JP3190344B2 - 電動機を有する軌道非拘束型自動車 - Google Patents

電動機を有する軌道非拘束型自動車

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の軌道
非拘束型自動車に関する。
論文“今日及び明日の自動車の伝動装置”（VDI−Ber
ichte 878,1991,611〜622頁）から、軌道非拘束型自動
車のための駆動装置が公知であり、この軌道非拘束型自
動車の内燃機関は、発電機に連結されている。自動車の
駆動輪は、主電動機に連結され、主電動機は、発電機か
ら駆動エネルギーを受取る。自動車を駆動する電力は比
較的大きいので、発電機は、中圧領域内（例えば650ボ
ルト）で動作する。自動車の中に設けられている例えば
内部照明及び外部照明、換気装置用電動機、窓ガラス暖
房装置、座席暖房装置、電気的なウィンドウレギュレー
タ等の２次電気負荷のためには、通常（そして安全の理
由からも）、低圧給電装置（例えば12又は25ボルト）が
設けられ、この低圧給電装置は、自動車蓄電池を有する
対応する搭載配電網により実現可能可能である。
従来の自動車では、２次電気負荷への給電は通常、ダ
イナモとも呼ばれる小型発電機により保証され、この小
型発電機は、内燃機関により駆動される。ダイナモは、
自動車蓄電池を充電するために必要な電流も供給する。
自動車蓄電池は、ダイナモが電流を全く供給しない場合
（内燃機関が停止している場合）又は電流を充分に供給
しない場合（内燃機関の回転数が低い場合又は多数の電
気負荷がスイッチオンされている場合）に２次電気負荷
に給電する。内燃機関を始動するために、電動機（スタ
ータ）が使用され、この電動機は、自動車蓄電池から給
電され、大きい変速比（例えば1:15）を介して低速変換
して内燃機関を駆動する。
VDI−Berichte 878に、ダイナモ及びスタータの機能
は、駆動電動機のための電流を発生する発電機が引受け
ることができるが記載されている。詳細は、しかし説明
されていない。
内燃機関のスタータは、特別の電動機であり、この電
動機は、比較的小さい回転数と、比較的大きいトルクの
ために構成されている。この電動機は、内燃機関のクラ
ンク軸を個々の気筒の中の上死点を越えて回転すること
ができなければならない。内燃機関の始動は通常は、10
0〜300rpmの領域内で行われる。スタータは、短時間の
作動のためにしか構成されておらず、通常は12又は24ボ
ルトの通常の自動車蓄電池への接続されて給電されるの
に適する。
パワートレーンでの出力伝達が完全に電気的に行われ
る冒頭に記載の形式の自動車に設けられクランク軸に連
結されている発電機は、前述の構成とは全く異なる構成
を有する。この発電機は、持続的な使用に適しなければ
ならず、通常、内燃機関の回転数が大幅に高い（例えば
750〜5500rpm）状態で動作する。発電機の電圧レベル
も、スタータ電動機の場合に比して大幅に高く、内燃機
関の回転数に依存して例えば90〜650ボルトである、す
なわち、中圧領域内にある。基本的には発電機は、電動
機として作動でき、従ってスタータとして使用できる。
その際に注意すべき点は、始動動作のためにクランク軸
に作用しなければならないトルクが比較的大きいことで
ある。電動機作動する発電機は、スタータ電動機とは構
成が異なるので、充分に高い電圧が供給されないとこの
ような比較的大きいトルクを供給できない。自動車を制
動する際の使用エネルギーを蓄積するために既に提案さ
れたエネルギー電気蓄積器が使用できる場合、これはな
んら問題なく可能である。このようなエネルギー蓄積器
は、通常の発電機電圧に匹敵する高い電圧を有する電流
を供給する（中圧蓄積器）。問題が発生するのは、この
ような中圧蓄積器が設けられていない場合である、すな
わち、内燃機関の始動が、２次電気負荷に給電する搭載
低圧配電網の自動車蓄電池により行われる場合である。
これにより問題が発生する、何故ならば印加電圧が、始
動回転数での発電機の起電力（例えば100rpmで10ボル
ト）のみを克服すればよいのではなく、発電機に配置さ
れている電子出力装置（電気弁）の素子の応答電圧も克
服しなければならないからである。12ボルト蓄電池は、
これらの条件の下では、通常弱すぎる。24ボルトでも、
多くの場合、とりわけ冷たい電動機の場合に不充分であ
る。
ヨーロッパ特許出願公開第0534144号公報から公知の
解決法では、発電用内燃機関型自動車の内燃機関のスタ
ータが不要である、何故ならば、内燃機関に連結されて
いる発電機をスタータ電動機として作動できるからであ
る。最後に、ヨーロッパ特許出願公開第0418995号公報
から公知の解析法では、内燃機関のスタータが、大容量
の低圧コンデンサに蓄積されているエネルギーにより作
動される。
本発明の課題は、通常の自動車蓄電池（60ボルトより
低い低圧）しかエネルギー源として使用できない場合で
あっても、発電機をスタータ電動機として使用し、これ
により、冷たい状態でも内燃機関を始動できるように冒
頭に記載の自動車をできるだけ小さいコストで改善する
ことにある。
上記課題は、本発明により、請求の範囲第１項の特徴
部分に記載の特徴により解決される。本発明の有利な実
施例は、第１項〜第５項に記載されている。
本発明では、内燃機関を始動するのに必要な電力、す
なわち、電動機作動する発電機に供給されなければなら
ない電力が、中間蓄電器から取出され、中間蓄電器は、
自動車蓄電池により給電される。この場合の中間蓄電器
として、コンデンサを有する直流電圧中間回路が使用さ
れる。この直流電圧中間回路は、発電機に後置接続され
る。この直流電圧中間回路から、自動車の駆動電動機の
電子出力装置は、電子制御装置により制御されて、走行
作動のための駆動エネルギーを取出す。この直流電圧中
間回路の電圧は、例えば100ボルト〜1500ボルトであ
り、通常の走行作動の場合には有利には約650ボルトま
での中圧領域内にある。多くの場合、この値の範囲を越
えることは有意義である。コンデンサを充電するため
に、電子制御装置により自動車蓄電池から直流電圧中間
回路への給電系統の切換えを行うと有利である。コンデ
ンサは、比較的大きい電流を供給することを可能にし、
ひいては、大きい電力を供給することを可能にする。最
大電流の約1/3で通常、確実な始動に充分なトルクが発
生される。従って24ボルト蓄電池で、この場合には充分
である。有利には、自動車に電圧変換器（例えば直流／
直流電圧変換器）を設ける。電圧変換器は、自動車蓄電
池の低圧を高い電圧レベルに高め、ひいてはコンデンサ
の大きい充電を可能にする。極端な場合、例えば非常に
低温での始動等の内燃機関の中での力学的抵抗が大きく
なる場合に（モータ油の粘度が高いとき、あるいは内燃
機関の“凍結”等）、本発明の１つの有利な実施例では
必要なトルクが非常に大きくて確実な始動が可能であ
る。この実施例では、クランク軸がまず初めに、電動機
作動する発電機により連続的に回転されるのではなく、
往復振動運動をさせられる。次いで電子制御装置によ
り、往復振動運動するクランク軸に駆動する発電機から
正しい時点で順次により大きい回転エネルギーを供給さ
れ、これにより振動運動が次第に大きくなり、最終的に
は内燃機関の上死点を越える（クランク軸の往復振動運
動の漸次増大による始動）。これにより得られる始動ト
ルクは、所定の給電条件で発電機のみにより得られる始
動トルクに比して大きい。このクランク軸の往復振動運
動の漸次増大による始動は、制御装置により簡単に実行
可能である。何故ならば制御装置は発電機の通常の作動
時でも転流電子回路を有する多極永久磁界形直流機械と
して形成され、固定子に対する回転子の角度位置に関す
る非常に正確な情報を連続的に受取り、回転子はクラン
ク軸に機械的に不動に連結されているからである。
本発明により、内燃機関始動のためにのみの高い電圧
を供給する別個の蓄電池を設けることが不要となる。こ
のような蓄電池は付加的な重量であるだけではなく、大
きいスペースを必要とする。通常のスタータ電動機を有
する従来の自動車の場合と同様、本発明では通常の自動
車蓄電池が、エネルギー電器蓄積器として充分役割を果
たす。僅かな取付けコストしか必要としない電圧変換器
により、困難な条件の下でも確実な始動が可能となる。
ただ１つの図の中にブロック回路図として示されてい
る実施例に基づいて、次に本発明を詳細に説明する。ブ
ロック回路図は本質的に、軌道非拘束型自動車の動力伝
達系を示す。
内燃機関１はそのクランク軸により発電機２に連結さ
れ、発電機２は電子転流回路を有する多極永久磁界形直
流機械として形成されている。発電機２は交流電圧を発
生し、この交流電圧は整流器３で整流され、次いで直流
電圧中間回路４に供給される。直流電圧中間回路４か
ら、電動機８を作動する駆動エネルギーが取出され、電
動機８はそれぞれ、図示されていない自動車のそれぞれ
１つの車輪９に連結されている。電動機８は、発電機２
と同様、有利には電子転流回路（ブロック７）を有する
多極永久磁界形直流機械として形成されている。電流は
電動機８にパルス状直流電流（ブロック７）として供給
される。発電機２と電動機８とを制御する電子制御装置
は、ブロックGST,FST及びMSTの中に示されている。上位
の走行制御装置FSTは、例としてただ１つのみ示されて
いる電動機制御装置GSTと、発電機制御装置GSTとの上位
制御装置である。出力電流と異なり、信号電流は破線の
矢印により示されている。直流電圧中間回路４の中の動
作電圧は中圧領域内にあり、有利には約650ボルトであ
る。電動機８以外に、自動車の中で２次電気負荷10（例
えば弁、窓ガラス加熱装置等）にも、給電されなければ
ならない。このために、例えば50ボルト以下、特に12又
は24ボルトの電圧の搭載低圧配電網が設けられ、この配
電網は自動車蓄電池６を有する。蓄電池６を充電するた
めに、及び／又は、通常の走行作動で２次付加10に給電
するために、必要な電流は直流電圧中間回路４から取出
される。直流電圧中間回路４の電圧レベルは過剰の高い
ので、電圧は電子変換器５で搭載配電網電圧まで低下さ
れる。内燃機関１を始動するために、中間変速装置を介
さずに内燃機関１に連結されている発電機２は、スター
タ電動機として作動される。このために電子制御装置FS
Tは、発電機２が内燃機関１の回転に充分な始動トルク
を出力するのに必要な電流を発電機２の卷線の中に流す
のに必要な電力が直流電圧中間回路４のコンデンサから
取出されるように制御する。12ボルトの自動車蓄電池６
はこの電流を直接に供給できない。何故ならば自動車蓄
電池６の電圧は低すぎるからである。直流電圧中間回路
４のコンデンサに前の走行作動フェーズの際の充電電荷
が充分に残っていない場合、電子制御装置FSTはまず初
めに直流電圧中間回路４のコンデンサを充電する。これ
は、12ボルト蓄電池６により比較的小さい電力により行
うことができる。コンデンサをより高く充電するため
に、ひいては、始動動作のための電力をより大きくする
ために、有利には電圧変換装置５が設けられる。このた
めに電圧変換装置５は、蓄電池電流をより高い電圧レベ
ル（例えば200又は300ボルト）に変換する役割を有す
る。すなわち、電圧変換装置５は、通常の発電機作動の
際に搭載低圧配電網への給電のために前述のように電圧
を低下する役割のみを有するのではない。これら２つの
役割のために、別個の直流／直流電圧変換器を設けるこ
ともできる。充分にコンデンサが充電されると、電子制
御装置は実際の始動動作をする。緩衝蓄積されている電
子エネルギーは比較的大きい電力でコンデンサから流出
でき、内燃機関のための充分に大きい始動トルクを発電
機２の中に発生する。
有利には、発電機２として、FeNdB合金から成る多数
の永久磁石を備え電子的に転流される電気機械を使用す
る。このようなな永久磁石は、低温において非常に大き
い磁束を有する。これにより、例えば−25℃で、室温に
対して約３倍大きい回転トルクが発生する。困難な条件
の下でも、クランク軸の往復振動運動の漸次増大による
始動操作は、通常不要である。始動動作は数秒しかかか
らないので、電子出力装置は、場合によっては非常に大
きい電流が発生するにもかかわらず、損傷されない。
本発明の特徴は、非常に小さい付加的コストにより、
冒頭に記載の形式の自動車にはもともと設けられている
装置を利用して、内燃機関を確実に始動することを可能
にし、その際、従来のスタータ電動機も、従来のダイナ
モも、完全に不要である。これにより、軽量化が達成さ
れ、ひいては、燃料の比消費量が減少する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平４−128003（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B60L 1/00 - 15/42

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つの車輪（９）に駆動のため
    に電動機（８）が連結され、前記電動機（８）には、電
    子制御装置（GST,FST,MST）により制御される電子出力
    装置（3,4,7）を介して、運転者によりアクセルペダル
    を介して入力される出力要求に応じて電流が供給され、
    前記電流は発電機（２）により発生され、前記発電機
    （２）は内燃機関（１）に駆動技術的に連結され、駆動
    のための電流は前記発電機（２）から中圧領域内の動作
    電圧で供給され、２次電気負荷（10）への給電を保証す
    る低圧領域内の搭載配電網が設けられ、前記搭載低圧配
    電網は自動車蓄電池（６）を有し、前記搭載低圧配電網
    には前記内燃機関（１）により発生される機械エネルギ
    ーの一部を変換して得られた電流が供給され、前記発電
    機（２）は前記内燃機関（１）を始動するために電動機
    として作動可能である軌道非拘束型自動車において、前
    記発電機（２）にコンデンサを備える直流電圧中間回路
    （４）が後置接続され、前記直流電圧中間回路（４）か
    ら前記電動機（８）が給電され、前記電子制御装置（FS
    T）のプログラムにより、前記内燃機関（１）の始動の
    前に前記直流電圧中間回路（４）のコンデンサが前記自
    動車蓄電池（６）から充電され、前記発電機（２）の電
    動機作動（スタータ作動）のための電流が直流電圧中間
    回路（４）から取出されることを特徴とする軌道非拘束
    型自動車。
  2. 【請求項２】スタータ作動する発電機（２）へ給電する
    ために自動車蓄電池（６）から取出された電流の低圧を
    100ボルト以上の中圧へ変圧する電圧変換器（５）が設
    けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
    の軌道非拘束型自動車。
  3. 【請求項３】電圧変換器（５）が、自動車蓄電池（６）
    を充電するための低圧へ中圧を低下する役割を果たすよ
    うにも構成されていることを特徴とする請求の範囲第２
    項に記載の軌道非拘束型自動車。
  4. 【請求項４】発電機（２）が電子転流回路を有する多極
    永久磁界形直流機械であり、電子制御装置（FST）のプ
    ログラムが、直流電圧中間回路（４）の中に蓄積され自
    動車蓄電池（６）により事後供給されるエネルギーが上
    死点を越えて内燃機関（１）のクランク軸を直接に回転
    するのに不充分である場合のために、クランク軸の往復
    振動運動の漸次増大による始動のためのプログラムを有
    することを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のう
    ちのいずれか１つの項に記載の軌道非拘束型自動車。
  5. 【請求項５】電子転流回路を有する多極永久磁界形直流
    電流機械として形成されている発電機（２）が、FeNdB
    合金から成る永久磁石を有することを特徴とする請求の
    範囲第１項から第３項のうちのいずれか１つの項に記載
    の軌道非拘束型自動車。
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