CN103427744A - 车辆用发电装置及其发电控制方法 - Google Patents

车辆用发电装置及其发电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明获得一种能降低发电所消耗的燃料量的车辆用发电装置及其发电控制方法。所述车辆用发电装置包括：由内燃机(101)驱动以进行发电的发电机(102)；利用发电机的发电功率进行充电的电池(105)；以及降低内燃机发电所消耗的燃料量的发电控制装置(103)，发电控制装置(103)包括：设定内燃机转矩增加所消耗的燃料量较少的动作区域的单元(109)；根据发电机的转速和发电电压将发电效率较高的功率设定成发电功率目标值的单元(110)；以及在内燃机的动作点在上述动作区域内的情况下、进行控制以使发电机的发电量成为目标值的单元(113)。

Description

车辆用发电装置及其发电控制方法
技术领域
本发明涉及车辆用发电装置及其发电控制方法，特别涉及内燃机发电所消耗的燃料量的降低。
背景技术
以往，在车辆上装载有用于对各种电负载进行供电及对电池进行充电的发电机。该发电机由内燃机驱动以进行发电，因此，内燃机在工作中为了进行该发电也会消耗燃料。
然而，近年来，考虑到环境问题，希望改善车辆的燃料消耗，从而提出了降低发电所消耗的燃料量的方法(例如，参照专利文献1)。
在该现有技术中，基于加上发电造成的内燃机的动力增加量后的燃料消耗量映射图，在燃料消耗量较少的内燃机动作区域中实施发电，从而降低发电所消耗的燃料量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特许第4158615号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述专利文献1所示的现有技术中，对于发电所消耗的燃料量未考虑发电机的效率(发电机输出的功率相对于驱动发电机的功的比例)及发电机的驱动时间。因此，发电机效率低的情况与效率高的情况相比，为获得相同功率量，需要较多的功量，从而发电消耗的燃料量有可能增加。
本发明是为解决上述那样的现有问题点而完成的，其目的在于提供一种车辆用发电装置及车辆用发电装置的发电控制方法，其不仅考虑进行发电的内燃机的动作区域，还考虑发电机的效率，从而能降低内燃机工作中因发电而引起的每功率量所消耗的燃料消耗量。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的车辆用发电装置包括：利用内燃机进行驱动以进行发电的发电机；利用所述发电机的发电功率进行充电的电池；以及降低所述内燃机发电所消耗的燃料量的发电控制装置，所述发电控制装置包括：设定所述内燃机的转矩增加所消耗的燃料量较少的动作区域的单元；发电功率设定单元，该发电功率设定单元根据所述发电机的转速和发电电压来计算出发电效率较高的发电电流目标值，将发电效率较高的功率设定成发电功率目标值；以及控制单元，该控制单元在所述内燃机的动作点在所述动作区域内的情况下，进行控制以使所述发电机的发电量成为所述发电功率目标值。
进一步地，所述发电控制装置包括根据所述发电机的发电功率目标值、在所述发电机在发电效率较高的转速区域内的情况下进行发电的单元。
此外，本发明所涉及的车辆用发电装置的发电控制方法中，所述车辆用发电装置包括：利用内燃机进行驱动以进行发电的发电机；利用所述发电机的发电功率进行充电的电池；以及降低所述内燃机发电所消耗的燃料量的发电控制装置，所述车辆用发电装置的发电控制方法包括：第一步骤，该第一步骤基于转速和转矩(或转矩相应量)来检测出内燃机的动作点；第二步骤，该第二步骤对所述检测出的动作点是否在发电所消耗的燃料量较少的动作区域即燃烧发电执行动作区域内进行判定；第三步骤，该第三步骤根据发电机的转速和发电电压计算出发电效率较高的发电电流目标值，设定使发电机高效动作的发电功率目标值；第四步骤，该第四步骤根据在所述第三步骤中设定的发电功率目标值，对发电机转速是否在发电效率较高的转速区域内进行判定；第五步骤，该第五步骤计算出所述发电机的发电电流；第六步骤，该第六步骤基于在所述第三步骤中计算出的发电电流目标值与在所述第五步骤中计算出的发电电流之间的偏差，来设定调整电压；以及第七步骤，该第七步骤基于所设定的调整电压来控制发电机的发电量。
发明效果
根据本发明车辆用发电装置及车辆用发电装置的发电控制方法，在发电所消耗的燃料量较少的内燃机动作区域内，根据发电机的动作点，使发电机以发电效率高的功率进行动作，从而能降低内燃机工作中每功率量所消耗的燃料消耗量。
此外，根据本发明的车辆的发电装置及车辆用发电装置的发电控制方法，根据发电功率的目标值，在发电机效率较高的转速区域内进行发电，从而能抑制发电效率随发电机转速而变化，能始终以较高发电效率进行发电。由此，能进一步降低内燃机在工作中每功率量所消耗的燃料消耗量。
关于本发明的上述的和其他的目的、特征、效果，可以从以下实施方式中的详细说明及附图的记载来进一步明确。
附图说明
图1是装载有本发明的实施方式1中的车辆发电装置的内燃机的简要结构图。
图2是表示本发明的实施方式1中的发电控制装置的处理的流程图。
图3是本发明的实施方式1中的内燃机的燃料消耗量映射图。
图4是本发明的实施方式1中的发电机的效率映射图。
图5是表示本发明的实施方式1中的发电机的最大效率的映射图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是装载有本发明的实施方式1中的车辆发电装置的内燃机的简要结构图。在图1中，内燃机101经由传动皮带来驱动发电机102，发电控制装置103通过对发电电压调整装置104的调整电压进行操作来控制发电机102的发电功率。另外，此处，作为控制精度较高的方式，示出了具备发电电压调整装置104的方式，但作为廉价的系统，发电控制装置103可在其内部具备用来替代发电电压调整装置104的单元，在该情况下，发电控制装置103则能直接控制发电机102的发电功率。
能将发电机102所发出的功率分配为对电池105进行充电的功率和车辆的电负载106所消耗的功率，能利用安装在负极端子上的电流传感器107来检测出电池105的充电电流，同样还能用电流传感器108来检测出电负载106所消耗的电流。能利用发电电压控制装置103的发电电流计算单元112将电池充电电流和车辆的电负载电流相加以计算出发电机102的发电电流。另外，此处示出了具备电流传感器107和108的方式，但作为直接检测出发电机102的发电电流的方式，还可在发电机102与电池105的正极端子之间具备电流传感器。
此外，在作为廉价系统而不具备电流传感器107的情况下，若发电机102为交流发电机，则还可根据转速和FR占空比输出(交流发电机内部的励磁线圈通电比率的输出值)来映射计算出发电电流。此外，还可具备在写入到发电控制装置103中的运算程序中对电池105的充电状态进行模拟的运算模块(运算式或运算块)，从而推定出充电电流。此外，在不具备电流传感器108的情况下，还可根据动作中的电负载的额定功耗来计算出车辆的电负载电流。
图2是表示实施方式1中的发电控制装置103(参照图1)的处理的流程图，按照规定的运算周期(例如100毫秒(msec))来执行。在图2的步骤200中，利用安装于电池105的负极端子上的电流传感器107来检测出电池的充放电电流，前进到步骤201的处理。
在步骤201中，作为内燃机动作点，检测出转速和转矩(或者，代替转矩的进气管压或充气效率)，前进到步骤202。
在步骤202中，利用发电执行动作区域判定单元109，对内燃机的动作点是否在燃烧发电执行动作区域、即发电所消耗的燃料量较少的内燃机动作区域(详细内容利用图3在下面进行描述)内进行判定，若在动作区域内，则前进到步骤203。
在步骤203中，利用发电功率设定单元110，根据发电机的转速和发电电压，来映射计算出发电效率较高的发电电流目标值(详细内容利用图5在下面进行描述)。即，通过将发电电压和发电电流目标值相乘来设定使发电机效率较高地动作的发电功率。此处，发电机的转速能通过将内燃机的转速和占空比相乘来进行计算，发电电压则能通过将电池电压和到发电机的布线电阻量相加来进行计算。
在步骤204中，利用发电执行转速区域判定单元111，根据步骤203中所设定的发电功率，来对发电机的转速是否在发电效率较高的转速区域(详细内容利用图5在下面进行描述)内进行判定，若在发电效率较高的转速区域内，则前进到步骤205。
在步骤205中，利用发电电流计算单元112，将电池105的充电电流和车辆的电负载电流相加，来计算出发电机的发电电流瞬间值，前进到步骤206。
在步骤206中，利用发电电流控制单元113，基于在步骤203中所映射计算出的发电电流目标值、与在步骤205中所计算出的发电电流瞬间值之间的偏差，来输出对发电电压调整装置104进行指令的电压设定值，前进到步骤209。
在步骤202中，在内燃机的动作点在燃烧发电执行动作区域以外的情况下，或者在步骤204中发电机的转速在发电效率较高的转速区域以外的情况下，前进到步骤207。在步骤207中，对放电允许电流进行设定，使得在不执行燃烧发电的情况下电池不过剩地放电，前进到步骤208。
在步骤208中，基于电池的放电允许电流与放电电流(充电电流的相反标号)之间的偏差，来输出对发电电压调整装置104进行指令的电压设定值，前进到步骤209。
另外，此处示出了电池的SOC(充电状态)在使用范围内的情况下的放电方法，但当SOC超过该范围并下降时，例如在电池105为铅电池的情况下，有可能因放电性能下降而变得无法启动或导致劣化进一步发展，因此，还可通过在步骤207中对电池充电电流进行设定，从而在接下来的步骤中强制地对电池进行充电。电池的SOC可通过对电池的充放电电流进行积分来计算出，还可通过具备电池传感器来直接检测出。
在步骤209中，将在步骤206或步骤208中所设定的调整电压指令给发电电压调整装置104，并结束本次的处理。
在通过以上一连串的处理来执行燃烧发电的情况下，能在发电所消耗的燃料量较少的内燃机的动作区域内，使发电机以发电效率较高的功率进行动作。此外，在不执行燃烧发电的情况下，能在允许电流的范围内使电池进行放电。另外，此处仅示出了发电机侧的控制处理，但不言而喻，对于燃烧发电所造成的车辆的驱动转矩的变化，作为内燃机侧的控制处理，通过以节流阀开度或点火时刻的变更来补偿与发电量相应的转矩量，从而能防止驾驶员产生异样感。
图3是本发明的实施方式1中的内燃机的燃料消耗量映射图。内燃机为汽油发动机的情况下，在其特性上，对于每个转速存在燃料消耗率(L/kWh)最小的发动机转矩(Nm)。因此，对于将燃料消耗率(L/kWh)和发动机输出(kW)相乘而得的燃料消耗量(L/h)特性而言，设燃料消耗率(L/kWh)最小的发动机转矩(Nm)为拐点，一旦发动机转矩(Nm)超过拐点，则燃料消耗量(L/h)会急剧增加。即，燃烧发电不应超过该拐点来实施。
考虑以上的燃料消耗量(L/h)的特性，若设定对于每个转速增加单位转矩(1Nm)所需的燃料消耗量的增加ΔF(L/h)较小的动作区域，则为区域301。从而，通过将该动作区域301设定为燃烧发电执行动作区域，从而能将发电所消耗的燃料量抑制得较少。
图4是本发明的实施方式1中的发电机的效率映射图。发电机为交流发电机的情况下，在其特性上，若在电压电流都为一定的条件下增加转速，则发电效率会随着发电所需的驱动力增加而降低。结构因机种而不同，因而产生最大效率的动作点不同，因此，在表示电压一定的条件下的发电效率特性的图4中，在低转速区域中在30A处发电效率成为最大，在高转速区域中在60A处发电效率成为最大。
图5是表示本发明的实施方式1中的发电机的最大效率的映射图，在501曲线所示的发电功率下，发电效率成为最大。由此，根据转速将该曲线上的电流值设定为发电电流目标值，从而能使发电机以发电效率较高的功率来进行动作。此外，若将例如在发电效率为55%以上的低旋转域内发电效率不降低的转速区域设定为发电效率较高的转速区域，则为502区域。
由此，通过在该转速区域502中进行发电，可将发电机转速所造成的效率变化抑制在规定范围内，能始终以较高的发电效率进行发电。
如上所述，根据本发明的实施方式1，能获得具有以下特征、作用效果的特别优良的车辆用发电装置及其发电控制方法。
(1)在发电所消耗的燃料量较少的内燃机动作区域内，根据发电机的动作点，使发电机以发电效率高的功率进行动作，从而能降低内燃机工作中每功率量所消耗的燃料消耗量。
(2)根据发电功率的目标值，在发电机效率较高的转速区域中进行发电，从而能抑制发电效率随发电机转速而变化，能始终以较高发电效率进行发电。由此，能进一步降低内燃机在工作中每功率量所消耗的燃料消耗量。
(3)将发电机的发电电流反馈到发电机控制中，从而能更正确地使发电机以发电效率较高的功率进行动作。由此，能进一步降低内燃机在工作中每功率量所消耗的燃料消耗量。
(4)以电池的充电电流代替发电机的发电电流来反馈到发电机的控制中，从而能瞬间检测出电池的充电接受状态的变化，对发电电流进行控制。由此，能进一步降低内燃机在工作中每功率量所消耗的燃料消耗量，而不对发电机追加发电电流检测装置。
(5)将电池的充电电流和车辆的电负载消耗电流相加以计算出发电机的发电电流，并将其反馈到发电机的控制中，从而能更正确地使发电机以发电效率较高的功率进行动作。由此，能进一步降低内燃机在工作中每功率量所消耗的燃料消耗量，而不对发电机追加发电电流检测装置。
(6)经由发电电压调整装置对发电功率进行控制，从而能将控制发电机的功能从发电控制装置移交给发电电压调整装置来管理由此，能将发电控制装置所承担的一部分功能进行简化，并能通过提高发电功率的控制精度，来进一步降低内燃机在工作中每功率量所消耗的燃料消耗量。
标号说明
101内燃机
102发电机
103发电控制装置
104发电电压调整装置
105电池
106车辆的电负载
107、108电流传感器
109发电执行动作区域判定单元
110发电功率设定单元
111发电执行转速区域判定单元
112发电电流计算单元
113发电电流控制单元

Claims (11)

1.一种车辆用发电装置，包括：利用内燃机进行驱动以进行发电的发电机；利用所述发电机的发电功率进行充电的电池；以及降低所述内燃机发电所消耗的燃料量的发电控制装置，其特征在于，所述发电控制装置包括：
设定所述内燃机的转矩增加所消耗的燃料量较少的动作区域的单元；
发电功率设定单元，该发电功率设定单元根据所述发电机的转速和发电电压来计算出发电效率较高的发电电流目标值，将发电效率较高的功率设定成发电功率目标值；以及
控制单元，该控制单元在所述内燃机的动作点在所述动作区域内的情况下，进行控制以使所述发电机的发电量成为所述发电功率目标值。
2.如权利要求1所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述发电控制装置包括转速区域判定单元，该转速区域判定单元根据所述发电机的发电功率目标值，在所述发电机在发电效率较高的转速区域内的情况下进行发电。
3.如权利要求1或2所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述发电控制装置包括对所述发电机的发电电流进行检测的发电电流计算单元，所述控制单元在所述内燃机的动作点在所述动作区域内的情况下，将所述发电机的发电电流进行反馈，从而进行控制以使所述发电机的发电量成为所述发电功率目标值。
4.如权利要求3所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述车辆用发电装置包括：检测出所述电池的充电电流的装置；以及检测出所述车辆的电负载所消耗的负载电流的装置，所述发电电流计算单元将所述各装置所检测出的电池的充电电流和车辆负载电流相加以计算出所述发电机的发电电流。
5.如权利要求3所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述发电电流计算单元在所述发电机为交流发电机的情况下，根据发电机的转速和FR占空比输出，来映射计算出发电电流。
6.如权利要求3所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述发电控制装置包括运算模块，该运算模块为了推定出电池的充电电流，对电池的充电状态进行模拟。
7.如权利要求3所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述发电电流计算单元根据动作中的电负载的额定功耗来计算出车辆的电负载电流。
8.如权利要求3所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述控制单元基于发电功率设定单元所计算出的发电电流目标值、与所述发电电流计算单元所计算出的发电电流之间的偏差来设定调整电压，并基于该调整电压来进行控制，以使发电机的发电量成为所述发电功率目标值。
9.如权利要求3所述的车辆用发电装置，其特征在于，
所述车辆用发电装置包括对所述发电机的发电电压进行调整的发电电压调整装置，该发电电压调整装置基于所述控制单元所设定的调整电压来进行控制，以使所述发电机的发电量成为所述发电功率目标值。
10.一种车辆用发电装置的发电控制方法，所述车辆用发电装置包括：利用内燃机进行驱动以进行发电的发电机；利用所述发电机的发电功率进行充电的电池；以及降低所述内燃机发电所消耗的燃料量的发电控制装置，其特征在于，包括：
第一步骤，该第一步骤基于转速和转矩(或转矩相应量)来检测出内燃机的动作点；第二步骤，该第二步骤对所述检测出的动作点是否在发电所消耗的燃料量较少的动作区域即燃烧发电执行动作区域内进行判定；第三步骤，该第三步骤根据发电机的转速和发电电压来计算出发电效率较高的发电电流目标值，设定使发电机高效率动作的发电功率目标值；第四步骤，该第四步骤根据在所述第三步骤中设定的发电功率目标值，对发电机转速是否在发电效率较高的转速区域内进行判定；第五步骤，该第五步骤计算出所述发电机的发电电流；第六步骤，该第六步骤基于在所述第三步骤中计算出的发电电流目标值与在所述第五步骤中计算出的发电电流之间的偏差，来设定调整电压；以及第七步骤，该第七步骤基于所设定的调整电压来控制发电机的发电量。
11.如权利要求10所述的车辆用发电装置的发电控制方法，其特征在于，
所述车辆用发电装置的发电控制方法包括：检测出电池的充放电电流的步骤；设定电池的放电允许电流的步骤；以及基于电池的放电允许电流与放电电流之间的偏差来设定调整电压的电压调整步骤，在内燃机动作点在燃烧发电执行动作区域以外的情况下，或在发电机转速在发电效率较高的转速区域以外的情况下，基于所述电压调整步骤所设定的调整电压值，对发电机的发电量进行控制。
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