JP2023160297A - 移動体の電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】停止する電動の移動体に、外部電源から各負荷へ電力を供給することが可能な移動体の電力システムを提供する。【解決手段】移動体の電力システム２６は、低圧電力によって動作する低電圧機器５２と、高圧電力によって動作する高電圧機器４２と、外部電源６０のコネクタ６０ｃが接続される給電口３４と外部電源から給電口を介して供給される電力を変圧して低電圧機器又は高電圧機器に供給し得る変圧器３２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、低電圧機器と高電圧機器とを備える移動体の電力システムに関する。

現在、移動体（車両、航空機、船舶等）の電動化が進んでいる。特許文献１には、電動航空機が示される。この電動航空機は、発電機と、高電圧バッテリと、複数の負荷と、整流ユニットとを有する。複数の負荷には、複数の高電圧機器と、複数の低電圧機器とが含まれる。整流ユニットは、高電圧バッテリの電力を変圧（降圧）して複数の低電圧負荷に供給し得る。

特開２０２０－１８２３７２号公報

近年は、停止する電動の移動体に、外部電源から各負荷へ電力を供給することが望まれる。これに対して、特許文献１には、外部電源から各負荷への電力供給路が示されていない。

本発明は上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の態様は、低圧電力によって動作する低電圧機器と、高圧電力によって動作する高電圧機器と、を備える移動体の電力システムであって、外部電源のコネクタが接続される給電口と、前記外部電源から前記給電口を介して供給される電力を変圧して前記低電圧機器又は前記高電圧機器に供給し得る変圧器と、を備える。

本発明によれば、外部電源から低電圧機器及び高電圧機器への電力供給が可能となる。また、本発明によれば、１つの給電口のみで低電圧機器及び高電圧機器への電力供給が可能であるため、電力システムが簡素になる。

図１は、航空機の上面図である。 図２は、電力システムの構成を示すブロック図である。 図３は、エンジンの始動時における電力の伝送状態を示す図である。 図４は、高電圧バッテリの充電状態における電力の伝送状態を示す図である。 図５は、航空機の飛行状態における電力の伝送状態を示す図である。

［１ 航空機１０の構成］
図１は、航空機１０の上面図である。航空機１０は、電動航空機、例えば電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ機）である。更に、航空機１０は、飛行のための動力源として、高電圧バッテリ４４及びモータジェネレータ４６（図２）を備えるハイブリッド航空機である。

航空機１０は、胴体１２と、前翼１４と、後翼１６と、２つのブーム１８と、８つのＶＴＯＬロータ２０と、２つのクルーズロータ２２と、を備える。また、航空機１０は、図２に示される電力システム２６を備える。

前翼１４は、胴体１２の前部に接続される。後翼１６は、胴体１２の後部に接続される。前翼１４及び後翼１６は、航空機１０が前方へ移動する場合に揚力を発生させる。

２つのブーム１８のうちのブーム１８Ｒは、胴体１２の右方に配置される。２つのブーム１８のうちのブーム１８Ｌは、胴体１２の左方に配置される。各々のブーム１８は、前後方向に延びる。

ブーム１８Ｒには、前方から後方に向かって順番に４つのモータ（図２の高電圧機器４２）が並べられる。同様に、ブーム１８Ｌには、前方から後方に向かって順番に４つのモータ（図２の高電圧機器４２）が並べられる。各々のモータの回転軸は、各々のモータに対応するＶＴＯＬロータ２０に連結される。各々のＶＴＯＬロータ２０は、航空機１０の垂直離陸時、垂直離陸から巡航への移行時、巡航から垂直着陸への移行時、垂直着陸時、及び、停止飛行時に使用される。各々のＶＴＯＬロータ２０は、回転することによって揚力を発生させる。

胴体１２には、２以上のモータ（図２の高電圧機器４２）が配置されている。各々のモータの回転軸は、各々のモータに対応するクルーズロータ２２に接続される。各々のクルーズロータ２２は、航空機１０の巡航時、垂直離陸から巡航への移行時、及び、巡航から垂直着陸への移行時に使用される。各々のクルーズロータ２２は、回転することによって推力を発生させる。

［２ 電力システム２６の構成］
図２は、電力システム２６の構成を示すブロック図である。電力システム２６は、高電圧回路２８と、低電圧回路３０と、変圧器３２と、給電口３４とを有する。また、電力システム２６は、コントローラ３６を有する。

高電圧回路２８は、高圧電力の伝送路としての高電圧バス４０と、高圧電力を使用する複数の電気機器とを有する。航空機１０で使用される高圧電力の電圧は、例えば数百［Ｖ］である。高電圧回路２８の複数の電気機器には、１以上の高電圧機器４２と、１以上の高電圧バッテリ４４と、モータジェネレータ４６とが含まれる。高電圧機器４２は、高圧電力によって動作する負荷である。高電圧機器４２としては、例えば、各種のモータ（ＶＴＯＬロータ２０に連結されるモータ、クルーズロータ２２に連結されるモータ等）が挙げられる。高電圧バッテリ４４は、高圧電力での充放電が可能である。モータジェネレータ４６は、ガスタービンエンジン４８（エンジン４８ともいう）の動力によって発電体を回転させて高圧電力を生成する発電機である。また、モータジェネレータ４６は、高圧電力によって回転軸を回転させてエンジン４８を始動させるスタータモータでもある。

高電圧バス４０には、図示しない複数の電気機器（コンバータ、インバータ、スイッチ等）が設けられる。一部の電気機器は、高電圧機器４２に供給される電力を制御する。本明細書でいう電力制御とは、ＡＣ－ＤＣ変換と、ＤＣ－ＡＣ変換と、電力伝送路の接続と切断とを含む。一部の電気機器は、高電圧バッテリ４４又はモータジェネレータ４６に供給される電力を制御し、且つ、高電圧バッテリ４４又はモータジェネレータ４６から供給される電力を制御する。各々の電気機器は、コントローラ３６から出力される動作信号に応じて動作する。

低電圧回路３０は、低圧電力の伝送路としての低電圧バス５０と、低圧電力を使用する複数の電気機器とを有する。航空機１０で使用される低圧電力の電圧は、例えば数十［Ｖ］程度である。低電圧回路３０の複数の電気機器には、１以上の低電圧機器５２と、１以上の低電圧バッテリ５４とが含まれる。低電圧機器５２は、低圧電力によって動作する負荷である。低電圧機器５２としては、例えば、アビオニクス、各種照明機器、各種電動ポンプ、コントローラ３６等が挙げられる。低電圧バッテリ５４は、低圧電力での充放電が可能である。

低電圧バス５０には、図示しない複数の電気機器（コンバータ、インバータ、スイッチ等）が設けられる。一部の電気機器は、低電圧機器５２に供給される電力を制御する。一部の電気機器は、低電圧バッテリ５４に供給される電力を制御し、且つ、低電圧バッテリ５４から供給される電力を制御する。各々の電気機器は、コントローラ３６から出力される動作信号に応じて動作する。なお、一部の低電圧機器５２は、給電口３４に直接又はスイッチのみを介して接続されていてもよい。

変圧器３２は、高電圧回路２８と低電圧回路３０との間に介在し、高電圧バス４０と低電圧バス５０とに接続される。変圧器３２は、高圧電力を低圧電力に変換可能であり、且つ、低圧電力を高圧電力に変換可能である昇降圧コンバータである。つまり、変圧器３２は、低電圧回路３０から供給される低圧電力を、１以上のスイッチング素子（不図示）の動作によって高圧電力に昇圧して高電圧回路２８に出力することができる。また、変圧器３２は、高電圧回路２８から供給される高圧電力を、１以上のスイッチング素子の動作によって低圧電力に降圧して低電圧回路３０に出力することができる。１以上のスイッチング素子は、コントローラ３６から出力される動作信号に応じて動作する。

給電口３４は、例えば、航空機１０の外周部に設けられる。給電口３４は、受電用のコネクタである。給電口３４は、低電圧バス５０に接続される。給電口３４には、外部電源６０（図３等）の給電用コネクタ６０ｃ（図３等）が着脱可能である。電力システム２６は、外部電源６０から給電口３４を介して低圧電力を受電可能である。外部電源６０は、交流電源であってもよいし、直流電源であってもよい。

コントローラ３６は、ＥＣＵ等のコンピュータである。コントローラ３６は、航空機１０のフライトコントローラであってもよいし、フライトコントローラ以外であってもよい。コントローラ３６は、処理回路とメモリとを有する。処理回路は、ＣＰＵ等のプロセッサであってもよい。処理回路は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路であってもよい。プロセッサは、メモリに記憶されるプログラムを実行することによって各種の処理を実行可能である。例えば、処理回路がプログラムを実行することによって、電力システム２６の各スイッチング素子を制御する。複数の処理のうちの少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実行されてもよい。

メモリは、揮発性メモリと不揮発性メモリとを有する。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ等が挙げられる。揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用される。揮発性メモリは、処理又は演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ等が挙げられる。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用される。不揮発性メモリは、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。メモリの少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられてもよい。

［３ 電力システム２６における電力供給の具体例］
高電圧機器４２は、高電圧バッテリ４４から供給される高圧電力及びモータジェネレータ４６から供給される高圧電力を使用して動作し得る。モータジェネレータ４６は、高電圧バッテリ４４から供給される高圧電力を使用して動作し得る。高電圧バッテリ４４は、モータジェネレータ４６から供給される高圧電力を使用して充電し得る。

更に、高電圧機器４２及びモータジェネレータ４６は、低電圧バッテリ５４から供給される低圧電力及び外部電源６０から供給される低圧電力を使用して動作し得る。高電圧バッテリ４４は、低電圧バッテリ５４から供給される低圧電力及び外部電源６０から供給される低圧電力を使用して充電し得る。低電圧バッテリ５４と外部電源６０のいずれか一方から、高電圧機器４２、モータジェネレータ４６又は高電圧バッテリ４４に電力を供給する場合に、変圧器３２は、低圧電力を高圧電力に昇圧して、高電圧バス４０に出力する。

低電圧機器５２は、低電圧バッテリ５４から供給される低圧電力及び外部電源６０から供給される低圧電力を使用して動作し得る。低電圧バッテリ５４は、外部電源６０から供給される低圧電力を使用して充電し得る。

更に、低電圧機器５２は、高電圧バッテリ４４から供給される高圧電力及びモータジェネレータ４６から供給される高圧電力を使用して動作し得る。低電圧バッテリ５４は、高電圧バッテリ４４から供給される高圧電力及びモータジェネレータ４６から供給される高圧電力を使用して充電し得る。高電圧バッテリ４４とモータジェネレータ４６のいずれか一方から、低電圧機器５２又は低電圧バッテリ５４に電力を供給する場合に、変圧器３２は、高圧電力を低圧電力に降圧して、低電圧バス５０に出力する。

以下で、状況別に、電力システム２６における電力供給例を説明する。

［３－１ エンジン４８の始動時における電力供給例］
図３は、エンジン４８の始動時における電力の伝送状態を示す図である。エンジン４８は、外部電源６０から供給される電力を使用して始動可能である。外部電源６０から供給される電力を使用してエンジン４８を始動させる場合には、図３の矢印で示す経路に沿って電力が伝送される。

外部電源６０の給電用コネクタ６０ｃが給電口３４に接続されると、外部電源６０から低電圧バス５０に低圧電力が供給される。ユーザは、エンジン４８を始動するために始動スイッチを操作する。始動スイッチは、例えば操縦室に設けられる。コントローラ３６は、始動スイッチの操作に応じて、変圧器３２のスイッチング素子を制御する。変圧器３２は、低電圧バス５０の低圧電力を高圧電力に昇圧する。すると、変圧器３２から高電圧バス４０に高圧電力が出力される。更に、コントローラ３６は、高電圧バス４０に設けられるインバータ、コンバータ等の電気機器（不図示）を制御して、モータジェネレータ４６に高圧電力を供給する。これにより、モータジェネレータ４６は、スタータモータとして機能し、エンジン４８を始動する。エンジン４８の始動後、モータジェネレータ４６は、発電機として機能する。

低電圧バス５０には、モータジェネレータ４６の動作に関わる各種の低電圧機器５２（ウォータポンプ、オイルポンプ、エアポンプ等）が接続される。また、低電圧バス５０には、エンジン４８の動作に関わる各種の低電圧機器５２（燃料ポンプ等）が接続される。また、低電圧バス５０には、コントローラ３６が接続される。コントローラ３６は、低電圧バス５０に設けられるインバータ、コンバータ、スイッチ等の電気機器（不図示）を制御して、各々の低電圧機器５２に低圧電力を供給する。

［３－２ 高電圧バッテリ４４の充電状態における電力供給例］
図４は、高電圧バッテリ４４の充電状態における電力の伝送状態を示す図である。上記のとおり、高電圧バッテリ４４は、外部電源６０から供給される電力を使用して充電可能である。外部電源６０から供給される電力を使用して高電圧バッテリ４４を充電する場合には、図４の矢印で示す経路に沿って電力が伝送される。

外部電源６０の給電用コネクタ６０ｃが給電口３４に接続されると、外部電源６０から低電圧バス５０に低圧電力が供給される。ユーザは、高電圧バッテリ４４を充電するために充電スイッチを操作する。充電スイッチは、例えば操縦室に設けられる。コントローラ３６は、充電スイッチの操作に応じて、変圧器３２のスイッチング素子を制御する。変圧器３２は、低電圧バス５０の低圧電力を高圧電力に昇圧する。すると、変圧器３２から高電圧バス４０に高圧電力が出力される。更に、コントローラ３６は、変圧器３２と高電圧バッテリ４４との間にあるコンタクタ（不図示）を接続して、高電圧バッテリ４４に高圧電力を供給する。

［３－３ 航空機１０の飛行状態における電力供給例］
図５は、航空機１０の飛行状態における電力の伝送状態を示す図である。電力システム２６の各負荷（高電圧機器４２及び低電圧機器５２）は、モータジェネレータ４６によって生成された電力を使用して動作し得る。モータジェネレータ４６によって生成された電力を使用して各負荷を動作させる場合には、図５の矢印で示す経路に沿って電力が伝送される。

航空機１０の飛行中に、モータジェネレータ４６によって生成された電力は、各負荷の動力源として使用される。更に、航空機１０の飛行中に、高電圧バッテリ４４及び低電圧バッテリ５４は、各負荷の補助的な動力源として使用される。

コントローラ３６は、高電圧バス４０に設けられるインバータ、コンバータ等の機器（不図示）を制御して、モータジェネレータ４６によって生成された高圧電力を、各々の高電圧機器４２に供給する。更に、コントローラ３６は、変圧器３２のスイッチング素子を制御する。変圧器３２は、高電圧バス４０の高圧電力を低圧電力に降圧する。すると、変圧器３２から低電圧バス５０に低圧電力が出力される。更に、コントローラ３６は、低電圧バス５０に設けられるインバータ、コンバータ、スイッチ等の機器（不図示）を制御して、各々の低電圧機器５２に低圧電力を供給する。

電力システム２６は、航空機１０だけでなく、他の移動体、例えば電動車両（電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、電動バイク等）、電動船舶等に設けられてもよい。

［４ 他の実施形態］
上記実施形態は、低圧電力を供給する外部電源６０に接続可能な電力システム２６に関する。しかし、電力システム２６は、高圧電力を供給する外部電源６０に接続されてもよい。この場合、図２～図５において、高電圧回路２８の位置と低電圧回路３０の位置とが入れ替わる。つまり、高電圧回路２８は、給電口３４に直接接続される。一方、低電圧回路３０は、変圧器３２を介して給電口３４に接続される。

［５ 実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

本発明の態様は、低圧電力によって動作する低電圧機器（５２）と、高圧電力によって動作する高電圧機器（４２）と、を備える移動体の電力システム（２６）であって、外部電源（６０）のコネクタ（６０ｃ）が接続される給電口（３４）と、前記外部電源から前記給電口を介して供給される電力を変圧して前記低電圧機器又は前記高電圧機器に供給し得る変圧器（３２）と、を備える。

上記構成によれば、外部電源から低電圧機器及び高電圧機器への電力供給が可能となる。また、上記構成によれば、１つの給電口のみで低電圧機器及び高電圧機器への電力供給が可能であるため、電力システムが簡素になる。

本発明の態様において、前記変圧器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される低圧電力を高圧電力に昇圧してもよい。

上記構成によれば、外部電源を、低圧電力を供給する電源にすることができるため、外部電源を維持するためのコストを抑制することができる。

本発明の態様において、前記低電圧機器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される低圧電力によって動作し、前記高電圧機器は、前記変圧器によって昇圧された高圧電力によって動作してもよい。

上記構成によれば、給電口と低電圧機器との間に電力変換器が不要であるため、電力システムが更に簡素になる。

本発明の態様において、前記変圧器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される高圧電力を低圧電力に降圧してもよい。

本発明の態様において、前記低電圧機器は、前記変圧器によって降圧された低圧電力によって動作し、前記高電圧機器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される低圧電力によって動作してもよい。

本発明の態様の移動体の電力システムは、高圧電力を生成する発電機（４６）を備え、前記変圧器は、前記発電機によって生成された高圧電力を低圧電力に降圧して前記低電圧機器に供給してもよい。

上記構成によれば、電源を冗長化することができる。

本発明の態様の移動体の電力システムは、低圧電力を供給する低電圧バッテリ（５４）を備え、前記変圧器は、前記低電圧バッテリから供給される低圧電力を高圧電力に昇圧して前記高電圧機器に供給してもよい。

上記構成によれば、電源を冗長化することができる。

本発明の態様の移動体の電力システムは、高圧電力を供給する高電圧バッテリ（４４）を備え、前記変圧器は、前記高電圧バッテリから供給される高圧電力を低圧電力に降圧して前記低電圧機器に供給してもよい。

上記構成によれば、電源を冗長化することができる。

本発明の態様の移動体の電力システムは、航空機（１０）に設けられてもよい。

１０…航空機（移動体） ２６…電力システム
３２…変圧器 ３４…給電口
４２…高電圧機器 ４４…高電圧バッテリ
４６…モータジェネレータ（発電機） ５２…低電圧機器
５４…低電圧バッテリ ６０…外部電源
６０ｃ…給電用コネクタ（コネクタ）

Claims (9)

1. 低圧電力によって動作する低電圧機器と、
   高圧電力によって動作する高電圧機器と、
   を備える移動体の電力システムであって、
   外部電源のコネクタが接続される給電口と、
   前記外部電源から前記給電口を介して供給される電力を変圧して前記低電圧機器又は前記高電圧機器に供給し得る変圧器と、
   を備える移動体の電力システム。
2. 請求項１に記載の移動体の電力システムであって、
   前記変圧器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される低圧電力を高圧電力に昇圧する、移動体の電力システム。
3. 請求項２に記載の移動体の電力システムであって、
   前記低電圧機器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される低圧電力によって動作し、
   前記高電圧機器は、前記変圧器によって昇圧された高圧電力によって動作する、移動体の電力システム。
4. 請求項１に記載の移動体の電力システムであって、
   前記変圧器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される高圧電力を低圧電力に降圧する、移動体の電力システム。
5. 請求項４に記載の移動体の電力システムであって、
   前記低電圧機器は、前記変圧器によって降圧された低圧電力によって動作し、
   前記高電圧機器は、前記外部電源から前記給電口を介して供給される低圧電力によって動作する、移動体の電力システム。
6. 請求項１に記載の移動体の電力システムであって、
   高圧電力を生成する発電機を備え、
   前記変圧器は、前記発電機によって生成された高圧電力を低圧電力に降圧して前記低電圧機器に供給し得る、移動体の電力システム。
7. 請求項１に記載の移動体の電力システムであって、
   低圧電力を供給する低電圧バッテリを備え、
   前記変圧器は、前記低電圧バッテリから供給される低圧電力を高圧電力に昇圧して前記高電圧機器に供給し得る、移動体の電力システム。
8. 請求項１に記載の移動体の電力システムであって、
   高圧電力を供給する高電圧バッテリを備え、
   前記変圧器は、前記高電圧バッテリから供給される高圧電力を低圧電力に降圧して前記低電圧機器に供給し得る、移動体の電力システム。
9. 請求項１に記載の移動体の電力システムであって、
   航空機に設けられる、移動体の電力システム。

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