JP5794525B2 - 電気自動車用バッテリー充電装置およびレスキュー車 - Google Patents

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Description

本発明は、車輌のエンジン駆動力を使ってロータを回転させることにより発電し、電気自動車のバッテリーを充電できる電気自動車用バッテリー充電装置と、この電気自動車用バッテリー充電装置を装備したレスキュー車に関する。
近来、二次電池に充電した電気でモータを回して走る二次電池式電気自動車が普及しつつあり、不十分ながらも電気自動車用急速充電スタンドが各所に設置され、走行途中に充電スタンドへ立ち寄れば、電気自動車用バッテリーの充電を行うことができるので、電気自動車での走行可能範囲も広がりつつある。とはいえ、電気自動車用急速充電スタンドの設置場所は十分とは言えず、充電スタンドへ到着する前にバッテリー切れで走行不能になってしまうことも起こりうる。このようなバッテリー切れを起こした電気自動車の救済には、ガス欠を起こしたガソリン車にガソリン補充で対処すように、電気自動車のモータを駆動させる給電機能を回復させることが考えられる。
例えば、電気自動車の主電池を短時間で充電できる二次電池を車体に別途設けておき、主電池の電圧低下により車両が走行不能となってしまったり、走行状態が悪化したとき、二次電池により主電池を充電することで、走行可能な状態に回復させる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
また、電気自動車に搭載されているバッテリーに給電可能な補助バッテリーを車輪走行可能な「ねこぐるま」に設け、そのねこぐるまを電気自動車の後部に連結して牽引可能な状態とし、補助バッテリーから電気自動車本体のバッテリーへ充電しつつ走行し、最寄りの充電ステーションまで行けるようにした技術も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
特開平１１−１６４４１１号公報 特公開２０１０−２００３９３号公報
しかしながら、特許文献１に記載された電気自動車の主電池を充電する方法で、バッテリー切れとなった電気自動車を走行可能な状態に回復させるためには、電気自動車の主電池よりも高電圧の二次電池を予め車に搭載し、満充電にしておく必要があり、その搭載コストおよび搭載スペース等を考えると、電気自動車の主電池を大容量のものにして走行可能距離を伸ばした方が現実的であるし、主電池と二次電池を充電する煩雑さも利用者にとって負担となる。
また、特許文献２に記載された補助バッテリーを電気自動車に連結して走行可能にする方法の場合、電気自動車の駐車場所から補助バッテリー備え付けの充電ステーションまで歩いて往復できる近距離なら、電気自動車の運転手等が補助バッテリーを取りに行けるものの、補助バッテリー備え付けの充電ステーションまで到底歩けない遠距離なら、荷台のあるレスキュー車に補助バッテリーを積んで電気自動車の駐車場所まで赴くことになる。しかも、レスキュー車は、補助バッテリーを連結した電気自動車が最寄りの充電ステーションに到着するまで伴走し、役目を終えた補助バッテリーを回収しなければならないので、レスキュー車による救援業務も非効率となる。
上述した電気自動車用モータへの給電回復技術よりも現実的なレスキュー方法は、急速充電スタンドに使用されているような大型の発動発電機及び充電器をトラック等の車両に搭載して、バッテリー切れを起こした電気自動車の停車場所まで赴き、発動発電機で発電した３相交流電源を充電器に給電し、充電器で電気自動車の充電情報を受けて充電に必要な直流電圧に変換し、その場で電気自動車のバッテリーを急速充電することである。
しかしながら、電気自動車用バッテリーの急速充電には数十キロＷの大電力を必要とするため、大型の発動発電機および充電器を搭載したレスキュー車は、車両が大型化し、その重量も数トンに達するほど重くなってしまう。しかも、レスキュー車はバッテリー切れ電気自動車の救済だけが目的ではなく、その他の車両不具合にも対処する必要があることから、タイヤ調整などの諸設備を搭載する場合もあり、そのような諸設備に加えて発動発電機および充電器を搭載するためには、相応の搭載スペースを確保するために一層大型の車体を用いる必要がある。このような大型のレスキュー車は、山間地や市街地などの狭い道を通過することが困難で、バッテリー切れの電気自動車が停車している場所まで赴くことが出来ない可能性もある。よって、大型の発動発電機および充電器を車載スペースに搭載することでバッテリー切れの電気自動車に対応可能なレスキュー車を作製しても、バッテリー切れの電気自動車に対する十分なレスキュー機能を発揮できるとは言えない。
なお、自動車の走行エンジンを駆動源として発電機を動かし、所望の電力を得る車載用発電装置を備えた車両が知られていることから、このような車載用発電装置によって電気自動車用バッテリーの充電を行うことができれば、大型の発動発電機および充電器を車両の荷台等へ搭載する場合に比べて、車両の小型化が可能になると想定できる。しかしながら、家庭用電化製品等を給電対象としている車載用発電装置により生成した商用周波数の交流電源から電気自動車用バッテリーを充電するには、長時間（例えば、満充電に７時間〜１５時間）を要することとなる。例えば、最も近い充電スタンドまで走行するために必要十分な充電を行うだけでも数時間を要する可能性もあり、到底、実用的な救済業務を行うことはできない。
一方、発電機の小型・軽量・高出力化が可能と考えられる永久磁石式の発電装置を車載用の発電機に転用した場合は、発電機本体を小型・軽量・高出力化ができて車載に適する反面、永久磁石の磁界強度が一定であるために、エンジンの回転数や負荷変動に対して発電機出力が変動してしまい、出力電圧を常に一定に保つことができず、発電機として不安定となる。なお、エンジンの回転数や接続負荷によって変動する永久磁石式発電機の出力を、ＤＣ／ＤＣコンバータによって所望の電圧に変換すれば、発電機出力を安定化できるものの、作動時に発生するＤＣ／ＤＣコンバータの発熱量が問題となるため、放熱性能を高めるべくＤＣ／ＤＣコンバータが大型となり、車載用発電機として十分な小型・軽量化を図ることは困難である。
そこで、本発明は、大型ではないレスキュー車に搭載することが容易なように小型・軽量に構成できると共に、電気自動車用バッテリーの充電に必要十分な高出力の直流電源を得ることができる電気自動車用バッテリー充電装置の提供と、この電気自動車用バッテリー充電装置を装備したレスキュー車の提供を目的とする。
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石とを、双方の磁界が干渉しないように配置し、車輌エンジンの駆動力を受けて回転するロータと、前記ロータの永久磁石の磁極面と近接対向する永久磁石用ステータコアおよび電磁石の磁極部と近接対向する電磁石用ステータコアを別体に設けて離隔配置し、前記ロータで発生する永久磁石の回転磁界および電磁石の回転磁界がそれぞれ前記永久磁石用ステータコアおよび前記電磁石用ステータコアを介して同時に作用し得るようにステータコイルを取り付けたステータと、を含む発電機と、前記ステータのステータコイルに生じた交流を直流に変換する整流手段と、前記整流手段により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段と、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が予め定めた規定値より低い場合には、永久磁石の磁束と同じ向きの磁束を電磁石に発生させる順方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると順方向電流を停止する電圧増加制御を行い、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が規定値より高い場合には、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を電磁石に発生させる逆方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると逆方向電流を停止する電圧低減制御を行う発電制御手段と、を含む発電機制御部と、から成る発電機能部を有する電気自動車用バッテリー充電装置であって、前記発電機能部は、給電線で接続された充電対象である電気自動車の充電情報を取得し、該充電情報に応じた適切な充電環境となるように充電電圧および充電電流を保持した電力を供給して、電気自動車用バッテリーを充電することを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の車載用発電装置において、前記発電機制御部は、充電動作中、電気自動車用バッテリーへの充電電圧および充電電流を常時監視し、適切な充電環境として予め定めた上限充電電圧または上限充電電流を監視値が越えた異常状態になると、電気自動車用バッテリーへの給電を即座に停止することを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の電気自動車用バッテリー充電装置において、前記発電機制御部は、充電対象である電気自動車へ必要十分な充電を行うために要する充電時間を予め算定し、充電開始から前記充電時間が経過することに基づいて充電動作を停止するようにしたことを特徴とする。
また、請求項４に係る発明は、前記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の電気自動車用バッテリー充電装置において、前記発電機により生成した電力によって充電可能な補助バッテリーを搭載したことを特徴とする。
また、請求項５に係る発明は、前記請求項４に記載の電気自動車用バッテリー充電装置において、前記補助バッテリーは、外部の商用電源から充電可能としたことを特徴とする。
また、請求項６に係る発明は、前記請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の電気自動車用バッテリー充電装置を車体に装備したことを特徴とする。
請求項１に係る電気自動車用バッテリー充電装置によれば、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石とを、双方の磁界が干渉しないように配置し、車輌エンジンの駆動力を受けて回転するロータと、前記ロータの永久磁石の磁極面と近接対向する永久磁石用ステータコアおよび電磁石の磁極部と近接対向する電磁石用ステータコアを別体に設けて離隔配置し、前記ロータで発生する永久磁石の回転磁界および電磁石の回転磁界がそれぞれ前記永久磁石用ステータコアおよび前記電磁石用ステータコアを介して同時に作用し得るようにステータコイルを取り付けたステータと、を含む発電機と、前記ステータのステータコイルに生じた交流を直流に変換する整流手段と、前記整流手段により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段と、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が予め定めた規定値より低い場合には、永久磁石の磁束と同じ向きの磁束を電磁石に発生させる順方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると順方向電流を停止する電圧増加制御を行い、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が規定値より高い場合には、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を電磁石に発生させる逆方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると逆方向電流を停止する電圧低減制御を行う発電制御手段と、を含む発電機制御部と、から成る発電機能部を有する電気自動車用バッテリー充電装置であって、前記発電機能部は、給電線で接続された充電対象である電気自動車の充電情報を取得し、該充電情報に応じた適切な充電環境となるように充電電圧および充電電流を保持した電力を供給して、電気自動車用バッテリーを充電するので、レスキュー車への搭載に適した小型・軽量・高出力化の電気自動車用バッテリー充電装置となる。
また、請求項２に係る電気自動車用バッテリー充電装置によれば、前記発電機制御部は、充電動作中、電気自動車用バッテリーへの充電電圧および充電電流を常時監視し、適切な充電環境として予め定めた上限充電電圧または上限充電電流を監視値が越えた異常状態になると、電気自動車用バッテリーへの給電を即座に停止するので、充電対象である電気自動車のバッテリーを損耗するような事故を未然に回避できる。
また、請求項３に係る電気自動車用バッテリー充電装置によれば、前記発電機制御部は、充電対象である電気自動車へ必要十分な充電を行うために要する充電時間を予め算定し、充電開始から前記充電時間が経過することに基づいて充電動作を停止するようにしたので、充電対象である電気自動車が満充電になるまで給電を続けずに、充電ステーション等へ移動するのに必要十分な充電を迅速に行うことができる。
また、請求項４に係る電気自動車用バッテリー充電装置によれば、前記発電機により生成した電力によって充電可能な補助バッテリーを搭載したので、発電機と補助バッテリーを併用することにより、大容量の電力で急速充電を行うことが可能となる。
また、請求項５に係る電気自動車用バッテリー充電装置によれば、前記補助バッテリーは、外部の商用電源から充電可能としたので、発電機を駆動させることなく任意のタイミングで補助バッテリーを充電することが可能となり、安価な深夜電力を利用して補助バッテリーを充電することも出来る。
また、請求項６に係るレスキュー車によれば、前記請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の電気自動車用バッテリー充電装置を車体に装備したので、山間地や市街地などの狭い道でも通れる車両に構成でき、しかも、電気自動車用バッテリーの充電に適した大容量の給電機能を備えるものとなる。
本発明の第１実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置を搭載したレスキュー車の概略構成図である。 本発明に係る電気自動車用バッテリー充電装置における発電機能部の概略構成図である。 発電機の概略縦断構造図である。 発電制御手段による電圧増加制御および電圧低減制御の説明図である。 電圧増加制御時における発電機能部の動作説明図である。 電圧低減制御時における発電機能部の動作説明図である。 界磁制御オフ時における発電機能部の動作説明図である。 本発明の第２実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置を搭載したレスキュー車の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置を搭載したレスキュー車の概略構成図である。
次に、本発明に係る電気自動車用バッテリー充電装置を搭載したレスキュー車の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１実施形態として示す電気自動車用バッテリー充電装置１を搭載したレスキュー車ＲＣによって電気自動車ＥＶを急速充電する際の概略構成である。電気自動車用バッテリー充電装置１は、レスキュー車ＲＣの走行用エンジン２の駆動力を受けて動作する発電機１０と、発電機１０の出力である三相交流２００Ｖを整流する発電機制御部２０と、から発電機能部を構成し、この発電機能部によって生成した直流２８０Ｖを電気自動車ＥＶに対する充電電源として用いる。
上記発電機能部の動作機能の詳細は後ほど詳述するが、動力伝達ベルト等を介して走行用エンジン２の駆動力を発電機１０のロータの回転力とし、発電機１０の出力を三相交流２００Ｖに保持する電圧制御は、発電機制御部２０から発電機のロータに設けた界磁巻線に流す界磁電流によって行う。なお、走行用エンジン２の回転数制御を適宜に行うアイドルアップ機構３も設けてある。
発電機能部による充電用電力の生成は、例えば、走行用エンジン２を駆動させた状態で充電開始操作部３１を利用者が操作することにより、充電開始指示信号が発電機制御部２０に入力され、発電機制御部２０による発電機１０への界磁制御（電圧制御信号の出力）が行われ、安定したＤＣ２８０Ｖ出力を得られるようになる。この発電機制御部２０は、その動作中に充電中信号・充電終了信号・異常警報信号を充電監視表示器３２へ出力するもので、これらの入力信号に応じた動作状態の表示が充電開始表示器３２にて行われる。よって、利用者は電気自動車用バッテリー充電装置１の動作状態や異常の発生を、充電監視表示器３２にて確認することが出来る。
発電機制御部２０からの生成電力を供給する給電路には、充電タイマ３３、充電電圧監視器３４、充電電流監視器３５を設けてあり、充電電圧監視器３４および充電電流監視器３５から各々充電電圧監視信号および充電電流監視信号が発電機制御部２０へ送信され、充電時の状況を発電制御部２０にて把握することが可能となる。なお、充電タイマ３３は、発電機制御部２０から充電時間設定信号が入力されることで、充電停止までの時間を監視し、充電時間がタイムアップすると即座に発電停止信号を発電機制御部２０へ送信し、給電路を遮断する。充電タイマ３３に対する設定時間の演算手法は特に限定されるものではなく、例えば、電気自動車ＥＶのバッテリー４１を現在の残容量から一定割合まで充電するのに要する時間を算出する構成でも良いし、充電対象の電気自動車ＥＶが充電ステーションまで移動するのに必要な距離を外部の入力手段から入力することで、当該距離を走行可能にする程度までの充電時間を算出する構成でも良い。
電気自動車ＥＶのバッテリー４１を充電するためには、標準で設けられている急速充電用の給電口を用いる。電気自動車ＥＶの給電口には、直流入力用の充電カプラ４２が有り、電気自動車用バッテリー充電装置１の充電コードの充電カプラ３６と接続することで、ＤＣ２８０Ｖがバッテリー４１（例えば、定格電圧２００Ｖ）に印加され、充電が行われる。なお、充電に際しては、充電情報信号発生部４３よりバッテリー４１の充電状況などの充電情報信号が、充電情報送信部４４および電気自動車用バッテリー充電装置１側の充電情報受信部３７を介して発電機制御部２０へ入力され、バッテリー４１への過電圧や過電流を防ぐ。
この充電情報については、電気自動車ＥＶに搭載されるさまざまな電子機器の情報・制御を行う為の通信プロトコルとして普及しているＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を流用できる。また、電気自動車ＥＶのバッテリー４１の定格容量は統一されていないので、ＣＡＮ通信で受信したバッテリー４１の充電容量に応じて、発電機制御部２０が適切な充電電圧の発電を行うように構成しても良い。
図２は、車輌に搭載される走行用エンジン２の駆動力を受けて動作する発電機１０と発電機制御部２０から成る発電機能部の概略構成を示すものであるが、説明を簡単にするため、発電機制御部２０における充電制御機能については省略し、発電機１０の出力である三相交流（例えば、２００Ｖ）を整流して直流（約２８０Ｖ）に変換する整流手段２１と、整流手段２１の出力電圧を検知して発電機１０への界磁電流制御を行う発電制御手段２２について説明する。なお、発電制御手段２２の動作に必要な電源は、車輌バッテリー４（ＤＣ１２Ｖ）によって賄うと共に、発電機１０への制御に用いる界磁電流源としても車輌バッテリー４を用いることができる。
発電機１０は、図３に示すように、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石１１と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石１２とを、ロータ１３へタンデム型に配置することで、双方の磁界が干渉しないようにし、その外周に配置したステータ１４に各々独立して磁界を作用させるようにしたものである。すなわち、この発電機１０は、永久磁石１１により発生する回転磁界と電磁石１２により発生する回転磁界が同時にステータ１４に作用するのである。
永久磁石１１は、例えば、ロータ１３に取り付けられたヨーク１５の外周面へ等間隔に１６個設けるものとし、隣接する永久磁石１１の磁極の向きを交互に変えることで、ステータ１４に対向する面がＮ極の永久磁石１１から湧き出る磁束が隣接する永久磁石１１のＳ極に入る向きの磁路が１６（８対）形成される。なお、永久磁石１１として、希土類サマリウムコバルト磁石やネオジウム磁石などを用いれば、保磁力が高いため、負荷増大時に発生する電機子反作用の影響が少ないので、小型高出力の発電機を構成できる。
電磁石１２は、例えば、円環状に等間隔で８個設けた爪状磁極部を対向状に噛み合わせるように配置したランデル型とし、外側がＮ極に励磁された爪状磁極部から対向側の隣接する爪状磁極部（外側がＳ極に励磁）に至る磁路が１６（８対）形成される。ここで、電磁石１２の爪状磁極部により形成される１６の磁路は、永久磁石１１により形成される１６の磁路と軸方向に整列するように、ロータ１３への取付時に位置調整しておく。
また、図面に示す構成例においては、電磁石１２の界磁コイル１２ａの一方端である第１給電部１２ｂ１を第１スリップリング１６１に接続し、界磁コイル１２ａの他方端である第２給電部１２ｂ２を第２スリップリング１６２に接続し、第１ブラシ１７１および第２ブラシ１７２を介して各々発電制御手段２２からの第１給電線２３，第２給電線２４と導通させ、界磁電流の供給を受けるものとした。
すなわち、第１給電線２３が高圧側（＋側）で第２給電線２４が低圧側（−側）となるように界磁コイル１２ａへ給電したとき（以下、順方向電流という。）に発生する磁界の向きと、第１給電線２３が低圧側（−側）で第２給電線２４が高圧側（＋側）となるように界磁コイル１２ａへ給電したとき（以下、逆方向電流という。）に発生する磁界の向きを逆転させることができる。
そして、電磁石１２の界磁コイル１２ａに順方向電流を供給したときには、永久磁石１１によって発生する磁界と同じ向きの磁界を電磁石１２により発生させることができ、界磁コイル１２ａに逆方向電流を供給したときには、永久磁石１１によって発生する磁界と逆向きの磁界を電磁石１２により発生させることができる。
なお、発電制御手段２２から界磁コイル１２ａへの給電手法はこれに限定されるものではなく、公知既存のブラシレス構造を適宜採用して構わない。
また、本構成例では、発電制御手段２２から発電機１０へ供給する界磁電流は、車輌バッテリー４から供給するものとしたが、これに限定されるものでは無く、発電機１０の出力を整流手段２１にて整流した直流を界磁電流として用いることも出来る。すなわち、発電機１０は、走行用エンジン２の駆動力によりロータ１３が回転すれば、それだけで三相交流出力を得ることができるので、一旦、発電機１０による発電機能を発揮させた後、その発電により得られた直流を界磁電流源として用い、目的とする一定電圧の直流出力が得られるように制御すれば、車輌バッテリー４を使わずに発電機能部を動作させることが出来る。
上記の永久磁石１１および電磁石１２により発生する磁界中に配置されるステータ１４は、例えば、永久磁石１１と対向するように設けた永久磁石用ステータコア１４ａと電磁石１２と対向するように設けた電磁石用ステータコア１４ｂにステータコイル１４ｃを巻回して形成したもので、永久磁石１１により発生する磁界と電磁石１２により発生する磁界が同時にステータコイル１４ｃに作用する。
したがって、ロータ１３の回転により、永久磁石１１と電磁石１２の回転磁界がステータコイル１４ｃ（例えば、三相巻線）に作用すると、発電機１０から三相交流が出力されるのである。
以上のように構成した発電機１０に対して、発電制御手段２２が電磁石１２への界磁電流制御を行うことで、ステータコイル１４ｃに発生する起電圧を調整することができる。
例えば、発電機１０の出力（本実施形態では、整流手段２１から出力される直流の電圧値）が規定値の２８０Ｖより低いときには、電磁石１２の界磁コイル１２ａに対して順方向電流を流すことで、図４（ａ）に示すように、ヨーク１５の外周に配置した永久磁石１１の磁極と電磁石１２の爪状磁極部に生ずる磁極が整合し、電磁石１２により生ずる磁界が永久磁石１１の磁界と同じ向きでステータコイル１４ｃに作用するので、ステータコイル１４ｃに生ずる起電圧を高めることができる。そして、発電機１０の出力が２００Ｖに上がり、整流手段２１の出力が既定値の２８０Ｖに達すると、順方向電流を停止する。このように、発電機１０の出力を規定値まで上げるために発電制御手段２２が行う制御を電圧増加制御とよぶ。
逆に、発電機１０の出力が規定値の２００Ｖよりも高いとき（整流手段２１からの出力が２８０Ｖよりも高いとき）には、電磁石１２の界磁コイル１２ａに対して逆方向電流を流すことで、図４（ｂ）に示すように、ヨーク１５の外周に配置した永久磁石１１の磁極と電磁石１２の爪状磁極部に生ずる磁極が逆になり、電磁石１２により生ずる磁界が永久磁石１１の磁界を打ち消す向きでステータコイル１４ｃに作用するので、ステータコイル１４ｃに生ずる起電圧を低減することができる。そして、整流手段２１の出力が規定値の２８０Ｖに達すると、逆方向電流を停止する。このように、発電機１０の出力を規定値まで下げるために発電制御手段２２が行う制御を電圧低減制御とよぶ。
すなわち、本構成例に係る発電機能部によれば、発電制御手段２２が電圧増加制御または電圧低減制御を行うことで、永久磁石１１による発電出力を直接一定電圧にすることが可能となる。よって、電気自動車用バッテリー充電装置１自体の小型・軽量・高出力化を実現できるのである。
次に、図５〜図７に基づいて、発電制御手段２２の詳細な構成例を説明する。
発電制御手段２２の内部機能として、整流手段２１により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検出回路２２１を設け、この発電電圧検出回路２２１により検出された発電電圧が入力される電圧制御回路２２２は、発電電圧が規定値よりも低かった場合には電圧増加指令を、発電電圧が規定値よりも高かった場合には電圧低減指令を、発電電圧が既定値であった場合には停止指令を、極性変換制御回路２２３へ出力する。この極性変換制御回路２２３は、極性変換回路２２４の動作を制御するものである。
なお、本構成例では、整流手段２１により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段としての発電電圧検出回路２２１を、発電制御手段２２の内部機能として設けるものとしたが、例えば、既存の電圧センサ・電流センサを発電電圧検知手段として用い、センサ出力を発電制御手段２２へ供給するようにしても構わない。
極性変換回路２２４は、例えば、同一特性の半導体スイッチング素子を４つ用いて構成したＨブリッジ回路で、界磁電流供給源の高圧側（＋側）から電磁石１２の第１給電部１２ｂ１への流路開閉を行う第１スイッチング素子２２４ａ１と、界磁電流供給源の高圧側から電磁石１２の第２給電部１２ｂ２への流路開閉を行う第２スイッチング素子２２４ａ２と、電磁石１２の第１給電部１２ｂ１から界磁電流供給源の低圧部（−側）への流路開閉を行う第３スイッチング素子２２４ａ３と、電磁石１２の第２給電部１２ｂ２から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第４スイッチング素子２２４ａ４と、からなる。
また、極性変換回路２２４の第１〜第４スイッチング素子２２４ａ１〜２２４ａ４には、各スイッチング素子２２４ａ１〜２２４ａ４に流れる電流と逆方向に電流が流れるように、第１フリーホイールダイオード２２４ｂ１，第２フリーホイールダイオード２２４ｂ２，第３フリーホイールダイオード２２４ｂ３，第４フリーホイールダイオード２２４ｂ４を各々並列に設けてある。
そして、電圧制御回路２２２から電圧増加指令を受けた極性変換制御回路２２３は、極性変換回路２２４の第１スイッチング素子２２４ａ１と第４スイッチング素子２２４ａ４を同時にオンさせることで、第１給電線２３を高圧側に、第２給電線２４を低圧側に接続し、電磁石１２の界磁コイル１２ａへ順方向電流を供給する（図５を参照）。斯くして、電磁石１２の界磁コイル１２ａには、永久磁石１１の磁界と同じ向きの磁界が発生することとなるので、電圧増加制御が行われる。
一方、電圧制御回路２２２から電圧低減指令を受けた極性変換制御回路２２３は、極性変換回路２２４の第２スイッチング素子２２４ａ２と第３スイッチング素子２２４ａ３を同時にオンさせることで、第１給電線２３を低圧側に、第２給電線２４を高圧側に接続し、電磁石１２の界磁コイル１２ａへ逆方向電流を供給する（図６を参照）。斯くして、電磁石１２の界磁コイル１２ａには、永久磁石１１の磁界と逆向きの磁界が発生することとなるので、電圧低減制御が行われる。
上記のように、極性変換制御回路２２３が強制変換回路の第１〜第４スイッチング素子２２４ａ１〜２２４ａ４のオン・オフ制御を行うことにより、整流手段２１の出力電圧が規定値に達すると、電圧制御回路２２２から停止指令が出力され、これを受けた極性変換制御回路２２３は、例えば、第３スイッチング素子２２４ａ３および第４スイッチング素子２２４ａ４を同時にオンさせることで、第１給電線２３と第２給電線２４を短絡させた閉ループを形成する（図７を参照）。すなわち、第３フリーホイールダイオード２２４ｂ３が並列に接続された第３スイッチング素子２２４ａ３および第４フリーホイールダイオード２２４ｂ４が並列に接続された第４スイッチング素子２２４ａ４を同時にオンさせることで、電磁石１２の界磁コイル１２ａへの給電を停止することで発生するフライホイール電流の還流路が形成されるので、高耐圧のスイッチング素子を用いたり、保護回路を別途に設けたりすることなく、フライホイール電流から極性変換回路２２４を保護できる。
なお、第１フリーホイールダイオード２２４ｂ１が並列に接続された第１スイッチング素子２２４ａ１および第２フリーホイールダイオード２２４ｂ２が並列に接続された第２スイッチング素子２２４ａ２を同時にオンさせて、フライホイール電流の還流路を形成するようにしても、同様の効果がある。
上述した発電機１０および発電機制御部２０から成る発電機能部は、走行用エンジン２を駆動源として用いると共に、永久磁石の一定磁界を利用して得られる出力電圧の制御に界磁電流を用いるので、小型・軽量で高出力を得ることが可能となり、発電機能部における発電機制御部２０は、給電線で接続された充電対象である電気自動車ＥＶの充電情報を取得し、該充電情報に応じた適切な充電環境となるように充電電圧および充電電流を保持した電力を供給して、電気自動車ＥＶのバッテリー４１を充電するので、電気自動車ＥＶの高速充電用プラグから短時間でバッテリー４１の充電を行うことができる。よって、バッテリー切れで停車した電気自動車ＥＶの救助支援を行うレスキュー車ＲＣに電気自動車用バッテリー充電装置１を搭載すれば、小型・軽量にレスキュー車ＲＣを構成することが可能となり、山間地や市街地などの狭い道を通過して救援対象の電気自動車ＥＶの停車場所まで行くことが出来るので、実用的なレスキュー車ＲＣを提供できる。また、電気自動車用バッテリー充電装置１を小型・軽量に構成できる分、レスキュー車ＲＣには、タイヤ交換設備などの多機能を搭載することが可能となり、一層実用価値の高いレスキュー車ＲＣとすることもできる。
また、発電機制御部２０は、充電動作中、充電電圧監視器３４および充電電流監視器３５により電気自動車ＥＶのバッテリー４１への充電電圧および充電電流を常時監視し、適切な充電環境として予め定めた上限充電電圧または上限充電電流を監視値が越えた異常状態になると、電気自動車ＥＶのバッテリー４１への給電を即座に停止するので、充電対象である電気自動車ＥＶのバッテリー４１を損耗するような事故を未然に回避できる。
また、発電機制御部２０は、充電対象である電気自動車へ必要十分な充電を行うために要する充電時間を予め算定し、充電開始から前記充電時間が経過することに基づいて充電タイマ３３により充電動作を停止させるようにしたので、充電対象である電気自動車ＥＶが満充電になるまで給電を続けずに、その場所から充電ステーション等の給電設備が整った場所へ移動するのに必要十分な充電を迅速に行うことができる。
上述した第１実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置１においては、レスキュー車ＲＣが電気自動車ＥＶの停止現場に到着し、急速充電用のプラグと接続してから発電機能部を作動させ、電気自動車ＥＶのバッテリー４１を充電するための電力を生成するものとしたが、これでは、発電機能部による生成電力に自ずと限界があるので、充電用電力の供給を補助できる蓄電機能を備えていれば、より短時間での急速充電が可能となる。そこで、図８に示す第２実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置１′は、補助バッテリー５１を備えるものとした。なお、補助バッテリー５１の構成は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、電気自動車ＥＶのバッテリー４１と同等品（定格電圧２００Ｖ）を用いるものとし、発電機制御部２０からの出力（ＤＣ２８０Ｖ）で充電可能とした。
この電気自動車用補助バッテリー充電装置１′における充電開始操作部３１は、電気自動車ＥＶに対する充電を行う主充電モードと、補助バッテリー５１の充電を行う補助充電モードとを切り換える（例えば、常閉接点ａにて補助充電信号を出力させ、接点ｂにて主充電信号を出力させる）ことができる。通常の走行時は、電気自動車用バッテリー充電装置１′に搭載した補助バッテリー５１に対する補助充電が行われるように、充放電切替スイッチ５２も常閉接点ａに接続され、発電機出力のＤＣ２８０Ｖが補助バッテリー５１に印加される。なお、補助バッテリー５１への充電経路には、補助バッテリー充電電流検出器５３を設けてあり、この補助バッテリー充電電流検出器５３からの補助充電電流監視信号を受けた発電機制御部２０によって発電機１０の出力制御を行い、補助バッテリー５１が高圧印加や過充電で損傷したりバッテリー寿命を縮めたりする事がないよう、適切な充電環境を保持する。
一方、電気自動車用バッテリー充電装置１′において、電気自動車ＥＶのバッテリー４１を充電する場合には、充電開始操作部３１を切り換えて主充電モードとし、このモード変更と連動させて充放電切替スイッチ５２を接点ｂに切り換えることで、補助バッテリー５１から放電させ、発電機制御部２０からの出力と合成させる。なお、補助バッテリー５１の放電電圧は、発電機制御部２０からの出力よりも低くなってしまうため、充電電圧変換器５４にて出力電圧をアップさせることで、発電機制御部２０からの出力電圧に合わせるものとした。
このように、第２実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置１′では、発電機１０により生成した電力によって充電可能な補助バッテリー５１を搭載したので、電気自動車ＥＶの充電時には、発電機能部の出力と補助バッテリー５１の出力を合成して、大容量の電力で急速充電を行うことが可能となる。
上述した第２実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置１においては、レスキュー車ＲＣの走行中に補助バッテリー５１を充電するものであることから、走行時に発電機能部を作動させるために、その負荷が走行用エンジン２にかかることとなり、レスキュー車２の燃費に少なからず影響してくる。そこで、図９に示す第３実施形態に係る電気自動車用バッテリー装置１″は、補助バッテリー６１を外部の商用電源から充電できるようにした。なお、補助バッテリー６１の構成も、特に限定されるものではないが、本実施形態においても、電気自動車ＥＶのバッテリー４１と同等品（定格電圧２００Ｖ）を用いるものとし、発電機制御部２０からの出力（ＤＣ２８０Ｖ）で充電可能とした。
この電気自動車用バッテリー充電装置１″では、発電機制御部２０を発電制御機能部２０Ａと充電制御機能部２０Ｂとに分割構成し、充電開始操作部３１の発電スイッチ３１ａが操作されると、発電開始指示信号が発電制御部２０Ａに入力され、これによって発電制御機能部２０Ａが発電機１０を駆動させて直流２８０Ｖの出力を得ることができる一方、充電スイッチ３１ｂが操作されると、充電開始指示信号が充電制御機能部２０Ｂに入力され、これによって充電制御機能部２０Ｂによる電気自動車ＥＶのバッテリー４１に対する主充電および補助バッテリー６１に対する充電を開始させることが出来る。すなわち、本実施形態の電気自動車用バッテリー充電装置１″においては、発電制御機能部２０Ａと充電制御機能部２０Ｂを別個に動作可能な構成とすることで、発電機１０による発電動作を行わないで、補助バッテリー６１に対する外部商用電源からの充電制御を行うことができるのである。
補助バッテリー６１の充電を外部商用電源（三相２００Ｖ）から行うために接続用の電源プラグ６２を備え、この電源プラグ６２を介して供給される三相２００Ｖを外部電源制御部６３が直流２８０Ｖに変換して出力し、これが補助バッテリー６１に印加されることで、補助バッテリー６１の充電が行われる。なお、外部電源制御部６３として、ダイオードをブリッジ接続した整流手段で構成すれば、特に動作用電源を必要としないが、商用交流の電圧変動による充電電圧の変動を抑制して定電圧化するようにした場合には、充電制御機能部２０Ｂから充電開始指示信号を出力することで、外部電源制御部６３を能動化させても良い。
また、補助バッテリー６１への充電と放電を切り換える充放電切替スイッチ６４は、例えば、常閉接点ａにあるとき、発電制御機能部２０Ａと接続されており、外部商用電源からの充電時にもこのままであるが、発電機制御機能部２０Ａからの給電路には整流手段を設けてあるので、発電制御機能部２０Ａが動作していないときでも、外部電源制御部６３から補助バッテリー６１への充電を行うことができる。
一方、充電制御機能部２０Ｂが電気自動車ＥＶのバッテリー４１への充電開始指示信号（主充電信号）を受けた場合には、充電制御機能部２０Ｂから発電制御機能部２０Ａへ発電制御指示信号が出力され、発電機制御機能部２０Ａによる発電機１０の発電制御が行われるようになり、充電用のＣ２８０Ｖが生成される。更に、充電制御機能部２０Ｂは、この発電開始制御と併せて、充放電切替スイッチ６４をｂ接点の放電路へ切り換える制御を行い、充電電圧変換器６５を作動させて、補助バッテリー６１からの放電電圧をアップコンバートして発電機出力と合成できるようにする。
このように、第３実施形態に係る電気自動車用バッテリー充電装置１″では、補助バッテリー６１が、外部の商用電源から充電可能としたので、発電機１０を駆動させることなく任意のタイミングで補助バッテリー６１を充電することが可能となり、安価な深夜電力を利用して補助バッテリー６１を充電することも出来る。従って、電気自動車用バッテリー充電装置１″を搭載したレスキュー車ＲＣの運用コストを効果的に抑制できる。
以上、本発明に係る電気自動車用バッテリー充電装置、およびこれを搭載したレスキュー車の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。
１ 電気自動車用バッテリー充電装置
１０ 発電機
２０ 発電機制御部
３１ 充電開始操作部
３２ 充電監視表示器
３３ 充電タイマ
３４ 充電電圧監視器
３５ 充電電流監視器
３６ 充電カプラ
３７ 充電情報受信部
ＲＣ レスキュー車
２ 走行用エンジン
３ アイドルアップ機構
ＥＶ 電気自動車
４１ バッテリー
４２ 充電カプラ
４３ 充電情報信号発生部
４４ 充電情報送信部

Claims (6)

  1. 一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石とを、双方の磁界が干渉しないように配置し、車輌エンジンの駆動力を受けて回転するロータと、
    前記ロータの永久磁石の磁極面と近接対向する永久磁石用ステータコアおよび電磁石の磁極部と近接対向する電磁石用ステータコアを別体に設けて離隔配置し、前記ロータで発生する永久磁石の回転磁界および電磁石の回転磁界がそれぞれ前記永久磁石用ステータコアおよび前記電磁石用ステータコアを介して同時に作用し得るようにステータコイルを取り付けたステータと、
    を含む発電機と、
    前記ステータのステータコイルに生じた交流を直流に変換する整流手段と、
    前記整流手段により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段と、
    前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が予め定めた規定値より低い場合には、永久磁石の磁束と同じ向きの磁束を電磁石に発生させる順方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると順方向電流を停止する電圧増加制御を行い、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が規定値より高い場合には、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を電磁石に発生させる逆方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると逆方向電流を停止する電圧低減制御を行う発電制御手段と、
    を含む発電機制御部と、
    から成る発電機能部を有する電気自動車用バッテリー充電装置であって、
    前記発電機能部は、給電線で接続された充電対象である電気自動車の充電情報を取得し、該充電情報に応じた適切な充電環境となるように充電電圧および充電電流を保持した電力を供給して、電気自動車用バッテリーを充電することを特徴とする電気自動車用バッテリー充電装置。
  2. 前記発電機制御部は、充電動作中、電気自動車用バッテリーへの充電電圧および充電電流を常時監視し、適切な充電環境として予め定めた上限充電電圧または上限充電電流を監視値が越えた異常状態になると、電気自動車用バッテリーへの給電を即座に停止することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用バッテリー充電装置。
  3. 前記発電機制御部は、充電対象である電気自動車へ必要十分な充電を行うために要する充電時間を予め算定し、充電開始から前記充電時間が経過することに基づいて充電動作を停止するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気自動車用バッテリー充電装置。
  4. 前記発電機により生成した電力によって充電可能な補助バッテリーを搭載したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の電気自動車用バッテリー充電装置。
  5. 前記補助バッテリーは、外部の商用電源から充電可能としたことを特徴とする請求項４に記載の電気自動車用バッテリー充電装置。
  6. 前記請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の電気自動車用バッテリー充電装置を車体に装備したことを特徴とするレスキュー車。
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