JP2016535570A - 自己充電式の電動発電機システム - Google Patents

Abstract

外部システムと通信する自己充電式の電動発電機システムであって、自己充電式の電動発電機システムに電力を供給するように構成されているバッテリユニットと、主電源と自己充電式の電動発電機システムとの間で切り替えるように構成されている自動切替えユニットと、バッテリユニットから電力を受け取るように構成されている少なくとも１基の電動機と、主電源に障害が起きたときに外部システムに供給される電力を生成するように構成されている少なくとも１基のジェネレータと、を含み、少なくとも１基のジェネレータによって生成される電力が、自動切替えユニットにさらに供給されて、自己充電式の電動発電機システムの継続的な充電が実行される、自己充電式の電動発電機システム。

Description

本発明は、発電機システムに関する。より詳細には、本発明は、建築構造物（例えば民間住宅）や車両（例えば電気車両）において使用するための、自己充電式の可搬型電動発電機システムに関する。

最近、住宅において、例えば停電の場合の主電源システムのバックアップ電源として、ガソリン専用の可搬型発電機が一般に使用されている。発電機に動力を供給するためにガソリンを使用することにより、電動発電機を使用する場合と比較して、追加の費用（例えば燃料費）が必要となる。さらに、ガソリンを動力とする発電機では、ガス燃焼に伴って望ましくない排ガスが放出される。

したがって、主電源システムのバックアップ電源として使用するには電動発電機の方がよく、電動発電機は、建築構造物および車両における主電源システムとして使用することも可能である。電動発電機は、機械的エネルギを電気的エネルギに変換し、外部回路に電流を流す。

ガソリンのみを動力とする車両の代わりに、車載電源ユニットを採用する電気車両も使用されている。車載電源ユニットは、一般には、電気車両を動作させるための電気を供給するための少なくとも１つの充電式バッテリユニットを含む。充電式バッテリユニットは、一般には、充電ステーションにおける充電が必要となるまで極めて短い時間しかもたない。充電ステーションは、必要なときに運転者が電気車両のバッテリを充電することができるようにさまざまな場所に配置されている。

建築構造物および車両において使用する場合、必要なときに建築構造物および車両に長時間にわたり電力を供給するために、自己充電式の電動発電機が望ましい。

本発明は、自己充電式の電動発電機システムと、本発電機システムに接続されている外部システムに電力を供給する方法とに関する。

本発明は、外部システムと通信する自己充電式の電動発電機システムであって、自己充電式の電動発電機システムに電力を供給するように構成されているバッテリユニットと、主電源と自己充電式の電動発電機システムとの間で切り替えるように構成されている自動切替えユニットと、バッテリユニットから電力を受け取るように構成されている少なくとも１基の電動機と、主電源に障害が起きたときに外部システムに供給される電力を生成するように構成されている少なくとも１基のジェネレータと、を含み、少なくとも１基のジェネレータによって生成される電力が、自動切替えユニットにさらに供給されて、自己充電式の電動発電機システムの継続的な充電が実行される、自己充電式の電動発電機システム、である。

さらに、本発明は、無停電電源（ＵＰＳ）バッテリユニット、内蔵の充電式電源システム、またはソーラーパネルや風力タービンなどの再生可能エネルギ源を含む別の外部電源と組み合わせて実施することのできる、自己充電式の電動発電機システム、である。

さらには、本発明は、自己充電式の電動発電機システムを使用して外部システムに電力を供給する方法、である。

上記の本発明は、以下の実施例についての詳細な説明および特許請求の範囲を、本発明の開示の一部を形成する添付の図面を参照しながら読み進めることによって明らかになり、深く理解されるであろう。上記および以下に説明および図解されている開示内容は、本発明の例としての実施形態を開示することを主たる目的としており、本発明はこれらに制限されないことが理解されるべきである。以下は図面の簡単な説明である。

本発明の１つまたは複数の実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システムのブロック図である。 本発明の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システムのブロック図である。 本発明の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システムのブロック図である。 本発明の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システムのブロック図である。

以下の説明では、本発明のさまざまな実施形態を完全に理解することができるように、説明を目的としてさまざまな具体的な細部を記載してある。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な細部の必ずしもすべてを使用しなくても実施できることが、当業者には明らかであろう。さらには、周知の構造および装置については、ブロック図の形で示してある。

以下の説明では、実施形態を完全に理解することができるように、具体的な細部を示してある。しかしながら、この技術分野における通常の技能を有する者には、これらの具体的な細部を使用しなくても実施形態を実施できることが理解されるであろう。例えば、システム、ネットワーク、プロセス、および他の構成要素は、不必要な詳細によって実施形態が曖昧になることがないように、ブロック図の形における構成要素として示してある。さらに、個々の実施形態は、フローチャート、流れ図、データフロー図、構造図、またはブロック図として描かれたプロセスとして記載されている場合がある。

フローチャートには、複数の動作が連続的なプロセスとして記述されていることがあるが、これらの動作の多くは、並列に、または同時に実行することができる。さらには、動作の順序を並び替えることができる。プロセスは、その動作が完了したときに終了するが、図に示されていない追加のステップを含むこともできる。プロセスは、メソッド、関数、プロシージャ、サブルーチン、サブプログラムなどに対応させることができる。プロセスが関数に対応するときには、そのプロセスの終了は、その関数が呼出し側関数またはｍａｉｎ関数に戻るときに対応させることができる。

本発明は、以下にさらに詳しく説明するように、自己充電式の電動発電機システムと、自己充電式の電動発電機システムを使用して外部システムに電力を供給する方法とを提供する。具体的には、本システムは、１基または複数基のジェネレータを含み、このジェネレータは、外部の負荷に電力を供給し、さらに、閉ループ構造において自己充電を実行する目的で、例えば自動切替えユニット、充電式電源ユニット、またはＵＰＳバッテリユニットにも電力を供給する。本発明は、以下に説明するさまざまな実施形態を提供する。しかしながら、本発明は、本明細書に記載されている実施形態に限定されず、当業者に公知である、または当業者に認識される別の実施形態に拡張できることに留意されたい。

図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システムのブロック図である。この自己充電式の電動発電機システムは、電源装置の主電源として、またはバックアップ電源システムとして、使用することができる。図１において、自己充電式の電動発電機システム１００は、ハウジング２０を含み、このハウジング２０の中には、バッテリユニット３０と、インバータ４０と、起動ユニット５０と、自動切替えユニット６０と、少なくとも１基の電動機７０と、少なくとも１基のジェネレータ８０と、が含まれる。いくつかの実施形態によると、ジェネレータ８０は、ジェネレータヘッド（generator head）と、電動機７０と通信して電動機７０を駆動する電動機駆動ユニットと、を備えている。本開示は、住宅などの建築構造物および電気車両において使用するための図１〜図４に示した自己充電式の電動発電機システムに基づいて説明するが、本発明の実施形態は住宅および電気車両に限定されず、必要に応じて任意の別の適切なシステム（例えば電力網システム）または任意のタイプの構造物において実施することができる。さらに、本発明は、任意の別のタイプの車両（航空機を含む）、および天然燃料や化石燃料を燃焼させる任意の車両（例えば列車やバス）において実施することもできる。さらに、本発明は、（例えば建設現場や客室における）可搬型の発電装置として実施することもできる。

１つまたは複数の実施形態によると、バッテリユニット３０は、インバータ４０に電気的に結合されているスタンドアロン型のバッテリユニットであり、インバータ４０に直流（ＤＣ）電圧を供給する。バッテリユニット３０は、充電式バッテリやセル型バッテリなどの任意のタイプのバッテリ、または本明細書に記載されている目的に適する任意の別のタイプのバッテリユニットとすることができる。

インバータ４０は、システム１００を起動するときに、ＤＣ電圧を、起動ユニット５０に供給される（ＡＣ）電圧に変換する。直流電力は、１２０〜２２０ボルトの範囲内の電圧で供給される。自動切替えユニット６０は、インバータ４０から供給されるＡＣ電圧を受け取って、この電力を、ジェネレータ８０を動作させるために電動機７０に供給する。ジェネレータ８０は、必要に応じて電力を外部システム（例えば住宅やレクリエーショナルビークル）に供給する。ジェネレータ８０には、標準的な家庭用電源コンセントが組み込まれており、機器（例えばＡＣ機器）をそこに容易に差し込むことができる。１基の電動機７０と１基のジェネレータ８０の組合せを示してあるが、本発明は特定の数の電動機７０およびジェネレータ８０に限定されず、電動機７０およびジェネレータ８０の数に応じた形態をとることができる。例えば、一対のジェネレータを並列に組み込み、２段発電（two-stage generation）を行うことができる。２段発電は、外部システムに大容量の電源が要求されるときに実施することができる。２段発電の第１段には、２段発電の第２段において動作させる、より大型のジェネレータを起動するのに十分な大きさの電力を生成する小型のジェネレータを採用することができる。２段発電システムは、より大型のジェネレータを起動するための大きなバッテリ電源を備える必要性を排除する目的で使用することができ、２段発電システムでは、ピーク時以外に発電量を下げるため、小型のジェネレータを使用する第１段の動作に切り替えることができる。

さらに図１に示したように、ジェネレータ８０を自動切替えユニット６０に電気的に結合し、さらに外部システム（例えば住宅）の電源装置の主電源に接続することができる。したがって、主電源の使用時に停電が発生した場合、システム１００を自動的に起動して外部システムに電力を供給することができる。したがって、１つまたは複数の実施形態によると、自動切替えユニット６０は、電動機が始動してジェネレータ８０が発電しているとき、電動機７０への電力供給源としてバッテリ３０からジェネレータ８０に切り替える。

本発明の実施形態によると、システム１００は、システム１００の制御および動作をさらに向上させるため、システムの外部または内部に、処理ユニットまたは他のコンピューティングデバイスをさらに含むことができる。

さらに、本発明のさらに別の実施形態によると、システム１００は、システム１００によって提供される電力供給量を増幅または低減するためのトランスを、システム１００の内部または外部に含む。

図２〜図４は、本発明の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システムを示している。

図２は、本発明の１つまたは複数の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システム２００のブロック図である。図２に示したシステム２００の構成要素のいくつかは、図１に示したシステム１００の構成要素に類似しており、したがって、これらの構成要素の詳細な説明は省く。図２に示したシステム２００は、ハウジング２０２を含み、このハウジング２０２の中には、充電式電源ユニット２０６と、電動機２０８と、少なくとも１基のジェネレータ２１０と、充電制御ユニット２１２と、が含まれる。充電制御ユニット２１２は、再生可能エネルギ源（例えば、複数のソーラーパネルまたは複数の風力タービンまたはこれらの組合せ、あるいは任意の別のタイプの再生可能エネルギ源）を含む外部電源２５０に結合されている。

本発明の実施形態によると、充電式電源ユニット２０６は、自動切替えユニットと、複数のバッテリ（例えば１２ボルト（Ｖ）のバッテリ）と、インバータとを備えており、インバータは、蓄えられるＡＣに電力を変換し、これにより、電力消費量の少ない時間に外部システム（例えば住宅やレクリエーショナルビークル（ＲＶ））に電力を供給するための電力が利用可能である、または、ピーク運転時に外部システムに電力を供給する目的で電動機２０８を始動させてジェネレータ２１０を回すための電力が利用可能である。

外部電源２５０は、必要時に充電式電源ユニット２０６を充電するために再生可能エネルギ（例えば太陽エネルギ）を提供するように構成されている。充電式電源ユニット２０６の充電は、充電式電源ユニット２０６と外部電源２５０との間に接続されている充電制御ユニット２１２（例えば電圧調整器）によって制御される。充電式電源ユニット２０６の自動切替えユニットは、充電式電源ユニット２０６の充電が必要なときに外部電源２５０の使用に切り替えるように動作する。システム２００には、充電式電源ユニット２０６の充電動作が必要なときを示す感知ユニットを組み込むことができる。

ジェネレータ２１０は、電動機２０８から動力を受け取ると、外部システム（例えば住宅やレクリエーショナルビークル（ＲＶ））と充電式電源ユニット２０６とに電力を供給し、したがって充電式電源ユニット２０６は、ジェネレータ２１０および外部電源２５０の両方から電力を受け取る。したがって、充電式電源ユニット２０６から外部システムに直接電力を供給することもできる。本発明の１つまたは複数の実施形態においては、２段ジェネレータ２１０（すなわち小型のジェネレータと、より大型のジェネレータ）を採用することができる。

図３は、本発明の１つまたは複数の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システム３００のブロック図である。図３に示したシステム３００の構成要素のいくつかは、図１に示したシステム１００の構成要素に類似しており、したがって、これらの構成要素の詳細な説明は省く。図３に示したように、システム３００はハウジング３０２を含み、このハウジング３０２の中には、無停電電源（ＵＰＳ）バッテリユニット３０４と、少なくとも１基の電動機３０６と、少なくとも１基のジェネレータ３０８と、が含まれる。ＵＰＳバッテリユニット３０４は、ＵＰＳバッテリユニット３０４に接続されている主電源の障害時に非常用電力を負荷に提供する電気的構成要素である。ＵＰＳバッテリユニット３０４は、主電源の障害が発生したとき、ほぼ瞬時に電力を供給する。ＵＰＳバッテリユニット３０４は、（図１および図２に示したように）バッテリユニットまたは充電式電源ユニットと組み合わせて使用して、図３に示したようにジェネレータ３０８に電力を供給することができる。ＵＰＳバッテリユニット３０４からの電力は電動機３０６に供給され、電動機３０６によってジェネレータ３０８の動作が開始される。

次いでジェネレータ３０８が外部システム（例えば住宅、レクリエーショナルビークル（ＲＶ）、または電気車両）に電力を供給する。電気車両の場合、システム３００を電気車両の車載バッテリシステムの１つまたは複数のバッテリに接続して、車載バッテリシステムの充電を支援することができる。充電時、車載バッテリシステムの１つのバッテリが使用されている間、車載バッテリシステムの別のバッテリをシステム３００を使用して充電することができる。

図４は、本発明の１つまたは複数の代替実施形態において実施することのできる自己充電式の電動発電機システム４００のブロック図である。図４に示したシステム４００の構成要素のいくつかは、図１に示したシステム１００の構成要素に類似しており、したがって、これらの構成要素の詳細な説明は省く。図４に示したシステム４００は、ハウジング４０２を含み、このハウジング４０２の中には、少なくとも１つの感知ユニット４０４と、少なくとも１つのスイッチデバイス４０６と、充電式電源ユニット４０８と、少なくとも１基の電動機４１０と、少なくとも１基のジェネレータ４１２と、が含まれる。

充電式電源ユニット４０８は、電動機４１０を始動させるための１２０Ｖの電力に変換するインバータを含む。電動機４１０によってジェネレータ４１２が起動し、１２０〜２２０Ｖの電力を生成する。ジェネレータ４１２は、外部システム（例えば電気車両）に接続され、外部システムに電力を供給する。ジェネレータ４１２は、電気車両の車載バッテリシステムに電気的に結合することができる。

感知ユニット４０４は、電気車両の車載バッテリシステムに電気的に結合され、車載バッテリシステムを充電する必要があるときを求めるように構成されている。感知ユニット４０４は、充電式電源ユニット４０８をオン状態に切り替えるため、自身に結合されているスイッチデバイス４０６に信号を送り、これによりジェネレータ４１２が起動して車載バッテリシステムが充電される。本発明の実施形態によると、車載バッテリシステムの車載バッテリが完全に切れて充電する必要が生じるまでの走行可能距離を求める目的で、感知ユニット４０４を、必要な充電速度および電力消費速度を求めるように構成することもできる。これに代えて、本発明の別の実施形態においては、感知ユニット４０４以外の上記の動作を実行するための個別の感知ユニットを実装することができる。

１つまたは複数の実施形態によると、充電式電源ユニット４０８は、電動機４１０を始動させるためにのみオン状態を維持することができる。

これに代えて、ジェネレータ４１２によって生成される電力を充電式電源ユニット４０８に供給して、充電式電源ユニット４０８を継続的に充電することができる。

電気車両の車載バッテリシステムが２つのバッテリシステムを含む場合、これらのバッテリの一方または両方にシステム４００を接続して、必要時に電力を供給することができる。例えば、一方のバッテリが電気車両によって使用されている間に、システム４００が他方のバッテリに電力を供給することができ、したがって、電気車両を使用している間、少なくとも一方のバッテリはシステム４００によってつねに完全に充電されている。車載バッテリシステムのいずれかのバッテリの充電が必要であるときを求めるため、各バッテリに感知ユニット４０４を接続して、各バッテリの充電状態を調べることができる。さらには、必要時に使用者がシステム４００の動作を制御できるようにするため、車両に手動優先システム（manual override system）を採用することができる。

本発明の別の実施形態によると、本発電機システムを、バッテリバンク（a bank of batteries）を含むように構成することができる。１つまたは複数の実施形態によると、バッテリバンクは、個別のハウジングの中に配置される。バッテリバンクは、本発電機システムと建物との間のハウジングの中に配置して、建物に電力を供給することができる。本発電機システムは、建物に電力を供給している間、バッテリも充電する。本発電機システムは、電力需要が少ないとき、またはその後しばらくの間、バッテリに切り替えるように構成されており、これにより、バッテリの電力が電力しきい値である約１／４に低下するまでの期間、本発電機システムを停止させることが可能となる。しきい値に達した時点で、本発電機システムにおいてジェネレータが再び起動し、上記のプロセスを繰り返す。

本発明の実施形態は、外部システムと通信する自己充電式の電動発電機システムであって、自己充電式の電動発電機システムに電力を供給するように構成されているバッテリユニットと、主電源と自己充電式の電動発電機システムとの間で切り替えるように構成されている自動切替えユニットと、バッテリユニットから電力を受け取るように構成されている少なくとも１基の電動機と、主電源に障害が起きたときに外部システムに供給される電力を生成するように構成されている少なくとも１基のジェネレータと、を含み、少なくとも１基のジェネレータによって生成される電力が、自動切替えユニットにさらに供給されて、自己充電式の電動発電機システムの継続的な充電が実行される、自己充電式の電動発電機システム、を提供する。

ここまで、本発明についてその好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の概念および範囲から逸脱することなく、実施形態にさまざまな修正を行うことがでることを理解されたい。このような修正すべては、添付の請求項の範囲に含まれるものとする。

Claims (12)

1. 外部システムと通信する自己充電式の電動発電機システムであって、
   前記自己充電式の電動発電機システムに電力を供給するように構成されているバッテリユニットと、
   前記バッテリユニットから電力を受け取るように構成されている少なくとも１基の電動機と、
   主電源に障害が起きたときに前記外部システムに供給される電力を生成するように構成されている少なくとも１基のジェネレータと、
   を備えている、
   自己充電式の電動発電機システム。
2. 前記主電源と前記自己充電式の電動発電機システムとの間で切り替えるように構成されている自動切替えユニット、
   をさらに備えており、
   前記少なくとも１基のジェネレータによって生成される電力が、前記自動切替えユニットにさらに供給されて、前記自己充電式の電動発電機システムの継続的な充電が実行される、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記少なくとも１基のジェネレータが、並列に接続されている複数のジェネレータを備えており、２段で動作するように構成されている、
   請求項１に記載のシステム。
4. 前記バッテリから供給される電力を変換するように構成されているインバータと、
   前記自己充電式の電動発電機システムを起動するように構成されている起動ユニットと、
   をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記バッテリユニットが、無停電電源（ＵＰＳ）バッテリユニットを備えている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記バッテリユニットが、前記少なくとも１基の電動機に電力を供給するように構成されている充電式電源ユニット、を備えている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記充電式電源ユニットが、前記充電式電源ユニットに電力を供給するための外部電源に結合されている充電制御ユニットに接続されている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記外部電源が再生可能エネルギ源である、請求項７に記載のシステム。
9. 前記再生可能エネルギ源が、複数のソーラーパネル、または複数の風力タービン、のうちの一方である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記外部システムが電気車両であり、前記システムが、
    前記電気車両の車載バッテリシステムに接続されて、前記車載バッテリシステムの充電状態を感知するように構成されている少なくとも１つの感知装置と、
    前記少なくとも１つの感知装置に電気的に結合されているスイッチデバイスであって、前記充電式電源ユニットをオンにして前記少なくとも１基のジェネレータに電力を供給する目的で、前記自己充電式の電動発電機システムに切り替えるように構成されている、前記スイッチデバイスと、
    をさらに備えている、請求項６に記載のシステム。
11. 前記電気車両が２つ以上のバッテリユニットを含み、前記自己充電式の電動発電機システムが、前記電気車両の各バッテリユニットに接続され、各バッテリユニットを充電するように構成されている、あるいは、前記電気車両への継続的な充電を提供するように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記感知装置が、
    前記電気車両の前記バッテリユニットの充電速度と、前記電気車両の前記バッテリユニットの電力消費速度とを求めて、前記電気車両の前記バッテリユニットが充電を必要とするまでの最小走行距離を求める、
    ように構成されている、
    請求項１０に記載のシステム。

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