JP2005080396A - 車両の発電機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリへの充電不足によるバッテリ上がりを防止する。
【解決手段】 エンジンの始動後に、発電機の目標発電電圧を第１発電電圧（１３．８Ｖ）に設定して、バッテリが略満充電になるまで充電を続ける（ａ〜ｂ時点）。バッテリが略満充電になった後には、第１発電電圧よりも低い第２発電電圧（１３Ｖ）に切り替えて発電を行う。
【選択図】 図５

Description

本発明は、車両の発電機制御装置に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、エンジンにて駆動され発電電圧を制御可能な発電機（オルタネータ）と、この発電機の発電電力により充電されるバッテリとを備え、発電機及び／又はバッテリから車両電気負荷機器に電力を供給する場合に、燃費向上等のため、発電機の目標発電電圧（発電電圧指令値）を可変に制御する装置が知られている。

また従来レギュレータにより目標発電電圧を一定に設定することが知られている。
特開平７−８７６８０号公報

しかしながら、レギュレータでの目標発電電圧は、バッテリの充電性能を考慮し、温度特性を持たせた発電電圧設定となっているため、このレギュレータ設定電圧よりも目標発電電圧を下げるということは、バッテリへの充電不足となり、結果として、バッテリ上がりを起こしてしまう可能性が高くなるというおそれがあった。
本発明はこの問題に鑑みてなされたもので、バッテリへの充電不足によるバッテリ上がりを防止することを目的とする。

そのため本発明では、エンジンの始動後は、先ず、発電機が第１発電電圧にて発電を行うことによりバッテリを充電し、このバッテリが略満充電となった後には、第１発電電圧よりも低い第２発電電圧にて発電を行う。

本発明によれば、エンジンの始動後に第１発電電圧にてバッテリを略満充電にすることができ、さらに第２発電電圧により継続してバッテリに電力を供給するため、バッテリを略満充電の状態で維持してバッテリ上がりを防止でき、且つ燃費向上も図ることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、車両の発電機制御装置の構成図である。
図示の通り、エンジン１には発電機（オルタネータ）２が取り付けられ、この発電機２がエンジン１にて駆動されて発電する。発電機２は、電線３を介してバッテリ４と接続されている。バッテリ４には、電流センサ５が取り付けられており、このセンサ５による信号が車両コントローラ６に送られる。

車両コントローラ６は、エンジン１の制御のための各種演算、発電機２の目標発電電圧（発電電圧指令値）の設定、ＣＡＮ（Controller Area Network）８の制御、バッテリ４の充電状態（充電量ＳＯＣ：State Of Charge）の推定などを行う。
エンジン１にて駆動された発電機２が発電を行った際には、電線３を介してバッテリ４に電流を充電すると共に、車両電気負荷機器（ウィンドウのデフォッガ、ヒーターファン、ヘッドライトなど）７に電力を供給する。一方、バッテリ電圧が発電機２の発電電圧より大きい（バッテリ電圧＞発電機の発電電圧）場合には、バッテリ４から車両電気負荷機器７に電力を供給する。

ここで、発電機２の発電電圧を可変にし、走行中の発電量コントロールを行い、燃費向上や動力性能向上を図ることが知られている。一般的な燃費向上のための発電電圧制御方式として、減速時に発電機２の発電電圧を上げてバッテリ４に蓄電を行った後、加速時に発電電圧を下げることが知られている。
また、従来レギュレータでの電圧設定に対して発電電圧を下げることができれば、消費電流の低減（抵抗系負荷）及び発電機駆動トルクの低減が図れ、結果、燃費を向上させることもできる。

但し、従来、常に略満充電状態で制御されていたバッテリ４が、目標発電電圧の制御を行うことにより常に略満充電状態で制御されなくなるため、バッテリ充電不足が懸念される。これを解決し、更に燃費効果を向上させるためには、制御対象の１つであるバッテリ４の充電状態をある程度把握しておく必要がある。
そこで本発明では、エンジン１の始動後に、先ず、発電機２が第１発電電圧にて発電を行うことによりバッテリ４を充電させ、このバッテリ４が目標充電レベルとしての略満充電となった後に、第１発電電圧より電圧の低い第２発電電圧にて発電を行うこととした。

図２は、本発明の制御のタイムチャートであり、（イ）は発電機２の発電電圧、（ロ）はバッテリ４の充放電電流、（ハ）はバッテリ４の充電状態を示している。図３は、バッテリ４の充電電流及び充電量の相関を示す図であり、横軸はバッテリ充電量（％）、縦軸はバッテリ充電電流（Ａ）を示している。
図２に示す通り、エンジン始動後は、先ず、発電機２の目標発電電圧を第１発電電圧（例えば１３．８Ｖ）に設定して発電を行う（発電モード）。これによりバッテリ４の充電電流は、放電状態から充電状態に変わり、バッテリ４に電力を充電する。

そして、第１発電電圧（１３，８Ｖ）にて発電を行うと、バッテリ４に電力が充電され（図２（ハ）参照）、バッテリ４への充電が略満充電状態に近づいてくると、図３に示す通り、バッテリ４へ流れ込む電流が減少する。
バッテリ４へ流れ込む電流が所定値（例えば，１０Ａ）以下になった時に、すなわちバッテリ４の充電状態が略満充電状態（図２（ハ）では８９％）に達した時に、発電機２の目標発電電圧を、バッテリ４の略満充電時のバッテリ起電力Ｅ０よりも高い値である第２発電電圧（例えば１３Ｖ）に切り替え、低電圧においてバッテリ４の満充電状態を維持する。

ここで、バッテリ４の充電量（充電状態）と充電電流の感度とについて説明する。
バッテリ４の高効率放電時の端子電圧は、以下の式で表すことができる。
Ｖbat＝Ｅ０−Ｉ×Ｒ
この時、Ｖbatはバッテリ端子電圧、Ｅ０はバッテリ起電力（開放端電圧）、Ｉはバッテリ充放電電流、Ｒはバッテリ内部抵抗である。

ここで、バッテリ起電力Ｅ０はバッテリ比重によって変化するものであり、すなわちバッテリ４の充電量ＳＯＣに比例する。このため、バッテリ起電力Ｅ０よりバッテリ充電量ＳＯＣを知ることができる。
バッテリ充電時においては、バッテリ４の充電電流Ｉ及び充電量ＳＯＣが、充電分極の影響により放電時に比べて線形の特性にはならないが、バッテリ４の端子電圧Ｖbat、起電力Ｅ０、電流Ｉ、内部抵抗Ｒの考え方は、放電時と等価であり、次式で表すことができる。

Ｖbat＝Ｅ０＋Ｉ×Ｒ
バッテリ４の端子電圧Ｖbat及び内部抵抗Ｒを一定とした場合、バッテリ４の充電量ＳＯＣが低い時、すなわちバッテリ起電力Ｅ０が低い時は、バッテリ充電電流Ｉは大きくなる一方、バッテリ４の充電量ＳＯＣが高い時、すなわちバッテリ起電力Ｅ０が高い時には、バッテリ充電電流Ｉは小さくなる。

また、バッテリ４の内部抵抗Ｒは、バッテリ充電量ＳＯＣの増加に伴って値が増加するために、これらの特性を利用して、バッテリ充電電流Ｉによってバッテリ充電量ＳＯＣの大体の目安を付けることができる。
但し、低温時においてはバッテリ４の内部抵抗Ｒが大きくなるため、電力の受け入れ性が低下するため、温度による補正が必要となる。また、劣化によっても内部抵抗Ｒの増加は起こるため、劣化時の内部抵抗Ｒの増加を考慮する必要がある。

さらに、通常発電機２のレギュレータ発電特性は温度勾配を持っており、発電電圧は常に一定ではないため、バッテリ４の端子電圧Ｖbatによる補正も必要となる。
ここで、発電機２の目標発電電圧の制御について説明する。
図４は、発電機２の目標発電電圧の制御構成図である。図５は、エンジン始動後の時間経過に対する各パラメータを示しており、（イ）はバッテリ充放電電流、（ロ）は目標発電電圧、（ハ）は電流積算値を示している。

エンジン１が始動した後には、先ず、目標発電電圧演算部に、バッテリ充放電電流が入力される。
始動後は先ず、発電機２の目標発電電圧を充電用の高発電電圧（温度特性に応じた電圧を設定）に設定する。ここでは、発電機２の目標発電電圧を第１発電電圧である１３．８Ｖと設定している。これによりバッテリ４を略満充電となるまで充電する。

バッテリ４の充電電流が所定値（例えば、１０Ａ）以下の状態が所定時間継続した際に（図５のｂ時点）、充電完了と判定し、発電機２の目標発電電圧を低発電電圧に切り替える。なお、この時（図５のｂ時点）から、バッテリ４から放電される電流値の積算値の演算と、バッテリ充電状態継続モードでの経過時間の計測とを開始する。
ここで、バッテリ４の略満充電（充電完了）となったことの判定は、発電機２の発電余力電流値が所定値以上の時に行ってもよい。具体的には、バッテリ４の略満充電の判定は、発電余力電流値を、回転数毎の発電機２の発電限界電流値から車両電気負荷機器７の消費電流値を差し引いて算出し、この発電余力電流値（発電限界電流値−消費電流値）が所定のバッテリ充電電流基準値以上（発電限界電流値≧バッテリ充電電流基準値）の時に行ってもよい。これにより、バッテリ４に供給される電流値に応じてバッテリ４の略満充電を正確に判定するためである。

なお、バッテリ４の略満充電の判定は、発電余力電流値を、回転数毎の発電機２の発電限界電流値から現在の発電機２の発電電流値を差し引いて算出し、この発電余力電流値（発電限界電流値−消費電流値）が０以上（発電限界電流値≧０）であることを判定した時に行ってもよい。これにより、バッテリ４に供給される電流値（絶対値）に応じてバッテリ４の略満充電を正確に判定するためである。

発電電圧の切り替えの際には、発電機２の目標発電電圧を初期設定（１３．８Ｖ）から、経過時間に応じて所定電圧ずつダウンカウントをする。ここでは、１０秒ごとに０．１Ｖ（０．１Ｖ／１０ｓｅｃ）だけ目標発電電圧をダウンさせている。例えば、ダウンカウント８０秒行った後は、図５のｂ〜ｃ時点に示すように、目標発電電圧は１３．８Ｖから１３Ｖになる。

そして、バッテリ４が十分に充電されると、バッテリ４の充電電流が低下するため、この充電電流が所定値（例えば、１Ａ）以下の状態が所定時間継続したら、ダウンカウントを終了し、この時の目標発電電圧（１３Ｖ）を保持する（図５のｃ〜ｄ時点）。
バッテリ４の電流が放電状態となった時（図５のｃ〜ｄ時点）、この放電側の電流積算値を積算して、この値が所定値以上となった際に、発電モードに切り替える（図５のｄ時点）。

そして、発電機２の目標発電電圧をアップカウントして、発電モード時における目標発電電圧（第１発電電圧：１３．８Ｖ）まで戻す。なお、発電機２の目標発電電圧は、バッテリ４の温度によって決定する。
図６は、発電機２の目標発電電圧（発電電圧指令値）の制御処理を示すフローチャートである。なお、この処理はエンジン１の始動後（キースイッチＯＮ後）に開始する。

ステップ１（図では「Ｓ１」と示す。以下同様）では、発電機２の目標発電電圧を高電圧側の第１発電電圧（１３．８Ｖ）に設定する。これによりバッテリ４の充電を行う。
ステップ２では、バッテリ４の充電電流値が充電完了判定電流値（例えば、１０Ａ）以下（バッテリ充電電流値≦充電完了判定電流値）になったか否か、すなわちバッテリ４が略満充電量に達したか否かを判定する。

これは、図３に示す通り、バッテリ４の充電が十分であれば電流値が低下するためである。なお、充電完了判定電流値は、バッテリ４の温度又は端子電圧Ｖbatにより補正される。
バッテリ充電電流値Ｉが充電完了判定電流値以下（バッテリ充電電流値≦充電完了判定電流値）、すなわちバッテリ４が略満充電量に達した（図５のｂ時点）場合には、ステップ３へ進む。

一方、バッテリ充電電流値Ｉが充電完了判定電流値より高い（バッテリ充電電流値＞充電完了判定電流値）、すなわちバッテリ４が略満充電量に達していない場合には、バッテリ充電電流値Ｉが低くなるまで処理を繰り返す。これにより、エンジン１の始動後、発電モードにて目標発電電圧を第１発電電圧（１３．８Ｖ）に設定して、所定時間経過するまで、すなわちバッテリ４が略満充電になるまで充電する。

ステップ３では、発電機２の目標発電電圧を、第１発電電圧（１３．８Ｖ）から、これよりも低い第２発電電圧（１３Ｖ）に切り替える（図５のｂ〜ｃ時点）。この切り替えは、目標発電電圧から所定電圧ずつダウンカウント（例えば、１０秒毎に０．１Ｖを低下）することにより行う。
ステップ４では、バッテリ４の放電継続の判定、すなわちバッテリ充電電流の低下を検知する。この判定は、電荷負荷機器７のスイッチがＯＮの状態（バッテリ４が放電状態）、バッテリ放電積算値（絶対値）が所定値以上、及びバッテリ電圧が所定値（１２．５Ｖ）以下である場合にバッテリ４が所定時間放電していると判定する（図５のｄ時点）。これによりバッテリ４の放電状態を検知し、バッテリ充電電流の低下によるバッテリ上がりを防止する。

例えば、電力消費の大きい車両電気負荷機器（デフォッガなど）７が起動されている（機器７のスイッチがＯＮ）時間が長い場合には、バッテリ４の放電の継続時間も長くなり、バッテリ充電電流の低下を検知する。なお、バッテリ４の端子電圧Ｖbatが所定レベル以下に低下したことに基づいて、バッテリ４の放電の継続を判定してもよい。
バッテリ４が所定時間放電を継続した場合には、ステップ５へ進む。一方、バッテリ４が所定時間放電を継続していない場合には、所定時間放電を継続するまで処理を繰り返す。

ステップ５では、発電機２の目標発電電圧を、バッテリ４を充電する電圧（例えば第１発電電圧：１３．８Ｖ）に切り替える。この切り替えは、現在の発電電圧から所定電圧ずつアップカウント（例えば、１０秒毎に０．１Ｖを増加）することにより行う（図５のｄ時点以降）。なお、目標発電電圧は、バッテリ４の温度に応じて決定する。
本実施形態によれば、エンジン１にて駆動され発電電圧を制御可能な発電機２と、この発電機２の発電電力により充電されるバッテリ４とを備え、発電機２又はバッテリ４により車両電気負荷機器７に電力を供給する車両の発電機制御装置において、エンジン１の始動後は、先ず、発電機２が第１発電電圧（１３．８Ｖ）にて発電を行うことによりバッテリ４を充電し、このバッテリ４が略満充電となった後には、第１発電電圧（１３．８Ｖ）よりも低い第２発電電圧（１３Ｖ）にて発電を行う（ステップ３）。このため、エンジン１の始動後に第１発電電圧（１３．８Ｖ）にてバッテリ４を略満充電にすることができる。さらに第２発電電圧（１３Ｖ）により継続してバッテリ４に電力を供給するため、バッテリ４を略満充電の状態で維持してバッテリ上がりを防止でき、且つ燃費向上も図ることができる。

また本実施形態によれば、第２発電電圧（１３Ｖ）は、バッテリ４の略満充電時のバッテリ起電力Ｅ０よりも高い値（第２発電電圧＞Ｅ０）とする。このため、発電機２から車両電気負荷機器（例えばデフォッガ）７に電力を供給することで、バッテリ４の満充電状態を維持でき、放電勝手になることによるバッテリ上がりを防止できる。そして、低充電状態の継続による劣化促進を防止できる。

また本実施形態によれば、バッテリ４に流入出する電流Ｉを検知する手段（電流センサ）５を備え、バッテリ４が目標充電レベルとなったことの判定は、バッテリ４に流入する電流値Ｉに基づいて行う（ステップ２）。このため、バッテリ４からの充放電電流を検知でき、電流値が小さくなった場合にバッテリ４が目標充電レベルに達したことを判定できる。

また本実施形態によれば、バッテリ４が目標充電レベルとなったことの判定は、発電機２の発電余力電流値が所定値以上の時に行う。このため、発電余力電流値を考慮してバッテリ４が目標充電レベルに達したことを判定できる。
また本実施形態によれば、バッテリ４が目標充電レベルとなったことの判定は、発電余力電流値を、回転数毎の発電機２の発電限界電流値から車両電気負荷機器７の消費電流値を差し引いて算出し、この発電余力電流値がバッテリ充電電流基準値以上の時に行う。このため、発電限界電流値を考慮してバッテリ４が目標充電レベルに達したことを判定できる。

また本実施形態によれば、バッテリ４が目標充電レベルとなったことの判定は、バッテリ４に流入する電流値Ｉが所定の判定値以下となった時に行う（ステップ２）。このため、バッテリ４への電流値に基づいて、充電量の把握が容易にできる。
また本実施形態によれば、バッテリ４の満充電の判定値は、バッテリ４の温度及び端子電圧Ｖbatによって補正される（ステップ２）。このため、バッテリ４の温度及び端子電圧Ｖbatを考慮することで判定精度を向上できる。

また本実施形態によれば、バッテリ４の目標充電レベルは、バッテリ４の略満充電状態である。このため、バッテリ４が略満充電状態になった時に目標充電レベルに達したことを判定できる。
また本実施形態によれば、第２発電電圧（１３Ｖ）での発電時に、バッテリ４の放電が所定量継続した場合には、発電電圧を第１発電電圧（１３．８Ｖ）に切り替える（ステップ５）。このため、発電機２を低電圧（１３Ｖ）にて発電を行っている間に、車両電気負荷機器７からの電力要求があった場合には、バッテリ４から供給され、バッテリ充電量（電流積算値）が低下してしまうことを防止できる。

また本実施形態によれば、バッテリ４の放電の継続は、電力消費の大きい車両電気負荷機器７が起動されている時間に基づいて判定する（ステップ４）。このため、第２発電電圧（１３Ｖ）から第１発電電圧（１３．８Ｖ）への切替時期を適切に決定することができる。
また本実施形態によれば、バッテリ４の放電の継続は、バッテリ４から流出する電流積算値に基づいて判定する。このため、バッテリ４の電流積算値に応じて第１発電電圧（１３．８Ｖ）による充電に切り替える時期を決定することができる。

また本実施形態によれば、バッテリ４の放電の継続は、バッテリ４の端子電圧Ｖbatが所定レベル以下に低下したことに基づいて判定する（ステップ４）。このため、バッテリ４の端子電圧Ｖbatを考慮して第１発電電圧（１３．８Ｖ）による充電に切り替える時期を決定することができる。

車両の発電機制御装置の構成図 制御のタイムチャート バッテリの充電電流及び充電量の相関を示す図 発電機の目標発電電圧の制御構成図 エンジン始動後の時間経過に対する各パラメータを示す図 発電機の目標発電電圧の制御処理を示すフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 発電機（オルタネータ）
３ 電線
４ バッテリ
５ 電流センサ
６ 車両コントローラ
７ 車両電気負荷機器
８ ＣＡＮ

Claims (12)

1. エンジンにて駆動され発電電圧を制御可能な発電機と、この発電機の発電電力により充電されるバッテリとを備え、発電機又はバッテリにより車両電気負荷機器に電力を供給する車両の発電機制御装置において、
   エンジンの始動後は、先ず、発電機が第１発電電圧にて発電を行うことによりバッテリを充電し、このバッテリが略満充電となった後には、前記第１発電電圧よりも低い第２発電電圧にて発電を行うことを特徴とする車両の発電機制御装置。
2. 前記第２発電電圧は、バッテリの略満充電時のバッテリ起電力よりも高い値とすることを特徴とする請求項１記載の車両の発電機制御装置。
3. バッテリに流入出する電流を検知する手段を備え、バッテリが目標充電レベルとなったことの判定は、バッテリに流入する電流値に基づいて行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の車両の発電機制御装置。
4. 前記バッテリが前記目標充電レベルとなったことの判定は、発電機の発電余力電流値が所定値以上の時に行うことを特徴とする請求項３記載の車両の発電機制御装置。
5. 前記バッテリが前記目標充電レベルとなったことの判定は、前記発電余力電流値を、回転数毎の発電機の発電限界電流値から車両電気負荷機器の消費電流値を差し引いて算出し、前記発電余力電流値がバッテリ充電電流基準値以上の時に行うことを特徴とする請求項４記載の車両の発電機制御装置。
6. 前記バッテリが前記目標充電レベルとなったことの判定は、バッテリに流入する電流値が所定の判定値以下となった時に行うことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の車両の発電機制御装置。
7. 前記判定値は、バッテリの温度及び端子電圧によって補正されることを特徴とする請求項６記載の車両の発電機制御装置。
8. 前記バッテリの目標充電レベルは、バッテリの略満充電状態であることを特徴とする請求項３〜請求項７のいずれか１つに記載の車両の発電機制御装置。
9. 第２発電電圧での発電時に、バッテリの放電が所定量継続した場合には、発電電圧を第１発電電圧に切り替えることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の車両の発電機制御装置。
10. 前記バッテリの放電の継続は、電力消費の大きい車両電気負荷機器が起動されている時間に基づいて判定することを特徴とする請求項９記載の車両の発電機制御装置。
11. 前記バッテリの放電の継続は、バッテリから流出する電流積算値に基づいて判定することを特徴とする請求項９記載の車両の発電機制御装置。
12. 前記バッテリの放電の継続は、バッテリの端子電圧が所定レベル以下に低下したことに基づいて判定することを特徴とする請求項９記載の車両の発電機制御装置。

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