JP2007288927A - 車両用発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランジスタチョッパ式励磁回路を用いて車両用発電機に励磁電流を供給するとともに、耐環境性、信頼性を向上させることができる車両用発電制御装置を提供すること。
【解決手段】Ｈブリッジ回路の対向する一対のアームがパワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１で構成され、他の一対のアームがダイオード１３、１４で構成されて、エンジンによって駆動される車両用発電機２の励磁電流を供給するトランジスタチョッパ式励磁回路を備える車両用発電制御装置１において、エンジンが停止した非稼動状態において、パワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１で構成される一対のアームのうち、車両用発電機２のアース側に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ１１をオン状態とし、車両用発電機２の出力端子側に接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ１０をオフ状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機の出力電圧を制御する車両用発電制御装置に関する。

近年、自動車に搭載されてエンジンにより回転駆動される車両用発電機の発電量を有効に活用する要求が高まっている。この要求に応えるものとして、トランジスタチョッパ式励磁回路を備え、回転子を励磁する電流をバッテリに回生することで発電電力の有効利用を図る提案がされている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭６２−２０３５９９号公報（第２−４頁、図１−５）

ところで、特許文献１に開示された従来技術においては、車両のエンジンが非稼動状態のときに、ブリッジを構成するトランジスタがオフするので、このとき回転子の励磁巻線は電位的に浮いた状態になってしまう。寒冷地などにおいては、車両用発電機は、車両の走行終了後に融雪剤を含む水を被った状態にて放置されるケースがある。このような場合に、回転子のバッテリ端子側に接続されるトランジスタ端子間でリーク電流が発生すると回転子電位がバッテリ電位と同じになり、回転子とアース電位である固定子鉄心との間に電流が流れ、非常に狭いエアギャップ間に錆びが発生して耐環境性、信頼性が低下するという問題があった。特に、車両用発電機を高電圧（例えば４２Ｖ用）で使用する際にはこのような現象が特に顕著になる。このような理由により、本来は多機能であるトランジスタチョッパ式励磁回路を備える車両用発電機は普及するものではなかった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、トランジスタチョッパ式励磁回路を用いて車両用発電機に励磁電流を供給するとともに、耐環境性、信頼性を向上させることができる車両用発電制御装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電制御装置は、ブリッジ回路の対向する一対のアームがパワートランジスタで構成され、他の一対のアームがダイオードで構成されて、エンジンによって駆動される車両用発電機の励磁電流を供給するトランジスタチョッパ式励磁回路を備えており、エンジンが停止した非稼動状態において、パワートランジスタで構成される一対のアームのうち、車両用発電機のアース側に接続されたパワートランジスタをオン状態とし、車両用発電機の出力端子側に接続されたパワートランジスタをオフ状態としている。これにより、車両のエンジンが非稼動状態のときに、ブリッジ回路を構成するパワートランジスタのうちアース側のパワートランジスタを確実にオンさせることにより、電位がフローティングすることを防止し、仮に融雪剤を含む水が被水した状態等においてリーク電流が発生してもこのオンされたパワートランジスタを介してアースに流すことで、回転子の腐食を抑制し、耐環境性能を高めるとともに信頼性を向上させることができる、
また、上述したトランジスタチョッパ式励磁回路に含まれるパワートランジスタは、電圧駆動型のパワートランジスタであることが望ましい。これにより、バイポーラトランジスタのように駆動信号用の電流が不要になり、パワートランジスタを駆動する回路の暗電流を少なくしてアース側のパワートランジスタを駆動することができる。

また、上述したエンジンの稼動状態を判定する稼動状態判定手段と、車両用発電機のアース側に接続されたパワートランジスタをオン状態にする駆動手段と、エンジンが非稼動状態のときにも稼働状態判定手段と駆動手段に作動電力を供給するスタンバイ電源とを備えることが望ましい。稼働状態判定手段と駆動手段の両方を同一の電源回路（スタンバイ電源）で作動させることで車両用発電制御装置をより簡素に構成することができる。また、エンジンが非稼働状態のときに、確実にリーク電流をアースに流すことが可能となる。

また、上述した駆動手段とこの駆動手段によって駆動されるパワートランジスタとの間に配置された降圧手段をさらに備え、スタンバイ電源の出力電圧より低い電圧で、車両用発電機のアース側に接続されたパワートランジスタをオンすることが望ましい。一般的に、エンジンの稼働時間に比べて非稼働時間の方が長く、アース側のパワートランジスタの作動時間が長くなるが、駆動電圧を降圧することでパワートランジスタの作動負荷を低減し、信頼性の低下を招くことなく長寿命を維持することが可能となる。また、リーク電流については、駆動信号の電圧を低くしてもパワートランジスタの作動閾値より高い電圧を確保すれば、アース側に確実に流すことができる。

また、上述したトランジスタチョッパ式励磁回路に含まれる他の一対のアームを構成するダイオードのうち、少なくとも車両用発電機のアース側に接続されたダイオードは、パワートランジスタのボディダイオードを利用し、このパワートランジスタをエンジンが停止した非稼動状態においてオン状態とすることが望ましい。これにより、回転子の励磁巻線の両端がともにパワートランジスタを介してアース側に接続されるため、より確実に回転子をアース電位に固定することができ、車両用発電機の出力端側のパワートランジスタにリーク電流が発生しても、このリーク電流は回転子を流れることがないので、耐環境性、信頼性をさらに高めることが可能となる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電制御装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態の車両用発電制御装置の構成を示す図であり、あわせてこの車両用発電制御装置と車両用発電機やバッテリとの接続状態が示されている。

図１において、車両用発電制御装置１は、車両用発電機２の出力端子の電圧が所定の調整電圧設定値（例えば１４Ｖ）になるように制御するためのものである。また、車両用発電機２は、回転子に含まれる励磁巻線２１と、固定子に含まれる３相の固定子巻線２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、この固定子巻線２２ａ、２２ｂ、２２ｃの３相出力を全波整流するために設けられた整流回路２３とを含んで構成されている。この車両用発電機２の出力電圧の制御は、励磁巻線２１に対する通電を車両用発電制御装置１によって適宜断続制御することにより行われる。車両用発電機２の出力端子はバッテリ４に接続されており、出力端子からバッテリ４に充電電流が供給される。

次に、車両用発電制御装置１の詳細構成および動作について説明する。図１に示すように、車両用発電制御装置１は、パワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１、ダイオード１３、１４、２１４、２１５、電源回路１００、ＰＮＰ型のトランジスタ１０１、抵抗１０２、１０３、２１７、ＮＰＮ型のトランジスタ１０４、ドライバ１１０、１１１、電圧制御回路１１２、電圧比較器１１３、スタンバイ電源回路２００、インバータ回路２１１、ＦＥＴ２１２、オア回路２１３、起動検出回路２１６を含んで構成されている。

Ｈブリッジ回路の対向する一対のアームがパワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１で構成され、他の一対のアームがダイオード１３、１４で構成されている。パワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１をオンすることにより、励磁巻線２１に対する励磁電流の供給が行われる。また、パワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１をオフしたときに発生する励磁巻線２１の還流電流がダイオード１３、１４を介してバッテリ４に回生される。

一方のドライバ１１０は、車両用発電機２の出力端子側に接続された一方のパワーＭＯＳＦＥＴ１０を駆動し、ゲートにハイレベルの駆動信号を入力することでこのパワーＭＯＳＦＥＴをオンする。また、他方のドライバ１１１は、車両用発電機２のアース側に接続された他方のパワーＭＯＳＦＥＴ１１を駆動し、ゲートにハイレベルの駆動信号を入力することでこのパワーＭＯＳＦＥＴをオンする。電圧比較器１１３は、車両用交流発電機２の出力電圧がマイナス入力端子に、調整電圧Ｖref がプラス入力端子にそれぞれ印加されており、出力電圧が調整電圧Ｖref 以下になったときにハイレベルの信号を出力し、それ以外のときにローレベルの信号を出力する。電圧制御回路１１２は、電圧比較器１１３の出力信号に基づいてＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、ドライバ１１０、１１１に入力する。上述したＨブリッジ回路、ドライバ１１０、１１１、電圧制御回路１１２、電圧比較器１１３によって、励磁巻線２１に励磁電流を供給するトランジスタチョッパ式励磁回路が構成されている。

スタンバイ電源回路２００は、エンジンが非稼動状態のとき（車両用発電機２が非発電状態のとき）にも、一部の回路に作動電力を供給する。本実施形態では、電力供給の対象となる一部の回路には、インバータ回路２１１、オア回路２１３、起動検出回路２１６が含まれている。

起動検出回路２１６は、稼働状態判定手段であって、エンジンの稼働状態を判定する。具体的には、起動検出回路２１６は、固定子巻線２２ａ、２２ｂ、２２ｃのいずれかの相電圧（ピーク電圧や周波数）に基づいて車両用発電機２による起電圧の発生の有無を検出し、この検出結果に基づいてエンジンの稼働状態を判定する。例えば、所定の基準レベルを超えた相電圧の周波数が２００ｒｐｍ以下のときにエンジンが非稼働状態であると判定され、４００ｒｐｍ以上のときにエンジンが稼働状態であると判定される。このように、判定基準にヒステリシスを持たせることにより、判定動作の安定化を図っている。

オア回路２１３は、一方の入力端子が起動検出回路２１６の出力端子に、他方の入力端子がキースイッチ３とプルダウン抵抗１０５の接続点にそれぞれ接続されており、少なくとも一方の入力端子にハイレベルの信号が入力されたときにハイレベルの信号を出力する。

（エンジンが稼働状態にあるとき）
キースイッチ３が投入されてエンジンが始動すると、車両用発電機２は励磁巻線２１の残留磁束による励磁により発電を開始する。このとき、起動検出回路２１６は、エンジンの稼働状態を判定してハイレベルの信号を出力する。したがって、スタンバイ電源回路２００から電源供給を受けて動作しているオア回路２１３からはハイレベルの信号が出力される。このハイレベルの信号がＮＰＮ型のトランジスタ１０４のベースに入力されると、このＮＰＮ型のトランジスタ１０４がオンされるため、コレクタに接続された２つの抵抗１０２、１０３の接続点の電位が下がり、ＰＮＰ型のトランジスタ１０１がオンされる。これにより、電源回路１００は、ドライバ１１０、１１１、電圧制御回路１１２、電圧比較器１１３に対する動作電圧の供給を開始する。以後、Ｈブリッジ回路と電圧制御回路１１２等によって構成されるトランジスタチョッパ式励磁回路の動作が有効になり、車両用発電機２の出力電圧が所定の調整電圧に維持されるとともに、励磁巻線２１に流れる還流電流のバッテリ４への回生制御が行われる。

（エンジンが非稼働状態にあるとき）
一方、キースイッチ３がオフされてエンジンが停止すると、発電停止に伴って起動検出回路２１６からはローレベルの信号が出力される。起動検出回路２１６、オア回路２１３、インバータ回路２１１は、スタンバイ電源回路２００からの電源供給によって非発電時にも動作可能であり、起動検出回路２１６からローレベルの信号が出力されると、オア回路２１３からはローレベルの信号が出力される。このとき、駆動手段としてのインバータ回路２１１からはハイレベルの信号が出力され、このハイレベルの信号が降圧手段としての２つのダイオード２１４、２１５を介してアース側のパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに入力され、このパワーＭＯＳＦＥＴ１１がオンされる。これにより、励磁巻線２１はアースに接地される。なお、インバータ回路２１１から出力されるハイレベルの信号はＦＥＴ２１２のゲートにも入力されており、ＦＥＴ２１２がオンされると、このＦＥＴのドレインに抵抗１０６を介して接続されている出力端子側のパワーＭＯＳＦＥＴ１０のゲート電荷を放電することで、パワーＭＯＳＦＥＴ１０が強制的にオフされる。

このように、車両のエンジンが非稼動状態のときに、Ｈブリッジ回路を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１のうちアース側のパワーＭＯＳＦＥＴ１１を確実にオンさせることにより、励磁巻線２１の電位がフローティングすることを防止し、仮に融雪剤を含む水が被水した状態等においてリーク電流が発生してもこのオンされたパワーＭＯＳＦＥＴ１１を介してリーク電流をアースに流すことができる。これにより、回転子や固定子の腐食を抑制し、耐環境性能を高めるとともに信頼性を向上させることができる。

また、トランジスタチョッパ式励磁回路に含まれるパワーＭＯＳＦＥＴは電圧駆動型であるため、バイポーラトランジスタのように駆動信号用の電流が不要になり、駆動回路（インバータ回路２１１）の暗電流を少なくしてアース側のパワーＭＯＳＦＥＴ１１を駆動することができる。

また、起動検出回路２１６とオア回路２１３、インバータ回路２１１を同一のスタンバイ電源回路２００で作動させることで車両用発電制御装置１をより簡素に構成することができる。また、エンジンが非稼働状態のときに、確実にリーク電流をアースに流すことが可能となる。

また、インバータ回路２１１とパワーＭＯＳＦＥＴ１１との間に降圧手段としてのダイオード２１４、２１５を配置することにより、パワーＭＯＳＦＥＴ１１の駆動電圧をスタンバイ電源回路２００からインバータ回路２１１等に供給される動作電源よりも低くしている。一般的に、エンジンの稼働時間に比べて非稼働時間の方が長く、アース側のパワーＭＯＳＦＥＴ１１の作動時間が長くなるが、駆動電圧を降圧することでパワーＭＯＳＦＥＴ１１の作動負荷を低減し、信頼性の低下を招くことなく長寿命を維持することが可能となる。また、リーク電流については、駆動信号の電圧を低くしてもパワーＭＯＳＦＥＴ１１の作動閾値より高い電圧を確保すれば、アース側に確実に流すことができる。

例えば、スタンバイ電源回路２００から供給される動作電圧を５Ｖ、ダイオード２１４、２１５のそれぞれの順方向電圧降下を０．７Ｖ（＝ＶＦ）とすると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートには３．６Ｖ（＝５−１．４Ｖ）の駆動電圧が入力される。パワーＭＯＳＦＥＴ１１の閾値電圧Ｖｔｈを１．２Ｖとすると、３．６Ｖの駆動電圧であれば十分にリーク電流をアース側に流すことができる。

図２は、エンジンの稼働状態と非稼働状態における動作タイミング図である。図２において、「キースイッチ」はキースイッチ３のオンオフ（ＯＮ／ＯＦＦ）状態を、「起動検出出力」は起動検出回路２１６の出力信号を、「電源」は電源回路１００によって発生する動作電圧を、「スタンバイ電源」はスタンバイ電源回路２００によって発生する動作電圧を、「Ｔｒ１０ソース電圧」はパワーＭＯＳＦＥＴ１０のソースの電圧を、「Ｔｒ１１ゲート電圧」はパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートの電圧をそれぞれ示している。図２に示すように、エンジン稼働停止時には、パワーＭＯＳＦＥＴ１１は、ゲートに５Ｖ−２ＶＦ（＝３．６Ｖ）の電圧が印加されてオンされる。

図３は、車両用発電制御装置の変形例を示す部分的な構成図である。図３に示す構成は、図１に示した車両用発電制御装置１に対して、２つのダイオード２１４、２１５をオア回路２１０に置き換えるとともにドライバ１１１の出力信号をオア回路２１０に入力している点が異なっている。また、図３ではドライバ１１１の具体的構成が示されている。

図３に示すように、ドライバ１１１は、バッファ回路１１４とプルダウン抵抗１１５によって構成されている。エンジン稼働時に電源回路１００が起動されて動作電圧の供給が開始されると、電圧制御回路１１２によって励磁電流を遮断する際にはローレベルの信号がバッファ回路１１４に入力される。したがって、オア回路２１０の出力信号はローレベルになり、パワーＭＯＳＦＥＴ１１はオフされる。反対に、電圧制御回路１１２によって励磁電流を流す際にはハイレベルの信号がバッファ回路１１４に入力される。したがって、オア回路２１０の出力信号はハイレベルになり、パワーＭＯＳＦＥＴ１１はオンされる。また、エンジン非稼働時には、電源回路１００による動作電圧の供給が停止されてバッファ回路１１４は非動作状態になるため、プルダウン抵抗１１５によってプルダウンされてバッファ回路１１４の出力端子の電位がローレベルになる。したがって、オア回路２１０は、スタンバイ電源回路２００による動作電圧供給によって動作するインバータ回路２１１の出力信号に応じて動作する。

図４は、車両用発電制御装置の他の変形例を示す図である。図４に示す車両用発電制御装置１Ａは、図１に示した車両用発電制御装置１に対して、Ｈブリッジ回路に含まれるダイオード１３、１４を一対のパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａ、１４ａに置き換えるとともに、これら置き換えたパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａ、１４ａに対応するドライバ１１０ａ、１１１ａ、抵抗１０６ａ、インバータ回路１１２ａ、ＦＥＴ２１２ａ、ダイオード２１４ａ、２１５ａを追加した点が異なっている。ダイオード１３、１４に関しては、パワーＭＯＳＦＥＴ１３ａ、１４ａのボディダイオードを利用した形となっている。パワーＭＯＳＦＥＴ１３ａ、１４ａは、パワーＭＯＳＦＥＴ１０、１１と排他的にオンオフされるものであり、その排他的な駆動がインバータ回路１１２ａ、ドライバ１１０ａ、１１１ａによって行われる。また、アース側のパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａに対応して追加されたＦＥＴ２１２ａ、ダイオード２１４ａ、２１５ａは、パワーＭＯＳＦＥＴ１１に対応して設けられているＦＥＴ２１２、ダイオード２１４、２１５と同じ動作を行う。すなわち、エンジン非稼働時に、インバータ回路２１１からハイレベルの信号が出力されたときに、この信号の電圧レベルをダイオード２１４ａ、２１５ａによって降圧してパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａのゲートに供給し、これによりパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａがオンされる。また、エンジン非稼働時にＦＥＴ２１２ａがオンされると、このＦＥＴ２１２ａのドレインに抵抗１０６ａを介して接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ１４ａが強制的にオフされる。

このように、ダイオード１３、１４をパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａ、１４ａに置き換えることにより、励磁巻線２１の両端がともにパワーＭＯＳＦＥＴ１１、１３ａを介してアース側に接続されるため、より確実に回転子をアース電位に固定することができ、車両用発電機２の出力端側のパワーＭＯＳＦＥＴ１０、１４ａにリーク電流が発生しても、このリーク電流は回転子を流れることがないので、耐環境性、信頼性をさらに高めることが可能となる。なお、図４に示した構成では、ダイオード１３、１４の両方をパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａ、１４ａに置き換えたが、アース側のダイオード１３のみをパワーＭＯＳＦＥＴ１３ａに置き換えるようにしてもよい。

一実施形態の車両用発電制御装置の構成を示す図である。 エンジンの稼働状態と非稼働状態における動作タイミング図である。 車両用発電制御装置の変形例を示す部分的な構成図である。 車両用発電制御装置の他の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 車両用発電制御装置
２ 車両用発電機
３ キースイッチ
４ バッテリ
１０、１１ パワーＭＯＳＦＥＴ
１３、１４、２１４、２１５ ダイオード
２１ 励磁巻線
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 固定子巻線
２３ 整流回路
１００ 電源回路
１０１ ＰＮＰ型のトランジスタ
１０２、１０３、２１７ 抵抗
１０４ ＮＰＮ型のトランジスタ
１１０、１１１ ドライバ
１１２ 電圧制御回路
１１３ 電圧比較器
２００ スタンバイ電源回路
２１１ インバータ回路
２１２ ＦＥＴ
２１３ オア回路
２１６ 起動検出回路

Claims (5)

1. ブリッジ回路の対向する一対のアームがパワートランジスタで構成され、他の一対のアームがダイオードで構成されて、エンジンによって駆動される車両用発電機の励磁電流を供給するトランジスタチョッパ式励磁回路を備える車両用発電制御装置において、
   前記エンジンが停止した非稼動状態において、前記パワートランジスタで構成される一対のアームのうち、前記車両用発電機のアース側に接続された前記パワートランジスタをオン状態とし、前記車両用発電機の出力端子側に接続された前記パワートランジスタをオフ状態とすることを特徴とする車両用発電制御装置。
2. 請求項１において、
   前記トランジスタチョッパ式励磁回路に含まれる前記パワートランジスタは、電圧駆動型のパワートランジスタであることを特徴とする車両用発電制御装置。
3. 請求項１において、
   前記エンジンの稼動状態を判定する稼動状態判定手段と、
   前記車両用発電機のアース側に接続された前記パワートランジスタをオン状態にする駆動手段と、
   前記エンジンが非稼動状態のときにも前記稼働状態判定手段と前記駆動手段に作動電力を供給するスタンバイ電源と、
   を備えることを特徴とする車両用発電制御装置。
4. 請求項３において、
   前記駆動手段とこの駆動手段によって駆動される前記パワートランジスタとの間に配置された降圧手段をさらに備え、
   前記スタンバイ電源の出力電圧より低い電圧で、前記車両用発電機のアース側に接続された前記パワートランジスタをオンすることを特徴とする車両用発電制御装置。
5. 請求項１において、
   前記トランジスタチョッパ式励磁回路に含まれる前記他の一対のアームを構成するダイオードのうち、少なくとも前記車両用発電機のアース側に接続されたダイオードは、パワートランジスタのボディダイオードを利用し、このパワートランジスタを前記エンジンが停止した非稼動状態においてオン状態とすることを特徴とする車両用発電制御装置。
   

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