JP2010259152A - 発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ残量に応じて、燃費効率の良い状態においてオルタネータによる発電を実施することで、燃費の改善が可能な発電制御装置を提供すること。
【解決手段】エンジン本体４により駆動され発電を行うオルタネータ６と、オルタネータ６の発電により充電されるバッテリ８と、バッテリ８の充電状態を検出する電流計１７と、オルタネータ６を駆動するためにエンジン本体４が単位時間当たりに消費する燃料消費量を算出し、電流計１７により検出された充電状態、及び算出された燃料消費量に応じてオルタネータ６の発電状態を切り替えるＥＣＵ２と、を具備することを特徴とする発電制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電制御装置に関する。

車両においては、内燃機関（エンジン）が発生するエネルギーにより、発電機（オルタネータ）を駆動し発電を行うことがある。オルタネータにより発電された電気は、バッテリに充電される。

例えば、特許文献１には、運転状態に応じて、発電機の発電制御を、電圧による制御と電流による制御とのいずれかに切り替える技術が開示されている。特許文献２には、エンジン回転数に応じて発電を停止または抑制する制御を行う技術が開示されている。

特開２００７−７４８１５号公報 特開２００４−１１２９１７号公報

しかしながら、オルタネータを駆動させることは、エンジンの負荷となる。特許文献１の技術はオルタネータの発電停止は行わないため、内燃機関の燃費改善への寄与は少ない。また、特許文献２のように、エンジン回転数に基づいた判断では、実際にはエンジン負荷が高い領域で発電を行っていることもあり、この場合はオルタネータを駆動させるためにエンジンに負荷がかかり、燃費が悪化することがある。

本発明は、上記課題に鑑み、内燃機関の燃費の改善が可能な発電制御装置を提供することを課題とする。

本発明は、内燃機関により駆動され発電を行う発電機と、前記発電機の発電により充電される充電部と、前記充電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、前記発電機を駆動するために前記内燃機関が単位時間当たりに消費する燃料消費量を算出する燃料消費量算出部と、前記充電状態検出部により検出された前記充電状態、及び前記燃料消費量算出部により算出された前記燃料消費量に応じて、前記発電機の発電状態を切り替える発電状態制御部と、を具備することを特徴とする発電制御装置である。本発明によれば、充電状態に応じて、燃費効率の良い状態において発電を実施することで、内燃機関の燃費の改善が可能となる。

上記構成において、前記発電状態制御部は、前記燃料消費量が所定の閾値より小さい場合に、前記発電機が発電を行うように前記発電状態を切り替え、前記充電状態に応じて前記閾値を定める閾値決定手段を具備する構成とすることができる。この構成によれば、充電状態に応じて、燃費効率の良い状態において発電を実施することで、内燃機関の燃費の改善が可能となる。

上記構成において、前記充電状態検出部は、前記充電部の電圧を測定する電圧測定部を含み、前記充電部が低充電状態にあることを前記電圧測定部が検出した場合、前記発電状態制御部は前記燃料消費量に応じた判断に優先して前記発電機が発電を行うように前記発電状態を切り替える構成とすることができる。この構成によれば、低電圧状態において発電を行うため、充電部の電力が不足する状態を回避することができる。

本発明によれば、燃費の改善が可能な発電制御装置を提供することができる。

図１は実施例に係る発電制御装置の構成を例示するブロック図である。 図２（ａ）から図２（ｃ）は、車両の走行状態と燃料消費量、出力、及び速度との関係を各々例示する図である。 図３はエンジン回転数とトルクとに応じた燃料消費率を例示する図である。 図４はエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた、発電実施領域を例示する図である。 図５は実施例に係る発電制御装置の制御を例示するフローチャートである。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、切り替え機構の一例を例示する断面図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

まず、実施例に係る発電制御装置１００の構成例について説明する。図１は実施例に係る発電制御装置１００を例示するブロック図である。

図１に示すように、発電制御装置１００はエンジン２００に備えられており、エンジン２００はエンジン本体４（内燃機関）を備え車両１０００に搭載されている。図中に点線で囲ったように、発電制御装置１００は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２、オルタネータ６（発電機）、バッテリ８（充電部）、電気負荷１０、プーリ１２、ベルト１６、電流計１７及び電圧計１８とを備える。

エンジン本体４は、プーリ１２が設けられたシャフト１４を備えている。シャフト１４は、エンジン本体４の動作により回転する。プーリ１２とオルタネータ６との間にはベルト１６が張設されている。バッテリ８はオルタネータ６及び電気負荷１０に接続されている。電気負荷１０には、例えばヘッドライト、ファン、ハザードランプ、ブレーキランプ、パワーウィンドウ、シート、ワイパー等がある。

エンジン本体４が動作することにより発生する動力は、シャフト１４、プーリ１２及びベルト１６を介してオルタネータ６に伝達され、オルタネータ６を駆動する。つまり、オルタネータ６はエンジン本体４により駆動され、発電を行う。バッテリ８は、オルタネータ６が行う発電により充電される。バッテリ８に充電された電力は、電気負荷１０の動作などに用いられる。

バッテリ８には、バッテリ８の電圧を測定する電圧計１８（電圧測定部）が設けられている。また、バッテリ８と電気負荷１０との間には、バッテリ８が流す電流を測定する電流計１７（充電状態検出部）が設けられている。言い換えれば、電流計１７はバッテリ８の充電状態（残量）を検出する。ＥＣＵ２は、エンジン本体４の回転数、及び出力を検出する。また、ＥＣＵ２は、電圧計１８が測定するバッテリ８の電圧、及び電流計１７が測定するバッテリ８からの電流を取得する。後述するように、ＥＣＵ２は、プーリ１２とシャフト１４との係合状態を制御することにより、オルタネータ６の発電状態を制御する。

次に、車両１０００の走行状態に応じた、オルタネータ６による発電の影響を説明する。図２（ａ）は車両１０００の走行状態とエンジン２００で消費される燃料消費量との関係、図２（ｂ）は走行状態とエンジン本体４の発生出力との関係、図２（ｃ）は車両１０００の走行状態と速度との関係を各々例示する図である。縦軸は、図２（ａ）においては燃料消費量、図２（ｂ）においては出力、図２（ｃ）においては速度を各々表す。図２（ａ）から図２（ｃ）において、横軸は時間を表す。

図２（ａ）において斜線で示した領域は、オルタネータ６を駆動するために、エンジン本体４が追加して消費する燃料消費量である。すなわち、オルタネータ６を駆動することで、燃料は余計に消費される。斜線領域の高さは、オルタネータ６を駆動するために、エンジン本体４が単位時間当たりに消費する燃料消費量を表す。また、図２（ｂ）において斜線で示した領域は、オルタネータ６を駆動させるために、エンジン本体４が追加して発生させる出力である。

図２（ｃ）に示すように、時間０からｔ１まではアイドリング、ｔ１からｔ２までは加速、ｔ２からｔ３までは定常走行、ｔ３からｔ４まではフューエルカット状態での減速（以下「Ｆ／Ｃ」と表記する）、ｔ４からｔ５までは減速の状態を各々表す。

図２（ｂ）に示すように、オルタネータ６を駆動するためにエンジン本体４が発生させる出力は、車両１０００の走行状態に関らず略同一である。つまり、エンジン本体４に対するオルタネータ６の負荷は走行状態に関らず略同一である。これに対し、図２（ａ）に示すように、オルタネータ６を駆動するためにエンジン本体４が消費する単位時間当たりの燃料消費量は、車両１０００の走行状態により異なる。以下、この点について説明する。

アイドリング状態、及び減速状態では、他の走行状態に比較して、オルタネータ６を駆動するために消費される単位時間当たりの燃料消費量が多い。これに対し、加速状態では単位時間当たりの燃料消費量が少ない。定常状態においては、アイドリング状態または減速状態よりも単位時間当たりの燃料消費量が少ないが、加速状態より単位時間当たりの燃料消費量が多い。Ｆ／Ｃ状態ではオルタネータ６が駆動しているか否かに関らず、燃料は消費されない。このように、走行状態に応じて、オルタネータ６を駆動するためにエンジン本体４が消費する単位時間当たりの燃料消費量は変化する。具体的には、アイドリング状態及び減速状態、定常状態、加速状態の順で、単位時間当たりの燃料消費量は減少する。

次に、燃料消費率について説明する。燃料消費率とは、単位時間当たりに単位エネルギーを発生させるために消費される燃料量である。図３は、エンジン回転数とエンジンが発生するトルクとに応じた燃料消費率を例示する図である。横軸はエンジン本体４の回転数であり、縦軸はエンジン本体４が発生するトルクである。また、図中の等値線は燃料消費率を示しており、高回転数、高トルクであるほど、つまり図の右上の領域ほど燃料消費率は改善する。ここで、燃料消費率とは、単位時間当たりに単位推力を発生させる燃料の消費量である。

図中の三角（▲及び△）はアイドリング状態、四角（◆及び◇）は定常状態、丸（●及び○）は加速状態を各々示す。また、黒塗りの記号（▲、◆、●）は発電している場合、白抜きの記号（△、◇、○）は発電していない場合、それぞれにおける燃料消費率を示す。なお、図２（ａ）に示すように、燃料消費量が減速状態とアイドリング状態とでは同程度であるため、燃料消費率も減速状態とアイドリング状態とでは同程度である。

図３に示すように、アイドリング状態よりも定常状態の方が、燃料消費率は低下する。すなわち燃料消費率が改善する。また、定常状態よりも加速状態の方が、燃料消費率は改善する。つまり図２（ａ）に示した燃料消費量と同様に、アイドリング状態及び減速状態、定常状態、加速状態の順で燃料消費率は改善する。

次に、オルタネータ６の発電実施領域について説明する。図４はエンジン回転数とエンジン負荷とに応じた発電実施領域を例示する図である。横軸はエンジン本体４の回転数、縦軸はエンジン本体４の負荷をそれぞれ表す。なお、高回転数、高負荷であるほど、つまり図の右下の領域ほど燃料消費量は減少する。

図中の実線はバッテリ８の残量が７５〜１００％の状態（状態Ａとする）における、燃料消費量の閾値を表す。一点短鎖線は残量が５０〜７５％の状態（状態Ｂ）における閾値を、破線は残量が２５〜５０％の状態（状態Ｃ）における閾値を各々表す。それぞれの状態において、閾値より右下の領域、つまり高回転数、高負荷の領域が、実施例に係る発電制御装置１００の発電実施領域となる。状態Ａ、Ｂ及びＣにおける発電実施領域を、それぞれ第１発電実施領域、第２発電実施領域、及び第３発電実施領域とする。

図４に示すように、実施例に係る発電制御装置１００では、バッテリ８の充電状態に応じて燃料消費量の閾値が定められる。バッテリ８の残量が他の状態に比較して多い状態Ａでは、他の状態に比較して高回転数、高負荷の領域、つまり単位時間当たりの燃料消費量の少ない領域のみが、発電実施領域となる。バッテリ８の残量の低下に伴い、状態Ｂ、状態Ｃの順に、低回転数、低負荷の領域も発電実施領域に含まれることになる。つまり、バッテリ８の残量の低下に伴い、単位時間当たりの燃料消費量の多い領域も発電実施領域となる。

また、図２（ａ）に示すように、Ｆ／Ｃ状態では、エンジン本体４への燃料供給が遮断される。つまり、オルタネータ６を駆動するために燃料が消費されない。従って、回転数や負荷に関らず、Ｆ／Ｃ状態は発電実施領域となり、オルタネータ６は発電を行う。

次に、発電実施領域と走行状態との対応例について説明する。表１は、走行状態（すなわち燃料消費量）と、充電状態とに応じた発電実施領域を例示するものである。上からバッテリ８の残量が７５〜１００％（状態Ａ）、５０〜７５％（状態Ｂ）、２５〜５０％（状態Ｃ）、０〜２５％（状態Ｄ）を表す。既述したように、Ｆ／Ｃ状態（最も左の列）では燃料は消費されない。また、アイドリング、定常、緩加速、急加速の順で、つまり右の列ほど、オルタネータ６を駆動するための単位時間当たりの燃料消費量は少なくなる。なお、○は発電実施領域であること、×は発電実施領域でないことをそれぞれ表す。

表１に示すように、Ｆ／Ｃ状態では、充電状態に関らず発電が行われる。状態Ａにおいて、ＥＣＵ２は、高回転数、高負荷で、単位時間当たりの燃料消費量の少ない急加速状態を発電実施領域とする。状態Ｂにおいて、ＥＣＵ２は、単位時間当たりの燃料消費量が急加速状態より多い緩加速状態も、発電実施領域とする。状態Ｃにおいて、ＥＣＵ２は、単位時間当たりの燃料消費量が緩加速状態よりさらに多い定常状態も発電実施領域とする。状態Ｄにおいては、ＥＣＵ２は、燃料消費量が定常状態よりさらに多いアイドリング状態も発電実施領域とする。つまり、状態Ｄにおいては、全ての走行状態を発電実施領域とする。

上記のように、バッテリ８の残量が少なくなるに伴い、単位時間当たりの燃料消費量の少ない走行状態から順に、発電実施領域とする。言い換えれば、バッテリ８の残量が多くなるに伴い、単位時間当たりの燃料消費量の多い走行状態から順にオルタネータ６の発電を停止する。

次に、実施例に係る発電制御装置１００の制御について説明する。図５は、実施例に係る発電制御装置１００の制御を例示するフローチャートである。

図５に示すように、最初にＥＣＵ２はエンジン２００が運転中か判断する（ステップＳ１０）。Ｎｏの場合、制御は終了する。

Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ２はエンジン本体４の回転数及び出力を検出する。その後、ＥＣＵ２は、回転数及び出力に基づき、車両１０００の走行状態ごとに、オルタネータ６を駆動するためにエンジン本体４が消費する単位時間当たりの燃料消費量、及び燃料消費率を算出する（ステップＳ１１）。より具体的には、図２（ａ）に示した燃料消費量、及び図３に示した燃料消費率を算出する。すなわち、ＥＣＵ２は燃料消費量算出部に相当する。

ステップＳ１１の後、電流計１７はバッテリ８が流す電流を計測し、電流に基づきバッテリ８の充電状態を検出する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２の後、ＥＣＵ２は、ステップＳ１１において算出した燃料消費量、及びステップＳ１２において検出されたバッテリ８の充電状態に基づき、燃料消費量の閾値（図４参照）を定める（ステップＳ１３）。すなわち、ＥＣＵ２は閾値決定手段に相当する。言い換えれば、燃料消費量及び充電状態に応じて、ＥＣＵ２は発電実施領域を決定する。

ステップＳ１３の後、ＥＣＵ２は、ステップＳ１３で定めた閾値に応じて、走行状態が図４に示した発電実施領域にあるか判断する（ステップＳ１４）。つまり、ＥＣＵ２は、単位時間当たりの燃料消費量が閾値より小さいか判断する。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ２はオルタネータ６が発電を行うように制御を行う。ステップＳ１４でＹｅｓの場合、オルタネータ６は駆動し、発電を実施する（ステップＳ１５）。すなわち、ＥＣＵ２は、燃料消費量及び充電状態に応じてオルタネータ６の発電状態を切り替える発電状態制御部に相当する。

ステップＳ１４においてＮｏの場合、ＥＣＵ２は、電圧計１８が測定するバッテリ８の電圧を取得し、電圧に基づきバッテリ８が低充電状態にあるか判断する（ステップＳ１６）。Ｎｏの場合、オルタネータ６は発電を行わない（ステップＳ１７）。

ステップＳ１６においてＹｅｓの場合、オルタネータ６は発電を実施する（ステップＳ１５）。すなわち、バッテリ８が低充電状態にあることを電圧計１８が検出した場合、燃料消費量、燃料消費率及びバッテリ８の充電状態に応じた判断に優先して、ＥＣＵ２はオルタネータ６が発電を行うように発電状態を切り替える。ステップＳ１５またはＳ１７の後、ステップＳ１０に戻る。

次に、発電状態の切り替え機構の例について説明する。図６（ａ）はオルタネータ６が発電を行っている場合、図６（ｂ）は発電を行っていない場合、それぞれの場合においてプーリ１２、シャフト１４及びベルト１６を拡大して例示する断面図である。

図６（ａ）に示すように、エンジン本体４に接続されたシャフト１４には、プーリ用ベアリング２４及びシャフト用ベアリング２６を介して、プーリ１２が設けられている。また、シャフト１４には、板バネ２２を介してアーマチャ２０が設けられている。プーリ１２には永久磁石１３及びコイル１５が備えられ、プーリ１２の周縁部にはベルト１６が架けられている。エンジン本体４（図１参照）が駆動すると、シャフト１４とともにアーマチャ２０も回転する。

プーリ１２に設けられた永久磁石１３の磁力により、アーマチャ２０はプーリ１２に引き付けられ、接触している。すなわち、アーマチャ２０とプーリ１２とは係合している。このため、エンジン本体４の駆動により、プーリ１２は回転する。図１に示すように、ベルト１６はオルタネータ６とプーリ１２との間に張設されている。従って、エンジン本体４が発生する動力は、プーリ１２及びベルト１６を介してオルタネータ６に伝達される。このとき、オルタネータ６は駆動し、発電する。

図６（ｂ）に示すように、電流がコイル１５に流れると、コイル１５は、永久磁石１３の磁束とは逆磁束の磁力を発生させる。永久磁石１３の磁力は、コイル１５が発生させる磁力と打ち消し合うため、弱まる。この結果、板バネ２２の力により、アーマチャ２０はプーリ１２から引き離される。すなわち、アーマチャ２０とプーリ１２とは係合しないため、プーリ１２は回転しない。このとき、エンジン本体４の動力は、オルタネータ６に伝達されない。従って、オルタネータ６は駆動せず、発電しない。ＥＣＵ２は、コイル１５への通電状態の制御、すなわちオルタネータ６の発電状態の制御を行う。

実施例に係る発電制御装置１００は、図２（ａ）及び図３に示すように、車両１０００の走行状態ごとに、オルタネータ６を駆動するためにエンジン本体４が単位時間当たりに消費する燃料消費量及び燃料消費率を算出する（図５のステップＳ１１）。また、電流計１７はバッテリ８の充電状態を検出する（ステップＳ１２）。そして、算出された燃料消費量、及び検出された充電状態に応じて、ＥＣＵ２は閾値を決定する（ステップＳ１３）。

従って、実施例によれば、バッテリ８の充電状態に応じて、単位時間当たりの燃料消費量が少ない状態においてオルタネータ６による発電が行われるため、エンジン２００の燃費を改善することが可能となる。また、バッテリ８の残量が低下すると、燃料消費量が多い領域も発電実施領域に含まれるため、バッテリ８の電力が不足する状態を回避することができる。

さらに、バッテリ８が低電圧状態にある場合、算出された燃料消費量及び燃料消費率に応じた判断に優先して、オルタネータ６は発電を行う（ステップＳ１４及びＳ１５）。つまり、車両１０００の走行状態がアイドリング状態や定常状態にあっても、オルタネータ６は発電を行い、バッテリ８は充電される。このため、バッテリ８の電力が不足する状態を回避することができる。

車両１０００の走行及びオルタネータ６を駆動するために燃料が消費されないＦ／Ｃ状態（図２（ａ）参照）も発電実施領域とする。このため、オルタネータ６が発電することによるエンジン２００の燃費悪化が抑制される。また、オルタネータ６の負荷がエンジン本体４に加わり、フリクションが増加するため、減速時のエンジンブレーキの効果をより高めることが可能となる。

バッテリ８の充電状態を検出する手段は、電流計１７に限定されない。しかしながら、バッテリ８の充電状態をより正確に検出するためには、高精度の電流計１７を用いることが好ましい。これにより、バッテリ８の充電状態に応じてＥＣＵ２は、閾値すなわち発電実施領域を定めることができる。また、電流計１７とともに電圧計１８を用いることで、バッテリ８の劣化等、予測が難しいバッテリ消費に対応して、発電を行い、バッテリ８の電力が不足する状態を回避することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ＥＣＵ ２
エンジン本体 ４
オルタネータ ６
バッテリ ８
プーリ １２
シャフト １４
ベルト １６
電流計 １７
電圧計 １８
発電制御装置 １００
エンジン ２００
車両 １０００

Claims (3)

1. 内燃機関により駆動され発電を行う発電機と、
   前記発電機の発電により充電される充電部と、
   前記充電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、
   前記発電機を駆動するために前記内燃機関が単位時間当たりに消費する燃料消費量を算出する燃料消費量算出部と、
   前記充電状態検出部により検出された前記充電状態、及び前記燃料消費量算出部により算出された前記燃料消費量に応じて、前記発電機の発電状態を切り替える発電状態制御部と、を具備することを特徴とする発電制御装置。
2. 前記発電状態制御部は、前記燃料消費量が所定の閾値より小さい場合に、前記発電機が発電を行うように前記発電状態を切り替え、
   前記充電状態に応じて前記閾値を定める閾値決定手段を具備することを特徴とする請求項１記載の発電制御装置。
3. 前記充電状態検出部は、前記充電部の電圧を測定する電圧測定部を含み、
   前記充電部が低充電状態にあることを前記電圧測定部が検出した場合、前記発電状態制御部は前記燃料消費量に応じた判断に優先して前記発電機が発電を行うように前記発電状態を切り替えることを特徴とする請求項１記載の発電制御装置。

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