JP2007209115A - 車両用発電機の発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用発電機の温度変化に対して、温度により変化する発電電力特性を考慮することにより、より安定に動作させることができる車両用発電機の発電制御装置を得る。
【解決手段】電圧検出手段９で検出されたバッテリ３の電圧を、設定された発電目標電圧に一致させるように、回転速度検出手段１０で検出された同期回転機１の回転速度と温度検出手段１１で検出された同期回転機１の温度に基づいて、界磁スイッチング素子７のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出する制御デューティ算出手段１２と、及び制御デューティ算出手段１２で算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、界磁スイッチング素子７を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁ＰＷＭ駆動手段１４を備え、界磁ＰＷＭ駆動手段１４の界磁スイッチング信号出力で界磁スイッチング素子７を駆動するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両に搭載され、内燃機関で駆動される車両用発電機に係わり、特に、その発電制御装置に関するものである。

特許文献１には、従来の車両用充電発電機の制御装置が開示されている。この装置は、発電電圧および界磁電流を帰還し制御信号を出力する電圧制御回路および電流制御回路と、両回路からの制御信号に応じて界磁電流を変化されるパルス幅変調制御装置とを備え、発電電圧を制御するものにおいて、電圧制御回路と電流制御回路とを独立して動作される切替手段を設けて、安価で制御精度を向上させている。

特許第３３２９４０２号明細書

従来の車両用充電発電機の制御装置では、車両用発電機の温度変化に対して、制御装置を安定に動作させる課題については一切開示されていない。しかし、車両用発電機は、使用において、温度が氷点下から1００℃程度と広範囲に変化する。そのため、温度により発電電力特性が変化し、車両用発電機の発電制御装置の安定性に欠ける問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、車両用発電機の温度変化に対して、温度により変化する発電電力特性を考慮することにより、より安定に動作させることができる車両用発電機の発電制御装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係わる車両用発電機の発電制御装置は、巻線界磁型同期回転機の交流発電電力を直流電力に変換して電気負荷及びバッテリに供給する整流器と、上記同期回転機の温度を検出する温度検出手段と、上記同期回転機の界磁巻線への電圧印加のＯＮ／ＯＦＦが切替え駆動される界磁スイッチング素子と、上記バッテリの電圧又は上記整流器の直流側電圧を検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、上記温度検出手段で検出された上記同期回転機の温度に基づいて、上記界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出する制御デューティ算出手段と、及び上記制御デューティ算出手段で算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、上記界磁スイッチング素子を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁ＰＷＭ駆動手段とを備え、上記界磁ＰＷＭ駆動手段の界磁スイッチング信号出力で上記界磁スイッチング素子を駆動するようにしたものである。

また、この発明に係わる車両用発電機の発電制御装置は、巻線界磁型同期回転機の交流発電電力を直流電力に変換して電気負荷及びバッテリに供給する整流器と、上記同期回転機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、上記同期回転機の温度を検出する温度検出手段と、上記同期回転機の界磁巻線への電圧印加のＯＮ／ＯＦＦが切替え駆動される界磁スイッチング素子と、上記バッテリの電圧又は上記整流器の直流側電圧を検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、上記回転速度検出手段で検出された回転速度と上記温度検出手段で検出された上記同期回転機の温度に基づいて、上記界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出する制御デューティ算出手段と、及び上記制御デューティ算出手段で算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、上記界磁スイッチング素子を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁ＰＷＭ駆動手段とを備え、上記界磁ＰＷＭ駆動手段の界磁スイッチング信号出力で上記界磁スイッチング素子を駆動するようにしたものである。

この発明の車両用発電機の発電制御装置によれば、電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、温度検出手段で検出された同期回転機の温度に基づいて、界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出し、算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、界磁スイッチング素子を駆動するようにしたので、車両用発電機の温度変化に対して、温度により変化する発電電力特性を考慮することにより、車両用発電機の発電制御装置をより安定に動作させることができる。

また、この発明の車両用発電機の発電制御装置によれば、電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、回転速度検出手段で検出された回転速度と温度検出手段で検出された同期回転機の温度に基づいて、界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出し、算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、界磁スイッチング素子を駆動するようにしたので、車両用発電機の回転速度と温度変化に対して、回転速度と温度により変化する発電電力特性を考慮することにより、車両用発電機の発電制御装置をより安定に動作させることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による車両用発電機の発電制御装置の全体構成を示すブロック図である。図において、車両用発電機の発電制御装置は、巻線界磁型同期回転機１、整流器２、バッテリ３、スイッチ４、電気負荷５、発電制御装置６、界磁スイッチング素子７、フライホイールダイオード８で、主に構成されている。巻線界磁型同期回転機１（以下単に同期回転機ともいう。）は、電機子巻線１５、界磁巻線１６などから構成され、同期回転機１の回転部分は、ベルトなどを介して間接的に、あるいは直接的に図示しない内燃機関などの動力源に接続されており、回転部分の回転により電機子巻線１５に交流電圧が誘起され、整流器２により直流電圧へと変換される。

整流器２には、バッテリ３及びスイッチ４を介して電気負荷５が接続されており、これらに直流電力が供給されることとなる。なお、Ｐ，Ｎは整流器２の直流側端子である。このとき、整流器２により変換される直流電圧の大きさは、同期回転機1の発電電力と、バッテリ３や電気負荷５の消費電力のバランスにより変化する。電気負荷５には前照灯，ブロワー，ワイパー，ラジオ他，種々の電気装置，電子機器があるが、その特性によっては直流電圧の変動が好ましくない影響を及ぼす。例えば前照灯においては、明暗の変化、ちらつきの要因となる。このため、発電制御装置６は、所定の直流電圧にて動作すべく、消費電力に対して発電電力をバランスさせるよう作用する。これは、界磁巻線１６を流れる界磁電流量を操作して、電機子巻線１５に誘起される交流電圧を調整することにより行われる。

図１の発電制御装置６の詳細な説明をする。発電制御装置６は、電圧検出手段９，回転速度検出手段１０，温度検出手段１１，制御デューティ算出手段１２，及び界磁PWM駆動手段１４（ＰＷＭ：PulseWidth Modulation）とから構成されている。まず、電圧検出手段９においてバッテリ３（又は整理器２の直流側電圧）の電圧情報を検出する。次に、回転速度検出手段１０において、整流器２内の整流ダイオードのアノード(A)―カソード(K)間の電圧が入力されて、同期回転機1の回転速度情報が算出される。

整流器２の整流動作において、整流器２を構成する整流ダイオードは電機子巻線１５に誘起される交流電圧に同期して、導通と非導通の状態が切り替わる。また、この状態切り替わりに同期して電流が流れる。アノード(A)−カソード(K)間の電位差は、導通状態であれば半導体のPN接合の順方向動作時電圧降下分の小さな値であり、非導通状態であれば大きな値となる。このため、例えばアノード(A)−カソード(K)間電位差波形の立ち上がりエッジ間など、回転に同期して変化する信号の周期を計測して回転速度を算出することができる。また、回転速度検出手段１０は、同期回転機１に取り付けたレゾルバ，エンコーダ，ホール素子などのセンサの回転位置情報より演算してもよい。

次に、温度検出手段１１において、同期回転機１にサーミスタ、熱電対などの温度変化により抵抗が変化する素子を取り付け、抵抗値変化を電圧値変化として検出することにより温度情報を検出することができる。また、温度検出手段１１において、同期回転機１に上記素子を取り付けずに整流器２の温度、同期回転機１が取り付けられている車両のさまざまな情報から同期回転機１の温度情報を推定して検出してもよい。

以上で検出した電圧情報、回転速度情報、温度情報は制御デューティ算出手段１２へ入力される。制御デューティ算出手段１２は、あらかじめ設定してある発電目標電圧とバッテリ３の電圧情報を突き合わせて比較し、その偏差と回転速度情報と温度情報に応じて界磁スイッチング素子７のＯＮ／ＯＦＦ比率(デューティ)を算出して出力する。つづいて、界磁PWM駆動手段１４には、界磁スイッチング素子７のＯＮ／ＯＦＦ比率が入力される。界磁PWM駆動手段１４は、界磁スイッチング素子７のON、OFF動作がON／OFF比率に基づいて界磁スイッチング素子７のONタイミング、OFFタイミングを算出し、界磁スイッチング素子７を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する。

次に、界磁スイッチング素子７は、界磁PWM駆動手段１４から伝達される界磁スイッチング信号によりON／OFF動作を行う。界磁スイッチング素子７の低電位側は、整流器２のN(低位)側に接続され、高電位側は、界磁巻線１６の一端とフライホイールダイオード８のアノード(A)に接続されている。界磁巻線１６の他の端点は、フライホイールダイオード８のカソード(K)とともに、整流器２のP(高位)側に接続されており、界磁スイッチング素子７のON／OFF切り替えにより、界磁巻線１６の両端に印加される電圧が変化することから界磁電流量を調整できる。

以上の説明のように、実施の形態１の車両用発電機の発電制御装置によれば、同期回転機１の温度を検出する態様のもとで、バッテリ電圧と発電目標電圧の偏差情報から、同期回転機の温度により変化する発電電力特性を反映して、適切な界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出し、この比率により界磁巻線への印加電圧量を操作して界磁電流を調整することによって、回転速度と温度により変化する発電電力特性に対して良好な応答特性でバッテリ電圧が発電目標電圧に一致するように動作させることができる。

まず、図２では電圧偏差１２１のみを制御デューティ算出手段１１２に入力して制御デューティ１２２を導出する場合を説明する。図２は実施の形態１における制御デューティ算出手段の基本構成を示す構成図である。図２の制御デューティ算出手段１１２において、入力された電圧偏差に基づいて、制御デューティマップの電圧偏差軸を決定し、決定された電圧偏差軸に対応する制御デューティ（％）を導出すことにより、複雑な演算をせずに制御デューティを格納したマップの基準位置から電圧偏差を加算または減算するだけで制御デューティを導出することができる。

次に、図３において実際に構成する制御デューティ算出手段２１２を説明する。図３は実施の形態１における制御デューティ算出手段の実際の構成を示す構成図である。制御デューティ算出手段２１２は、電圧偏差を軸とした制御デューティマップを回転速度検出手段１０で検出する回転速度に応じて切り換えるため回転速度に応じた複数のマップで構成する。複数のマップは想定される速度に対して設けられている。また、回転速度に応じた複数のマップを温度検出手段１１で検出または推定する温度に応じて切り換えるため、温度に応じた複数の回転速度に応じた複数のマップで構成する。複数のマップは想定される温度に対して設けられている。

制御デューティ算出手段２１２では、まず入力された温度２２１に基づき回転速度に応じた複数のマップを決定し、次に入力された回転速度２２２に基づき回転速度に応じた複数のマップから制御デューティマップを決定し、さらに入力された電圧偏差２２３に基づき制御デューティ２２４を導出する。また、入力された温度、回転速度、電圧偏差の少なくとも１つがマップの軸データと一致しない場合において、制御デューティマップ補間演算（例えば、比例按分）を行い制御デューティを推定することによりマップの数を少なく構成できる。

図３で示す実施の形態では、電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、回転速度検出手段で検出された回転速度と温度検出手段で検出された同期回転機の温度に基づいて、界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出し、算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、界磁スイッチング素子を駆動するようにしたが、電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、温度検出手段で検出された同期回転機の温度に基づいて、界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出し、算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、界磁スイッチング素子を駆動するようにしてもよい。

また、温度または回転速度の変化における制御デューティの変化がない場合は、温度または回転速度別に作成するマップ列、マップに格納する制御デューティを同一の値を設定する。又はマップ構成を電圧偏差と温度、あるいは電圧偏差と回転速度へと変更することことで対応できる。

図４は実施の形態１における制御デューティマップの基本構成を示す構成図である。その構成図を電圧偏差（Ｖ）に対する制御デューティ（％）の特性曲線で表すとその右側の特性図となる。電圧偏差と制御デューティの刻み幅は一定とするものである。
図５は一定の回転速度のもとで温度変化により変化する制御デューティの構成を示す構成図である。一定の回転速度のもとで温度が変化すると、電圧偏差（Ｖ）に対する制御デューティ（％）の特性曲線は温度が上がると右側に並行移動する。すなわち、同じ電圧偏差に対して、温度が上がると、制御デューティ（％）は増加する。
図６は一定の温度のもとで回転速度変化により変化する制御デューティの構成を示す構成図である。一定の温度のもとで回転速度が変化すると、電圧偏差（Ｖ）に対する制御デューティ（％）の特性曲線は回転速度が上がると、温度が一定のとき、左側に並行移動する。すなわち、同じ電圧偏差に対して、回転速度が上がると、制御デューティ（％）は減少する。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２における電圧偏差軸刻みを細かくした制御デューティマップの構成を示す構成図である。その構成図を電圧偏差（Ｖ）に対する制御デューティ（％）の特性曲線で表すとその右側の特性図となる。図７では、電圧偏差の絶対値が小さくなるにつれて、制御デューティマップを参照する電圧偏差軸の刻みを細かくすることにより、バッテリ電圧が発電目標電圧付近にあるときに出力される制御デューティの変化を細かくすることで、バッテリ電圧と発電目標電圧の定常誤差を小さくすることができる。

実施の形態３．
図８は実施の形態３における電圧偏差が小さいほど制御デューティに変化率を小さくした制御デューティマップの構成を示す構成図である。その構成図を電圧偏差（Ｖ）に対する制御デューティ（％）の特性曲線で表すとその右側の特性図となる。電圧偏差が少ないほど制御デューティの変化率を小さくすることで、バッテリ電圧が発電目標電圧付近にあるとき、制御デューティの変動を少なく、またバッテリ電圧が発電目標電圧から離れると、即座に発電目標電圧にあわせるために変動の大きいデューティを導出することにより、バッテリ電圧が発電目標電圧付近にあるときは、発電電圧の変動を少なく、また、バッテリ電圧が発電目標電圧から離れると発電電圧の変動を大きくして発電目標電圧にすばやく一致させることができる。

なお、図１の発電制御装置６は、回路の一部または全てをデジタル回路またはマイコンで構成することができる。

この発明の実施の形態１における車両用発電機の発電制御装置の全体構成を示すブロック図である。 実施の形態１における制御デューティ算出手段の基本構成を示す構成図である。 実施の形態１における制御デューティ算出手段の実際の構成を示す構成図である。 実施の形態１における制御デューティマップの基本構成を示す構成図である。 実施の形態１における一定の回転速度のもとで温度変化により変化する制御デューティの構成を示す構成図である。 実施の形態１における一定の温度のもとで回転速度変化により変化する制御デューティの構成を示す構成図である。 実施の形態２における電圧偏差軸刻みを細かくした制御デューティマップの構成を示す構成図である。 実施の形態３における電圧偏差が小さいほど制御デューティの変化率を小さくした制御デューティマップの構成を示す構成図である。

符号の説明

１ 巻線界磁型同期回転機 ２ 整流器
３ バッテリ ４ スイッチ
５ 電気負荷 ６ 発電制御装置
７ 界磁スイッチング素子 ８ フライホイールダイオード
９ 電圧検出手段 １０ 回転速度検出手段
１１ 温度検出手段 １２ 制御デューティ算出手段
１４ 界磁PWM駆動手段 １５ 電機子巻線
１６ 界磁巻線 １１２ 制御デューティ算出手段
１２１ 電圧偏差 １２２ 制御デューティ
２１２ 制御デューティ算出手段 ２２１ 温度
２２２ 回転速度 ２２３ 電圧偏差
２２４ 制御デューティ

Claims (5)

1. 巻線界磁型同期回転機の交流発電電力を直流電力に変換して電気負荷及びバッテリに供給する整流器と、
   上記同期回転機の温度を検出する温度検出手段と、
   上記同期回転機の界磁巻線への電圧印加のＯＮ／ＯＦＦが切替え駆動される界磁スイッチング素子と、
   上記バッテリの電圧又は上記整流器の直流側電圧を検出する電圧検出手段と、
   上記電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、上記温度検出手段で検出された上記同期回転機の温度に基づいて、上記界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出する制御デューティ算出手段と、及び
   上記制御デューティ算出手段で算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、上記界磁スイッチング素子を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁ＰＷＭ駆動手段と
   を備え、上記界磁ＰＷＭ駆動手段の界磁スイッチング信号出力で上記界磁スイッチング素子を駆動するようにしたことを特徴とする車両用発電機の発電制御装置。
2. 巻線界磁型同期回転機の交流発電電力を直流電力に変換して電気負荷及びバッテリに供給する整流器と、
   上記同期回転機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   上記同期回転機の温度を検出する温度検出手段と、
   上記同期回転機の界磁巻線への電圧印加のＯＮ／ＯＦＦが切替え駆動される界磁スイッチング素子と、
   上記バッテリの電圧又は上記整流器の直流側電圧を検出する電圧検出手段と、
   上記電圧検出手段で検出された電圧を設定された発電目標電圧に一致させるように、上記回転速度検出手段で検出された回転速度と上記温度検出手段で検出された上記同期回転機の温度に基づいて、上記界磁スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ比率を算出する制御デューティ算出手段と、及び
   上記制御デューティ算出手段で算出されたＯＮ／ＯＦＦ比率に従って、上記界磁スイッチング素子を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁ＰＷＭ駆動手段と
   を備え、上記界磁ＰＷＭ駆動手段の界磁スイッチング信号出力で上記界磁スイッチング素子を駆動するようにしたことを特徴とする車両用発電機の発電制御装置。
3. 上記電圧検出手段で検出された電圧と設定された発電目標電圧との電圧偏差に基づく制御デューティを格納したマップから、上記電圧偏差に基づく制御デューティを導出し、上記ＯＮ／ＯＦＦ比率とする制御デューティ算出手段を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用発電機の発電制御装置。
4. 上記制御デューティ算出手段には、上記電圧偏差の絶対値が小さくなるにつれて、上記制御デューティを参照する電圧偏差の刻みが細かくなる上記制御デューティマップを備えることを特徴とする請求項３記載の車両用発電機の発電制御装置。
5. 上記制御デューティ算出手段には、電圧偏差が小さいほど制御デューティの変化率を小さくした上記制御デューティマップを備えることを特徴とする請求項３記載の車両用発電機の発電制御装置。

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