JP2010259216A - 車両用電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタのように充電エネルギーの増減に伴って電圧が大きく変化する充電デバイスを用いる場合、必要以上の発電トルクを発生させることなく、減速エネルギーを効率良く回収する車両用電源制御装置を得る。
【解決手段】車両用電源制御装置は、駆動力源により回転し、ローターに流れる界磁電流から発生した磁束によって発電する発電機と、発電機が発電した第１の電圧の電力を第２の電圧の電力に変換する直流変換器と、発電機と並列に接続される第１電源と、車両電気負荷に並列に接続される第２電源と、を備え、第１電源の第１電源電圧を検出する第１電源電圧検出手段と、駆動力源の回転数を検出する回転数検出手段と、発電機に対して界磁電流を出力する電源制御手段と、を備え、電源制御手段は、第１電源電圧、回転数および目標発電トルクに基づき、目標発電トルクを発生させる界磁電流を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の電源制御装置に関し、特に複数の電圧系を持った電源制御装置に関する。

従来、エンジンの動力のみで走行する従来型の自動車において、減速時に発電機から得られる回生電力を二次電池や大容量キャパシタ等の充電デバイスに充電し、その充電された電力を減速時以外（加速時、定常走行時、アイドリング時）での車両電気負荷や鉛バッテリーに供給することで燃費を向上させる二電源系の構成が知られている。このシステムは、回生電力を高出力・高効率で回収するため、回生電力を充電するための充電デバイスが接続された電圧系統は車両電気負荷の駆動電圧よりも高い電圧となっている。このため、高電圧系の電力をＤＣ／ＤＣコンバータを介して低電圧系に供給する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

減速エネルギー回収では、ドライバーがブレーキペダル操作を行うブレーキ減速のシーンに加え、アクセルペダル、ブレーキペダル両方から足を離した状態で行う惰行減速においてもエネルギーを回収する。通常の車両では、惰行減速はブレーキ減速に比べて減速度が小さいことが特徴であり、車両によっては実用燃費向上のためにほとんど減速度を発生させていない場合もある。

特許第３９７２９０６号明細書

しかし、キャパシタのように充電電力の増減に伴って電圧が大きく変動する充電デバイスで減速エネルギーを回収する場合、ローター回転数だけでなく、キャパシタの電圧の値によって発電トルクが変化する。このため、発電機のローターに流す界磁電流を一定値とした場合、ドライバーがアクセルペダルを離して行う惰行減速時に、キャパシタ電圧とローター回転数の値によっては大きな発電トルクが発生する。このため、車両の減速度が大きくなり、ドライバーに煩わしさを与えてしまうと同時に、アクセルの踏み増しが発生するため、燃費が悪化する。また、逆に、発電トルクが小さすぎる場合は、回収エネルギーが不足するため、燃費の改善率が低下する。

特許文献１では、回生電力の充電デバイスとしてリチウムイオンバッテリー、ニッケル水素バッテリー、鉛バッテリーなどの二次電池に加え、キャパシタが挙げられているが、キャパシタを用いた場合の発電制御については触れられていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、キャパシタのように充電エネルギーの増減に伴って電圧が大きく変化する充電デバイスを用いる場合、必要以上の発電トルクを発生させることなく、減速エネルギーを効率良く回収する車両用電源制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用電源制御装置は、内燃機関またはその他の駆動力源により回転し、ローターに流れる界磁電流から発生した磁束によって発電する発電機と、上記発電機が発電した第１の電圧の電力を第２の電圧の電力に変換する直流変換器と、上記直流変換器の出力に接続される車両電気負荷と、上記直流変換器の入力に上記発電機と並列に接続される第１電源と、上記直流変換器の出力に上記車両電気負荷に並列に接続される第２電源と、を備える車両用電源制御装置において、上記第１電源の第１電源電圧を検出する第１電源電圧検出手段と、上記内燃機関または上記その他の駆動力源の回転数を検出する回転数検出手段と、上記発電機に対して界磁電流を出力する電源制御手段と、を備え、上記電源制御手段は、上記第１電源電圧、上記回転数、および上記発電機で発電した際に発生する発電トルクの目標値である目標発電トルクに基づき、上記目標発電トルクを発生させる界磁電流を算出する。

この発明に係る車両用電源制御装置は、キャパシタのように充電エネルギーの増減に伴って電圧が大きく変化する充電デバイスを用いる場合、キャパシタ電圧、ローター回転数に基づいて、所定の発電トルクの範囲内で界磁電流を決定することで、必要以上の発電トルクを発生させることなく、減速エネルギーを効率良く回収することができる。

この発明の実施の形態に係る車両用電源制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態に係る車両用電源制御装置の構成を示すブロック図である。 界磁電流算出手段での界磁電流算出処理を説明するためのフローチャートである。 界磁電流をパラメータとして発電電流と発電電圧の関係を示すグラフである。 界磁電流をパラメータとして発電電流と発電トルクの関係を示すグラフである。 ローター回転数をパラメータとして発電電流と発電電圧の関係を示すグラフである。

以下、本発明の車両用電源制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る車両用電源制御装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態に係る車両電源制御装置は、エンジン１、エンジン１からベルト、プーリーを介して与えられる駆動力により発電する発電機２、発電機２の出力に接続され且つ発電機２が発電した高電圧系の電力の電圧を降圧する直流変換器３、発電機２が発電した電力が充電される第１電源としてのキャパシタ４、直流変換器３が出力する低電圧系の電力が蓄電される第２電源５、キャパシタ４の電圧、エンジン１の回転数を検出するとともに発電機２のローターに流れる界磁電流を制御する電源制御手段６を備える。
直流変換器３の出力側には第２電源５と並列にコントロールユニットやライトなどの車両電気負荷７が接続される。

図２は、この発明の実施の形態に係る電源制御手段の構成を示す機能ブロック図である。
次に、電源制御手段６についての詳細を説明する。
電源制御手段６は、高電圧系に接続されたキャパシタ４の電圧Ｖ_ｃａｐを検出するキャパシタ電圧検出手段２１、発電機２に駆動力を与えるエンジン１の回転数Ｎ_ｅを検出するエンジン回転数検出手段２２、発電機２で発電する際に発生する発電トルクの目標値である目標発電トルクＴ_ｔを算出する目標発電トルク算出手段２３、キャパシタ電圧検出手段２１で検出したキャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐ、エンジン回転数検出手段２２で検出したエンジン１の回転数Ｎ_ｅ、目標発電トルク算出手段２３で算出した目標発電トルクＴ_ｔに基づき界磁電流Ｉ_ｆを算出する界磁電流算出手段２４を備える。
発電機２は、界磁電流算出手段２４で算出した界磁電流Ｉ_ｆとローター回転数Ｎ_ａに基づき発電する。

次に、目標発電トルク算出手段２３の動作につき説明する。
目標発電トルクＴｔは、ブレーキ減速時、惰行減速時それぞれに対して所定の値で設定されている。なお、油圧ブレーキと回生ブレーキによる減速度の配分や、スロットルバルブの制御によるポンピングロスで発生する減速度を考慮するなど、任意の方法で算出した値を用いてもよい。また、減速時以外で発電する場合は、巡航走行時のようにエンジン効率が良い場面で、小さな発電トルクの範囲で発電するような所定値を与えてもよい。なお、減速時以外で発電する場合においても、所定値だけでなく、任意の算出方法で決定した値を用いてもよい。

界磁電流算出手段２４につき説明する。
図３は、界磁電流算出手段２４での界磁電流算出処理を説明するためのフローチャートである。
ステップＳ１０１において、キャパシタ電圧検出手段２１で検出したキャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐの入力処理を行う。
ステップＳ１０２において、エンジン回転数検出手段２２で算出したエンジン回転数Ｎ_ｅの入力処理を行う。
ステップＳ１０３において、目標発電トルク算出手段２３で算出した目標発電トルクＴ_ｔの入力処理を行う。
ステップＳ１０４において、キャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐが所定値未満か否かを判断し、キャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐが所定値未満の場合はステップＳ１０５へ進み、キャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐが所定値以上の場合はステップＳ１０９へ進む。
ステップＳ１０５において、発電機２がプーリーとベルトを介して駆動されているので、エンジン回転数Ｎ_ｅとプーリー比Ｒ_ｐより、式（１）に従ってローター回転数Ｎ_ａを算出する。

ステップＳ１０６において、算出したローター回転数Ｎ_ａと、目標発電トルクＴ_ｔより、式（２）に従って目標発電電力Ｐ_ｔを算出する。

ステップＳ１０７において、目標発電電力Ｐ_ｔと、キャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐより、式（３）に従って目標発電電流Ｉ_ｔを算出する。

発電電力Ｐは、界磁電流Ｉ_ｆとローター回転数Ｎ_ａから式（４）により表されるので、ステップＳ１０８において、関数ｆの逆関数ｆ^−１を用いると、界磁電流Ｉ_ｆは式（５）から求められる。ここで発電電力Ｐは、発電電圧Ｖと発電電流Ｉの積で表されるため、界磁電流Ｉ_ｆは式（６）で表される。

上述のように、キャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐ、目標発電電流Ｉ_ｔ、ローター回転数Ｎ_ａから界磁電流Ｉ_ｆを算出する。
ステップＳ１０９において、界磁電流Ｉ_ｆを０とする。

以上のように、キャパシタ４のように充電エネルギーの増減に伴って電圧が大きく変化する充電デバイスを用いる場合、キャパシタ電圧Ｖ_ｃａｐ、ローター回転数Ｎ_ａに基づいて、所定の発電トルクの範囲内で界磁電流Ｉ_ｆを決定することで、必要以上の発電トルクを発生させることなく、減速エネルギーを効率良く回収することができる。

これは発電機２の特性を考慮したことによる効果である。すなわち、発電機２のローター回転数Ｎ_ａが一定の場合、発電電圧と発電電流の関係は図４に示すとおりであり、ローターに流れる界磁電流Ｉ_ｆに依存して特性が変化する。また、ローター回転数Ｎ_ａが一定の場合の発電電流Ｉと発電トルクＴの関係も図５に示すとおりに、界磁電流Ｉ_ｆによって大きく変化する。加えて、界磁電流Ｉ_ｆが一定の場合の発電電圧Ｖと発電電流Ｉの関係も、図６のようにローター回転数Ｎ_ａに依存して変化することがわかる。

必要以上の発電トルクが発生した場合、ドライバーが要求する減速度よりも減速度が大きくなり車速が低下し、この車速低下分を補うために新たなアクセル操作が発生して燃費が悪化してしまうが、この発明に係る車両用電源制御装置を適用することにより、所定の発電トルクの範囲内で発電するため、この問題を解決することができる。
また、キャパシタ電圧とローター回転数に基づいて界磁電流を算出するため、キャパシタ電圧が高い場合でも減速エネルギーを回収できるため、燃費を改善できる。

また、キャパシタ電圧がキャパシタの定格電圧に達した場合、あるいは、予め設定した定格電圧未満の所定値に達した時に発電を停止することで、過電圧から確実にキャパシタを保護することができる。キャパシタは過電圧によって容量の低下、内部抵抗の増大、液漏れなどの問題が引き起こされるため、本発明によってこれらの問題を防ぐことができる。
また、減速時以外の巡航走行時に発電する場合においても、キャパシタ電圧、ローター回転数、目標発電トルクに基づいて界磁電流を決定するため、ドライバーに煩わしさを与えずに発電することができる。

１ エンジン、２ 発電機、３ 直流変換器、４ キャパシタ、５ 第２電源、６ 電源制御手段、７ 車両電気負荷、２１ キャパシタ電圧検出手段、２２ エンジン回転数検出手段、２３ 目標発電トルク算出手段、２４ 界磁電流算出手段。

Claims (6)

1. 内燃機関またはその他の駆動力源により回転し、ローターに流れる界磁電流から発生した磁束によって発電する発電機と、
   上記発電機が発電した第１の電圧の電力を第２の電圧の電力に変換する直流変換器と、
   上記直流変換器の出力に接続される車両電気負荷と、
   上記直流変換器の入力に上記発電機と並列に接続される第１電源と、
   上記直流変換器の出力に上記車両電気負荷に並列に接続される第２電源と、
   を備える車両用電源制御装置において、
   上記第１電源の第１電源電圧を検出する第１電源電圧検出手段と、
   上記内燃機関または上記その他の駆動力源の回転数を検出する回転数検出手段と、
   上記発電機に対して界磁電流を出力する電源制御手段と、
   を備え、
   上記電源制御手段は、上記第１電源電圧、上記回転数、および上記発電機で発電した際に発生する発電トルクの目標値である目標発電トルクに基づき、上記目標発電トルクを発生させる界磁電流を算出することを特徴とする車両用電源制御装置。
2. 上記電源制御手段は、ドライバーがブレーキを踏んで減速を行う場合、所定の目標発電トルクに基づき界磁電流を算出することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源制御装置。
3. 上記電源制御手段は、ドライバーがアクセルペダルを離して惰行減速を行う場合、所定の目標発電トルクに基づき界磁電流を算出することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源制御装置。
4. 上記電源制御手段は、ドライバーがアクセルペダル操作により巡航走行を行う場合、所定の目標発電トルクに基づき界磁電流を算出することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源制御装置。
5. 上記電源制御手段は、上記第１電源電圧が所定値に達した場合、上記発電機に対して界磁電流を出力しないことを特徴とする請求項１に記載の車両用電源制御装置。
6. 上記電源制御手段は、上記第１電源電圧が第１電源の定格値に達した場合、上記発電機に対して界磁電流を出力しないことを特徴とする請求項１に記載の車両用電源制御装置。

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