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【発明の名称】 電力回生装置
【発明者】 【氏名】佐原 良通
【住所又は居所】静岡県湖西市梅田３９０番地 アスモ株式会社内
【要約】 【課題】本発明の目的は、車両が走行中に受ける走行風により得られる風力エネルギによって電力を発生させることができる電力回生装置を提供することにある。

【解決手段】本発明は、回転電機で発生した電力を回生するための車両用電力回生装置に関する。本発明の電力回生装置１は、車両が走行中に受ける走行風によって回転可能なファン１０と、このファン１０の走行風による回転に伴って電力を発生するファンモータ２０と、このファンモータ２０で発生した電力を回生する電力回生回路３０と、この電力回生回路３０によって回生された電力を蓄積するバッテリ４０と、を備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両が走行中に受ける走行風によって回転可能なファンと、該ファンの走行風による回転に伴って電力を発生する回転電機と、該回転電機で発生した電力を回生する電力回生回路と、該電力回生回路によって回生された電力を蓄積するバッテリと、を備えたことを特徴とする電力回生装置。
【請求項２】 前記ファンは、車両に配設されたラジエータを冷却させるためのラジエータ冷却用ファンで構成され、前記回転電機は、前記ラジエータ冷却用ファンを回転駆動させるために車両に配設されたラジエータ冷却用ファンモータで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力回生装置。
【請求項３】 前記電力回生回路は、前記回転電機と直列に接続されると共に前記回転電機で発生した電圧を昇圧させる昇圧用コイルと、該昇圧用コイルと並列に接続されると共に前記昇圧用コイルに流れる短絡電流のスイッチング動作を行うチョップ部と、該チョップ部をチョッパ制御する制御回路部と、を有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力回生装置。
【請求項４】 前記回転電機は、ブラシレスモータで構成され、前記電力回生回路は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と各スイッチング素子に並列接続された複数のダイオードとからなるインバータ回路部と、前記複数のスイッチング素子に対して、前記ブラシレスモータを回転駆動させるための回転駆動制御信号を出力すると共に前記ブラシレスモータで発生した電力を回生させるための回生制御信号を出力する制御回路部と、を有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力回生装置。
【請求項５】 前記回転電機には、前記バッテリとは別に、前記回転電機に駆動電圧を出力する回転駆動用バッテリが接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電力回生装置。
【請求項６】 前記ファン及び前記回転電機が、それぞれ複数備えられ、複数の前記回転電機は、前記バッテリに直列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力回生装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力回生装置に係り、特に、回転電機で発生した電力を回生するための車両用の電力回生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、電気自動車、ハイブリッド車、内燃機関自動車等の車両には、電力を回生するための電力回生装置が備えられている。この電力回生装置は、車両の駆動軸に連結された回転電機を利用して、車両の制動時における機械的エネルギを電力に変換し、この電力を回生してバッテリを充電させるように構成されている。
【０００３】そして、上記車両では、電力回生装置によって、バッテリを充電させることで、バッテリの消費電力に対する充電電力の電力収支の向上が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の電力回生装置では、バッテリを充電させるために、車両の駆動軸から得られる機械的エネルギが利用されており、車両が走行中に受ける走行風により得られる風力エネルギは利用されていなかった。
【０００５】特に、ラジエータを有する車両には、ラジエータを冷却するためのファン及びファンを回転させるためのファンモータが設けられているが、車両の高速走行時に、ファンモータの電源がオフの状態になってファンが回転していても、ファンの回転により得られる風力エネルギは、電力を発生させるためのエネルギとして利用されていなかった。
【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、車両が走行中に受ける走行風により得られる風力エネルギによって電力を発生させることができる電力回生装置を提供することにある。
【０００７】また、本発明の他の目的は、車両における電力収支を向上させることができる電力回生装置を提供することにある。
【０００８】また、本発明の他の目的は、部品コストを増加させることなく、電力を回生することができる電力回生装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題は、請求項１に記載の電力回生装置によれば、車両が走行中に受ける走行風によって回転可能なファンと、該ファンの走行風による回転に伴って電力を発生する回転電機と、該回転電機で発生した電力を回生する電力回生回路と、該電力回生回路によって回生された電力を蓄積するバッテリとを備えたこと、により解決される。
【００１０】このように、車両が走行中に受ける走行風によって回転可能なファンと、このファンの走行風による回転に伴って電力を発生する回転電機と、を備えていると、車両が走行中に受ける走行風によってファンを回転させることができ、このファンの回転によって回転電機を回転させて電力を発生させることができるので、車両が走行中に受ける走行風により得られる風力エネルギを、電力を発生させるためのエネルギとして利用することができる。
【００１１】また、回転電機で発生した電力を回生する電力回生回路と、この電力回生回路によって回生された電力を蓄積するバッテリと、を備えていると、回転電機で発生した電力が、電力回生回路を介してバッテリに回生されて蓄積されるので、車両における電力収支を向上させることができる。
【００１２】また、請求項１に記載の電力回生装置において、ファンが車両に配設されたラジエータを冷却させるためのラジエータ冷却用ファンで構成され、回転電機がラジエータ冷却用ファンを回転駆動させるために車両に配設されたラジエータ冷却用ファンモータで構成されていると好適である。
【００１３】このように構成すると、車両に備えられた既存のラジエータ冷却用ファンおよびラジエータ冷却用ファンモータと、本電力回生装置のファン及び回転電機とを兼用することができるので、部品コストを増加させることなく、電力を回生させることができる。
【００１４】また、請求項１に記載の電力回生装置において、電力回生回路が、回転電機と直列に接続されると共に回転電機で発生した電圧を昇圧させる昇圧用コイルと、この昇圧用コイルと並列に接続されると共に昇圧用コイルに流れる短絡電流のスイッチング動作を行うチョップ部と、このチョップ部をチョッパ制御する制御回路部と、を有して構成されていると好適である。
【００１５】このように構成すると、回転電機で発生した電圧を昇圧させることができるので、より大きな電力をバッテリに回生させることができる。また、車両が中低速で走行している場合でも、昇圧用コイルを用いて回転電機で発生した電圧を昇圧させることにより、回転電機で発生した電圧をバッテリの出力電圧よりも高く維持することができるので、バッテリに電力を回生させることができる。
【００１６】また、請求項１に記載の電力回生装置において、回転電機がブラシレスモータで構成され、電力回生回路が、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と各スイッチング素子に並列接続された複数のダイオードとからなるインバータ回路部と、複数のスイッチング素子に対して、ブラシレスモータを回転駆動させるための回転駆動制御信号を出力すると共にブラシレスモータで発生した電力を回生させるための回生制御信号を出力する制御回路部と、を有して構成されていると好適である。
【００１７】このように、回転電機がブラシレスモータで構成されると、モータ駆動動作時には、比較的少ない電力でモータ駆動制御を行うことができるので、モータ駆動効率を向上させることができる。
【００１８】また、電力回生回路がインバータ回路部と制御回路部とを備えると、電力を回生するだけでなく、モータの駆動制御を行うこともできるので、モータを駆動させるための駆動制御回路を不要とすることができ、これにより、部品コストの増加を防ぐことができる。さらに、インバータ回路部を用いて、発電動作と昇圧チョッパ動作とを同時に行わせることができるので、電力回生動作の効率を向上させることができる。
【００１９】また、請求項１に記載の電力回生装置において、回転電機には、バッテリとは別に、回転電機に駆動電圧を出力する回転駆動用バッテリが接続されていると好適である。
【００２０】このようにすると、バッテリの充電状態に依存することなく、回転駆動用バッテリを用いて回転電機を回転駆動させることができるので、電力回生動作時に、回転電機で発生した電圧を、バッテリの出力電圧よりも高くなるように昇圧させる昇圧回路を不要とすることができ、これにより、部品コストの増加を防ぐことができる。
【００２１】また、請求項１に記載の電力回生装置において、ファン及び回転電機がそれぞれ複数備えられ、この複数の回転電機がバッテリに直列接続されていると好適である。
【００２２】このようにすると、複数の回転電機で発生する合計電圧値を、１個あたりの回転電機の発生電圧値に、直列に接続された回転電機の個数を掛け合わせた値とすることができるので、車両が中低速で走行している場合でも、複数の回転電機で発生する合計電圧をバッテリの出力電圧よりも高く維持することができ、これにより、バッテリに電力を回生させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
【００２４】図１乃至図４は、本発明の一実施形態を示す図で、図１は、電力回生装置の全体構成を示すブロック図であり、図２乃至図４は、電力回生回路の構成をより具体的に示す説明図で、図２は、第一実施形態に係る説明図、図３は、第二実施形態に係る説明図、図４は、第三実施形態に係る説明図である。
【００２５】（第一実施形態）図１に示す本発明の第一実施形態に係る電力回生装置１は、内燃機関自動車等の車両において、電力の回生に用いられるものであり、ファン１０と、回転電機としてのファンモータ２０と、電力回生回路３０と、バッテリ４０と、を有して構成されている。
【００２６】ファン１０は、車両前方に搭載されたエンジン６００のラジエータ６１０を冷却するためのもので、回転軸１１と、この回転軸１１に配設された複数枚の羽根１２とから構成されている。また、ファン１０は、ファンモータ２０に連結され、車両が走行中に受ける走行風によって回転することができるように構成されている。
【００２７】ファンモータ２０は、図２に示すように、３相の電機子巻線２１と各電機子巻線２１に配線接続されたコンミテータ２２とからなるロータ２３と、ブラシ２４ａ，２４ｂと、永久磁石からなるステータ２５と、を備えた直流型回転電機で構成され、ファン１０を回転駆動させると共に、ファン１０の走行風による回転に伴って電力を発生することができるように構成されている。
【００２８】ブラシ２４ａ，２４ｂは、図示しないスプリング等でコンミテータ２２に押圧当接され、これにより、バッテリ４０から流れる電流がコンミテータ２２を介して各電機子巻線２１に流れるようになっている。
【００２９】電力回生回路３０は、切替スイッチ３１と、ダイオード３２と、制御回路部３３と、各電源線３４ａ，３４ｂ，３５，３６とからなる電気回路で構成され、ファンモータ２０で発生した電力を回生すると共に、切替スイッチ３１を切替動作させることにより、ファンモータ２０に電力を供給することができるように構成されている。
【００３０】切替スイッチ３１は、端子３１ａ，端子３１ｂ，共通端子３１ｃを有して構成され、制御回路部３３からの指令信号に応じて、共通端子３１ｃとの接続を端子３１ａ若しくは端子３１ｂに切り替えることができるように構成されている。なお、切替スイッチ３１は、好ましくはリレースイッチが用いられるが、他にも、トランジスタや、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（ゲート絶縁形バイポーラトランジスタ）が用いられても良い。
【００３１】切替スイッチ３１の端子３１ａは、陽極電源線３４ａを介してバッテリ４０の陽極端子に接続され、端子３１ｂは、ダイオード３２のアノード端子に接続されている。切替スイッチ３１の共通端子３１ｃは、陽極電源線３４ｂを介してファンモータ２０のブラシ２４ａに接続され、ブラシ２４ｂは、陰極電源線３５を介してバッテリ４０の陰極端子に接続されている。
【００３２】ダイオード３２は、順方向にのみ電流を流すことができる整流素子で構成され、そのカソード端子が電力回生用電源線３６を介して陽極電源線３４ａに接続されることにより、バッテリ４０からの電流の流れに対して逆方向になるように配線接続されている。
【００３３】制御回路部３３は、所定の入力信号に応じて電気的な処理を行うことが可能な電気回路で構成され、車両に搭載された中央制御装置６２０からの指令信号に基づいて、切替スイッチ３１に、回路切替動作を行わせるための切替信号を出力することができるように構成されている。
【００３４】バッテリ４０は、直流型の蓄電池で構成され、ファンモータ２０に所定の電圧を出力すると共に、切替スイッチ３１の回路切替動作に応じて、電力回生回路３０によって回生された電力を蓄積することができるように構成されている。
【００３５】以上の各構成により、電力回生装置１は、中央制御装置６２０から出力される指令信号に応じて、ファンモータ２０を駆動させる動作（以下、モータ駆動動作と言う）と、ファンモータ２０からの電力を回生する動作（以下、電力回生動作と言う）とを切り替えて行うことができるようになっている。
【００３６】以下に、本発明の第一実施形態に係る電力回生装置１の電力回生動作およびモータ駆動動作について説明する。
【００３７】はじめに、電力回生装置１のモータ駆動動作について説明する。図１に示す中央制御装置６２０は、ラジエータ６１０の内部に配設された図示しない冷却水温度センサからの検出信号を所定の間隔で入力し、冷却水の温度が規定値を上回っていると判断した場合には、図２に示す電力回生装置１の制御回路部３３に、ファンモータ２０を駆動すべき旨のモータ駆動指令信号を出力する。
【００３８】制御回路部３３は、前記モータ駆動指令信号を入力すると、切替スイッチ３１に、バッテリ４０からの電流をファンモータ２０に流すべき旨の切替信号を出力する。そして、切替スイッチ３１は、前記切替信号に基づいて、端子３１ａと共通端子３１ｃとを接続するように回路切替動作を行う。
【００３９】この回路切替動作によって、端子３１ａと共通端子３１ｃとが接続されると、バッテリ４０の電圧が、ファンモータ２０のブラシ２４ａ，２４ｂ間に印加され、バッテリ４０の陽極端子からブラシ２４ａに電流が流れる。
【００４０】ブラシ２４ａに流れてきた電流は、コンミテータ２２によって各電機子巻線２１に整流され、これにより、電流が流れた電機子巻線２１は磁界を発生する。そして、電機子巻線２１から生ずる磁界と、ステータ２５に発生する磁界との吸引、反発力によりロータ２３が回転し、この回転力がファン１０に伝達されてファン１０が回転する。
【００４１】このようにして、電力回生装置１は、ファン１０を回転させることにより、ラジエータ６１０に冷却風を吹き付けて、ラジエータ６１０を冷却させることができる。
【００４２】次に、電力回生装置１の電力回生動作について説明する。中央制御装置６２０は、前記冷却水温度センサからの検出信号に基づき、冷却水の温度が規定値を下回っていると判断した場合には、電力回生回路３０の制御回路部３３にファンモータ２０を停止させる旨のモータ停止指令信号を出力する。
【００４３】制御回路部３３は、前記モータ停止指令信号を入力すると、切替スイッチ３１に、ファンモータ２０への電力供給を停止させるべく切替信号を出力する。そして、切替スイッチ３１は、前記切替信号に基づいて回路切替動作を行う。
【００４４】この回路切替動作によって、端子３１ａと共通端子３１ｃとの接続が解除され、端子３１ｂと共通端子３１ｃとが接続されると、バッテリ４０からファンモータ２０への電力供給が停止されることにより、ファン１０が外力により回転可能な状態になる。
【００４５】この状態で、車両が高速走行を行うと、車両の前方から流入する走行風がラジエータ６１０を介してファン１０に当り、これにより、ファン１０がファンモータ２０の駆動時における回転方向と同じ方向に回転する。
【００４６】ファン１０が走行風により回転すると、ファンモータ２０のロータ２３は、駆動時における回転方向と同じ方向に回転する。このようにして、ロータ２３が回転すると、ステータ２５の磁界中を３相の電機子巻線２１が順次横切るので、各電機子巻線２１を貫く磁束の変化し、これによりブラシ２４ａ，２４ｂ間に、ブラシ２４ａ側をプラスの電位とする誘導起電力が生じる。
【００４７】そして、このブラシ２４ａ，２４ｂ間に生ずる誘導起電力は、ロータ２３の回転数に比して増大し、やがてブラシ２４ａ，２４ｂ間に生じた誘導起電力による誘起電圧がバッテリ４０の出力電圧を上回ると、ブラシ２４ａからバッテリ４０の陽極端子に回生電流が流れ、バッテリ４０が充電される。
【００４８】このようにして、本実施形態の電力回生装置１は、車両が走行中に受ける走行風により得られる風力エネルギを利用してファンモータ２０で電力を発生させ、この電力を電力回生回路３０によって回生させることによりバッテリ４０を充電させることができる。
【００４９】このように本実施形態の電力回生装置１によれば、必要な電力がバッテリに回生されて蓄積されるので、車両における電力収支を向上させることができる。また、車両に備えられた既存のラジエータ冷却用ファンおよびラジエータ冷却用ファンモータと、本電力回生装置１のファン１０およびファンモータ２０とを兼用することができるので、部品コストを増加させることなく、電力を回生させることができる。
【００５０】（第二実施形態）次に、本発明の第二実施形態に係る電力回生装置１０１について説明する。図３に示す本実施形態に係る電力回生装置１０１は、本発明の第一実施形態に係る電力回生装置１と同一のファン１０、ファンモータ２０、バッテリ４０を有して構成されている。また、電力回生装置１０１には、第一実施形態に係る電力回生装置１の電力回生回路３０とは異なる構成の電力回生回路１３０が用いられている。
【００５１】電力回生回路１３０は、本発明の第一実施形態に係る電力回生回路３０の概略同一の回路構成に、後述の昇圧用コイル１３７とチョップ部１３８とが所定位置に追加接続された構成となっている。また、電力回生回路１３０には、第一実施形態に係る電力回生回路３０の制御回路部３３とは異なる構成の制御回路部１３３が用いられている。
【００５２】制御回路部１３３は、所定の入力信号に応じて電気的な処理を行うことが可能な電気回路で構成され、中央制御装置６２０からの指令信号に基づいて、切替スイッチ３１に回路切替動作を行わせるための切替信号を出力し、チョップ部１３８にチョッパ制御させるためのチョッパ信号を出力することができるように構成されている。
【００５３】昇圧用コイル１３７は、ファンモータ２０で発生した電圧を昇圧させるためのもので、所定のインダクタンスを備えたインダクタで構成されている。昇圧用コイル１３７の端子１３７ａは、ダイオード３２のアノード端子に接続され、端子１３７ｂは、切替スイッチ３１の端子３１ｂに接続されている。なお、昇圧用コイル１３７のインダクタンスは、それを大きくすれば、より大きな昇圧効果が得られるが、インダクタでの電圧降下を考慮して、最適な値に設定されることが望ましい。
【００５４】チョップ部１３８は、トランジスタで構成されており、制御回路部１３３からの切替信号をゲートに入力することにより、コレクタ−エミッタ間の導通、遮断を切り替えることができるように構成されている。すなわち、チョップ部１３８のゲートにＨＩＧＨレベル信号が入力されると、コレクタ−エミッタ間が導通し、チョップ部１３８のゲートにＬＯＷレベル信号が入力されると、コレクタ−エミッタ間が遮断するように構成されている。
【００５５】そして、チョップ部１３８において、ゲートは、制御回路部１３３に接続され、コレクタは、ダイオード３２と昇圧用コイル１３７との間に接続され、エミッタは、陰極電源線３５に接続されている。ところで、本実施形態では、チョップ部１３８にトランジスタが用いられているが、その他、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（ゲート絶縁形バイポーラトランジスタ）が用いられても良い。
【００５６】なお、本発明の第二実施形態に係る電力回生装置１０１において、電力回生装置１と同一の構成要素であるファン１０、ファンモータ２０、バッテリ４０についての説明は省略する。
【００５７】そして、上記構成からなる電力回生装置１０１は、モータ駆動動作時に、制御回路部１３３から切替スイッチ３１へ切替信号を出力することにより、切替スイッチ３１の端子３１ａと共通端子３１ｃとを接続するように回路切替動作を行い、これにより、ファンモータ２０のブラシ２４ａ，２４ｂ間にバッテリ４０の電圧を印加してファン１０を回転させることができる。
【００５８】また、電力回生装置１０１は、電力回生動作時に、制御回路部１３３から切替スイッチ３１へ切替信号を出力することにより、切替スイッチ３１の端子３１ａと共通端子３１ｃとの接続を解除し、端子３１ｂと共通端子３１ｃとを接続するように回路切替動作を行う。これにより、バッテリ４０からファンモータ２０への電力供給を停止させ、ファン１０を外力により回転可能な状態にさせることができる。
【００５９】この状態で、車両が走行を続けると、ファン１０が走行風を受けることにより、ファンモータ２０のロータ２３は、駆動時における回転方向と同じ方向に回転し、これによりブラシ２４ａ，２４ｂ間に、ブラシ２４ａ側をプラスの電位とする誘導起電力が生じる。
【００６０】ここで、車両の速度がそれほど速くないときには、ブラシ２４ａ，２４ｂ間に生じる誘導起電力による誘起電圧が、バッテリ４０の出力電圧よりも高くならない場合がある。
【００６１】そこで、このような場合には、制御回路部１３３からチョップ部１３８のゲートにチョッパ信号を出力する。そして、チョップ部１３８は、ゲートにチョッパ信号が入力されると、その信号に応じて、コレクタ−エミッタ間の導通、遮断を行う。
【００６２】このとき、チョップ部１３８のゲートに入力されたチョッパ信号がＨＩＧＨレベルになると、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間が導通するので、ブラシ２４ａ，２４ｂ間に生じた誘起電圧によってブラシ２４ａから流れ出た電流は、昇圧用コイル１３７を通じて、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間を流れ、短絡電流としてブラシ２４ｂに流れる。
【００６３】このブラシ２４ｂに流れてきた短絡電流は、電機子巻線２１のうち、所定の電機子巻線を介して再びブラシ２４ａを通じ、昇圧用コイル１３７に流れる。このように、チョップ部１３８のゲートに入力されたチョッパ信号がＨＩＧＨレベルにあるときは、昇圧用コイル１３７に短絡電流が流れてエネルギが蓄積される。
【００６４】そして、チョップ部１３８のゲートに入力されたチョッパ信号がＬＯＷレベルになると、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間が遮断されるので、昇圧用コイル１３７に流れていた短絡電流は、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間を流れずに、バッテリ４０の陽極端子に流れる。
【００６５】このように、短絡電流がバッテリ４０の陽極端子へ流れると、昇圧用コイル１３７に流れる短絡電流が減少するので、昇圧用コイル１３７の自己誘導作用により、昇圧用コイル１３７の両端子間に、端子１３７ａ側をプラスの電位とする誘導起電力が発生する。
【００６６】従って、電力回生装置１０１の電力回生動作時には、ブラシ２４ａ，２４ｂ間に生じた誘導起電力による誘起電圧に、昇圧用コイル１３７の両端子間に生じた誘導起電力による誘導電圧の分だけ昇圧させた電圧が、回生電圧としてバッテリ４０に印加され、この回生電圧によって、バッテリ４０に回生電流が流れる。
【００６７】そして、バッテリ４０に電力を効率よく回生させるためには、ロータ２３の回転中に、制御回路部１３３からチョップ部１３８のゲートに出力するチョッパ信号を所定周波数のパルス信号にすればよい。このようすれば、昇圧用コイル１３７の昇圧チョッパ動作が盛んに行なわれるので、電機子巻線２１で発生した電圧をより高く昇圧させることができる。
【００６８】このようにして、電力回生装置１０１は、車両の速度がそれほど速くないときでも、ファンモータ２０で発生した電圧を昇圧させることにより、回生電圧をバッテリ４０の出力電圧よりも高く維持することができるので、バッテリ４０を充電させることができる。
【００６９】なお、回生電圧が、バッテリ４０の定格電圧を超えてしまうような場合には、チョップ部１３８のゲートに出力するチョッパ信号のデューティ比（信号のＨＩＧＨレベルとＬＯＷレベルの時間的比率）を下げればよい。このようにすれば、バッテリ４０には、デューティ比に相応した平均電圧が印加されるため、回生電圧をバッテリ４０の定格内に納めることが可能になる。
【００７０】（第三実施形態）次に、本発明の第三実施形態に係る電力回生装置２０１について説明する。図４に示す本実施形態に係る電力回生装置２０１は、本発明の第一実施形態に係る電力回生装置１と同一のファン１０およびバッテリ４０を有して構成されている。また、電力回生装置２０１には、電力回生装置１のファンモータ２０、第一実施形態に係る電力回生回路３０とは異なる構成のファンモータ２２０、電力回生回路２３０がそれぞれ用いられている。
【００７１】ファンモータ２２０は、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相構造からなるブラシレスモータで構成され、永久磁石が複数配設されたロータ２２３と、星形結線された電機子巻線２２１Ｕ（Ｕ相）、２２１Ｖ（Ｖ相）、２２１Ｗ（Ｗ相）が巻回されたステータ２２５と、３極のホール素子が配設された位置検出器２２６とを有して構成されている。
【００７２】ロータ２２３の回転軸にはファン１０が連結されており、ファン１０は、ロータ２２３の回転に伴って回転可能になっている。電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗの各末端部は、後述のインバータ回路部２３１の出力端子２３１Ｕ、２３１Ｖ、２３２１Ｗにそれぞれ接続され、位置検出器２２６の出力は、後述の制御回路部２３３に接続されている。
【００７３】電力回生回路２３０は、インバータ回路部２３１と、制御回路部２３３と、各電源線２３４，２３５とからなる電気回路で構成され、ファンモータ２２０で発生した電力を回生すると共に、ファンモータ２０を駆動制御することができるように構成されている。
【００７４】インバータ回路部２３１は、トランジスタからなるスイッチング素子２３８ａ乃至２３８ｆと、ダイオード２３２ａ乃至２３２ｆとを有して構成されている。スイッチング素子２３８ａ乃至２３８ｆは、陽極電源線２３４と陰極電源線２３５との間で、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相にブリッジ接続され、各ブリッジ接続部の中間部は、出力端子２３１Ｕ（Ｕ相）、２３１Ｖ（Ｖ相）、２３２１Ｗ（Ｗ相）にそれぞれ配線接続されている。また、スイッチング素子２３８ａ乃至２３８ｆのゲートは、制御回路部２３３にそれぞれ接続されている。
【００７５】そして、スイッチング素子２３８ａ,２３８ｂ，２３８ｃは、陽極電源線２３４から電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗへの電流の供給、停止をそれぞれスイッチングすることができるようになっており、スイッチング素子２３８ｄ,２３８ｅ，２３８ｆは、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗから陰極電源線２３５への電流の流れをスイッチングすることができるようになっている。
【００７６】なお、本実施形態では、チョップ部１３８にトランジスタが用いられているが、その他、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（ゲート絶縁形バイポーラトランジスタ）が用いられても良い。
【００７７】ダイオード２３２ａ乃至２３２ｆは、順方向にのみ電流を流すことができる整流素子で構成され、各ブリッジ接続部において、各スイッチング素子２３８ａ乃至２３８ｆにそれぞれ並列接続されると共に、陽極電源線２３４から陰極電源線２３５への電流の流れに対して逆方向になるように配線接続されている。
【００７８】制御回路部２３３は、所定の入力信号に応じて電気的な処理を行うことが可能な電気回路で構成され、車両に搭載された中央制御装置６２０からの指令信号に基づいて動作できるように構成されている。また、制御回路部２３３は、位置検出器２２６によるロータ位置検出信号に基づいて、スイッチング素子２３８ａ乃至２３８ｆのゲートに、所定の順序でスイッチング信号（チョッパ信号）を出力することができるようになっている。
【００７９】なお、本発明の第三実施形態に係る電力回生装置２０１において、電力回生装置１と同一の構成要素であるファン１０およびバッテリ４０についての説明は省略する。
【００８０】以上の各構成により、電力回生装置２０１は、中央制御装置６２０から出力される指令信号に応じて、ファンモータ２２０を駆動させる動作（以下、モータ駆動動作と言う）と、ファンモータ２２０からの電力を回生する動作（以下、電力回生動作と言う）とを切り替えて行うことができるようになっている。
【００８１】以下に、本発明の第三実施形態に係る電力回生装置２０１の電力回生動作およびモータ駆動動作について説明する。
【００８２】はじめに、電力回生装置２０１のモータ駆動動作について説明する。電力回生装置２０１は、中央制御装置６２０からのモータ駆動指令信号を入力すると、位置検出器２２６からのロータ位置検出信号に基づいて、制御回路部２３３からスイッチング素子２３８ａ乃至２３８ｆのゲートに、所定の順序でスイッチング信号を出力する。
【００８３】スイッチング素子２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃのゲートにそれぞれ入力されたスイッチング信号が、ロータ２２３の位置に応じて、ＨＩＧＨレベルに順次切り替わると、スイッチング素子２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃのコレクタ−エミッタ間が順次導通するので、バッテリ４０の陽極から陽極電源線２３４に流れた電流が、所定の順序で電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗに流れる。
【００８４】また、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆのゲートにそれぞれ入力されたスイッチング信号が、ロータ２２３の位置に応じて、ＨＩＧＨレベルに順次切り替わると、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆのコレクタ−エミッタ間が順次導通するので、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗに流れた電流が陰極電源線２３５に流れる。
【００８５】このようにして、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗに所定の順序で電流が流れると、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗのうち、電流が流れた巻線とロータ２２３の永久磁石とが吸引、反発し、ロータ２２３が一定の速度で回転し、この回転力がファン１０に伝達されてファン１０が回転する。
【００８６】このようにして、電力回生装置２０１は、ファン１０を回転させることにより、ラジエータ６１０に冷却風を吹き付けて、ラジエータ６１０を冷却させることができる。
【００８７】本実施形態では、ファンモータ２０がブラシレスモータで構成されているので、比較的少ない電力でモータ駆動制御を行うことができ、モータ駆動効率を向上させることができる。
【００８８】次に、電力回生装置２０１の電力回生動作について説明する。電力回生装置２０１の制御回路部２３３は、中央制御装置６２０からのモータ停止指令信号を入力すると、ファンモータ２０への電力供給を停止させるべく、スイッチング素子２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃのゲートへ出力するスイッチング信号を、すべてＬＯＷレベルに切り替える。
【００８９】これによって、バッテリ４０から電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗへの電流の供給が停止されるので、ファンモータ２２０が停止し、ファン１０が外力により回転可能な状態になる。そして、この状態から、ファン１０が走行風を受けることにより回転すると、ファンモータ２２０のロータ２２３は、駆動時における回転方向と同じ方向に回転する。
【００９０】このようにして、ロータ２２３が回転すると、ロータ２２３に配設された永久磁石によってステータ２２５に磁界の変化が与えられ、各電機子巻線２２１Ｕ，２２１Ｖ，２２１Ｗを貫く磁束の変化し、これにより各電機子巻線２２１Ｕ，２２１Ｖ，２２１Ｗに、インバータ回路部２３１に電流を流そうとする向きをプラスの電位とする誘導起電力が生じる。
【００９１】そして、ロータ２２３が回転している状態において、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆのゲートへ出力するスイッチング信号を全てＨＩＧＨレベルにすると、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆの各コレクタ−エミッタ間が導通するので、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗに生じた誘起電圧による電流が、対応するスイッチング素子およびダイオードを介して他の電機子巻線に流れた後、短絡電流として再び元の誘導起電力を発生した電機子巻線に流れる。この短絡電流は、当該電機子巻線において、エネルギとして蓄積される。
【００９２】その後、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆのゲートへ出力するスイッチング信号をＬＯＷレベルにすると、上記ロータ２２３と特定の位置関係にある特定相の電機子巻線に流れる電流が減少するため、上記誘起電圧に、さらに当該電機子巻線における自己誘導作用による誘起電圧が加えられて昇圧される。そして、この昇圧された誘導電圧によって、上記特定相の電機子巻線から流れる電流が、ダイオード２３２ａ乃至２３２ｃのうち当該特定相の電機子巻線に接続されたダイオードを介して陽極電源線２３４に流れ、バッテリ４０に回生される。
【００９３】本例の電力回生装置２０１について、さらに具体的な例を用いて説明すれば、電機子巻線２２１Ｕに誘導起電力が生じた場合には、この誘導起電力による誘起電圧よって流れる電流が、スイッチング素子２３８ｄおよびダイオード２３２ｅ、２３２ｆを介して電機子巻線２２１Ｖ、２２１Ｗに流れた後、短絡電流として再び電機子巻線２２１Ｕに流れ、この短絡電流が電機子巻線２２１Ｕにおいて、エネルギとして蓄積されることになる。その後、電機子巻線２２１Ｕから流れた電流は、ダイオード２３２ａ、陽極電源線２３４を介してバッテリ４０に回生されることになる。
【００９４】そして、バッテリ４０に電流を効率よく回生させるためには、ロータ２２３の回転中に、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆの各ゲートに所定の周波数のチョッパ信号を出力すればよい。このようすれば、ロータ２２３の位置に応じて、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗによる発電動作と、昇圧チョッパ動作が同時に行なわれることになるので、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗにて発電される回生電圧をバッテリの出力電圧よりも高く維持することができる。
【００９５】このようにして、電力回生装置２０１は、車両の速度がそれほど速くないときでも、回生電圧をバッテリ４０の出力電圧よりも高くなるように昇圧させることができ、これにより、バッテリ４０を充電させることができる。
【００９６】また、上述のように、電力回生回路２３０は、インバータ回路部２３１と制御回路部２３３とを備えているので、電力を回生するだけでなく、モータの駆動制御を行うこともできるため、モータを駆動させるための駆動制御回路を不要とすることができ、これにより、部品コストの増加を防ぐことができる。
【００９７】なお、本実施形態において、回生電圧がバッテリ４０の定格電圧を超えてしまうような場合には、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆの各ゲートに出力するチョッパ信号のデューティ比を下げればよい。このようにすれば、バッテリ４０には、デューティ比に相応した平均電圧が印加されるため、回生電圧をバッテリ４０の定格内に納めることが可能になる。
【００９８】また、本実施形態では、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆの全てのゲートにチョッパ信号を出力して、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗの誘起電圧を昇圧させていたが、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆのうち、一つ又は二つのスイッチング素子のゲートにチョッパ信号を出力して所定の電機子巻線の誘起電圧を昇圧させても良い。
【００９９】また、スイッチング素子２３８ｄ，２３８ｅ，２３８ｆをチョッパ制御するのと同じように、スイッチング素子２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃのゲートにチョッパ信号を出力して所定のチョッパ制御を行うことにより、電機子巻線２２１Ｕ、２２１Ｖ、２２１Ｗのうち、所定の電機子巻線の誘起電圧を昇圧させても良い。
【０１００】上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（イ）図１に示す電力回生装置１は、車両が走行中に受ける走行風によって回転可能なファン１０と、このファン１０の走行風による回転に伴って電力を発生するファンモータ２０と、を備えているので、車両が走行中に受ける走行風によってファン１０を回転させることができ、これによって得られた風力エネルギを、ファンモータ２０を回転させて電力を発生させるためのエネルギとして利用することができる。
【０１０１】（ロ）また、電力回生装置１は、図２に示すように、ファンモータ２０で発生した電力を回生する電力回生回路３０と、この電力回生回路３０によって回生された電力を蓄積するバッテリ４０と、を備えているので、ファンモータ２０で発生した電力を、電力回生回路３０を介してバッテリ４０に回生させて蓄積させることができるので、車両における電力収支を向上させることができる。
【０１０２】（ハ）また、電力回生装置１では、ファン１０が車両に配設されたラジエータ６１０を冷却させるためのラジエータ冷却用ファンで構成され、ファンモータ２０がラジエータ冷却用ファンを回転駆動させるために車両に配設されたラジエータ冷却用ファンモータで構成されているので、車両に備えられた既存のラジエータ冷却用ファンおよびラジエータ冷却用ファンモータと、本電力回生装置１のファン１０およびファンモータ２０とを兼用することができ、部品コストを増加させることなく、電力を回生させることができる。
【０１０３】（ニ）図３に示す電力回生装置１０１では、電力回生回路１３０が、ファンモータ２０と直列に接続されると共にファンモータ２０で発生した電圧を昇圧させる昇圧用コイル１３７と、この昇圧用コイル１３７と並列に接続されると共に昇圧用コイル１３７に流れる短絡電流のスイッチング動作を行うチョップ部１３８と、このチョップ部１３８をチョッパ制御する制御回路部１３３と、を有して構成されているので、ファンモータ２０で発生した電圧を昇圧させることができ、より大きな電力をバッテリに回生させることができる。
【０１０４】（ホ）また、電力回生装置１０１では、昇圧用コイル１３７を用いてファンモータ２０で発生した電圧を昇圧させることができるので、車両が中低速で走行している場合でも、ファンモータ２０で発生した電圧をバッテリ４０の出力電圧よりも高く維持することができ、バッテリ４０に電力を回生させることができる。
【０１０５】（ヘ）図４に示す電力回生装置２０１では、ファンモータ２２０がブラシレスモータで構成されているので、比較的少ない電力でモータ駆動制御を行うことができ、モータ駆動効率を向上させることができる。また、電力回生回路２３０がインバータ回路部２３１と制御回路部２３３とを備えているので、電力を回生するだけでなく、ファンモータ２０の駆動制御を行うこともできるため、モータを駆動させるための駆動制御回路を不要とすることができ、これにより、部品コストの増加を防ぐことができる。
【０１０６】（ト）また、電力回生装置２０１では、インバータ回路部２３１を用いて、発電動作と昇圧チョッパ動作とを同時に行わせることができるので、電力回生動作の効率を向上させることができる。
【０１０７】なお、本発明の実施の形態は、以下のように改変することができる。図５乃至図７は、本実施形態の改変例を示すもので、図５は、第一実施形態に係る電力回生装置１の第一改変例を示す図、図６は、第一実施形態に係る電力回生装置１の第二改変例を示す図、図７は、第二実施形態に係る電力回生装置１０１の改変例を示す図である。
【０１０８】（ａ）図１に示す電力回生装置１では、ファンモータ２０が１機だけ用いられていたが、ファンモータ２０が直列に複数接続されて構成されても良い。このように構成すると、複数のファンモータで発生する合計電圧値は、１個あたりのファンモータ２０の発生電圧値に、直列に接続されたファンモータ２０の個数を掛け合わせた値となるので、車両が中低速で走行している場合でも、複数のファンモータ２０で発生する合計電圧をバッテリ４０の出力電圧よりも高く維持することができ、バッテリ４０に電力を回生させることができる。
【０１０９】上記改変例の一例として、図５に示す電力回生装置３０１では、電力回生回路３０に２機のファンモータ２０が直列に接続されている。
【０１１０】このような構成とすることにより、電力回生動作時には、ファンモータ２０を１機備えた場合と比べて２倍の回生電圧を得ることができ、電力回収効率を向上させることができる。
【０１１１】（ｂ）また、図１に示す電力回生装置１では、バッテリ４０が電力回生動作とモータ駆動動作の両方を行わせるために用いられていたが、それぞれの動作を単独に行わせるためのバッテリが複数備えられていても良い。
【０１１２】上記改変例の一例として、図６に示す改変例に係る電力回生装置４０１では、電力回生回路３０に２機のバッテリ４４０ａ，４４０ｂが並列に接続されている。
【０１１３】このようにすると、２機のバッテリのうち、例えば、一方のバッテリ４４０ａを回生電力蓄積用として用い、他方のバッテリ４４０ｂをファンモータ２０に電力を供給するための回転駆動用として用いることができる。従って、電力回生時において、ファンモータ２０で発生した電圧を、バッテリ４０の出力電圧よりも高くなるように昇圧させる必要がないため、電力回生回路に昇圧回路を設ける必要がなく、部品コストの増加を防ぐことができる。また、回生電力蓄積用のバッテリ４４０ａの充電状態に依存することなく、モータ駆動用のバッテリ４４０ｂによりファンモータ２０を回転駆動させることができる。
【０１１４】（ｃ）また、図３に示す電力回生装置１０１では、電力回生回路１３０に昇圧用コイル１３７が直列に接続され、これにより電機子巻線２１で発生した誘起電圧を昇圧させていたが、昇圧用コイル１３７を用いずに、電機子巻線２１で発生した誘起電圧を昇圧するようにしても良い。
【０１１５】上記改変例の一例として、図７に示す改変例に係る電力回生装置５０１では、ダイオード３２のアノード端子が切替スイッチ３１の端子３１ｂに配線接続されている。
【０１１６】このように構成しても、電力回生時にチョップ部１３８をチョッパ制御させることで、電機子巻線２１の自己誘導作用により誘起電圧を昇圧させてバッテリ４０を充電させることができる。
【０１１７】すなわち、制御回路部１３３からチョップ部１３８のゲートに入力されたチョッパ信号がＨＩＧＨレベルになると、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間が導通するので、ブラシ２４ａ，２４ｂ間に生じた誘起電圧によってブラシ２４ａから流れ出た電流は、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間を流れ、短絡電流としてブラシ２４ｂに流れる。
【０１１８】このブラシ２４ｂに流れてきた短絡電流は、電機子巻線２１のうち、所定の電機子巻線を介して再びブラシ２４ａに流れる。このように、ゲートに入力されたチョッパ信号がＨＩＧＨレベルにあるときは、電機子巻線２１のうち、所定の電機子巻線に短絡電流が流れてエネルギが蓄積される。
【０１１９】そして、制御回路部１３３からチョップ部１３８のゲートに入力されたチョッパ信号がＬＯＷレベルになると、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間が遮断されるので、電機子巻線２１に流れていた短絡電流は、チョップ部１３８のコレクタ−エミッタ間を流れずに、バッテリ４０の陽極端子に流れ、これにより、電機子巻線２１に流れる短絡電流が減少する。
【０１２０】このように、電機子巻線２１に流れる短絡電流が減少すると、電機子巻線２１の自己誘導作用により、電機子巻線２１の両端子間に、ブラシ２４ａ側をプラスの電位とする誘導起電力が生じる。そして、この誘導起電力によって、電機子巻線２１の誘起電圧が昇圧され、バッテリ４０を充電させることができる。
【０１２１】（ｄ）なお、図１に示す電力回生装置１において、ファン１０およびファンモータ２０は、ラジエータ６１０を冷却させるための機能と、風力エネルギにより電力を発生させる機能とを兼ねるように構成されていたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、ファン１０、ファンモータ２０は、車両の外周部に取り付けられ、車両が走行中に受ける走行風によって得られる風力エネルギにより電力を発生させる機能のみを備えた構成としても良い。また、車両は、ラジエータを備えた内燃機関自動車等に限定されるものではなく、電気自動車であっても良い。
【０１２２】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、電力回生装置は、車両が走行中に受ける走行風によって回転可能なファンと、このファンの走行風による回転に伴って電力を発生する回転電機と、を備えているので、車両が走行中に受ける走行風によってファンを回転させることができ、これによって得られた風力エネルギを、回転電機を回転させて電力を発生させるためのエネルギとして利用することができる。
【０１２３】また、回転電機で発生した電力を回生する電力回生回路と、この電力回生回路によって回生された電力を蓄積するバッテリと、を備えているので、回転電機で発生した電力が、電力回生回路を介してバッテリに回生されて蓄積されるので、車両における電力収支を向上させることができる。
【０１２４】また、ファンが車両に配設されたラジエータを冷却させるためのラジエータ冷却用ファンで構成され、回転電機がラジエータ冷却用ファンを回転駆動させるために車両に配設されたラジエータ冷却用ファンモータで構成された場合には、車両に備えられた既存のラジエータ冷却用ファンおよびラジエータ冷却用ファンモータと、本電力回生装置のファン及び回転電機とを兼用することができるので、部品コストを増加させることなく、電力を回生させることができる。
【０１２５】また、電力回生回路が、回転電機と直列に接続されると共に回転電機で発生した電圧を昇圧させる昇圧用コイルと、この昇圧用コイルと並列に接続されると共に昇圧用コイルに流れる短絡電流のスイッチング動作を行うチョップ部と、このチョップ部をチョッパ制御する制御回路部と、を有して構成されている場合には、回転電機で発生した電圧を昇圧させることができるので、より大きな電力をバッテリに回生させることができる。
【０１２６】また、回転電機がブラシレスモータで構成されている場合には、比較的少ない電力でモータ駆動制御を行うことができるので、モータ駆動効率を向上させることができる。また、電力回生回路がインバータ回路部と制御回路部とを備えている場合には、電力を回生するだけでなく、回転電機の駆動制御を行うこともできるので、モータを駆動させるための駆動制御回路を不要とすることができ、これにより、部品コストの増加を防ぐことができる。
【０１２７】また、インバータ回路部を用いて、発電動作と昇圧チョッパ動作とを同時に行わせることができるので、電力回生動作の効率を向上させることができる。
【０１２８】また、回転電機には、バッテリとは別に、回転電機に駆動電圧を出力する回転駆動用バッテリが接続されている場合には、バッテリの充電状態に依存することなく、回転駆動用バッテリを用いて回転電機を回転駆動させることができるので、電力回生動作時に、回転電機で発生した電圧を、バッテリの出力電圧よりも高くなるように昇圧させる昇圧回路を不要とすることができ、これにより、部品コストの増加を防ぐことができる。
【０１２９】また、ファン及び回転電機がそれぞれ複数備えられ、この複数の回転電機がバッテリに直列接続されている場合には、複数の回転電機で発生する合計電圧値を、１個あたりの回転電機の発生電圧値に、直列に接続された回転電機の個数を掛け合わせた値とすることができるので、車両が中低速で走行している場合でも、複数の回転電機で発生する合計電圧をバッテリの出力電圧よりも高く維持することができ、これにより、バッテリに電力を回生させることができる。
【出願人】 【識別番号】０００１０１３５２
【氏名又は名称】アスモ株式会社
【住所又は居所】静岡県湖西市梅田３９０番地
【出願日】 平成１４年４月２日（２００２．４．２）
【代理人】 【識別番号】１０００８８５８０
【弁理士】
【氏名又は名称】秋山 敦 （外１名）
【公開番号】 特開２００３−２９９２０１（Ｐ２００３−２９９２０１Ａ）
【公開日】 平成１５年１０月１７日（２００３．１０．１７）
【出願番号】 特願２００２−９９７６０（Ｐ２００２−９９７６０）