JP2004357428A

JP2004357428A - 発電機制御装置

Info

Publication number: JP2004357428A
Application number: JP2003153013A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Sumimoto; 勝之住本; Junya Sasaki; 潤也佐々木; Kyoko Tono; 恭子東野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16
Also published as: FR2855665B1; CN1292531C; FR2855665A1; US6995544B2; DE10360868A1; US20040239295A1; CN1574607A; DE10360868B4

Abstract

【課題】周囲温度に応じて制御内容を変化させ、発電機の性能および効率を向上させた発電機制御装置を得る。
【解決手段】制御電圧リミッタ回路２と、フィールド電流制御回路３と、温度センサ４と、周囲温度Ｔを第１の作動温度ＴＰ１および解除温度ＴＳ１と比較する比較器５と、周囲温度Ｔを第２の作動温度ＴＰ２と比較する比較器６とを有する。比較器５は、周囲温度Ｔが作動温度ＴＰ１を超えたときにリミッタ回路制御信号Ｃ２を出力し、解除温度ＴＳ１を下回ったときにリミッタ回路制御信号Ｃ２をリセットする。比較器６は、周囲温度Ｔが作動温度ＴＰ２を超えたときにフィールド電流遮断信号Ｃ３を出力し、周囲温度Ｔが作動温度ＴＰ２（解除温度）を下回ったときにフィールド電流遮断信号Ｃ３をリセットする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電圧指示命令に応じた制御電圧に基づいて発電機のフィールド電流を制御する発電機制御装置に関し、特にレギュレータ自体の温度をモニタして制御内容を温度状態に応じて変化させることにより、発電機の性能および効率を向上させた発電機制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発電機（オルタネータ）の界磁（フィールド）電流および発電電圧を調整するための制御装置（レギュレータ）は、オルタネータのブラケット内に内蔵されている。また、ブラケット内には、レギュレータにほぼ隣接するように、３相交流電流を整流するための整流器が配置されている（たとえば、特許文献１参照）。
つまり、ブラケット内には、レギュレータを構成するＩＣや、整流器を構成するダイオードなどが混在している。
また、オルタネータのステータは、一対のブラケットに勘合支持されており、レギュレータや整流器との間で配線接続されている。
【０００３】
上記の各部品は、発電時においては発熱体となるので、回転ファンによる空気循環や、液体冷却などで冷却することにより、各部品の性能低下を抑制するとともに破損を防止している。
しかしながら、レギュレータと他部品とでは、使用限界温度がそれぞれ異なるにもかかわらず、温度対策については、レギュレータやバッテリの温度特性を主に考慮している。
したがって、レギュレータに対しては、使用温度がＯＫと判断されても、他部品に対しては限界温度を超えるおそれがあり、この場合、レギュレータのみに対する一辺倒の制御が続けられると、さらに状況が悪化することになる。
特に、高温度雰囲気下での発電制御が不十分となり、非効率的になるおそれがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０９８２２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発電機制御装置は以上のように、整流器などの他のオルタネータ内蔵部品とともに混在並置されて、ブラケットに内蔵されているが、レギュレータ内のＩＣ温度限界値は、他のオルタネータ内蔵部品の温度限界値とは異なり、他部品との間で温度制御をマッチングさせることができないので、レギュレータおよび他部品の温度補償が不十分になるという問題点があった。
また、レギュレータ自体の温度についても積極的には考慮されていないので、さらに温度補償が不十分になるというという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、レギュレータ自体の温度をモニタして制御内容を温度状態に応じて変化させることにより、発電機の性能および効率を向上させることのできる高信頼性の発電機制御装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る発電機制御装置は、電圧指示命令に応じて設定された制御電圧を、リミッタ回路制御信号に応答して制限する制御電圧リミッタ回路と、制御電圧リミッタ回路を介した制御電圧に基づいて発電機に対するフィールド電流を制御するフィールド電流制御回路と、周囲温度を検出する温度センサと、周囲温度を第１の作動温度および解除温度と比較する第１の比較器と、周囲温度を第１の作動温度よりも高い第２の作動温度および解除温度と比較する第２の比較器とを備え、第１の比較器は、周囲温度が第１の作動温度を超えたときに、制御電圧リミッタ回路を機能させるためのリミッタ回路制御信号を出力し、周囲温度が第１の解除温度を下回ったときに、リミッタ回路制御信号をリセットし、第２の比較器は、周囲温度が第２の作動温度を超えたときに、フィールド電流制御回路を遮断するためのフィールド電流遮断信号を出力し、周囲温度が第２の解除温度を下回ったときに、フィールド電流遮断信号をリセットするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１を回路動作と関連させて示す機能ブロック図である。
図２および図３はこの発明の実施の形態１による動作をグラフで示す説明図であり、図２は制御電圧１４．５Ｖでの各温度に対する動作を示し、図３は制御電圧１０．５Ｖでの各温度に対する動作を示している。
また、図４は図１内の温度センサ４に用いられるＡ／Ｄコンバータ４０の具体的構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１において、レギュレータ（発電機制御装置）１０は、ＩＣにより構成されており、外部ユニット（図示せず）からの制御電圧の電圧指示命令Ｃ１に応じて制御電圧Ｖｃを設定する制御電圧設定回路１と、制御電圧Ｖｃに応じてオルタネータ（発電機）のフィールド電流ｉＦを調整する制御電圧リミッタ回路２およびフィールド電流制御回路３と、レギュレータ１０の周囲の温度を監視して周囲温度Ｔ［℃］の検出値を生成する温度センサ４と、温度センサ４の出力側に並設された一対の比較器５、６とを備えている。
【００１０】
レギュレータ１０の温度モニタ回路を構成する温度センサ４は、温度特性を有するダイオード（図示せず）と、ダイオードの電圧降下値ＶＡをデジタル出力値ＶＤ（周囲温度Ｔ）として出力するＡ／Ｄコンバータ４０（図４参照）とを有する。
並列比較器のうちの一方の比較器５は、検出された周囲温度Ｔと、第１温度防衛（後述する）の作動温度ＴＰ１および解除温度ＴＳ１（ヒステリシス付き）とを比較し、周囲温度Ｔが作動温度ＴＰ１を超えたときに制御電圧リミッタ回路２を機能させるためのリミッタ回路制御信号Ｃ２を出力し、周囲温度Ｔが解除温度ＴＳ１を下回ったときにリミッタ回路制御信号Ｃ２をリセットして制御電圧Ｖｃの制限を解除する。
【００１１】
また、他方の比較器６は、検出された周囲温度Ｔと、第２温度防衛（後述する）の作動温度ＴＰ２（＞ＴＰ１）とを比較し、周囲温度Ｔが作動温度ＴＰ２を超えたときにフィールド電流制御回路３を遮断するためのフィールド電流遮断信号Ｃ３を出力し、周囲温度Ｔが作動温度ＴＰ２（＝解除温度ＴＳ２）を下回ったときにフィールド電流遮断信号Ｃ３をリセットする。
【００１２】
レギュレータ１０は、比較器５、６により、少なくとも２つの作動温度ＴＰ１、ＴＰ２に基づいて、各々通常と異なる作動時の制御内容を有している。
また、比較器５は、作動用比較基準となる作動温度ＴＰ１により、制御電圧リミッタ回路２を機能させて、制御電圧Ｖｃを通常値よりも低い値に設定する。
また、比較器５の解除用比較基準となる解除温度ＴＳ１は、作動温度ＴＰ１に対してヒステリシスを有しており、作動温度ＴＰ１よりも低い値に設定されている。
【００１３】
一方、比較器６の比較基準となる作動温度ＴＰ２は、比較器５の作動温度ＴＰ１（上限値）よりも高い値に設定されており、比較器５の作動後に周囲温度Ｔが上昇しても、比較器６が作動するまでに、数１０℃（ここでは、２０℃）の非作動温度範囲を有している。
また、比較器６において、フィールド電流遮断信号Ｃ３を生成するための作動温度ＴＰ２は、フィールド電流遮断信号Ｃ３の解除温度と一致しており、比較器６は、ヒステリシスのない動作を実行するように設定されている。
【００１４】
図４において、温度センサ４内のＡ／Ｄコンバータ４０は、ダイオードの電圧降下値（アナログ値）ＶＡをカウンタ値（後述するＤ／Ａ変換値）と比較してアップダウン切換信号Ｕ／Ｄを出力する比較器４１と、アップダウン切換信号Ｕ／Ｄに応じてクロック信号ＣＬＫをカウントアップ／ダウンすることによりデジタル出力値ＶＤ（周囲温度Ｔに対応）を生成するアップダウンカウンタ４２と、アップダウンカウンタ４２の出力値に基づいて演算を行う演算回路４３と、演算回路４３の出力値をアナログ値に変換して比較器４１に入力するＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）４４とを備えている。
【００１５】
次に、図２〜図４を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１によるＩＣレギュレータ１０の動作について説明する。
まず、制御電圧設定回路１は、外部ユニットからの電圧指示命令Ｃ１に応じて、たとえば１０．７Ｖ〜１６Ｖの範囲で制御電圧Ｖｃを設定する。
制御電圧リミッタ回路２およびフィールド電流制御回路３は、制御電圧Ｖｃによって指示された電圧値にしたがい、オルタネータ（図示せず）のフィールド電流ｉＦを調整する。
【００１６】
一方、温度センサ４は、ダイオードの電圧降下値ＶＡ（図４参照）がリニアな温度依存性を有することに注目して、電圧降下値ＶＡのデジタル出力値ＶＤに基づいてレギュレータ１０の周囲温度Ｔを検出する。
このとき、ダイオードの温度特性は、ダイオード自身の通過電流に依存するので、仮に、通過電流制御回路を通常の抵抗器を用いて構成すると、抵抗器自体が温度特性を持つことや電源電圧のばらつきの影響を受け易いので、都合が悪い。
【００１７】
したがって、温度センサ４内のダイオードに流れる通過電流は、全温度領域で一定電流となって安定性が確保されるように、定電流源（図示せず）から供給される。
なお、定電流源から流れる電流値は、レギュレータ１０の製造工程において、あらかじめ調整作業が行われる。また、温度センサ４内のダイオードの電圧降下値も、レギュレータ１０の製造工程において、あらかじめ室温下にて調整する作業が行われる。
【００１８】
図４に示すように、ダイオードの電圧降下値ＶＡは、Ａ／Ｄコンバータ４０内の比較器４１に入力され、アップダウン切換信号Ｕ／Ｄとなってアップダウンカウンタ４２に入力される。
アップダウンカウンタ４２は、演算回路４３およびＤ／Ａ変換器４４を介して比較器４１に対する基準値をフィードバックし、デジタル出力値ＶＤが電圧降下値（アナログ入力値）ＶＡに近づくようにアップダウン切換動作を行う。
これにより、デジタル出力値ＶＤは、ダイオード電圧降下値（アナログ入力値）ＶＡの近傍で飽和する。
【００１９】
このように、デジタル出力値ＶＤが一度飽和すると、デジタル出力値ＶＤの更新速度は、アップダウンカウンタ４２のクロック信号ＣＬＫ（基本周波数）に依存することから、通常の逐次比較型や積分型などと比べて応答性が早く、速度的に有利である。
【００２０】
こうして検出された周囲温度Ｔと、制御電圧Ｖｃとの関係は、たとえば図２のように表すことができる。
図２において、外部ユニットからの電圧指示命令Ｃ１は、１４．５Ｖに相当しており、常温下での制御電圧Ｖｃは、指令値に一致した電圧値「１４．５Ｖ」に制御される。
【００２１】
一方、周囲温度Ｔが上昇して、第１温度防衛の作動温度ＴＰ１（＝１４０℃）に達すると、図１内の比較器５が作動してリミッタ回路制御信号Ｃ２が生成され、制御電圧リミッタ回路２が機能し始める。これにより、第１温度防衛が作動して、制御電圧Ｖｃは、矢印Ｌ１のように「１２．６Ｖ」に制限される。
【００２２】
このように、制御電圧Ｖｃにリミッタがかけられることにより、レギュレータ１０のＩＣ自身による発熱を抑制することができる。
なお、第１温度防衛の作動温度ＴＰ１（＝１４０℃）は、レギュレータ１０への給電を行うバッテリ（図示せず）の電圧保持に最低限必要な上限値に選択設定されている。
【００２３】
また、第１温度防衛においては、作動温度ＴＰ１と解除温度ＴＳ１との間にヒステリシスが設けられており、図２の例では、解除温度ＴＳ１は１３０℃に設定されている。
すなわち、ファンなどで冷却されて周囲温度Ｔが下降し、解除温度ＴＳ１（＝１３０℃）を下回った時点で、制御電圧Ｖｃは１４．５Ｖに復帰する。したがって、第１温度防衛の作動温度範囲は、図２内の曲線矢印のように表される。
このように、ヒステリシスを設けることにより、レギュレータ１０のＩＣ温度を効率的に低減することができる。
【００２４】
一方、レギュレータ１０は、制御電圧Ｖｃに対して上限値を与える制御形態をとることから、たとえば図３に示すように、電圧指示命令Ｃ１が「１０．５Ｖ」に設定された場合には、作動温度ＴＰ１（＝１４０℃）において第１温度防衛が作動しても、制御電圧Ｖｃは変化せず、制御電圧Ｖｃは「１０．５Ｖ」に保持される。
【００２５】
通常、オルタネータの温度は、比較器５および制御電圧リミッタ回路２による第１温度防衛によって下降するが、予期し得ない理由によって、さらに温度が上昇し続けるおそれもある。
この場合、第２温度防衛の作動温度ＴＰ２（＝１６０℃）に達した時点で、比較器６が作動して、フィールド電流遮断信号Ｃ３がフィールド電流制御回路３に入力されるので、オルタネータに対するフィールド電流ｉＦが遮断される。
【００２６】
このときの比較器６による第２温度防衛は、比較器５による第１温度防衛とは異なり、電圧指示命令Ｃ１の電圧値に依存せずに作動する。
また、第２温度防衛においてはレスポンス性を重視しており、第２温度防衛の解除温度は、作動温度ＴＰ２と同じ値に設定されている。
ただし、第２温度防衛の作動温度ＴＰ２は、作動動作および解除動作が繰り返されたときに、発電機回転子の励磁周波数が発振しないことを考慮して選択設定されている。
また、第１温度防衛、第２温度防衛のいずれにおいても、解除動作時においては、発電率漸増処理が実行されることにより、発電機（オルタネータ）のトルクショックを軽減させるようになっている。
【００２７】
上記のように、レギュレータ１０に温度センサ４を設け、ＩＣ自体の周囲温度Ｔを監視し、少なくとも２つの作動温度ＴＰ１、ＴＰ２に応じて、各々通常作動時とは異なるように制御電圧リミッタ回路２およびフィールド電流制御回路３の制御内容を変化させることにより、レギュレータ１０の周囲の発電機構成部品の安全な使用を保障することができる。したがって、発電機の性能および効率を向上させることが可能な高信頼性のレギュレータ１０（発電機制御装置）が得られる。
【００２８】
また、第１温度防衛の作動温度ＴＰ１において、制御電圧Ｖｃを通常値よりも低い値に設定し、第１温度防衛の解除温度ＴＳ１にヒステリシスを設けることにより、制御の変化をスムーズにするとともに、オルタネータの制御に影響をおよぼすことなく、レギュレータ１０のＩＣ自体の発熱を抑制することができる。
【００２９】
また、第２温度防衛の作動温度ＴＰ２は、第１温度防衛の作動温度ＴＰ１の上限値よりも高く、比較器５の作動後に数１０℃（たとえば、２０℃）の非作動温度範囲（図２、図３内の作動温度範囲参照）を有することから、制御内容が異なる２段階の作動温度が非連続となるので、それぞれの制御開始および制御終了を安定して行うことができる。
【００３０】
さらに、第１温度防衛の作動温度ＴＰ１よりも高い第２温度防衛の作動温度ＴＰ２において、フィールド電流ｉＦを遮断するとともに、ヒステリシスのない解除動作を実行することにより、高レスポンスで高温時にフィールド電流ｉＦを遮断して、過電圧による部品損傷を確実に抑制することができる。
なお、ここでは、レギュレータ１０がオルタネータブラケット内に内蔵される場合を示したが、ブラケットに隣接して設けられてよく、同様の作用効果を奏する。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、電圧指示命令に応じて設定された制御電圧を、リミッタ回路制御信号に応答して制限する制御電圧リミッタ回路と、制御電圧リミッタ回路を介した制御電圧に基づいて発電機に対するフィールド電流を制御するフィールド電流制御回路と、周囲温度を検出する温度センサと、周囲温度を第１の作動温度および解除温度と比較する第１の比較器と、周囲温度を第１の作動温度よりも高い第２の作動温度および解除温度と比較する第２の比較器とを備え、第１の比較器は、周囲温度が第１の作動温度を超えたときに、制御電圧リミッタ回路を機能させるためのリミッタ回路制御信号を出力し、周囲温度が第１の解除温度を下回ったときに、リミッタ回路制御信号をリセットし、第２の比較器は、周囲温度が第２の作動温度を超えたときに、フィールド電流制御回路を遮断するためのフィールド電流遮断信号を出力し、周囲温度が第２の解除温度を下回ったときに、フィールド電流遮断信号をリセットし、レギュレータ自体の温度に応じて制御内容を変化させるようにしたので、発電機の性能および効率を向上させた高信頼性の発電機制御装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を回路動作と関連させて示す機能ブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による制御電圧が１４．５Ｖの場合での各温度に対する動作を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による制御電圧が１０．５Ｖの場合での各温度に対する動作を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による温度センサに用いられるＡ／Ｄコンバータの具体的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１制御電圧設定回路、２制御電圧リミッタ回路、３フィールド電流制御回路、４温度センサ、５、６比較器、１０レギュレータ、Ｃ１電圧指示命令、Ｃ２リミッタ回路制御信号、Ｃ３フィールド電流遮断信号、ｉＦ制御電流、Ｔ周囲温度、ＴＰ１第１温度防衛の作動温度、ＴＰ２第２温度防衛の作動温度、ＴＳ１第１温度防衛の解除温度。

Claims

電圧指示命令に応じて設定された制御電圧を、後記リミッタ回路制御信号に応答して制限する制御電圧リミッタ回路と、
前記制御電圧リミッタ回路を介した制御電圧に基づいて発電機に対するフィールド電流を制御するフィールド電流制御回路と、
周囲温度を検出する温度センサと、
前記周囲温度を第１の作動温度および解除温度と比較する第１の比較器と、
前記周囲温度を前記第１の作動温度よりも高い第２の作動温度および解除温度と比較する第２の比較器とを備え、
前記第１の比較器は、前記周囲温度が前記第１の作動温度を超えたときに、前記制御電圧リミッタ回路を機能させるためのリミッタ回路制御信号を出力し、前記周囲温度が前記第１の解除温度を下回ったときに、前記リミッタ回路制御信号をリセットし、
前記第２の比較器は、前記周囲温度が前記第２の作動温度を超えたときに、前記フィールド電流制御回路を遮断するためのフィールド電流遮断信号を出力し、前記周囲温度が前記第２の解除温度を下回ったときに、前記フィールド電流遮断信号をリセットすることを特徴とする発電機制御装置。
前記第１の解除温度は、前記第１の作動温度に対してヒステリシスを有するように、前記第１の作動温度よりも低い値に設定され、
前記制御電圧リミッタ回路は、前記周囲温度が前記第１の作動温度を超えたときに、前記制御電圧を通常値よりも低い所定値に設定することを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
前記第２の比較器は、前記第１の比較器の作動後から、前記周囲温度の上昇によって作動するまでに、数１０℃の非作動温度範囲を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電機制御装置。
前記フィールド電流遮断信号をリセットするための前記第２の解除温度は、前記第２の作動温度と同一値に設定され、
前記フィールド電流制御回路は、前記周囲温度が前記第２の作動温度を超えたときに、前記発電機のフィールド電流を遮断することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発電機制御装置。