JP2014084034A - 着脱式ハイブリッドシステム及び着脱式発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＶシステムにおいて蓄電池の容量が無くなった場合であってもＥＶシステムを動作させることができるようにすること。
【解決手段】ＥＶシステム１０に着脱自在の発電機２０を設ける。発電機２０はコネクタ２１を介してＥＶシステム１０に接続されている。エンジン２２を始動すると、エンジン２２に連結されたモータジェネレータ２３が回転する。コントローラ２９はインバータ２４を位相制御することによってインバータ２４よりＥＶシステム１０で要求される電圧に応じた直流電圧を供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は電力によって動作する農業機械や芝刈り機、建築機械等において利用され、蓄電池の容量がなくなったときに用いられる着脱式ハイブリッドシステム及び着脱式発電機に関するものである。

最近では特許文献１等に示されるように、電源部となる蓄電池を車両に搭載し、モータを駆動源として電源から供給される電力のみによって駆動する電気自動車が実用化されつつある。

しかし農業機械や芝刈機、建設機械等の分野では、特許文献２には蓄電池とモータを用いて駆動する農業機械が提案されているが、電気を動力源とする車両やハイブリッド車はほとんど実用化されていなかった。

特開２００９−０８３６７１号公報 特開２００３−００９６０７号公報

しかし今後車両の電動化が進展することに伴い、農業機械等についても電力によって動作する電気車両システム（以下、ＥＶシステムという）の導入が見込まれている。ＥＶシステムでは、システム自体が固定化されており、ＥＶシステムをハイブリッドシステムに容易に変更できるものではなかった。ＥＶシステムでは蓄電池の容量がなくなった場合に再び充電しなければ動作させることができない。しかしながら充電設備はどこにでもあるものではないため、充電が困難な環境下で蓄電池の容量がなくなった場合は、車両を動かすこともできなくなるという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであって、特に農業機械や草刈り機、建築機械等において、充電設備に頼ることなくいつでも充電したり動作させるための着脱式ハイブリッドシステムを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の着脱式ハイブリッドシステムは、蓄電池と、インバータと、モータを具備する電気車両システムにおいて、前記電気車両システムに着脱自在に接続された発電機を有し、前記発電機は、エンジンと、前記エンジンの回転軸に接続されたモータジェネレータと、前記モータジェネレータからの三相交流出力を直流電圧に変換し、変換した出力を前記電気車両システムに供給する第１のインバータと、前記第１のインバータの出力する直流電圧を制御するコントローラと、を具備するものである。

ここで前記電気車両システムの制御信号ラインからの信号を入力する信号入力部を更に有し、前記コントローラは、前記制御信号ラインから入力された車両の蓄電池の電圧及び容量に応じた直流電圧を発生するように制御するものとしてもよい。

ここで前記発電機は、前記第１のインバータからの直流電圧を所望の交流電圧に変換する第２のインバータを更に具備するようにしてもよい。

ここで前記着脱式ハイブリッドシステムは、認証によって動作を制御する認証システムを更に具備するようにしてもよい。

この課題を解決するために、本発明の発電機は、蓄電池と、インバータと、モータを具備する電気車両システムに着脱自在に接続される発電機であって、前記発電機は、エンジンと、前記エンジンの回転軸に接続されたモータジェネレータと、前記モータジェネレータからの三相交流出力を直流電圧に変換し、変換した出力を前記電気車両システムに供給する第１のインバータと、前記電気車両システムの制御信号ラインからの信号を入力する信号入力部と、外部に出力する電圧や電源の種類を入力する操作部と、前記信号入力部又は操作部から得られる前記電気車両システムの蓄電池の電圧及び容量又は操作部から得られる電圧や電源の種類に基づいて前記第１のインバータの出力する直流電圧を制御するコントローラと、を具備するものである。

このような特徴を有する本発明によれば、着脱式の発電機をＥＶシステムに接続することによってＥＶシステムの蓄電池の容量が無くなった場合であっても、ＥＶシステムを動作させることができる。このため非常用の発電システムとして有用に使用することができる。

又請求項２の発明によれば、本発明の着脱式発電機をＥＶシステムに接続することによって蓄電池の容量や電圧に応じて発電し充電することができ、接続したときのハイブリッドシステムとして使用することも可能となる。

又請求項３の発明によれば、２つのインバータを用いることによって発電機から外部に直流電圧や単相及び三相の交流電圧を供給することができる。

又請求項４の発明によれば、ＥＶシステム側にトランスポンダを設けておくことによって、ＩＤコードが一致した場合にのみ着脱式の発電機を動作させることができ、盗難の防止が可能となる。

又請求項５及び６の発明では、発電機単体として使用し、操作部からの入力に基づいて必要な直流電圧を外部に出力することができる。又請求項６の発明はこれに加えて、所望の交流電圧を外部に出力することができるという効果が得られる。

図１は本発明の第１の実施の形態による着脱式ハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。 図２は本実施の形態に用いられる車両の全体構成を示す概略図である。 図３はこの実施の形態のコネクタ部分を示す概略図である。 図４は本発明の第２の実施の形態による着脱式ハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。

図１は本発明の実施の形態によるＥＶシステムに着脱式発電機を接続した着脱式ハイブリッドシステム１の全体構成を示すブロック図、図２は車両の全体構成を示す概略図である。図１において、車載側のＥＶシステム１０には着脱式の発電システム２０が着脱自在に連結されている。

まず車載側のＥＶシステム１０について説明する。蓄電池１１は車両の動力源となるＥ
Ｖシステム１０の蓄電池である。蓄電池１１の出力側にはスイッチ１２を介してインバータ（ＩＮＶ）１３が接続され、インバータ１３に駆動用モータ（Ｍ）１４が接続される。インバータ１３は蓄電池１１の直流電圧をスイッチングによって三相の交流電圧とし、駆動用モータ１４に供給するものである。駆動用モータ１４の回転力は図示しないトランスミッション等を介して車両の駆動機構に伝達される。そして車載側のＥＶシステム１０は、自動車や農業機械、草刈り機などで一般的に用いられている車両内で制御信号を伝送するＣＡＮ規格の通信ライン１５を有している。ＣＡＮ規格の通信ライン１５は２線式であり、そのラインがコネクタ１６に接続される。この実施の形態においては、スイッチ１２とインバータ１３との接続点の正負のラインもコネクタ１６に接続される。コネクタ１６及びこれに対応する発電システム２０側のコネクタ２１は、図３に示すような４端子型のコネクタとする。

さて着脱式の発電機２０は、図２に示すように、１つの筐体に全ての構成部品を組み込んだものである。発電機２０の内部には図１に示すようにエンジン２２が設けられている。エンジン２２の動力はモータジェネレータ（ＭＧ）２３に供給され、モータジェネレータ２３を回転駆動するものである。エンジン２２のクランク軸が直接モータジェネレータ２３に連結されていてもよく、ベルト等の連結治具を介して接続されていてもよい。モータジェネレータ２３は三相交流を発生させるものであり、その出力はインバータ２４に連結される。インバータ２４はモータジェネレータ２３からの三相交流出力をスイッチング及び平滑して直流電圧に変換するものである。又このインバータ２４からの出力は第２のインバータ２５とコネクタ２６に接続される。インバータ２５は直流電圧を三相及び単相の交流電圧に変換するものであり、その出力端は夫々コネクタ２７，２８に接続される。コネクタ２６は直流電圧を外部に出力するためのコネクタであり、三相交流や単相交流をコネクタ２７，２８を介して外部に出力するためのコネクタである。インバータ２４で発生した直流出力は前述した着脱式のコネクタ２１，１６を介してＥＶシステム１０に供給することができる。尚コネクタ２１は車両の制御信号を発電機２０に入力する信号入力手段を構成している。

更に発電機２０にはコネクタ２１からのＣＡＮ信号を受け取って、その信号に基づいてインバータ２４，２５を制御するためのコントローラ２９が接続されている。コントローラ２９はＣＡＮ規格のラインを通じて外部から電池容量情報やアクセルからの出力情報を入手し、これに基づいてエンジン２２の始動，停止を制御し、インバータ２４の出力となる直流電圧の電圧値を制御するものである。コントローラ２９はモータ電流をｄｑ軸で表現したときの電流Ｉｑのレベルや位相を変化させることによって、容易に直流電圧の電圧値を制御することができる。又コントローラ２９には操作部３０が接続される。操作部３０は発電機２０を単体で使用する場合に必要な電圧や直流交流等の電源の種類、周波数及び電圧のレベルを設定するものである。コントローラ２９はこの信号に基づき、エンジン２２の始動，停止を制御し、インバータ２４，２５を制御することによって所望の種類の電力を出力することができる。

次にこの実施の形態による着脱式ハイブリッドシステムの動作について説明する。通常は着脱式の発電機２０は図２に示す車体側に接続していておいてもよく、又接続せずに車体のみで単体として動作させるものであってもよい。単独で使用している場合はスイッチ１２を閉じておき、ＥＶシステム１０の蓄電池１１からインバータ１３を介してモータ１４を駆動することによって農業機械等のＥＶシステムはそのまま利用することができる。

このように着脱式発電機を用いることなく農業機械等を使用していた際に、何らかの故障や蓄電池の容量がなくなった場合には、着脱式の発電機２０を車体に搭載し、コネクタ２１にコネクタ１６を接続する。こうすれば車体側のＣＡＮ規格の通信ライン１５の信号がコネクタ１６，２１を介して発電機２０のコントローラ２９に加わる。従ってコントロ
ーラ２９は蓄電池１１の電圧についての情報を得ることができる。このときエンジン２２を動作させ、モータジェネレータ２３を回転させる。そしてＥＶシステム１０側のアクセルからの出力指令情報もＣＡＮ信号系を通じてコントローラ２９に加わる。コントローラ２９はこれによってインバータ２４から出力する直流電圧のレベルを制御し、インバータ２４より蓄電池１１の電圧に相当する直流電圧を発生させることができる。この電圧はコネクタ２１，１６を介してＥＶシステム１０側に伝えられる。このときスイッチ１２をオフとしておけば、インバータ１３に直流電圧が供給されるため車両のモータ１４を回転させることができる。また発電機２０側の出力が十分でなければ、スイッチ１２をオンとして一旦電力を蓄電池１１に供給し、蓄電池１１を十分充電した後、蓄電池１１によって車両のモータ１４を回転させるようにしてもよい。このような使用を前提とする場合には、発電機２０のエンジン２２やジェネレータモータ２３、インバータ２４等の容量を小さなものとすることができ、全体を小型化することができる。一方発電機２０側の出力が十分であれば、スイッチ１２をオンとしてモータ１４を直接回転させ、蓄電池１１を充電することも可能である。

こうすれば着脱式の発電機２０を用いて車両の駆動用モータ１４を動かし、サービスステーションに帰着するなどの利用が可能となる。従って充電設備の有無を意識することなく車両を走行させることができる。又着脱式発電機２０の発電量のみでモータ１４を駆動することができる場合には、蓄電池１１を充電する必要はなく、そのまま発電機の出力でモータを駆動して走行させることができる。発電機の発電量のみで十分に走行できない場合には、一旦蓄電池１１を充電し、必要な充電が終われば蓄電池からの出力でモータ１４を駆動して車両を走行させることができる。従って本発明では充電設備に頼ることなく蓄電池の容量がなくなった場合にも対応することができる。

又前述した実施の形態ではスイッチ１２を設けているが、このようなスイッチを設けることなく直接蓄電池１１とインバータ１３とを接続してもよい。そしてＣＡＮ信号に基づいて自動的に発電機２０のエンジンを起動し充電するようにすれば、車両のＥＶシステムに対してハイブリッドシステムと同等の機能を実現することができる。

次に本発明の着脱ハイブリッドシステムの第２の実施の形態について図４を用いて説明する。この実施の形態では発電機２０に認識システムを加えて安全性を向上させたものであり、第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。この実施の形態では図４に示すようにコネクタ１６に代えてＩＤコードのデータが埋め込まれたトランスポンダ１７を有するコネクタ１８を用いる。又トランスポンダ１７のＩＤコードを受信するためにコネクタ２１の周辺にアンテナ４１を設ける。更にアンテナ４１からの出力をコントローラ４０に出力するための増幅部４２を設ける。こうすればコネクタ２１をコネクタ１８に接続したときに、アンテナ４１，増幅部４２を介してトランスポンダ１７の出力がコントローラ４０に加えられる。コントローラ４０は内部にトランスポンダ１７に対応するＩＤコードを保持している。そしてコネクタ１８にコネクタ２１が接続されたときにトランスポンダ１７からのＩＤコードを読み出し、着脱式発電機２０側のＩＤコードと一致するかどうかを判別する。一致する場合にのみエンジン２２を始動して第１の実施の形態と同様の制御を行い、不一致の場合にはエンジン２２を始動させないようにする。こうすれば発電機２０が盗難され他の車両に用いられた場合であっても、ＩＤコードが一致しないので車両のＥＶシステムを動かすことができず、盗難を未然に防止することができる。

コネクタ１８にトランスポンダを設けることなく、車両の盗難防止装置と同様に別のキーにトランスポンダを設けて動作できるようにしてもよい。

更に第２のインバータ２５はこの着脱式発電機を農業機械等に取付けて用いることなく
発電機単体として使用する場合に外部に三相交流や単相交流の電力を供給するために用いられるものである。従って着脱式ハイブリッドシステムとしてのみ使用する場合には、インバータ２５を省略してもよい。又着脱式発電機を単体として使用する場合であっても直流電圧のみが必要な場合には、インバータ２５を省略することが可能である。

又この実施の形態ではＣＡＮ通信ライン１５の出力をコネクタを介して発電機側に出力するようにしているが、無線のインターフェイスを用いて信号を発電機側に伝送するようにしてもよい。この場合にも直流ラインはコネクタを介して接続する必要がある。

又この実施の形態では車両側のＣＡＮ規格の通信ラインをコネクタやインターフェイスを介して接続し、制御信号を発電機側に伝送するようにしているが、ＥＶシステム１０の独自の規格の信号を発電機側に伝送するようにしてもいうことはいうまでもない。

本発明はＥＶシステム等において、蓄電池の容量が無くなった場合であってもＥＶシステムを動作させることができるため、ＥＶシステムの非常時の電源として好適に使用することができる。

１０ ＥＶシステム
１１ 蓄電池
１３，２４，２５ インバータ
１４ モータ
１５ ＣＡＮ通信ライン
１６，１８，２１，２６，２７，２８ コネクタ
１７ トランスポンダ
２０ 発電機
２２ エンジン
２３ モータジェネレータ
２９，４０ コントローラ
４１ アンテナ
４２ 増幅部

Claims (6)

1. 蓄電池と、インバータと、モータを具備する電気車両システムにおいて、
   前記電気車両システムに着脱自在に接続された発電機を有し、
   前記発電機は、
   エンジンと、
   前記エンジンの回転軸に接続されたモータジェネレータと、
   前記モータジェネレータからの三相交流出力を直流電圧に変換し、変換した出力を前記電気車両システムに供給する第１のインバータと、
   前記第１のインバータの出力する直流電圧を制御するコントローラと、を具備する着脱式ハイブリッドシステム。
2. 前記電気車両システムの制御信号ラインからの信号を入力する信号入力部を更に有し、
   前記コントローラは、前記制御信号ラインから入力された車両の蓄電池の電圧及び容量に応じた直流電圧を発生するように制御するものである請求項１記載の着脱式ハイブリッドシステム。
3. 前記発電機は、前記第１のインバータからの直流電圧を所望の交流電圧に変換する第２のインバータを更に具備する請求項１記載の着脱式ハイブリッドシステム。
4. 前記着脱式ハイブリッドシステムは、認証によって動作を制御する認証システムを更に具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の着脱式ハイブリッドシステム。
5. 蓄電池と、インバータと、モータを具備する電気車両システムに着脱自在に接続される発電機であって、
   前記発電機は、
   エンジンと、
   前記エンジンの回転軸に接続されたモータジェネレータと、
   前記モータジェネレータからの三相交流出力を直流電圧に変換し、変換した出力を前記電気車両システムに供給する第１のインバータと、
   前記電気車両システムの制御信号ラインからの信号を入力する信号入力部と、
   外部に出力する電圧や電源の種類を入力する操作部と、
   前記信号入力部又は操作部から得られる前記電気車両システムの蓄電池の電圧及び容量又は操作部から得られる電圧や電源の種類に基づいて前記第１のインバータの出力する直流電圧を制御するコントローラと、を具備する発電機。
6. 前記発電機は、前記第１のインバータからの直流電圧を所望の交流電圧に変換する第２のインバータを更に具備する請求項５記載の発電機。

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