JP2001103796A - 発電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低回転域から高回転域までの発電電力の大き
さと効率を両立する発電制御手段を提供する。 【解決手段】 界磁巻線を有する発電機１と、前記発電
機１の回転数を検出する回転数検出手段２と、該回転数
検出手段２が検出した回転数に基づいて前記発電機の発
電効率が最高となる動作点を演算する最高効率動作点演
算手段６と、該最高効率動作点演算手段が演算した動作
点で前記発電機が発電を行うように前記界磁巻線に供給
する界磁電流を制御する界磁電流制御手段４と、前記発
電機の出力電圧の大きさを所定の電圧値に変換する電圧
変換手段５とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電機を用いた発
電制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用発電装置として一般的に用いら
れている発電機は、エンジンで駆動されて発電を行なう
装置である。図１１に発電機の構成を含む車両電源系の
概略構成を示す。図１１に基づいて、発電機の動作を簡
単に説明する。発電機は巻線界磁式の発電機であり、電
流が流れたロータ部の界磁巻線がエンジンにより回転さ
せられることで回転磁界が作られる。その磁界がステー
タ巻線と鎖交することでステータに交流電圧が発生す
る。これが三相全波整流回路により整流されて直流に変
換され、バッテリと車両の各電気負荷へ供給される。

【０００３】このような発電機の発生する電力は主に、 （１）エンジンと一体になって回転するロータの回転数 （２）界磁巻線に流れる電流 （３）整流回路部（出力部）が接続されるバッテリの電
圧（つまり、出力端子電圧） とで決まる。通常、バッテリ電圧が一定となるように発
電を行なうので、図２に示す回転数・界磁電流に対する
発電電力の関係を基に制御を行なう。図２に界磁電流が
最大の場合の発電機と発電電力の関係を示した。ロータ
の回転数がＮｓｔ未満では発電することができず、その
回転数以上の領域では回転数が上昇するにつれて発電電
力は急に増加するが、徐々にその増加割合が減少して発
電電力はほぼ一定値になる，界磁巻線に流れる電流を小
さい値にした場合でも、ほぼ同様な特性曲線になる。

【０００４】発電機は、例えば特開平５−１７６４７６
号公報に開示されているように、図１１のＶｄｃに相当
する電圧を検出してその電圧がほぼ一定値になるように
界磁巻線に流れる界磁電流を、界磁電流制御回路により
制御して、消費電力とほぼ等しい電力を供給することが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
は下記のような問題点がある。図２を見て明らかなよう
な、発電機回転数が低い場合（エンジン回転数が低い場
合）には発電可能な最大電力が小さいため、車両の消費
電力が大きい場合には発電量が不足する場合がある。図
３に発電機の回転数と発電効率の関係を示すが、比較的
低い回転数で効率が最大となるが、その回転数以上では
効率が下がり続ける。そのため、ピークの回転数近傍以
外では効率が悪い。以上のように、従来の発電機では、
発電電力が小さかったり、発電効率が低いという問題点
があった。本発明はこのような問題点に着目してなされ
たものであり、低回転域から高回転域までの発電電力の
大きさと効率を両立する発電制御装置を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では下記１〜４の手段を用いるが、まず、本
発明が積極的に利用する発電機の特性を説明する。発電
機の発電電力は先に説明したように、発電機の回転数・
界磁電流に加えて出力端子電圧と深い関係がある。

【０００７】図２に示すような発電機の発電特性は、発
電機の出力端子電圧を一定に保った場合の最大発電特性
であるが、発電機はこの図の横軸と曲線で囲まれた範囲
内で動作できる。発電機の出力端子電圧Ｖ０を異なる値
（Ｖ０＝Ｖｍａｘ、Ｖ０＝Ｖｍｉｎ）に保った場合の発
電特性を各々計算すると，図４のようになる。高回転域
では出力端子電圧を大きい値（Ｖｍａｘ）に接続した場
合の最大発電電力が大きいが、低回転域では出力端子電
圧を小さい値（Ｖｍｉｎ）に接続した場合の最大発電電
力が大きい。低回転域をより詳細に見ると、Ｖｍａｘで
は発電が不可能である回転数でもＶｍｉｎでは発電が可
能な回転域があることがわかる。出力端子の電圧をＶｍ
ｉｎ〜Ｖｍａｘまで連続的に可変可能な場合の最大発電
電力は、図４に示す太線の特性となり、低回転域から高
回転域まで大きな発電電力を得ることができる。

【０００８】次に、発電の効率について、同様に発電機
の出力端子電圧Ｖ０を異なる値（Ｖ０＝Ｖｍａｘ、Ｖ０
＝Ｖｍｉｎ）に保った場合の発電効率の特性を図示す。
出力端子の電圧をＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘまで連続的に可変
可能な場合の発電効率は、図５に示す太線の特性とな
り、低回転域から高回転域まで高い発電効率を得ること
ができる。

【０００９】以上のことから、最大発電電力を大きく
し、効率も改善するためには、所望の発電電力を最大効
率で出力可能となるように発電機の出力端子電圧に制御
すれば良いことがわかる。但し、負荷側に供給する電圧
はバッテリや電気負荷の要求からほぼ一定値にするのが
望ましいので、発電装置としての出力電圧は一定値とな
るようにすることが必要である。

【００１０】そこで本発明では、下記により上記課題を
解決する。 １）界磁巻線を有する発電機と、前記発電機の回転数を
検出する回転数検出手段と、該回転数検出手段が検出し
た回転数に基づいて前記発電機の発電効率が最高となる
動作点を演算する最高効率動作点演算手段と、該最高効
率動作点演算手段が演算した動作点で前記発電機が発電
を行うように前記界磁巻線に供給する界磁電流を制御す
る界磁電流制御手段と、前記発電機の出力電圧の大きさ
を所定の電圧値に変換する電圧変換手段とを設けた。

【００１１】以上により、出力端子電圧を可変にするこ
とで、最大出力電力を大きくし効率が最適となる出力端
子電圧で発電を行なうので、発電効率も改善される。ま
た、電気負荷やバッテリに適した電圧と発電効率が最大
となる発電機出力端子電圧とは一般に異なるが、これを
どちらも満たす構成を実現できる。

【００１２】２）上記最高効率動作点演算手段は、発電
機の発電効率を最大にするための発電機出力端子電圧目
標値を演算し、これを前記界磁電流制御手段に出力し、
上記界磁電流制御手段は、発電機発電電圧を前記目標値
に一致させるべく制御し、上記電圧変換手段は発電機発
電電圧を、電気負荷やバッテリに適した所定の電圧に変
換して出力する。

【００１３】以上により、発電機の出力端子電圧は界磁
電流制御手段により発電効率が、最大となる値に制御さ
れ、その電圧が電圧変換手段により電気負荷やバッテリ
に適した電圧に変換される。

【００１４】３）上記最高効率動作点演算手段は、発電
機の発電効率を最大にするための発電機出力端子電圧
（電圧変換手段の入力電圧）の目標値を演算し、前記電
圧変換手段に出力し、上記界磁電流制御手段は、上記電
圧変換手段の出力電圧が電気負荷やバッテリに適した所
定の電圧になるように制御を行い、上記電圧変換手段は
発電機出力端子電圧（電圧変換手段の入力電圧）を前記
目標値に追従させるべく電圧変換をコントロールする。

【００１５】以上により、発電機の出力端子電圧は、こ
れを入力する電力変換手段により電力変換量を制御する
ことで発電効率が最大となる値にされ、電力変換手段の
出力は界電流制御手段により電気負荷やバッテリに適し
た電圧に制御される。４）上記最高効率動作点演算手段
は発電機の回転数と、発電電力とから、最高効率で発電
するための発電機出力端子電圧を決定する。

【００１６】以上により、最大効率で発電するための出
力端子電圧を決定する方法として、発電機の回転数と発
電電力とから決定する方法を与える。発電機の回転数と
発電電力が一定条件下では発電効率を最大にする発電電
圧が存在するので、その電圧を最高効率動作点演算手段
で演算する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
に基づいて説明する。 （実施の形態１）図１は、本発明の発電制御装置の実施
の形態１を示す図である。まず構成を説明する。１は発
電機である，２は発電機１の回転数検出手段である。こ
れは、発電機１に取付けられた専用のものであっても、
発電機１とベルト等により機械的に結合されているエン
ジンの回転数検出手段でも良い。

【００１８】３は自動車で一般的に用いられているバッ
テリである。

【００１９】４は、最高効率動作点演算手段６からの発
電機端子電圧目標値に発電機１の出力端子電圧を追従さ
せるために界磁電流をコントロールする界磁電流制御手
段である。５は、発電機１の出力電圧を変換し、バッテ
リ３や電気負荷に適した電圧を供給する電圧変換手段で
ある。この手段は、例えば図７に示したＤＣ／ＤＣコン
バータで実現できる。これは、昇圧型ＤＣ／ＤＣで出力
電圧を制御する構成であるが、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバ
ータであっても良いし、昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ
であっても良い。出力電圧が例えば１３Ｖ程度になるよ
うに制御される。

【００２０】６は、発電電力演算手段８で演算した発電
電力と発電機１の回転数とから効率を最大にする発電機
１の出力端子電圧の目標値を演算する最高効率動作点演
算手段である。

【００２１】８は発電機１の出力端子電圧と出力電流検
出値とから発電電力を演算する発電電力演算手段であ
る。

【００２２】９は発電電流を検出する電流検出手段であ
る。

【００２３】図１０に示すように、発電電力と回転数を
一定にした場合には発電機１の発電効率が最大となる出
力端子電圧が存在するが、このマップには各発電電力・
回転数に対して発電効率を最大にする出力端子電圧のデ
ータが納められている。

【００２４】７は、例えばヘッドライトや電動モータの
車両の電気負荷である。

【００２５】次に作用を図１、図１０を用いて説明す
る。先ほど説明したように、発電機回転数と発電電力が
決まれば、その発電効率を最大にする出力端子電圧が存
在するので、最高効率動作点演算手段は、発電電力Ｐと
発電機回転数Ｎａｌｔを読み込むと（図１０の（１）、
（２））、そのポイントにおいて発電効率を最大にする
出力端子電圧Ｖ０＿ｃｍｄをマップから読み出し、この
Ｖ０＿ｃｍｄを発電機端子電圧目標値として界磁電流制
御手段４に出力する（図１０の（３）、（４））。界磁
電流制御手段４は発電機１の出力端子電圧をＶ０＿ｃｍ
ｄに制御するので、発電効率は最大となる。また、電圧
変換手段５は発電機１の出力端子電圧をバッテリ３や電
気負荷７に供給する電圧として適した値に変換する。

【００２６】上記のように発電機出力端子電圧を最適に
制御することで発電機１の効率が改善されるが、電圧変
換手段５で新たに発生する損失を含めた総合的な効率で
も従来方式に対して優れている。近年の電圧変換手段で
は９０％程度以上の効率が実現されているので、発電機
１での発電効率が従来比１００／０．９（％）以上であ
れば総合的な効率も改善されるが、これは出力端子電圧
を最適にすることで容易に達成可能である。

【００２７】以上説明したように、従来のシステムに比
べ本実施例では、発電電力範囲を拡大し、且つ効率も改
善できる。

【００２８】（実施の形態２）本発明の実施の形態２を
図６に基づいて説明する。この図中で実施の形態１の構
成を示す図１と同じ番号を付しであるものは、図１と同
じ機能のものであり、ここでは、異なる点を中心に説明
する。実施の形態１では、発電機１の出力端子電圧を所
望の値に制御する働きを界磁電流制御手段４で行い、バ
ッテリ３や車両の電気負荷７に供給する電圧を所定値に
制御する働きを電圧変換手段５で行なっている。これに
対し、実施の形態２では、発電機１の出力端子電圧を所
望の値に制御する働きを電圧変換手段５’で入力側電圧
を制御することで行ない、バッテリ３や電気負荷７に供
給する電圧を所定値に制御する働きを界磁電流制御手段
４’で行なう構成になっている。

【００２９】４’は、電力変換手段５’の出力電圧がバ
ッテリ３や電気負荷７に適した所定の電圧に保たれるよ
うに発電機１の界磁電流を制御する界磁電流制御手段で
ある。

【００３０】５’は最高効率動作点演算手段６’から出
力される発電機出力端子電圧（電圧変換手段の入力電
圧）目標値に追従するように入力側の電圧を制御する電
圧変換を行なう電圧変換手段である。本手段は、例えば
図８に示した降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータで実現でき
る。これは、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータや昇降圧型Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータであっても良い。特徴的なのは、入
力電圧が目標値に追従するように制御されることであ
る。

【００３１】６’は、発電電力演算手段８からの発電電
力値と発電機１の回転数とから発電機１の発電効率を最
大にする発電機１の出力端子電圧の目標値を演算し、そ
の目標値を電圧変換手段５に出力する最高効率動作点演
算手段である。

【００３２】以上の構成で、電圧変換手段５’によりそ
の入力側電圧を制御することで発電機１出力端子電圧を
最高効率となる端子電圧に制御し、界磁電流制御手段
４’により界磁電流をバッテリ３や電気負荷７に供給す
る電圧を所定値に制御する。この構成においても、実施
の形態１と同様に、従来と比ベ発電機１の発電電力範囲
を拡大し、且つ効率も改善できる。以上、本発明の実施
の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこ
の実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても本発
明に含まれる。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来の発電機に対し低回転域から高回転域まで大きな発電
電力が得られ、且つ、効率を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発電制御装置を示す図である。

【図２】発電機の回転数と出力電力の関係を示す図であ
る。

【図３】発電機の回転数と発電効率の関係を示す図であ
る。

【図４】発電機の回転数に対する最大発電電力の関係を
示す図である。

【図５】発電機の回転数に対する発電効率の関係を示す
図である。

【図６】本発明の実施の形態２を示す図である。

【図７】実施の形態１の電圧変換手段を示す図である。

【図８】実施の形態２の電圧変換手段を示す図である。

【図９】実施の形態１の動作を示すフローチャートであ
る

【図１０】発電機端子電圧と発電効率の関係を示す図

【図１１】従来の技術を示す図である

【符号の説明】

１ 発電機 ２ 回転検出手段 ３ バッテリ ４ 界磁電流制御手段 ５ 電圧変換手段 ６ 最高効率動作点演算手段 ７ 電気負荷 ８ 発電電力演算手段 ９ 電流検出手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 界磁巻線を有する発電機と、 前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、 該回転数検出手段が検出した回転数に基づいて前記発電
   機の発電効率が最高となる動作点を演算する最高効率動
   作点演算手段と、 該最高効率動作点演算手段が演算した動作点で前記発電
   機が発電を行うように前記界磁巻線に供給する界磁電流
   を制御する界磁電流制御手段と、 前記発電機の出力電圧の大きさを所定の電圧値に変換す
   る電圧変換手段とを有する発電制御装置。
2. 【請求項２】 上記最高効率動作点演算手段は、発電機
   の発電効率を最大にするための発電機出力端子電圧目標
   値を演算し、これを前記界磁電流制御手段に出力し、上
   記界磁電流制御手段は、発電機発電電圧を前記目標値に
   一致させるべく界磁電流を制御し、 上記電圧変換手段は発電電圧を、電気負荷やバッテリに
   適した所定の電圧に変換して出力することを特徴とする
   請求項１記載の発電制御装置。
3. 【請求項３】 上記最高効率動作点演算手段は、発電機
   の発電効率を最大にするための発電機出力端子電圧の目
   標値を演算し、前記電圧変換手段に出力し、上記界磁電
   流制御手段は、上記電圧変換手段の出力電圧が電気負荷
   やバッテリに適した所定の電圧になるように制御を行
   い、上記電圧変換手段は発電機出力端子電圧を前記目標
   値に追従させるべく電圧変換をコントロールすること特
   徴とする請求項１記載の発電制御装置。
4. 【請求項４】 上記最高効率動作点演算手段は発電機の
   回転数と発電電力とから、最高効率で発電するための発
   電機出力端子電圧を決定することを特徴とする請求項１
   ないし３記載の発電装置。