−端子を設ける。
【００６７】
次に、亜鉛（Ｚｎ）、粒子のカーボンにそれぞれバインダーを入れて別々に混合し、亜鉛のペースト状とカーボンのペースト状の２種類のペーストにしたものを分離して前記亜鉛板メッシュ状の支持部材ｃｘに塗布する。
塗布後、ペーストを乾燥させてから焼付け、陰極側の製作が完成する。
ここで、陽極側の支持部材ｄの水酸化ニッケル又は二酸化マンガンとカルシウムと、カーボンの配合比は、それぞれ２０〜３０％、４０〜６０％、１０〜４０％の範囲に入るようにする。
一方、陰極側の支持部材ｃには２種類のペーストを分離せて塗布するが、その亜鉛ペースト領域とカーボンペースト領域との塗布面積比は、それぞれ６０〜９０％、１０〜４０％の範囲に入るようにする。
尚。ここで、図１１（ｃ）、（ｄ）に示すように前記２種類の分離領域は水平或は横方向に分離したパターンでもよく、垂直或は縦方向に分離したパターンでもよい。更に、その分離パターンを繰り替えしてもよい。製造工程の容易さによって決めればよい。図１１（ｄ）はパターン周期が２回の場合を示す。
【００６８】
以上の構成における二次電池として、支持部材ｃ或はｄがフィルム状の構造が考えられるが、電流を必要とする車両用としては熱放散構造に適当でない。
板状の支持部材ｃ及びｄは、図１１（ａ）に示したように、外囲器ケースｇをパッキングｐにより電解質を漏らさず垂直（縦）に突き抜け、さらにその内部は中空状間隙或は中空孔えを有して空気の対流により自然に排気する構成である。図９（ｃ）図１０（ｂ）と同様の放熱構造である。
図１１（ａ）に示した熱放散によい構造に、図１１（ｂ）（ｃ）のメッシュ状の支持部材ｃ，ｄを変える場合は中空間隙或るいは複数のパイプ孔を持つ板の両側にメッシュ状支持部材ｃ或はｄを貼り付ければよい。
【００６９】
前記２種類の領域において、マイナス極材料ｃｘペースト材に亜鉛が含まれてプラス極材料ｄｘとセパレータｆを介して対向している部分を第１の領域とし、カーボンと対向している部分を第２の領域とする。即ち、マイナス極材料が異なる二次電池が並列に接続された回路と等価である。
プラス極側 ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ− ⇔ Ｎｉ（ＯＨ）＋ ２ＯＨ−
マイナス極側 Ｚｎ＋２ＯＨ− ⇔ ＺｎＯ＋ Ｈ２Ｏ＋ ｅ−
第１の領域では、放電の反応によりプラス極材料ｄｘで生成された水酸化イオンＯＨ−はセパレータｆを透過しマイナス極材料ｃｘに移ると共に陰極端子から電子ｅ−が陽極端子へ流れる二次電池を形成する。
【００７０】
一方、第２の領域では、カルシウムイオン（Ｃａ＋）が反応する。充電時にはカルシウムイオンがプラス極材料ｄｘから放電されマイナス極材料ｃｘのカーボンに吸着される。また、放電時にはマイナス極材料ｃｘに吸着されたカルシウムイオンがカーボンより離脱されプラス極材料ｄｘに戻る。
カルシウムイオンはイオン半径が大きいので、充電時にそのイオンを捕捉するマイナス極材料ｃｘの性能に大きく依存する。従って、マイナス極材料ｃｘにカーボンを分離した第２の領域を設けた複合電池とすることにより、カルシウムイオンをより多く吸着させることができる。前記パターン繰り返しも効果がある。また、カルシウムイオンは２価の陽イオンであるので第２の領域のおける二次電池セルは高電圧（セル当り１，８〜３，０Ｖ）なので、陰極材料分離型二次電池セルとすれば高電圧となり、セル数の少ない二次電池パックとすることができる。
【００７１】
図１２（ａ）は、充電特性の比較図を示す。（ｂ）は、放電特性の比較図を示す。（ａ）、（ｂ）ともに鉛電池、陰極非分離型、陰極材料分離型を比較した図である。いずれの曲線も４０Ａｈ容量の場合で比較した。
（ａ）では１０．８Ｖでスタートして１２．５Ｖになるまで時間の差を示し、分離型は充電時間が短いことを示す。
（ｂ）では、いずれも１２．５Ｖから１０Ａの定電流放電により１０．８Ｖになるまでの時間を示す。陰極分離型は放電特性も長いことを示す。
以上の充放電特性は電池パックの充電時間を短くし、車両による放電時間を長くする。結果として車両が外部電源から充電する時間距離の間隔を長くできる。
図１３は陰極材料分離型により容量の増大を示す表である。非分離型に較べて約２倍程度容量が増加する。
【００７２】
図１４は、陰極材料分離型の電極活物質材料別、電解質液別の充放電特性の比較図を示す。図１４（ａ）は充電特性の比較図であり、図１４（ｂ）は放電特性の比較図である。ここでＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの材料別電解質液別の組合せを以下に示す。
Ａの組合せは、プラス極材料ｄｘが水酸化ニッケル、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがアルカリ電解液である。
Ｂの組合せは、プラス極材料ｄｘが二酸化マンガン、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがアルカリ電解液である。
Ｃの組合せは、プラス極材料ｄｘが水酸化ニッケル、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがイオン性水溶液である。
Ｄの組合せは、プラス極材料ｄｘが二酸化マンガン、マイナス極材料ｃｘが 亜鉛とカーボン、電解質液ｅがイオン性水溶液である。
尚、水酸化ニッケル、或は二酸化マンガンの代りに酸化銀でもよいが、コスト面から不利である。
また、イオン性溶液は一般に温度特性がよく、不燃性であり安全性があり、外気との反応が少なく、蒸発も少ない長期的に安定した二次電池となる。
【符号の説明】
【００７３】
ｃｘ マイナス極活物質材料
ｄｘ プラス極活物質材材
ｃ ｃｘの支持部材、集陰極
ｄ ｄｘの支持部材、陽極、空気電極
ｅ アルカリ水溶液又はイオン性液体
ｆ イオン交換セパレータ
ｇ 外囲器又はケース
ｇａ、ｇｂ 空気孔
ｋ 気体透過性膜
ｓ 支持部材中空排気孔
ｐ パッキング又は封じ機構
ｈ１−ｈ８、ｎ１−ｎ８ シリコン制御整流素子のゲート端子
１０ａ，１０ｂ 二次電池、一次電池単位セル
１１−１４ 第１第２…第Ｎの二次電池パック（Ｎ＝２，３，４）
１６−１７ 第１…第Ｍの一次電池パック（Ｍ＝１，２）、再生型亜鉛空気電池
１６ｂ，１７ｂ，１９ｂ 亜鉛材料交換口溝部
１９ 一次電池パック
２０ 動力モータ
３０ インホイール発電機
３０ａ マルチプレクサ
３１ 前輪
３２ 後輪
３３ 車軸
３３ａ ベアリング
３４ ホイールディスク
３４ａ 突起固着部 ３４ｂ リム
３５ ロータ
３５ａ コイル
３６ ステータ
３７ 軸受
３７ａ ベアリング ３７ｂ 支持体 ３７ｃ 延伸部
３９ 出力ケーブル
４１、４２ 放電・充電切替装置
５１、５２ 切替制御部
５３ 記憶装置
５４ 制御出力端子群
５５ 信号入力端子群
６０ コンデンサ部
６１ 電気２重層コンデンサ
６２ 充電切替制御回路
６３ 放電切替制御回路
６４ 充電側端子
６５ 放電側端子
９０ 車両
９０ａ 車台 ９０ｂ タイヤ ９０ｃ 懸架装置 ９０ｄ バネ
１００、２００ 電気車両システム
１９ マイナス極活物質材料の交換可能亜鉛空気電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛を使用しない電池と、駐車中に商用電源から充電する接続端子を有する車載充電部と、前記電池の放電により車両を走行させるモータと、を少なくとも備えた電気車両システムであって、
プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、それら電極間に電解質液体を浸すイオン交換用のセパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の反応面における走行時電流の発生熱を発散させる前記電極の支持部材を備えて電池を形成する単位セルと、
二次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとしてそれを複数Ｎ組（Ｎは２，３又は４）設置する二次電池パック群と、
車両の各車輪のホイールディスクにそれぞれ固着されたロータと前記各車輪の軸受けに固着されたステータからなり、前記ロータ及びステータの少なくとも一部が前記車輪のリムと前記ホイールディスクにより囲まれる空間に収納配設され、車両の走行により前記車輪が回転して電力を出力するインホイール発電機と、
前記車両を電池により走行させる動力モータと、
前記二次電池パック群中１組のパック電極端子と前記動力モータとを接続し放電させる制御信号を受け、前記二次電池パック群中他の１組のパック電極端子と前記インホイール発電機とを接続し充電させる制御信号を受け、それぞれ所定順序で循環して電池パックの接続切替をする放電・充電切替装置と、
前記放電・充電切替装置へ前記制御信号を送り切替制御するコンピュータからなる切替制御部と、を備え、
前記切替制御部は、前記二次電池パック群の第１、第２…第Ｎ二次電池パック毎の電力残量を計測するため各センサーからの信号値をメモリに集積する記憶手段と、車両走行に現在使用している放電中のパックの残量が走行に必要な所定量以下になったとの判定時には、次の所定順序のパックに接続させるため前記放電・充電切替装置の電子制御スイッチ群に対してそれぞれ制御信号を送る放電切替手段と、前記発電機から現在充電されている電池パックが満充電になっているとの判定時には、次に放電されたパックに接続させ、放電完了されたパックが無い場合は接続させない制御信号を前記スイッチ郡に対して送る充電切替手段と、を少なくとも備えることを特徴とする電気車両システム。
【請求項２】
前記切替制御部は、前記第１二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第１モードと、
前記第２二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第１二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第２モードと、
前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第（Ｎ−１）二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第ＮモードからなるＮ個のモードを、走行に使用している二次電池パックの残量が所定量以下になれば次のモードに順次切り替えるモード切替手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の電気車両システム。
【請求項３】
前記切替制御部は、前記各モードにおいて、車両ギアシフト部のドライブモードによる加速状態中は二次電子パックの電極端子と動力モータを接続し他の接続は切断し、前記ドライブモードによる加速以外の状態及びニュートラルモード状態中は二次電池パックとインホイール発電機を接続し他の接続は切断し充電による制動状態とすることを特徴とする請求項２記載の電気車両システム。
【請求項４】
前記切替制御部は、前記放電切替手段及び充電切替手段に加えて、ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態期間に入れば、直前まで走行使用中の二次電池パックを前記動力モータにのみ接続し、その期間外になれば接続を解除し、一方、ドライブモードによる加速状態及びニュートラルモード状態期間に入れば、前記直前まで走行使用中の二次電池パック以外の電池パックを前記インホイール発電機にのみ接続し充電による車両制動状態とし、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送る加速・制動対応充放電手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電気車両システム。
【請求項５】
前記二次電池パック群に加えて、一次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとして、該セルスタックＭ組（Ｍは１又は２）の一次電池パックを設け、
前記切替制御部は、前記二次電池パック群の残量がすべて前記所定値以下である時は前記一次電池パック中の１組へ接続制御信号を送り動力モータと接続する緊急切替手段を更に備えることを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項６】
前記切替制御部は、前記動力モータに接続し現在まで使用していた二次電池パックを除く二次電池パックに対して、車両走行中車両停車中にかかわらず前記一次電池パックの１組から充電するための接続制御信号を送る一次電池充電接続手段を更に備えることを特徴とする請求項５記載の電気車両システム。
【請求項７】
前記一次電池パックは、マイナス極活物質材料を交換できる挿入溝を有する再生型亜鉛空気電池であることを特徴とする請求項５記載の電気車両システム。
【請求項８】
前記単位セルは、プラス極活物質材料をリチウム（Ｌｉ）を含む酸化物、マイナス極活物質材料を黒鉛（Ｃ）とし、セパレーターに含まれる電解質液をアルカリ性電解液又はイオン性液体と、それら活物質材料をそれぞれ固着支持し、電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け、中空間隙又は複数の中空孔を有して空気が通過できる板状の支持部材とからなり、各単位セルは充放電時に活物質部材に発生する熱を熱抵抗の少な支持部材を経由して前記中空孔から外部に熱排出することを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項９】
前記単位セルは、プラス極活物質材料側には空気陰極を設けその外側に気体透過性膜を介して空気孔を有するプラス端子となる外囲器ケースを設け、マイナス極活物質材料を亜鉛（Ｚｎ）として、板状のマイナス極集電極板両面にその亜鉛材料を設け、そのマイナス極集電極と前記空気陰極との間には前記マイナス極活物質の亜鉛と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むアルカリ性電解液と、マイナス極活物質亜鉛材料を固着支持して電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け中空間隙のある板状の支持部材と、から少なくともなり、前記単位セルは空気中の酸素を使って発電し活物質に発生する熱を熱抵抗の少ない支持部材を経由して、その熱を中空間隙から自然に排出することを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項１０】
前記単位セルのマイナス極集電極と空気陰極との間は、マイナス極活物質の亜鉛と電解質液となるアルカリ性の水酸化カリウム（ＫＯＨ）とのペースト状からなり、空気のみ透過する膜で包まれていることを特徴とする請求項９記載の電気車両システム。
【請求項１１】
前記単位セルのマイナス極活物質が２種類あってそれらが支持部材上に分離して塗布され、等価的に２つが並列に接続した複合電池を形成し、
前記単位セルの陽極は、白銅メッシュ状の所容積寸法の電極材料支持部材と、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかとカルシウムとカーボンとを所定配合比にしてバインダーを入れて混合し、前記電極材料支持部材に塗付し乾燥させたプラス極活物質材料とからなり、
前記単位セルの陰極は、前記陽極の面積寸法と同一の電極材料支持部材と、亜鉛（Ｚｎ）、カーボンにそれぞれバインダーを入れて別々に混合し、所定面積比に分離して前記電極材料指示部材に塗り分け、乾燥させた陰極分離塗布型のマイナス極活物質材料とからなり、
亜鉛側の対向面間の第１領域は二次電池として動作し、カーボン側の対向面間の第２領域はカルシュウムイオンにより高電圧型（セル当り）二次電池として動作することを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項１２】
前記陽極側ペースト材の所定配合比は、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかが２０〜３０％、カルシウム４０〜６０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入り、前記陰極側ペースト材の所定面積比は、亜鉛塗布部６０〜９０％、カーボン塗布部１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする請求項１１記載の電気車両システム。
【請求項１３】
陽極及び陰極の前記電極支持部材はそれぞれ電解質液が漏れないように気密封じして外囲器ケースを突き抜けて固定し、その部材に板状の中空間隙又は複数の中空パイプ孔を有して、熱抵抗の少ない支持部材を経由し熱放散することを特徴とする請求項１１記載の電気車両システム。
【請求項１４】
前記切替制御部は、接続されている電池パックと前記インホイール発電機の発電出力電圧を常時計測し、その電池パックよりインホイール発電機の電圧値が下回った時点で、インホイール発電機からの出力端子上のすべての電子制御スイッチへ切断信号を送る発電機分離手段を備えることを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項１５】
複数Ｌ（整数）個の電気２重層コンデンサと、
Ｌ個の前記電気２重層コンデンサに対して入力される電力を所定時間ずつ順次充電する充電切替制御回路と、
充電されたＬ個の前記電気２重層コンデンサから各コンデンサ毎に順次放電させる放電切替制御回路とからなるコンデンサ部を、前記放電・充電切替装置に前記電池パック群と同様に並列に接続した蓄電装置と、
前記切替制御回路部は車両が走行を開始する時を検知した時点より前記コンデンサ部を車両の前記動力モータに接続する制御信号を送り、発進時に必要な電流で動力モータを稼動させるコンデンサ放電手段と、
を備えることを特徴とする請求項１、２、４又は５記載の電気車両システム。
【請求項１６】
前記各単位セルのプラス極活物質材料及びマイナス極活物質材料は電解質液体を含めて外囲器又はケースに収容され、それぞれの活物質材料を固定支持する部材は垂直方向に前記外囲器又はケースを突き抜けて設けられると共に、その部材の垂直方向に中空スリット又は複数の中空孔を有する支持部材を備え、活物質材料からの発生熱を熱抵抗の少ない該支持部材へ伝導させ、該スリット又は孔中の空気の対流で発生熱を自然に又は強制空冷により外部に排出することを特徴とする請求項１、２、４又は５記載の電気車両システム。
【請求項１】
鉛を使用しない電池と、駐車中に商用電源から充電する接続端子を有する車載充電部と、前記電池の放電により車両を走行させるモータと、を少なくとも備えた電気車両システムであって、
プラス極活物質材料からなる陽極と、マイナス極活物質材料からなる陰極と、それら電極間に電解質液体を浸すイオン交換用のセパレーターと、から少なくともなり、前記陽極・陰極の反応面における走行時電流の発生熱を発散させる前記電極の支持部材を備えて電池を形成する単位セルと、
二次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとしてそれを複数Ｎ組（Ｎは２，３又は４）設置する二次電池パック群と、
車両の各車輪のホイールディスクにそれぞれ固着されたロータと前記各車輪の軸受けに固着されたステータからなり、前記ロータ及びステータの少なくとも一部が前記車輪のリムと前記ホイールディスクにより囲まれる空間に収納配設され、車両の走行により前記車輪が回転して電力を出力するインホイール発電機と、
前記車両を電池により走行させる動力モータと、
前記二次電池パック群中１組のパック電極端子と前記動力モータとを接続し放電させる制御信号を受け、前記二次電池パック群中他の１組のパック電極端子と前記インホイール発電機とを接続し充電させる制御信号を受け、それぞれ所定順序で循環して電池パックの接続切替をする放電・充電切替装置と、
前記放電・充電切替装置へ前記制御信号を送り切替制御するコンピュータからなる切替制御部と、を備え、
前記切替制御部は、前記二次電池パック群の第１、第２…第Ｎ二次電池パック毎の電力残量を計測するため各センサーからの信号値をメモリに集積する記憶手段と、車両走行に現在使用している放電中のパックの残量が走行に必要な所定量以下になったとの判定時には、次の所定順序のパックに接続させるため前記放電・充電切替装置の電子制御スイッチ群に対してそれぞれ制御信号を送る放電切替手段と、前記発電機から現在充電されている電池パックが満充電になっているとの判定時には、次に放電されたパックに接続させ、放電完了されたパックが無い場合は接続させない制御信号を前記スイッチ郡に対して送る充電切替手段と、を少なくとも備えることを特徴とする電気車両システム。
【請求項２】
前記切替制御部は、前記第１二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第１モードと、
前記第２二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第１二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第２モードと、
前記第Ｎ二次電池パックの電極端子を前記動力モータに制御信号により接続し、前記第（Ｎ−１）二次電池パックの電極端子を前記インホイール発電機に制御信号により接続する第ＮモードからなるＮ個のモードを、走行に使用している二次電池パックの残量が所定量以下になれば次のモードに順次切り替えるモード切替手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の電気車両システム。
【請求項３】
前記切替制御部は、前記各モードにおいて、車両ギアシフト部のドライブモードによる加速状態中は二次電子パックの電極端子と動力モータを接続し他の接続は切断し、前記ドライブモードによる加速以外の状態及びニュートラルモード状態中は二次電池パックとインホイール発電機を接続し他の接続は切断し充電による制動状態とすることを特徴とする請求項２記載の電気車両システム。
【請求項４】
前記切替制御部は、前記放電切替手段及び充電切替手段に加えて、ギアシフト部のドライブモードによる車両加速状態期間に入れば、直前まで走行使用中の二次電池パックを前記動力モータにのみ接続し、その期間外になれば接続を解除し、一方、ドライブモードによる加速状態及びニュートラルモード状態期間に入れば、前記直前まで走行使用中の二次電池パック以外の電池パックを前記インホイール発電機にのみ接続し充電による車両制動状態とし、その期間外になれば接続を解除する制御信号を送る加速・制動対応充放電手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電気車両システム。
【請求項５】
前記二次電池パック群に加えて、一次電池を形成する前記単位セルを直列に接続して必要とする所定ＤＣ電圧を出力させるセルスタックとして、該セルスタックＭ組（Ｍは１又は２）の一次電池パックを設け、
前記切替制御部は、前記二次電池パック群の残量がすべて前記所定値以下である時は前記一次電池パック中の１組へ接続制御信号を送り動力モータと接続する緊急切替手段を更に備えることを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項６】
前記切替制御部は、前記動力モータに接続し現在まで使用していた二次電池パックを除く二次電池パックに対して、車両走行中車両停車中にかかわらず前記一次電池パックの１組から充電するための接続制御信号を送る一次電池充電接続手段を更に備えることを特徴とする請求項５記載の電気車両システム。
【請求項７】
前記一次電池パックは、マイナス極活物質材料を交換できる挿入溝を有する再生型亜鉛空気電池であることを特徴とする請求項５記載の電気車両システム。
【請求項８】
前記単位セルは、プラス極活物質材料をリチウム（Ｌｉ）を含む酸化物、マイナス極活物質材料を黒鉛（Ｃ）とし、セパレーターに含まれる電解質液をアルカリ性電解液又はイオン性液体と、それら活物質材料をそれぞれ固着支持し、電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け、中空間隙又は複数の中空孔を有して空気が通過できる板状の支持部材とからなり、各単位セルは充放電時に活物質部材に発生する熱を熱抵抗の少な支持部材を経由して前記中空孔から外部に熱排出することを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項９】
前記単位セルは、プラス極活物質材料側には空気陰極を設けその外側に気体透過性膜を介して空気孔を有するプラス端子となる外囲器ケースを設け、マイナス極活物質材料を亜鉛（Ｚｎ）として、板状のマイナス極集電極板両面にその亜鉛材料を設け、そのマイナス極集電極と前記空気陰極との間には前記マイナス極活物質の亜鉛と、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含むアルカリ性電解液と、マイナス極活物質亜鉛材料を固着支持して電解質液が漏れないようにして外囲器ケースを突き抜け中空間隙のある板状の支持部材と、から少なくともなり、前記単位セルは空気中の酸素を使って発電し活物質に発生する熱を熱抵抗の少ない支持部材を経由して、その熱を中空間隙から自然に排出することを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項１０】
前記単位セルのマイナス極集電極と空気陰極との間は、マイナス極活物質の亜鉛と電解質液となるアルカリ性の水酸化カリウム（ＫＯＨ）とのペースト状からなり、空気のみ透過する膜で包まれていることを特徴とする請求項９記載の電気車両システム。
【請求項１１】
前記単位セルのマイナス極活物質が２種類あってそれらが支持部材上に分離して塗布され、等価的に２つが並列に接続した複合電池を形成し、
前記単位セルの陽極は、白銅メッシュ状の所容積寸法の電極材料支持部材と、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかとカルシウムとカーボンとを所定配合比にしてバインダーを入れて混合し、前記電極材料支持部材に塗付し乾燥させたプラス極活物質材料とからなり、
前記単位セルの陰極は、前記陽極の面積寸法と同一の電極材料支持部材と、亜鉛（Ｚｎ）、カーボンにそれぞれバインダーを入れて別々に混合し、所定面積比に分離して前記電極材料指示部材に塗り分け、乾燥させた陰極分離塗布型のマイナス極活物質材料とからなり、
亜鉛側の対向面間の第１領域は二次電池として動作し、カーボン側の対向面間の第２領域はカルシュウムイオンにより高電圧型（セル当り）二次電池として動作することを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項１２】
前記陽極側ペースト材の所定配合比は、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）又は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）のいずれかが２０〜３０％、カルシウム４０〜６０％、カーボン１０〜４０％の範囲に少なくとも入り、前記陰極側ペースト材の所定面積比は、亜鉛塗布部６０〜９０％、カーボン塗布部１０〜４０％の範囲に少なくとも入ることを特徴とする請求項１１記載の電気車両システム。
【請求項１３】
陽極及び陰極の前記電極支持部材はそれぞれ電解質液が漏れないように気密封じして外囲器ケースを突き抜けて固定し、その部材に板状の中空間隙又は複数の中空パイプ孔を有して、熱抵抗の少ない支持部材を経由し熱放散することを特徴とする請求項１１記載の電気車両システム。
【請求項１４】
前記切替制御部は、接続されている電池パックと前記インホイール発電機の発電出力電圧を常時計測し、その電池パックよりインホイール発電機の電圧値が下回った時点で、インホイール発電機からの出力端子上のすべての電子制御スイッチへ切断信号を送る発電機分離手段を備えることを特徴とする請求項１、２又は４記載の電気車両システム。
【請求項１５】
複数Ｌ（整数）個の電気２重層コンデンサと、
Ｌ個の前記電気２重層コンデンサに対して入力される電力を所定時間ずつ順次充電する充電切替制御回路と、
充電されたＬ個の前記電気２重層コンデンサから各コンデンサ毎に順次放電させる放電切替制御回路とからなるコンデンサ部を、前記放電・充電切替装置に前記電池パック群と同様に並列に接続した蓄電装置と、
前記切替制御回路部は車両が走行を開始する時を検知した時点より前記コンデンサ部を車両の前記動力モータに接続する制御信号を送り、発進時に必要な電流で動力モータを稼動させるコンデンサ放電手段と、
を備えることを特徴とする請求項１、２、４又は５記載の電気車両システム。
【請求項１６】
前記各単位セルのプラス極活物質材料及びマイナス極活物質材料は電解質液体を含めて外囲器又はケースに収容され、それぞれの活物質材料を固定支持する部材は垂直方向に前記外囲器又はケースを突き抜けて設けられると共に、その部材の垂直方向に中空スリット又は複数の中空孔を有する支持部材を備え、活物質材料からの発生熱を熱抵抗の少ない該支持部材へ伝導させ、該スリット又は孔中の空気の対流で発生熱を自然に又は強制空冷により外部に排出することを特徴とする請求項１、２、４又は５記載の電気車両システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
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【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−６２０５８（Ｐ２０１１−６２０５８Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１２１３０（Ｐ２００９−２１２１３０）
【出願日】平成２１年９月１４日（２００９．９．１４）
【出願人】（５０３４１６８８１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１４日（２００９．９．１４）
【出願人】（５０３４１６８８１）
【Ｆターム（参考）】
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