(57)【要約】【課題】内燃機関搭載の自動車のような車両のハイブリッド化をするに際して、そのための装置の構造を単純にして高価な電装品を不要にし、また、そのための装置の現行車両への適用のコストを低廉にする。【解決手段】既存の車両の車両発電機と車両蓄電池の間に、容易に搭載できる形で、補助蓄電池・レギュレータ・ＡＣインバータ・制御部などを内蔵する双方向エネルギー変換装置を設けて、補助蓄電池及び車両蓄電池への畜充電、車両発電機を用いた駆動補助を、車両の走行状態に合わせて的確に制御する。【選択図】図２
2011201441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両発電機と車両蓄電池の間に設置され、
車両発電機の出力電圧を制御するレギュレータ、
前記車両発電機に接続され、発電された電力を整流する整流器、
前記整流器からの電力の伝達先を、補助蓄電池または前記車両蓄電池のいずれかに切り
替える切替器、
前記切替器に接続され、電力を蓄える補助蓄電池、
前記補助蓄電池から前記車両蓄電池の間に設置され、その間の電力の伝達を行うＤＣイ
ンバータ、
前記補助蓄電池と前記車両発電機に接続され、前記補助蓄電池からの電力を前記車両発
電機に伝達するＡＣインバータ、
車両の状態に応じて、前記レギュレータ、前記整流器、前記補助蓄電池、前記ＤＣイン
バータ、前記ＡＣインバータ、前記車両発電機、前記車両蓄電池及び車両制動部からの
情報を受信し、前記レギュレータ、前記整流器、前記補助蓄電池、前記ＤＣインバータ
、前記ＡＣインバータ、及び前記車両発電機を制御する制御部
からなる車両用の双方向エネルギー変換装置であって、
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、前記制御部が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量がフルでないと判定した期間では、前記制御部が、前記車両発電機からの電力を、前記整流器を経由して前記補助蓄電池へ、更に必要な場合には前記補助蓄電池から前記ＤＣインバータを経由して前記車両蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
ｂ．電力移行期間、すなわち、前記制御部が、車両の走行状態が定速状態または停止状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、前記制御部が前記補助蓄電池の電力を、前記ＤＣインバータを経由して前記車両蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
ｃ．駆動補助期間、すなわち、前記制御部が、車両の走行状態が加速状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、前記制御部が、前記補助蓄電池の電力を、前記ＡＣインバータを経由して前記車両発電機へ放電することにより、前記車両発電機を電動機として機能させて車両の駆動を補助するよう制御し、
ｄ．車両蓄電池充電期間、すなわち、前記制御部が、上記のいずれでもないと判定した期間では、前記制御部が、前記車両発電機からの電力を、前記整流器を経由して、前記切替器において、直接、前記車両蓄電池の方へ切り替えて、前記車両蓄電池へ充電するよう制御する、
ことを特徴とする車両用の双方向エネルギー変換装置。
【請求項２】
車両発電機と車両蓄電池の間に設置され、
車両発電機の出力電圧を制御するレギュレータ、
前記車両発電機に接続され、発電された電力を整流する整流器、
前記整流器からの電力の伝達先を、補助蓄電池または前記車両蓄電池のいずれかに切り
替える切替器、
前記切替器に接続され、電力を蓄える補助蓄電池、
前記補助蓄電池から前記車両蓄電池の間に設置され、その間の電力の伝達を行うＤＣイ
ンバータ、
車両の状態に応じて、前記レギュレータ、前記整流器、前記補助蓄電池、前記ＤＣイン
バータ、前記車両発電機、前記車両蓄電池及び車両制動部からの情報を受信し、前記レ
ギュレータ、前記整流器、前記補助蓄電池、前記ＤＣインバータ、及び前記車両発電機
を制御する制御部
からなる車両用の双方向エネルギー変換装置であって、
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、前記制御部が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量がフルでないと判定した期間では、前記制御部が、前記車両発電機からの電力を、前記整流器を経由して前記補助蓄電池へ、更に必要な場合には前記補助蓄電池から前記ＤＣインバータを経由して前記車両蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
ｂ．電力移行期間、すなわち、前記制御部が、車両の走行状態が定速状態または停止状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、前記制御部が前記補助蓄電池の電力を、前記ＤＣインバータを経由して前記車両蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
ｄ．車両蓄電池充電期間、すなわち、前記制御部が、上記のいずれでもないと判定した期間では、前記制御部が、前記車両発電機からの電力を、前記整流器を経由して、前記切替器において、直接、前記車両蓄電池の方へ切り替えて、前記車両蓄電池へ充電するよう制御する、
ことを特徴とする車両用の双方向エネルギー変換装置。
【請求項３】
請求項１から請求項２のいずれかに記載の車両用双方向エネルギー変換装置であって、前記補助蓄電池として、瞬間的なエネルギーを効率よく蓄積可能な蓄電池を用いたことを特徴とする車両用双方向エネルギー変換装置。
【請求項４】
請求項１から請求項２のいずれかに記載の車両用双方向エネルギー変換装置であって、前記制御部が、前記車両制動部からのブレーキ信号、及び前記車両発電機のロータコイルから前記レギュレータを経由した前記車両発電機の回転数情報を受け取り、車両の走行状態を、前記ブレーキ信号、前記車両発電機の回転数、及び前記回転数の増減を検出することで行い、その判定においては、
ａ）前記車両発電機の回転数が規定値以上であり、前記車両発電機の回転数が長期に増加し、かつ、前記ブレーキ信号がオフである状態を加速状態、
ｂ）前記車両発電機の回転数が規定値以上であり、かつ、前記ブレーキ信号がオンである状態を減速状態、
ｃ）前記車両発電機の回転数が規定値未満である状態を停止状態、
ｄ）その他の状態を定速状態、
とすることを特徴とする、車両用双方向エネルギー変換装置。
【請求項５】
請求項１から請求項２のいずれかに記載の車両用双方向エネルギー変換装置であって、更に、加速度センサを備え、かつ、前記制御部が、前記車両制動部からのブレーキ信号、及び前記車両発電機のロータコイルから前記レギュレータを経由した前記車両発電機の回転数情報を受け取り、車両の走行状態を、前記加速度センサ、前記車両発電機の回転数、及び、前記ブレーキ信号を検出することで行い、その判定においては、
ａ）前記車両発電機の回転数が規定値以上であり、前記加速度センサが加速を検知し、かつ、ブレーキ信号がオフである状態を加速状態、
ｂ１）前記車両発電機の回転数が規定値以上であり、かつ、前記ブレーキ信号がオンである状態を減速状態、
ｂ２）前記車両発電機の回転数が規定値以上であり、前記加速度センサが減速を検知し、かつ、前記ブレーキ信号がオフである状態も減速状態、
ｃ）前記車両発電機の回転数が規定値未満であり、前記加速度センサが定速を検知し、かつ、前記ブレーキ信号がオフである状態を停止状態、
ｄ）その他の状態を定速状態、
とすることを特徴とする、車両用双方向エネルギー変換装置。
【請求項６】
少なくとも、ロータコイル、ステータコイルからなる車両発電機、レギュレータ、整流器、及び制御部からなり、発電された電力を車両蓄電池に充電する車両用発電制御装置であって、前記制御部が、前記車両発電機の発電電圧のピークのタイミングに同期して、前記車両発電機の電流を制御し、矩形波に近い交流電流波形を得ることを特徴とする、車両用発電制御装置。
【請求項７】
少なくとも、ロータコイル、ステータコイルからなる車両発電機、レギュレータ、整流器、及び制御部からなり、発電された電力を車両蓄電池に充電する車両用発電制御装置であって、前記制御部が前記レギュレータを経由して前記車両発電機のロータコイルの電流を制御し、発電電圧を前記車両蓄電池の電圧よりも上昇させることを特徴とする、車両用発電制御装置。
【請求項８】
請求項１から請求項２のいずれかに記載の車両用双方向エネルギー変換装置であって、車両発電機が既設の場合に、前記既設車両発電機に付設されている既設のレギュレータ及びレクティファイアを除去し、前記既設車両発電機のロータコイルと本装置のレギュレータを接続し、前記レクティファイア部分をコネクタと置き換えて本装置と接続することを特徴とする、車両用双方向エネルギー変換装置。
【請求項９】
車両発電機と車両蓄電池の間に設置され、
前記車両発電機から前記車両蓄電池への電力経路に接続され、前記車両発電機または前
記車両蓄電池からの電力の供給を受ける第１のＤＣインバータ、
前記第１のＤＣインバータからの電力を蓄える補助蓄電池、
前記補助蓄電池から出力された電力を、車両本体に供給する第２のＤＣインバータ、
前記第１のＤＣインバータ、前記補助蓄電池、前記第２のＤＣインバータ、前記車両発
電機及び前記車両蓄電池からの情報を受信し、前記第１のＤＣインバータ、及び前記第
２のＤＣインバータを制御する制御部
からなる車両用の双方向エネルギー変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の車両用双方向エネルギー変換装置であって、
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、前記制御部が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量がフルでなく、かつ、前記車両蓄電池の電圧が充電規定値以上と判定した期間では、前記制御部が、前記第１のＤＣインバータを作動させて、前記車両発電機からの電力を、前記補助蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
e．電力補助期間、すなわち、前記制御部が、車両の走行状態が減速状態以外（定速・停止または加速状態）であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量が規定値以上であり、更に前記車両蓄電池の電圧が給電規定値未満と判定した期間では、前記制御部が前記補助蓄電池の電力を、前記第２のＤＣインバータを経由して、車両本体に供給するよう制御し、
ｆ．スタンバイ期間、すなわち、前記制御部が、上記のいずれでもないと判定した期間では、前記制御部が、前記第１のＤＣインバータ及び前記第２のＤＣインバータのどちらも作動させないように制御する
ことを特徴とする車両用の双方向エネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のエンジンのハイブリッド化、特に現在使用中の車両への適用を容易にした、双方向エネルギー変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、自動車などの内燃機関搭載装置（以下車両と呼ぶ）の省エネルギー化は、世界レベルでの急務であり、内燃機関（エンジン）のハイブリッド化などによるエネルギー削減を行っており、既に自動車メーカーからハイブリッドエンジン付きの車両も販売されている。
【０００３】
しかしながらハイブリッドエンジン付きの新車は高価であり、既存の車の再利用については論議されていない。既存の車をハイブリッド化するには、エンジンそのものを乗せ変えるなど大がかりな改造が必要となり、新規でハイブリッド車を購入するのと同程度の費用が必要となる。
【０００４】
また、現在のハイブリッド車両の構造は複雑であり、エネルギー吸収・消費の効率も高いとは言えず、また、高価な電装品も必要とされるため、それらの改善も望まれている。
【０００５】
更に、既存の車両において、加速性能などの走行状態に不満な利用者も多く、その向上も望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２９９５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、車両のハイブリッド化をするに際して、現行車両への適用のコストがかかりすぎることと、現行ハイブリッドの構造が複雑で、エネルギー吸収・消費の効率も高いとは言えず、また、高価な電装品が必要な点である。更に、既存車両の加速性能などの走行状態に不満がある点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するために、本発明に関する双方向エネルギー変換装置は、
車両発電機と車両蓄電池の間に設置され、
車両発電機の出力電圧を制御するレギュレータと、
前記車両発電機に接続され、発電された電力を整流する整流器と、
前記整流器からの電力の伝達先を、補助蓄電池または前記車両蓄電池のいずれかに切り
替える切替器と、
前記切替器に接続され、電力を蓄える補助蓄電池と、
前記補助蓄電池から前記車両蓄電池の間に設置され、その間の電力の伝達を行うＤＣイ
ンバータと、
前記補助蓄電池と前記車両発電機に接続され、前記補助蓄電池からの電力を前記車両発
電機に伝達するＡＣインバータと、
車両の状態に応じて、前記レギュレータ、前記整流器、前記補助蓄電池、前記ＤＣイン
バータ、前記ＡＣインバータ、前記車両発電機、前記車両蓄電池及び車両制動部からの
情報を受信し、前記レギュレータ、前記整流器、前記補助蓄電池、前記ＤＣインバータ
、前記ＡＣインバータ、及び前記車両発電機を制御する制御部
とからなり、
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、前記制御部が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量がフルでないと判定した期間では、前記制御部が、前記車両発電機からの電力を、前記整流器を経由して前記補助蓄電池へ、更に必要な場合には前記補助蓄電池から前記ＤＣインバータを経由して前記車両蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
ｂ．電力移行期間、すなわち、前記制御部が、車両の走行状態が定速状態または停止状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、前記制御部が前記補助蓄電池の電力を、前記ＤＣインバータを経由して前記車両蓄電池へと伝達して充電するよう制御し、
ｃ．駆動補助期間、すなわち、前記制御部が、車両の走行状態が加速状態であり、かつ、前記補助蓄電池の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、前記制御部が、前記補助蓄電池の電力を、前記車両発電機へ放電することにより、前記車両発電機を電動機として機能させて車両の駆動を補助するよう制御し、
ｄ．車両蓄電池充電期間、すなわち、前記制御部が、上記のいずれでもないと判定した期間では、前記制御部が、前記車両発電機からの電力を、前記整流器を経由して、前記切替器において、直接、前記車両蓄電池の方へ切り替えて、前記車両蓄電池へ充電するよう制御する、
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の車両用双方向エネルギー変換装置は、単純な構造で、高価な電装品を必要としないハイブリッドシステムで、かつ、現行車両へ容易に適用できるため、広範に利用でき、エネルギー吸収・消費の効率化を図れるという利点がある。更に、既存車両の加速性能などの走行状態を改善できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の全体関連図。
【図２】第１の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の説明図。
【図３】第１の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の回路図。
【図４】第１の実施の形態に関する各期間の判定方法の説明図。
【図５】第１の実施の形態に関する走行状態の第１の判定方法の説明図。
【図６】第１の実施の形態に関する走行状態の第２の判定方法の説明図。
【図７】第１の実施の形態に関する車両発電機のロータ制御の概略図。
【図８】第１の実施の形態に関する車両発電機のロータ制御の従来例の説明図。
【図９】第１の実施の形態に関する車両発電機のロータ制御の本発明の説明図。
【図１０】第２の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の説明図。
【図１１】第２の実施の形態に関する各期間の判定方法の説明図。
【図１２】第２の実施の形態に関する変形例の説明図。
【図１３】第３の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の説明図。
【図１４】第３の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の回路図。
【図１５】第３の実施の形態に関する各期間の判定方法の説明図。
【図１６】第３の実施の形態に関する走行状態の第１の判定方法の説明図。
【図１７】第３の実施の形態に関する走行状態の第２の判定方法の説明図。
【図１８】第３の実施の形態に関する走行状態の第２の判定方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〈第1の実施の形態〉  
図１は、第1の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の全体関連図である。車両１００に設けられた内燃機関１０１が発生する運動エネルギーは、運動エネルギー伝達装置１０２を介して、駆動輪１０３を駆動し、一方、車両発電機１１を動作させ、車両１００に必要な発電を行い、その電力は車両蓄電池１２に蓄えられる。
【００１２】
ここで、双方向エネルギー変換装置１０は、車両発電機１１と車両蓄電池１２の間に設けられる。また、車両制動部１３からのブレーキ信号が双方向エネルギー変換装置１０に送られ、種々の制御に用いられる。
【００１３】
図２は、第1の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の説明図であり、図３は、第1の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の回路図である。部分の名称及び番号は共通として説明する。
【００１４】
この双方向エネルギー変換装置は、レギュレータ１４、整流器１５、切替器１６、補助蓄電池１７、ＤＣインバータ１８、ＡＣインバータ１９、及び制御部２０から構成される。
【００１５】
各部の機能は、
レギュレータ１４は、車両発電機１１の出力電圧を制御する。
整流器１５は、車両発電機１１に接続され、発電された電力を交流から直流に整流する。
切替器１６は、整流器１５からの電力の伝達先を、補助蓄電池１７または車両蓄電池１２のいずれかに切り替える。
補助蓄電池１７は、切替器１６に接続され電力を蓄える。
ＤＣインバータ１８は、補助蓄電池１７から車両蓄電池１２の間に設置され、その間の電力の伝達を行う。
ＡＣインバータ１９は、補助蓄電池１７と車両発電機１１に接続され、補助蓄電池１７からの電力を車両発電機１１に伝達する。
制御部２０は、車両の状態に応じて、レギュレータ１４、整流器１５、補助蓄電池１７、ＤＣインバータ１８、ＡＣインバータ１９、車両発電機１１、車両蓄電池１２及び車両制動部１３からの情報を受信し、レギュレータ１４、ＤＣインバータ１８、ＡＣインバータ１９、及び車両発電機１１を制御する。
【００１６】
図４は、第１の実施の形態に関する各期間の判定方法の説明図である。本発明の双方向エネルギー変換装置の動作は、その各期間毎につぎのようになる。
【００１７】
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、制御部２０が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量がフルでないと判定した期間では、制御部２０が、車両発電機１１からの電力を、整流器１５を経由して補助蓄電池１７へ、更に必要な場合には補助蓄電池１７からＤＣインバータ１８を経由して車両蓄電池１２へと伝達して充電するよう制御する。
【００１８】
ここで、車両蓄電池１２の他に補助蓄電池１７を設けたことで、エネルギーを効率的に保持できる。すなわち、一般的に、車両蓄電池１２には鉛蓄電池を用いているが、一般的に常に満の状態であるから、減速エネルギーを吸収できない。減速のエネルギーを蓄えるための専用の蓄電池として、補助蓄電池１７を用いる。補助蓄電池１７として、例えば、コンデンサー、二次電池等のいずれか１種またはそれらの組み合わせを用いることで、瞬間的なエネルギーを効率よく蓄積することができる。また、補助蓄電池１７から車両蓄電池１２へは、安定した電圧、電流が供給でき、発電の効率を上げることができる。なお、補助蓄電池１７としては、
１）発電機の最大放出エネルギーを効率よく蓄えるため、内部インピーダンスが小さい。
２）発電機の放出するエネルギーを最大限蓄えるため、耐圧が大きい。
３）充放電の繰り返し周期に対しても十分な耐力を有する。
ことが望ましい。
【００１９】
なお、必要な場合に補助蓄電池１７から車両蓄電池１２へ充電するが、その条件は、制御部２０が、車両蓄電池１２の電圧をチェックし、概ね、車両蓄電池１２の定格電圧以下に下がった場合である。
【００２０】
ｂ．電力移行期間、すなわち、制御部２０が、車両の走行状態が定速状態または停止状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量が規定値（例えばフル蓄電の場合の１０％）以上と判定した期間では、制御部２０が補助蓄電池１７の電力を、ＤＣインバータ１８を経由して車両蓄電池１２へと伝達して充電するよう制御する。なお、図示しない車両側の制御部によって、車両蓄電池１２へ充電せずに、直接、車両で使用する電力として消費させることも可能である。
【００２１】
これは、補助蓄電池１７に十分な蓄電量があるときは、補助蓄電池１７から車両蓄電池１２へ電力を移行させることで、車両発電機１１の負荷を低減させ、効率がよく低燃費で快適な走行を実現できる。ただし、補助蓄電池１７の蓄電量の規定値や、補助蓄電池１７の蓄電量をどこまで放出するかは、車両の状態やこれまでの運動特性の傾向などに基づいて決定される。
【００２２】
ｃ．駆動補助期間、すなわち、制御部２０が、車両の走行状態が加速状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、制御部２０が、補助蓄電池１７の電力を、ＡＣインバータ１９を経由して車両発電機１１へ放電することにより、車両発電機１１を電動機として機能させて車両の駆動を補助するよう制御する。
【００２３】
これは、車両が最も走行のためのエネルギーを必要とする加速時に、補助蓄電池１７または車両蓄電池１２への充電を行わず、逆に補助蓄電池１７から車両発電機１１への放電を行うことで、車両の駆動の補助を行い、省エネルギーと加速性能の向上などの快適な走行状態を実現するものである。なお、車両発電機１２への放電による駆動補助を実行中に、ブレーキ信号を検知した場合は、制御部２０が、強制的に車両発電機への放電を停止するよう制御するのが望ましい。このようにすれば、装置制御が異常に陥った場合の、危険を防止することができる。
【００２４】
ｄ．車両蓄電池充電期間、すなわち、制御部２０が、上記のいずれでもないと判定した期間では、制御部２０が、車両発電機１１からの電力を、整流器１５を経由して、切替器１６において、直接、車両蓄電池１２の方へ切り替えて、車両蓄電池１２へ充電するよう制御する。（ただし、車両蓄電池１２が飽和状態の場合は充電は行わない。）
【００２５】
更に細かく説明すると、車両の走行状態が減速状態で、補助蓄電池１７の蓄電量がフルの場合は、補助蓄電池１７への充電はできないため、直接、車両蓄電池１２へ充電する。（ただし、車両蓄電池１２が飽和状態の場合は充電は行わない。）
【００２６】
また、車両の走行状態が定速状態または停止状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量が規定値未満の場合にも、補助蓄電池１７は、将来の減速時のために、その状態を維持しておくことが望ましいため、補助蓄電池１７への蓄電ではなく、車両蓄電池１２への充電を行う。（ただし、車両蓄電池１２が飽和状態の場合は充電は行わない。）
【００２７】
同様に、車両の走行状態が加速状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量が規定値未満の場合も、補助蓄電池１７は、将来の減速時のために、その状態を維持しておくことが望ましいため、補助蓄電池１７への蓄電ではなく、車両蓄電池１２への充電を行う。（ただし、車両蓄電池１２が飽和状態の場合は充電は行わない。）
【００２８】
この実施の形態において、車両の走行状態は、車両に内蔵されたＥＣＵより情報を得ることができる。その他、一般に、走行状態が、加速・減速・定速・停止であることを判断できるいかなる情報を用いてもよい。ただし、ＥＣＵを用いた場合、本発明の装置が複雑になり、広く利用できないことから、ＥＣＵからの情報を使用しない次のような方法を考案した。
【００２９】
車両の走行状態は、
車両制動部１３からのブレーキ信号
車両発電機１１の回転数とその増減
加速度センサ
を要求に応じて組み合わせて用いることとした。
【００３０】
図５は、第１の実施の形態に関する走行状態の第１の判定方法の説明図である。その第１の判定方法は、車両制動部１３からのブレーキ信号と車両発電機１１の回転数のレベルと車両発電機１１の回転数の増減によるものである。
【００３１】
制御部２０が、車両制動部１３からのブレーキ信号、及び車両発電機１１のロータコイル２１からレギュレータ１４を経由した車両発電機１１の回転数情報、もしくは、ステータコイルの整流器後電圧波形の変化による車両発電機１１の回転数情報を受け取り、車両の走行状態を、車両制動部１３からのブレーキ信号、車両発電機１１の回転数、及びその回転数の増減を検出することで行い、その判定は次のように行われる。
【００３２】
ａ）車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、車両発電機１１の回転数が長期に増加し、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオフである状態を加速状態、
ｂ）車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオンである状態を減速状態、
ｃ）車両発電機１１の回転数が規定値未満である状態を停止状態、
ｄ）その他の状態、具体的には、車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、車両発電機１１の回転数の増減が、長期の増加以外の場合（一定、一時的な増加、一時的な減少、長期の減少のいずれか）で、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオフの場合を定速状態とする。これは、車両制動部１３からのブレーキ信号が検知されないことから減速状態ではなく、また、回転数の増加が継続しないことから加速状態でもないと判定するものである。
【００３３】
なお、ここで、車両発電機の回転数の規定値とは、例えばアイドリング回転数の１．２倍程度とするのがよい。また、長期の増加、減少とは、例えば、１秒以上継続するもの、一時的な増加、減少とは１秒未満のものとするのがよいが、それらの数値は種々の条件により変化しうるものである。
【００３４】
車両発電機１１の回転数及びその増減の検知は、車両発電機１１のロータコイル２１の電流波形の変化もしくは、ステータコイルの整流器後電圧波形の変化を検出することで行う。車両発電機１１のロータコイル２１は、車両発電機１１のステーターコイル２３と接近離反を繰り返しているため、ロータコイル２１に電流の変化が生じる。この情報は、電流値が一定でないため、電流値の微分をとり、周期的に出力される同一の微分値をパルスとして認識する。これを回転数情報として取得する。また、ステータコイルの整流器後電圧波形の変化を検出する場合には、整流波形の尖塔電圧の周期を見て回転数情報として取得する。
【００３５】
次に、図６は、第１の実施の形態に関する走行状態の第２の判定方法の説明図である。、第２の判定方法として、図示しない加速度センサを用いるものがある。加速度センサは、車両本体または、双方向エネルギー変換装置の内部に設置され、制御部２０へ検知結果の信号を伝達する。
【００３６】
加速度センサを用いることで、回転数の微分値を把握する必要がなく、制御系が安定することや、坂道等の回転数が一定の際も、加減速が把握可能であるという利点がある。加速度センサは、車両の進行の、左右方向には反応せず、前後方向のみ反応するように設置するか、補正することが望ましい。
【００３７】
加速度センサ、車両発電機１１の回転数及び車両制動部１３からのブレーキ信号の組み合わせにより、車両の走行状態が得られる。その判定は、次のように行われる。
【００３８】
ａ）車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、加速度センサが加速を検知し、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオフである状態を加速状態、
ｂ１）車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオンである状態を減速状態、
ｂ２）車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、加速度センサが減速を検知し、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオフである状態も、減速状態、
ｃ）車両発電機１１の回転数が規定値以上であり、加速度センサが定速を検知し、かつ、車両制動部１３からのブレーキ信号がオフである状態を定速状態、
ｄ）その他の状態（車両発電機１１の回転数が規定値未満の状態）を停止状態、
と判定するものである。
【００３９】
ここでは、第１の方法と比べると、車両制動部１３からのブレーキ信号がオフでも、加速度センサが減速を検知した場合には、明確に減速とわかることから、減速状態と判定したことである。  なお、第２の方法における車両発電機１１の回転数の規定値は、第１の方法の場合と同一である。
【００４０】
図７は、第１の実施の形態に関する車両発電機のロータコイル電圧同期制御の説明図である。
【００４１】
細実線の波形（一般発電電圧）は、整流器１５の入力電圧の変化を示している。点線の波形（ロータコイル電流）は、ロータコイル２１を制御する電流である。ロータコイル２１の電流を増減させることによって、車両発電機１１のステータコイル２３側の交流出力電圧を増減することができる。太実線の波形（力率改善電圧）は、点線の波形のようにロータコイル２１の電流を変化させた場合に、細実線の整流器１５の入力電圧が増減した結果を示したものである。サイン波形がつぶれ、力率が改善したのが判る。
【００４２】
図８は、車両発電機のロータ制御の従来例の説明図である。
【００４３】
車両発電機１１のロータ側の回転は、車両の走行状態によって変動が大きいため、図８の太線で示すように、整流器１５の入力電圧は、電圧値・周波数ともに大きく変動する。それを抑えるために、図８の細線で示すようにロータコイル２１の電流を抑える制御を行うのが一般的である。  しかしながら、制御は、車両蓄電池１２の電圧を基準に制御しているため、制御周期が遅く、発電波形に非同期である。
【００４４】
図９は、車両発電機のロータ制御の本発明の説明図である。
【００４５】
本発明は、図９の太線で示すような車両発電機１１の出力電圧を交流波形として観察し、その出力波形が矩形波に近くなるように図９の細線で示すようにロータコイル２１の電流を同期制御し、その結果、電圧が高い、すなわちステータコイル２３の磁気変動率が大きい時には、ロータコイル２１の電流を落とし、ステータコイル２３の磁気変動が小さくなるにつれ、ロータコイル２１の電流を増やすことで、結果的に、ステータコイル２３への磁気変化を極力一定とするものである。
【００４６】
また、車両発電機１１は三相発電機であるため、この制御により回転軸にかかる負荷変動が小さくなり、車両への振動低減や、回転安定に寄与することが可能となる。
【００４７】
なお、図７から図９における図中の数値は、発明の理解を容易にするためのもので、この数値に限定されるものではない。
【００４８】
また、第１の実施の形態において、電力移行及び駆動補助を効率的に行うために、補助蓄電池１７の定格電圧を、車両蓄電池１２の定格電圧より、高めに設定する。例えば、一般乗用車において車両蓄電池１２の定格電圧が１２Ｖの場合に、補助蓄電池１７の定格電圧を１８Ｖ程度とするように、概ね、１．２〜２倍程度、好ましくは１．５倍程度とする。この値は、車両発電機の能力及び車両の実働回転数特性等により、定めるのが良い。
【００４９】
補助蓄電池１７の定格電圧は、補助蓄電池１７を構成する要素の数の増減によって、容易に変更することが可能である。ここで、車両発電機１１の出力電圧は、ロータコイル２１の電流を変化させることによって制御可能であるため、補助蓄電池１７の定格電圧に見合う出力電圧で発電することで、制御回路の簡略化と車両からのエネルギー吸収の効率を向上することができる。
【００５０】
また、補助蓄電池１７の電圧が、車両蓄電池１２の電圧より高いことにより、補助蓄電池１７から車両蓄電池１２への充電も降圧回路となり、複雑な昇圧回路を介さずに行うことができる。
【００５１】
更に、制御部２０が、補助蓄電池１７の蓄電電圧を車両蓄電池１３の電圧よりも高め、ＡＣインバータ１９を制御することで、車両発電機１１を電動機として機能させる場合には、ステータコイル２３に印加する電圧を高めることにより、電動機としての能力を最大限引き出すことが可能となり、駆動補助を高出力で行うことが可能となる。このため、車両の加速性能の向上が実現される。
【００５２】
本発明の双方向エネルギー変換装置を既存車両へ装着する場合には、次のように実現する。
【００５３】
本発明の実施の形態においては、車両発電機は、レクティファイア及びレギュレータを含まないものと想定しているが、既存の車両発電機であって、レクティファイア、レギュレータのいずれかまたは両方を内蔵している場合は、最小限の改造で可能とする。
【００５４】
すなわち、        
ａ）車両発電機内蔵のレクティファイアを取り外し、同形状のコネクタを取付け、双方向エネルギー変換装置の整流器１５及びＡＣインバータ１９と接続する。
ｂ）車両発電機内蔵のレギュレータを取り外し、ロータコイル２１と本装置のレギュレータ１４を接続する。
ｃ）車両制動部１３と、本装置の制御部２０を接続する。ブレーキ信号を得るため。
ｄ）車両蓄電池１２と、本装置の制御部２０を接続する。車両蓄電池１２の電圧を知るため。
【００５５】
これによって、既存の車両にも極めて簡便に搭載することが可能となり、幅広く省エネルギー車両が実現できる。
【００５６】
〈第２の実施の形態〉
図１０は、第２の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の説明図である。
【００５７】
本発明の第１の実施の形態では、発電機を駆動補助のために用いることでＡＣインバータが必要であるが、装置が複雑になり小型の車両ではあまり有効ではない。この実施の形態は、小型の車両向けに、減速時のエネルギーを出来るだけ回収し、その他の期間は、車両の蓄電池のエネルギー状態を一定にするよう、補助蓄電池からエネルギーを移行する簡略な双方向エネルギー変換装置である。
【００５８】
第２の実施の形態は、レギュレータ１４、整流器１５、切替器１６、補助蓄電池１７、ＤＣインバータ１８、及び制御部２０から構成される。
【００５９】
その各部の機能は、
レギュレータ１４は、車両発電機１１の出力電圧を制御する。
整流器１５は、車両発電機１１に接続され、発電された電力を交流から直流に整流する。
切替器１６は、整流器１５からの電力の伝達先を、補助蓄電池１７または車両蓄電池１２のいずれかに切り替える。
補助蓄電池１７は、切替器１６に接続され電力を蓄える。
ＤＣインバータ１８は、補助蓄電池１７から車両蓄電池１２の間に設置され、その間の電力の伝達を行う。
制御部２０は、車両の状態に応じて、レギュレータ１４、整流器１５、補助蓄電池１７、ＤＣインバータ１８、車両発電機１１及び車両蓄電池１２からの情報、及び車両本体からの車両制動部１３からのブレーキ信号を受信し、レギュレータ１４、整流器１５、補助蓄電池１７、ＤＣインバータ１８、及び車両発電機１１を制御する。
【００６０】
図１１は、第２の実施の形態に関する各期間の判定方法の説明図である。
【００６１】
本発明の双方向エネルギー変換装置の動作は、その各期間毎に、
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、制御部２０が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量がフルでないと判定した期間では、制御部２０が、車両発電機１１からの電力を、整流器１５を経由して補助蓄電池１７へ、更に必要な場合には補助蓄電池１７からＤＣインバータ１８を経由して車両蓄電池１２へと伝達して充電するよう制御する。
ｂ．電力移行期間、すなわち、制御部２０が、車両の走行状態が定速状態または停止状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量が規定値以上と判定した期間では、制御部２０が補助蓄電池１７の電力を、ＤＣインバータ１８を経由して車両蓄電池１２へと伝達して充電するよう制御する。
ｄ．車両蓄電池充電期間、すなわち、制御部２０が、上記のいずれでもないと判定した期間では、制御部２０が、車両発電機１１からの電力を、整流器１５を経由して、切替器１６において、直接、車両蓄電池１２の方へ切り替えて、車両蓄電池１２へ充電するよう制御する。（ただし、車両蓄電池１２が飽和状態の場合は充電は行わない。）
【００６２】
すなわち、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態におけるＡＣインバータ及びそれに関連する部分がなく、従って、駆動補助の期間もなくその期間も車両蓄電池充電期間となる点のみが相違している。それ以外の説明は、既存機への搭載なども含めて、全て第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。なお、図１２は、この実施の形態の変形例であり、この実施の形態における整流器１５を削除して、既設の車両発電機１１のレクティファイア１５ａを残して、整流の機能として用いることも可能である。このようにすると、更に既存車両への搭載が容易になる。
【００６３】
なお、第１の実施の形態、第２の実施の形態ともに、特に、車両発電機の出力電圧の制御にかかる部分については、内燃機関を持たない軽車両（例えば自転車など）にも応用が可能であり、発電効率や走行性能の向上の効果がある。更に、蓄電池による電動アシスト機能付きの自転車に付加すれば、蓄電池への充電周期の長期化などの効果が得られる。
【００６４】
〈第３の実施の形態〉
図１３は、第３の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の説明図であり、図１４は、第３の実施の形態に関する双方向エネルギー変換装置の回路図である。部分の名称及び番号は共通として説明する。
【００６５】
本発明の第１及び第２の実施の形態では、機能は十分発揮されるものの、既存の車両に実装するためには、ある程度の専門技術を要する。この第３の実施の形態においては、既存の車両への装備を更に簡便にした双方向エネルギー変換装置１０ａを提供する。
【００６６】
第３の実施の形態における、双方向エネルギー変換装置１０ａは、既存車両に搭載されている、ロータコイル２１、ステータコイル２３、レギュレータ１４、レクティファイア１５ａなどの機能を含む、拡張された車両発電機１１ａと車両蓄電池１２の間に電気的に接続される。この装置は、第1のＤＣインバータ１８ａ、補助蓄電池１７、第２のＤＣインバータ１８ｂ、及び制御部２０から構成される。
【００６７】
その各部の機能は、
第１のＤＣインバータ１８ａは、車両発電機１１ａから車両蓄電池１２への電力経路に接続され、必要に応じて、車両発電機１１ａまたは車両蓄電池１２からの電力の供給を受けて、電圧変換をして、補助蓄電池１７へと伝達する。
補助蓄電池１７は、第１のＤＣインバータ１８ａからの電力を蓄え、また、必要に応じて、第２のＤＣインバータ１８ｂへと蓄えた電力を出力する。
第２のＤＣインバータ１８ｂは、必要に応じて、補助蓄電池１７から出力された電力を、車両に供給し、車両においては、その電力を使用したり、車両蓄電池１２に蓄えたりする。
制御部２０は、車両の状態に応じて、第１のＤＣインバータ１８ａ、補助蓄電池１７、第２のＤＣインバータ１８ｂ、車両発電機１１ａ及び車両蓄電池１２からの情報、及び車両本体の車両制動部１３からのブレーキ信号を受信し、第１のＤＣインバータ１８ａ、及び第２のＤＣインバータ１８ｂを制御する。
【００６８】
図１５は、第３の実施の形態に関する各期間の判定方法の説明図である。本発明の双方向エネルギー変換装置の動作は、その各期間毎に次のようになる。
【００６９】
ａ．補助蓄電池蓄電期間、すなわち、制御部２０が車両の走行状態が減速状態であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量がフルでなく、かつ、車両蓄電池１２の電圧が充電規定値（例えば、車両蓄電池１２の定格である１２Ｖ）以上と判定した期間では、制御部２０が、第１のＤＣインバータ１８ａを作動させて、車両発電機１１からの電力を、補助蓄電池１７へと伝達して充電するよう制御する。この場合、第２のＤＣインバータ１８ｂは作動させない。
【００７０】
e．電力補助期間、すなわち、制御部２０が、車両の走行状態が減速状態以外（定速・停止または加速状態）であり、かつ、補助蓄電池１７の蓄電量が規定値（（例えばフル蓄電の場合の１０％）以上であり、更に車両蓄電池１２の電圧が給電規定値（例えば、車両蓄電池１２の定格電圧が１２Ｖの場合には、それよりやや高めの１４Ｖ程度）未満と判定した期間では、制御部２０が補助蓄電池１７の電力を、第２のＤＣインバータ１８ｂを経由して、車両蓄電池１２に伝達し充電させる。この場合、第１のＤＣインバータ１８ａは、作動させない。なお、図示しない車両本体側の制御部によって、車両蓄電池１２に充電せずに、直接、車両にて消費することもあり得る。
【００７１】
ｆ．スタンバイ期間、すなわち、制御部２０が、上記のいずれでもないと判定した期間では、制御部２０が、第１のＤＣインバータ１８ａ及び第２のＤＣインバータ１８ｂのどちらも作動させず、補助蓄電池１７への蓄電、または補助蓄電池１７からの放電は行われず、車両本体側の動作に影響はない。
【００７２】
なお、各期間における電圧の設定は例示であり、その趣旨の範囲内で変更され得るものとする。
また、第１及び第２のＤＣインバータ１８ａ、１８ｂには、周知の、出力電圧制限機能（所定の電圧以上になると電流を抑え、電圧を一定にする機能）、出力電流制限機能（電圧が設定値にならない場合の最大電流を制限する機能）が備えられており、更に、第２のＤＣインバータ１８ｂには、周知の昇圧回路を備えており、これらにより、充電及び供給（放電）の必要な機能を実現し、また、車両本体への悪影響を与えないようにしている。
【００７３】
図１６、図１７及び図１８は、第３の実施の形態に関する走行状態の判定方法の説明図である。第１及び第２の実施の形態に関して用いられた走行状態の判定方法を用いることは可能であるが、より簡便に双方向エネルギー変換装置を実現するために、更に簡便な判定方法を考案した。
【００７４】
１つの方法としては、図１６に示すように、車両制動部１３からのブレーキ信号のみによって、ブレーキ信号がオンの場合は減速状態、ブレーキ信号がオフの場合は、加速状態、または、定速及び停止状態と判定する。
【００７５】
ここで、図１５において、加速状態と、定速及び停止状態とでは、その対応が同一であるため、この判定でも一定の効果が期待できる。すなわち、ブレーキ信号オン時の、補助蓄電池１７への充電による効率的なエネルギーの回収、及びブレーキ信号オフ時の、補助蓄電池１７から車両蓄電池１２への充電による、車両発電機１１の消費エネルギーの減少による負荷の低減の効果が得られる。
【００７６】
別の方法として、図１７に示すように、図示しない加速度センサーからの加速度検知信号のみにより、加速度センサーが減速を検知した場合は減速状態、定速を検知した場合は定速及び停止状態、加速を検知した場合は加速状態と判定する。なお、加速度センサーの設置については第１の実施の形態で説明した方法と同じとする。この場合には、ブレーキ信号を用いないため、車両制動部１３との結線が不要となる利点がある。
【００７７】
更に別の方法として、図１８のように、ブレーキ信号と加速度センサーを併用する方法もある。少し構成が複雑になるが、例えば、下り坂でブレーキ信号がオンの場合には、加速度センサーが加速を検知しても、加速状態と判定せず減速状態と判定するような、きめ細かな、より効率的な判定が可能となる。
【００７８】
これらの３つの判定方法については、第１の実施の形態及び第２の実施の形態においても、簡略な方法として適用が可能であり、一方、第１の実施の形態において説明した、車両発電機の回転数、及び、回転数の増減を取り入れた判定の方法を、第３の実施の形態に適用してもよい。
【００７９】
なお、第３の実施の形態においては、双方向エネルギー変換装置１０ａと既存の車両との電気的な接続は、車両蓄電池１２及び必要に応じて車両制動部１３に接続するのみでよく、極めて簡便に装着が可能であり、しかも、車両発電機１１の消費エネルギーの減少による負荷の低減の効果が得られるという効果がある。
【符号の説明】
【００８０】
１０  双方向エネルギー変換装置  
１１  車両発電機
１２  車両蓄電池
１３  車両制動部
１４  レギュレータ
１５  整流器
１６  切替器
１７  補助蓄電池
１８  ＤＣインバータ
１９  ＡＣインバータ
２０  制御部
２１  ロータコイル
２２  コネクタ
２３  ステータコイル
【図７】
2011201441.tif 000003
【図１】
2011201441.tif 000004
【図２】
2011201441.tif 000005
【図３】
2011201441.tif 000006
【図４】
2011201441.tif 000007
【図５】
2011201441.tif 000008
【図６】
2011201441.tif 000009
【図８】
2011201441.tif 000010
【図９】
2011201441.tif 000011
【図１０】
2011201441.tif 000012
【図１１】
2011201441.tif 000013
【図１２】
2011201441.tif 000014
【図１３】
2011201441.tif 000015
【図１４】
2011201441.tif 000016
【図１５】
2011201441.tif 000017
【図１６】
2011201441.tif 000018
【図１７】
2011201441.tif 000019
【図１８】
2011201441.tif 000020