特許 6846563 駆動装置及び電動移動体システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6846563

(24)【登録日】2021年3月3日

(45)【発行日】2021年3月24日

(54)【発明の名称】駆動装置及び電動移動体システム

(51)【国際特許分類】

   B60L 53/24 20190101AFI20210315BHJP

   B60K 1/00 20060101ALI20210315BHJP

   B60K 1/04 20190101ALI20210315BHJP

   H02K 1/06 20060101ALI20210315BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20210315BHJP

   B60L 15/20 20060101ALI20210315BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20210315BHJP

   B60L 53/14 20190101ALI20210315BHJP

   B60L 53/51 20190101ALI20210315BHJP

   B60L 53/52 20190101ALI20210315BHJP

   B60L 53/53 20190101ALI20210315BHJP

【ＦＩ】

   B60L53/24

   B60K1/00

   B60K1/04 Z

   H02K1/06 Z

   H02P27/06

   B60L15/20 Z

   B60L50/60

   B60L53/14

   B60L53/51

   B60L53/52

   B60L53/53

【請求項の数】9

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2020-130335(P2020-130335)

(22)【出願日】2020年7月31日

【審査請求日】2020年7月31日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000233044

【氏名又は名称】株式会社日立パワーソリューションズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 拓也

(72)【発明者】

【氏名】井出 一正

(72)【発明者】

【氏名】高橋 浩一郎

(72)【発明者】

【氏名】宮部 昇三

(72)【発明者】

【氏名】関 正明

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５３−０８５５０９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１７２２２５５４（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ ５０／００−５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二次電池と、
外部から直流電力が供給されるコネクタと、
制御装置から、モータ固定子の位置を移動する固定子位置移動装置への指令により駆動モード・充電モードを切り替える駆動・充電モード変換器を備え、
前記駆動・充電モード変換器は、駆動モードにおいて前記二次電池からの直流電力を駆動力に変えるとともに、充電モードにおいて前記コネクタから供給された直流電力を変圧する機能を備え、
前記駆動・充電モード変換器は、
動力軸に連結されたモータ回転子と、
前記モータ回転子へ駆動力を与える前記モータ固定子と、
前記モータ回転子の外側に設けられたトランス脚と、を備え、
前記固定子位置移動装置によって、駆動モード時に、前記モータ回転子の近傍まで前記モータ固定子を移動させ、充電モード時に、前記トランス脚の近傍まで前記モータ固定子を移動させる
ことを特徴とする駆動装置。

【請求項2】

二次電池と、
外部から直流電力が供給されるコネクタと、
制御装置から、モータ固定子の位置を移動する固定子位置移動装置への指令により駆動モード・充電モードを切り替える駆動・充電モード変換器を備え、
前記駆動・充電モード変換器は、駆動モードにおいて前記二次電池からの直流電力を駆動力に変えるとともに、充電モードにおいて前記コネクタから供給された直流電力を変圧する機能を備え、
前記駆動・充電モード変換器は、
動力軸に連結されたモータ回転子と、
前記モータ回転子へ駆動力を与える前記モータ固定子と、
前記動力軸方向から見て、前記モータ回転子の外側に設けられたトランス脚と、を備え、
前記固定子位置移動装置によって、駆動モード時に、前記モータ回転子の近傍まで前記モータ固定子を移動させ、充電モード時に、前記トランス脚の近傍まで前記モータ固定子を移動させる
ことを特徴とする駆動装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の駆動装置であって、
駆動モード時に、一対の前記モータ固定子が前記モータ回転子を挟み込む場所に位置している
ことを特徴とする駆動装置。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の駆動装置であって、
駆動モード時に、２個の前記モータ回転子が２個の前記モータ固定子を挟み込む場所に位置している
ことを特徴とする駆動装置。

【請求項5】

請求項１又は請求項２に記載の駆動装置であって、
前記制御装置は、前記固定子位置移動装置に対して制御信号を送信するとともに、前記コネクタと前記駆動・充電モード変換器の間に設けられたスイッチの切替を指令する
ことを特徴とする駆動装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の駆動装置を備えた電動移動体と、
所定電圧の直流電力を発電する再生可能エネルギー発電設備と、
前記再生可能エネルギー発電設備が接続された直流線と、を備え、
前記電動移動体は、前記直流線を通じて直流電力が供給される
ことを特徴とする電動移動体システム。

【請求項7】

請求項６に記載の電動移動体システムであって、
前記電動移動体の車体には、可動範囲の境界を感知するセンサが設けられ、
前記車体が、前記可動範囲の境界から一定距離を離れて進行する
ことを特徴とする電動移動体システム。

【請求項8】

請求項７に記載の電動移動体システムであって、
前記電動移動体の車体には、前記センサからの情報を外部へ送信する送受信機を備える
ことを特徴とする電動移動体システム。

【請求項9】

請求項８に記載の電動移動体システムであって、
前記直流線には、前記再生可能エネルギー発電設備が発電していない場合にも前記電動移動体を充電可能なバッテリが接続されている
ことを特徴とする電動移動体システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、駆動装置及び電動移動体システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電気エネルギーを利用する電動移動体について各種検討されており、電気自動車はその一例である。特許文献１には、電気自動車のシステムの構成が記載されている。電気自動車には、操舵輪と駆動輪が備えられ、電池システムとモータシステムが搭載されている。

【0003】

電池システムは、車両駆動用バッテリと、バッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）などにより構成されている。モータシステムは、車両駆動用モータと、モータ制御機能及び電力変換機能（インバータ）を一体化したモータコントロールユニット（ＭＣＵ）などにより構成されている。車両駆動用モータが回転駆動すると、車両駆動用モータの回転駆動力が、減速 ギヤ及び駆動軸を介して駆動輪に伝達する。このため、駆動輪が回転して電気自動車が走行する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−２５８９１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１では、電池システムとモータシステムとは別個のシステムとなっている。本願発明者らは、既存の電池システムとモータシステムに限定せず、新規な駆動装置が構成できないか思考を進め、充電モード及び駆動モードを切り替える方法を検討した。

【0006】

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、充電モード及び駆動モードを適切に切り替えることができる駆動装置及び電動移動体システム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】

【0007】

前記目的を達成するため、本発明の駆動装置は、二次電池と、外部から直流電力が供給されるコネクタ（例えば、ＤＣコネクタ６）と、制御装置（例えば、ＥＣＵ７）から、モータ固定子の位置を移動する固定子位置移動装置への指令により駆動モード・充電モードを切り替える駆動・充電モード変換器を備え、駆動・充電モード変換器は、駆動モードにおいて二次電池からの直流電力を駆動力に変えるとともに、充電モードにおいてコネクタから供給された直流電力を変圧する機能を備え、駆動・充電モード変換器は、動力軸に連結されたモータ回転子と、モータ回転子へ駆動力を与えるモータ固定子と、モータ回転子の外側に設けられたトランス脚と、を備え、固定子位置移動装置によって、駆動モード時に、モータ回転子の近傍までモータ固定子を移動させ、充電モード時に、トランス脚の近傍までモータ固定子を移動させることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、充電モード及び駆動モードを適切に切り替えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る電動移動体の駆動装置の構成であり、駆動モードを示す説明図である。

【図2】第１実施形態に係る電動移動体の駆動装置の構成であり、充電モードを示す説明図である。

【図3】第１実施形態に係る駆動モードにおける、駆動・充電モード変換器の構造を示す斜視図である。

【図4】第１実施形態に係る充電モードにおける、駆動・充電モード変換器の構造を示す斜視図である。

【図5】第２実施形態に係る駆動モードにおける、駆動・充電モード変換器の構造を示す斜視図である。

【図6】第２実施形態に係る充電モードにおける、駆動・充電モード変換器の構造を示す斜視図である。

【図7】駆動装置を備えた電動移動体を示す構成図である。

【図8】電動移動体を充電する際に利用する電力系統を示す構成図である。

【図9】図８に示した電動移動体が走行する際の制御方法を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
<<第１実施形態>>
図１は、第１実施形態に係る電動移動体の駆動装置１００の構成であり、駆動モードを示す説明図である。駆動・充電モード変換器１は、ＥＣＵ７からの指令により、駆動モード・充電モードを切り替える装置である。Ａ／Ｄ変換器３ａ、３ｂは、二次電池５から供給された直流電力を交流電力に変換し、駆動・充電モード変換器１に交流電力を供給する。ＤＣコネクタ６は、二次電池５を充電する際に利用する。二次電池５は、電動移動体の駆動源であり、直流電力を供給する。スイッチ４は、ＤＣコネクタ６又は二次電池５を選択することが可能である。

【0011】

ＥＣＵ７は、電動移動体の駆動装置１００の全体を制御する装置であり、モータ固定子１０Ｓ（図３参照）の固定子位置移動装置２、Ａ／Ｄ変換器３ａ、３ｂに対して制御信号を送信して制御するとともに、スイッチ４の切替えを指令する。

【0012】

駆動モードでは、駆動・充電モード変換器１が固定子位置移動装置２によって駆動モードに切り替わるとともに、スイッチ４を二次電池側に変えることで、二次電池５から入力された直流電力はＡ／Ｄ変換器３ａ，３ｂを介して交流電力へ変換される。そして、交流電力が駆動・充電モード変換器１に供給されて、動力軸１１ａの駆動力に変換されることで、電動移動体を駆動させることが可能になる。動力軸１１ａは軸受１１ｂに支持されており、動力軸１１ａを通じて車輪に駆動力が伝達される。

【0013】

図２は、第１実施形態に係る電動移動体の駆動装置１００の構成であり、充電モードを示す説明図である。図１と同じ符号の説明は省略する。二次電池５の充電時において、駆動・充電モード変換器１が固定子位置移動装置２によって充電モードに切り替わるとともに、スイッチ４をＤＣコネクタ６側に変えることで、ＤＣコネクタ６から入力された直流電力はＡ／Ｄ変換器３ｂを介して、駆動・充電モード変換器１に供給される。駆動・充電モード変換器１では交流電力が変圧され、再びＡ／Ｄ変換器３ａを介して直流電力となり、二次電池５に供給される。そして、二次電池５で蓄電される。

【0014】

図３は、第１実施形態に係る駆動モードにおける、駆動・充電モード変換器１の構造を示した斜視図である。駆動・充電モード変換器１は、モータ固定子１０Ｓであるモータ・変圧器兼用ヨーク８ａ及び三相脚９、モータ固定子をＥＣＵ７からの指令で上下に移動させる固定子位置移動装置２で構成される。

【0015】

また、固定子位置移動装置２は、固定子移動用モータ２ａ、固定子移動用ガイド２ｂで構成されている。固定子移動用ガイド２ｂは車体に固定されるとともに、固定子移動用モータ２ａの回転軸にある歯車が、固定子移動用ガイド２ｂの歯車と噛み合っている。モータ固定子１０Ｓ側に固定された固定子移動用モータ２ａにより、モータ固定子１０Ｓ（モータ・変圧器兼用ヨーク８ａ及び三相脚９）は固定子移動用ガイド２ｂに沿って上下に移動可能である。モータ回転子１０は円盤状の部材であり、その回転中心に動力軸１１ａが連結されている。モータ回転子１０の動力軸方向に２つのモータ固定子１０Ｓ（モータ・変圧器兼用ヨーク８ａ及び三相脚９）があり、それぞれのモータ固定子１０Ｓはモータ回転子１０を挟み込む位置に設けられている。そして、二次電池５からの駆動電力がモータ・変圧器兼用ヨーク８ａを介して三相脚９に供給されることで、一対の三相脚９の間に電磁場が発生し、モータ回転子１０に非接触で回転力を生じさせ、動力軸１１ａを回転駆動させることができる。

【0016】

図４は、第１実施形態に係る充電モードにおける、駆動・充電モード変換器１の構造を示す斜視図である。トランス三相脚１２は、モータ回転子１０の半径方向外側、かつ、車体の上側に位置している。そして、ＥＣＵ７からの指令により、固定子移動用モータ２ａが、モータ固定子１０Ｓ（モータ・変圧器兼用ヨーク８ａ及び三相脚９）をモータ回転子１０の近傍から、トランス三相脚１２を挟み込む位置に移動させる。その後、ＤＣコネクタ６からＡ／Ｄ変換器３ａ、３ｂを介して、交流電力が駆動・充電モード変換器１に供給される。

【0017】

本実施形態において、トランス三相脚１２は、車輪軸方向から見て、モータ回転子１０の外側、かつ、車体上側に設けられている。そして、充電モード時に三相脚９がトランス三相脚１２まで移動することで、三相脚９を駆動・充電モード変換器１に共用することが可能となる。

【0018】

また、駆動モード（図３参照）において、三相脚９の全てはモータ回転子１０の内側に入っている。しかし、モータ回転子１０の内側に入る三相脚９の本数を少なくすることで、駆動力を調整可能である。

【0019】

<<第２実施形態>>
第１実施形態では１つのモータ回転子１０に対して２つのモータ固定子１０Ｓが配置されていたが、第２実施形態では１つのモータ回転子１０に対して１つのモータ固定子が配置されている点が相違する。

【0020】

図５は、第２実施形態に係る駆動モードにおける、駆動・充電モード変換器１の構造を示す斜視図である。図１と同じ符号の説明は省略する。本実施形態では、モータ回転子１０において、動力軸１１ａが接続された面とは反対側にモータ固定子１０Ｓ（モータ用ヨーク８ｃ及び三相脚９）が配置されている。そのため、駆動モードにおいて、モータ回転子１０は一つのモータ固定子によって回転力が得られている。また、モータ回転子１０の半径方向外側には変圧器用ヨーク８ｂが配置されるとともに、トランス三相脚１２は変圧器用ヨーク８ｂの間に設けられている。そして、固定子位置移動装置２は、固定子移動用モータ２ａ、固定子移動用ガイド２ｂで構成されている。固定子移動用モータ２ａにより、三相脚９は固定子移動用ガイド２ｂに沿って上下に移動可能である。

【0021】

図６は、第２実施形態に係る充電モードにおける、駆動・充電モード変換器１の構造を示す斜視図である。充電モード時、モータ回転子１０の間に位置していた三相脚９は、固定子移動用モータ２ａにより変圧器用ヨーク８ｂとトランス三相脚１２の間まで移動する。充電モード時、ＤＣコネクタ６からＡ／Ｄ変換器３ａ，３ｂを介して、交流電力が駆動・充電モード変換器１に供給される。

【0022】

<<第３実施形態>>
図７は、駆動装置１００を備えた電動移動体Ｖを示す構成図である。電動移動体Ｖは、駆動・充電モード変換器１（図１参照）、固定子位置移動装置２、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂ、スイッチ４、二次電池５、ＤＣコネクタ６、ＥＣＵ７を有している。駆動・充電モード変換器１（図１参照）は、モータ回転子１０、モータ固定子１０Ｓ（モータ・変圧器兼用ヨーク８ａ、三相脚９）を有し、モータが動力軸１１ａを駆動力することで、電動移動体を駆動させることが可能になる。なお、電動移動体Ｖには、障害物等を検知するセンサ２４（接触式センサ又は赤外線センサ）も設けられている。詳細については後記する。

【0023】

電動移動体Ｖとして、農機（例えばトラクタ）として利用した場合の例を説明する。
図８は、電動移動体Ｖを充電する際に利用する電力系統を示す構成図である。適宜図１〜図４を参照する。管理されたエリアに設けられた直流線３１に対して、交流電源２３、太陽光発電設備１５、農機１７ａ，１７ｂ、バッテリ２１（蓄電池）が接続されている。交流電源２３はＡ／Ｄ変換器２２を介して直流線３１に接続されることで、交流電源２３からの交流電力が直流電力に変換されて、直流線３１に供給される。太陽光発電設備１５からは、所定電圧の直流電力がＤ／Ｄ変換器１４ａを介して直流線３１に供給される。バッテリ２１はＤ／Ｄ変換器１４ｃを介して直流線３１に接続されており、バッテリ２１が蓄電した直流電力を直流線３１に供給する機能、直流線３１の直流電力を蓄電する機能を有する。

【0024】

農機１７は、車体内部にＤ／Ｄ変換器１８を備えた農機１７ａ、車体内部にＤ／Ｄ変換器を備えていない農機１７ｂの２種類があり、いずれもＤＣコネクタ１６ａ及び１６ｂ（給電スポット）を介して直流線３１に接続可能に構成されている。農機１７は、給電スポットからケーブルＣを介してＤＣコネクタ６（図７参照）と接続される。なお、ケーブルＣを介せず、ＤＣコネクタ６を直接、給電スポットに接続する方式としてもよい。

【0025】

ユーザ（管理者）は自宅３０から遠隔監視装置１３で、農作業の際の農機１７ａ，１７ｂを監視する。

【0026】

農機１７の車体には、自動操縦制御装置１９、送受信機２０、及び前記したようにセンサ２４（接触式センサ又は赤外線センサ）（図７、図９参照）も設けられている。

【0027】

本実施形態において、直流線３１には太陽光発電設備１５を接続しているが、そのほかの再生可能エネルギー発電設備（例えば、風力発電設備）を接続することも可能である。そして、太陽光発電設備１５が発電している時、バッテリ２１を充電するとともに、直流線３１に接続された農機１７ａ，１７ｂの車載充電池も充電される。また、太陽光発電設備１５が発電していない場合（例えば夜、雨天時）においても、バッテリ２１が放電することにより、農機１７ａ，１７ｂを充電することが可能である。

【0028】

図９は、図８に示した電動移動体Ｖ（農機１７）が走行する際の制御方法を示す説明図である。適時図１〜４、図７を参照する。図９に示す通り、所定の充電量に達した農機１７ｂは、自動操縦により農作業を開始する。農作業を開始する際、農機１７ｂに搭載したＥＣＵ７から固定子位置移動装置２、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂ及びスイッチ４へ駆動モード切替信号を送信する。

【0029】

農機１７ｂの車体には、前記したように、自動操縦制御装置１９、送受信機２０、及びセンサ２４（接触式センサ又は赤外線センサ）が設けられている。農地内の給電スポット（ＤＣコネクタ１６ａ，１６ｂが設けられた場所）から出発した農機１７ｂは、一定方向に進行する。

【0030】

センサ２４は、車体前方又は側方から一定距離２６の範囲内に可動範囲の境界２５（例えば、農機が対象であれば畔）が存在する場合、検知信号を自動操縦制御装置１９へ送信する。このセンサ２４により、農機１７ｂは可動範囲の境界２５から一定距離を離れて自走し、農作業を行うことが可能である。なお、センサ２４は、障害物を検知することも可能である。

【0031】

また、送受信機２０は、車体の駆動状態、センサ２４からの情報を外部へ無線送信するための装置である。ユーザは自宅３０に設置する遠隔監視装置１３により、農機１７ｂの送受信機２０から送信された車体の駆動状態、センサ２４からの情報を受信することで、農機１７ｂの稼働状況を把握することができる。

【0032】

農作業を終えた農機１７ｂは、農地内の充電スポットに戻り、車体をＤＣコネクタ１６ｂに押し付ける。そして、ＤＣコネクタ１６ｂへの接続をトリガーとして、農機１７ｂに搭載したＥＣＵ７から固定子位置移動装置２、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂ及びスイッチ４へ充電モード切替信号を送信する。

【0033】

本実施形態によれば、管理されたエリアに設けられた直流線３１に対して、交流電源２３、太陽光発電設備１５、農機１７、バッテリ２１が接続されることで、太陽光発電設備１５による再生可能エネルギーで、農機１７を充電し、所定の充電レベルに達した時点で、農作業を開始することが可能である。

【0034】

また、農機１７の車体にセンサを設けることで、自動的に畔など可動範囲の境界２５を検知することが可能となり、昼夜を問わずに農作業を行うことも可能である。

【符号の説明】

【0035】

１ 駆動・充電モード変換器
２ 固定子位置移動装置
２ａ 固定子移動用モータ
２ｂ 固定子移動用ガイド
３ａ，３ｂ Ａ／Ｄ変換器
４ スイッチ
５ 二次電池
６ ＤＣコネクタ（コネクタ）
７ ＥＣＵ（制御装置）
８ａ モータ・変圧器兼用ヨーク
８ｂ 変圧器用ヨーク
８ｃ モータ用ヨーク
９ 三相脚
１０Ｓ モータ固定子
１０ モータ回転子
１１ａ 動力軸
１１ｂ 軸受
１２ トランス三相脚
１３ 遠隔監視装置
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ Ｄ／Ｄ変換器
１５ 太陽光発電設備
１６ａ，１６ｂ ＤＣコネクタ（給電スポット）
１７ａ，１７ｂ 農機
１８ Ｄ／Ｄ変換器
１９ 自動操縦制御装置
２０ 送受信機
２１ バッテリ（蓄電池）
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ 交流電源
２４ センサ
２５ 可動範囲の境界
３０ 自宅
３１ 直流線
１００ 駆動装置
Ｃ ケーブル
Ｖ 電動移動体

【要約】

【課題】充電モード及び駆動モードを適切に切り替えることができる駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置１００は、モータを駆動する駆動装置あって、二次電池５と、外部から直流電力が供給されるＤＣコネクタ６と、ＥＣＵ７から、モータ固定子の位置を移動する固定子位置移動装置２への指令により駆動モード・充電モードを切り替える駆動・充電モード変換器１を備え、駆動・充電モード変換器１は、駆動モードにおいて二次電池５からの直流電力を駆動力に変えるとともに、充電モードにおいてＤＣコネクタ６から供給された直流電力を変圧する機能を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】