JP2004266989A - 自動車用高度電圧調節システム - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電池寿命、無負荷運転の安定性、原動機性能、発電機および原動機の信頼性の改善、および遷移特性の改善などの利点をもたらす。
【解決手段】 電圧調節器とパワートレインコントロールモジュールとの間の双方向の情報の流れを提供する、原動機のための高度充電システムが開示される。パワートレインコントロールモジュールは、電圧調節器に予め決められたデュ−ティサイクルを送信し、電圧調節器から磁界を駆動するトランジスタのデュ−ティサイクルを受信することにより、電圧調節器の電圧設定値を決定する。本発明は、蓄電池寿命を増加させ、さらに、パワートレインコントロールモジュールが実時間の負荷の変動に基づき動的に発電機出力を制御することを可能にする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蓄電池寿命の延伸、無負荷運転の安定性、原動機性能を含む自動車システムの改善に関し、より詳細には、発電機出力を制御するために用いられる電圧調節器と、パワートレインコントロールモジュール、すなわち原動機制御ユニットとの間の通信に関する。

車輌に搭載される電子機能の急激な進展は、発電機の出力をますます大きくし、原動機のトルク負荷を増大する傾向にある。増加した負荷は、パワートレイン性能に重大な影響を及ぼす。従って、最新の車輌構成に必須なシステムのネットワークに発電機を組み込むことがますます重要になっている。

図を参照して、同様な要素は同じ参照番号で示す。図１に、従来技術による自動車の充電システムの例を示す。図１に示すように、電圧調節器２は、交流発電機４の磁界電流を調節して、交流発電機の出力電流を制御する。図１に示す充電システムは、閉ループシステムであり、磁界電流の調節は、電圧調節器２の内部設定値と対応する車輌電気システムの実際の電圧との差により決定される。運転状態では、システムの電圧が低下すると、電圧調節器２は磁界電流を増加させ、交流発電機４からの出力電流を増加させ、システムの電圧を回復させる。例えば負荷が切断された結果、システムの電圧が上昇すると、磁界電流は減少する。電圧調節器２は、電圧の重大な変化が検出されない限り、通常は比例制御方式で動作する。図１に示す例では、設定値は、最初に、実際の電圧に合わせ調節され、その後、電圧調節器２の内部設定値に追随する。「負荷応答制御」として知られる公知技術のように、この動作は過電圧、低電圧の状態を回避することが出来る。

図１に示すような先行技術の充電システムでは、電圧調節器２の内部設定値は、電圧調節器２の底板の温度に影響され、一般に、線形の負の温度係数を有する。しかしながら、適用の仕方によっては、蓄電池が任意に与えられる温度条件で確実に充電されることを保証するため、この温度係数曲線は、高温、低温で水平になる曲線を形成することができる。

蓄電池が任意の与えられた温度において適切に充電されることを保証するために、電圧調節器の底板は、蓄電池温度の根拠として実際に使用される。しかしながら、現実にはこれら２点の温度は異なる可能性があり、その結果蓄電池寿命に有害な充電条件をもたらすことがあり得る。

従来の閉ループ制御システムの限界は、設計者をして、代替の充電システムの開発に注力させることになった。例えば、最近１０年ぐらいの間に、ある製造メーカは、電圧調節器とパワートレインコントロールモジュール（「ＰＣＭ」）の間に開ループ接続を実現し、調節器が発電機に負荷状態を伝えるようにした。これにより、車輌のエネルギー分配の２つの重要なシステム、すなわち、パワートレインコントロールモジュール（「ＰＣＭ」）が制御下にある原動機からの機械的エネルギーの分配と、電圧調節器２により制御されている発電機からの電気的エネルギーの分配が一体となった。しかしながら、このやり方もまだ限界を有する。

そのため、電圧調節器２とパワートレインコントロールモジュールの間に双方向の情報の流れを提供する高度な充電システムに対する要求がある。本発明は上述した蓄電池充電の問題を扱い、さらに、ＰＣＭが実時間の負荷の変動に基づき動的に発電機出力を制御することを可能とする。

本発明によれば、原動機の電圧調節システムは、電圧調節器と、交流発電機と、パワートレインコントロールモジュールと、電圧調節器およびパワートレインコントロールモジュールの間に双方向の情報の流れを提供する通信モジュールとを含んで提供される。パワートレインコントロールモジュールは、調節器に予め決められたデュ−ティサイクルを送信し、電圧調節器から磁界を駆動するトランジスタのデュ−ティサイクルを受信することにより、電圧設定値を決定する。ここで、パワートレインコントロールモジュールは、交流発電機からの出力を示す交流発電機出力情報を受信し、交流発電機出力情報と設定値の比較結果が原動機の回転数の調整が必要であることを示すと、電圧調節器が原動機の回転数を調節するよう作用する。

高度な充電システムの恩恵を引き出すために、アナログとディジタルのどちらの通信技術が適当かについての検討が設計者によりなされてきた。パワートレインコントロールモジュールと発電機電圧調節器との間の通信は、車輌設計者にとって重要性が拡大している領域である。

この検討における重要な要素は、発電機出力を制御するために使用される電圧調節器とパワートレインコントロールモジュールまたは原動機制御ユニット（「ＥＣＵ」）との間の通信である。

最新の技術を用い、電圧調節器とＰＣＭとの間に双方向の情報の流れを提供することにより、蓄電池寿命、無負荷運転の安定性、原動機性能、発電機および原動機の信頼性の改善、および遷移特性の改善などの利点をもたらす高度な充電システムが、設計者により実現される。

本発明は、一般的にはアナログ通信かディジタル通信のいずれかに基づく情報の流れに関する。図２は本発明にかかる電圧調節システムの一実施例であり、一般的には高度充電システム１０と呼称される。図２に示される実施例ではアナログ通信に基づき、固定周波数パルス幅変調（「ＰＷＭ」）信号６を、パワートレインコントロールモジュール（「ＰＣＭ」）８と電圧調節器２との間の通信に用いる。このＰＣＭ８は好ましくは、特定のデュ−ティサイクルを送信し、電圧調節器２がこれに対し、磁界を駆動するトランジスタのデュ−ティサイクルを返信することによりシステムの電圧設定値を決定する。

従来技術の閉または開ループ解決法に対して高度充電システム１０によりもたらされる一つの利点は、交流発電機４が無負荷運転時の原動機安定性に影響する点であり、このことが車輌燃料消費の改善をもたらす。交流発電機４からの出力が急激に変化したとき、典型的には、原動機のトルク負荷に対応する変動は、原動機の無負荷運転速度の変動をきたす。従来システムにおいては、交流発電機出力のこのような変動は、ＰＣＭ８が反応するには速すぎる。原動機の時定数が交流発電機４のそれよりかなり大きいので、原動機の無負荷運転速度に影響が出る前にスロットル制御を調整することは困難である。

本発明では、ＰＣＭ８は、交流発電機４の負荷状態を感知し、対応する負荷トルクを計算することが出来る。結果として、ＰＣＭ８は、この情報を使用して、無負荷運転時の速度が従来のシステムで可能な値よりもより低くなるようにトルク変動を適切に管理する。さらに、高度充電システム１０は、原動機の毎分の回転数（「ＲＰＭ」）を徐々に増加させることにより、無負荷運転時に交流発電機４の出力が不充分な状態を、ＰＣＭ８に対応させ、その出力を増加する。これは、システム電圧を安定化する効果があり、蓄電池の消耗を防ぐことになる。加えて、ＰＣＭ８は、無負荷運転時の急激な負荷の増大を認識し、再びＲＰＭを増加させ蓄電池の消耗を防ぐ。

また、高度充電システム１０は、例えばスロットル全開のような高ＲＰＭ時の原動機性能の改善に役立つ。この場合、ＰＣＭ８は、好ましくは、交流発電機４の機械的負荷を軽減して、原動機が最大可能仕事率を発揮できるようにする。この場合、電圧調節器２の設定値は、ＰＣＭ８により低減され、これにより、交流発電機４の出力が減少し、従って原動機にかかる機械的負荷を軽減する。また、加速時間の改善に加えて、このような機能を使用して、原動機始動時の蓄電池の消耗を低減することが出来る。

高度充電システム１０は、例えば図２に示すように、ＰＣＭ８が電圧調節器の設定値の温度依存性を決定するようにすることにより、蓄電池の寿命を改善する。本発明によればＰＣＭ８が蓄電池の温度をより正確に計算するための入力情報を有するので、この方法は、蓄電池温度を参照して電圧調節器の底板の温度を使用するよりもはるかに優れている。 さらに、交流発電機４の負荷状態情報の伝達に加えて、高度充電システム１０の電圧調節器２を使用して、電気的および機械的両方の障害のための診断の情報をＰＣＭ８に提供することが出来る。この障害は、交流発電機出力低下および交流発電機電気的接触不良、および、もちろん、ＰＣＭ８と電圧調節器２との間の通信の途絶を含む。ＰＣＭ８により認識出来る他の状態は、回転子または固定子の巻き線の断線および短絡、磁界駆動素子の短絡から生じるシステムの過電圧、磁界駆動素子の断線、および整流器のダイオード障害を含む。これら障害の場合には、その情報をＰＣＭ８が使用して、適切な修復動作を識別するため、または代わりに障害状態を車輌運転者に表示することが出来る。

アナログ通信に基づく高度充電システム１０（図２に示される）に加えて、図３に示される実施例により説明するように、本発明は、またディジタル通信を用いて実現される。図３に示される実施例は、ディジタルバス通信を用い、ローカルインターコネクトネットワーク（「ＬＩＮ」）プロトコルを使用する。ＬＩＮプロトコルは、従来技術の自動車システムにおいて、特に扉施錠および座席調節装置などの動作時間がそれほど重要ではない乗員区画に位置する装置に関連して導入されている。しかしながら、従来技術のシステムと異なり、高度充電システム１０は、自動車システムにおいてこのプロトコルを発電機電圧調節器２Ａに適用する。ＬＩＮプロトコルは、本発明に関連して使用され、負荷応答制御または過電圧保護などの機能が適切に動作することを保証するために電圧調節器２Ａが一秒の何分の１の時間で反応することを可能とする。

図３に示されるシステムは、蓄電池および計器盤に加えて、ＬＩＮにより制御される調節器２Ａ、交流発電機４、車体制御モジュール（ＢＣＭ）７、原動機電子制御ユニット（ＥＣＵ）８Ａを有する。

本発明は、内蔵のアナログＰＷＭ通信機能を有するＰＣＭで制御される電圧調節器を実現するために混成厚膜技術を用いている。これらの混成部品は、「フリップチップ」ＡＳＩＣを磁界駆動素子、発電機の磁界励起電流を制御するための電力トランジスタ、およびフライバックダイオードと集約している。このＡＳＩＣは、中枢電圧調節機能と、通信インタフェースと、個別電力部品のための駆動機能とを提供する。個別チップ型キャパシタを使用して、必要なＥＭＣフィルタを構成する。

このようにして、本発明は従来技術による自動車エネルギー機構に対して重大な利点を提供する。ここで述べられたように、ＰＣＭ８と発電機電圧調節器２との間に通信を提供することにより、蓄電池寿命、燃料消費、および原動機性能の改善が提供されると共に、パワートレインの性能が大きく改善される。

従来技術の自動車充電システムの例を示す図である。 本発明にかかるアナログ通信に基づく調節システムを示す図であり、ここではパワートレインコンバータモジュールの間の通信に、固定周波数の、パルス幅変調信号が用いられる。 本発明にかかり、ディジタル通信に基づき、ローカルインターコネクトネットワークプロトコルを用いる調節システムを示す図であり、ここではパワートレインコントロールモジュールと電圧調節器との間の通信に、固定周波数の、パルス幅変調信号が用いられる。

符号の説明

２ 電圧調節器
４ 交流発電機
６ 周波数パルス幅変調（ＰＷＭ）信号
８ パワートレインコントロールモジュール（ＰＣＭ）
１０ 高度充電システム

Claims (30)

1. 原動機電気システムのための電圧調節システムであって、
   電圧調節器と、交流発電機と、パワートレインコントロールモジュールとを備え、
   前記電圧調節器とパワートレインコントロールモジュールは、前記電圧調節器と前記パワートレインコントロールモジュールの間の情報の双方向の流れを備えた通信をするために接続され、前記パワートレインコントロールモジュールは、前記電圧調節器に予め定められた調節器設定値を表すデータを出力し、前記電圧調節器から前記調節器設定値を表すデータを受信することにより電圧調節器設定値を決定し、前記パワートレインコントロールモジュールが、前記設定値を制御するために交流発電機の出力情報を受信することを特徴とする電圧調節システム。
2. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記交流発電機からの出力を表す交流発電機出力情報を受信し、前記交流発電機出力情報と前記電圧調節器設定値の比較結果が原動機速度の調節が必要であることを示すと、前記電圧調節器が前記原動機速度を調節するように作用することを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
3. 前記パワートレインコントロールモジュールにより前記電圧調節器に向けて出力された予め定められた調節器設定値を表す前記データは、予め定められたデュ−ティサイクルのパルス幅変調された信号を備え、前記電圧調節器により前記パワートレインコントロールモジュール向けて出力された前記調節器設定値を表す前記データは、磁界を駆動するトランジスタのデュ−ティサイクルを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
4. 前記電圧調節器と前記パワートレインコントロールモジュールの間の前記通信は、パルス幅変調を含むことを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
5. 前記交流発電機出力情報は、交流発電機の出力電圧を表すことを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
6. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記電圧調節器が電圧の低下に反応して電圧を増加し、電圧の上昇に反応して電圧を減少するように作用することを特徴とする請求項５に記載の電圧調節システム。
7. 前記通信は、アナログ通信を含むことを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
8. 前記通信は、ディジタル通信を含むことを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
9. ディジタル通信を提供するためにさらにローカルインターコネクトネットワークプロトコルを備えたことを特徴とする請求項８に記載の電圧調節システム。
10. 前記パワートレインコントロールモジュールは、実際の負荷の変動に基づき実時間で動的に交流発電機出力レベルを制御することを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
11. 前記交流発電機は、回転子における回路断線、回転子における回路短絡、磁界駆動素子の短絡から生じるシステムの過電圧、および整流器のダイオード障害のうちの少なくとも一つを示す障害状態の情報をさらに受信することを特徴とする請求項１に記載の電圧調節システム。
12. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記障害状態の情報の電気的通知を提供することを特徴とする請求項１１に記載の電圧調節システム。
13. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記障害状態の情報の受信に反応して修復動作をすることを特徴とする請求項１１に記載の電圧調節システム。
14. 原動機電気システムにおける電圧調節の方法であって、
    電圧調節器とパワートレインコントロールモジュールの間に双方向の情報の流れを提供することであって、前記パワートレインコントロールモジュールは、前記調節器に予め定められた調節器設定値を表すデータを出力し、前記電圧調節器から前記調節器設定値を表すデータを受信することにより電圧調節器の設定値を決定すること、および
    交流発電機からの出力を表す交流発電機出力情報を前記パワートレインコントロールモジュールに提供することであって、それにより前記パワートレインコントロールモジュールが前記設定値を調節することができること
    を備えたことを特徴とする方法。
15. 前記交流発電機出力情報と前記電圧調節器設定値とを比較し、前記原動機の速度を調節すべきであると決定すると、前記パワートレインコントロールモジュールは、前記電圧調節器が原動機速度を調節するように作用することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記パワートレインコントロールモジュールにより前記電圧調節器に向けて出力された予め定められた調節器設定値を表す前記データは、予め定められたデュ−ティサイクルのパルス幅変調された信号を含み、前記電圧調節器により前記パワートレインコントロールモジュール向けて出力された前記調節器設定値を表す前記データは、磁界を駆動するトランジスタのデュ−ティサイクルを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記情報は、少なくとも一つのパルス幅変調信号として供給されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記交流発電機出力情報は、交流発電機の出力電圧を表すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記電圧調節器が、電圧の低下に反応して電圧を増加し、電圧の上昇に反応して電圧を減少するように作用することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記電圧調節器と前記パワートレインコントロールモジュールの間の前記通信は、アナログであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
21. 前記電圧調節器と前記パワートレインコントロールモジュールの間の前記通信は、ディジタルであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
22. ディジタル通信を提供するためにさらにローカルインターコネクトネットワークプロトコルを用いることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記パワートレインコントロールモジュールは、実際の負荷の変動に基づき実時間で動的に交流発電機出力レベルを制御することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
24. 前記交流発電機は、回転子における回路断線、回転子における回路短絡、磁界駆動素子の短絡から生じるシステムの過電圧、および整流器のダイオード障害のうちの少なくとも一つを示す障害状態の情報をさらに受信することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
25. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記障害状態の情報の電気的通知を提供することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記パワートレインコントロールモジュールは、前記障害状態の情報の受信に反応して修復動作をすることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
27. 交流発電機の出力を制御するために交流発電機に接続された電圧調節器と、
    前記電圧調節器に接続され、原動機の回転数を制御するために動作する原動機制御モジュールと、
    前記電圧調節器から前記原動機制御モジュールへ、交流発電機の状態を前記原動機制御モジュールへ提供するために供給される交流発電機負荷状態信号と、
    前記原動機制御モジュールから前記電圧調節器へ前記交流発電機の出力を調節するために供給される交流発電機電圧設定値と
    を備えたことを特徴とする原動機制御システム。
28. 交流発電機負荷状態信号は、前記原動機制御モジュールにより制御される原動機の回転数により変化し、それにより閉ループ制御を提供することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
29. 交流発電機のための電圧調節器であって、
    前記交流発電機の動作のための設定値を提供するための交流発電機出力の制御に関連する制御入力と、
    交流発電機の負荷状態を提供するための、交流発電機の回転数により変化する負荷表示出力と、
    前記交流発電機の磁界巻き線を駆動するために前記交流発電機に接続された磁界駆動素子出力と、
    前記制御入力、前記負荷表示出力および前記磁界駆動素子出力に接続され、前記設定値と交流発電機の出力に基づき磁界駆動素子出力を調節し、および、前記磁界駆動素子出力に基づき前記負荷表示出力を制御するための調節器制御回路と
    を備えたことを特徴とする電圧調節器。
30. 単一の集積回路に集積されたことを特徴とする請求項２９に記載の電圧調節器。

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