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1. (WO1993017890) DISPOSITIF DE FREINAGE ET DE PRODUCTION DE PUISSANCE AUXILIAIRE DESTINE A UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
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明 細書

内燃機関の制動および補助動力装置

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】

本発明は、内燃機関を制動するときに発生する機械的ェネルギを電気的ェネル ギに変換して蓄積し、内燃機関を加速するときに蓄積された電気的エネルギを補 助加速装置に供給して機械的エネルギを発生させる装置に利用する。本発明は、 内燃機関の回転軸に回転かご形多相誘導機を連結し、そのかご形多相誘導機を制 動時には発電機として作用させ、加速時には電動機として作用させる装置に利用 する。本発明は、 H I M Rの名称で本願出願人が販売している補助加速および補 助制動装置を備えた自動車に搭載するに適する装置である。

【従来の技術】

本願出願人は、国際公表公報 WO 8 8 X 0 6 1 7 (国際出願番号 P C TZ J P X O 0 1 5 7 ) に自動車の電気制動および補助加速装置を開示した。この装置は 第 12図に示すように、内燃機関 1にその回転子部が直結されたかご形多相誘導機 2と、蓄電手段としての二次電池回路 3と、この二次電池回路 3の直流電圧をか ご形多相誘導機 2の軸回転速度より低い回転速度の回転磁界を誘起するのに適合 した周波数の交流電圧に変換して、これをかご形多相誘導機 2に与え、またかご 形多相誘導機 2からの交流電力を直流電力に変換するィンバータ回路 4と、この ィンバータ回路 4の交流側電圧の周波数を設定する制御信号を生成するィンバー タ制御回路 5とを備える。このィンバータ制御回路 5には自動車の運転に応じて 運転者により制御指令を発生する手段を含む。

また、かご型多相誘導機 2には回転センサ 6が取付けられていて、この回転セ ンサ 6からの信号はィンバータ制御回路 5に与えられ、さらに二次電池の充電状 態に関する二次電池回路 3からの情報が入力する。

ィンバ一タ回路 4の出力側にはコンデンサ 7および半導体スィツチ回路 1 2が 接続さ この半導体スィッチ回路 1 2を介して抵抗器 1 1が接続される。この 抵抗器 1 1は自動車に大きい制動が行われ回生することができないほどの過剰な 電気エネルギが発生したときに、これを消散させるように構成されている。

さらに、二次電池回路 3および半導体スィツチ回路 1 2にはィンバ一タ回路 4 の出力電圧を検出する検出回路 1 3が接続され、抵抗器 1 1には電の変ィ匕を検 出する電流検出器 1 5が備えられる。この電流検出回路 1 5にはその検出信号に したがって半導体スィツチ回路 1 2を制御するスィツチ制御回路 1 4が接続され る。このスィツチ制御回路 1 4には検出回路 1 3が接続される。

この装置は自動車に搭載して、自動車の制動時には制動により発生するエネル ギを電気工ネリレギとして回収して蓄電し、自動車の加速時にはその蓄電された電 気エネルギを機械エネルギに変換して、車軸駆動用の内燃機関に補助動力を与え るものである。

すなわち、インバータを制御する制御回路は、かご形多相誘導機を内燃機関の 補助動力装置とする加速モードではかご形多相誘導機に内燃機閲の回転速度を越 える速度の回転磁界を与え、かご形多相誘導機を内燃機関の制動装置とする減速 モードではかご形多相誘導機に内燃機関の回転速度を下回る速度の回転磁界を与 えるようにそのインバータ回路を制御する。またインバータ回路は、加速モード では蓄電手段に蓄積された電気工ネルギの直流出力をかご形多相誘導機に多相交 流出力として与え、減速モードではかご形多相誘導機の多相交流出力エネルギを 直流出力として蓄電手段に与える。 · このような従来装置では、上記蓄電手段は蓄電池である。すなわちィンバータ の直流側の定格電圧は 2 0 0〜3 0 0 Vであり、この定格電圧を有する蓄電池を 自動車用の鉛蓄電池を多数直列接続して利用する構造である。

出願人は上記装置について実用的な装置を設計製作し、主として市街地を運行 する定期バスとして試験的に採用され多くの試験を行うことができた。

【発明が解決しょうとする課題】

この試験の結果から、上記装置は制動時に発生するエネルギを単純に放散させ ることなく、有効に回収利用することができるきわめて有用な装置であり、将来 は大型自動車に限らず広く乗用車や小型貨物自動車にも実施できる本質的に優れ た性能があることがわかってきた。しかし、大型の鉛蓄電池を実用的な自動車に 搭載することになると、

〇 体積的にかなり大きくなる……具体的には 2 4 Vの鉛蓄電池を 1 0個または それ以上を直列に接続して利用することになるから容積が 0 . 2〜0. 4 m2 程 度になる、

〇 車体重量が増大する……具体的には 2 0 0〜 3 0 0 k gになる、

〇 2 0 0 Vを越える電圧で数十アンペアの直流電力を取り出すには人体に対し て相応の安全設備を設けた実装構造を装備しなければならない……具体的には開 閉扉を設けた堅固な箱の中に実装し、扉を開レ、たときに回路が自動的に遮断する ような安全設備が必要である、

〇 鉛蓄電池は化学反応を伴う装置であるから一定の条件で電解液の量を観測し てその比重を測定し電解液の補充や補充充電を行うなどの保守が必要である…… 保守の作業工数が大きくなるとともに自家用車への適用はむつかしくなる、 〇 その保守に便利な構造とするために 1箇所に集中的に配置しなければならな い……小型自動車ではそのためのスペースがとれない、

〇 電池の内部抵抗によるエネルギ損失がある……制動時に回収したェネルギが 加速時に効率的に利用できない、

〇 通常の動作状態で現在の蓄電容量がどれだけであるかを自動制御に利用でき る程度に電気的に正確に検出できない……電解液の比重を測定することにより現 在の蓄電容量をかなり正確に知ることはできるが、単純な電流計や電圧計による 計測では温度変化があると上記内部抵抗が変化して必ずしも十分な正確度がなく 、それをリアルタィムな制御情報として利用できる形態にならない、

などの課題があることがわかつた。

上記課題を解決するものとして本発明を提案し試験を実施するに至ったもので ある。すなわち本発明は上記各課題を解決し、エネルギの利用効率のよいこの原 理を小型自動車にも広く実施することができるような装置を提供することを目的 とする。

【課題を解決するための手段】

本発明は、蓄電手段として静電容量回路を利用することを特徵とする。さらに 具体的には前記静電容量回路は、単位コンデンサを複数個電気的に直列接続した 直列回路をさらに複数電気的に並列接続して構成することができる。複数の単位 コンデンザの直列並列接続により実現することができるから、その複数の単位ご とに自動車の各部に分散配置する構造とすることができる。

さらに単位コンデンサの具体的な実現例として、市販されている電気二重層コ ンデンサを利用すると、この電気二重層コンデンサは電子回路のバックァップ用 に広く利用されているものであって、耐圧 2 V、静電容量 5 0 O F (ファラッ ド)程度のものが得られる。これを 1 5 0個直列接続して耐圧 3 0 Q Vとし、そ れをさらに 6回路並列接続することにより静電容量 2 0 F程度のものが得られる。 さらにこの静電容量回路に昇圧降圧変換器を介して前記ィンバータ回路の直流 端子電圧より低い端子電圧の蓄電を接続し、その昇圧降圧変換器は前記制御回 路により制御される構成とすることができる。

このとき、御回路の制御モードとして、内燃機関の停止状態で前記静電容量 回路に前記蓄電池のエネルギを昇圧降圧変換器により昇圧変換して充電させる初 期充電モードと、内燃機関の始動時に前記静電容量回路に蓄電されたエネルギを 前記ィンバータ回路を介して Ι ¾かご形多相誘導機に交流電流として与え前記か ご形多相誘導機を電動機として作動させる始動モードと、自動車の制動時に前記 かご形多相誘導機を発電機として作動させ前記かご形多相誘導機の出力交流電流 を前記ィンバ一タ回路を介して前記静電容量回路に充電電流として供給する減速 モードと、自動車の加速時に前記かご形多相誘導機を電動機として作動させ前記 静電容量回路に蓄電されたエネルギを前記ィンバータ回路を介して前記かご形多 :交流電流として供給する加速モードとを含む構成とすることができる。 さらにこの制御モードには、前記各制御モードに加えて、内燃機関の暖機運転 中に前記かご形多相誘導機を発電機として作動させ前記かご形多相誘導機の出力 交流電流を前記ィンバータ回路を介して前記静電容量回路に充電電流として供給 する暖機モードと、内燃機関の運転中に前記静電容量回路の端子電圧が所定値以 下に低下したときに前記かご形多相誘導機を発電機として作動させ前記かご形多 相誘導機の出力交流電流を前記ィンバ一タ回路を介して前記静電容量回路に充電 電流として供給する補充充電モ一ドとを含む構成とすることができる。

前記低い端子電圧の蓄電池は前記自動車の標準電気装備の定格品とすることが 望ましい。

別の構成として、前記静電容量回路に双方向 D C · D Cコンバータを介して前 記ィンバータ回路の直流端子電圧より低い端子電圧の蓄電池を接続し、その双方 向 D C · D Cコンバータにはそのスィツチング素子を開閉制御してエネルギの伝 達方向を制御するコンバータ制御回路を含む構成とすることができる。

前記蓄電池の一端となる低電圧側の共通電位と、前記静電容量回路の一端とな る高電圧側の共通電位とは切り離し、ィンバ一タ制御回路の共通電位は前記高電 圧側の共通電位に接続され、ィンバータ制御回路の制御入力点にホトカブラを含 む共通電位分離回路を備える構成とすることがよい。

前記低電圧側の共通電位は内燃機関あるいは自動車の電位に接続させることが よい。

前記コンバータ制御回路はその制御モードとして、前記静電容量回路に前記蓄 電池のエネルギを前記 D C · D Cコンバータにより変換して充電させる初期充電 モードと、前記静電容量回路の端子電圧が所定値を越えるときにその静電容量回 路の蓄電エネルギを前記 D C♦ D Cコンバータにより変換して前記蓄電池に充電 させる電池充電モ一ドを含むことがよ、。

前記ィンバータ回路、前記ィンバータ制御回路および前記静電容量回路は電気 絶緑体により包まれ、車体電位に接続された金属容器に収容された構造とするこ とが望ましい。

【作用】

この具体的な実現例の場合について、耐圧 3 0 0 Vであるからこれを定格電圧 2 0 0 Vで利用すると、定格充電電荷量は、

2 0 0 V X 2 0 F = 4 0 0 0クーロン(=アンペア秒)

である。現在試験中のインバータを利用すると、

4 0 0 0クーロン Z 1 6 0アンペア = 2 5秒 ·

となり、最大電圧 2 0 0 Vで最大電流 1 6 O A程度の電力に対して 2 5秒程度の 了シストが可能であることを示す。運転は最大定格で連続的に行われることはな いから、通常の動作状態で連続的に数十秒間の減速または加速があつても有効に 作用する装置が得られることになる。

上述の例示のものについて、耐圧 2 V、静電容量 5 0 O Fの単位コンデンサを 用い、これを 1 5 0個直列接続して耐圧 3 0 0 Vとし、それをさらに 6回路並列 接続することにより静電容量 2 0 F程度のものを得ると、単位コンデンザの数は 約 9 0 0個であり、現実的な大きさとして 1箇所に集中すると日本間のたたみ 1 畳分の大きさになる。そしてその重量は鉛蓄電池の数分の 1になる。静電容量回 路を用いる場合には、保守を行う必要がないから、全体としてどのような大きさ になろうとこれを自動車の各部に分散配置して電線で結合する構造とすることが できる。また、を行う必要がないから、静電容量回路自体を堅固な絶縁構造 の中に密封して人体への安全を確保することができる。また静電容量回路には本 質的に内部抵抗はないから、蓄電エネルギの損失はなくエネルギの有効利用がは かれる。さらに静電容量回路の蓄電電荷の量は単純に解放時の端子電圧に!:'ヒ例す るから、電圧検出により正確かつリアルタィムに蓄電量を知ることができこれを 直接に制御に利用することができる。

ところでこのような装置で試験を行うと、この装置を長時間使用しなかった場 合に、静電容量回路の電荷が自己放電してしまうことがある。またこの装置を製 造して最初に使用するときにも、静電容量回路には電荷が蓄電されていないから 同様である。静電容量回路にほとんど電荷が蓄電されていない状態では、この内 燃機関を始動させることもできないことがある。

これを解決するために、蓄電手段としてィンバ一タ回路の直流側に直結された 静電容量回路と、同じくその直流側に昇圧降圧変換器を介して接続されたその直 流側電圧より低い電圧の蓄電池とを設けることにした。

そうすると、装置の製造直後ある、は装置を長時間使用しなかつた状態で静電 容量回路に蓄電電荷がほとんどな、状態のときにも、この装置を搭载した自動車 には蓄電池(端子電圧 2 4 Vまたは 1 2 V) が搭載されていて、この蓄電池のェ ネルギを利用することができる。

初期充電モードでは、この蓄電池の端子電圧を昇圧降圧変換器を利用して高い ノ、つレス状の電圧を発生させて、静電容量回路にある程度の電荷を蓄電させる。 始動モードでは、この初期充電モードで蓄電された電荷を利用してかご形多相 誘導機を電動機として作動させて内燃機関を始動させる。

内燃機関が自力回転するようになると、かご形多相誘導機から電力を取り出し 静電容量回路にさらに電荷を蓄電させる。これは望ましくは暖気運転モードとし て特別の制御を行うことがよい。この暖気運転モードで静電容量回路は定格端子 電圧に達する。

ここで自動車は走行可能な状態となり、加速モードでは静電容量回路に蓄電さ れた電荷を放出してかご形多相誘導機を補助動力とし、また減速モードではかご 形誘導機から発生する電気エネルギを静電容量回路に蓄電させる。

加速モードを利用しすぎて静電容量回路の蓄電電荷量が規定値より小さくなつ た場合には、制御モードを補充充電モードとしてかご形多相誘導機を発電^とし て作動させて、内燃機関が回転して!;、る状態ではつねに静電容量回路の蓄電電荷 量を規定値以上に維持することができる。

低 (/、端子電圧の蓄電池は、この装置では静電容量回路に十分の蓄電電荷がある 状態のときに、昇圧降圧変換器を制御して低い電圧を発生させ、充電状態に維持 することができるようになつている。蓄電池の充電はかならずしもこの方法によ らなくとも、内燃機関に従来から装備されているオルタネータを利用して充電す ることも可能である。

このようにオルタネ一タを利用する構成では、上述した昇圧降圧変換器を単純 な昇圧変換器とすることができ、その場合には昇圧変換器として従来から電源装 置としてよく知られた D C · D Cコンバータを利用することができる。

次に、双方向 D C · D Cコンバータを利用する場合について説明すると、初期 充電モードでは、この蓄電池の端子電圧を双方向 D C · D Cコンバータを利用し て高電圧を発生させて、静電容量回路にある程度の電荷を蓄電させる。始動モー ドでは、この初期充電モードで蓄電された電荷を利用してかご形多相誘導機を電 動機として作動させて内燃機関を始動させる。内燃機関が自力回転するようにな ると、かご形多相誘導機から電力を取り出し静電容量回路にさらに電荷を蓄電さ せる。これは望ましくは暖気運転モードとして特別の制御を行うことがよい。こ の暖気運転モードで静電容量回路は定格端子電圧に達する。

ここで自動車は走行可能な状態となり、加速モ一ドでは静電容量回路に蓄電さ れた電荷を放出してかご形多相誘導機を補助動力とし、また減速モードではかご 形多相誘導機から発生する電気工ネルギを静電容量回路に蓄電させる。

加速モ一ドを利用しすぎて静電容量回路の蓄電電荷量が規定値より小さくなつ た場合には、制御モードを補助充電モードとしてかご形多相誘導機を発電機とし て作動させて、内燃機関が回転している状態ではつねに静電容量回路の蓄電電荷 量を規定値以上に維持することができる。

ィンバ一タ制御回路は、この装置では静電容量回路に十分な蓄電電荷がある状 態のときに、双方向 D C · D Cコンバータを制御して低電圧を発生させて充電し、 蓄電池を定常的に充電状態に維持することができる。

本発明の装置では共通電位を高電圧側と低電圧側で分離することができる。す なわち、低電圧側は自動車の一般复荷回路と共通であり、共通電位を自動車の車 体電位に接続する。すなわち本発明の装置は双方向 D C · D Cコンバータのトラ ンスにより低電圧側と高電圧側の共通電位を分離することが可能になる。高電圧 側は共通電位を車体に接続せずに車体電位からフロート状態とする。したがって 、かりに何らかの原因により高電圧側回路に人体が触れることがあっても、直ち に感電する状態にはならずに危険を回避することができる。

インバータ制御回路に導入されるセンサ入力、操作入力その他制御入力は、共 通電位分離回路により共通電位が分離されて、信号はホトカプラにより伝達され る。したがってィンバータ制御回路の共通電位はィンバータの共通電位に接続す ることができる。

【図面の簡単な説明】

第 1図は本発明第一実施例の構成を示すプロック図。

第 2図は本発明第一実施例における静電容量回路の構成例を示す図。

第 3図は本発明第二実施例の全体構成を示すブ口ック図。

第 4図は本発明第二実施例における昇圧降圧変換器およびィンバ一タ回路の構 成を示すブロック図。

第 5図および第 6図は本発明第二および第三実施例におけるィンバータ制御回 路の制御動作の流れを示す流れ図。

第 Ί図は本発明第二および第三実施例における静電容量回路の充放電の制御の 流れを示す図。

第 8図は本発明第三実施例に係わる全体構成を示すプロック図。

第 9図は本発明第三実施例の構成を示す電気系統のプロック図。

第 10図は本発明第三実施例における双方向 D C · D Cコンバータの構成を示す 回路図。

第 11図(a ) は本発明第三実施例における入力用共通電位分離回路の構成を示 す回路図、同(b ) は出力用共通電位分離回路の構成を示す回路図。

第 12図は従来例の構成を示すプロック図。

【図面符号の説明】

1…内燃、機関、 2…かご形多相誘導機、 3…二次電池回路、 4…インバータ回 路、 5…インバータ制御回路、 6…回転センサ、 7…コンデンサ、 1 1…抵抗器、 1 2 ···半導体スィッチ回路、 1 3…検出回路、 1 4…スィッチ制御回路、 1 5— 電流検出器、 1 9…双方向 D C · D Cコンバータ

2 0…静電容量回路、 2 1…昇圧降圧変換器、 2 2…蓄電池、 2 4…コンバータ 制御回路、 2 5…入力用共通電位分離回路、 2 5 a、 2 6 a…ホト力ブラ、 2 6 …出力用共通電位分離回路、 2 5 b、 2 6 b…フィルタ、 2 6 c…リレー、 2 6 d…スィッチ、 2 6 e…ダイオード、 2 6 f …抵抗器、 3 0 ···金属容器、 3 1 a、 3 1 b…低圧側端子、 3 1 c、 3 1 d…高圧側端子、 3 2…低圧側巻線、 3 3 ··· 高圧側巻線、 3 5…トランス、 D a、 D b…低圧側整流素子、 D c、 D d…高 圧側整流素子、 T a、 T b…低圧側スイッチング素子、 T c、 T d…高圧側スィ ツチング素子、 V …低圧側電圧検出回路、 V 2…高圧側電圧検出回路、 I 1— 低圧側電流検出回路、 I 2…高圧側電流検出回路。

【難例】

次に、本発明実施例を図面に基づいて説明する。第 1図は本発明第一実施例の 構成を示すプロック図である。

第一実施例装置は、蓄電手段として本発明の特徵とするところの静電容量回路 2 0を備え、その他に従来例同様に、内燃機関 1にその回転子部が直結されたか ご形多相誘導機 2と、静電容量回路 2 0の直流電圧をかご形多相誘導機 2の軸回 転速度より低いまたは高い回転速度の回転磁界を誘起するのに適合した周の 交流電圧に変換して、これをかご形多相誘導機 2に与え、またかご形多相誘導機 2からの交流電力を直流電力に変換するィンバータ回路 4と、このィンバ一タ回 路 4の交流側電圧の周波数を設定する制御信号を生成するィンバ一タ制御回路 5 とを備える。このィンバータ制御回路 5には自動車の運転に応じて運転者により 制御指令を発生する手段を含む。

また、かご形多相誘導機 2には回転センサ 6が取付けられていて、この回転セ ンサ 6からの信号はィンバ一タ制御回路 5に与えられ、さらに静電容量回路 2 0 の充電状態に闋する情報が入力する

ィンバータ回路 4の出力側にはコンデンサ 7および半導体スィツチ回路 1 2が 接続され、この^ ¾体スィツチ回路 1 2を介して抵抗器 1 1が接続される。この 抵抗器 1 1は自動車に大きい制動が行われ回生することができないほどの過剰な 電気工ネルギが発生したときに、これを消散させる。

さらに、静電容量回路 2 0および半導体スィツチ回路 1 2にはィンバータ回路 4の出力電圧を検出する検出回路 1 3が接続され、抵抗器 1 1には電流の変化を 検出する電流検出器 1 5が備えられる。この電流検出器 1 5にはその検出信号に したがって半導体スィツチ回路 1 2を制御するスィツチ制御回路 1 4が接続され る。このスィッチ制御回路 1 4には検出回路 1 3が接続される。

また、インバータ制御回路 4には、かご形多相誘導機 2を内燃機関 1の補助動 力装置とする加速モードではかご形多相誘導機 2に内燃機関 1の回転速度を越え る速度の回転磁界を与え、かご形多相誘導機 2を内燃機関 1の制動装置とする減 速モードではかご形多相誘導機 2に内燃機関 1の回転速度を下回る速度の回転磁 界を与えるよ όにィンバータ回路 4を制御する手段を含み、ィンバ一タ回路 4に は、前記加速モードでは静電容量回路 2 0に蓄積された電気工ネルギの直流出力 をかご形多相誘導機 2に多相交流出力として与え、減速モードではかご形多相誘 導機の多相交流出力エネルギを直流出力として静電容量回路 2 0に与える回路手 段を含む。

静電容量回路 2 0は、図 2にその一例を示すように、同一の静電容量 ( 5 0 0 F、 2 V) を有する 1 5 0個の単位コンデンサ C , 、 C 2 、…。。が電気的に 直列に接続された直列回路がさらに 6列に並列接続され、合計 9 0 0個のコンデ ンサが配置される。

さらに、これらのコンデンサそれぞれには、同一の抵抗値を有する抵抗 R , 、 R 2 、 R 3 、一1^ 1 5。を並列に接続するとともに、それぞれを直列に 6列接続し て配置する。

前述のように抵抗を配置するのは、各コンデンザが規格上同一の静電容量を有 するものであっても、製造上の許容差があるために、わずかながらばらつきがあ り、各コンデンサに発生する端子電圧に差が生じる。これを防ぐために製造上ば らつきの少ない抵抗を各コンデンサ毎に並列に接続して発生する端子電圧をでき

るだけ一様にするために行われるものである。量産が行われてコンデンザの製造 ばらつきが小さくなつたときには、この抵抗 R , 、 R 2 、 R 3 〜R 1 5。をなくす ことができる。

この例では、前述のようにコンデンサおよび抵抗をそれぞれ 9 0 0個使用する が、これを平面上に配列した場合には畳一枚程度の面積 ( 9 0 O mm x 1 8 0 0 mm) および体積(厚さ 4 5 mm) を有するものになる。ただしコンデンサおよ び抵抗の列群を電気的に接続した状態で車内の利用されていない空間に分散配置 ' することが可能なために、行動空間を狭くすることはなく、かつ従来用いられて いたバッテリの重量と比較した場合に極めて軽量にすることができる。

前述の例ではコンデンサおよび抵抗を 9 0 0個としたが、これは必ずしも限定 されるものではなく、各車種に応じて任意に設定することができる。

ここで具体的な一例を示すと、市販されている電気二重層コンデンザの場合、 耐圧 2 V、静電容量 5 0 0 Fであり、これを 1 5 0個直列接続すると耐圧 3 0 0 Vとなり、さらに 6回路並列接続すると静電容量は 2 O F程度となる。

耐圧 3 0 0 Vであるからこれを定格電圧 2 0 0 Vで利用すると、定格充電電荷 は、

2 0 0 V x 2 0 F = 4 0 0 0クーロン(=了ンペア秒)

となり、現用のィンバータによれば最大電流は 1 6 O A程度であるので、

4 0 0 0クーロン Z 1 6 0アンペア = 2 5秒

となり、最大電圧 2 0 0 Vで最大電流 1 6 0 Aの電力に対し 2 5秒程度は捕助動 力を与えることができる。

次に、このように構成された本発明実施例の動作について説明する。

まず、制動力を回転系に発生する場合には、インバータ制御回路 5は回転セン サ 6で検出されるかご形多相誘導機 2の回転子部の回転速度より小さい速度の回 転磁界をかご形多相誘導機 2の固定子部に与えるように制御信号を発生する。こ のとき、かご形多相誘導機 2は発電機として動作し、発電された電気工ネルギは ィンバータ回路 4により直流エネルギに変換されて、静電容量回路 2 0に充電電

流として供給される。ブレーキトルクが大きく、静電容量回路 2 0がこの直流ェ ネルギを吸収しきれないときには、直流端子電圧が所定値を越えて上昇し、半導 体スィツチ回路 1 2がこれを検出して静電容量回路 2 0の端子に抵抗器 1 1を接 続するように閉成する。

一方、駆動力を回転系に付与する場合には、インバータ制御回路 5は回転セン サ 6で検出されるかご形多相誘導機 2の回転子部の回転速度より大きい速度の回 転磁界をかご形多相誘導機 2の固定子部に与えるように制御信号を発生する。こ のときには、静電容量回路 2 0から直流電流が取り出され、ィンバータ回路 4に より回転磁界に相応の多相交流に変換されて、かご形多相誘導機 2に供給される

ここで、回転磁界の回転速度と軸回転速度との差が大きいほど、ブレーキトル クおよび駆動力は大きい。この実施例では、この差と回転磁界の回転速度との比 率、すなわちかご形多相誘導機 2のすべりが最大土 1 0 %の範囲になるように設 定される。

次に、静電容量回路 2 0への充電制御について説明する。ィンバ一タ回路 4に はかご形多相誘導機 2の固定子にその回転子の回転に対応する回転磁界を与える ための制御信号がィンバータ制御回路 5から供給されている。このィンバータ制 御回路 5には回転センサ 6からの回転情報が入力し、また静電容量回路 2 0の充 電状態に関する情報が入力する。このィンバータ制御回路 5にはマイクロプロセ ッサを含む。またこのインバータ制御回路 5には、運転者の操作により運転状況 により変化する操作制御信号を取り込む手段を含む。

ィンバータ回路 4は上記のように直流側端子のエネルギを交流側端子に与える とともに、交流側端子に発生するエネルギを直流側端子に与えることができる。 さらに、ィンバータ制御回路 5の制御によりかご形多相誘導機 2が電動機となる ように回転磁界の回転速度を制御して、かご形多相誘導機 2の回転軸に駆動力を 与え、内燃機関 1の補助駆動装置として動作させることができる。このときには 、静電容量回路 2 0に充電された電気工ネルギが用いられる。

静電容量回路 2 0への充電は、内燃機関に連結された発電機により、その内燃 機関が回転しているかぎり継続され、始動電動機の運転または各種の艤装装置の 運転により充電工ネルギが使用されると可能なかぎり短時間に定格充電容量レ、つ ぱいの充電状態に達するように制御される。

第 3図は本発明第二実施例の全体構成を示すプロック図、第 4図は本発明第二 実施例における昇圧降圧変換器およびィンバータ回路の構成を示すブロック図で あ o

第 3図に示す第二実施例は、その特徵として、インバータ回路 4の直流側に直 結された静電容量回路 2 0と、その静電容量回路 2 0に昇圧降圧変換器 2 1を介 して接続されィンバータ回路 4の直流端子電圧より低い端子電圧の蓄電池 2 2と を含み、昇圧降圧変換器 2 1はィンバータ制御回路 5により制御される。

第 4図はこの第二実施例の構成を電気系統を主体にして示す図である。同一の 構成要素には同一の符号が付されているので同様に理解することができるから、 詳しい説明は省略する。

ィンバータ制御回路 5の制御モードは、内燃機関 1の停止状態で静電容量回路 2 0に蓄電池 2 2のエネルギを昇圧降圧変換器 2 1により昇圧変換して充電させ る 充電モードと、内燃機関 1の始動時に静電容量回路 2 0に蓄電されたエネ ルギをィンバータ回路 4を介してかご形多相誘導機 2に交流電流として与えかご 形多相誘導機 2を電動機として作動させる始動モードと、自動車の制動時にかご 形多相誘導機 2を発電機として作動させかご形多相誘導機 2の出力交流電流をィ ンバータ回路 4を介して静電容量回路 2 0に充電電流として供給する減速モ一ド と、自動車の加速時にかご形多相誘導機 2を電動機として作動させ静電容量回路 2 0に蓄電されたェネルギをィンバータ回路 4を介してかご形多相誘導機 2に交 流電流として供給する加速モードと、内燃機関 1の暧機運転中にかご形多相誘導 機 2を発電機として作動させかご形多相誘導機 2の出力交流電流をィンバータ回 路 4を介して静電容量回路 2 0に充電電流として供給する暖機モードと、内燃機 関 1の運転中に静電容量回路2 0の端子電圧が所定値以下に低下したときにかご 形多相誘導機 2を発電機として作動させかご形多相誘導機 2の出力交流電流をィ ンバ一タ回路 4を介して静電容量回路 2 0に充電電流として供給する補充充電モ 一ドとを含む。蓄電池 2 2の端子電圧は自動車の標準電気装備の定格電圧に設定 される。静電容量回路 2 0は上記第一実施例で説明したものと同様である。

次に、このように構成された本発明第二実施例の動作について説明する。通常 の動作は上記第一実施例と同様であるので省略し、静電容量回路 2 0への充電制 御について説明する。

ィンバータ回路 4にはかご形多相誘導機 2の固定子にその回転子の回転に対応 する回転磁界を与えるための制御信号がィンバータ制御回路 5から供給されてい る。このインバータ制御回路 5には回転セン 6からの回転情報が入力し、また 静電容量回路 2 0の充電状態に関する情報が入力する。このィンバータ制御回路 5にはマイクロプロセッサを含む。またこのィンバータ制御回路 5には、運転者 の操作により運転状況により変化する操作制御信号を取り込む手段を含む。

ィンバータ回路 4は上記のように直流側端子のェネルギを交流側端子に与える とともに、交流側端子に発生するェネルギを直流側端子に与えることができる。 さらに、ィンバータ制御回路 5の制御によりかご形多相誘導機 2が電動機となる ように回転磁界の回転速度を制御して、かご形多相誘導機 2の回転軸に駆動力を 与え、内燃機関 1の補助駆動装置として動作させることができる。このときには 、静電容量回路 2 0に充電された電気工ネルギが用いられる。

静電容量回路 2 0への充電は、内燃機関 1に連結された発電機により、その内 燃機関 1が回転しているかぎり継続され、始動電動機の運転または各種の艤装装 置の運転により充電エネルギが使用されると可能なかぎり短時間に定格充電容量 いっぱいの充電状態に達するように制御される。

次に、本発明実施例における静電容量回路 2 0の充放電制御について説明する。 第 5図および第 6図はこの第二実施例の動作モードを説明する図である。第 4 図は第二実施例における静電容量回路の充放電の制御の流れを示す図である。 装置の製造直後あるヽは装置を長時間使用しなかつた状態で静電容量回路 2 0 に蓄電電荷がほとんどない状態のときには、初期充電モードが選択され昇圧降圧 変換器 2 1の昇圧チヨッパにより最低電圧 1 5 0 Vまで充電される(第 7図①、 これは第 5図および第 6図も同一の符号が付されている)。始動モードが選択さ れこの電圧により内燃機関 1の起動が行われると電圧は約 1 0 0 Vまで低下する

(②) o

内燃機関 1が起動し暖機運転状態になると暖気モードが選択され;かご形多相 誘導機 2が発電を開始し静電容量回路 2 0に電荷が蓄電され定格電圧の 3 5 0 V に達する(③)。これにより自動車は走行可能状態となり、加速モードが選択さ れて静電容量回路 2 0に蓄電された電荷を放出し、あるいは減速モードが選択さ れてかご形多相誘導機 2を補助動力として走行が行われる(④⑤) o

このとき、加速モードが長く用いられると電圧は低下するが、約 2 3 0 Vに設 定された最低限界電圧を下回るときには加速モードの選択が禁止される。最低限 界電圧に達すると制御モードは補充充電モードに切換わり、かご形多相誘導機 2 を発電機として作動させて静電容量回路 2 0をゆるやかに充電する(⑥)。この ように内燃機関 1が回転している状態では、つねに静電容量回路 2 0の蓄電電荷 量を規定値以上に維持する。以降同様の制御が繰り返される。

第 5図および第 6図にしたがって、手順を追って説明する。キースィッチが 0 N状態に設定されると、静電容量回路 2 0のコンデンサ電圧 Vcが 1 5 0 V以上 あるか否かを判断し、 1 5 0 V以下であれば初期充電モード①を選択し昇圧チョ ッパを作動させて充電を行う。 1 5 0 V以上であれば昇圧チヨツバの動作を停止 し、内燃機関 1の回転速度 NEが 3 5 0 r p mを超えているか否かを判断 tる。

3 5 0 r p mを超えていなければ、キ一スィツチスタートの接断を判断し、内 燃機関 1が起動状態にあれば再度その回転速度 N E が 3 5 0 r p mを超えている か否かの判断処理に戻す。内燃機関 1が起動状態になければキースィツチを投入 しクランキングを行わせ内燃機関 1の回転速度 NEが 3 5ひ r p mを超えている か否かの判断に処理を戻す。

この判断で内燃機関 1の回転速度 NEが 3 5 0 r p mを超えていれば、キ一ス ィツチ投入によるクランキング動作を停止し、暖機運転状態で暖機充電モード③ を選択する。次いで、昇圧降圧変換器 2 1のコンデンサ電圧 V。が 2 3 0 Vを超 えているか否かを判断し、 2 3 0 V以下であれば補充充電モード⑦を選択してか ご形多相誘導機 2を発電機として動作させ、コンデンサ電圧 V c が 3 5 0 Vを超 えているか否かを判断する。超えていなければ補充充電モード⑦の発電動作に戻 り 3 5 0 Vに達するまで繰返す。 3 5 0 Vを超えていればかご形多相誘導機 2に よる発電を停止する。

続いて、アクセル電圧がアシスト開始電圧以上であるか否かを判断し、アシス ト開始電圧以上であればさらにその電圧 V c が 2 0 0 Vを超えているか否かを判 断する。 2 0 0 Vを超えていなければアクセル電圧がアシスト開始電圧以上であ るか否かの判断処理に制御を戻し、超えていれば駆動補助モードを選択できる状 態になる。駆動補助モードでは静電容量回路 2 0に蓄電されたェネルギをィンバ ータ回路 4を介してかご形多相誘導機 2にアシスト電圧を付加し駆動補助のため の補助トルクを与える。以降同様の制御を繰り返す。

アクセル電圧がアシスト開始電圧以下であれば、そのアクセル電圧がアイドル 電圧であるか否かを判断し、アイドル電圧でなければ、その電圧 V c が 1 5 0 V 以下であるか否かを判断する。

1 5 0 V以上であればアクセル電圧がアシスト開始電圧以上であるか否かの判 断処理に制御を戻す。 1 5 0 V以下であれば補充充電モードを選択し、コンデン サ電圧 V c が 2 3 0 Vを超えているか否かを判断し、超えていなければアクセル 電圧がアシスト開始電圧以上であるか否かの判断処理に制御を戻す。 3 0 Vを 超えて、ればかご形多相誘導機 2による発電を停止する。

アクセル電圧がアイドル電圧であると判断された場合は、かご形多相誘導機 2 のスィツチが O N状態にあるか否かを判断し、〇N状態であれば補充充電モード を選択し、コンデンサ電圧 V c が回生停止電圧 4 0 0 Vを超えているか否かを判 断する。超えていればその電圧を超えないように制御し前述の処理動作を繰り返 す。また、超えていなければかご形多相誘導機 2の操作レバー位置をコンデンサ 電流 を満たす位置に設定し、以降は前述の処理動作を繰り返す。

かご形多相誘導機 2のスィツチが〇N状態になければ、内燃機関 1の回転速度 NEが 7 0 0 r p inを超えているか否かを判断し、超えていれば補充充電を行い 、コンデンサ電圧 Vcが 4 0 0 V以下であるか否かを判断し、 4 0 0 V以下であ れば発電を停止し、 4 0 0 Vを超えていればアクセル電圧がアシスト開始電圧以 上であるか否かの判断処理に制御を戻し、以降前述同様の処理動作を繰り返す。

内燃、機関 1の回転速度 N Eが 7 0 0 r P m以下であれば、アイドル発電モード ⑥に切り換え、コンデンサ電圧 V cが 2 3 0 V以上であるか否かを判断し、 2 3 0 V以下であれば制御をもとに戻し、超えていればかご形多相誘導機 2による発 電を停止する。

次に、本発明第三実施例を説明する。第8図はこの第三実施例の全体構成を示 すブ ック図、第 9図は第三実施例の構成を示す電気系統のブロック図、第 10図 は本発明実施例における双方向 D C · D Cコンバータの構成を示す回路図、第 11 図 (a ) は本発明実施例における入力用共通電位分離回路の構成を示す回路図、 第 11図(b ) は出力用共通電位分離回路の構成を示す回路図である。

この第三実施例は第 8図または第 9図に示すように、ィンバータ回路 4の直流 側に直結された高電圧の静電容量回路 2 0と、自動車の一般電気装備の定格電圧 に等しい低電圧の蓄電池 2 2と、静電容量回路 2 0と蓄電池 2 との間に接続さ れた双方向 D C · D Cコンバ一タ 1 9とを含む蓄電手段を備え、双方向 D C · D Cコンバータ 1 9にはそのスイッチング素子を開閉制御してエネルギの伝達方向 を制御する図 4に示すコンバ一タ制御回路 2 4を含む。

蓄電池 2 2の一端となる低電圧側の共通電位と、静電容量回路 2 0の一端とな る高電圧側の共通電位とは切り離され、ィンバ一タ制御回路 5の共通電位は高電 圧側の共通電位に接続され、ィンバ一タ制御回路 5の制御入力点にホトカブラ 2

5 aを会む入力用共通電位分離回路 2 5を備え、その制御出力点にホトカブラ 2

6 aを含む出力用共通電位分離回路 2 6を備え、低電圧側の共通電位は自動車の 車体電位に接続される。

また、コンバータ制御回路 2 4はその制御モードとして、静電容量回路 2 0に 蓄電池 2 2のエネルギを双方向 D C · D Cコンバータ 1 9により変換して充電さ せる初期充電モードと、静電容量回路 2 0の端子電圧が所定値を越えるときにそ の静電容量回路 2 0の蓄電エネルギを双方向 D C · D Cコンバータ 1 9により変 換して蓄電池 2 2に充電させる電池充電モードを含み、ィンバータ制御回路 5は その制御モードとして、静電容量回路 2 0に蓄電されたェネルギをィンバータ回 路 4を介してかご形多相誘導機 2に交流電流として与えかご形多相誘導機 2を電 動機として作動させる始動モードと、自動車の制動時にかご形多相誘導機 2を発 電機として作動させかご形多相誘導機 2の出力交流電流をィンバータ回路 4を介 して静電容量回路 2 0に充電電流として供給する減速モードと、自動車の加速時 にかご形多相誘導機 2を電動機として作動させ静電容量回路 2 0に蓄電されたェ ネルギをィンバータ回路 4を介してかご形多相誘導機 2に交流電流として供給す る加速モードと、始動モードにつづき内燃機関 1の暖機運転中にかご形多相誘導 機 2を発電機として作動させかご形多相誘導機の出力交流電流をィンバータ回 路 4を介して静電容量回路 2 0に充電電流として供給する暖機モードと、内燃機 関 1の運転中に静電容量回路 2 0の端子電圧が所定値以下に低下したときにかご 形多相誘導機 2を発電機として作動させかご形多相誘導機 2の出力交流電流をィ ンバ一タ回路 4を介して静電容量回路 2 0に充電電流として供給する補充充電モ 一ドとを含み、インバータ回路 4、インバータ制御回路 5および静電容量回路 2 0は電気絶縁体により包まれ、車体電位に接続された金属容器 3 0に収容される

双方向 D C · D Cコンバータ 1 9は、第 10図にその一例を示すように、低圧側 端子 3 1 aおよび 3 1 bと、高圧側端子 3 1 cおよび 3 1 と、低圧側巻線 3 2 および高圧側巻線 3 3を含むトランス 3 5と、低圧側端子 3 1 aおよび 3 1 bと 低圧側巻線 3 2との間に挿入された低圧側スイッチング素子 T aおよび T bと、 高圧側端子 3 1 cおよび 3 1 dと高圧側巻線 3 3との間に挿入された高圧側スィ ッチング素子 T cおよび T dと、低圧側スイッチング素子 T aおよび T bそれそ' れに並列接続された低圧側整流素子 D aおよび D bと、高圧側スィツチング素子 T cおよび T dに並列接続された高圧側整流素子 D cおよび D dと、低圧側スィ ッチング素子 T a、 T bおよび高圧側スイッチング素子 T c、 T dを制御するコ ンバータ制御回路 2 4とを備え、コンバータ制御回路 2 4には、低圧高圧変換モ 一ドでは、低圧側スイツチング素子 T a、 T bに開閉制御信号を与え高圧側スィ ツチング素子 T c人 T dを開放状態に維持させる制御手段と、高圧低圧変換モ一 ドでは、高圧側スィッチング素子 T c、 T dに開閉制御信号を与え低圧側スィッ チング素子 T a、 T bを開放状態に維持させる制御手段と、二つの制御モードの 、ずれかを選択する選択手段とを備える。

また、低圧側端子 3 1 aおよび 3 1 bの端子電圧を検出する低圧側電圧検出回 路 V 1と、高圧側端子 3 1 cおよび 3 1 dの端子電圧を検出する高圧側電圧検出 回路 V 2とを備え、さらに、コンバータ制御回路 2 4には、起動時この二つの 電圧検出回路 V 1および V 2のそれぞれの検出出力を取り込み、この二つの検出 出力をそれぞれの基準値と比較して前記選択手段を自動的に制御する手段を舍み 、低圧側巻線 3 2の電流を検出する低圧側電流検出回路 I 1と、高圧側巻線 3 3 の電流を検出する高圧側電流検出回路 I 2とを備え、さらに、コンバータ制御回 路 2 4には、この二つの電流検出回路 I 1および I 2の検出出力を取り込み、こ の二つの検出出力が前記二つの制御モードのそれぞれの許容範囲にないときに異 常警報出力を送出する手段を備える。

ィンバ一タ制御回路 5の制御入力点に備えられる入力用共通電位分離回路 2 5 は、第 11図 ) にその一例を示すように、各センサあるいは操作信号を入力し、 この信号に重畳されている雑音を除去するフィルタ 2 5 bと、二つの共通電位と を分 ϋ·Τるホトカプラ 2 5 aとを備える。

また、ィンバータ制御回路 5の制御出力点に備えられる出力用共通電位分離回 路 2 6は、第 11図(b ) にその一例を示すように、二つの共通電位を分離するホ トカブラ 2 S aと、外部雑音の逆流を防止するダイオード 2 6 e、抵抗器 2 6 f およびフィルタ 2 6 bとを備え、出力信号はスィツチ 2 6 dを開閉するリレー 2 6 cを介して外部回路に送出される構成となっている。

次に、このように構成された第三実施例の動作についは、その大部分が上記第 二実施例と同様であるので省略する。この第三実施例の独特な点は双方向 D C · D Cコンバータの動作にある。すなわち、第 10図で、低圧高圧変換モードの場合 には、コンバータ制御回路 2 4が低圧側スィツチング素子 T aおよび T bに開閉 制御信号を与え高圧側スイッチング素子 T cおよび T dを開放状態にする。この とき低圧側スィッチング素子 T aおよび T bと並列に接続されている低圧側整流 素子 D aおよび D bは印加される電圧が逆方向となるために作用せず、開放状態 に維持されている高圧側スイッチング素子 T cおよび T dと並列に接続されてい る高圧側整流素子 D cおよび D dは印加される電圧が順方向であるために整流素 子としての動作を行う。

高圧低圧変換モードの場合には、コンバータ制御回路 2 4が高圧側スィッチン グ素子 T cおよび T dに開閉制御信号を与え低圧側スイッチング素子 T aおよび T bを開放状態にする。このとき高圧側スィッチング素子 T cおよび T dと並列 に接続されている高圧側整流素子 D cおよび D dにかかる印加電圧は逆方向にな るために作用しない。開放状態に維持されている低圧側スィツチング素子 T aお よび T bと並列に接続されている低圧側整流素子 D cおよび D dに印加される電 圧は順方向のために整流素子としての動作を行う。

前述したように蓄電手段には、ィンバ一タ回路 4の直流側に直結された高電圧 の静電容量回路 2 0と、一般電気装備の定格電圧に等しい低電圧の蓄電池 2 2と が含まれる。そこで人体に対する危険防止のために、蓄電池 2 2の一端となる低 電圧側の共通電位と静電容量回路 2 0の一端となる高電圧側の共通電位とを双方 向 D C · D Cコンバータおよび第 1 1図(a ) および(b ) に示すインバ一タ制 御回路 5に備えられた入力用共通電位分離回路 2 5および出力用共通電位分離回 路 2 6により分離する。すなわちィンバータ制御回路 5の共通電位を高圧側の共 通電位に接続し、低電圧側の共通電位を自動車の車体電位に接続する。

【発明の效果】

以上説明したように本発明によれば、自動車用電源の軽量化をはかるとともに 、電気工ネルギの利用效率を向上させることができるから、制動および補助動力 装置を小型自動車用に利用することができる。

さらに、静電容量回路が用いられることから保守が不要となり、したがって分 散配置および絶縁構造中への密封が可能となり、人体への安全が確保される。ま た電圧検出によつて正確かつリアルタィムに蓄電量を知ることができるなどの効 果がある。

さらに、電池を併用する場合には静電容量回路に蓄電電荷がほとんどなくなつ た場合でも内燃機関を始動することができ、大型蓄電池の廃止に伴って生じる制 動および補助動力の供給が不適切になることを防止することができるなどの効果 がある。

双方向 D C · D Cコンバータを利用する場合には、双方向 D C♦ D Cコンバ一 タを制御して一般負荷回路用の低電圧を発生させ蓄電池の充電を定常的に維持す ることができ、かつ高電圧側と低電圧側との共通電位を分離して車体電位からフ ロート状態にし、高電圧側に人体が触れることにより感電することを防止するこ とができる効果がある。