JP2011188615A - 車両用発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】位相制御移行時に生じる出力や発電トルクの急激な変動を抑えることができる車両用発電機を提供すること。
【解決手段】車両用発電機１は、２相以上の相巻線を有する電機子巻線２、３と、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、前記電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部５、６と、スイッチング素子のオンオフタイミングを制御する制御部７とを備る。制御部７は、相巻線の相電圧がバッテリ電圧よりも高い状態で前記スイッチング素子をオフする同期制御モードから、相電圧がバッテリ電圧よりも低くなってからスイッチング素子をオフする位相制御モードへの切り換えを行うとともに、切り換え後の位相制御モードにおいて、スイッチング素子をオフするタイミングを段階的に遅らせる。
【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に関する。

従来から、ダイオード整流から同期整流に切り換える際に、同期整流の割合を徐々に変化させるようにした電力変換器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ダイオード通電期間を１００％から徐々に減らし、代わりにＭＯＳ−ＦＥＴによって構成されるスイッチング素子の通電期間を増やしていくことにより、急な電圧変動が起こらないようにしている。

また、励磁電流の制御による目標電圧発電（同期制御）からインバータの通電による発電（位相制御）への移行時に励磁電流を所定時間遮断し、その後励磁電流を復帰させるようにした車両用回転電機が知られている（例えば、特許文献２参照。）これにより、電圧制御不能な状態に陥ることを防いでいる。

特開２００９−１３０９５４号公報（４−７、１−７） 特許第３５１７４０５号公報（３−６、１−５）

ところで、特許文献２に開示された車両用回転電機では、同期制御から位相制御への切り換え時に界磁電流を遮断して発電を停止させるため、発電時の出力やトルクの変動が大きくなるという問題があった。また、切り換え後のインバータの通電による発電は、同期整流の期間を遅らせるものであるため、特許文献１に開示された従来技術を適用することはできず、発電時の出力やトルクの変動を抑えることはできない。

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、位相制御移行時に生じる出力や発電トルクの急激な変動を抑えることができる車両用発電機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機は、２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、スイッチング素子のオンオフタイミングを制御する制御部とを備え、制御部は、相巻線の相電圧がバッテリ電圧よりも高い状態でスイッチング素子をオフする第１の動作状態から、相電圧がバッテリ電圧よりも低くなってからスイッチング素子をオフする第２の動作状態への切り換えを行うとともに、切り換え後の第２の動作状態において、スイッチング素子をオフするタイミングを段階的に遅らせている。これにより、動作状態変更（同期制御モードから位相制御モードへの切り換え）に伴う出力電流の変動を抑え、発電トルクが急激に変動することを防止することができる。

また、上述した相巻線の相電流の極性が正あるいは負からゼロに移行した時点を電流のゼロクロス点として検出するゼロクロス検出部をさらに備え、制御部は、第２の動作状態において、ゼロクロス検出部によって検出されたゼロクロス点を基準としてスイッチング素子のオフタイミングを設定することが望ましい。相電流の位相（向き）を直接検出することにより、相電圧の周期や位相を推測し、相電流の位相を正確に制御することが可能となる。

また、上述した制御部は、出力電流が、第１の動作状態において供給可能な出力電流値を超えたときに第２の動作状態に切り換えることが望ましい。これにより、負荷電流の大きさに応じて適宜２つの動作状態を切り換えて使い分けることができる。

また、上述した制御部は、回転数変動幅が所定値よりも小さいときに第１の動作状態から第２の動作状態への切り換えを行うことが望ましい。これにより、回転変動に伴う出力や発電トルクの変動と、動作状態切り換えに伴う出力や発電トルクの変動が同時に起こることを防止することができる。

また、上述した制御部は、出力電流が、第１の動作状態において供給可能な出力電流値を超えた状態から第１の動作状態において供給可能な出力電流値以下の状態に移行したときに、第２の動作状態から第１の動作状態に切り換えることが望ましい。これにより、動作状態変更（位相制御モードから同期制御モードへの切り換え）に伴う出力電流の変動を抑え、発電トルクが急激に変動することを防止することができる。

また、上述した制御部は、回転数変動幅が所定値よりも小さいときに第２の動作状態から第１の動作状態への切り換えを行うことが望ましい。これにより、回転変動に伴う出力や発電トルクの変動と、動作状態切り換えに伴う出力や発電トルクの変動が同時に起こることを防止することができる。

また、上述した第１の動作状態と第２の動作状態の相互の切り換えは、所定期間以上間をあけて行われることが望ましい。これにより、動作状態の切り換えが頻繁に発生することを防止することができる。

また、界磁巻線に流れる励磁電流を可変する励磁電流制御手段をさらに備え、第２の動作状態においてスイッチング素子をオフするタイミングとしての位相角を複数段階可変することにより、供給可能な出力電流値の粗調整を行い、励磁電流を可変することにより、供給可能な出力電流値の微調整を行うことが望ましい。特に、上述した粗調整と微調整を組み合わせることで実現される出力電流値の変更幅は、位相角が隣接する粗調整の各段階において重複していることが望ましい。これにより、負荷電流の変化に励磁電流を可変して対応することができ、負荷電流に応じて出力電流を滑らかに変化させることができる。

また、上述した制御部は、第２の動作状態において動作中に、回転数変動幅が所定値よりも大きくなったときに、すべてのスイッチング素子をオフすることが望ましい。これにより、正確に相電流の位相が制御できずに制御が不安定になることを防止することができる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 同期制御モードと位相制御モードの境界を示す説明図である。 同期制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図である。 位相制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図である。 同期制御モードから位相制御モードへの切り換え動作の概要を示す図である。 同期制御モードと位相制御モードの相互の切り換え時にスイッチング素子のオフタイミングを段階的に切り換える動作手順を示す流れ図である。 オフタイミングの段階的な切り換えによる出力電流の粗調整と励磁電流による出力電流の微調整の関係を示す図である。 各相巻線に対応させて別々に制御部等を設ける場合の部分的な構成を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、電機子巻線２、３、界磁巻線４、スイッチング部５、６、制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９、電圧制御装置１０を含んで構成されている。この車両用発電機１は、電機子巻線２、３に誘起された交流電圧をスイッチング部５、６で整流して得られた直流電力をバッテリ１１や電気負荷（図示せず）に供給する発電動作を行う。なお、バッテリ１１から供給される直流電圧をスイッチング部５、６によって三相交流電圧に変換して電機子巻線２、３に印加して回転子（図示せず）を回転させる電動動作を車両用発電機１に行わせるようにしてもよい。

電機子巻線２は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。電機子巻線２の各相巻線に誘起される交流出力がスイッチング部５に供給される。また、電機子巻線３は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。例えば、電機子巻線２と電機子巻線３は、電気角で３０°異なる位置に巻装されている。電機子巻線３の各相巻線に誘起される交流出力がスイッチング部６に供給される。界磁巻線４は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成しており、界磁巻線４に励磁電流を流すことにより界磁極が磁化される。

スイッチング部５は、一方の電機子巻線２とバッテリ１１との間に介在し、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームと複数の下アームとからなるブリッジ回路を形成している。具体的には、電機子巻線２は、Ｙ結線されたＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線を有している。Ｕ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２とが接続されている。Ｖ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ３およびダイオードＤ３と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ４およびダイオードＤ４とが接続されている。Ｗ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ５およびダイオードＤ５と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ６およびダイオードＤ６とが接続されている。

同様に、スイッチング部６は、他方の電機子巻線３とバッテリ１１との間に介在し、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームと複数の下アームとからなるブリッジ回路を形成している。具体的には、電機子巻線３は、Ｙ結線されたＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線を有している。Ｘ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ７およびダイオードＤ７と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ８およびダイオードＤ８とが接続されている。Ｙ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ９およびダイオードＤ９と、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ１０およびダイオードＤ１０とが接続されている。Ｚ相巻線に、上アームとしてのスイッチング素子Ｑ１１およびダイオードＤ１１、下アームとしてのスイッチング素子Ｑ１２およびダイオードＤ１２とが接続されている。

上述したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２は、例えば、一般的な整流回路に用いられているダイオードよりも低損失のＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ１２として寄生ダイオードを利用することができる。

制御部７は、スイッチング部５、６に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のそれぞれのオンオフタイミングを決定する。駆動部８は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を駆動するドライバ回路であり、制御部７によって決定されたオンオフタイミングでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２を駆動する。この制御部７は、ＣＰＵで所定の制御プログラムを実行することにより実現可能であるが、回路素子からなるハードウエアロジックによって構成するようにしてもよい。

ゼロクロス検出部９は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のそれぞれやこれらに並列接続されたダイオードを通して流れる相電流の向きが反転する時点、あるいは正からゼロまたは負からゼロに移行する時点をゼロクロス点として検出する。なお、相電流の向きが反転する際には、一旦正から負に向きが反転する際や負から正に向きが反転する際にはゼロを通過するため、ゼロクロス点は、相電流の極性が正あるいは負からゼロに移行した時点であるといえる。このゼロクロス検出部９の動作は、各相巻線の上アームおよび下アームのそれぞれについて別々に行われる。

電圧制御装置１０は、スイッチング素子（図示せず）を断続制御することにより、界磁巻線４に流れる励磁電流を制御する励磁電流制御手段である。例えば、車両用発電機１の出力電圧（あるいはバッテリ電圧）が所定の調整電圧となるように励磁電流が制御される。

本実施形態の車両用発電機１はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。スイッチング部５、６に含まれる各スイッチング素子にはダイオード（寄生ダイオード）が並列接続されているため、相電圧の方がバッテリ１１の端子電圧（バッテリ電圧）よりも高い場合には、スイッチング素子をオンしなくてもダイオードを介して電流が流れて整流動作が行われる。このダイオードの通電期間にあわせてスイッチング素子をオンオフ制御する制御モードを「同期制御モード」と称するものとする。一方、ダイオードの通電期間より遅くまでスイッチング素子をオンすると、バッテリ１１の端子電圧よりも相巻線の電圧が低くなったときにこのスイッチング素子を介してバッテリ電流が引き込まれる現象が生じる。このように引き込み電流が発生するようにスイッチング素子をオンオフ制御する制御モードを「位相制御モード」と称するものとする。同期制御モードが第１の動作状態に対応し位相制御モードが第２の動作状態に対応する。

同期制御モードと位相制御モードを比較すると、同期制御モードの方が発電効率がよく、位相制御モードの方が多くの出力電流を得ることができる。したがって、発電要求量が少ない場合（出力電流が所定値以下の場合）や回転数が高い場合（所定回転数以上の場合）には同期制御モードを実施し、比較的低回転で発電要求量が多い場合には位相制御モードを実施することが望ましい。

図２は、同期制御モードと位相制御モードの境界を示す説明図である。図２において、縦軸は車両用発電機１の出力電流を、横軸は車両用発電機１の回転数をそれぞれ示している。また、特性ａは位相制御を行った場合の車両用発電機１の出力特性を、特性ｂは同期制御を行った場合の車両用発電機１の出力特性をそれぞれ示している。

本実施形態では、回転数がＮ₁のときに、出力電流が同期制御モード時に得られる値Ｉ₁以下であれば同期制御モードを実施する。あるいは、回転数が、同期制御モードで十分な出力電流が得られる回転数（同期制御でも位相制御でもそれほど差が生じない回転数）であるＮ₂以上の場合に同期制御モードを実施する。反対に、出力電流が同期制御モードで供給可能な値を超えたときであって、回転数がＮ₂よりも低い場合に、位相制御モードを実施する。

以下、同期制御モードと位相制御モードのそれぞれについて、スイッチング素子のオンオフタイミングを設定する方法について説明する。

（同期制御モード）
図３は、同期制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図であり、例えばＵ相巻線に対応する波形が示されている。Ｕ相電流は、上アームのスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を通して流れる成分と下アームのスイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２を通して流れる成分とに分けることができ、図３（後述する図４についても同様）ではそれぞれの成分が「上アーム電流」、「下アーム電流」として示されている。また、図３（後述する図４についても同様）において、Ｖ_DはダイオードＤ１等の順方向電圧を、Ｖ_SDはスイッチング素子Ｑ１等のオン時のソース・ドレイン間電圧をそれぞれ示している。

（オフタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオフタイミング（Ａ）は、この上アームの前回のゼロクロス点の位置（Ｂ）あるいは同じＵ相巻線に対応する下アームの直前のゼロクロス点（Ｃ）を基準として、所定時間（Ｔ１あるいはＴ２）経過した時点に設定される。また、この所定時間Ｔ１、Ｔ２は、所定の電気角で表すことができるが、所定の電気角に相当する時間を算出するためには、その時点での回転数を知る必要がある。本実施形態では、制御部７は、上アーム電流のゼロクロス点の間隔、あるいは、上アーム電流と下アーム電流のそれぞれのゼロクロス点の間隔に基づいて回転数を検出して、所定時間Ｔ１、Ｔ２を設定している。なお、３以上のゼロクロス点の間隔の変化を観察することにより回転数の変化（回転変動）がわかるため、この回転変動の程度を考慮して所定時間Ｔ１、Ｔ２を設定することにより、オフタイミングの設定精度を上げることができる。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオフタイミングの設定についても同様であり、この下アームの前回のゼロクロス点の位置あるいは同じＵ相巻線に対応する上アームの直前のゼロクロス点を基準として、所定時間経過した時点がオフタイミングとして設定される。

（オンタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオンタイミング（Ｄ）は、同じＵ相巻線に対応する下アームの直前のゼロクロス点（Ｃ）を基準として、所定時間（Ｔ３）経過した時点に設定される。この所定時間Ｔ３は所定の電気角で表すことができ、所定の電気角に相当する時間を算出するためにはその時点での回転数を知る必要がある点や、回転数検出あるいは回転変動を考慮して設定精度向上が可能な点については、上述したオフタイミング設定と同様である。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオンタイミングの設定についても同様であり、同じＵ相巻線に対応する上アームの直前のゼロクロス点を基準として、所定時間経過した時点がオンタイミングとして設定される。

なお、上述したように他アームの直前のゼロクロス点を基準にスイッチングＱ１、Ｑ２のオンタイミングが設定されるが、自アームのゼロクロス点を基準にして所定時間Ｔ３’経過後をオンタイミングとして設定するようにしてもよい。

また、上述した説明では、Ｕ相巻線に対応するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフタイミングの設定方法について説明したが、他の相巻線のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ１２についても基本的に同じであり、詳細な説明は省略する。

（位相制御モード）
図４は、位相制御モードを実施する場合の相電圧と相電流の波形を示す図であり、例えばＵ相巻線に対応する波形が示されている。

（オフタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオフタイミング（Ｆ）は、この上アームの直前のゼロクロス点の位置（Ｇ）を基準として、所定時間（Ｔ４）経過した時点に設定される。この所定時間Ｔ４は、バッテリ電圧や電気負荷量（要求出力）に合わせて設定される。また、この所定時間Ｔ４は所定の電気角で表すことができ、所定の電気角に相当する時間を算出するためにはその時点での回転数を知る必要がある点や、回転数検出あるいは回転変動を考慮して設定精度向上が可能な点については、上述した同期制御モードにおけるオン／オフタイミング設定と同様である。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオフタイミングの設定についても同様であり、この下アームの直前のゼロクロス点の位置を基準として、所定時間経過した時点がオフタイミングとして設定される。

（オンタイミングの設定）
Ｕ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１のオンタイミング（Ｈ）は、同じＵ相巻線に対応する下アームのスイッチング素子Ｑ２をオフした時点（Ｊ）から所定時間（Ｔ５）経過した時点に設定される。この所定時間Ｔ５は、反対アームのスイッチング素子Ｑ２が確実にオフするまでのマージンであって、上下アームの短絡を避けるためのものであり、損失低減のためには短い方が望ましい。また、この所定時間Ｔ５は所定の電気角で表すことができ、所定の電気角に相当する時間を算出するためにはその時点での回転数を知る必要がある点や、回転数検出あるいは回転変動を考慮して設定精度向上が可能な点については、上述したオフタイミング設定と同様である。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオフタイミングは、下アームの直前のゼロクロス点の位置を基準にして所定時間Ｔ４経過した時点であるため、上アームのスイッチング素子Ｑ１のオンタイミングは、下アームの直前のゼロクロス点（Ｋ）から所定時間Ｔ４＋Ｔ５が経過した時点に設定されるということもできる。

また、下アームのスイッチング素子Ｑ２のオンタイミングの設定についても同様であり、同じＵ相巻線に対応する上アームのスイッチング素子Ｑ１をオフした時点から所定時間経過した時点がオンタイミングとして設定される。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、ゼロクロス検出部９によってゼロクロス点を検出して相電流の位相（向き）を直接検出することにより、相電圧の周期や位相を推測し、相電流の位相を正確に制御することができる。

また、位相制御モードにおいて、スイッチング素子がオンしているときにこのスイッチング素子に流れる電流が減少していって極性が反転するゼロクロス点を基準にして、このスイッチング素子のオフタイミングを設定することにより、スイッチング素子を通して流れる電流の向きが反転した後（バッテリ１１から相巻線への電流の引き込みが開始された後）にスイッチング素子を正確にオフすることができ、出力電流を増加させる制御が可能となる。

また、出力電流が少ない、あるいは、回転数が高い場合に、過去のゼロクロス点（図３に示すＢやＣ）を基準にスイッチング素子のオフタイミングを設定することにより、ダイオードを用いた整流動作と同様の同期制御による整流をゼロクロス点を基準に行うことが可能となる。

また、位相制御モードにおいて、複数の相巻線のそれぞれ毎に、上アームおよび下アームのいずれか一方に対応するスイッチング素子をオフした時点から所定時間後に、上アームおよび下アームのいずれか他方に対応するスイッチング素子をオンしている。あるいは、出力電流が少ない、あるいは、回転数が高い場合に実施される同期制御モードにおいて、上アームおよび下アームのいずれか一方に対応するスイッチング素子に流れる電流のゼロクロス点（図３に示すＣ）を基準にして、上アームおよび下アームのいずれか他方に対応するスイッチング素子をオンしている。これにより、各相巻線に対応する上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とが同時にオンすることを確実に防止し、サージ電圧の発生やバッテリ１１の端子間を短絡することによる大きな損失の発生を防止することができる。

ところで、図２を用いて説明したように、同期制御モードと位相制御モードの切り換えは、（１）出力電流が同期制御時に得られる値Ｉ₁を超えたか否か、（２）回転数がＮ₂以上か否かに応じて行われるが、同期整流モードから位相制御モードへ移行して出力電流が急激に増加すると発電トルクも急激に上昇するため、エンジン回転の安定化のためには好ましくない。反対に、位相制御モードから同期制御モードに移行する場合も同様である。そこで、本実施形態では、上述した（１）の場合における制御モードの切り換えを行う際に、各スイッチング素子のオフタイミングを段階的に変更することで、出力電流および発電トルクの急激な変動を防止している。

図５は、同期制御モードから位相制御モードへの切り換え動作の概要を示す図である。図５に示す「上アーム電流」は図４のＧ近傍の上アーム電流を拡大したものであり、Ｑは上アームのスイッチング素子のオンオフタイミングを示したものである。また、図５に示すＡは、図３に示す同期制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングを示している。例えば、発電要求量に対応する出力電流を得るために必要な位相制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングがゼロクロス点Ｇから所定時間Ｔ４経過した時点である場合を考える。図５に示すように、本実施形態では、同期制御モードから位相制御モードに切り換えた直後は、同期制御モードにおけるオフタイミング（Ａ）から電気角でθ（＜Ｔ４）遅らせた時点がスイッチング素子のオフタイミングとして設定される。この状態で所定時間が経過した後、電気角でさらにθ遅らせた時点がスイッチング素子のオフタイミングとして設定される。このようにして、スイッチング素子のオフタイミングを遅らせる時間がゼロクロス点ＧからＴ４に達するまで、オフタイミングが所定時間毎に電気角でθ遅らせる。なお、位相制御モードから同期制御モードへ切り換える場合も同様であり、ゼロクロス点Ｇから所定時間Ｔ４経過した時点をスイッチング素子のオフタイミングとして位相制御モードを実施している場合には、スイッチング素子のオフタイミングを所定時間毎に電気角でθ早くしながら最終的に同期制御モードに移行する。また、θの値は所定時間毎に異なる値を用いてもよい。

図６は、同期制御モードと位相制御モードの相互の切り換え時にスイッチング素子のオフタイミングを段階的に切り換える動作手順を示す流れ図である。制御部７は、例えば最初は同期制御モードで各スイッチング素子のオンオフ制御を行う（ステップ１００）。次に、制御部７は、回転変動幅が小さいか否かを判定する（ステップ１０１）。回転変動幅は、ゼロクロス検出部９によって検出されるゼロクロス点の周期に基づいて知ることができる。回転変動幅が大きい場合には否定判断が行われ、ステップ１００に戻って同期制御モードでの制御が行われる。

また、回転変動幅が小さい場合には、ステップ１０１の判定において肯定判断が行われる。次に、制御部７は、発電電圧ＶＢが低下したか否かを判定する（ステップ１０２）。この判定は、同期制御モードにおいて供給可能な出力電流以上の負荷電流が流れたか否かを調べるためのものであり、大きな負荷電流が流れて発電電圧ＶＢが、電圧制御装置１０によって設定された調整電圧Ｖreg（例えば、調整電圧Ｖregは電圧制御装置１０から送られてくる）よりも低くなった場合には肯定判断が行われる（反対に、発電電圧ＶＢが調整電圧Ｖregと一致（完全に一致する場合の他に所定範囲に含まれる場合であってもよい）する場合には否定判断が行われ、ステップ１００に戻って同期制御モードでの制御が行われる）。

次に、制御部７は、同期制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングに対して移動制御モードでオフタイミングを遅らせる電気角θとして初期値を設定する（ステップ１０３）。また、制御部７は、回転数がＮ₂以上か否かを判定する（ステップ１０４）。回転数がＮ₂以上の場合には肯定判断が行われる。この場合には位相制御モードへの切り換えは行われず、ステップ１００に戻って同期制御モードでの制御が行われる。また、回転数がＮ₂よりも低い場合にはステップ１０４の判定において否定判断が行われ、制御部７は、位相制御モードで各スイッチング素子のオンオフオンオフ制御を行う（ステップ１０５）。なお、位相制御モードに切り換えた直後では、同期制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングをステップ１０３で設定された初期値分だけ遅らせて位相制御モードが実施される。

次に、制御部７は、発電電圧ＶＢが低下したか否かを判定する（ステップ１０６）。負荷電流が多くて位相制御モードに移行後も発電電圧ＶＢが低下している場合には肯定判断が行われ、制御部７は、位相制御モードに移行後（あるいは、ステップ１０８においてオフタイミングを遅らせた後）に一定期間が経過したか否かを判定する（ステップ１０７）。一定期間経過前は否定判断が行われ、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。

また、一定期間が経過した場合には、ステップ１０７の判定において肯定判断が行われる。次に、制御部７は、位相制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングを電気角でθ１だけ遅らせる（ステップ１０８）。また、制御部７は、オフタイミングを遅らせた後の電気角θが所定値以下であるか否かを判定する（ステップ１０９）。所定値以下の場合には肯定判断が行われ、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。一方、θが所定値を超えた場合には、ステップ１０９の判定において否定判断が行われ、次に、制御部７は、θを所定値に設定する（ステップ１１０）。その後、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。

また、位相制御モードに移行後に発電電圧ＶＢが低下していない場合には、ステップ１０６の判定において否定判断が行われる。次に、制御部７は、界磁巻線４を駆動する電圧制御装置１０内のスイッチング素子（図示せず）の駆動デューティＦdutyが、Ｆdutyを可変することにより出力微調整幅の上限値に対応するＦdutyの値であるβ以上であるか否かを判定する（ステップ１１１）。β以上の場合には肯定判断が行われ、ステップ１０７の一定期間の経過判定に移行する。また、Ｆdutyがβよりも小さい場合には、ステップ１１１の判定において否定判断が行われる。次に、制御部７は、Ｆdutyを可変することにより出力微調整幅の下限値に対応するＦdutyの値であるα以下にＦdutyが低下したか否かを判定する（ステップ１１２）。この判定は、位相制御モードの電気角θを減少させる必要がある程度に負荷電流が減少したか否かを知るためのものであり、駆動デューティＦdutyがαよりも大きい場合には否定判断が行われ、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。

また、駆動デューティＦdutyがαよりも低下した場合には肯定判断が行われ、次に、制御部７は、位相制御モードに移行後（あるいは、ステップ１１５においてオフタイミングを進ませた後）に一定期間が経過したか否かを判定する（ステップ１１３）。一定期間経過前は否定判断が行われ、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。

また、一定期間が経過した場合には、ステップ１１３の判定において肯定判断が行われる。次に、制御部７は、これ以上スイッチング素子のオフタイミングを進ませた場合（早くした場合）に位相制御モードでの動作が可能か否かを判定する（ステップ１１４）。これ以上オフタイミングを早くした場合に、スイッチング素子のオン期間において相電圧の方がバッテリ電圧ＶＢよりも常に高くなる場合には否定判断が行われ、制御部７は、回転変動幅が小さいか否かを判定する（ステップ１１８）。回転変動幅が大きい場合には否定判断が行われ、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。また、回転変動が小さい場合には、ステップ１１８の判定において肯定判断が行われ、ステップ１００に戻って同期制御モードが実施される。

また、これ以上オフタイミングを早くした場合であっても、スイッチング素子のオン期間の一部においてバッテリ電圧ＶＢの方が相電圧よりも高くなる場合には、ステップ１１４の判定において肯定判断が行われる。次に、制御部７は、位相制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングを電気角でθ１だけ進ませる（ステップ１１５）。また、制御部７は、オフタイミングを進ませた後の電気角θが初期値以下になるか否かを判定する（ステップ１１６）。電気角θが初期値よりも大きい場合には否定判断が行われ、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。一方、θが初期値以下になる場合には、ステップ１１６の判定において否定判断が行われ、次に、制御部７は、θを初期値に設定する（ステップ１１７）。その後、ステップ１０４に戻って回転数判定が行われる。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、同期制御モードから位相制御モードへの切り換えに伴う出力電流の変動を抑え、発電トルクが急激に変動することを防止することができる。また、ゼロクロス検出部９を用いて、相電流の位相（向き）を直接検出することにより、相電圧の周期や位相を推測し、相電流の位相を正確に制御することが可能となる。

また、回転数変動幅が所定値よりも小さいときに同期制御モードと位相制御モードの相互の切り換えを行うことにより、回転変動に伴う出力や発電トルクの変動と、動作状態切り換えに伴う出力や発電トルクの変動が同時に起こることを防止することができる。所定期間以上間をあけて切り換えを行うことにより、動作状態の切り換えが頻繁に発生することを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、位相制御モードから同期制御モードに切り換える条件の一つに回転変動幅が小さいこと（ステップ１１８）を含ませたが、位相制御モードで動作中に回転変動幅が所定値よりも大きくなった場合に、すべてのスイッチング素子をオフして位相制御モードの動作を中止するようにしてもよい。これにより、正確に相電流の位相が制御できずに制御が不安定になることを防止することができる。

また、上述した実施形態では、位相制御モードにおいて各スイッチング素子のオフタイミングを段階的に遅らせる場合の電気角θについては特に説明しなかったが、オフタイミングを段階的に遅らせることで出力電流の粗調整を行い、励磁電流を可変することにより出力電流を微調整できるように、オフタイミングを段階的に遅らせる電気角θを設定することが望ましい。特に、オフタイミングの段階的な切り換えの前後で、励磁電流によって微調整される出力電流が部分的に重複することが望ましい。

図７は、オフタイミングの段階的な切り換えによる出力電流の粗調整と励磁電流による出力電流の微調整の関係を示す図である。図７において、横軸のθはスイッチング素子のオフタイミングを遅らせる電気角であり、同期制御モードにおけるスイッチング素子のオフタイミングを基準にして、オフタイミングを遅らせる角度を電気角で示したものである。また、図７においてハッチングが付された領域が、位相制御モードにおいて励磁電流を可変して微調整可能な範囲である。図７に示すように、オフタイミングを遅らせる角度θを段階的に切り換える場合に、切り換えの前後で、励磁電流によって微調整が可能な出力電流の範囲が重複している。これにより、負荷電流の変化に励磁電流を可変して対応することができ、負荷電流に応じて出力電流を滑らかに変化させることができる。

また、上述した実施形態では、駆動デューティＦdutyが低下したときに、位相制御モードから同期制御モードに切り換えるようにしたが、車両用発電機１の出力電流あるいは励磁電流を検出してその値が低くなったときにこの切り換えを行うようにしてもよい。

また、上述した実施形態（図１）では、２つのスイッチング部５、６の全体に１組の制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９が対応するように図示したが、２つのスイッチング部５、６のそれぞれに対して別々に制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９を対応させて設けたり、各相巻線に対応させて別々に制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９を設けるようにしてもよい。

図８は、各相巻線に対応させて別々に制御部７等を設ける場合の部分的な構成を示す図である。図８に示す構成では、Ｕ相巻線に対応する上アームおよび下アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびダイオードＤ１、Ｄ２に対応するように、制御部７、駆動部８、ゼロクロス検出部９からなる制御回路２０が設けられている。また、同じ構成の制御回路２０が他の相巻線のそれぞれに対応させて設けられている。このように、各相巻線毎に制御回路２０を設ける場合には、この制御回路２０と上アームおよび下アームのスイッチング素子およびダイオードの全体をモジュール化して１つの半導体パッケージで実現することができ、スイッチング部５、６およびその制御機構の製造や組み付けが容易となる利点がある。特に、上述した実施形態では、各相巻線に対応する上下アームの２つのスイッチング素子のオン／オフタイミングの設定をこの相巻線に対応するゼロクロス点を基準に設定しているため、上述したモジュール化を行った場合であっても、他相の相電圧等を情報を用いることなく自相の各スイッチング素子のオン／オフタイミングの設定を行うことができ、配線の簡略化が可能となる。

また、上述した実施形態では、２つの電機子巻線２、３と２つのスイッチング部５、６とを備える車両用発電機１について本発明を適用したが、電機子巻線とスイッチング部を一つずつ備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、Ｕ相巻線に対応する２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフタイミングを設定する際に、このＵ相巻線に対応するゼロクロス点を基準として用いるとともに、回転数検出や回転変動の程度判定にもこのゼロクロス点を用いたが、回転数検出や回転変動の程度判定については、他の相（同じ電機子巻線２に含まれるＶ、Ｗ相巻線、あるいは、他の電機子巻線３に含まれるＸ、Ｙ、Ｚ相巻線）に対応するゼロクロス点を用いたり、自相と他相両方のゼロクロス点を用いるようにしてもよい。特に、基準位置から所定時間経過した時点をオン／オフタイミングとする場合には、上述したようにこの所定時間を回転数や回転変動を考慮した値に設定する必要があるが、他相のゼロクロス点の情報を含めることにより、回転数を検出したり回転変動の程度を判定する精度を上げることができ、結果的に、オン／オフタイミングの設定精度を上げることができる。

また、上述した実施形態では、電機子巻線とスイッチング部の組を２組備えたが３組以上を備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、同期制御モードと位相制御モードの切り換えに伴う出力電流の変動を抑え、発電トルクが急激に変動することを防止することができる。

１ 車両用発電機
２、３ 電機子巻線
４ 界磁巻線
５、６ スイッチング部
７ 制御部
８ 駆動部
９ ゼロクロス検出部
１０ 電圧制御装置
１１ バッテリ
２０ 制御回路
Ｑ１〜Ｑ１２ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ１２ ダイオード

Claims (10)

1. ２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、
   ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成される複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、前記電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、
   前記スイッチング素子のオンオフタイミングを制御する制御部と、
   を備え、前記制御部は、前記相巻線の相電圧がバッテリ電圧よりも高い状態で前記スイッチング素子をオフする第１の動作状態から、前記相電圧が前記バッテリ電圧よりも低くなってから前記スイッチング素子をオフする第２の動作状態への切り換えを行うとともに、切り換え後の前記第２の動作状態において、前記スイッチング素子をオフするタイミングを段階的に遅らせることを特徴とする車両用発電機。
2. 請求項１において、
   前記相巻線の相電流の極性が正あるいは負からゼロに移行した時点を電流のゼロクロス点として検出するゼロクロス検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第２の動作状態において、前記ゼロクロス検出部によって検出された前記ゼロクロス点を基準として前記スイッチング素子のオフタイミングを設定することを特徴とする車両用発電機。
3. 請求項１または２において、
   前記制御部は、出力電流が、前記第１の動作状態において供給可能な出力電流値を超えたときに前記第２の動作状態に切り換えることを特徴とする車両用発電機。
4. 請求項３において、
   前記制御部は、回転数変動幅が所定値よりも小さいときに前記第１の動作状態から前記第２の動作状態への切り換えを行うことを特徴とする車両用発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記制御部は、出力電流が、前記第１の動作状態において供給可能な出力電流値を超えた状態から前記第１の動作状態において供給可能な出力電流値以下の状態に移行したときに、前記第２の動作状態から前記第１の動作状態に切り換えることを特徴とする車両用発電機。
6. 請求項５において、
   前記制御部は、回転数変動幅が所定値よりも小さいときに前記第２の動作状態から前記第１の動作状態への切り換えを行うことを特徴とする車両用発電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記第１の動作状態と前記第２の動作状態の相互の切り換えは、所定期間以上間をあけて行われることを特徴とする車両用発電機。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   界磁巻線に流れる励磁電流を可変する励磁電流制御手段をさらに備え、
   前記第２の動作状態において前記スイッチング素子をオフするタイミングとしての位相角を複数段階可変することにより、供給可能な出力電流値の粗調整を行い、前記励磁電流を可変することにより、供給可能な出力電流値の微調整を行うことを特徴とする車両用発電機。
9. 請求項８において、
   前記粗調整と前記微調整を組み合わせることで実現される出力電流値の変更幅は、前記位相角が隣接する前記粗調整の各段階において重複していることを特徴とする車両用発電機。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、
    前記制御部は、前記第２の動作状態において動作中に、回転数変動幅が所定値よりも大きくなったときに、すべての前記スイッチング素子をオフすることを特徴とする車両用発電機。

Images