JP2006060922A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
回路異常時にも発電を可能にし、運転者が修理工場等まで自走可能な車両用電源装置を提供することにある。
【解決手段】
交流発電機１は、回転子に永久磁石と界磁巻線を有する。交流発電機１の出力は、高圧バッテリ１２に充電される。低圧バッテリ１１には、高圧バッテリ１２の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ６により降圧して供給される。モータコントローラ９が、界磁巻線に通電してないことを検出すると、上位コントローラ４０は、交流発電機１の永久磁石による発電により低圧バッテリ１２に充電する。この発電により回路異常時にも発電が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源装置に係り、とくに自動車用発電機の異常時に対応可能な電源装置に関する。

近年、自動車用電装品が増えるに従い、従来の１２Ｖ系の低圧バッテリだけでは、電力が不足してきている。そこで、１２Ｖ系の低圧バッテリと、３６Ｖ系の高圧バッテリの二つの系統のバッテリを持つ車両用電源装置が提案されてる。例えば、特開２００１−２８８３２号公報に記載のように、低圧と高圧のバッテリをＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気的に接続し、発電機は通常３６Ｖ系バッテリに充電し、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して１２Ｖバッテリに充電するものが知られている。また、例えば、特開平１１−２９９１２３号公報に記載のように、交流発電機の界磁巻線に供給する直流電流の制御を行う調節回路が故障した場合の対策として、予備の系統をもう一つ設け、故障した場合には予備系統に切り替えて発電し、そのまま運転走行を継続するものが知られている。

特開２００１−２８８３２号公報 特開平１１−２９９１２３号公報

しかしながら、予備系統を設けるものでは、コスト高になるため現実的でないという問題がある。一方、予備系統を設けない場合には、自動車用交流発電機の界磁電流の回路がオープン状態になる異常時に、発電できないために車両を停止させる必要があるという問題があった。

本発明の目的は、回路異常時にも発電を可能にし、運転者が修理工場等まで自走可能な車両用電源装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転子に永久磁石と界磁巻線を有する交流発電機と、この交流発電機に電気的に接続され、充電される高圧バッテリと、前記高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリと、前記高圧バッテリの電圧を降圧して前記低圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機の前記永久磁石による発電により前記低圧バッテリに充電する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、回路異常時にも発電を可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記交流発電機は、クローポール型の回転子と、この回転子の対向する１対の回転子ヨークの爪の間に配置された永久磁石とを備えるようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記交流発電機は、クローポール型の回転子と、この回転子のそれぞれの回転子ヨークの爪の根本に配置された永久磁石とを備えるようにしたものである。

（４）上記（２）又は（３）において、好ましくは、前記界磁巻線の巻かれている部分の回転子ヨークの面積Ｓ１を、前記回転子ヨークの爪の根本の面積Ｓ３よりも小さく（Ｓ１＜Ｓ３）したものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機を回転駆動するエンジンの発生する回転駆動力を変速する変速機の変速比を下げ、エンジン回転数を上げる制御を実行するようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記交流発電機は、前記低圧バッテリから電力が供給される補助界磁巻線を備え、前記制御手段は、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機の前記永久磁石及び前記補助界磁巻線による発電により前記低圧バッテリに充電するようにしたものである。

（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、回転子に界磁巻線と補助界磁巻線を有する交流発電機と、この交流発電機に電気的に接続され、充電される高圧バッテリと、前記高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリと、前記高圧バッテリの電圧を降圧して前記低圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記低圧バッテリに接続された前記交流発電機の前記補助界磁巻線による発電により前記低圧バッテリに充電する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、回路異常時にも発電を可能となる。

（８）さらに、上記目的を達成するために、本発明は、回転子に永久磁石と界磁巻線を有する交流発電機と、この交流発電機の出力を昇圧する昇圧手段と、この昇圧手段により昇圧された電圧により充電される低圧バッテリと、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機の前記永久磁石による発電により前記低圧バッテリに充電する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、回路異常時にも発電を可能となる。

（９）上記（８）において、好ましくは、前記昇圧手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータとしたものである。

（１０）上記（８）において、好ましくは、前記昇圧手段は、前記交流発電機の出力電圧を整流するパワー回路である。

本発明によれば、回路異常時にも発電を可能にし、運転者が修理工場等まで自走可能となる。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の構成を示すブロック図である。

エンジン４の回転は、ＣＶＴ３０によって変速され、デファレンシャルギア５０を介して、車輪５２Ａ，５２Ｂに伝達され、車両を走行させる。エンジン４における燃料噴射制御や点火時期制御は、上位コントローラ４０からのエンジン回転数指令に基づいて、エンジンコントローラ４２によって行われる。ＣＶＴ３０は、上位コントローラ４０からのギア比指令に基づいて、ＣＶＴコントローラ４４によって行われる。

エンジン４の回転は、プーリ２Ａ，ベルト３，プーリ２Ｂを介して電動発電機１に伝達される。電動発電機（Ｍ／Ｇ）１は、パワー回路８を介して、モータコントローラ９により制御される。このとき、電動発電機１は、モータコントローラ９の制御により発電機として動作しており、エンジン４の回転エネルギーを交流電力に変換する。インバータ等のパワー回路８は、発電機１によって発電された交流電力を直流電力に変換して、３６Ｖ高圧バッテリ１２を充電する。通常の動作では、上位コントローラ４０は、パワー回路８と３６Ｖ高圧バッテリ１２が接続されるように、スイッチ２９を切り替えている。

このシステムの特徴は、３６Ｖの大容量のバッテリ１２を搭載することでアイドリングストップを行い、燃費を良くすることにある。アイドリングストップ時のエンジンリスタートを行うためには、電動発電機１を電動機として動作させ、高圧バッテリ１２からパワー回路８に電力を供給し、パワー回路８によって電動発電機１を駆動させ、モータとして力行させる。発電と力行の切替は、モータコントローラ９によって行なわれる。

本実施形態では、車両用電源としては、１２Ｖ低圧バッテリ１１と、３６Ｖ高圧バッテリ１２を併用するシステムとし、１２Ｖの低圧バッテリ１１には、３６Ｖバッテリから降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ６で１２Ｖに電圧変換して充電する。この１２Ｖの低圧バッテリ１１は、例えば、エンジンスタータ（ＳＴ）７や、上位コントローラ４０，モータコントローラ９，エンジンコントローラ４２，ＳＶＴコントローラ４４などのコントローラなど、自動車が走行するための基本的な機能を有する自動車の殆どの電装品に電力を供給する。３６Ｖの高電圧バッテリ１２には、付随的な機能、例えばアイドルストップ時のホットスタートや、電動パワステ２７や、オーディオ２８など大電力を必要とするが車両走行には不可欠ではない機能を割り振り、その機能がなくても走行に支障ないようなシステム構成とする。

電動発電機１はアイドルストップ用のスタータとして用い、最初の始動時にはエンジンスタータ７を別途設けるのは、次の理由による。エンジンを起動する場合、自動車内部のオイルなどがすべて冷えている状態で起動する時（コールドスタート時）は、必要トルクは約６０Ｎｍと非常に大きいものである。このため通常のスタータ７は、低速回転で大トルクを瞬間的に供給するための特殊なブラシ付き直流機であり、燃費対策のアイドリングストップのように頻繁に用いるにはブラシ寿命などの点で問題がある。一方、エンジンが暖まった後の起動時（ホットスタート時）は、必要なトルクは２０〜４０Ｎｍと比較的小さいものである。このため、電動発電機１でも高圧バッテリ１２から高いエネルギーを受け取ることにより、モータとして力行させてホットスタートが可能となる。また、電動発電機１は連続運転を基本とした設計となっており、寿命の点でも問題ないものである。また、自動車に不可欠な発電機をモータとして利用するため、コスト増加も少ない。発電機１をさらに高出力化し、コールドスタート可能な６０Ｎｍ程度のトルクを出すことができれば、スタータ７が不要になることは言うまでもないものである。

本実施形態による車両用電源装置の特徴は、電動発電機１として、永久磁石付きのブラシレスの交流発電機を用いたことにある。電動発電機１の構成については、図３を用いて後述する。そして、永久磁石付きの交流発電機を用いることにより、発電機の界磁電流無しでも永久磁石の漏れ磁束だけである程度の電圧を発生できることに着目し、これを活かして車両用電源装置全体の信頼性の向上をねらった点にある。従来の自動車システムでは発電機に、界磁電流が流れなくなる異常が発生した場合には、発電機が電圧を発生せずにバッテリに充電ができないので自動車が走行できなくなる。

それに対して、本実施形態では、発電機の界磁に永久磁石を取り付けることにより、その漏れ磁束により界磁電流が流れない異常時にも電圧を発生できるようにする。漏れ磁束だけでは高電圧を発生することは難しく、高電圧側のバッテリへの充電は難しいので、モータコントローラ９が異常時と判定すると、上位コントローラ４０は、スイッチ２９を低圧バッテリ１１側に切り替えて、磁石の漏れ磁束で発生する低い電圧で、低圧系の１２Ｖのバッテリ１１を充電するようにしている。かかる構成により、永久磁石付きの交流発電機を用いることにより、回路異常時にも走行可能にすることができる。漏れ磁束による発電量は、全体の発電量の約２０％程度であるが、１２Ｖ低圧バッテリ１１に充電し、自動車を走行可能にする程度の発電量が得られる。

通常時には、電動発電機１は３６Ｖ高圧バッテリ１２に充電したり、逆に３６Ｖ高圧バッテリ１２からエネルギーを受け取り、アイドルストップ時のエンジンの再始動や、エンジントルクのアシストを行う。ブレーキ時には、電動発電機１によってエネルギーを回生し、高圧バッテリ１２に充電する。１２Ｖ低圧バッテリ１１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６により高圧バッテリ１２の電圧を降圧させて充電する。界磁電流が流れない等の異常時には、電動発電機１から１２Ｖ低圧バッテリ１１だけに充電するようにしている。１２Ｖ低圧バッテリ１１は、自動車が走行するための基本的な機能を有する自動車の殆どの電装品に電力を供給する構成であるため、異常時でも、１２Ｖ低圧バッテリ１１の電力により、車両は自力走行可能となっている。

モータコントローラ９は、パワー回路（インバータ）８にＰＷＭ信号を送り、逆に電流、電圧を監視する。特に、モータコントローラ９は、界磁電流の指令値と実際の電流の一致不一致を監視して、界磁電流が指令値通りに流れない場合には発電機の異常と判断し、上位コントローラ４０に通知する。上位コントローラ４０は、異常時には、スイッチ２９を切り替え、３６Ｖバッテリを切り離して１２Ｖバッテリに直接充電する。永久磁石の漏れ磁束により発電機の発生する電圧が３６Ｖ以下１２Ｖ以上とすれば、１２Ｖバッテリに連続的に発電することができる。このような構成にすれば、発電機の異常、特に界磁巻線に電流が流れなくなる異常が発生しても、少なくとも１２Ｖバッテリに連続充電可能であり、１２Ｖ系だけで最低限、車両の自走が可能な電源をまかなっているので、自動車は異常時にも走行可能となり、運転者が修理工場まで自走できる。

次に、図２を用いて、本実施形態による車両用電源装置の電気回路構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置の電気回路構成を示す回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

電動発電機１は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の電機子巻線１Ｕ，１Ｖ，１Ｗと、界磁巻線１８とを備えている。界磁巻線１８は、スイッチング素子２５により可変に電流を制御して、電動発電機１の磁束量を調節して発電量やトルクを制御する。

パワー回路８は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相毎に２個づつの合計６個のＭＯＳ−ＦＥＴ８UH，８UL，８VH，８VL，８WH，８WLから構成され、各相毎に直列接続されている。パワー回路８は、電動発電機１をモータとして駆動する場合には、インバータとして動作し、電動発電機１を発電機として駆動する場合には整流器として動作する。発電モードの場合には、図１に示した上位コントローラ４０は、モータコントローラ９に負のトルク指令を出すことにより、モータコントローラ９は、パワー回路８を整流器として制御し、力行モードの場合には、正のトルク指令を出してインバータとして制御する。出力トルクを調節するには、モータコントローラ９は、スイッチング素子２５を制御して、界磁巻線１８に流れる界磁電流を制御する。さらに、モータのｄ軸とｑ軸のベクトル制御を行うことで、より広範囲のモータ出力特性、あるいは高効率なモータ特性を得ることができる。ベクトル制御とは、モータの電流位相と界磁の磁極位置を変化させ、最適な運転条件でモータを駆動する方法である。これにより、モータの出力特性が向上するので、発電機をアイドリングストップ時の起動だけでなく、エンジン回転数の高い場合にモータトルクでエンジンをアシストすることもできる。

界磁巻線１８に電流が流れなくなる異常は、おもにスイッチング素子２５が故障することによって発生する。スイッチング素子２５がオープン状態になると界磁電流が流れないため、永久磁石を備えていない発電機では発電できないが、本実施形態のように、永久磁石を備えた発電機を用いることにより、永久磁石の漏れ磁束を用いて、車両走行に必要な最低限の発電量を確保できるものである。

次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機１の構成について説明する。
最初に、図３を用いて、本実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機１の全体構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の構成を示す断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

電動発電機１は、固定子１５と、回転子１６とを備えている。固定子１５は、鉄心１５Ａと、固定子巻線１５Ｂとからなる。回転子１６は、回転子ヨーク１７Ａ，１７Ｂと、界磁巻線１８と、永久磁石１９とからなる。回転子ヨーク１７Ａ，１７Ｂには冷却フィン２２が取付けられており、回転時に発電機内部に風を送ることで冷却効率を高めている。

界磁巻線１８は、回転子ヨーク１７Ａ，１７Ｂに取り囲まれ、スリップリング２０を介して直流電流を界磁巻線１８に供給し、回転子１６を励磁する。プーリー２をエンジンによって回転駆動することにより、回転子１６のシャフト２３が回転し、励磁された回転子１６が回転することで、固定子巻線１６に電圧が誘起され、発電電流が流れるである。さらに、本実施形態の発電機システムでは、回転子ヨーク１７Ａ，１７Ｂの間に永久磁石１９を入れたことにより、界磁巻線１８に電流が流れなくなっても、永久磁石１９の漏れ磁束だけで電圧を発生させることができる。

また、固定子巻線１５Ｂに電流を流すことで、回転子１６が回転し、プーリー２が回転することで、エンジンを再始動するための電動機として用いることができる。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機１の回転子ヨークの構成について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いるクローポール型電動発電機の回転子ヨークの片側構成を示す斜視図である。図５は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の一対の回転子ヨークの間に永久磁石を配置した構成を示す斜視図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図４は、一対の回転子ヨーク１７Ａ，１７Ｂの内、片側の回転子ヨーク１７Ａの形状を示している。図示するように、回転子ヨーク１７Ａは、６個の爪磁極１７Ａ１を備えている。そして、図５に示すように、一対の回転子ヨーク１７Ａ，１７Ｂの爪磁極を互いにずらすようにして組合せ、爪磁極の内部にソレノイド状の界磁巻線を巻き、通電することで爪磁極に磁界を発生させるクローポール型電動発電機の回転子ヨークである。ここで、片側の爪はＮ極、反対側はＳ極に励磁される。

この爪磁極回転子構造はロータヨークを一体で作るため、高速回転時の遠心力に対する強度も十分に確保することができるため、１８０００ｒｐｍという高速回転の発電機を実現することができる。設計では遠心力で爪が広がらないように根本部分の厚さを有る程度確保することが必要になる。

回転子の界磁による磁束のうち、回転子に渡るものが有効磁束となるが、爪の磁極の空隙には磁束が漏れて回転子内部に閉磁路をつくり、回転子の界磁コイルの起磁力が無駄になる。これを改善するために爪磁極のそれぞれの極間に、合計６個の永久磁石１８を入れている。磁石１８の着磁方向Ｎ→Ｓは、図５に示すように界磁巻線が爪に作る磁極とは逆向きになっており、永久磁石の磁束と爪磁極の磁束が反発して爪磁極の表面に磁束が出てゆきやすいようになっている。このように永久磁石１９は、界磁巻線の励磁時に磁石の着磁方向とは反対の強い磁界を受けるので、永久磁石１９は減磁して磁力を失わないように磁石の残留磁束密度と保磁力特性の高いネオジウム系の焼結磁石などを用いる。

次に、図６を用いて、本実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機１の回転子ヨークの詳細構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の回転子ヨークの詳細構成を示す斜視図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、磁石の漏れ磁束を有効に活用できるように、ロータヨーク１７の形状に特徴がある。図６は、図４の点線に沿ってロータヨーク１７を６分割した時の１つの形状について、ロータヨーク１７Ａと爪磁極１７Ａ１の関係を詳細に示している。

回転子の起磁力は界磁巻線１８から起磁力を供給し、矢印ＭＬの方向に磁束が流れる。磁石が無い爪磁極のロータでは、磁束はだんだん外に漏れていくため、ボビンから距離が遠い爪表面では磁束が少なくなる。従って、爪部分の磁気回路の断面積は小さいのが通常である。界磁巻線の巻かれている部分Ｓ１の面積が最も多く、爪の根本は少し面積Ｓ３が小さくなる。図６でいえば、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３となっている。

しかし、本実施形態の磁石付の発電機においては、永久磁石１９も磁束を発生するため、部分Ｓ１の面積が大きいと永久磁石の磁束が短絡し、固定子側に有効磁束が渡らなくなる。そこで、界磁巻線１８の中心の面積Ｓ１を小さくし、永久磁石の磁束でＳ１を磁気飽和させることにより、永久磁石の磁束を固定子側に漏れさせるようにした。従って、本実施形態では、Ｓ１＜Ｓ２，Ｓ３となっている。ここで、Ｓ２の面積を狭くすると、上述したように遠心力に対する機械強度が持たなくなり爪が広がるので、実際の設計ではＳ２を小さくすることは難しいので、本実施例ではＳ１だけを小さくしている。

次に、図７を用いて、本実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機１に用いる回転子ヨークの他の構成について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の回転子ヨークの詳細構成を示す斜視図である。図７（Ａ）は、一方の回転子ヨーク１７Ａを示し、図７（Ｂ）は、他方の回転子ヨーク１７Ｂを示している。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図７（Ａ）に示すように、回転子ヨーク１７Ａの隣接する爪磁極１７Ａ１の根本の部分に、永久磁石１９Ａを配置している。永久磁石１９Ａを配置した後、固定プレート１９Ｃによって、磁石１９Ａを保持している。もう一方の回転子ヨーク１７Ｂについても、図７（Ｂ）に示すように、回転子ヨーク１７Ｂの隣接する爪磁極１７Ｂ１の根本の部分に、永久磁石１９Ｂを配置している。したがって、永久磁石１９Ａ，１９Ｂの個数は１２個となり、この部分の永久磁石によりさらに磁石量分の漏れ磁束を増やすことができる。したがって、永久磁石のみによる発電時の発電量を増やすことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、発電機の異常、特に界磁巻線に電流が流れなくなる異常が発生しても、少なくとも１２Ｖバッテリに連続充電可能であり、１２Ｖ系だけで最低限、車両の自走が可能な電源をまかなっているので、自動車は異常時にも走行可能となり、運転者が修理工場まで自走できる。

次に、図８〜図１０を用いて、本発明の第２の実施形態による車両用発電機を用いた車両用電源装置の構成について説明する。
最初に、図８を用いて、本実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の要部構成について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の要部構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態における電源回路構成は、図４とは異なり、切り替えスイッチが用いられていないものである。界磁電流が流れない異常時には、上位コントローラ４０が異常を検出すると、連続可変伝動装置ＣＶＴコントローラ４４にギア比を下げる指令を出し、同じ車速に対してエンジン回転数を高く保つように指令する。そして、ＣＶＴコントローラ４４は、ギア比を下げる。界磁電流が流れないと、磁石の漏れ磁束だけによる誘起電圧は低いが、ギア比を下げて、エンジン回転数を上げることで、電動発電機１の回転数も上がるため、発電電圧を上げることができる。なお、変速機が通常のオートマチックトランスミッションならば、ギアをひとつ落とすように指令する。また、マニュアルトランスミッションの車両の場合には、ギアを落として回転数を維持するように運転者に警告する。これにより、漏れ磁束だけでも発電が可能になる。

また、ＤＣＤＣコンバータ６の高圧側ＭＯＳ−ＦＥＴ３７及び低圧側ＭＯＳ−ＦＥＴ３８は通常はオフであり、高圧バッテリ１２に充電している。しかし、界磁電流が流れない等の異常時には、モータコントローラ９は、異常を検出した後は、界磁電流指令やモータトルク指令はオフとして、単純な発電モードに切り替える。パワー回路８を構成するＭＯＳ−ＦＥＴのゲート信号をオフすることにより、ＭＯＳ−ＦＥＴをダイオードとして機能し、通常の自動車用発電機と全く同じ構成になる。高圧側ＭＯＳ３７をオンにすることにより、発電機１の発電電圧により、低圧バッテリ１１を充電できる。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による車両用電源装置の動作について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態による車両用電源装置の動作を示すフローチャートである。図１０は、本発明の第２の実施形態による車両用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。

図９のステップｓ１０において、上位コントローラ４０は、モータコントローラ９に界磁電流Ｉｆ＊とモータ電流Ｉｍ＊を指令し、ステップｓ１５において、上位コントローラ４０は、モータコントローラ９から得られる実際の値ＩｆとＩｍを読み込む。次に、ステップｓ２０において、上位コントローラ４０は、界磁電流の指令値Ｉｆ＊がゼロ以上であり、かつ、実際の界磁電流Ｉｆが流れていないかどうかを判定する。この条件を満たす場合には、異常と判断し、ステップｓ３０以降の緊急発電モードに入る。この条件を満たさない場合には、正常と判断し、ステップｓ２５において、上位コントローラ４０は、正常運転を実行する。

ここで、図１０を用いて、正常運転時の動作について説明する。図１０の横軸は、時間を示す。図１０（Ａ）の縦軸は発電量を示し、図１０（Ｂ）は１２Ｖ低圧バッテリの残量を示し、図１０（Ｃ）は界磁異常信号を示している。図１０（Ｄ）は界磁電流Ｉｆを示し、図１０（Ｅ）は界磁電流指令Ｉｆ＊を示し、図１０（Ｆ）はモータトルク指令を示している。図１０（Ｇ）は変速比を示し、図１０（Ｈ）はエンジン回転数を示し、図１０（Ｉ）は車速を示している。図１０（Ｊ）はアクセルペダルの踏込み量を示し、図１０（Ｋ）はキースイッチのオンオフ状態を示している。

時刻ｔ１に運転者がキースイッチをＯＮにすると（図１０（Ｋ））、１２Ｖ系のスタータによりエンジンが始動し、時刻ｔ２にアイドルする（図１０（Ｈ））。コールドスタート時には、バッテリからエネルギーをもらうため、１２Ｖバッテリのエネルギー残量が減る（図１０（Ｂ））。エンジンがアイドルを始めると共に発電機の界磁電流指令Ｉｆ＊により界磁電流Ｉｆが流れ（図１０（Ｅ），（Ｄ））、発電を開始する（図１０（Ａ））。このとき、モータコントローラは、発電機に回転方向とは逆の負のトルク指令を出力する（図１０（Ｆ））。

次に、時刻ｔ３において、運転者がアクセルを踏み（図１０（Ｊ））、自動車が加速する場合には、車速と共にエンジン回転数が上がる（図１０（Ｉ），（Ｈ））。同時に、ＣＶＴの変速比が徐々に大きくなり（図１０（Ｇ））、エンジン回転数を抑制しながら車速が増加する（図１０（Ｈ），（Ｉ））。このとき、モータコントローラは正のトルク指令を出し（図１０（Ｆ））、電動発電機１はモータとして動作して、車両の加速をアシストする。このエネルギーは３６Ｖバッテリから受け取るため、発電量は負になる（図１０（Ａ））。アシストに必要なトルクは発電時のトルクよりも大きいので、界磁電流Ｉｆは増える（図１０（Ｄ））。

次に、時刻ｔ４において、運転者の所望の車速になり、一定速度走行状態になると（図１０（Ｉ））、変速比が上がり（図（Ｇ））、エンジン回転数は下がり（図１０（Ｈ）））、エンジン回転数と車速と変速比が一定となる。発電機はエンジンからエネルギーをもらうために、トルク指令は負になる（図１０（Ｆ））。次に、時刻ｔ５において、運転者が減速するためにアクセルを緩め（図１０（Ｊ））、ブレーキを踏むと、加速の時とは逆の手順でエンジン回転数とＣＶＴの変速比が下がり（図１０（Ｈ），（Ｇ））、時刻ｔ６において、停止状態となるとアイドリング状態に戻る。減速時に発電機は負のトルク指令を増加させ回生ブレーキをかける。回生したエネルギーは３６Ｖバッテリに充電する。

時刻ｔ６の停止の状態では、エンジンがアイドルして車両が停止している状態で、通常の発電を行っている。時刻ｔ６において、アイドル時間が一定時間になると、燃費向上のためエンジンを停止させる（図１０（Ｈ））。このときの車内電装品の電力は３６Ｖバッテリから１２Ｖバッテリを通して供給する。３６Ｖバッテリに十分なバッテリ残量がなければアイドリングストップは行わない。エンジン停止中は発電はできないので、界磁電流やモータトルク指令はゼロになる（図１０（Ｅ），（Ｄ），（Ｆ））。

次に、時刻ｔ８において、運転者がアイドルストップ状態から発進しようとするホットスタート状態では、アクセルを踏むと（図１０（Ｊ））、モータが車両を加速させる。モータトルクを出すために界磁に電流が流れる（図１０（Ｄ））。やがてエンジンが再始動して（図１０（Ｈ））、エンジントルクとモータのトルクで車が加速する（図１０（Ｉ））。以上が。正常時の動作である。

ここで、時刻ｔ１０において、界磁電流を制御している半導体スイッチがオープンになり、界磁断線が発生したものとする。

そして、図９のステップｓ２０の判定で、ＹＥＳとなると、ステップｓ３０において、モータコントローラ９が界磁異常として検出し、異常信号を上位コントローラ４０に出力する（図１０（Ｃ））。

異常を検出すると、時刻ｔ１３において緊急モードとなり、ステップｓ３５において、上位コントローラ４０は、界磁電流指令やモータトルク指令はオフとするとともに（図１０（Ｅ），（Ｆ））、モータコントローラ９は、パワー回路６のＰＷＭを停止する。次に、ステップｓ４０において、モータコントローラ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータの高圧側のＭＯＳ３７はオンして、充電対象のバッテリーを３６Ｖ高圧バッテリから１２Ｖ低圧バッテリに切り替える。

次に、ステップｓ４５において、上位コントローラ４０は、車速を一定に保ちながら、発電機の電圧を上げるようにエンジンの回転数を上げると共にＣＶＴの変速比を下げていき（図（Ｈ），（Ｇ））、バッテリの電圧が下がらないように発電を続ける。車速に応じてエンジン回転数と変速比を変化させ、常に発電可能にする。発電機の設計により、予め、ある程度の回転数で、発電機の電圧がバッテリ電圧を超えるように漏れ磁束を調節している。漏れ磁束の調整は、爪磁極と対向する永久磁石の側面の面積を増減することで行える。

ここで、具体的な発電量と、回転数について説明する。エンジンの回転速度範囲は、例えば、６００ｒｐｍから６０００ｒｐｍ程度までで、常用回転数は約２０００ｒｐｍ程度である。エンジンと発電機のプーリ比は約２〜３なので発電機の回転数は１２００〜１８０００ｒｐｍであり、常用回転数は４０００〜６０００ｒｐｍとなる。自動車を連続走行可能にするために必要な電力が最低４００Ｗ程度である。従って、発電機が約５０００ｒｐｍの時に１２Ｖ系のバッテリに約４００Ｗ、つまり電流で３０Ａ程度発電できるように漏れ磁束量を調節すればよいものである。

なお、ステップｓ５０において、１２Ｖ低圧バッテリの残量を検出し、残量が低下した場合には緊急モードを停止し、また、ステップｓ５５において、キースイッチのオンオフ状態を検出し、オン状態であれば、ステップｓ４５に戻り、緊急モードを継続する。

緊急モードで走行可能な状態を維持し、修理工場等まで移動した後は、時刻ｔ１４から減速し、時刻ｔ１５にてアイドル状態となり、時刻ｔ１６においてエンジン停止する。

以上説明したように、本実施形態によっても、発電機の異常、特に界磁巻線に電流が流れなくなる異常が発生しても、少なくとも１２Ｖバッテリに連続充電可能であり、１２Ｖ系だけで最低限、車両の自走が可能な電源をまかなっているので、自動車は異常時にも走行可能となり、運転者が修理工場まで自走できる。

次に、図１１を用いて、本発明の第３の実施形態による車両用発電機を用いた車両用電源装置の構成について説明する。
図１１は、本発明の第３の実施形態による車両用電源装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

図１，図２に示した実施形態と異なる点は、図２に示したＭＯＳ−ＦＥＴによるパワー回路の代わりに、６個のダイオード３１から整流回路を用いた点にある。この実施形態では、発電機１Ａはモータとして利用しないので、単なる高圧用発電機である。３６Ｖと１２Ｖの二つの系統の電源を持ち、通常時には発電機１が高電圧側の３６Ｖバッテリ１１に充電するように、上位コントローラ４０はスイッチ２９を切り替えている。発電機１Ａは３６Ｖ系のバッテリよりも高い電圧を発生することでバッテリに充電する。

界磁電流の制御をするスイッチング素子２５がオープン状態で故障した場合、発電機１Ａとして磁石付き発電機を用いているため、永久磁石の漏れ磁束により電圧が発生する。

本実施形態では、発電機１Ａを通常３６Ｖ以上電圧が発生するように高圧用にするため、１２Ｖ系の発電機と界磁の磁束は同じでも、発生する誘起電圧は１２Ｖ系の発電機よりも高くなるようにステータの巻数が多くなっている。したがって、磁石の漏れ磁束が弱くても、誘起電圧が１２Ｖのバッテリ電圧を上回るようにすることができる。

界磁電流が流れない異常時には、スイッチ２９により３６Ｖバッテリは切り離すことにより、発電機１の発電電圧は１２Ｖ低圧バッテリ１１に充電することができる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が３６Ｖ→１２Ｖの降圧型の場合には、動作させないようにする。

なお、第２の実施形態で説明したように、異常時には、エンジン回転数を上げてもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によっても、発電機の異常、特に界磁巻線に電流が流れなくなる異常が発生しても、少なくとも１２Ｖバッテリに連続充電可能であり、１２Ｖ系だけで最低限、車両の自走が可能な電源をまかなっているので、自動車は異常時にも走行可能となり、運転者が修理工場まで自走できる。

次に、図１２を用いて、本発明の第４の実施形態による車両用発電機を用いた車両用電源装置の構成について説明する。
図１２は、本発明の第４の実施形態による車両用電源装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、電動発電機１は、通常の界磁巻線１８の他に、補助界磁巻線２６を備えている。補助界磁巻線２６は、界磁巻線１８におけるスイッチ２５のようなスイッチを有していないため、壊れにくいという特性があるが、かかる構成においても、本発明は適用できるものである。

本実施形態では、補助巻線２６を設け、補助巻線２６に１２Ｖ系から電源を供給し、少なくとも弱い界磁磁束を供給するようにしている。補助巻線は１２Ｖのバッテリ１１から接続しており、スイッチ２５がないためスイッチの故障はないものである。補助巻線２６の磁束による発電と、永久磁石の漏れ磁束による発電を用いて、スイッチ２５の故障時には、１２Ｖ低圧バッテリ１１に充電する。

また、永久磁石を用いないで、補助巻線２６には常に電流が流れるため、この界磁磁束による発電量は自動車走行に必要な最低限の発電量となるような補助巻線の巻数と巻線径を設定してもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によっても、発電機の異常、特に界磁巻線に電流が流れなくなる異常が発生しても、少なくとも１２Ｖバッテリに連続充電可能であり、１２Ｖ系だけで最低限、車両の自走が可能な電源をまかなっているので、自動車は異常時にも走行可能となり、運転者が修理工場まで自走できる。

次に、図１３〜図１６を用いて、本発明の第５の実施形態による車両用発電機を用いた車両用電源装置の構成について説明する。
最初に、図１３，図１４を用いて、本実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の構成について説明する。
図１３は、本発明の第５の実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の構成を示すブロック図である。図１４は、本発明の第５の実施形態による車両用発電機を用いた車両用電源装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

図１３において、電動発電機１Ｂは、１２Ｖバッテリ１１にのみ充電するとともに、発電機とインバータが一体になったモータジェネレータである。電動発電機１Ｂは、永久磁石入りの回転子を備えている。

パワー回路８と１２Ｖバッテリ１１の間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータ６Ａは、パワー回路８の出力を昇圧してバッテリ１１に供給する昇圧型のコンバータである。

図１４の構成において、電動発電機１Ｂを発電機として運転する場合には、通常の自動車用発電機と同様に発電量を励磁コイル１８の電流を調整する。あるいは、ＭＯＳ−ＦＥＴを備えたパワー回路８により発電電流を整流する。モータコントローラ９がパワー回路８に負のトルクを指令すると、発電モードとなる。

ここで、図１５を用いて、発電機の一般的な特性について説明する。
図１５は、発電機の一般的な特性を示す特性図である。

通常、自動車用発電機は、回転数がある一定回転数（カットイン回転数）以上になると誘起電圧が直流側のバッテリ電圧を上回り、発電を始める。誘起電圧は回転数と共に大きくなるため、高回転になるほどバッテリ電圧と誘起電圧の差が広がり、発電量も多くなる。一方、発電機のインピーダンスＺはコイルの電気抵抗ＲとインダクタンスＬで決まり、一般にＺ＝Ｒ＋ｊωＬで表される。ここでωは周波数である。発電機が高速で回転すると、ωＬの項が大きくなり、やがてＲに対して無視できるようになる。すると、回転数の上昇とインピーダンスＺの上昇がほぼ比例するようになるため、ある一定速度以上では発電量は増加しなくなる。

発電機の固定子巻線のターン数を増やすとＬが大きくなるため、高速域での発電量は減るが、カットイン回転数が下がる。逆に巻線数を減らすとＬが小さくなるため、高速域での発電量は増えるが、カットイン回転数は上がる。

エンジンアイドル時の発電機の回転数が、カットイン回転数よりも低ければ発電できないので、車両用発電機にはある程度の巻数が必要となる。自動車のアイドリング時にも発電機は発電可能でなければならないので、ある程度以上巻数は減らせない。このため、従来の発電機では高速側での発電量を増やすのが難しいものである。

そこで、本実施形態では、図１３，図１４に示すように、パワー回路８と１２Ｖバッテリ１１の間に、パワー回路８の出力を昇圧してバッテリ１１に供給する昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ６Ａを設けている。これにより、電動発電機１Ｂの電圧が不足した場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６Ａにより電圧を昇圧し、バッテリ１１に供給することができる。従ってステータ巻線の巻数が少ない発電機でもカットイン回転数を低くすることができる。また、ステータ巻数が少ないため、高速領域で多くの出力を得ることができる。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６Ａを、バッテリ側から電動発電機側に対する昇圧型コンバータとしてすることにより、パワー回路８の入力電圧をバッテリ電圧よりも上げることができる。このようにすると、電動発電機１Ｂをモータとして駆動する場合に、電動発電機１Ｂへの入力を増やすことができるので、モータの出力範囲を広げることができる。発電機を高出力化することにより、アイドルストップ時のエンジンのホットスタートだけでなく、エンジンの初動時に６０Ｎｍもの大トルクが必要なコールドスタートをも可能にすることができる。さらにエンジンのトルクアシストを高回転領域まで広範囲にわたって作用させることができる。

さらに、パワー回路８を、電動発電機側からバッテリ側に対する昇圧型コンバータとして利用することもできる。

ここで、図１６を用いて、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ６Ａの構成について説明する。
図１６は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。

昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータは、図示するように、コンデンサＣ１，Ｃ２と、リアクトルＬ１と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、スイッチング素子ＳＷ１とが結線されており、スイッチング素子ＳＷ１を昇圧用のデューティ信号によってオンオフして、昇圧する構成となっている。

一方、図１４に示すパワー回路８は、上述の昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと同じ役目をすることもできる。図１６に示した昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータと。図１４の回路を比較すると、発電機１を図１６のリアクトルＬ１と見なせば、パワー回路８の内部のＭＯＳスイッチング素子８UH，８UL，８VH，８VL，８WH，８WLは、ＤＣ／ＤＣコンバータ内のスイッチング素子ＳＷ１やダイオードＤ１，Ｄ２を同じ働きをさせることができる。このような運転状態が発電機に負のトルク指令を出した状態である。具体的には、ＭＯＳスイッチング素子８VH，８VL，８WH，８WLをオフとした状態において、ＭＯＳスイッチング素子８UHのソース・ドレイン間にはダイオードが並列接続されているので、ＭＯＳスイッチング素子８UHのゲート信号をオフにすると、ＭＯＳスイッチング素子８UHは図１６のダイオードＤ２と等価となる。したがって、ＭＯＳスイッチング素子８ULは、図１６のスイッチング素子ＳＷ１と等価となり、ＭＯＳスイッチング素子８ULのゲートに昇圧用デューティ信号を入力すると、パワー回路８によって昇圧することができる。実際には、電動発電機１Ｂは回転しているので、その回転に応じて、ＭＯＳスイッチング素子８UL，８VL，８WLのゲートにに順次切り替えて昇圧用デューティ信号を入力する必要がある。

このようにパワー回路８を昇圧回路として使えば、図１５に示した発電機の発電特性のうち、固定子の巻数を従来の４ターンや５ターンよりも少なく３ターン等にしても低速域で発電が可能になる。すなわち低速領域ではパワー回路８により発電電圧を昇圧すればよいものである。このようにして、図１５に示したように、高速域で大きな発電が可能で、且つ、アイドリングなどの低速時にも発電可能な高出力の発電機を得ることができる。

本実施形態の電動発電機１Ｂも永久磁石の漏れ磁束を利用しているので、界磁電流を制御するスイッチング素子がオープン状態で故障した場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータを使って発電機の電圧を上昇させ、車両の走行が可能となる。

本発明の第１の実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による車両用電源装置の電気回路構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態による車両用電源装置にに用いる電動発電機の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いるクローポール型電動発電機の回転子ヨークの片側構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の一対の回転子ヨークの間に永久磁石を配置した構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の回転子ヨークの詳細構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による車両用電源装置に用いる電動発電機の回転子ヨークの詳細構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による車両用電源装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による車両用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態による車両用電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態による車両用電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態による車両用電源装置を搭載した車両の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態による車両用発電機を用いた車両用電源装置の構成を示すブロック図である。 発電機の一般的な特性を示す特性図である。 昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。

符号の説明

１，１Ａ…車両用交流発電機
４…エンジン
６，６Ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ
７…スタータ
８，８Ａ…パワー回路
９…モータコントローラ
１１…低電圧バッテリー
１２…高電圧バッテリ
１５…固定子
１６…回転子
１９…永久磁石
４０…上位コントローラ

Claims (10)

1. 回転子に永久磁石と界磁巻線を有する交流発電機と、
   この交流発電機に電気的に接続され、充電される高圧バッテリと、
   前記高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリと、
   前記高圧バッテリの電圧を降圧して前記低圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機の前記永久磁石による発電により前記低圧バッテリに充電する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電源装置。
2. 請求項１記載の車両用電源装置において、
   前記交流発電機は、クローポール型の回転子と、この回転子の対向する１対の回転子ヨークの爪の間に配置された永久磁石とを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
3. 請求項１記載の車両用電源装置において、
   前記交流発電機は、クローポール型の回転子と、この回転子のそれぞれの回転子ヨークの爪の根本に配置された永久磁石とを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
4. 請求項２又は請求項３のいずれかに記載の車両用電源装置において、
   前記界磁巻線の巻かれている部分の回転子ヨークの面積Ｓ１を、前記回転子ヨークの爪の根本の面積Ｓ３よりも小さく（Ｓ１＜Ｓ３）したことを特徴とする車両用電源装置。
5. 請求項１記載の車両用電源装置において、
   前記制御手段は、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機を回転駆動するエンジンの発生する回転駆動力を変速する変速機の変速比を下げ、エンジン回転数を上げる制御を実行することを特徴とする車両用電源装置。
6. 請求項１記載の車両用電源装置において、
   前記交流発電機は、前記低圧バッテリから電力が供給される補助界磁巻線を備え、
   前記制御手段は、前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機の前記永久磁石及び前記補助界磁巻線による発電により前記低圧バッテリに充電することを特徴とする車両用電源装置。
7. 回転子に界磁巻線と補助界磁巻線を有する交流発電機と、
   この交流発電機に電気的に接続され、充電される高圧バッテリと、
   前記高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリと、
   前記高圧バッテリの電圧を降圧して前記低圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記界磁巻線に通電しない場合に、前記低圧バッテリに接続された前記交流発電機の前記補助界磁巻線による発電により前記低圧バッテリに充電する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電源装置。
8. 回転子に永久磁石と界磁巻線を有する交流発電機と、
   この交流発電機の出力を昇圧する昇圧手段と、
   この昇圧手段により昇圧された電圧により充電される低圧バッテリと、
   前記界磁巻線に通電しない場合に、前記交流発電機の前記永久磁石による発電により前記低圧バッテリに充電する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電源装置。
9. 請求項８記載の車両用電源装置において、
   前記昇圧手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする車両用電源装置。
10. 請求項８記載の車両用電源装置において、
    前記昇圧手段は、前記交流発電機の出力電圧を整流するパワー回路であることを特徴とする車両用電源装置。

Images