JP7793444B2 - 充電制御システム及び充電制御方法並びに航空機 - Google Patents

充電制御システム及び充電制御方法並びに航空機

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Description

本発明は、充電制御システム及び充電制御方法並びに航空機に関する。
従来、胴体の左右に配置される複数の離着陸用(VTOL)ロータにより鉛直方向に昇降することで離着陸し、胴体の後部に配置される巡航用ロータにより水平方向に飛行する垂直離着陸型航空機(VTOL機又は単に航空機とも呼ぶ)が知られている。斯かる航空機では、エンジンにより発電される電力をバッテリに充電し、そのバッテリに充電された電力を利用して複数のロータを稼働して飛行する。複数のロータは、グループ毎に1つのバッテリに接続される。
特許文献1 国際公開第2021/089948号
ここで、例えば横風を受けて飛行が不安定になると、機体の姿勢を保つために一部のロータに大きな推力が要求され、それらのロータに電力を供給する一部のバッテリの充電状態が他のバッテリより著しく低くなることがある。斯かる場合、エンジンからの電力供給がそれらのバッテリに集中し、それらに付設されたケーブル、コンダクタ、ダイオード等の回路素子に過負荷が加わり、電力系統の寿命に影響することが懸念される。
本発明の第1の態様においては、複数のバッテリの充電を制御する充電制御システムであって、第1及び第2負荷に発電電力を供給する発電機と、前記発電機により発電される電力を蓄えるとともに、蓄えた電力を前記第1及び第2負荷にそれぞれ供給する第1及び第2バッテリを含む複数のバッテリと、前記複数のバッテリのそれぞれを前記発電機に接続又は切断するスイッチと、前記複数のバッテリのそれぞれの充電状態に基づいて前記スイッチを制御して、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の多い一方のバッテリを前記発電機から切断し、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の少ない他方のバッテリを前記発電機に接続して充電する制御部と、を備える充電制御システムが提供される。
本発明の第2の態様においては、第1の態様の充電制御システムを備え、前記第1及び第2負荷は、飛行するための推力を生成するプロパルジョンシステムである、航空機が提供される。
本発明の第3の態様においては、複数のバッテリの充電を制御する充電制御方法であって、発電機により発電される電力を蓄えるとともに、蓄えた電力を第1及び第2負荷にそれぞれ供給する第1及び第2バッテリを含む複数のバッテリのそれぞれの充電状態を検出する段階と、前記複数のバッテリのそれぞれの充電状態に基づいて前記複数のバッテリのそれぞれを前記発電機に接続又は切断するスイッチを制御して、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の多い一方のバッテリを前記発電機から切断する段階と、前記スイッチを制御して、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の少ない他方のバッテリを前記発電機に接続して充電する段階と、を備える充電制御方法が提供される。
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態に係る航空機の構成を上面視において示す。 高電圧系統の構成及び通信系統の構成を示す。 本実施形態に係る充電制御システムの機能構成を示す。 エンジン及びモータジェネレータの出力電力(受電端電力)及び電圧(受電端電圧)の関係(PV曲線)を示す。 本実施形態に係る充電制御方法におけるバッテリの切断フローを示す。 バッテリの充電状態の一例を示す。 本実施形態に係る充電制御方法におけるバッテリの接続フローを示す。 バッテリの充電状態及び接続状態の一例を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1に、本実施形態に係る航空機100の構成を上面視において示す。航空機100は、電動モータを駆動源として有するロータを備え、離着陸用ロータ(VTOLロータとも呼ぶ)を用いて推力を発生して鉛直方向に離着陸するとともに巡航用ロータ(クルーズロータとも呼ぶ)を用いて推力を発生して水平方向に飛行する垂直離着陸機であり、エンジン44及びモータジェネレータ42(これらを発電機とも総称する)により発電される電力及びバッテリ32に充電された電力を利用して電動モータを動作させるとともにエンジン44によりバッテリ32を充電することができるハイブリッド機でもある。本実施形態に係る航空機100は、バッテリ32の充電状態に基づいて発電機の給電電力により過負荷を与えることなくバッテリ32を充電するよう構成されたものであり、胴体12、前翼14、後翼16、2つのブーム18、8つのVTOLロータ20、2つの巡航用ロータ29、姿勢センサ71、高電圧系統40及び通信系統49を備える。
胴体12は、乗員、乗客が搭乗し、貨物等を搭載するためのスペースを提供するとともに、バッテリ32、モータジェネレータ42、エンジン44等の装置を格納する構造体である。胴体12は、中心軸Lに対して左右対称であり、中心軸Lに平行な前後方向に延び且つ水平面内で中心軸Lに直交する左右方向に細い形状を有する。ここで、中心軸Lに平行な方向を前後方向、図面左方及び図面右方をそれぞれ前方(F)及び後方(B)、水平面内で中心軸Lに直交する方向を幅方向(又は左右方向)、図面上方及び図面下方をそれぞれ右方(R)及び左方(L)とする。また、鉛直方向は、これらの前後方向及び幅方向のそれぞれに直交し、鉛直方向上向き及び下向きをそれぞれ上方(U)及び下方(L)とも呼ぶ。胴体12は、上面視において丸く湾曲した前端、胴部に対して幾らか細く絞られた幅方向に平行な後端を有する。
前翼14は、胴体12から側方に延設されて、巡航時に、すなわち前方へ移動することにより揚力を発生する翼体であり、航空機100の先尾翼として機能する。前翼14は、中心部から2つの翼体をそれぞれ左前方及び右前方に延ばしたV字形状を有し、V字形状の開きを前方に向けて中心部にて胴体12の胴部前側の上部に固定される。前翼14は、2つの翼体のそれぞれの複線に配置されるエレベータ14aを含む。
後翼16は、胴体12から側方に延設されて、巡航時に、すなわち前方へ移動することにより揚力を発生する翼体であり、空気抵抗を小さくする後退翼として機能する。後翼16は、中心部から2つの翼体をそれぞれ左後方及び右後方に延ばしたV字形状を有し、V字形状の開きを後方に向けて中心部にて胴体12の後端の上部にパイロン16cを介して固定される。後翼16は、2つの翼体のそれぞれの複線に配置されるエレボン16a、翼端に配置される垂直尾翼16bを含む。
ここで、後翼16の翼面積は前翼14よりも大きく、後翼16の翼幅は前翼よりも長い。それにより、前方へ移動することにより後翼16が発生する揚力は前翼14が発生する揚力よりも大きく、後翼16は、航空機100の主翼として機能する。なお、前翼14及び後翼16の翼面積、長さ等は、それぞれが発生する揚力のバランス、重心位置、巡航時の機体の姿勢等に基づいて定めてよい。
2つのブーム18は、前翼14及び後翼16により胴体12からそれぞれ左右に離間して支持される構造体であり、VTOLロータ20の構成各部を支持又は格納する機能を果たす。2つのブーム18は、上面視において前後方向に延びる筒形状を有し且つ正面視において上側が丸く湾曲し、下側が先細る翼型の断面形状を有し、対をなして胴体12(すなわち、中心軸L)に対して左右対称に配置される。なお、2つのブーム18は、前後方向に延び且つ幅方向に弧状に湾曲するように形成されてもよい。2つのブーム18は、前側端部を前翼14より前方に位置して、前側胴部(前側の2つのVTOLロータ20aL,20bLの間及び前側の2つのVTOLロータ20aR,20bRの間)にて前翼14の先端に支持されるとともに後側端部を後翼16より後方に位置して、後側胴部(後側の2つのVTOLロータ20cL,20dLの間及び後側の2つのVTOLロータ20cR,20dRの間)にて後翼16に支持される。
8つのVTOLロータ20(20aL~20dL,20aR~20dR)は、2つのブーム18に支持されて、離着陸時に鉛直方向の推力を発生するプロパルジョンシステムである。8つのVTOLロータ20のうちの4つのVTOLロータ20aL~20dLが左側のブーム18に略等間隔に支持され、残りの4つのVTOLロータ20aR~20dRが右側のブーム18に略等間隔に支持される。ここで、左側のVTOLロータ20aL~20dLは、VTOLロータ20aLが最前に、2つのVTOLロータ20bL,20cLが前翼14及び後翼16の間でそれぞれ前後に、VTOLロータ20dLが最後に配置される。同様に、右側のVTOLロータ20aR~20dRは、VTOLロータ20aRが最前に、2つのVTOLロータ20bR,20cRが前翼14及び後翼16の間でそれぞれ前後に、VTOLロータ20dRが最後に配置される。これらの左側のVTOLロータ20aL~20dL及び右側の4つのVTOLロータ20aR~20dRのうち、前後方向に関する位置が等しい各2つの左右のVTOLロータ20aL,20aR、VTOLロータ20bL,20bR、VTOLロータ20cL,20cR、及びVTOLロータ20dL,20dRはそれぞれ対をなし、互いに逆方向に回転するよう制御される。
なお、特に断らない限り、8つのVTOLロータ20aL~20dL,20aR~20dRのそれぞれを単にVTOLロータ20と称する。
VTOLロータ20は、1以上のブレード23、モータ21、インバータ22、及びECU25を有する(図2参照)。
1以上のブレード23は、ブーム18上に支持されて、回転することで鉛直方向に推力を発生する羽根状部材である。本実施形態では、ブレード23の数は2つとするが、1又は3以上の数を含む任意の数でよい。1以上のブレード23は、前翼14及び後翼16より高い位置に支持される。なお、図1において、各VTOLロータ20の1以上のブレード23の回転面を2点鎖線を用いて示している。
モータ21は、上下方向に向けられた回転軸(不図示)を有し、回転軸の回転数を変換する変速機(不図示)を介してモータ21に固定されたブレード23を回転する電動モータである。モータ21は、ブーム18に収容される。
インバータ22は、バッテリ32から高電圧系統40を介して直流電力の供給を受け、ECU25から受信する駆動信号に従ってスイッチング素子を駆動(オンオフ)することにより直流電力を交流電力に変換してモータ21に供給する装置であり、モータ21とともにブーム18に収容される。インバータ22は、交流電力の振幅及び周波数を増減することでモータ21の回転トルク及び回転速度をそれぞれ制御することができる。
ECU(エレクトロニックコントロールユニット)25は、インバータ22に駆動信号を送信することによりその動作を制御して交流電力の振幅及び周波数を変調するユニットである。本実施形態では、ECU25は、インバータ22に備え付けられている。ECU25は、一例としてマイクロコントローラにより実装され、バッテリ32から低電圧系統(ローボルテージシステム(LVS)とも呼ぶ)を介して低電圧の直流電力を受けることで稼働し、メモリに記憶された専用プログラムを実行することで制御機能を発現する。
2つの巡航用ロータ29(29L,29R)は、胴体12の後端に支持されて、巡航時に推力を発生するプロパルジョンシステムである(図2参照)。巡航用ロータ29L,29Rは、胴体12の後端に固定された円筒形のダクト28内で中心軸Lに対して左右に並んで配置され、ダクト28内に支持されて、回転することで前方に推力を発生する1以上のブレード23、前後方向に向けられた回転軸を有し、これを介して先端に固定された1以上のブレード23を回転するモータ21、バッテリ32から直流電力供給を受け、交流電力に変換してモータ21に供給するインバータ22、及びインバータ22の動作を制御するECU25を有する。インバータ22は、モータ21の回転速度を制御することができる。これらの構成各部はVTOLロータ20におけるそれらと同様に構成される。
なお、特に断らない限り、2つの巡航用ロータ29L,29Rのそれぞれを単に巡航用ロータ29と称する。また、特に断らない限り、VTOLロータ20及び巡航用ロータ29をロータ20,29と総称する。
姿勢センサ71は、姿勢検出部の一例であり、航空機100の姿勢を検出するセンサ又はセンサ群である。姿勢センサ71は、胴体12内に固定され、その傾き、すなわちローリング及びピッチングを航空機100の姿勢として検出する。姿勢センサ71として、例えば、角速度(ジャイロ)センサ、加速度センサ等による角速度、加速度等の検出結果から傾きを検出することができる。その検出結果は、通信線を介して制御部91に送信される。
図2に、高電圧系統(パワーディストリビューションシステム(PDS)とも呼ぶ)40の構成及び通信系統49の構成を示す。
高電圧系統40は、エンジン(ENG)44、モータジェネレータ(M/G)42、パワーコントロールユニット(PCU)41、及び4つのグループコンポーネントG1~G4を含んで構成される。なお、これらは電力線(実線で示したケーブル)を介して接続されている。
エンジン44は、レシプロエンジン及びガスタービンエンジン等の内燃機関である。エンジン44は回転動力を生成し、モータジェネレータ42に出力する。
モータジェネレータ42は、エンジン44を始動する際にスタータになるとともに、エンジン44の始動後には発電機になる電動発電機である。なお、エンジン44とともにモータジェネレータ42を発電機と総称する。モータジェネレータ42の回転軸は、エンジン44の出力軸に連結されている。モータジェネレータ42は、エンジン44の動力を受けて発電、すなわち交流電力(特に三相交流電力)を生成し、PCU41に出力し、そしてPCU41を介して負荷(すなわち、飛行するための推力を生成するVTOLロータ20及び巡航用ロータ29)に発電電力を供給する。また、エンジン44の始動時においては、モータジェネレータ42は、交流電力を受けて回転動力を生成し、エンジン44に出力する。
PCU41は、インバータ回路を用いて一次側から入力される交流電力(特に三相交流電力)を直流電力に変換して二次側に出力するとともに、二次側から入力される直流電力を交流電力(特に三相交流電力)に変換して一次側に出力する電力変換ユニットである。PCU41の一次側端子はモータジェネレータ42に接続され、二次側端子は4つのグループコンポーネントG1~G4のそれぞれに接続されている。PCU41は、モータジェネレータ42から出力される交流電力を直流電力に変換して4つのグループコンポーネントG1~G4のそれぞれに向けて出力するとともに、4つのグループコンポーネントG1~G4に含まれるバッテリ32から供給される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ42に出力することができる。
4つのグループコンポーネントG1~G4は、それぞれが、8つのVTOLロータ20のうちのいずれか2つ、グループコンポーネントG1~G2についてはさらに2つの巡航用ロータ29のうちのいずれか1つ、これらに付設されるバッテリ32及びスイッチ36を含んで組まれる電気コンポーネント群である。なお、バッテリ32を含むこれらのコンポーネントは、電力線(実線で示した電力ケーブル)、コンダクタ、ダイオード等の回路素子を介して接続されている。
グループコンポーネントG1は、VTOLロータ20aR,20dL、巡航用ロータ29R、バッテリ32、及びスイッチ36を含む。
VTOLロータ20aR,20dL及び巡航用ロータ29Rは、先述のとおり、それぞれが1以上のブレード23を回転するモータ21及びバッテリ32から直流電力供給を受け、交流電力に変換してモータ21に供給するインバータ22を有する。これら3つのロータ20,29はバッテリ32に対して並列に接続されている。
バッテリ32は、エンジン44を始動するとともに飛行するための電力を蓄える内部電源である。バッテリ32は、エンジン44及びモータジェネレータ42により発電された電力を蓄えるとともに、蓄えた電力をインバータ22を介してモータ21に供給する。ここで、バッテリの充電状態(特に、残充電量又は充電率)をSOC(State of Charge)とも称する。バッテリ32は、上述の3つのロータ20,29とスイッチ36との間に接続されている。バッテリ32は、それに備え付けられたECU33により管理される。
ECU33は、バッテリ32の状態を管理するユニットである。ECU33は、一例としてマイクロコントローラにより実装され、バッテリ32から低電圧系統を介して低電圧の直流電力を受けることで稼働し、メモリに記憶された専用プログラムを実行することで制御機能を発現する。ここで、バッテリ32の状態は、少なくとも充電状態(残充電量、これをSOCとも称する)を含む。ECU33は、バッテリ32から出力される電流を検出してその積算量を算出すること、又は出力端の電位を検出することなど、任意の方法でバッテリ32の充電状態を検出する。その検出結果は、通信線を介して制御部91に送信される。
スイッチ36は、グループコンポーネントG1をPCU41の二次側端子に接続及び切断するための素子であり、一例として直列に接続された整流素子(ダイオード)及びスイッチング素子を含んで構成される。整流素子は、PCU41からグループコンポーネントG1内に向かう電力のみを通す素子である。スイッチング素子は、PCU41及びグループコンポーネントG1を短絡する素子であり、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のような素子を使用することができる。
スイッチ36(スイッチング素子)をオンすることでPCU41から出力される直流電力を整流素子を介してバッテリ32及び3つのロータ20,29に送ることができ、スイッチ36をオフすることでPCU41をグループコンポーネントG1(バッテリ32)から切り離して、バッテリ32に充電された電力のみを3つのロータ20,29に供給することができる。なお、整流素子に並列に接続されてその両端を短絡する別のスイッチング素子を含んでもよい。2つのスイッチング素子をともにオンすることで、バッテリ32をPCU41に整流素子を介さず直接接続し、バッテリ32から直流電力をPCU41に供給することで、モータジェネレータ42を稼働してエンジン44を起動することができる。
なお、スイッチ36が整流素子を含むことで、VTOLロータ20及び巡航用ロータ29の稼働中に、4つのグループコンポーネントG1~G4のうちのあるグループコンポーネント内のバッテリ32から他のグループコンポーネントに電力が供給されるのを防止することができる。
グループコンポーネントG2は、VTOLロータ20aL,20dR、巡航用ロータ29L、バッテリ32、及びスイッチ36を含む。これらの構成各部は、グループコンポーネントG1におけるそれらと同様に構成される。
グループコンポーネントG3は、VTOLロータ20bR,20cL、バッテリ32、及びスイッチ36を含む。これらの構成各部は、グループコンポーネントG1におけるそれらと同様に構成される。
グループコンポーネントG4は、VTOLロータ20bL,20cR、バッテリ32、及びスイッチ36を含む。これらの構成各部は、グループコンポーネントG1におけるそれらと同様に構成される。
なお、本実施形態に斯かる航空機100においては、4つのグループコンポーネントG1~G4のそれぞれに1つのバッテリ32、計4つのバッテリを備えることとしたが、これに限らず、4つのグループコンポーネントG1~G4のうちの2つに1つのバッテリ32、計2つのバッテリ32を備える、各グループコンポーネントG1~G4にそれぞれ2つのバッテリ32、計8つのバッテリ32を備えるなど、任意の数のバッテリ32を備えることとしてもよい。グループコンポーネントの数も、3つのロータごとにコンポーネントを組むに限らず、2つのロータ又は4つのロータごとにコンポーネントを組んでもよい。そのうえで、各グループコンポーネントに1又は複数のバッテリ32を備えることとしてもよい。
通信系統49は、フライトコントローラ(FCU)92、制御部(MCU)91、姿勢センサ71、グループコンポーネントG1~G4に含まれる4つのスイッチ36、バッテリ32にそれぞれ接続する4つのECU33、及びインバータ22にそれぞれ接続する10のECU25を含む。これらは通信線(点線で示した通信ケーブル)を介して相互に通信可能に接続されている。
フライトコントローラ92は、操縦桿、スラストレバー等のインタフェース92aを介して航空機100の乗員からの操作信号を受けて、構成各部の動作を制御するユニットである。フライトコントローラ92は、通信線を介して制御部91及び10のECU25にそれぞれ接続される。フライトコントローラ92は、一例としてマイクロコントローラにより実装され、バッテリ32から低電圧系統を介して低電圧の直流電力を受けることで稼働し、メモリに記憶された専用プログラムを実行することで制御機能を発現する。
例えば、フライトコントローラ92は、インタフェース92aを介して航空機100の操舵に関する指令、離陸又は巡航の指令等を受けると、VTOLロータ20及び巡航用ロータ29のそれぞれに要求される推力(推力指令値とも呼ぶ)、それぞれの推力を発生するのに要する電力量を算出し、制御部91を介してモータジェネレータ42、PCU41、及びECU33に送信することで、ロータ20,29を稼働するために必要な電力を生成させる。これとともに、推力指令値(又はその推力を発生するのに要するロータ20,29の回転数)をECU25に送信することで、インバータ22のスイッチング素子を動作させ、PCU41から出力される直流電力又はバッテリ32から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ21に出力する。それにより、モータ21が作動し、ブレード23が回転することで、VTOLロータ20及び巡航用ロータ29に指令した推力を発生させることができる。
制御部(MCU)91は、通信系統49に含まれる制御ユニットを統括制御するユニットであり、例えば、スイッチ36と通信してそのスイッチング素子の動作、エンジン44と通信してその始動、及びPCU41と通信してそのスイッチング素子の動作を制御するとともに、ECU33と通信してバッテリ32の状態(特に充電状態)を検出する。制御部91は、通信線を介してエンジン44、PCU41、4つのスイッチ36、及び4つのECU33のそれぞれに接続される。制御部91は、一例としてマイクロコントローラにより実装され、バッテリ32から低電圧系統を介して低電圧の直流電力を受けることで稼働し、メモリに記憶された専用プログラムを実行することで制御機能を発現する。
姿勢センサ71、4つのスイッチ36、4つのECU33、10のECU25は、先述のとおり構成される。
図3に、充電制御システム70の機能構成を示す。充電制御システム70は、バッテリ32の充電を制御するシステムであり、先述のグループコンポーネントG1~G4に含まれる4つのバッテリ32及び4つのスイッチ36、姿勢センサ71、エンジン44、PCU41、並びに制御部91を含む。なお、充電制御システム70は、通信系統49の一部を構成している。これらの構成各部は通信線(点線で示した通信ケーブル)を介して相互に通信可能に接続されている。
図4に、エンジン44及びモータジェネレータ42(発電機)の出力電力(受電端電力)及び電圧(受電端電圧)の関係、所謂PV曲線を示す。モータジェネレータ42は、出力電力が高くなるほど受電端電圧が高くなる特性を有する。そこで、上述のとおり構成された充電制御システム70において、制御部91は、スイッチ36をオンしてPCU41を各グループコンポーネントG1~G4に接続することで、発電機が発電した電力をバッテリ32及びインバータ22に出力する。それにより、発電機からの給電電力により、バッテリ32が充電されるとともにロータ20,29が稼働する。
ここで、バッテリ32の充電状態が低い場合、制御部91は、図中に矢印を用いて示すように、発電機を制御して電力出力を下げて、そのバッテリ32の充電量(或いは端子間電圧)に一致する電圧又は若干高い電圧まで受電端電圧を下げる。それにより、発電機の受電端電圧とバッテリの充電量(端子間電圧)がほぼ一致することで、バッテリ32に流れ込む電流量を抑えることができ、電流が流れるケーブル、コンダクタ、ダイオード等の回路素子に過負荷が加わるのを防ぐことができる。
なお、バッテリ32の充電が進むと端子間電圧が上昇するため、制御部91は、発電機の電力出力をバッテリ32の充電量に応じて徐々に上げることでバッテリ32の充電をすすめる。
バッテリ32が十分に充電されている場合などにおいて、制御部91は、スイッチ36をオフしてPCU41から各グループコンポーネントG1~G4を切り離す。それにより、バッテリ32に充電された電力のみがインバータ22に供給されてロータ20,29が稼働する。このとき、バッテリ32は放電することで充電量を減らすこととなる。
図5に、本実施形態に係るバッテリ32の充電を制御する充電制御方法におけるバッテリ切断フローS100を示す。
ステップS102では、制御部91は、航空機100(機体)の姿勢が安定しているか否か判断する。機体の姿勢は姿勢センサ71により検出され、その検出結果が制御部91に送信される。機体の姿勢は、ローリング及びピッチングのそれぞれが水平状態に対して一定角度内であることで安定していると判断することができる。制御部91は、姿勢センサ71の検出結果に基づいて機体の姿勢が安定していると判断される場合、ステップS104に進んでフローを進める。安定していないと判断される場合、機体の姿勢を安定させるためにロータ20,29が推力を発生できるよう特に電力が必要とされているとして、すべてのバッテリを充電できるようフローを終了する。
ステップS104では、制御部91は、4つのバッテリ32のそれぞれの充電状態を検出する。4つのバッテリ32のそれぞれの充電状態は4つのECU33によりそれぞれ検出され、その検出結果が制御部91に送信される。制御部91は、4つのECU33から受信する検出結果に基づいて4つのバッテリ32のうち、充電量が最も多い及び最も少ない2つのバッテリ32を抽出する。
例えば、図6に示した4つのバッテリ32の充電状態の例においては、充電量が最も多い及び最も少ないグループコンポーネントG1,G4の2つのバッテリ32が抽出される。なお、本例では、バッテリ32の充電状態(すなわち、残充電量)は、最大充電量に対するパーセンテージで表すこととし、また簡単のため、4つのバッテリ32の容量(すなわち、最大充電量)はすべて同じであるとする。
ステップS106では、制御部91は、ステップS104で抽出した2つのバッテリ32のそれぞれの充電量の差、すなわち4つのバッテリ32の最大充電量及び最小充電量の差が第1閾充電量より大きいか否か判断する。差が第1閾充電量より大きい場合、バッテリ間で優位な充電量の差があるとしてステップS108に進み、差が第1閾充電量以下の場合、バッテリ間で優位な充電量の差はないとしてフローを終了する。
図6の例の場合、グループコンポーネントG1,G4の2つのバッテリ32の充電量の差60%は、第1閾充電量(一例として30%)より大きいことで、ステップS108に進むこととなる。なお、第1閾充電量は、適宜定めることができ、制御部91が予め定められた値を保持してもよいし、乗員がインタフェース92aを介して入力してもよい。
ステップS108では、制御部91は、ステップS104で抽出した2つのバッテリ32のそれぞれの充電量が第2閾充電量より大きいか否かを判断する。なお、4つのバッテリ32のすべて、又はPCU41に接続されているグループコンポーネントG1~G4のバッテリ32の充電量について判断することとしてもよい。それぞれの充電量が第2閾充電量より大きい場合、次のステップS108にすすみ、それぞれの充電量が第2閾充電量より小さい場合、それぞれのバッテリ32の充電量が優位に下がっているものとしてフローを終了し、それぞれのバッテリ32を充電することとする。
図6の例の場合、グループコンポーネントG1,G4の2つのバッテリ32のそれぞれの充電量80%、20%は、第2閾充電量(一例として10%)より大きいことで、ステップS110に進むこととなる。なお、第2閾充電量は、適宜定めることができ、制御部91が予め定められた値を保持してもよいし、乗員がインタフェース92aを介して入力してもよい。
ステップS110では、制御部91は、スイッチ36を制御して、ステップS104で抽出した2つのバッテリ32のうちの最大充電量のバッテリ32(本例ではグループコンポーネントG1のバッテリ32)をPCU41(すなわち、発電機)から切断する。なお、制御部91は、最小充電量のバッテリ32がPCU41(すなわち、発電機)から切断されている場合、制御部91は、スイッチ36を制御してそのバッテリ32を発電機に接続してよい。
ステップS112では、制御部91は、ステップS110で切断したバッテリ32を除いた残りのバッテリ32、すなわちPCU41に接続されているバッテリ32の充電状態に応じて発電機による発電量を調整する。
制御部91は、本例ではPCU41に接続されているグループコンポーネントG2-G4のバッテリ32の充電量のうち最も大きいグループコンポーネントG2のバッテリ32の充電量70%に対して、図4を用いて説明したように、エンジン44及びモータジェネレータ42を制御して電力出力を下げて、そのバッテリ32の充電量(或いは端子間電圧)に一致する電圧又は若干高い電圧まで受電端電圧を下げる。それにより、発電機の受電端電圧とグループコンポーネントG2のバッテリ32の充電量(端子間電圧)がほぼ一致し、且つ、発電機の受電端電圧とグループコンポーネントG3-G4のバッテリ32の充電量(端子間電圧)との差も小さくなり、グループコンポーネントG1のバッテリ32を切断する前と比較して、それらのバッテリ32に流れ込む電流量が抑えられ、電流が流れるケーブル、コンダクタ、ダイオード等の回路素子に過負荷が加わるのを防ぐことができる。
ステップS114では、制御部91は、PCU41に接続されているバッテリ32が1つのみであるか否か判断する。PCU41に接続されているバッテリ32の数は、4つのスイッチ36のうちオンされているスイッチの数から検出することができる。制御部91は、接続されているバッテリ32の数が1つである場合、フローを終了する。接続されているバッテリ32の数が1つではない場合、ステップS104に戻り、バッテリ32間の充電量の差が小さく(第1閾充電量以下に)なってステップS106の判断が否定されるまで、バッテリ32それぞれの充電量が小さく(第2閾充電量以下に)なってステップS108の判断が否定されるまで、又はPCU41に接続されているバッテリ32の数が1つになってステップS114の判断が肯定されるまで、ステップS104~S112を繰り返す。
本例では、3つのグループコンポーネントG2-G4のバッテリ32がPCU41に接続されていることで、ステップS104に戻る。
ステップS104では、制御部91は、4つのバッテリ32のそれぞれの充電状態を検出し、残りの3つのグループコンポーネントG2-G4のバッテリ32のうち、充電量が最も多い及び最も少ないグループコンポーネントG2,G4の2つのバッテリ32を抽出する。
ステップS106では、制御部91は、グループコンポーネントG2,G4の2つのバッテリ32の充電量の差が第1閾充電量より大きいか否か判断し、差(50%)が第1閾充電量(30%)より大きいことで、ステップS108に進む。
ステップS108では、制御部91は、グループコンポーネントG2,G4の2つのバッテリ32のそれぞれの充電量が第2閾充電量より大きいか否かを判断し、それぞれの充電量(70%及び20%)が第2閾充電量(10%)より大きいことで、ステップS110に進む。
ステップS110では、制御部91は、スイッチ36を制御して、グループコンポーネントG2のバッテリ32をPCU41(すなわち、発電機)から切断する。
ステップS112では、制御部91は、PCU41に接続されているグループコンポーネントG3-G4のバッテリ32の充電状態に応じて発電機による発電量を調整する。
制御部91は、本例ではPCU41に接続されているグループコンポーネントG3-G4のバッテリ32の充電量のうち最も大きいグループコンポーネントG3のバッテリ32の充電量30%に対して、図4を用いて説明したように、エンジン44及びモータジェネレータ42を制御して電力出力をさらに下げて、そのバッテリ32の充電量(或いは端子間電圧)に一致する電圧又は若干高い電圧まで受電端電圧を下げる。それにより、発電機の受電端電圧とグループコンポーネントG3のバッテリ32の充電量(端子間電圧)がほぼ一致し、且つ、発電機の受電端電圧とグループコンポーネントG4のバッテリ32の充電量(端子間電圧)との差も小さくなり、グループコンポーネントG2のバッテリ32を切断する前と比較して、それらのバッテリ32に流れ込む電流量が抑えられ、電流が流れるケーブル、コンダクタ、ダイオード等の回路素子に過負荷が加わるのをさらに防ぐことができる。
ステップS114では、制御部91は、PCU41に接続されているバッテリ32が1つのみであるか否か判断し、グループコンポーネントG3-G4の2つのバッテリ32が接続されていることからステップS104に戻る。しかし、ステップS106において、グループコンポーネントG3,G4の2つのバッテリ32の充電量の差(10%)が第1閾充電量(30%)より小さいことで、判断が否定されてフローを終了することとなる。
図7に、本実施形態に係るバッテリ32の充電を制御する充電制御方法におけるバッテリ接続フローS200を示す。なお、接続フローS200は、切断フローS100に続けて或いは交互に実行してもよいし、独立に、すなわち並列に実行してもよい。
ステップS202では、制御部91は、PCU41から切断されているグループコンポーネントG1~G4、すなわち切断されているバッテリ32を検出する。PCU41からバッテリ32が切断されているか否かは、4つのスイッチ36のそれぞれがオフされているか否か検出することで判断することができる。1つでも切断されているバッテリ32がある場合、ステップS204に進み、切断されているバッテリ32がない場合、フローを終了する。
ステップS204では、制御部91は、4つのバッテリ32のそれぞれの充電状態を検出する。4つのバッテリ32のそれぞれの充電状態は4つのECU33によりそれぞれ検出され、その検出結果が制御部91に送信される。制御部91は、4つのECU33から受信する検出結果に基づいて、PCU41に接続されているバッテリ32のうちで充電量が最も少ないバッテリ32及びPCU41から切断されているバッテリ32のうちで充電量が最も少ないバッテリ32を抽出する。
例えば、図8に示した4つのバッテリ32の充電状態及び接続状態の例においては、PCU41に接続されているバッテリ32のうちで充電量が最も少ないバッテリ32としてグループコンポーネントG4のバッテリ32(充電状態50%)、PCU41から切断されているバッテリ32のうちで充電量が最も少ないバッテリ32としてグループコンポーネントG2のバッテリ32(充電状態60%)が抽出される。なお、本例では、バッテリ32の充電状態(すなわち、充電量)は、最大充電量に対するパーセンテージで表すこととし、また簡単のため、4つのバッテリ32の容量(すなわち、最大充電量)はすべて同じであるとする。
ステップS206では、制御部91は、ステップS204で抽出した2つのバッテリ32のそれぞれの充電量の差、すなわちPCU41から切断されているバッテリ32の最小充電量及びPCU41に接続されているバッテリ32の最小充電量の差が、第1閾充電量より小さいか否か判断される。すなわち、それらの充電量が第1閾充電量の範囲内で一致するかどうか判断される。差が第1閾充電量より小さい場合、接続されていたバッテリ32の充電が進み、その一方で切断されていたバッテリ32の放電が進み、バッテリ32間で優位な充電量の差がなくなったとしてステップS208に進む。差が第1閾充電量以上の場合、まだバッテリ32間で優位な充電量の差があるとしてフローを終了する。
図8に示した例では、PCU41から切断されているバッテリ32のうちで最小充電量(グループコンポーネントG2のバッテリ32の充電状態)60%及びPCU41に接続されているバッテリ32のうちの最小充電量(グループコンポーネントG4のバッテリ32の充電状態)50%の差(10%)が、第1閾充電量(30%)より小さいことで、ステップS208に進むこととなる。
なお、第1閾充電量の値は、先述の切断フローS100における第1閾充電量の値に等しいとしたが、切断フローS100と接続フローS200とで第1閾充電量を異なる値に定めてもよい。
ステップS208では、制御部91は、スイッチ36を制御して、PCU41から切断されているバッテリ32のうちで最小充電量のバッテリ32をPCU41に接続する。
本例では、グループコンポーネントG2のバッテリ32がPCU41に接続され、発電機からの電力給電によりグループコンポーネントG3~G4のバッテリ32とともに充電されることとなる。ステップS208を完了すると、ステップS202に戻る。
制御部91は、PCU41から切断されているバッテリ32がゼロになってステップS202の判断が否定されるまで、又はPCU41から切断されているバッテリ32の最小充電量及びPCU41に接続されているバッテリ32の最小充電量の差が第1閾充電量より大きくなってステップS206の判断が否定されるまで、ステップS202~S208を繰り返す。
本例では、グループコンポーネントG1のバッテリ32がPCU41から切断されていることでステップS202の判断が肯定されてステップS204に進み、PCU41から切断されているバッテリ32の最小充電量(グループコンポーネントG1のバッテリ32の充電状態70%)及びPCU41に接続されているバッテリ32の最小充電量(グループコンポーネントG4のバッテリの充電状態50%)の差(20%)が、第1閾充電量(30%)より小さいことでステップS206の判断も肯定されて、ステップS208に進む。ステップS208において、グループコンポーネントG1のバッテリ32がPCU41に接続され、発電機からの電力給電によりグループコンポーネントG2~G4のバッテリ32とともに充電されることとなる。PCU41に切断されているバッテリ32がゼロになったことで、次のステップS202の判断が否定されて接続フローS200が終了する。
本実施形態に係る充電制御システム70は、VTOLロータ20及び巡航用ロータ29の2つのモータ21に発電電力を供給するエンジン44及びモータジェネレータ42(発電機)、発電機により発電される電力を蓄えるとともに、蓄えた電力を2つのモータ21にそれぞれ供給する2つのバッテリ32を含む複数のバッテリ32、複数のバッテリ32のそれぞれを発電機に接続又は切断するスイッチ36、複数のバッテリ32のそれぞれの充電状態に基づいてスイッチ36を制御して、2つのバッテリ32のうちの充電量の多い一方のバッテリ32を発電機から切断し、2つのバッテリのうちの充電量の少ない他方のバッテリを発電機に接続して充電する制御部91を備える。制御部91により、2つのバッテリ32のそれぞれの充電状態に基づいてスイッチ36を制御して、充電量の多い一方のバッテリ32を発電機から切断し、充電量の少ない他方のバッテリ32を発電機に接続して充電することで、他方のバッテリ32の充電量に応じて発電機を稼働して過負荷を加えることなくそのバッテリ32を充電することができる。
さらに、制御部91は、複数のバッテリ32のうちの一方のバッテリ32を除いた残りのバッテリ32の充電状態に応じて発電機による発電量を調整する。これにより、特に電圧を下げることで他方のバッテリ32に流れ込む電流量が減り、過負荷を加えることなくそのバッテリ32を充電することができる。
本実施形態に係る充電制御方法は、発電機により発電される電力を蓄えるとともに、蓄えた電力をVTOLロータ20及び巡航用ロータ29の2つのモータ21にそれぞれ供給する2つのバッテリを含む複数のバッテリのそれぞれの充電状態を検出する段階、複数のバッテリ32のそれぞれの充電状態に基づいて複数のバッテリ32のそれぞれを発電機に接続又は切断するスイッチ36を制御して、2つのバッテリ32のうちの充電量の多い一方のバッテリ32を発電機から切断する段階、スイッチ36を制御して、2つのバッテリ32のうちの充電量の少ない他方のバッテリ32を発電機に接続して充電する段階を備える。2つのバッテリ32のそれぞれの充電状態に基づいてスイッチ36を制御して、充電量の多い一方のバッテリ32を発電機から切断し、充電量の少ない他方のバッテリ32を発電機に接続して充電することで、他方のバッテリ32の充電量に応じて発電機を稼働して過負荷を加えることなくそのバッテリ32を充電することができる。
本実施形態に係る航空機100は、充電制御システム70を備え、これにより充電制御方法を実行することで、過負荷を加えることなく複数のバッテリ32を充電することができる。
なお、本実施形態に斯かる航空機100においては、1組のエンジン44、モータジェネレータ42、及びPCU41を備えることとしたが、複数組のエンジン44、モータジェネレータ42、及びPCU41、すなわち複数の発電機を備えることとしてもよい。斯かる場合、それぞれの発電機に接続されるグループコンポーネントごとに本実施形態に係る充電制御システム70を構築することとなる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
12…胴体、14…前翼、14a…エレベータ、16…後翼、16a…エレボン、16b…垂直尾翼、16c…パイロン、18…ブーム、20(20aL~20dL,20aR~20dR)…VTOLロータ(ロータ)、21…モータ、22…インバータ、23…ブレード、25…ECU、28…ダクト、29(29L,29R)…巡航用ロータ(ロータ)、30…充電量、32…バッテリ、33…ECU、36…スイッチ、40…高電圧系統、41…PCU、42…モータジェネレータ、44…エンジン、49…通信系統、70…充電制御システム、71…姿勢センサ、91…制御部(MCU)、92…フライトコントローラ、92a…インタフェース、100…航空機、G1~G4…グループコンポーネント、L…中心軸、S100…バッテリ切断フロー、S200…バッテリ接続フロー。

Claims (11)

  1. 複数のバッテリの充電を制御する充電制御システムであって、
    第1及び第2負荷に発電電力を供給する発電機と、
    前記発電機により発電される電力を蓄えるとともに、蓄えた電力を前記第1及び第2負荷にそれぞれ供給する第1及び第2バッテリを含む複数のバッテリと、
    前記複数のバッテリのそれぞれを前記発電機に接続又は切断するスイッチと、
    前記複数のバッテリのそれぞれの充電状態に基づいて前記スイッチを制御して、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の多い一方のバッテリを前記発電機から切断し、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の少ない他方のバッテリを前記発電機に接続して充電する制御部と、
    を備える充電制御システム。
  2. 前記制御部は、前記複数のバッテリのうちの前記一方のバッテリを除いた残りのバッテリの充電状態に応じて前記発電機による発電量を調整する、請求項1に記載の充電制御システム。
  3. 前記制御部は、前記他方のバッテリの充電量が前記一方のバッテリの充電量に第1閾充電量内で一致する場合に、前記スイッチを制御して前記一方のバッテリを前記発電機に接続する、請求項1又は2に記載の充電制御システム。
  4. 前記制御部は、前記第1及び第2バッテリのそれぞれの充電量の差が第1閾充電量より大きい場合に前記一方のバッテリを前記発電機から切断する、請求項1から3のいずれか一項に記載の充電制御システム。
  5. 前記制御部は、前記第1及び第2バッテリのそれぞれの充電量が第2閾充電量より大きい場合に前記一方のバッテリを前記発電機から切断する、請求項4に記載の充電制御システム。
  6. 前記第1及び第2バッテリは、それぞれ、前記複数のバッテリのうちの充電量の最も多い及び最も少ないバッテリである、請求項4又は5に記載の充電制御システム。
  7. 前記制御部は、前記複数のバッテリのうちの前記一方のバッテリを除いた残りのバッテリのうち、充電量の最も多い第3バッテリ及び前記第2バッテリのそれぞれの充電量の差が前記第1閾充電量より大きい場合に前記第3バッテリを前記発電機から切断する、請求項6に記載の充電制御システム。
  8. 前記制御部は、前記複数のバッテリのうち、前記発電機に接続されている残りのバッテリの充電状態に応じて前記発電機による発電量を調整する、請求項7に記載の充電制御システム。
  9. 請求項1から8のいずれか一項に記載の充電制御システムを備え、
    前記第1及び第2負荷は、飛行するための推力を生成するプロパルジョンシステムである、航空機。
  10. 前記第1及び第2負荷を格納する機体の姿勢を検出する姿勢検出部をさらに備え、
    前記制御部は、前記姿勢検出部の検出結果に基づいて前記機体の姿勢が安定していると判断される場合に、前記スイッチを制御して、前記一方のバッテリを前記発電機から切断する、請求項9に記載の航空機。
  11. 複数のバッテリの充電を制御する充電制御方法であって、
    発電機により発電される電力を蓄えるとともに、蓄えた電力を第1及び第2負荷にそれぞれ供給する第1及び第2バッテリを含む複数のバッテリのそれぞれの充電状態を検出する段階であり、前記発電機は前記第1及び第2負荷に発電電力を供給する、段階と、
    前記複数のバッテリのそれぞれの充電状態に基づいて前記複数のバッテリのそれぞれを前記発電機に接続又は切断するスイッチを制御して、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の多い一方のバッテリを前記発電機から切断する段階と、
    前記スイッチを制御して、前記第1及び第2バッテリのうちの充電量の少ない他方のバッテリを前記発電機に接続して充電する段階と、
    を備える充電制御方法。
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