JP2011234459A - ハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力供給源の切り替えに際して発電機出力を停止させないようにして使い勝手を良好にし、かつ低騒音および低燃費を図る。
【解決手段】ハイブリッド式発動発電機１は、バッテリ４と、エンジン駆動される交流機３と、交流機３の出力を整流する整流部５１と、バッテリ４の出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ９と、整流部５１およびＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力を交流に変換して発電機出力とするインバータ部５３とを有する。負荷出力がＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力範囲の上限に達した時点で、エンジン２を始動させてバッテリ４からの電力供給を交流機３による発電に切り替える。切り替えのためのエンジン始動中は、発電機出力がＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力範囲を超えないようにインバータ部５３の出力を抑制する発電電力制限部２７を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、ハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置に関するものであり、特に、発電機を停止させることなく、バッテリ出力と、発動機（つまり、エンジン）で駆動される交流機出力との切り替えを行うことができるハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置に関する。

エンジンによって駆動される発電機とバッテリとを備えたハイブリッド式発動発電機が知られる。特許文献１には、パワーアシストモードスイッチのオン時は発電体および蓄電装置の両方から電力供給を可能にするとともに、パワーアシストモードスイッチがオフでパワーソース切り替えスイッチがオンの時は発電体から蓄電装置に切り替え、パワーアシストモードスイッチおよびパワーソース切り替えスイッチがいずれもオフの時は蓄電装置から発電体に切り替えることで発電体または蓄電装置を電力供給源として選択可能にした制御部を有するハイブリッド式発動発電機が提案されている。

特許第３９１９２７号公報

従来のハイブリッド式発動発電機では、電力供給源を切り替えスイッチによって選択するものであるが、電力供給源を切り替える際に、そのつど、発電機出力を止めて切り替えスイッチを操作しなければならない。そのために、操作が煩雑であり、使い勝手が良くないという課題があった。

本発明の目的は、上記課題に対して、切り替えスイッチを用いず、発電機出力を維持させたままで電力供給源を切り替えることができるハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、バッテリと、エンジンで駆動される交流機と、前記交流機の出力を整流する整流部と、前記バッテリの出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記整流部および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を交流に変換して発電機出力とするインバータ部とを有するハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置において、負荷出力が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの許容電力の上限に到達した時点で、エンジンを始動させてバッテリからの電力供給を交流機による発電に切り替えるとともに、該切り替えのためのエンジン始動中は、発電機出力が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの許容電力範囲を超えないように前記インバータ部の出力を抑制する発電電力制限手段を備えている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記整流部が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力で前記エンジンを始動するための駆動用インバータを兼用し、前記発電電力抑制手段が、エンジン始動に消費される電力に相当する電力をバッテリ出力から低減することによってバッテリの出力制限をするように構成されている点に第２の特徴がある。

さらに、本発明は、負荷出力が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの許容出力範囲を下回ったときに、前記エンジンを停止して、バッテリからの出力に切り替える点に第３の特徴がある。

第１〜第３の特徴を有する本発明によれば、負荷出力がＤＣ−ＤＣコンバータの電力容量（許容電力）を超える場合に、この電力容量とエンジン始動電力を考慮しながら、エンジン始動時の一時だけ発電機出力を低下させることによって、バッテリの出力電力を、負荷およびエンジン・スタータとしての交流機にバランス良く供給することができる。また、発電機出力は維持したまま電力供給手段の切り替えを行うことができるので、使い勝手がよくなる。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力容量内で電力供給を維持できるので、ＤＣ−ＤＣコンバータの大型化を回避できるし、発電機出力の遮断を伴わない連続的でスムーズな運転により低騒音および低燃費を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る電力供給源切り替え装置を含むハイブリッド式発動発電機のシステム構成を示すブロック図である。 図１に示したハイブリッド式発動発電機の出力制御装置に係る回路図である。 絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 電力供給源切り替え装置の動作を示すフローチャートである。 発電機出力抑制制御装置の動作を示すフローチャートである。 電力供給源切り替え装置の動作タイミングチャートである。 電力供給源切り替え装置の要部機能を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る出力制御装置を含むハイブリッド式発動発電機のシステム構成図である。図１において、ハイブリッド式発動発電機１は、第１の電源としてエンジン２に連結される交流機（オルタネータ）３と、第２の電源としてのバッテリ４とを備える。交流機３は、エンジン２で駆動されて発電を行うとともに、エンジン２の始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機であり、例えば３相の多極磁石発電機からなる。

交流機３およびバッテリ４の出力側は電力変換部５に接続され、電力変換部５の出力側は、出力端子（例えば、コンセント）６に接続される。コンセント６には負荷７が接続される。

制御部８は、マイクロコンピュータを含み、負荷出力とバッテリ４の残容量等のバッテリ情報を検出してバッテリ４と交流機３との出力配分を電力変換部５に指示するとともに、エンジン２に対して回転数の指示をする。

図２は、ハイブリッド式発動発電機１の具体的な回路図である。電力変換部５は、整流部５１、直流部５２、インバータ部５３、および波形成形回路５４からなる。整流部５１は、ブリッジ接続されたダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３と、スイッチング素子（以下、「ＦＥＴ」として説明する）Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３とを有する混合ブリッジ整流回路である。交流機３の３相巻線３ＵはダイオードＤ１とＦＥＴＱ１との結合部に、３相巻線３ＶはダイオードＤ２とＦＥＴＱ２との結合部に、３相巻線３ＷはダイオードＤ３とＦＥＴＱ３との結合部にそれぞれ接続される。

このように構成された整流部５１は、交流機３の出力を整流して直流部５２に供給するとともに、ＦＥＴＱ１〜Ｑ３のオン、オフ制御により、バッテリ４の直流出力電圧を３相の交流電圧に変換して交流機３に印加する駆動用インバータとしても機能する。

バッテリ４は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して整流部５１および直流部５２の間に接続される。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、バッテリ４と整流部５１との間で双方向に電力を融通する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、後述するように、絶縁部（トランス）を介して接続される一次側および二次側からなる。

直流部５２は、スイッチング・コンバータ（ここでは、降圧型）であり、ＦＥＴＱ４、チョークコイルＬ３、コンデンサＣ１、Ｃ２、ダイオードＤ４などを含む。インバータ部５３は、４つのＦＥＴＱ５、Ｑ６、Ｑ７およびＱ８をブリッジ接続してなる。インバータ部５３の出力は、コイルＬ１、Ｌ２とコンデンサＣ３とからなる波形成形回路５４に接続される。なお、ＦＥＴＱ１〜Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５〜Ｑ８の制御は制御部８からの指示によって行われる。

図３は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の構成例を示す回路図である。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、一次側の低圧側巻線１０−１と二次側の高圧側巻線１０−２とを備えるトランス１０を含む。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧比は、低圧側巻線１０−１と高圧側巻線１０−２の巻線比により決定される。

低圧側スイッチング部１１は、低圧側巻線１０−１側に挿入され、高圧側スイッチング部１２は、高圧側巻線１０−２側に挿入される。低圧側スイッチング部１１は、例えば、４つのＦＥＴＱ９、Ｑ１０、Ｑ１１およびＱ１２をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部１２も同様に４つのＦＥＴＱ１３、Ｑ１４、Ｑ１５およびＱ１６をブリッジ接続して構成される。

低圧側スイッチング部１１および高圧側スイッチング部１２のＦＥＴＱ９〜Ｑ１６にはダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１０、ならびにＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４がそれぞれ並列接続される。これらはＦＥＴの寄生ダイオードであってもよいし、別途接続したダイオードであってもよい。並列接続された整流素子Ｄ７〜Ｄ１４を合わせれば、低圧側スイッチング部１１および高圧側スイッチング部１２はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。

トランス１０の高圧側巻線１０−２側にはＬＣ共振回路１３が挿入される。ＬＣ共振回路１３は、低圧側スイッチング部１１および高圧側スイッチング部１２の少なくとも一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるＦＥＴ破壊を招かないように機能する。正弦波状の電流の零クロス点付近でＦＥＴをオン、オフさせることができるからである。なお、ＬＣ共振回路１３は、二次側ではなく一次側に設けてもよい。

低圧側スイッチング部１１のＦＥＴＱ９〜Ｑ１２ならびに高圧側スイッチング部１２のＦＥＴＱ１３〜Ｑ１６は、制御部８によってスイッチング制御される。一次側および二次側に接続されているコンデンサ１４、１５は、出力平滑用コンデンサである。

動作時、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９が自動的に双方向で電力変換を行うように、その低圧側スイッチング部１１と高圧側スイッチング部１２とを同一の信号で駆動して完全同期させる。この駆動は、周知のように、低圧側スイッチング部１１においてはＦＥＴＱ９とＱ１２のペア、ＦＥＴＱ１０とＱ１１のペアを交互にオン、オフし、高圧側スイッチング部１２においてはＦＥＴＱ１３とＱ１６のペア、ＦＥＴＱ１４とＱ１５のペアを交互にオン、オフすることで行われる。

エンジンの始動時には、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の一次側から二次側への電力変換が行われ、これにより昇圧されたバッテリ４の直流電圧が駆動用インバータとしての整流部５１に与えられる。整流部５１は、Ｑ１〜Ｑ６を周知のようにＰＷＭ駆動させて、入力された直流電圧を３相の交流電圧に変換して交流機３に印加する。これによってエンジン２は始動される。この際、交流機３の動作に従って生じる逆起電圧で電流分配が変化することを利用して位相判別し、センサレス制御で同期駆動することができる。

エンジン２が始動すると、交流機３はエンジンにより駆動されて出力を発生する。このとき、整流部５１のＦＥＴＱ１〜Ｑ３は駆動されず、交流機３の出力は、整流部５１のダイオードＤ１〜Ｄ３で整流される。

整流部５１の出力電圧は、直流部５２で平滑・調整され、さらにインバータ部５３で所定周波数（例えば、商用電力周波数）の交流電力に変換される。直流部５２では、制御部８からの動作信号に応じてＦＥＴＱ４がＰＷＭ変調される。

絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、バッテリ４の残容量が所定値より少なく、かつ交流機３の出力が十分ならば、整流部５１の出力電圧が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９で降圧されてバッテリ４に入力されることにより、バッテリ４が充電される。また、バッテリ４の残容量が多い場合は、交流機３の出力電力を補う（アシストする）ため、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９を通してバッテリ４からも負荷に電力が供給される。

次に、ハイブリッド式発動発電機１の電力供給源切り替え制御について説明する。図４は、出力制御の動作を示すフローチャートである。この動作は制御部８内のマイクロコンピュータによって実現できる。図４のステップＳ１では、バッテリ４の電力を直流部５２に出力するように絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９を動作させる。これにより、バッテリ４からの電圧によって、コンセント６に接続される負荷へ電力供給（バッテリ発電）が可能になる。

ステップＳ２では、負荷からの電力要求つまり負荷出力が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力を超えているか否かを判断する。この判断が否定の間は、バッテリ４からの出力が続けられる。ステップＳ２が肯定、つまり負荷出力が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力の上限近くに設定した値に到達した場合には、ステップＳ３に進んでエンジン２を始動させて交流機３を駆動する。エンジン２の始動後、ステップＳ４において、発電機出力抑制制御を実施する。発電機出力抑制制御の詳細は後述する。

ステップＳ５では、交流機３を電力供給源とする発電が開始される。ステップＳ６では、負荷出力が絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力を下回っているか否かを判断する。ステップＳ６が否定の間は、交流機３を電力供給源とする発電を継続し、ステップＳ６が肯定となれば、ステップＳ７に進んでエンジン２を停止する。エンジン２を停止したならば、ステップＳ１に戻る。

図５は、発電機出力抑制制御のフローチャートである。ステップＳ４１では、エンジン始動電力を検出する。エンジン始動電力は予め実験および／または計算により決定しておく。ステップＳ４２では、負荷出力とエンジン２の始動電力とを加算して必要電力を算出する。ステップＳ４３では、必要電力と絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力との差（不足電力）を算出する。ステップＳ４４では、発電機出力（インバータ部５３の出力）が前記不足電力分だけ低減するようにインバータ部５３をＰＷＭ制御する。この制御により、エンジン２の始動電力を確保しつつ、抑制された状態で発電機出力が維持される。発電機出力抑制制御により、発電機出力が抑制された状態でエンジン２が始動し、エンジン回転数が所定回転数に到達する（立ち上がった状態になる）と、バッテリ４の出力は停止されて、交流機３を電力供給源とする発電に切り替わる。

図６は、電力供給源切り替え制御のタイミングチャートである。図６において、タイミングｔ０〜ｔ１では、バッテリ４による電力供給（バッテリ発電）が行われる。タイミングｔ１では、バッテリ４の発電能力つまり絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の許容電力を超える負荷出力が生じており、このタイミングｔ１でバッテリ４の出力によってエンジン２が始動される。これとともに、バッテリ４の出力、つまりこの時点での発電機出力を低減するようにインバータ部５３を制御する。タイミングｔ２ではエンジン２が立ち上がり、エンジン始動用の電力は低下し始めるので、発電機出力を増大させるように出力部５２を制御する。タイミングｔ３で発電機出力は負荷出力に見合うまで増大し、タイミングｔ４では、バッテリ４の出力が停止するように絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９を制御し、エンジン２で駆動される交流機３の出力のみが発電機出力となる。

図７は、電力供給源切り替え装置の要部機能を示すブロック図である。図７において、負荷出力検出部２３は、インバータ部５３の出力電流と出力電圧に基づいて負荷出力を検出する。許容電力値設定部２４は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力許容電力値を予め設定しておく手段である。比較部２５は、負荷出力検出部２３で検出された負荷出力と許容電力値とを比較し、負荷出力が許容電力値より大きいときは、比較部出力をオンにし、負荷出力が許容電力値より小さいときは比較部出力をオフにする。

エンジン始動／停止部２６は、比較部出力のオンに応答し、駆動用インバータとしての整流部５１をスイッチング制御して交流機３に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力を供給させる。交流機３は、整流部５１を通じて印加されるバッテリ４の電圧で駆動されて、エンジン２を始動する。このエンジン２の始動とともに、比較部出力のオンに応答して発電機出力制限部２７が付勢され、インバータ部５３が、その出力電力を制限するようにＰＷＭ制御される。出力電力の制限は、エンジン２の始動電力を考慮して行われる。負荷出力が許容電力値より小さい場合、つまり比較出力がオフのときは、バッテリ発電開始部２８が付勢されて絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９から直流部５２を介してバッテリ４からインバータ部５３へ電圧が印加される。同時に、エンジン始動／停止部２６は、エンジン２を停止させる（点火及び／又は燃料供給を停止する）。

このように、本実施形態によれば、負荷が増大して絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の容量が不足しそうなときに、バッテリによる電力供給系統から交流機による電力供給系統への切り替えが行われる。そして、この切り替えに際して、エンジンの始動電力を考慮して発電機出力つまりインバータ部５３の出力を一時的に低下させるとともに、バッテリ４からの出力電力で交流機３を起動してエンジンを始動させる。これにより、バッテリ４からの出力を、負荷およびエンジン始動のための電力としてバランスがとれるようにした。

本発明を、実施例に従って説明したが、本発明はこの実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載した事項と周知技術に基づいて変形が可能である。

１…ハイブリッド式発動発電機、 ２…エンジン、 ３…交流機、 ４…バッテリ、 ５…電力変換部、 ７…負荷、 ８…制御部、 ９…絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ２３…負荷出力検出部、 ２４…許容電力設定部、 ２５…比較部、 ２６…エンジン始動／停止部、 ２７…発電機出力制限部

Claims (3)

1. バッテリと、エンジンで駆動される交流機と、前記交流機の出力を整流する整流部と、前記バッテリの出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記整流部および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を交流に変換して発電機出力とするインバータ部とを有するハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置において、
   該発電機の負荷出力を検出する負荷出力検出手段と、
   前記バッテリの出力で前記エンジンを始動するエンジン始動手段と、
   前記負荷出力が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの許容電力の上限に到達した時点で、前記エンジンを始動させて前記バッテリからの電力供給を前記交流機による発電に切り替えるとともに、該切り替えのためのエンジン始動中は、発電機出力が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの許容電力範囲を超えないように前記インバータ部の出力を抑制する発電電力制限手段とを備えていることを特徴とするハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置。
2. 前記整流部が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力で前記エンジンを始動するための駆動用インバータを兼用し、
   前記発電電力抑制手段が、エンジン始動に消費される電力に相当する電力をバッテリ出力から低減することによってバッテリの出力制限をするように構成されていることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置。
3. 前記負荷出力が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの許容出力範囲を下回ったときに、前記エンジンを停止して、バッテリからの出力に切り替えることを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド式発動発電機の電力供給源切り替え装置。

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