JP2005117838A - エンジン自動車用電気システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃費を悪化させずにアイドリング回転から最高回転数までの広範囲の回転数変動に対して充分に電池充電の対応ができるエンジン自動車用電気システムを提供する。
【解決手段】 エンジン２の回転軸で駆動する発電機４から車載電池６を充電する充電方式を用い、車載電池６から半導体電力変換器を介して発電機４の界磁巻線の電流を可変することにより発電機４の発生電圧を制御するエンジン自動車用電気システム１であって、半導体電力変換器は、車載電池６の電池電圧より低い電圧から高い電圧まで可変することのできる昇降圧型チョッパ８とし、この昇降圧型チョッパ８は、半導体スイッチのＯＮ時に車載電池６のエネルギーをインダクタンスに蓄積し、半導体スイッチのＯＦＦ時にインダクタンスに蓄積されたエネルギーを界磁巻線に供給するように構成された非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的にオルタネータと称されている内燃機関エンジン自動車（以下、単にエンジン自動車と云う）の車載電池を充電するエンジン自動車用電気システムに関する。

図８は、自動車走行用の内燃機関エンジンで駆動する発電機によって車載電池を充電する従来のエンジン自動車用電気システムの回路図である。このエンジン自動車用電気システム２１は、一般的にオルタネータと称されている電気システムであって、自動車走行用原動機（以下、エンジン２２と云う）の回転軸で駆動する発電機２４の発生電圧によって車載電池２６を充電する充電方式をとっている。つまり、車載電池２６の出力電圧を降圧チョッパ２８によって所望の電圧に降圧して発電機２４の界磁巻線２４ｃに印加すると、界磁巻線２４ｃには所望の界磁電流Ｉf（図９参照）が流れる。一方、走行用のエンジン（内燃機関）２２を回転させると、回転軸またはベルトからなる発電機駆動機構２３によって発電機２４の回転子２４ａが回転し、この回転子２４ａが界磁巻線２４ｃに流れる界磁電流Ｉfによって発生した磁束を切るので、固定子巻線２４ｄには所望の三相交流電圧が発生する。そして、この三相交流電圧を整流器２５によって直流電圧に整流して車載電池２６の充電を行う。

このとき、発電機２４の回転数をＮとすると、発電機２４の界磁電流Ｉfと整流器２５の出力電圧Ｖｇ（以下、整流器出力電圧Ｖgと云う）は次の式（１）に示すような関係になる。
Ｖg ∝ Ｎ×Ｉｆ …（１）
すなわち、整流器出力電圧Ｖg（つまり、発電機２４の発電電圧）は回転数Ｎと界磁電流Ｉfの積に比例する。言い換えれば、整流器出力電圧Ｖg（発電電圧）を一定にするためには回転数Ｎに反比例した界磁電流Ｉfを流す必要があり、また、車載電池２６への充電電圧（あるいは充電電流）を一定にするためには、回転数Ｎが低くなればそれに反比例して界磁電流Ｉfを増やすような制御を行う必要がある。

一方、降圧チョッパ２８の負荷は界磁巻線２４ｃであり、この界磁巻線２４ｃは降圧チョッパ２８に対して抵抗器として作用するので、回転数Ｎが一定の時の界磁電流Ｉfと降圧チョッパ２８の出力電圧Ｖch２（以下、チョッパ出力電圧Ｖch２と云う）との関係は次の式（２）に示すようになる。
Ｖch２ ∝ Ｉｆ …（２）
すなわち、降圧チョッパ２８のチョッパ出力電圧Ｖch２を高くすれば、それに比例して界磁電流Ｉfが増加する。

次に、降圧チョッパ２８の構成とその動作について説明する。図９は、図８のエンジン自動車用電気システム２１に構成される降圧チョッパ２８の回路図である。この降圧チョッパ２８は周知の回路であるので構成及び動作の詳細な説明は省略するが、半導体スイッチ３１の通電率（半導体スイッチ３１のスイッチング周期に対するＯＮ時間の比率）を変化させることによって、降圧チョッパ２８のチョッパ出力電圧Ｖch２を制御することができるようになっている。図１０は、図９に示す降圧チョッパの通電率αとチョッパ出力電圧Ｖch２との関係を示す特性図である。尚、図１０では降圧チョッパ２８のチョッパ出力電圧Ｖch２は最大出力電圧に対する百分率（％）で示している。図１０から分かるように、降圧チョッパ２８のチョッパ出力電圧Ｖch２は、通電率αが最大である１００％（以下、１.０という比率で表現する）の時に最大の１００％となり、これ以上の出力電圧を出すことは出来ない。

図１１は、図８のエンジン自動車電気システム２１において、エンジン２２をアイドリング回転数から最高回転数まで変動させたときの発電機２４の界磁電流Ｉfと整流器出力電圧Ｖgの関係を示す特性図である。整流器出力電圧Ｖgを一定に制御するためには、前記した式（１）に示すように回転数Ｎと界磁電流Ｉfを反比例させる必要がある。そこで、降圧チョッパ２８は、図１１に示すように、エンジン２２（すなわち、発電機２４）が最高回転数Ｎmaxの時に界磁電流Ｉfが最少となり、かつアイドリング回転数Ｎidleの時に界磁電流Ｉfが最大となるように半導体スイッチ３１によって通電率αの制御を行っている。

尚、下記の特許文献１などに、上記のような通電率制御を行う降圧チョッパを用いて電気自動車の電池充電を行う技術が開示されている。
特開２０００−１５２４０８号公報（段落番号００２１〜００２６、図１及び図２）

しかしながら、エンジン自動車のエンジン回転数は最低のアイドリング運転時の数百ｒｐｍから高速走行時の数千ｒｐｍの最高回転数まで大きく変動するので、エンジンで駆動する発電機の回転数も大きく変動する。当然のことながら、発電機としてはエンジンの回転数が大きく変動しても、その変動範囲内においては充分に車載電池の充電が出来る性能であることが要求される。一方、発電機及び降圧チョッパの大きさ及びコストはこのアイドリング運転時の性能によって決まってしまう。すなわち、エンジン自動車の車載電池を充電するエンジン自動車用電気システムを小型・軽量化及び低価格化するためには、アイドリング回転数を高い回転数に設定して充分な界磁電流を流す必要がある。しかし、現実には、燃料費を節減するためにアイドリング運転時の回転数をあまり高くすることはできない。

図１２は、図８に示す従来のエンジン自動車用電気システムで降圧チョッパの通電率が制御されているときの発電機特性を示す特性図である。図１２に示すように、従来のエンジン自動車用電気システムの降圧チョッパでは、アイドリング回転数Ｎidleより高い極低速時の最低回転数Ｎminで界磁電流Ｉｆが最大になるような通電率制御が行われている。すなわち、最低回転数Ｎminで降圧チョッパの通電率αが最大（α＝１.０）になるように制御している。そのため、極低速時の最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域では通電率αを増加させることができないために、界磁電流Ｉｆも増加させることができない。従って、前述の式（１）から分かるように、極低速時の最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでは回転数が下がるにしたがって整流器出力電圧Ｖｇが低下してしまう。このため、最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域では車載電池２６への充電電流が低下してしまう。

すなわち、従来のエンジン自動車用電気システムでは、このような不具合を解決するためにアイドリング運転時に充分な界磁電流を流そうとすると、アイドリング回転数が必要以上に高く設定されるために燃料費が悪化するおそれがある。または、アイドリング回転数を低く設定すると、アイドリング運転時には必要かつ充分な界磁電流を流すことができないために、アイドリング運転の時間が規定の時間を越えるような場合は車載電池を充分に充電できないために電池が過放電となるおそれがある。従って、アイドリング運転時に過放電を起こさないようにするためには電池負荷を制限する必要がある。このような理由から、従来のエンジン自動車用電気システムはアイドリング運転時における使い勝手が極めて悪い。今後のエンジン自動車においては、電子化が益々進むために車載電池から給電される電装品の電気容量は益々大きくなることが予想される。ところが、従来のエンジン自動車用電気システムでは、広範囲なエンジン回転数の変動に対応して必要かつ充分に車載電池の充電ができるような充電方式は未だ確立されていない。もちろん、上記の特許文献１に開示されている技術を用いても、広範囲な回転数の変動に対応して必要かつ充分に電池の充電を行うことはできない。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料費を悪化させずにアイドリング回転から最高回転数までの広範囲の回転数変動に対して充分に電池充電の対応ができるエンジン自動車用電気システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために創案されたものであり、まず、請求項１に記載のエンジン自動車用電気システムは、自動車走行用原動機の回転軸で駆動する発電機から車載電池を充電する充電方式を用い、車載電池から半導体電力変換器を介して発電機の界磁巻線の電流を可変することにより発電機の発生電圧を制御するエンジン自動車用電気システムであって、半導体電力変換器は、車載電池の電池電圧より低い電圧から高い電圧まで可変することのできる昇降圧型チョッパであることを特徴とする。

かかる構成によれば、車載電池の電池電圧を昇降圧型チョッパに入力することにより、昇降圧型チョッパは、車載電池の電池電圧より低い電圧から高い電圧まで可変制御して、所望の電圧を発電機の界磁巻線へ出力することができる。従って、アイドリング運転時のようにエンジンの回転数が極めて低いときには、つまり、発電機の回転数が極めて低いときには、昇降圧型チョッパを昇圧動作させて高い電圧を界磁巻線に印加するようにすれば大きな界磁電流を流すことができるので、発電機の回転数が低くても所望の発電機電圧を発生させることができる。よって、アイドリング回転数のときでも必要かつ充分な充電電流を車載電池に供給して充電を行うことができる。

また、請求項２に記載のエンジン自動車用電気システムにおいては、前記昇降圧チョッパは、半導体スイッチのＯＮ時に車載電池のエネルギーをインダクタンスに蓄積し、半導体スイッチのＯＦＦ時にインダクタンスに蓄積されたエネルギーを界磁巻線に供給するように構成された非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする。

かかる構成によれば、本発明のエンジン自動車用電気システムに用いる昇降圧チョッパを、インダクタンスエネルギー蓄積・放出型の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータによって構成することができる。このようなインダクタンスエネルギー蓄積・放出型の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである昇降圧チョッパは、従来の降圧チョッパに直列に形成されているインダクタンス（リアクトル）を回路に並列に並べ替えるだけで実現することができる。従って、従来技術に比べて部品点数を増やしたりコストをアップさせることなく実現することができるので、エンジン自動車用電気システムの付加価値が一段と上昇する。尚、本発明に用いる昇降圧チョッパのインダクタンスの値は、従来の降圧チョッパに用いられていたフィルタ用のインダクタンスの場合と異なって、必要とする通電率の範囲で所望の電圧範囲を可変できるようなエネルギーを蓄積することができるインダクタンス値とする必要がある。

また、請求項３に記載のエンジン自動車用電気システムにおいては、半導体スイッチのスイッチング周期に対するＯＮ時間の比率を表わす通電率は、エンジン自動車の走行状態における最低速度のときに１００％より小さい値に設定されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、例えば、エンジン自動車の走行状態における最低速度のときに昇降圧チョッパの通電率を０.５に設定して電池電圧と等しい電圧を界磁巻線に出力するようにすれば、それより回転数が低いアイドリング運転時においては通電率を０.５より大きくして電池電圧より高い電圧を界磁巻線に出力することができる。よって、エンジン（発電機）がアイドリング回転数のように低い回転数のときでも界磁巻線に必要かつ充分な界磁電流を流すことができるので、アイドリング運転時においても発電機は整流器を介して車載電池に必要かつ充分は充電電流を供給することができる。

また、請求項４に記載のエンジン自動車用電気システムにおいては、前記発電機は、界磁巻線の近傍にこの界磁巻線の発生磁束を補うように永久磁石を併設し、この永久磁石が発生する磁束によって発電機の発生電圧を補足するように構成されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、発電機の界磁巻線の近くに永久磁石を配置して界磁巻線に発生する磁束を補い、界磁巻線に流す電流を低減することによって界磁巻線のコイルの線径を細くし、回転子と界磁巻線を小型・軽量化している。これによって、結果的に、エンジン自動車用電気システム全体を小型・軽量化することができると共に、エンジン自動車用電気システムの低コスト化を図ることができる。このようにして小型・軽量化を実現したエンジン自動車用電気システムにおいても、昇降圧チョッパを用いて発電機の界磁巻線へ供給する電圧を昇圧したり降圧したりして可変することにより、アイドリング運転時から高速運転時までの広い回転数域において車載電池に必要かつ充分な充電電流を供給することができる。

本発明のエンジン自動車用電気システムによれば、エンジン自動車の原動機（エンジン）で駆動する発電機の界磁巻線に対して、昇降圧チョッパから界磁電流を供給している。そのため、昇降圧チョッパの昇降圧動作によって車載電池の電池電圧以上の電圧から電池電圧以下の電圧まで可変して界磁巻線に供給することができる。従って、アイドリング回転数をエンジンの運転性能から決まる回転数まで下げても車載電池に充分な充電電流を供給することができるので、エンジン自動車の燃料消費率が一段と向上させることができる。また、アドリング回転数のときでも昇降圧チョッパによって界磁巻線へ供給する界磁電流を充分に大きくすることができるので、発電機の発生電圧を車載電池の充電に必要な電圧に確保することができる。これによって、アイドル運転時においても車載電池が過放電することがなくなるので、アイドル運転時の電池負荷の容量制限を行う必要なくなり、自動車の商品価値が一段と向上する。

以下、図面を用いて本発明におけるエンジン自動車用電気システムの実施の形態の幾つかを詳細に説明する。本発明に係るエンジン自動車用電気システムでは、降圧チョッパではなく、昇降圧チョッパを用いることによって、エンジンの回転数が極めて低いときには車載電池の電池電圧以上の電圧を界磁巻線に印加し、エンジンの回転数が高いときには車載電池の電池電圧以下の電圧を界磁巻線に印加するようにしている。これにより、降圧チョッパと同じ部品点数で構成できる昇降圧チョッパを用いてコストアップすることなく電池電圧以上の電圧を界磁巻線に印加することができるので、アイドリング回転数のときでも充分な界磁電流を界磁巻線に流すことができる。すなわち、本発明のエンジン自動車用電気システムは、発電機の界磁電流を制御するための半導体電力変換器である非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータとして、車載電池の電池電圧より低い電圧から高い電圧まで可変することのできる昇降圧チョッパを用いたことを特徴としている。これによって、エンジンがアイドリング回転している状態から高速走行時の最高回転までの広範囲の回転数変動があっても必要かつ充分に車載電池に充電を行うことができる。尚、以下の各実施の形態で用いる各図面では、同一要素については同一符号を付すことにする。

＜第１の実施の形態＞
〔エンジン自動車用電気システムの構成〕
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるエンジン自動車用電気システムの回路図である。すなわち、この回路図は、自動車走行用の内燃機関であるエンジンで駆動する三相発電機（以下、単に発電機という）によって車載電池を充電する第１の実施の形態のエンジン自動車用電気システムの回路を示している。図１において、エンジン自動車用電気システム１は、車載電池６の負極がエンジン自動車のシャーシ７に接地され、かつ車載電池６の正極が昇降圧チョッパ８の入力側が接続されている。そして、昇降圧チョッパ８の出力側は発電機４のスリップリング４ｂを介して界磁巻線４ｃの一端に接続されている。また、界磁巻線４ｃの他端はスリップリング４ｂを介してシャーシ７に接地されている。一方、エンジン自動車の内燃機関である走行用のエンジン２の回転軸に直結して発電機駆動機構３が設けられている。この発電機駆動機構３は回転軸又はベルトによって構成され、エンジン２の回転力を発電機４の回転子４ａに伝達している。また、発電機４には三相の固定子巻線４ｄが巻かれ、固定子巻線４ｄの三相の出力端子は整流器５に接続されている。さらに、整流器５の出力端子の正極は車載電池６の正極に接続され、整流器５の出力端子の負極はシャーシ７に接地されている。

ここで、主な構成要素の機能を説明する。昇降圧チョッパ８は、詳細は後述するが、半導体スイッチのスイッチング周期に対するＯＮ時間の比率を表わす通電率を制御して、発電機４の界磁巻線４ｃに給電する界磁電流Ｉｆを可変する機能を備えている。発電機駆動機構３は回転軸又はベルトが採用され、エンジン２の回転力を発電機４の回転子４ａに伝達する機能を備えている。発電機４は、回転子４ａに巻かれた界磁巻線４ｃに流れる界磁電流Ｉｆによる磁束がエンジン２の回転によって切られることによって、固定子巻線４ｄに三相交流電圧を発生する機能を備えている。整流器５は発電機４の固定子巻線４ｄに発生した三相交流電圧を直流電圧に変換して車載電池６に印加し、車載電池６に所望の充電電流を流す機能を備えている。

〔エンジン自動車用電気システムの動作〕
このような回路構成において、エンジン２を回転駆動すると発電機駆動機構３を介して発電機４の回転子４ａが回転する。このとき、車載電池６の電池電圧は昇降圧チョッパ８によって所望の電圧に降圧または昇圧され、発電機４のスリップリング４ｂに印加される。従って、回転子４ａに巻かれた発電機４の界磁巻線４ｃにはスリップリング４ｂを介して昇降圧チョッパ８のチョッパ出力電圧Ｖch２に比例した界磁電流Ｉｆが給電される。これによって、界磁巻線４ｃの界磁電流Ｉｆによって発生した磁束が回転子４ａによって切られるので、発電機４の固定子巻線４ｄに三相交流電圧が発生する。このとき固定子巻線４ｄに発生する三相交流電圧はエンジン２の回転数（つまり発電機４の回転数）Ｎと界磁電流Ｉｆの積に比例する。三相交流電圧は整流器５によって直流の整流器出力電圧Ｖgに変換されるので、結果的には、整流器出力電圧Ｖgは発電機４の回転数Ｎと界磁電流Ｉｆの積に比例することになる。つまり、Ｖg∝Ｎ×Ｉｆとなる。そして、この整流器出力電圧Ｖgが車載電池６に印加されるので、車載電池６は整流器出力電圧Ｖgの電圧レベルに応じた充電電流で充電される。

つまり、車載電池６を一定の充電電流で充電するためには整流器出力電圧Ｖgを一定にする必要がある。整流器出力電圧Ｖgを一定にするためには、エンジン２の回転数（つまり発電機４の回転数）Ｎと界磁電流Ｉｆが反比例の関係になるように昇降圧チョッパ８のチョッパ出力電圧Ｖch２を制御する必要がある。言い換えれば、界磁巻線４ｃに所望の電流を流すためには、車載電池６の電池電圧を昇降圧チョッパ８によって降圧または昇圧して所望の電圧に可変して界磁巻線４ｃに印加する必要がある。このとき、昇降圧チョッパ８は、極低速時の最低回転数Ｎminよりさらに回転数が低いアイドリング回転数Ｎidleのときはチョッパ出力電圧Ｖch２を昇圧して界磁巻線４ｃに大きな界磁電流Ｉｆを流し、回転数が最高回転数Ｎmaxの方向へ高くなった場合はチョッパ出力電圧Ｖch２を降圧して界磁巻線４ｃに小さな界磁電流Ｉｆを流すような制御を行う。

すなわち、Ｖch∝Ｉｆの関係にあるので、昇降圧チョッパ８は、発電機４の回転数Ｎの変動に応じて界磁電流Ｉｆを増減するようにチョッパ出力電圧Ｖch２を昇圧または降圧する制御を行う。これによって、アイドリング回転数Ｎidleから最高回転数Ｎmaxまで回転数が大きく変化しても整流器出力電圧Ｖgを一定に制御することができるので、結果的に、車載電池６への充電電流を一定にすることができる。以下、上記のような制御を行う昇降圧チョッパ８の構成及び動作について詳細に説明する。

〔昇降圧チョッパの構成〕
図２は、図１のエンジン自動車用電気システムに構成される昇降圧チョッパの回路図である。すなわち、本発明のエンジン自動車用電気システム１には、請求項１で述べる半導体電力変換器として図２の回路図に示すような昇降圧チョッパ８が用いられている。この昇降圧チョッパ８は、車載電池６の正極に直列にＦＥＴなどからなる半導体スイッチ１１が接続され、さらに、半導体スイッチ１１に直列にダイオード１３のカソードが接続され、ダイオード１３のアノードがスリップリング４ｂを介して界磁巻線４ｃの一端に接続されている。また、界磁巻線４ｃの他端は、シャーシ７に接地しており、このシャーシ７を介して車載電池６の負極に接続されている。さらに、半導体スイッチ１１の出力側には車載電池６と並列になるような回路構成でリアクトル１２と称されるインダクタンスが接続されている。さらに、必要に応じて、車載電池６と並列になるような回路構成で、昇降圧チョッパ８の入力端子間に入力コンデンサ１４を接続し、昇降圧チョッパ８の出力端子間に出力コンデンサ１５を接続する。

次に、主な構成要素の機能について説明する。半導体スイッチ１１は図示しない制御回路に接続しており、この制御回路からの高周波信号によってＯＮ／ＯＦＦスイッチングする。このとき、半導体スイッチ１１は、制御回路からの高周波信号によってＯＮ／ＯＦＦの通電率、つまり、スイッチング周期に対するＯＮ時間の比率が制御される。リアクトル１２は、半導体スイッチ１１がＯＮしたときに、車載電池６の正極→半導体スイッチ１１→リアクトル１２→車載電池６の負極のルートで流れる電流によって車載電池６のエネルギーを図の極性で蓄積する。そして、半導体スイッチ１１がＯＦＦしたときに、リアクトル１２は、リアクトル１２の＋極→界磁巻線４ｃ→ダイオード１３→のリアクトル１２の−極のルートで、自己に蓄積されたエネルギーを界磁巻線４ｃへ放出する。

したがって、図２の昇降圧チョッパ８は、従来技術で用いられた降圧チョッパ２８の場合とは逆の極性で界磁巻線４ｃへ電圧を印加する。このため、本発明のような昇降圧チョッパ８を用いた場合は、従来の降圧チョッパ２８の場合とは界磁巻線４ｃの極性を逆にする必要がある。尚、上記のような動作を行うためにダイオード１３が図の極性で挿入されていて、半導体スイッチ１１のＯＮ時に車載電池６からの電流を界磁巻線４ｃへ流さないように阻止している。

界磁巻線４ｃへ印加される電圧は、車載電池６の電池電圧にリアクトル１２に発生したリアクトル電圧（インダクタンス電圧）が加算された電圧となるので、半導体スイッチ１１の通電率αを高くすれば車載電池６の電池電圧より高い電圧を界磁巻線４ｃへ印加することができる。もちろん、半導体スイッチ１１の通電率αを低くすれば、界磁巻線４ｃへ印加する電圧を車載電池６の電池電圧より低くすることもできる。また、入力コンデンサ１４や出力コンデンサ１５は半導体スイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦスイッチングによって生じる電圧または電流のリップル分を除去するためのフィルタであるが、半導体スイッチ１１のスイッチング周波数が極めて高ければ回路のインダクタンスや浮遊キャパシタンスによってフィルタを形成することができるので、例えば、数Ｍｈｚ程度の高い周波数でスイッチングすれば、入力コンデンサ１４や出力コンデンサ１５を取り除くこともできる。

〔昇降圧チョッパの動作〕
次に、図２に示す昇降圧チョッパの動作について説明する。半導体スイッチ１１がＯＮした時には車載電池６のエネルギーがリアクトル１２に図の極性で蓄積される。そして、半導体スイッチ１１がＯＦＦした時にはリアクトル１２に蓄積されたエネルギーが図の極性で界磁巻線４ｃに流れる。このとき、車載電池６の電圧がＥであり、かつリアクトル１２の発生電圧がＥであれば、通電率αが「１.０」では２Ｅの電圧が界磁巻線４ｃに印加されることになる。従って、通電率αが「０.５」のときには界磁巻線４ｃに車載電池６の電圧Ｅを印加することができる。もちろん、リアクトル１２のインダクタンス値によっては通電率αが「１.０」のときに２Ｅよりさらに高い電圧を界磁巻線４ｃに印加することもできる。

このようにして、昇降圧チョッパ８は、半導体スイッチ１１の通電率αを制御することによって車載電池６の電圧を降圧から昇圧まで制御することができるので、例えば、極低速時の最低回転数Ｎminのときに通電率αを０.５にして車載電池６の電池電圧と同じ電圧を界磁巻線４ｃに印加するように設定することもできる。このように設定すれば、最低回転数Ｎminより低いアイドリング回転数Ｎidleのときに通電率αを０.５より高くして界磁巻線４ｃへの印加電圧を車載電池６の電池電圧より高くすることもできる。これによって、回転数の低いアイドリング回転数Ｎidleのときに大きな界磁電流Ｉｆを流して整流器出力電圧Ｖｇを一定に保ち、車載電池６へ必要かつ充分な充電電流を供給することができる。

図３は、図２に示す昇降圧チョッパの通電率αとチョッパ出力電圧／チョッパ入力電圧の比との関係を示す特性図であり、横軸に通電率α、縦軸にチョッパ出力電圧Ｖch２／チョッパ入力電圧Ｖch１の比をとっている。つまり、図３の昇降圧チョッパにおける特性図は、従来技術における図１０の特性図と対比されるものである。図３に示すように、本発明に用いられる昇降圧チョッパ８は、従来から用いられている降圧チョッパ２８のチョッパ出力電圧Ｖch２がチョッパ入力電圧Ｖch１以下となるのと違い、通電率αに応じてチョッパ出力電圧Ｖch２をチョッパ入力電圧Ｖch１より低くも高くも制御することができる。

例えば、図３から分かるように、通電率αが０.５のときにチョッパ出力電圧Ｖch２はチョッパ入力電圧Ｖch１と等しくなり、通電率αが０．５以下ではチョッパ出力電圧Ｖch２がチョッパ入力電圧Ｖch１より低くなる降圧チョッパとして動作する。そして、通電率αが０．５を超えるとチョッパ出力電圧Ｖch２はチョッパ入力電圧Ｖch１より高くなり昇圧チョッパとして動作する。図３の例では、通電率αが０．８５になるとチョッパ出力電圧Ｖch２はチョッパ入力電圧Ｖch１の４倍にも高くなる。

図４は、図１における本発明のエンジン自動車電気システムにおいて、エンジンをアイドリング回転数から最高回転数まで変動させたときの発電機の界磁電流Ｉfと整流器出力電圧Ｖgの関係を示す特性図である。図４では、横軸に回転数Ｎ、縦軸に整流器出力電圧Ｖｇ及び界磁電流Ｉｆをとっている。つまり、図４のエンジン自動車電気システムにおける特性図は、従来技術における図１２のエンジン自動車電気システムにおける特性図と対比したものである。従来技術における図１２では、最低回転数Ｎminで降圧チョッパ２８の通電率αが最大（α＝１.０）になるため、最低回転数Ｎminより回転数が低いアイドリング回転数Ｎidleでは所要の界磁電流Ｉｆが流れないのに対し、本発明における図４では、最低回転数Ｎminで通電率αが０.５に設定されているため、このとき界磁巻線４ｃに印加する電圧と電池電圧とが等しくなる。そして、最低回転数Ｎminより回転数が低い回転数域からアイドリング回転数Ｎidleまでは通電率αが０.５より大きくなるので、界磁巻線４ｃに印加される電圧は電池電圧以上になる。そのため、最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域でも必要かつ充分な界磁電流Ｉｆを界磁巻線４ｃに流すことができるので、アイドリング回転数Ｎidleから最高回転数Ｎmaxの回転数域に亘って整流器出力電圧Ｖｇは一定の値である。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明における第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムについて説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態におけるエンジン自動車用電気システムの回路図である。すなわち、図５に示す第２の実施の形態のエンジン自動車用電気システム１’は、図１に示す第２の実施の形態のエンジン自動車用電気システム１に対して、界磁巻線４ｃの近傍にこの界磁巻線４ｃの発生磁束を補うように永久磁石４ｅを併設し、永久磁石４ｅが発生する磁束によって発電機４’の発生電圧を補足するように構成したものである。従って、第１の実施の形態と重複する内容については説明を省略する。

すなわち、第２の実施の形態のエンジン自動車用電気システム１’では、界磁巻線４ｃの近くに永久磁石４ｅを配置して界磁巻線４ｃに発生する磁束を補い、界磁巻線４ｃに流す電流を低減することによって界磁巻線４ｃのコイル線を細くし、回転子４ａと界磁巻線４ｃを小型化している。これによって、結果的にエンジン自動車用電気システム１’全体を小型・軽量化することができると共に、エンジン自動車用電気システム１’の低コスト化を図ることができる。

図６は、図５に示す第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムにおいて、エンジンをアイドリング回転数から最高回転数まで変動させたときの発電機の界磁電流Ｉfと整流器出力電圧Ｖgの関係を示す特性図である。図６では、横軸に回転数Ｎ、縦軸に整流器出力電圧Ｖｇ及び界磁電流Ｉｆをとっている。つまり、図６に示す第２の実施の形態におけるエンジン自動車電気システムの特性図は、図４に示す第１の実施の形態におけるエンジン自動車電気システムの特性図と対比したものである。図６と図４との違いは、界磁電流Ｉｆの大きさの違いである。すなわち、第２の実施の形態におけるエンジン自動車電気システム１’では、図６に示すように、永久磁石４ｅによって生じる発生電圧Ｖmgが回転数Ｎと共に上昇して最高回転数Ｎmaxの時に車載電池６の充電に必要な整流器出力電圧Ｖgとなる。つまり、最高回転数Ｎmaxのときには永久磁石４ｅによって発生する発生電圧Ｖmgを整流器出力電圧Ｖgとして車載電池６を充電することができるので、界磁巻線４ｃの界磁電流Ｉｆは０となる。そして、回転数が低下するに従って永久磁石４ｅによって発生する整流器出力電圧Ｖgは小さくなるので、それを補うように界磁巻線４ｃの界磁電流Ｉｆが増加して行く。

このような低速回転時における界磁電流Ｉｆの増加に対しても、図２に示すような昇降圧チョッパ８を図５の回路構成のように設けることにより、昇降圧チョッパ８によってアイドリング回転数Ｎidleのときに昇圧機能を作用させれば、界磁巻線４ｃに必要かつ充分な界磁電流Ｉｆを流して車載電池６に所望の充電電流を供給することができる。

図７は、第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムと従来のエンジン自動車電気システムを対比したときの通電率及び界磁電流の特性図である。図７では、横軸に回転数Ｎ、縦軸に整流器出力電圧Ｖｇ及び界磁電流Ｉｆをとっている。すなわち、図７の特性図は、従来のエンジン自動車電気システムの場合も第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムの場合も共に図５のような構成で磁束補足用の永久磁石４ｅを設け、従来のエンジン自動車電気システムでは降圧チョッパ２８を用い、第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムでは昇降圧チョッパ８を用いた場合の特性比較を行っている。尚、図７では、従来のエンジン自動車電気システムと第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムの特性比較を容易にするために、従来の特性を破線で示し、第２の実施の形態の特性を実線で示している。但し、両者が共通する部分の特性は実線で示されている。

従来のエンジン自動車電気システムの場合は、図７の破線の特性図に示すように、ア’イドリング回転数Ｎidleより高い最低回転数Ｎminのところで降圧チョッパ２８の通電率αを最大（α’＝１.０）にしている。このため、アイドリング回転数Ｎidleから最低回転数Ｎminまでの回転数域では通電率α’が一定（α’＝１.０）であるので界磁電流Ｉｆ’も一定の値に留まってしまう。従って、最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域では回転数が下がるにしたがって整流器出力電圧Ｖｇ’が低下してしまう。このため、最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域では、永久磁石４ｅによって補足される発生電圧Ｖmgがあっても、整流器出力電圧Ｖｇ’の低下によって車載電池２６へ充分は充電電流を供給することができない。

一方、第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムの場合は、図７の実線の特性図に示すように、アイドリング回転数Ｎidleより高い最低回転数Ｎminのところで昇降圧チョッパ８の通電率αを０.５に設定している。このため、アイドリング回転数Ｎidleから最低回転数Ｎminまでの回転数域でも通電率αを大きくすることができるので、界磁電流Ｉｆも大きくすることができる。従って、最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域で回転数が下がっても整流器出力電圧Ｖｇは低下することはない。よって、最低回転数Ｎminからアイドリング回転数Ｎidleまでの回転数域でも、整流器５から車載電池６へ充分は充電電流を供給することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるエンジン自動車用電気システムの回路図である。 図１のエンジン自動車用電気システムに構成される昇降圧チョッパの回路図である。 図２に示す昇降圧チョッパの通電率αとチョッパ出力電圧／チョッパ入力電圧の比との関係を示す特性図である。 図１における本発明のエンジン自動車電気システムにおいて、エンジンをアイドリング回転数から最高回転数まで変動させたときの発電機の界磁電流Ｉfと整流器出力電圧Ｖgの関係を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態におけるエンジン自動車用電気システムの回路図である。 図５に示す第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムにおいて、エンジンをアイドリング回転数から最高回転数まで変動させたときの発電機の界磁電流Ｉfと整流器出力電圧Ｖgの関係を示す特性図である。 第２の実施の形態のエンジン自動車電気システムと従来のエンジン自動車電気システムを対比したときの通電率及び界磁電流の特性図である。 自動車走行用の内燃機関エンジンで駆動する発電機によって車載電池を充電する従来のエンジン自動車用電気システムの回路図である。 図８のエンジン自動車用電気システムに構成される降圧チョッパの回路図である。 図９に示す降圧チョッパの通電率αとチョッパ出力電圧Ｖch２との関係を示す特性図である。 図８のエンジン自動車電気システムにおいて、エンジンをアイドリング回転数から最高回転数まで変動させたときの発電機の界磁電流Ｉfと整流器出力電圧Ｖgの関係を示す特性図である。 図８に示す従来のエンジン自動車用電気システムで降圧チョッパの通電率が制御されているときの発電機特性を示す特性図である。

符号の説明

１、１’、２１ エンジン自動車用電気システム
２、２２ エンジン（自動車走行用原動機）
３、２３ 発電機駆動機構
４、２４ 発電機
４ａ、２４ａ 回転子
４ｂ、２４ｂ スリップリング
４ｃ、２４ｃ 界磁巻線
４ｄ、２４ｄ 固定子巻線
４ｅ 永久磁石
５、２５ 整流器
６、２６ 車載電池
７、２７ シャーシ
８ 昇降圧チョッパ（半導体電力変換器）
１１、３１ 半導体スイッチ
１２、３２ リアクトル（インダクタンス）
１３、３３ ダイオード
１４、３４ 入力コンデンサ
１５、３５ 出力コンデンサ
２８ 降圧チョッパ

Claims (4)

1. 自動車走行用原動機の回転軸で駆動する発電機から車載電池を充電する充電方式を用い、前記車載電池から半導体電力変換器を介して前記発電機の界磁巻線の電流を可変することにより前記発電機の発生電圧を制御するエンジン自動車用電気システムであって、
   前記半導体電力変換器は、前記車載電池の電池電圧より低い電圧から高い電圧まで可変することのできる昇降圧型チョッパであることを特徴とするエンジン自動車用電気システム。
2. 前記昇降圧チョッパは、半導体スイッチのＯＮ時に前記車載電池のエネルギーをインダクタンスに蓄積し、前記半導体スイッチのＯＦＦ時に前記インダクタンスに蓄積されたエネルギーを前記界磁巻線に供給するように構成された非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載のエンジン自動車用電気システム。
3. 前記半導体スイッチのスイッチング周期に対するＯＮ時間の比率を表わす通電率は、エンジン自動車の走行状態における最低速度のときに１００％より小さい値に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のエンジン自動車用電気システム。
4. 前記発電機は、前記界磁巻線の近傍にこの界磁巻線の発生磁束を補うように永久磁石を併設し、前記永久磁石が発生する磁束によって前記発電機の発生電圧を補足するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のエンジン自動車用電気システム。

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