JP2000023314A - 自動車用動力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気自動車あるいはハイブリッド自動車に装
備された二次電池に充電を行うときの商用電源への接続
時間を短くするとともに、電池の寿命を長くする。 【解決手段】 商用電源接続端子から供給されるエネル
ギによりフライホイールがその回転軸に機械的に結合さ
れた電動発電機を回転駆動させ、フライホイールの回転
が高速回転状態に達した後に、フライホイールに蓄積さ
れた回転機械エネルギを用いて発電機を回転駆動させ二
次電池の充電を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車あるい
はハイブリッド自動車に利用する。本発明は、車両にフ
ライホイール装置（あるいはフライホイール・バッテ
リ）を搭載した自動車用動力系に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両にフライホイール装置を搭載し、こ
のフライホイール装置に機械的エネルギを蓄積させ、こ
の機械的エネルギを電気的エネルギに変換して車軸に連
結された電動機を駆動することにより車両を走行させる
技術が開発途上にある。この技術に関連して、本願出願
人は特願平１０−２６０６２号（本願出願時において未
公開、以下「先願」という）を出願した。この先願は高
速で回転するフライホイールを走行し揺れる車両に取り
付けるための構造に関するものである。

【０００３】従来のこの種の装置は、フライホイール・
バッテリと呼ばれ、一時的に蓄えられた機械エネルギを
車両駆動用の電動機に供給する構造のものである。

【０００４】一方、商用電源を利用して自動車に搭載さ
れた化学反応による二次電池を充電し、この二次電池が
放出する電気エネルギにより車両駆動用電動機を駆動す
る電気自動車が普及段階にある。この構造の電気自動車
では、この車両駆動用電動機が電動発電機であって、車
両が制動するときに制動により発生する電気エネルギを
二次電池に回生する装置も知られている。この電動発電
機は多相交流型であり、化学反応を利用する二次電池は
直流型であり、この多相交流と直流との間をプログラム
制御されたインバータ装置により変換する技術も知られ
ている（国際公表公報ＷＯ８８／０６１０７参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、化学反応によ
る二次電池は、充電電流の最大値は比較的小さい値に制
限される。充電電流を大きくすると充電電流は電池内部
抵抗により熱になってしまい充電効率はいちじるしく低
下する。現在の電気自動車の技術では、かりに、数時間
にわたり合計数百ｋｍを走行することができるエネルギ
を蓄積できる電池であっても、その充電に要する時間も
数時間になる。商用電源から充電のための電気エネルギ
をとる場合には、充電時間中はその自動車は走行するこ
とができない。したがって、夜間など自動車を長時間に
わたり使用しない時間を利用して充電をおこなわなけれ
ばならない。また、制動により発生するエネルギを二次
電池に回生する場合にも、制動により発生する電気エネ
ルギは短時間に大きいエネルギを発生することになり、
二次電池の端子電圧では可能な充電電流を越える値とな
ってしまい、回生効率は低い値に制限される。

【０００６】さらに、短時間に大きい充電電流により充
電を行うと、二次電池のヒートサイクルがひんぱんであ
り、かつ振幅が大きくなり、電池寿命を短くすることが
知られている。

【０００７】本発明はこのような背景に行われたもので
あって、充電のために商用電源に接続する時間を短くす
ることができる自動車用動力装置を提供することを目的
とする。本発明は、制動エネルギを回生する場合にも、
制動により発生するエネルギを高い効率で回生すること
ができる自動車用動力装置を提供することを目的とす
る。本発明は電気自動車の電池寿命を長くすることがで
きる自動車用動力装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、商用電源から
の電気エネルギを回転機械エネルギとしてフライホイー
ルに蓄積し、このエネルギを用いて発電機を回転駆動し
二次電池に充電を行うことを特徴とする。

【０００９】すなわち、本発明は、商用電源接続端子
と、二次電池と、この二次電池および前記商用電源接続
端子に接続されプログラム制御回路により制御されるイ
ンバータ装置と、このインバータ装置を介して前記二次
電池が放出するエネルギにより車輪を回転駆動させる電
動機とを備えた自動車用動力装置において、フライホイ
ールと、このフライホイールの回転軸に機械的に結合さ
れ前記インバータ装置に電気的に接続された電動機およ
び発電機とを含むフライホイール装置を備え、前記プロ
グラム制御回路は、前記商用電源接続端子から供給され
るエネルギにより前記フライホイールを回転駆動させ、
前記フライホイールが高速回転状態に達した後にこのフ
ライホイール装置から供給されるエネルギにより前記二
次電池を充電させる充電制御手段を含むことを特徴とす
る。

【００１０】前記車輪に制動力を与え前記インバータ装
置に回生エネルギを供給する発電機を備え、この発電機
には前記電動機と一体の車両駆動用電動発電機を用いる
ことが望ましい。さらに、本装置には、内燃機関を備
え、前記車両駆動用電動発電機を前記内燃機関に連結
し、電動機としての出力を補助動力として利用すること
ができる。

【００１１】二次電池に蓄積された直流電気エネルギ
は、インバータ装置により交流電気エネルギに変換さ
れ、この交流電気エネルギが電動機を回転駆動し車両を
走行させる。

【００１２】車両の走行により二次電池に蓄積された直
流電気エネルギが所定値以下になったときに充電が行わ
れる。この充電のために商用電源に商用電源接続端子が
接続されると、インバータ装置に商用電源から交流電気
エネルギが供給される。プログラム制御回路の充電制御
手段は、インバータ装置に供給された交流電気エネルギ
を直流電気エネルギに変換してフライホイール装置の電
動機に供給する。電動機はこのエネルギの供給により回
転駆動し、その回転軸に機械的に結合されたフライホイ
ールを回転させ、商用電源からの交流電気エネルギを回
転機械エネルギとして蓄積する。

【００１３】フライホイールが一定以上の高速回転状態
に達したときに、充電制御手段はフライホイールに蓄積
された回転機械エネルギにより発電機を駆動する。この
発電機の駆動により交流電気エネルギが発生する。充電
制御手段は発生した交流電気エネルギをインバータ装置
により直流電気エネルギに変換し二次電池に供給して蓄
積する。

【００１４】このようにフライホイール装置を利用した
場合に、フライホイールにエネルギを蓄積するとき、す
なわち回転体の回転速度を上昇させるときに、発熱によ
りエネルギを消耗する割合を小さくすることができる。
すなわち短時間充電の効率がよい。フライホイール装置
は、長時間にわたりエネルギを放出するときにも、エネ
ルギ損失を小さくすることができる。フライホイール装
置は、回転体の最大回転速度に到達するまでの時間は、
同一エネルギ容量の化学反応による二次電池にくらべて
きわめて短い。本発明はこのようなフライホイール装置
の特性を利用するものである。

【００１５】車両駆動用の電動機と発電機とを一体にし
車両駆動用電動発電機として実装すれば、一つの構造体
で、電動機として駆動させたときには車両を走行させる
ことができ、発電機として駆動させたときには電気的な
制動力を与えることができる。さらに、発生した交流電
気エネルギをインバータ装置により直流電気エネルギに
変換し二次電池に回生することができる。

【００１６】内燃機関を備えた車両にこの車両駆動用電
動発電機を直結すれば、ハイブリッド自動車として利用
することができ、車両を発進あるいは加速させるときに
補助動力を与え、制動時には発電機による電気制動を与
えることができる。さらに、発生した交流電気エネルギ
をインバータ装置を介してフライホイールの回転軸に機
械的に結合された電動発電機に供給し機械的エネルギと
して蓄積することができる。この構成の場合もフライホ
イール装置から供給される機械的エネルギにより二次電
池の充電を行う。

【００１７】このように本発明によれば、電気自動車あ
るいはハイブリッド自動車に実装された二次電池の充電
のための商用電源への接続時間を短くすることができる
とともに、制動により発生した電気エネルギを高い効率
で回生することができる。さらに、二次電池への充電が
適正な充電電流により行われるので電池寿命を長くする
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

【００１９】

【実施例】次に、本発明実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００２０】（第一実施例）図１は本発明第一実施例の
要部の構成を示すブロック図、図２は本発明実施例に備
えられるフライホイール装置の要部の構造を示す断面
図、図３は本発明実施例におけるフライホイール装置の
車両への実装例を示す図である。

【００２１】本発明第一実施例は、商用電源接続端子１
と、二次電池２と、この二次電池２および商用電源接続
端子１に接続されプログラム制御回路３により制御され
るインバータ装置４と、このインバータ装置４を介して
二次電池２が放出するエネルギにより車輪を回転駆動さ
せる電動機および車輪に制動力を与えインバータ装置４
に回生エネルギを供給する発電機が一体に構成された車
両駆動用電動発電機５とが備えられる。

【００２２】さらに、本発明の特徴として、フライホイ
ール６と、このフライホイール６の回転軸７に機械的に
結合されインバータ装置４に電気的に接続された電動発
電機８と、フライホイール６の回転速度を検出する回転
センサ１３と、電動発電機８と二次電池２とを電気的に
接続し双方向に電気エネルギを変換伝達するインバータ
回路１１と、回転センサ１３の出力にしたがってインバ
ータ回路１１を制御するＣＰＵ１４とを含むフライホイ
ール装置９が備えられる。

【００２３】プログラム制御回路３には、商用電源接続
端子１から供給されるエネルギによりフライホイール６
を回転駆動させ、フライホイール６が高速回転状態に達
した後にこのフライホイール装置９から供給されるエネ
ルギにより二次電池２を充電させる充電制御手段１０が
含まれる。

【００２４】インバータ装置４と二次電池２およびフラ
イホイール装置９との間には分配回路１５が配置され、
二次電池２の電流の変化を検出する電流検出器１６と、
インバータ装置４の出力電圧を検出する電圧検出器１７
と、インバータ回路１１からの直流電圧を検出する電圧
検出回路１８とが備えられる。

【００２５】プログラム制御回路３には、ＣＰＵ１４、
電流検出器１６、電圧検出器１７および電圧検出回路１
８の出力が接続され、プログラム制御回路３からインバ
ータ装置４、ＣＰＵ１４、および分配回路１５には制御
信号が送出される。

【００２６】次に、このように構成された本発明第一実
施例の動作について説明する。

【００２７】商用電源接続端子１（この例では３相）が
商用電源に接続されると、インバータ装置４に商用電源
から交流電気エネルギが供給される。プログラム制御回
路３の充電制御手段１０はこの交流電気エネルギの供給
により分配回路１５に制御信号を送出し、インバータ装
置４と二次電池２との接続をインバータ装置４とフライ
ホイール装置９との接続に切替える。

【００２８】この切替接続によりインバータ装置４に供
給された商用電源からの交流電気エネルギは直流電気エ
ネルギに変換されフライホイール装置９のインバータ回
路１１に供給される。

【００２９】インバータ回路１１はＣＰＵ１４の制御に
したがって供給された直流電気エネルギを交流電気エネ
ルギに変換し、電動発電機８を電動機として回転駆動す
る。これは電動発電機８の固定子部に回転子部の回転速
度より大きい速度の回転磁界を与えることによって行わ
れる。この電動発電機８の回転駆動にともなってその回
転軸に機械的に結合されたフライホイール６が回転し、
商用電源からの交流電気エネルギを回転機械エネルギと
して蓄積する。

【００３０】充電制御手段１０は、ＣＰＵ１４を介して
回転センサ１３からの検出出力を取込み、フライホイー
ル６が所定の高速回転状態になったときに、ＣＰＵ１４
を介してインバータ回路１１に対し電動発電機８の固定
子部に回転子部の回転速度より小さい速度の回転磁界を
与える制御信号を送出し、フライホイール６に蓄積され
た回転機械エネルギにより電動発電機８を発電機として
駆動する。インバータ回路１１は、ＣＰＵ１４の制御に
したがって電動発電機８が発生した交流電気エネルギを
直流電気エネルギに変換し分配回路１５を経由して二次
電池２に蓄積する。

【００３１】このように、商用電源からの電気エネルギ
を短時間で機械的エネルギとしてフライホイール６に蓄
積し、蓄積した機械的エネルギを用いて再度電気エネル
ギを発生させることにより、商用電源への接続時間を短
くすることができ、かつ適正な充電電流による二次電池
２への充電をある期間にわたり継続的に行うことができ
る。

【００３２】なお、商用電源接続端子１からの商用電源
による充電時に、分配回路１５によりインバータ装置４
と二次電池２およびフライホイール装置９とを同時に接
続する構成にすることも可能であり、この場合には商用
電源に商用電源接続端子１が接続されている期間中は、
二次電池２への充電とフライホイール装置９への機械的
エネルギの蓄積とが並行して行われ、充電時間をさらに
短縮することができる。

【００３３】（第二実施例）図４は本発明第二実施例の
要部の構成を示すブロック図である。

【００３４】本発明第二実施例は、第一のインバータ回
路２１の出力により回転駆動する電動機２３と、この電
動機２３の回転軸に機械的に結合されたフライホイール
６と、このフライホイール６の回転軸に機械的に結合さ
れた発電機２４と、この発電機２４から発生した交流電
気エネルギを直流電気エネルギに変換し二次電池２に供
給する第二のインバータ回路２２とを備えたフライホイ
ール装置１９が設けられる。その他は第一実施例同様に
構成される。

【００３５】本第二実施例の場合は、商用電源接続端子
１が商用電源に接続されると、インバータ装置４に商用
電源から交流電気エネルギが供給される。プログラム制
御回路３の充電制御手段１０はこの交流電気エネルギの
供給により分配回路１５に制御信号を送出し、インバー
タ装置４と二次電池２との接続をインバータ装置４とフ
ライホイール装置１９との接続に切替える。

【００３６】この切替接続によりインバータ装置４に供
給された商用電源からの交流電気エネルギは直流電気エ
ネルギに変換されフライホイール装置１９の第一のイン
バータ回路２１に供給される。

【００３７】第一のインバータ回路２１は充電制御手段
１０からの制御信号を受けたＣＰＵ１４の制御にしたが
って供給された直流電気エネルギを交流電気エネルギに
変換し電動機２３を回転駆動する。この電動機２３の回
転駆動にともなってその回転軸に機械的に結合されたフ
ライホイール６が回転し、商用電源からの交流電気エネ
ルギを回転エネルギとして蓄積する。

【００３８】フライホイール６の回転機械エネルギは発
電機２４を回転駆動し、発電機２４からは交流電気エネ
ルギが発生する。この交流電気エネルギを第二のインバ
ータ回路２２がＣＰＵ１４の制御にしたがって直流電気
エネルギに変換し二次電池２に蓄積する。

【００３９】この第二実施例の場合も商用電源に商用電
源接続端子１が接続されている期間中は、二次電池２へ
の充電とフライホイール装置１９への機械的エネルギの
蓄積とを並行して行うことができる。

【００４０】（第三実施例）図５は本発明第三実施例の
要部の構成を示すブロック図である。

【００４１】本発明第三実施例はハイブリッド自動車
（本願出願人が製造販売するＨＩＭＲ車）に実装した例
を示したものであり、車両駆動用電動発電機として多相
交流電動発電機が用いられる。

【００４２】この第三実施例は、内燃機関３０と、この
内燃機関３０の主回転軸に直結された多相交流電動発電
機３１と、内燃機関３０の主回転軸の回転速度を検出す
る機関回転速度センサ３２とが備えられ、プログラム制
御回路３に、補助加速モードが設定されたときに二次電
池２から直流電気エネルギをインバータ装置４に供給し
交流電気エネルギに変換して多相交流電動発電機３１を
電動機として駆動する手段と、制動モードが設定された
ときにインバータ装置４を制御して多相交流電動発電機
３１を発電機として駆動し電気制動を行い発生した交流
電気エネルギを直流電気エネルギに変換し二次電池２に
充電する手段とが含まれる。

【００４３】その他は第一実施例と同様に構成され、商
用電源接続端子１を商用電源に接続したときの二次電池
２への充電動作も第一実施例同様に行われる。

【００４４】ここで、内燃機関３０により車輪を駆動し
ているときの動作について説明する。

【００４５】操舵ハンドルの下部に設けられた加速制動
操作レバー（図示せず）が操作され補助加速モードが設
定されると、プログラム制御回路３は、分配回路１５を
制御してインバータ装置４と二次電池２とを接続すると
ともに、インバータ装置４を制御して二次電池２から直
流電気エネルギを取込み、交流電気エネルギに変換して
多相交流電動発電機３１を電動機として駆動する。この
駆動力が内燃機関３０の駆動力に加えられて補助加速が
行われる。

【００４６】また、加速制動操作レバーの操作により制
動モードが設定されると、プログラム制御回路３は、分
配回路１５を制御してインバータ装置４とフライホイー
ル装置９とを接続するとともに、インバータ装置４を制
御して多相交流電動発電機３１を発電機として駆動し電
気制動を行う。

【００４７】プログラム制御回路３はインバータ装置４
を制御して多相交流電動発電機３１に発生した交流電気
エネルギを直流電気エネルギに変換し、二次電池２に優
先してフライホイール装置９に供給し、第一実施例と同
様の動作により回転機械エネルギとしてフライホイール
６に蓄積する。フライホイール６が所定値を越える回転
速度に達したときに電動発電機８を発電機として駆動
し、インバータ回路１１により発生した交流電気エネル
ギを直流電気エネルギに変換して二次電池２に蓄積す
る。

【００４８】この二次電池２に蓄積された直流電気エネ
ルギを補助加速のために使用するときに、フライホイー
ル６がまだ回転状態にあれば、二次電池２の電気エネル
ギより先にフライホイール６の回転機械エネルギを利用
し、フライホイール６の回転がエネルギを取出すには不
十分な状態になったときに二次電池２からエネルギを取
出す。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
気自動車あるいはハイブリッド自動車に装備された二次
電池に商用電源を用いて充電を行うときに、商用電源に
接続する時間を短くすることができる。また、蓄積され
た回転機械エネルギを利用して二次電池に許容される適
正な充電電流により電気エネルギの蓄積を行うことがで
きるので電池寿命を長くすることができる。さらに、制
動エネルギを回生する場合にも、制動により発生するエ
ネルギを高い効率で回生することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例の要部の構成を示すブロック
図。

【図２】本発明第一実施例に備えられるフライホイール
装置の要部の構造を示す断面図。

【図３】本発明第一実施例におけるフライホイール装置
の車両への実装例を示す図。

【図４】本発明第二実施例の要部の構成を示すブロック
図。

【図５】本発明第三実施例の要部の構成を示すブロック
図。

【符号の説明】

１ 商用電源接続端子 ２ 二次電池 ３ プログラム制御回路 ４ インバータ装置 ５ 車両駆動用電動発電機 ６ フライホイール ７ 回転軸 ８ 電動発電機 ９、１９ フライホイール装置 １０ 充電制御手段 １１ インバータ回路 １３ 回転センサ １４ ＣＰＵ １５ 分配回路 １６ 電流検出器 １７ 電圧検出器 １８ 電圧検出回路 ２１ 第一のインバータ回路 ２２ 第二のインバータ回路 ２３ 電動機 ２４ 発電機 ３０ 内燃機関 ３１ 多相交流電動発電機 ３２ 機関回転速度センサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用電源接続端子と、二次電池と、この
   二次電池および前記商用電源接続端子に接続されプログ
   ラム制御回路により制御されるインバータ装置と、この
   インバータ装置を介して前記二次電池が放出するエネル
   ギにより車輪を回転駆動させる電動機とを備えた自動車
   用動力装置において、 フライホイールと、このフライホイールの回転軸に機械
   的に結合され前記インバータ装置に電気的に接続された
   電動機および発電機とを含むフライホイール装置を備
   え、 前記プログラム制御回路は、前記商用電源接続端子から
   供給されるエネルギにより前記フライホイールを回転駆
   動させ、前記フライホイールが高速回転状態に達した後
   にこのフライホイール装置から供給されるエネルギによ
   り前記二次電池を充電させる充電制御手段を含むことを
   特徴とする自動車用動力装置。
2. 【請求項２】 前記車輪に制動力を与え前記インバータ
   装置に回生エネルギを供給する発電機を備えた請求項１
   記載の自動車用動力装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の発電機は前記電動機と一
   体の車両駆動用電動発電機である自動車用動力装置。
4. 【請求項４】 内燃機関を備え、前記車両駆動用電動発
   電機が前記内燃機関に連結された請求項３記載の自動車
   用動力装置。