JP3331218B2 - 電動機を有する線路非拘束形自動車 - Google Patents

電動機を有する線路非拘束形自動車

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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線路
非拘束形自動車に関する。
WO−Ａ−9115378から、請求の範囲第１項の上位概念
に記載の電気自動車が公知であり、この場合、発電機に
より発生される電力の一部が、発電機の中の別個の巻線
により変圧されるか、又は整流器により整流されて直流
電圧中間回路により変圧されて搭載低電圧配線網へ供給
される。中央制御装置が、主電動機へのエネルギー配分
を制御し、この場合、アンチロック制御機能又はトラッ
ク制御機能が実現可能である。しかし、中央制御装置
は、搭載低電圧配線網へのエネルギー供給は制御しな
い。
米国特許第5166584号明細書から、主電動機のために
最大電力が必要な場合には大きいエネルギー負荷の電力
消費量が低減される電気自動車が公知である。
論文“現在及び将来の自動車の伝動装置”（VDI−Ber
ichte 878,1991,611〜622頁）から、電動機に連結され
ている駆動軸を有する内燃機関を備える線路非拘束形自
動車のための駆動装置が公知である。電動機を有する線
路非拘束形自動車とは、電動機を有するが鉄道のディー
ゼル機関車とは異なり、線路が無い道路上を走行する自
動車をいう。自動車の駆動輪は、発電機から駆動エネル
ギーを得る車輪直接駆動電動機に接続されている。自動
車の駆動装置の必要電力が比較的大きいので、発電機は
中電圧領域内（例えば650V）で動作する。この明細書及
び請求の範囲において、中電圧とは100〜1500ボルト程
度の電圧をいう。自動車に設けられている例えば内部照
明及び外部照明及び換気装置用電動機及びウィンドウガ
ラス加熱装置及び座席暖房装置及びウィンドウレギュレ
ータ等の副次的電気負荷のためには、通常は（そして安
全上の理由からも）低電圧電源装置（例えば12V及び24
V）が設けられ、この低電圧電源装置は、自動車バッテ
リーを有する相応する搭載配線網により実現されてい
る。この明細書及び請求の範囲において、低電圧とは60
ボルト程度以下の電圧をいう。このような自動車は付加
的に、駆動エネルギーを蓄積する蓄積器、例えば発電機
に連結されているフライホィール蓄積器の形の短時間蓄
積器又は蓄電池の形の長時間蓄積器を備えていることも
ある。
従来の自動車では、副次的電気負荷への給電は規則的
に、内燃機関により駆動されるオルタネータと呼ばれる
小型発電機により行われる。オルタネータは、自動車蓄
電池を充電するのに必要な電流も供給する。充電された
自動車蓄電池は、オルタネータが電流を供給しない場合
（すなわち内燃機関が停止している場合）又は充分な電
流を供給しない場合（すなわち内燃機関回転数が小さい
場合及び多数の電気負荷がスイッチオンされている場
合）に、副次的電気負荷へ電流を供給する。
論文VDI−Bericht 878には既に、オルタネータの機能
も、駆動電動機への供給電流を発生する発電機が果たす
ことが可能であることが記載されている。しかし、これ
に関する詳細は、本明細書では省く。本発明において発
電機とは、従来型自動車の発電機であるオルタネータと
異なり、自動車の車輪を駆動することができる電力を供
給できるような発電機をいう。
自動車の搭載低電圧配線網に発電機から給電するため
には、供給電流はまず初めに、発電機により発生された
中電圧（60Vより大きい電圧）を低電圧へ低下しなけれ
ばならない。交流発電機では、この変圧は問題なく可能
である。これは、直流パルス電流を発生する発電機にも
当てはまる。この直流パルス電流を変圧するのに適切な
電子技術をベースとした直流／直流変圧器が公知であ
る。
線路非拘束形自動車の将来の発展、とりわけ駆動技術
面での発展は、比消費量を大幅に低下することにかかっ
ている、すなわち、燃料の中の化学結合エネルギーを駆
動エネルギーに変換する際の化学結合エネルギーの効率
的な利用にかかっている。内燃機関の中で高い効率を達
成し、自動車をできるだけ軽量にするために、内燃機関
をできるだけ小型に形成する努力が払われる。これによ
り、内燃機関出力が減少する傾向が現れる。従って最大
内燃機関出力は将来は、現在の従来の自動車におけるよ
り所要平均駆動出力に大幅に接近する。
この発展に、自動車の中の電流消費量を増加させる発
展が問題となる。副次的電気負荷の数は増加する一方で
ある、何故ならば電気的に実現する機能（例えばスライ
ド形屋根、座席の位置調整、鏡の位置調整、自動空調装
置等）の数が増加する一方であるからである。これによ
り既に現在でも、従来の自動車の中で強力なオルタネー
タが作動させたり、２つのオルタネータを同時に作動さ
せることがある。この場合、これらの装置は重量が大き
いという欠点が発生するだけでなく、その上、エネルギ
ー変換の効率が比較的悪いことを覚悟しなければならな
い。例えば1.5kWの電力を発生するには、回転数に依存
して３〜5kWのオーダの機械的駆動出力が必要である。5
0kWの出力の内燃機関ではこれは、理論的に利用可能な
駆動出力の最大10％に相当する。しかし、例えば安全上
の理由から（例えば追い越しの際のキックダウン）、内
燃機関の可及的最大出力からできるだけ多くの割合を自
動車駆動装置に供給できることが望ましい。
本発明の課題は、冒頭に記載の形式の自動車の燃料量
の比消費量ができるだけ小さいままであり、必要な場合
には内燃機関の可及的最大出力を自動車駆動装置に供給
でき、その際、副次的機能を電気的に作動する際の快適
性を失わないようにこのような自動車を改善することに
ある。
上記課題は、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２項
〜第６項に記載されている。
本発明は、いずれの機械タイプが発電機として使用さ
れているか（例えば永久磁石形か又は励磁形か、電子転
流回路を有するか又は有しないか等）、いずれの機械タ
イプが駆動電動機として使用されているか（例えば同期
形か又は非同期形又は直流形か等）とは独立に利用可能
である。本発明では、自動車の中で駆動エネルギーとし
て必要とされる電流と副次的電気負荷に必要とされる電
流とが、内燃機関の駆動軸に連結されている発電機によ
ってのみ発生される、すなわち、別個のオルタネータは
設けられない。これにより、軽量化できる利点が得られ
るだけでなく、発電機が、従来オルタネータにおける通
常の効率より大幅に高い効率で電流を発生できる利点も
得られる。この場合、内燃機関の回転数が低い場合にオ
ルタネータの回転数を充分に高くするためにときどき利
用されるいわゆる“発電機の高作動（Generatorhochtri
eb）”は、完全に不要となる。これらすべてにより、自
動車の燃料の比消費量を低く保持することが促進され
る。このために必要なコストは小さい。本質的にはただ
１つの変圧器しか必要でない、すなわち、この変圧器
は、副次的電気負荷に必要な電流と自動車蓄電池の充電
に必要な電流との電圧を、（有利には60〜1500Vの領域
内にあり、更に有利には650Vまでの領域内にある）元の
発生中電圧から、搭載配線網の低電圧（例えば12又は24
V）に変換する。
本発明の１つの重要な特徴は、運転者によりその都度
要求される駆動出力に依存して内燃機関及び発電機及び
自動車駆動用電動機の作動を制御する、もともと自動車
に搭載されている電子制御装置を次のように拡張するこ
とにある。すなわち、必要エネルギー量が非常に大きい
場合すなわち必要エネルギー量が理論的に最大の出力で
あるか又はそれに近い出力である場合の作動フェーズ
（例えばキックダウン）ではスイッチング装置が作動さ
れ、これにより発電機から副次的電気負荷への給電電流
が一時的に中断され、その代わりに副次的電気負荷への
給電は自動車蓄電池により保証されるように拡張するこ
とにある。これにより、通常は短時間しか持続しないこ
のようなフェーズでは内燃機関の可及的最大の出力がす
べて自動車の駆動装置に供給され、その際、個々の副次
的電気負荷をスイッチオフすることが不要なので快適性
が失われない。付加的に利用可能な出力が、内燃機関の
公称出力が低いほど重要性を増すことは自明である。こ
れらの出力のリザーブを動員することは、大部分ソフト
ウェア的に行われる、すなわち、大きいコストなしに行
われる。搭載低電圧配線網を発電機からの給電から一時
的に分離するスイッチング装置が必要なだけである。必
要出力量が最大であるフェーズが終了すると、電子制御
装置は、発電機からの給電を再びイネーブルにでき、こ
れにより自動車蓄電池も再び充電される。
搭載低電圧配線網への給電は、直接に（変圧器を介し
て）発電機から行うことができる。本発明はとりわけ有
利には、搭載低電圧配線網への給電のための変圧器が電
流を中間回路例えば直流電圧中間回路から取出し、この
中間回路は、発電機に後置接続され、この中間回路か
ら、駆動電動機への給電電流も取出されるように実施さ
れる。
本発明を実施するために必要な構成要素は、導線を介
してその他のシステムに電気的に接続されているので、
自動車の中でのこれらの構成要素の取付け位置は、まっ
たく自由である。従って軽量化が可能であるだけでな
く、重量の分散及び容量の利用も最適化が可能である。
ブロック回路図として実施例が示されている第１図及
び第２図に基づいて、本発明を次に詳細に説明する。こ
れら２つのブロック回路図は、それぞれ線路非拘束形自
動車のパワー伝達系を示す。
第１図において、内燃機関１はそのクランク軸を介して
発電機２に接続され、発電機２は、例えば電子転流回路
を有する永久磁石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、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と同様に有利には電子転流回路（ブロ
ック７）を有する永久磁石形直流機械として形成されて
いる。電動機８に供給される電流は、例えば交流（ブロ
ック７）である。発電機２を制御する電子制御装置は、
GSTにより示され、電動機８の電子制御装置は、MSTによ
り示されている。しかし、GSTもMSTも、ただ１つのみが
例として図示されている。電動機８の制御装置と、発電
機２の制御装置とには、それらに対して上位の走行制御
装置FSTが配置されている。信号流を電力流から区別す
るために、信号流は、破線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、中電圧領域内にあり、
有利には約650Vである。電動機８の外に自動車の中で
は、副次的な電気負荷10（例えばブロワ、ガラス加熱装
置）も、給電されなければならない。このために、例え
ば自動車バッテリー６を有する12又は24Vの搭載低電圧
配線網が設けられている。自動車バッテリー６を充電す
るために及び／又は通常の走行作動で副次的電気負荷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、大
幅に過剰に高いので、この電圧は、電子変圧器５で搭載
配線網電圧の領域内まで低下される。できるだけ高い出
力を自動車駆動装置に供給する作動フェーズでは、電子
制御装置FSTにより、直流電圧中間回路４と変圧器５と
の間の接続がスイッチング装置（遮断器11）を介して一
時的に遮断され、これにより、発電機２により発生され
る全電流は電動機８に供給される。このフェーズの間に
わたり、副次的電気負荷10への給電は、中断なしに自動
車バッテリー６を介して維持される。（例えば追い越し
終了時等のように）それまで必要であった大きい出力量
が不要となるとただちに、直流電圧中間回路４と変圧器
５との間の接続が、電子制御装置により再び形成され、
これによりバッテリー６を再び充電でき、及び／又は副
次的電気負荷10に直接に直流電圧中間回路４から給電で
きる。
直流電圧中間回路４から電流を取出す代りに、例えば
第２図に示されているように既に発電機で副次的電気負
荷10のための電流を取出すことも可能である。搭載低電
圧配線網のレベルに変圧できるように、変圧器12を設
け、これにより発電機２の交流電圧を低いレベルに変圧
して整流する。この場合、第１図の変圧器５は不要であ
る。なお、第２図の実施例の機能は、第１図の実施例の
機能と同様であり、従って第１図の実施例の機能の説明
は省く。
発電機２が、搭載低電圧配線網の中に直接に電力を供
給できるように、発電機２に、相応の特別装置（例えば
特別の低電圧巻線又はスイッチング装置等）を設け、こ
れにより電圧の低下（ブロック５又は12）を不要にする
ことも可能である。この場合にも、必要な駆動出力量が
増加すると、搭載低電圧配線網への給電の中断が走行制
御装置FSTにより行われる。
本発明の原理は、交流発電機及び交流電動機を使用す
る場合に問題なしに適用できる。この場合勿論、搭載配
線網への給電の前に整流が行わなければならない。別個
のオルタネータを設けない場合に快適性を失うことなし
にいつでも内燃機関の出力の可及的最大量を駆動エネル
ギーとして供給できる利点は、常に保持される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−67703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−157901（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−190300（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B60L 11/12 B60K 9/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】自動車の駆動のために少なくとも１つの車
    輪（９）が電動機（８）に連結され、前記電動機（８）
    には、電子制御装置（FST,GST,MST）を介して制御され
    る電子出力装置（3,4,7）を介して、運転士によりアク
    セルペダルを介して入力される要求出力量に相応して電
    流が供給され、この電流は発電機（２）により発生さ
    れ、前記発電機（２）は前記内燃機関（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）に
    より中電圧領域の動作電圧で発生され、副次的電気負荷
    （10）への給電を保証する搭載配線網は低電圧領域にあ
    り、前記搭載配線網は自動車バッテリーを有し、前記自
    動車バッテリーには前記内燃機関（１）により発生され
    る機械エネルギーの一部を電気エネルギーに変換するこ
    とにより得られる電流が供給される線路非拘束形自動車
    において、 前記電子制御装置（FST）が、前記発電機（２）により
    発生される電力の一部を、搭載低電圧配線網への給電の
    ために供給し、前記電子制御装置（FST）のプログラム
    により、前記内燃機関（１）の可及的最大出力量が駆動
    のために必要である作動フェーズでは、前記発電機
    （２）から搭載低電圧配線網への給電が、スイッチング
    装置により一時的に中断され、その代わりに、前記副次
    的電気負荷（10）への給電が、自動車バッテリー（６）
    を介して行われることを特徴とする線路非拘束形自動
    車。
  2. 【請求項２】発電機（２）の中電圧領域から搭載低電圧
    配線網への供給電流を搭載低電圧配線網の電圧に低下す
    る変圧器（5,12）が設けられていることを特徴とする請
    求の範囲第１項に記載の線路非拘束形自動車。
  3. 【請求項３】直流を発生する発電機（２）に整流器
    （３）が後置接続され、前記整流器（３）の後ろに直流
    電圧中間回路（４）が設けられ、前記直流電圧中間回路
    （４）から１つ又は複数の電動機（８）に駆動電流が供
    給され、変圧器（５）が直流／直流変圧器として形成さ
    れ直流電圧中間回路（４）に接続されていることを特徴
    とする請求の範囲第２項に記載の線路非拘束形自動車。
  4. 【請求項４】直流電圧中間回路（４）の動作電圧が、約
    650Vに構成されていることを特徴とする請求の範囲第３
    項に記載の線路非拘束形自動車。
  5. 【請求項５】変圧器（12）が、遮断器（11）を介して直
    接に発電機（２）に接続されていることを特徴とする請
    求の範囲第２項に記載の線路非拘束形自動車。
  6. 【請求項６】発電機（２）から搭載低電圧配線網へ直接
    に給電するために、発電機（２）に、例えば別個の低電
    圧巻線等の特別装置が設けられていることを特徴とする
    請求の範囲第１項に記載の線路非拘束形自動車。
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