JPH08322103A - 電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 【構成】 複数個の蓄電池により電動機２を駆動する電
動機駆動装置において、前記複数個の蓄電池を全数直列
接続してその両端より前記電動機に駆動電力を供給する
放電モードと前記直列接続された複数個の蓄電池を２個
以上の電池ユニットに分割しこれらの電池ユニット１
ａ，１ｂを並列接続してその両端を前記電動機に接続し
該電動機の発電電力を前記蓄電池に回生する充電モード
とを切り換えるスイッチ手段３ａ〜３ｃを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気自動車、電動フォ
ークリフト、電動自転車等のように、バッテリーの蓄電
力を用いて電動機を駆動する電動機駆動装置に関し、特
に、電動機制動時の電動機の発電電力をバッテリーに回
生して、省エネルギー化および駆動時間の延長を図った
電動機駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動機と車輪を機械的に連結したまま、
電動機を電源より切り離して電気的負荷を接続し、電機
子の回転により発生する電力を前記負荷に消費させて、
この時生ずる逆トルクにより電動機を制動する方法は知
られている。しかし、電動機が発電する電力を回収蓄電
し動力用電力として利用することは、電動機の発電電圧
が駆動定格電圧より低く、かつ走行条件により広い範囲
で変動するため駆動用電池への充電が困難であるという
理由で実施されていない。なお、制動時の発電電圧を駆
動定格電圧より高くするには、車輪と電動機の間に増速
ギヤを設けて電動機の回転数を上げる方法や、昇圧器に
より電動機の発電電圧を昇圧する方法が考えられるが、
装置が大型かつ重量化するという問題や、電圧の制御が
困難であるという問題がある。電力を回生するために付
加した機構を駆動することにより消費する電力が、回生
される電力より大きくなれば、電力を回生する意味がな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】本発明は、上述の
問題点に鑑みてなされたもので、バッテリーの蓄電力を
用いて電動機を駆動する電動機駆動装置において、小型
かつ軽量な構成で、制動時に電動機が発電する電力を回
収蓄電し、これを動力用電力として再利用することによ
り、省エネルギー化および駆動時間の延長を図ることを
目的とする。

【０００４】

【問題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、複数個の蓄電池により電動機を駆動す
る電動機駆動装置において、前記複数個の蓄電池を全数
直列接続してその両端より前記電動機に駆動電力を供給
する放電モードと前記直列接続された複数個の蓄電池を
２個以上の電池ユニットに分割しこれらの電池ユニット
を並列接続してその両端を前記電動機に接続し該電動機
の発電電力を前記蓄電池に回生する充電モードとを切り
換えるスイッチ手段を設けたことを特徴とする。

【０００５】本発明の好ましい実施例において、前記ス
イッチ手段は、前記充電モード時、前記複数個の蓄電池
を、放電モード時の２分の１の定格電圧を有する２個の
電池ユニットに２等分する。また、他の好ましい実施例
においては、前記充電モード時の前記電動機の発電電圧
を検出する手段をさらに設け、前記スイッチ手段は該検
出出力に応じて前記複数個の蓄電池をさらに検出された
発電電圧より低い定格電圧を有する電池ユニットにｎ
（但し、ｎは前記蓄電池の個数の２より大きな約数）等
分する。

【０００６】

【作用】上記のように構成された本発明によれば、電動
機駆動車両等の電動機駆動用の蓄電池を該電動機の駆動
定格電圧より低い電圧の複数の電池ユニットに分割し、
放電時（電動機駆動時）には上記電池ユニットを直列接
続して電動機を駆動し、充電時（電動機制動時）は、電
動機の発電電圧が電池電圧より高くなるように電池ユニ
ット間の接続を変更して、慣性走行や下り坂走行による
電動機の発電電力の回生を可能にする。すなわち、電動
機駆動車両が下り勾配等において電動によらず慣性エネ
ルギーで走行する際、電動機に発生する電力を、駆動電
源電池に回収し、駆動電力として再利用することを可能
にする。さらに、登坂時や平地走行時、ペダルに所定量
以上の力がかかったときのみ電動機を駆動してペダル踏
力を軽くするパワーアシスト形の電動自転車等において
は、電池の蓄電量不足時等にペダルにより人力で電池を
充電することもできる。

【０００７】

【実施例１】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の一実施例に係る直流モータ駆動
装置の構成を示す。同図において、１ａ，１ｂはそれぞ
れ定格電圧が６Ｖの電池ユニット、２は定格電圧が１２
Ｖの直流モータ、３（３ａ，３ｂ，３ｃ）は電池ユニッ
ト１ａ，１ｂによりモータ２を駆動する放電モードとモ
ータ２により電池ユニット１ａ，１ｂを充電する充電モ
ードとを切り換えるスイッチ、４は逆流防止用ダイオー
ド、５は電流制限回路である。

【０００８】モータ駆動時、切換スイッチ３は図１に点
線で示す放電モード側に切り換えられる。これにより、
電池ユニット１ａと１ｂは直列に接続され、その両端か
ら１２Ｖの電圧がモータ２に供給される。

【０００９】一方、モータ制動時には、切換スイッチ３
が図１に実線で示す充電モード側に切り換えられる。こ
れにより、電池ユニット１ａと１ｂは並列に接続されて
その両端間の電圧はモータの駆動定格電圧である１２Ｖ
より低い６Ｖとなり、モータ２の発電電圧が６Ｖより充
分に高い間はモータ２の発生する電力が逆流防止用ダイ
オード４および電流制限回路５を介して電池ユニット１
ａ，１ｂに充電される。モータ２の発電電圧が並列接続
された電池ユニット１ａ，１ｂの端子電圧と逆流防止用
ダイオード４および電流制限回路５の電圧降下との和の
電圧を下回ると、充電は終了する。逆流防止用ダイオー
ド４は、充電モードにおいてモータ２の発電電圧が電池
ユニット１ａ，１ｂの端子電圧より低いとき、電流が電
池ユニット１ａ，１ｂからモータ２へ逆流するのを防止
するためのものである。また、電流制限回路５は、電池
ユニット１ａ，１ｂに過大な電流が流れ込んで、電池ユ
ニット１ａ，１ｂを構成する蓄電池を劣化または破壊し
たり、モータ２が急激に制動される（急ブレーキがかか
る）ことを防止するため、充電電流を所定の電流値以下
に制限するものである。電流制限回路５がない場合、回
路の電流制限要素は配線の抵抗やモータ２の巻線抵抗等
からなる微小抵抗のみとなり、モータ２の定格回転時は
モータ２の約１２Ｖと電池ユニットの約６Ｖの差を上記
微小抵抗で除した電流が電池ユニットに流れ込むことに
なる。電流制限回路５では充電電流が所定電流値以下で
はトランジスタ５１を完全にオンさせるが、所定電流値
を越えようとすると、トランジスタ５１がアクティブ領
域で動作して抵抗として働き、充電電流を制限する。電
流制限回路としては、逆流防止用ダイオードと直列に抵
抗を接続するだけでもよい。この場合、電力回生効率は
低下するが、回路構成が簡略化する。さらに、電池ユニ
ットの容量（許容電流値）が充分に大きく、かつモータ
制動の程度も装置全体から見て大き過ぎない場合、電流
制限回路５は省略することができる。

【００１０】上記切換スイッチ３は、単独で操作できる
ようにしてもよいが、本実施例のモータ駆動装置を電動
車両に適用する場合には、そのブレーキと連動させるこ
とができる。この場合は、例えばブレーキが操作された
とき、そのブレーキの遊びの範囲で上記切換スイッチ３
を充電状態に切り換えるようにすれば良い。さらに、電
流制限回路５の電流検出抵抗５２または上記の代用抵抗
として可変抵抗を用いその抵抗値を上記ブレーキに連動
して変化させ電動機によるブレーキ量を調整するように
構成してもよい。

【００１１】

【実施例２】図２は本発明の他の実施例に係る直流モー
タ駆動装置の構成を示す。実施例１の装置は、モータ２
の発電電圧が約７Ｖ以下になると、電池ユニット１ａ，
１ｂへの充電は停止してしまい、約７Ｖ以下の電力は回
生することができない。本実施例２では、１２Ｖの電池
を２Ｖの電池ユニット（本実施例では個々の単電池）１
−１，‥‥，１−６に６分割し、モータ駆動時は６個の
電池ユニットを直列に接続して１２Ｖの出力を得、モー
タ制動時は先ず３個直列２個並列の６Ｖとし、モータ２
の発電電圧が下がるにつれて２個直列３個並列の４Ｖ、
全数並列の２Ｖと電池の端子電圧を下げるようにしてい
る。

【００１２】図２において、６は電圧識別回路、７は電
池切換制御回路、８は電池スイッチング回路である。電
圧識別回路６は、充電式標準電池６１、コンパレータ６
２〜６４およびＡＮＤ回路６５，６６等を具備する。Ａ
ＮＤ回路６５，６６において、丸の付いた入力端子はそ
の入力信号を反転した信号について、丸の付かない入力
端子はその入力信号をそのまま用いて論理積演算を行な
うことを示す。電池切換制御回路７は、６個の２入力Ｏ
Ｒ回路を具備する。電池スイッチング回路８は、スイッ
チング素子Ａ₁ 〜Ａ₄ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₂ ，Ｃ₁ 〜Ｃ₂ ，Ｄ₁
〜Ｄ₂ ，Ｅ，Ｆ₁ 〜Ｆ₄ および電池ユニット１−１〜１
−６を具備する。スイッチング素子としては、ＭＯＳ形
パワーＦＥＴを用いたＩＣやリレー接点等を用いること
ができる。ここでは、スイッチング素子のオン、オフ時
間のばらつきやずれにより電池が短絡されることのない
ように、オフ時はオン信号消滅後直ちにオフするが、オ
ン時はオン信号入力後数μ秒遅延してオンする遅延回路
付のスイッチングＩＣを用いた。ダイオード９および小
容量の蓄電池１０は電圧識別回路６、電池切換制御回路
７および電池スイッチング回路８の動作電源Ｖｃｃを供
給するためのものである。

【００１３】次に、図２の装置の動作を説明する。切換
スイッチ３を「駆動」にすると、充電式標準電池６１の
充電を開始すると同時に、電圧識別回路６の端子ｄに信
号“１”を出力する。すると、電池切換制御回路７は電
圧識別回路６の端子ｄの信号に応動し論理回路を経て端
子Ｃ，Ｄ，Ｅにオン信号を出力する。これにより、電池
スイッチング回路８のスイッチング素子Ｃ₁ 〜Ｃ₂ 、Ｄ
₁ 〜Ｄ₂ およびＥが導通し、電池ユニット１−１〜１−
６は図３に示すように全数が直列に接続され、モータ２
の駆動に必要な電圧１２Ｖの直流電力を出力する。

【００１４】次に切換スイッチ３を「充電」にすると、
モータ２は発電機として働き、発電電力を送出すると同
時に、負荷に応じた制動トルクを発生する。電圧識別回
路６は、モータ２の発電電圧が７Ｖ以上であれば、その
端子ｃに信号“１”を出力する。すると、電池切換制御
回路７は電圧識別回路６の端子ｃの信号“１”に応動し
論理回路を経て端子Ｂ，Ｃ，Ｄにオン信号を出力する。
これにより、電池スイッチング回路８のスイッチング素
子Ｂ₁ 〜Ｂ₂ 、Ｃ₁ 〜Ｃ₂ およびＤ₁ 〜Ｄ₂ が導通し、
電池ユニット１−１〜１−６は図４に示すように電池ユ
ニット１−１〜１−３と１−４〜１−６がそれぞれ直列
に接続され、かつ各直列回路が互いに並列に接続され
る。この３個直列２並列に接続された端子電圧６Ｖの電
池は逆流防止用ダイオード４を介してモータ２に接続さ
れており、モータ２の出力電圧が７Ｖ以上である間、モ
ータ２の発電電力を充電可能する。

【００１５】次に、発電電圧が７Ｖ未満５Ｖ以上の範囲
に入ると、電圧識別回路６は、その端子ｂに信号“１”
を出力する。すると、電池切換制御回路７は電圧識別回
路６の端子ｂの信号“１”に応動し論理回路を経て端子
Ａ，Ｃ，Ｅにオン信号を出力する。これにより、電池ス
イッチング回路８のスイッチング素子Ａ₁ 〜Ａ₄ 、Ｃ₁
〜Ｃ₂ およびＥが導通し、電池ユニット１−１〜１−６
は図５に示すように２個ずつ直列に接続され、かつ各直
列回路が互いに並列に接続される。すなわち、電池ユニ
ットは、２個直列３並列に接続されて端子電圧は４Ｖと
なり、モータ２の５Ｖ以上の発電電力を充電可能とな
る。

【００１６】次に、発電電圧が５Ｖ未満３Ｖ以上の範囲
に入ると、電圧識別回路６は、その端子ａに信号“１”
を出力する。すると、電池切換制御回路７は電圧識別回
路６の端子ａの信号“１”に応動し論理回路を経て端子
Ａ，Ｂ，Ｆにオン信号を出力する。これにより、電池ス
イッチング回路８のスイッチング素子Ａ₁ 〜Ａ₄ 、Ｂ₁
〜Ｂ₂ およびＥが導通し、電池ユニット１−１〜１−６
は図６に示すように全数が並列に接続される。すなわ
ち、電池ユニットは、端子電圧が２Ｖとなり、モータ２
の３Ｖ以上の発電電力を充電可能となる。

【００１７】なお、本実施例２においても、必要に応じ
て実施例１のような電流制限回路を用いることができ
る。

【００１８】

【実施例３】実施例２において、スイッチング素子とし
て半導体スイッチング素子を用いた場合、１個の半導体
スイッチング素子のオン時の電圧降下を０．１２Ｖとし
ても放電時は５個の半導体スイッチング素子が電池と直
列に介挿されるため、全体の電圧降下は０．６Ｖとな
り、駆動時の損失が５％増加することになる。これを防
止するためには、装置がやや大型化するが、スイッチン
グ素子Ｃ₁ 〜Ｃ₂ 、Ｄ₁〜Ｄ₂ およびＥとして常閉形の
リレー接点（ＮＣ接点）を用いればよい。この場合、リ
レー接点Ｃ₁ 〜Ｃ₂ （リレーＣ）を切り換える（開放さ
せる）信号としては信号Ｆを、リレー接点Ｄ₁ 〜Ｄ₂
（リレーＤ）を切り換える（開放させる）信号としては
信号Ａを、そしてリレー接点Ｅ（リレーＥ）を切り換え
る（開放させる）信号としては信号Ｂを用いることがで
きる。したがって、スイッチング素子Ａ₁ 〜Ａ₄ として
上記リレーＤの常開接点（ＮＯ接点）を、スイッチング
素子Ｂ₁ 〜Ｂ₂ としてリレーＥの常開接点を、スイッチ
ング素子Ｆ₁ 〜Ｆ₄ としてリレーＣの常開接点を用いる
ことができる。図７にスイッチング素子としてリレー接
点を用いた場合の回路例を示す。

【００１９】

【発明の適用範囲】本発明において、モータはいわゆる
インナーロータ形、アウターロータ形のいずれでもよ
い。また、回転子が鉄心を持たないコアレス形のモータ
であってもよい。さらに、ブラシの代わりに半導体スイ
ッチング素子を用いたいわゆるブラシレスモータであっ
てもよい。ブラシレスモータの場合、通常は各半導体ス
イッチング素子に逆並列に接続されたダイオードによ
り、モータの各巻線の発電電圧は整流されて直流化され
るが、そうでないときはモータの各巻線の電圧を整流し
て電池に供給する整流回路を付加する。

【００２０】本発明において、蓄電池は、鉛蓄電池やＮ
ｉ−Ｃｄ電池はもとより充放電可能な電池であれば、ど
のような電池を用いたものであってもよい。また、単電
池だけでなく複数個の単電池を適宜直列および／または
並列に接続して１つの電池回路を構成するようなもので
あってもよい。

【００２１】本発明において、発電を行なうモータは単
に１基ではなく、複数個のモータであってもよい。回生
時においては各モータを直列に連結することにより、回
生発電の電圧を上げることができ、併せて各モータ別々
に回生する場合に比べ、只１個の回生回路により回生す
ることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
小型かつ軽量な構成で、モータ制動時のモータの発電電
圧により電池をモータ駆動用の電力として充電すること
ができ、装置の省エネルギー化および駆動時間の延長を
図ることができる。特に、本発明の電動機駆動装置を適
用した電動機駆動車両においては、１充電当たりの走行
距離を伸ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る直流モータ駆動装置
の構成を示す回路図である。

【図２】 本発明の他の実施例に係る直流モータ駆動装
置の構成を示す回路図である。

【図３】 図２の装置におけるモータ制動時の電池の接
続状態を示す回路図である。

【図４】 図２の装置のモータ制動時においてモータの
出力電圧が図３の状態より下がった場合の電池の接続状
態を示す回路図である。

【図５】 図２の装置のモータ制動時においてモータの
出力電圧が図４の状態より下がった場合の電池の接続状
態を示す回路図である。

【図６】 図２の装置のモータ制動時においてモータの
出力電圧が図５の状態より下がった場合の電池の接続状
態を示す回路図である。

【図７】 本発明のさらに他の実施例に係る直流モータ
駆動装置の構成を示す回路図である。

【符号の説明】 １ａ，１ｂ，１−１〜１−６：電池ユニット、２：モ
ータ、３，３ａ〜３ｃ：切換スイッチ、４：逆流防止ダ
イオード、５：電流制限回路、６：電圧識別回路、７：
電池切換制御回路、８：電池スイッチング回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の蓄電池により電動機を駆動する
   電動機駆動装置において、 前記複数個の蓄電池を全数直列接続してその両端より前
   記電動機に駆動電力を供給する放電モードと前記直列接
   続された複数個の蓄電池を２個以上の電池ユニットに分
   割しこれらの電池ユニットを並列接続してその両端を前
   記電動機に接続し該電動機の発電電力を前記蓄電池に回
   生する充電モードとを切り換えるスイッチ手段を設けた
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
2. 【請求項２】 前記スイッチ手段は、前記充電モード
   時、前記複数個の蓄電池を、放電モード時の２分の１の
   定格電圧を有する２個の電池ユニットに２等分する請求
   項１記載の電動機駆動装置。
3. 【請求項３】 前記充電モード時の前記電動機の発電電
   圧を検出する手段をさらに設け、前記スイッチ手段は該
   検出出力に応じて前記複数個の蓄電池をさらに検出され
   た発電電圧より低い定格電圧を有する電池ユニットにｎ
   （但し、ｎは前記蓄電池の個数の２より大きな約数）等
   分する請求項２記載の電動機駆動装置。