JP2005343438A - エンジン自動車の電気システム - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のエンジン自動車の電気システムは、発電機２４の回転子２４ａの界磁巻線２４ｄへの電流はブラシ２４ｂとスリップリング２４ｃを介して給電する方式であるため、ブラシ２４ｂとスリップリング２４ｃを有するため、発電機２４の容量が大きい。
更に自動車の燃費が悪化する。等の問題があった。
【解決手段】 自動車走行用原動機２の回転軸で駆動する発電機４の交流電圧を、整流器５を介して車載電池６を充電する充電方式であって、発電機４の回転子４ａに装着した永久磁石４ｆによる磁束によって発電機４の固定子巻線４ｅに交流電圧を発生させ、この交流電圧を半導体整流器５（以下単に整流器という）によって直流電圧に変換し、この直流電圧を昇降圧チョッパ８に介して車載電池６を充電する電気システム。
【選択図】 図１

Description

発明の属する分野

この発明は、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、エンジン自動車と言う）の車載電池を充電するエンジン自動車の電気システムに関する。

図５は自動車走行用内燃機関エンジンで駆動され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例である。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と言う）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、ブラシ２４ｂとスリップリング２４ｃを介して発電機２４の回転子２４ａに装着されている界磁巻線２４ｄに印加すると、界磁巻線２４ｄには所望の界磁電流Ｉｆ（図６参照）が流れる。一方、走行用エンジン（内燃機関）２２を回転させると、回転軸またはベルトからなら発電機駆動機構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２４ｄ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２４ｅ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半導体整流器（以下単に整流器という）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と言う）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、回転数には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２４ｄであり、この界磁巻線２４ｄ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と言う）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６は、図５のエンジン自動車用電気システム２１に構成された降圧チョッパ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の通流率（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の出力電圧Ｖｃｈ２を制御することができる。

図７は、図５のエンジン自動車電気システム２１において、エンジン２２の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の関係を示す図である。整流器出力電圧Ｖｇを一定にするためには、前記した式（１）に示すように回転数Ｎに対して界磁電流Ｉｆ反比例させる必要がある。そこで、降圧チョッパ２８は、図７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、最小回転数であるアイドリング回転数Ｎｉｄｌｅの時に界磁電流Ｉｆが最大になるよう半導体スイッチ３１によって通流率αの制御を行っている。

尚、下記の文献１などに、上記のような通流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）

発明が解決しようとしている課題

従来の電気システムでは、回転子に装着された界磁巻線に所望の電流を流して磁束を発生し、この磁束によって固定子巻線に交流電圧を発生、この交流電圧を整流器によって直流電圧に変換して、車載電池を充電する方式である。またこの従来の電気システムでは、発電機の回転子の界磁巻線への電流はブラシとスリップリップリングを介して給電する方式であるため、
１） ブラシとスリップリング部を有するため、発電機の大きさが大きい。
２） ブラシ部の火花やアークのため、発電機の取付け場所の制約がある。
３） ブラシ交換のための定期点検が必要となる。
更に
４） 非走行時のアイドリング運転時に界磁電流が最大になるので自動車の燃費が悪化 する。
等の問題があった。

一方、エンジン自動車に搭載される機器やシステムは常時、
１） 小型・軽量化である。
２） 取付けの制約がない。
３） 保守が不要である。
４） 発電効率が高い。
及び
５） 低価格化である。
ことが求められており、車載電池充電システムも例外ではなく、上述の課題解決が強く求められていた。

課題を解決するための手段

本発明は、上記課題を実現するために考案されたもので、その基本は
１）ブラシとスリップリングを回転子からなくすため、界磁磁束を発生させるため、永 久磁石を回転子に装着した。
２）回転子に永久磁石を装着した発電機では、整流器の出力電圧は回転数に比例するた め、整流器の出力側に昇降圧チョッパを接続して、エンジンのアイドリング運転時 に整流器出力電圧が車載電池の電圧よりも低い時でも、またエンジンの最高回転運 転時に整流器の出力電圧が池車載電池の電圧より高い時でも、車載電池を充電でき るようにした。

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の交流電圧を、整流器を介して車載電池を充電する充電方式であって、発電機の回転子に装着した永久磁石による磁束によって発電機の固定子巻線に交流電圧を発生させ、この交流電圧を半導体整流器（以下単に整流器という）によって直流電圧に変換し、この直流電圧を昇降圧チョッパに介して車載電池を充電する電気システムであることを特長とする。

かかる構成によれば、整流器の直流出力電圧が、車載電池電圧より低い電圧から、高い電圧まで変動しても、昇降圧チョッパによって車載電池を充電するために所望される電圧に可変制御して、必要且つ十分な充電電流を車載電池に供給できる。

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時に整流器の直流出力のエネルギーをインダクタに蓄積し、半導体スイッチＯＦＦ時にインダクタに蓄積されたエネルギーを車載電池に供給するように構成された非絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする。

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、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流率は、エンジンの最少運転回転数の時に５０％より大きい値に又最高回転数の時に５０％より小さい値に設定されることを特徴とする。
かかる構成によれば、例えば、整流器の直流出力電圧が車載電池の充電するに必要、充分な電圧の時に、ほぼ０．５に設定しておけば、それより整流器の直流電圧がそれより小さいときは、通流率を０．５より大きくして、整流器の直流電圧が車載電池電圧より低いときでも、車載電池に充電電流を供給できる。

発明の効果

本発明に係わるエンジン自動車用電気システムでは、発電機に装着された界磁巻線の電流を制御する事によって、車載電池への充電電流を制御することではなく、発電機の回転子には、界磁巻線に変えて、永久磁石を装着し、永久磁石によって界磁巻線と同等の磁束を発生させて、発電機の出力に交流電圧を発生させ、この交流電圧を整流器で直流電圧に変換し、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低く、整流器の直流出力電圧が車載電池の電池電圧以下の時には、昇降圧チョッパを昇圧作動させて所望の充電電圧に昇圧し、エンジンの回転数が高く整流器の直流電圧が車載電池以上の時には昇降圧チョッパを降圧作動させて所望の電圧に降圧し、車載電池を充電する。

本発明によれば、従来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あった界磁巻線が不要となり、更に界磁巻線に電流を供給するブラシとスリップリングを不要としているので、次の特徴がる。
１）ブラシとスリップリングがなくなるので発電機が小型・軽量化できる。
２）ブラシによる火花・アークの発生がないので発電機の取付けの制約がない。
３）ブラシがないため保守が不要となる。
４）界磁磁巻線の損失がなくなるので発電効率が向上し、これにより自動車の燃費も向 上する。
５）アイドリング回転数から最高運転回転数まで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。
６）１）〜５）からエンジン自動車の商品価値が向上する。

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形態の幾つかを詳細に説明する。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、自動車用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の実施形態のエンジン自動車用電気システム回路を示している。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、且つ車載電池６の正極が昇降圧チョッパ８の出力の正極側（図示の＋）に接続されている。昇降圧チョッパ８の出力の負極側（図示の−）はシャーシに接続される。昇降圧チョッパ８の出力の負極側はシャーシに接続せず、車載電池の負極端子に接続場合もあるが、本発明ではシャーシに接続する場合で示してある。そして、昇降圧チョッパ８の入力端子の正極端子（図示の＋）は半導体整流器（以下単に整流器という）５の出力端子の正極端子に、昇降圧チョッパ８の入力端子の負極端子（図示の−）は整流器５の出力端子の負極端子に接続されている。

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の回転軸に直結又はベルトによって構成された発電機駆動機構３によってエンジン２の回転力を発電機４の回転子４ａに伝達している。回転子４ａには、界磁磁束を発生する永久磁石４ｆが装着されている。また、発電機４には三相の固定子巻線４ｅが巻かれ、固定子巻線４ｅの三相の出力端子は整流器５の交流入力端子に接続されている。

ここで、主な構成要素を説明する。昇降圧チョッパは、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流率を制御して車載電池への充電電流Ｉｂを可変制御する機能を備えている。発電機４は、回転子４ａに装着された永久磁石４ｆ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４ｅに、エンジン回転数に比例した三相交流電圧値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４ｅに発生した三相交流電圧を直流電圧に変換し、昇降圧チョッパに入力にする機能を備えている。整流器５は単に、交流電圧を直流電圧に変換すればよいので、一般的にダイオードで構成される。ダイオード整流器の回路構成は公知であるので説明は省略する。昇降圧チョッパは整流器５のエンジン回転数に比例して発生する変動直流電圧を車載電池に所望の充電電流を流すのに必要な電圧に変換する機能を備えている。

エンジン自動車用電気システムの動

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。回転子４ａに装着された永久磁石４ｆによって発生している磁束によって発電機４の固定子巻線４ｅに三相交流電圧が発生する。このとき固定子巻線４ｅに発生する三相交流電圧の大きさはエンジン２の回転数に比例する。この三相交流電圧は整流器５によって直流電圧に単に変換されるので、整流器出力電圧の大きさもエンジン２の回転数に比例したものとなる。
車載電池６を一定の充電電流で充電するには、充電電圧を車載電池の電圧に対応したほぼ一定の電圧にする必要がある。

一方、エンジン回転数はアイドリング時の数百ｒ／ｍｉｎから最高回転数の数千ｒ／ｍｉｎまで約１０倍程度大きく変動するので、整流器５の直流出力電圧も約１０倍程度変動する。通常、発電機のコストパーフォーマンスからエンジンの平均運転回転数付近の回転数で整流器の直流出力電圧が車載電池電圧になるよう設計される。このため、最少回転数では整流器直流出力電圧は車載電池電圧より低く、最高回転数では高くなる。
整流器出力電圧が車載電池より低い時には、昇降圧チョッパを昇圧動作させて、所望の電圧に高め、整流器出力電圧が車載電池より高い時には、昇降圧チョッパを降圧動作させて、所望の電圧に下げる。これによってエンジンの最少回転数から最高回転数まで大きく変化しても、車載電池への充電電流を所望の値に制御することが出来る。以下、上記のような制御を行う昇降圧チョッパの構成と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。この昇降圧チョッパ８は、整流器５の正極端子に直列に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、ダイオード１３のアノードが昇降圧チョッパの出力の負極側となってシャーシ７に接続される。また、半導体スイッチ１１の出力側には整流器５と並列になるような回路構成でインダクタ１２と称されるインダクタンスが図示のように接続される。さらに、必要に応じて、整流器５の出力と並列になるような回路構成で、昇降圧チョッパの入力端子間に入力キャパシタ１４を接続し、昇降圧チョッパの出力端子間に出力キャパシタ１５を接続する。

次に、主な構成要素について説明する。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の通流率、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。インダクタ１２は、半導体スイッチ１１がＯＮしたときに、整流器５の正極→半導体スイッチ→インダクタ→整流器５の負極のルートで流れる電流によって整流器５のエネルギーをインダクタに蓄積する。そして、半導体スイッチがＯＦＦしたときに、インダクタ１２は、インダクタ１２の＋極（図示の極性）→車載電池６の正極→車載電池６の負極→シャーシ７→ダイオード１３→インダクタ１２の−極（図示の極性）のルートで、インダクタに蓄積されたエネルギーを車載電池に放出する。
また、ダイオード１３は、車載電池６から、インダクタ１２へ電流を流さないための放電阻止の為に接続される。入力キャパシタ１４と出力キャパシタ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又は電流のリ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、入力キャパシタ１４や出力キャパシタ１５を省略することもできる。

図６に示した降圧チョッパでは、入力端子の極性と出力端子の極性が同じであるに対し、図２に示した昇降圧チョッパの出力端子の極性は入力端子の極性と反転する。

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した時には整流器５の出力のエネルギーがインダクタ１２に蓄積される。そして、半導体スイッチ１１がＯＦＦした時にはインダクタ１２に蓄積されたエネルギーによる図示の向きの電流Ｉｂが車載電池６に流れる。

図３は、図２に示す昇降圧チョッパの通流率αとチョッパ出力電圧／チョッパ入力電圧の比を示す特性図であり、横軸に通流率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。
図３からわかるように、通流率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、通流率αが０．５以下ではチョッパ出力電圧Ｖｃｈ２はチョッパ入力電圧Ｖｃｈ１より低くなる降圧チョッパとして作動する。そして、通流率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作動する。図３の例では、通流率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用電気システムにおいて、エンジンをアイドリング運転から最高回転数まで変動させたときの整流器の出力電圧Ｖｇと昇降圧チョッパの出力電圧Ｖｃｈ２の関係を示す特性図である。図４では、横軸に回転数、縦軸に整流器出力電圧Ｖｇ及び昇降圧チョッパの出力電圧Ｖｃｈ２をとっている。図４のエンジン自動車用電気システムにおける特性図は、整流器出力電圧Ｖｇと昇降圧チョッパの出力電圧Ｖｃｈ２とが等しくなる回転数Ｎｏでは、通流率αが０．５となっている。回転数がＮｏより低い回転域では、整流器５の出力電圧が車載電池６の電圧より低くなるので、昇降圧チョッパ８は通流率αを０．５より大きくして昇圧動作にして、昇降圧チョッパ８の出力電圧を車載電池６の電圧まで高める。また、回転数がＮｏより高い回転域では、整流器５の出力電圧が車載電池６の電池電圧より高いので、昇降圧チョッパ８は降圧動作にして、昇降圧チョッパ８の出力電圧を車載電池６の電圧まで下げる。

本発明の第１の実施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流率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用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てときの整流器出力電圧Ｖｇと昇降圧チョッパの出力電圧Ｖｃｈ２の関係を示す特性図である。 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５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６に示す降圧チョッパの通流率αとチョッパ出力電圧Ｖｃｈ２との関係を示す特性図である。

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
４ｅ、２４ｄ 固定子巻線
４ｆ 永久磁石
５，２５ 半導体整流器
６，２６ 車載電池
７，２７ シャーシ
８ 昇降圧チョッパ
１１、３１ 半導体スイッチ
１２、３２ インダクタ（インダクタンス）
１３、３３ ダイオード
１４、３４ 入力キャパシタ
１５、３５ 出力キャパシタ
２４ｂ ブラシ
２４ｃ スリップリング
２４ｄ 界磁巻線
２８ 降圧チョッパ

Claims (3)

1. 自動車走行用原動機の回転軸で駆動する発電機の交流出力電圧を半導体整流器を介して車載電池を充電する充電方式であって、前記発電機の回転子には永久磁石を装着して前記発電機の固定子巻線に交流電圧を発生させ、前記車載電池の電圧より低い電圧から高い電圧まで変動する前記半導体整流器の直流出力電圧から昇降圧型チョッパを介して前記車載電池を充電するようにしたことを特徴とするエンジン自動車の電気システム。
2. 前記昇降圧チョッパは、半導体スイッチのＯＮ時に前記半導体整流器の出力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車載電池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の電気システム。
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流率は、前期発電機の最低回転数の時に５０％より大きい値に、最高回転数の時に５０％より小さい値に設定されることを特徴とする請求項２記載のエンジン自動車の電気システム。

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