JP2011061905A - 車両用交流発電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の動作が不安定になったり、不用意に停止したりするのを防止することができる、車両用交流発電機の制御装置の提供。
【解決手段】車両用交流発電機により充電されるバッテリの電圧に基づいて、車両用交流発電機の界磁電流を制御し、車両用交流発電機の出力電圧を調整する車両用交流発電機の制御装置において、界磁電流を制御して出力電圧を調整する電圧制御部と、電圧制御部への電力供給をオンオフする電源スイッチ５１と、所定のオフ条件が成立すると所定の遅延時間が経過した後に電源スイッチ５１のオフ電源スイッチ５１をオフするスイッチ制御部１５７１と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用交流発電機の制御装置に関する。

車両用交流発電機としては、界磁巻線が施された回転子と、電機子巻線が施された電機子とを備えるものが一般的である。エンジンの回転により回転子が回転駆動されると、界磁巻線に対して回転磁界が形成され、界磁巻線に電流が誘起される。その電流は整流器を介してバッテリに供給され、バッテリが充電される。そのような車両用交流発電機の制御装置では、界磁電流を制御することによって、バッテリの電圧を調整している。

制御装置の主電源をオンオフするために、イグニッションキー信号を用いる方法や、エンジン回転を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の制御装置では、発電機の制御装置の主電源回路を動作させる信号として回転子の回転に起因した信号を用いている。

特開２００２−９５２９５号公報

しかしながら、回転子の回転に起因する信号が任意の条件を満たすかどうかを判断することにより、あるいはキースイッチのオンオフにより主電源回路の動作を決定している上記制御装置においては、これらの条件を満たさなくなった場合は主電源回路が即座にオフ動作となる。そのため、ノイズ等による誤診断があった場合、発電機の制御装置が一時的に停止し、発電機の動作が不安定になったり停止したりするという問題があった。

本発明は、車両用交流発電機により充電されるバッテリの電圧に基づいて、車両用交流発電機の界磁電流を制御し、車両用交流発電機の出力電圧を調整する車両用交流発電機の制御装置であって、界磁電流を制御して出力電圧を調整する電圧制御部と、電圧制御部への電力供給をオンオフする電源スイッチと、所定のオフ条件が成立すると所定の遅延時間が経過した後に電源スイッチをオフするスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ等による誤診断があっても遅延時間の期間においてはそれが無視されるので、車両用交流発電機の動作が不安定になったり、不用意に停止したりするのを防止することができる。

本発明による車両用交流発電機の制御装置の一実施の形態を示す図であり、自動車用発電機の充電システムを示す制御回路図である。 電圧制御回路１５７の内部ブロック図である。 主電源コントローラ１５７１の動作を説明するための論理図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明による車両用交流発電機の制御装置の一実施の形態を示す図であり、自動車用発電機の充電システムを示す制御回路図である。この充電システムは、電気子巻線１１、三相全波整流器１２、界磁巻線１３、電圧制御用ＩＣレギュレータ１４、充電表示灯１５、バッテリ１６、リレースイッチ１７、電気負荷１８、雑音防止用フィルムコンデンサ１９およびキースイッチ２０を備えている。

三相全波整流器１２は、パワーツェナーダイオード１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６で構成される。電圧制御用ＩＣレギュレータ１４は、ｎチャネルパワーＭＯＳトランジスタ（以下では、パワーＭＯＳトランジスタと称することにする）１４１、１４３、１４４と、フライホイールダイオード１４２と、電圧制御回路１５７から構成されている。なお、本実施形態では、電圧制御用ＩＣレギュレータ１４は絶縁物分離型半導体で構成され、パワー素子部と電圧制御回路１５７とは１つの半導体基板上に形成されている。すなわち、破線で囲まれた部分が一つのチップ上に形成されている。充電表示灯１５は、発光ダイオード１５１と抵抗１５２とで構成されている。電気負荷１８は、車載の空調装置やラジオ等の機器である。

電圧制御用ＩＣレギュレータ１４において、Ｓ端子は、バッテリ端子電圧を検出する為の端子であり、Ｐ端子は電気子巻線１１に発生した電圧を検出するための端子である。Ｐ端子で電圧を検出することにより、交流発電機の発電開始を判断する。なお、丸で囲まれた符号Ｓは、電圧制御用ＩＣレギュレータ１４の表に現れているＳ端子を表し、四角で囲まれた符号Ｓは、内部の電圧制御回路１５７のＳ端子を表している。キースイッチのオンオフ信号が入力されるＩＧ端子や、警報ランプ信号が入力されるＬ端子や、出力端子Ｂについても同様である。

電圧制御回路１５７は、図２に示すように、小信号系電圧制御部１５７２、電圧制御回路１５７における主電源スイッチ１５７３、主電源スイッチ１５７３のオンオフをコントロールする主電源コントローラ１５７１が設けられている。主電源スイッチ１５７３のオンオフにより、小信号系電圧制御部１５７２への電力供給がオンオフされる。主電源コントローラ１５７１には、Ｐ、Ｂ，ＩＧおよびＬの各端子からの信号が入力される。小信号系電圧制御部１５７２は、主電源コントローラ１５７１を介してＰ、Ｂ，ＩＧおよびＬの各端子からの信号を受信する。

界磁巻線１３は図示しない回転子に装着されており、電機子巻線１１は、回転子と空隙を持って対向する固定鉄心（図示せず）に巻装されている。回転子はエンジンの回転と同期して回転し、その結果、回転磁界を発生する。界磁巻線１３に並列に接続されたフライホイールダイオード１４２は、スイッチングノイズを吸収するために接続されている。電機子巻線１１は、界磁巻線１３のつくる回転磁界の大きさに応じて、交流波形を有する電圧を出力する。

電機子巻線１１からの交流出力は、三相全波整流器１２を構成する整流用パワーツェナーダイオード１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６で全波整流される。三相全波整流器１２の出力は、出力端子Ｂを介してバッテリ１６に供給され、バッテリ１６を充電するとともに、出力端子Ｂからリレースイッチ１７を介して電気負荷１８にも供給される。電圧制御回路１５７は、Ｓ端子を介してバッテリ電圧を検出し、検出されたバッテリ電圧に基づいて界磁巻線１３に流れる電流を制御することで、発電機出力電圧を一定電圧に制御する。

キースイッチ２０が閉じられると、上述した電圧制御回路１５７の主電源スイッチ１５７３がオンし、パワーＭＯＳトランジスタ１４３がオンする。その結果、警告灯１５が点灯する。警告灯１５は、充電系に異常があるか否かを運転者に知らせるものである。エンジンを始動した場合には充電作業が始まっていないので、必ず点灯することになる。なお、パワーＭＯＳトランジスタ１４３とパワーＭＯＳトランジスタ１４４とは必ず逆動作するように構成されており、例えば、パワーＭＯＳトランジスタ１４４がオンの場合、パワーＭＯＳトランジスタ１４３はオフ動作となる。

電圧制御回路１５７のＰ端子では、上述したように電機子巻線１１が発生する交流電圧波形が検出される。電圧制御回路１５７は、その交流電圧波形からエンジンの回転と同期して回転する回転子（図示しない）の回転数を検出する。回転子の回転数が所定回転数（例えば、エンジン回転数におけるアイドリング回転数近傍に対応する回転数）に達すると、パワーＭＯＳトランジスタ１４３をオフするとともに、パワーＭＯＳトランジスタ１４４をオンすることで、警告灯１５を消灯させる。

このような警告灯１５の点灯／消灯動作により、交流発電機が発電を開始したことを知ることができる。また、リレースイッチ１７をオンすることにより、電気負荷１８への給電を開始する。

電圧制御回路１５７は、検出されるバッテリ電圧が規定値以上（例えば、１６Ｖ以上）になった場合にはオーバーチャージ状態と判断し、パワーＭＯＳトランジスタ１４３をオンして警告灯１５を点灯させオーバーチャージ状態を警報する。また、電圧を検出するためのＳ端子が車両側で断線した場合には、Ｓ端子の電圧低下（例えば、１２Ｖ以下）が検出されると、パワーＭＯＳトランジスタ１４３をオンすることで、充電表示灯１５を点灯させ警報する。電圧制御回路１５７は、Ｓ端子の断線を検出した場合、上記警報動作を行うとともに、電圧検出端子をＢ端子に変更することで、充電電圧の制御を継続可能とする。

図３は主電源コントローラ１５７１の動作を説明するための論理図である。図２の主電源スイッチ１５７３は論理和（ＯＲ回路）５１で表され、その入力はＩＧ端子電圧５１１、Ｌ端子電圧５１２および論理和５２の出力である。ここでは、入出力の状態を“０”、“１”で表すことにする。

例えば、ＩＧ端子電圧５１１が８Ｖより大きいときには入力＝１で、８Ｖ以下のときは入力＝０とする。Ｌ端子電圧５１２については、０．９Ｖよりも大きいときは入力＝１で、０．９Ｖ以下のときは入力＝０とする。ここでの８Ｖ、０．５Ｖという値は一例であり、これらの値に限定されない。論理和５２の出力も“０”，“１”である。論理和５１は、３つの入力のいずれかが１であれば１を出力し、主電源スイッチ１５７３はオンとなる。一方、全ての入力が“０”のときには、論理和５１は“０”を出力し、主電源スイッチ１５７３はオフ状態となる。初期状態においては、論理和５１の入力は全て“０”で、主電源スイッチ１５７３はオフ状態になっている。

なお、ＩＧ端子電圧５１１およびＬ端子電圧５１２は、キースイッチ２０（図１参照）の投入を検知するものである。本実施の形態では、ＩＧ端子を用いないアプリケーションや、ＩＧ端子は用いるがＬ端子の用途が特殊な場合等を考慮して、上述したように両方の端子電圧５１１，５１２を入力としている。しかし、いずれか一方を入力する構成でも構わない。論理和５２の出力は、後述するように無発電のときは“０”である。

主電源スイッチ１５７３（論理和５１）は、キースイッチ２０の投入によりオン（出力＝１）し、界磁巻線に励磁電流１３が供給される。エンジンを始動により交流発電機の回転子が回転駆動されると、電機子巻線１１に電圧が誘起され、相電圧ＶｐがＰ端子によって検出される。この相電圧Ｖｐは論理積（ＡＮＤ回路）５４に入力される。論理積（ＡＮＤ回路）５４には、相電圧Ｖｐと論理和５１の出力とが入力される。論理和５１の出力が“１”で、かつ、相電圧Ｖｐ（入力＝１）が入力されると、論理積（ＡＮＤ回路）５４の出力は“１”となり、発電開始が確認される。

発電が開始されると、Ｐ端子で検出される相電圧Ｖｐに基づいて、周波数ｆｐが求められる。さらに、その周波数ｆｐが２０Ｈｚを超えているか否かを判断する。これは、回転子が回転しているか否かを、相電圧Ｖｐから判断することになる。ｆｐ≦２０Ｈｚの場合には、ブロック５５から信号“０”が２つ出力され、ｆｐ＞２０Ｈｚの場合には、信号“１” が２つ出力される。同時に出力された２つの信号の内、一方は論理和５２に直接入力され、他方は、遅延回路５３を介して論理和５２に入力される。

このように、論理和５２には、回転子が回転しているか否か（すなわち、エンジン回転の有無）を示す信号と、その信号を所定時間遅延させた遅延信号が入力されることになる。遅延時間の設定は任意であるが、例えば、１秒程度に設定される。遅延回路５３としては、タイマをカウントして遅延時間を設定するものでも良いし、アナログ回路であれば、ＣＲ回路の時定数により遅延時間を設定するようにしても良い。

このように、エンジンが回転していれば、回転子が回転駆動されて論理和５２からは出力＝１が論理和５１に入力されるので、ＩＧ端子電圧５１１およびＬ端子電圧５１２の入力が“０”に変化しても、論理和５１の出力は“１”を維持する。すなわち、発電開始後に異常が生じてＩＧ端子電圧５１１やＬ端子電圧５１２が途絶えても、電圧制御回路１５７の主電源スイッチ１５７３（論理和５１）はオフせず、発電停止に至るようなことはない。

さらにエンジンが停止しても、遅延回路５３があるため、遅延時間の期間（例えば、１秒間）は主電源スイッチ１５７３（論理和５１）がオフすることはない。さらに、遅延期間中にエンジン回転ｆｐが検出されれば、直ちに遅延モードはキャンセルされる。そのため、主電源スイッチ１５７３が断続することはない。

例えば、遅延回路５３がない場合、断続的にノイズが発生し主電源スイッチ１５７３が頻繁にＯＮ／ＯＦＦを繰り返すようなときには、発電機はエンジンにとって不安定負荷となり、アイドル回転時などのトルクが低い状態では、エンジン回転数が不安定になったりエンストを招いたりすることがある。また、発電開始後にキースイッチ信号として用いているＩＧあるいはＬ信号が遮断されてしまった場合、ｆｐ信号の瞬断によって発電動作が復帰不可能な停止状態に陥ってしまう。

一方、本実施の形態においては、回転子が回転しているか否か、および、主電源スイッチ１５７３のオンオフ状態に基づく信号を、ブロック５５から同時に２つ出力し、一方は論理和５２に直接入力し、他方は、遅延回路５３を介して論理和５２に入力するようにしている。そのため、上述したように断続的にノイズが発生したような場合であっても、例えば、ブロック５５から信号“０”が誤信号として出力された場合でも、遅延時間の間は論理和５２の出力信号は“１”に維持され、主電源スイッチ１５７３（論理和５１）はオフとならない。そして、遅延時間の間にブロック５５の出力信号が正しい状態“１”に戻れば、主電源スイッチ１５７３はオン状態が維持される。このように、主電源スイッチ１５７３のオフ動作確定に任意の時間的猶予を持たせたことで、ノイズ等による誤診断があっても遅延時間の期間においてはそれが無視され、車両用交流発電機の動作が不安定になったり、不用意に停止したりするのを防止することができる。

さらに、論理和５１に、論理和５２からの信号に加えてＩＧ端子電圧５１１やＬ端子電圧５１２も入力することで、誤動作がより発生しにくくなり、信頼性の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、電圧制御用ＩＣレギュレータ１４は絶縁物分離型半導体で構成され、小信号系である電圧制御回路１５７とパワー素子部とを１つのＳＯＩ基板上に形成するようにした。絶縁物分離型半導体では寄生の素子が形成されないので、パワー系と小信号系を一緒に組み込めるという利点を有しており、１チップ化することで、低コストおよび小型化を図ることができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１１：電気子巻線、１２：三相全波整流器、１３：界磁巻線、１４：電圧制御用ＩＣレギュレータ、１６：バッテリ、２０：キースイッチ、５１，５２：論理和、５３：遅延回路、５４：論理積、１４１，１４３，１４４：ｎチャネルパワーＭＯＳトランジスタ、１４２：フライホイールダイオード、１５７：電圧制御回路、５１１：ＩＧ端子電圧、５１２：Ｌ端子電圧、１５７１：主電源コントローラ、１５７２：小信号系電圧制御部、１５７３：主電源スイッチ

Claims (4)

1. 車両用交流発電機により充電されるバッテリの電圧に基づいて、前記車両用交流発電機の界磁電流を制御し、前記車両用交流発電機の出力電圧を調整する車両用交流発電機の制御装置であって、
   前記界磁電流を制御して前記出力電圧を調整する電圧制御部と、
   前記電圧制御部への電力供給をオンオフする電源スイッチと、
   所定のオフ条件が成立すると所定の遅延時間が経過した後に前記電源スイッチをオフするスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用交流発電機の制御装置において、
   前記スイッチ制御部は、前記電機子巻線の相電圧に基づく回転検出信号に前記遅延時間を与えて遅延信号を生成する遅延回路と、前記回転検出信号と前記遅延信号との論理和を出力するＯＲ回路とを備え、
   前記スイッチ制御部は、車両側キースイッチのオン動作に連動して入力される警報ランプ信号および前記ＯＲ回路の出力の少なくとも一方が入力されると前記電源スイッチをオンし、前記警報ランプ信号および前記ＯＲ回路の出力の両方の入力がオフすると前記電源スイッチをオフすることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
3. 請求項１に記載の車両用交流発電機の制御装置において、
   前記スイッチ制御部は、前記電機子巻線の相電圧に基づく回転検出信号に前記遅延時間を与えて遅延信号を生成する遅延回路と、前記回転検出信号と前記遅延信号との論理和を出力するＯＲ回路とを備え、
   前記スイッチ制御部は、車両側キースイッチのオン信号および前記ＯＲ回路の出力の少なくとも一方が入力されると前記電源スイッチをオンし、前記車両側キースイッチのオン信号および前記ＯＲ回路の出力の両方の入力がオフすると前記電源スイッチをオフすることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用交流発電機の制御装置において、
   前記電圧制御部、前記電源スイッチ、前記スイッチ制御部および前記界磁電流を制御するためのパワー駆動部が、絶縁物分離型集積回路に一体に形成されていることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。

Images