JP2011235838A - 車両用電動発電機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】界磁巻線の発熱量を抑制し界磁巻線の焼損が防止できるとともに、車両減速エネルギーによる回生発電電力の回収効率が向上する
【解決手段】この発明による車両用電動発電機は、交流側が電動発電機の電機子巻線に接続され直流側が降圧コンバータを介して前記二次電池に接続されたインバータユニットと、降圧コンバータとインバータユニットとの間に接続され、二次電池よりも定格充放電電力が大きくかつ蓄電容量が少ないキャパシタと、インバータユニットを制御すると共に電動発電機の界磁電流を制御し、電動発電機を電動機若しくは発電機として動作させる制御回路とを備え、第1の所定時間毎の界磁巻線への供給電力量を算出し、界磁巻線への供給電力量が所定値を超過した場合は第2の所定時間の間、界磁巻線に流す界磁電流値を第1の所定値に制限し、第2の所定時間経過後に界磁電流の制限値を第1の所定値より大きい第2の所定値に制限する。
【選択図】図4

Description

この発明は、減速時に車両減速エネルギーを効率よく回収し、加速時に駆動アシストしてエネルギー消費する車両用電動発電機の制御装置に関するものである。
従来、エンジンの始動時や車両の走行中に使用する12[V]バッテリの電力を温存し、このバッテリに対する充電量を減少し、発電機の動作によるエンジン負荷を軽減して燃費を低減すると共に、減速エネルギーをキャパシタに回収させ、燃料を必要としない車両の減速時の回生発電を利用して発電機の回生運転の効率を向上させるようにした発電制御装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に開示された発電制御装置は、車両に搭載されたエンジンによって駆動される発電機の発電状態を制御するものであって、車両の減速状態を検出する減速検出部と、発電機に常時接続される車両用主電源である12[V]バッテリと、電源接続条件を満たした場合にのみ発電機と接続可能な車両用副電源であるキャパシタと、車両の減速時或いはキャパシタの容量が予め定められた値よりも大きいときに発電機とキャパシタとを接続する切替部とを含む。切替部は、エンジン始動時にバッテリを電源として動作する。
特許文献1に開示された従来の装置によれば、車両の減速時、或いはキャパシタの容量が予め定められた値よりも大きいときには、切替部により発電機とキャパシタを接続するので、車両の減速時にキャパシタに十分な充電をすることが可能となる。そのため、車両の停止後に於けるエンジンの停止時、或いはキャパシタの容量が予め定められた容量よりも大きい場合に於ける電気負荷(エンジン制御システムのシステム維持やランプ等)用の電源としてキャパシタが使用可能となる。
従って、エンジンの始動時、或いは、車両の走行中に使用する12[V]バッテリの電力を温存することができ、12[V]バッテリに対する充電量を減少して、発電機の動作によるエンジン負荷を軽減するので燃費を低減することができる。また、従来では利用していなかった減速エネルギーをキャパシタに回収させるので、燃料を必要としない車両の減速時の回生発電を利用して発電機の回生運転の効率を向上することができる。
また、従来、エンジンと、エンジンにより駆動されて発電すると共に車両の駆動源として機能するモータジェネレータと、モータジェネレータとの間で充放電を行なうバッテリと、モータジェネレータに対する発電若しくは駆動力の出力を判断する発電・出力要求判断手段と、モータジェネレータの発電時にモータジェネレータに発生する熱量を推定する熱量推定手段と、発電・出力要求判断手段により発電が要求された場合であっても、前記熱量推定手段で推定された熱量が所定値以上の場合には、モータジェネレータによる発電を制限する発電制限手段とを備えたハイブリッド車両の発電量制御装置が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献2に開示された従来の装置によれば、発電要求時にモータジェネレータが発生する熱量を推定し、更にこの熱量に基づいてモータジェネレータの温度を推定し、推定されたモータジェネレータの温度が所定値以上の場合には発電を制限するようにしているので、モータジェネレータ本体の温度上昇が抑制され、これにより車両の走行駆動力が要求されるモータジェネレータの出力要求時にモータジェネレータが高温になり、保護のために出力制限を受ける可能性を低くすることができる。
特開2002−238103号公報 特許第4082327号公報
特許文献1に示された従来の発電制御装置を用いて車両の発進加速時にエンジン駆動トルクをアシストして燃費改善を図る場合、キャパシタの蓄電量を大きくするため回生発電時に電動発電機の界磁巻線に流す界磁電流値を大きく設定し、回生発電電力を大きくして効率よく減速エネルギーを回収するように構成したとき、長い降坂路を走行するときのような回生発電状態が長い時間継続する運転状態では、界磁巻線への供給電力量が許容値を超過し、界磁巻線の過熱や焼損などが発生する可能性がある等の問題がある。
また、特許文献2に示され迪来の発電量制御装置の場合、モータジェネレータに対する発電要求時にモータジェネレータが発生する熱量を推定し、更にこの熱量に基づいてモータジェネレータの温度を推定し、この推定されたモータジェネレータの温度によって発電を制限するようにしているため、モータジェネレータに対する駆動要求時にモータジェネレータが発生する熱量は考慮されていない。更に、モータジェネレータの推定温度は車両運転状態や運転環境(特に外気温度)の影響を大きく受けやすく、温度推定誤差が大きくなる傾向にある。この温度推定誤差を小さくする目的で、モータジェネレータの本体や巻線にそれぞれ温度センサを配設した場合、レイアウト上の制約問題、工作性の悪化をもたらし、更にはコストアップにつながる等の問題がある。また、回転子に巻装された界磁巻線の温度を推定する場合、温度センサの配設は困難であり温度推定誤差はさらに大きくなる問題がある。
この発明は、従来の装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたものであり、界磁巻線の発熱量を抑制し界磁巻線の焼損が防止できるとともに、車両減速エネルギーによる回生発電電力の回収効率が向上することができる車両用電動発電機の制御装置を提供することを目的とする。
この発明による車両用電動発電機の制御装置は、
エンジンの始動時及び車両加速時に駆動力を発生し、前記エンジンの駆動エネルギー及び車両の減速エネルギーにより駆動されて二次電池の定格電圧より高い電圧の電力を発生する電機子巻線が巻装された固定子と界磁巻線が巻装された回転子を有する電動発電機と、
交流側が前記電動発電機の電機子巻線に接続され、直流側が降圧コンバータを介して前記二次電池に接続されたインバータユニットと、
前記降圧コンバータと前記インバータユニットとの間に接続され、前記二次電池よりも定格充放電電力が大きくかつ蓄電容量が少ないキャパシタと、
前記インバータユニットを制御すると共に前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御し、前記電動発電機を電動機若しくは発電機として動作させる制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、第1の所定時間毎の前記界磁巻線への供給電力量を算出し、前記界磁巻線への供給電力量が所定値を超過した場合は、第2の所定時間の間、前記界磁巻線に流す界磁電流値を第1の所定値に制限し、前記第2の所定時間経過後に前記界磁電流の制限値を前記第1の所定値より大きい第2の所定値に制限する、
ことを特徴とするものである。
この発明による車両電動発電機の制御装置によれば、第1の所定時間毎の前記界磁巻線への供給電力量を算出し、前記界磁巻線への供給電力量が所定値を超過した場合は、第2の所定時間の間、前記界磁巻線に流す界磁電流値を第1の所定値に制限し、前記第2の所定時間経過後に前記界磁電流の制限値を前記第1の所定値より大きい第2の所定値に制限するので、界磁巻線の発熱量を抑制し界磁巻線の焼損が防止できるとともに、車両減速エネルギーによる回生発電電力の回収効率が向上する効果が得られる。
この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置を含めた車両の概略構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁電流制御を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁巻線への供給電力の監視処理を示すフローチャートである。
この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁電流設定処理を示す概略ブロック図である。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける判定処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける降圧コンバータの駆動処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁電流の演算処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於けるインバータユニットへの駆動信号の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置の動作を示すタイムチャートである。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置について説明する。図1は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置を含めた車両の概略構成を示す構成図である。図1に於いて、車両に搭載された電動発電機(MG)30は、ベルト駆動式電動発電機であり、その回転子軸に設置された電動発電機プーリ27を備えている。車両に搭載されたエンジン(ENG)20は、そのクランク軸に設置されたクランク軸プーリ26を備えている。電動発電機プーリ27とクランク軸プーリ26とは、ベルト28を介して連結されており、電動発電機30が電動機として動作するときは、電動発電機30の駆動力がベルト28を介してエンジン20に伝達され、電動発電機30が発電モードとして動作するときは、エンジン20の駆動力がベルト28を介して電動発電機30に伝達される。
車両加速時は、エンジン20の駆動力がトランスミッション(TM)21に入力され、デファレンシャルギア22、ドライブシャフト23を介して車輪24に伝達される。車両減速時は、運転者のブレーキペダル操作による制動力が車輪24から車両加速時とは逆の伝達経路を介してエンジン20に伝達され、熱エネルギーとなって放出される。
エンジン制御ユニット(ECU)10は、マイクロコンピュータ(以下、マイコンと称する)とメモリとを含み、エンジン20を駆動するために必要な吸入空気量、燃料噴射量、点火時期等の基本制御の他に、電動発電機30の電動発電制御等の補機類の制御や、減速フューエルカット制御、アイドルストップスタート制御等を行う。エンジン制御ユニット10によるこれらの制御は、車両の走行状態、アクセル開度信号、スロットル開度信号、ブレーキペダルの操作を検出するブレーキスイッチ信号、トランスミッション21に於けるシフトポジション信号、車速信号、エンジン回転信号、メモリに保存されたマップデータ、及びプログラムに基づいて前述のマイコンが行う演算処理に基づいて実行される。
キャパシタ60は、電動発電機30により発電された発電量を蓄電する。インバータユニット(INV)50は、電動発電機30とキャパシタ60との間で電力の授受を行う。二次電池(以下、バッテリと称する)80は、補機類等の電気負荷81に電力を供給する。降圧コンバータ70は、キャパシタ60の電圧が二次電池80の電圧より高い場合に、キャパシタ60の電圧をバッテリ80の定格電圧に降圧する。
エンジン制御ユニット10内に含まれる電動発電機の制御回路11は、キャパシタ60の電圧信号15及びバッテリ80の電圧信号16を、A/D変換器(図示せず)によりA/D変換して得られたキャパシタ電圧Vcap、及びバッテリ電圧VBに基づいて、インバータユニット50に於ける後述のインバータモジュール51への駆動信号12、電動発電機30の界磁巻線への駆動信号(界磁電流)13、降圧コンバータ70への駆動信号(DUTY)14を演算処理により算出して出力し、電動発電機30を制御する。
図2は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置を示す構成図である。図2に於いて、電動発電機30は、固定子に設けられた電機子巻線31と、回転子に設けられた界磁巻線32とを備えている。この実施の形態1では、電機子巻線31は、3組のコイルをY結線した三相電機子巻線として構成されている。インバータユニット50は、インバータモジュール51と、このインバータモジュール51に並列接続された電流平滑用のコンデンサ52とを備え、その交流側端子は電動発電機30の電機子巻線31に接続され、直流側端子はキャパシタ60に接続されている。
インバータモジュール51は、並列接続された一対のスイッチング素子53とダイオード54の2組を直列に接続し、この直列接続体を3つ並列に接続したインバータ回路を備えている。一対のスイッチング素子53とダイオード54は、一体にパッケージに封入されて1個のスイッチング要素として構成されている。インバータ回路に於ける2個のスイッチング要素の直列接続点は、夫々インバータ回路の交流側端子を介して電動発電機30の電機子巻線31の各Y結線端部に接続されている。インバータ回路の直流側端子は、キャパシタ60に接続されている。
電動発電機30の界磁巻線32は、電動発電機の界磁電流を制御する界磁回路を構成し、制御回路11に接続されている。制御回路11は、電動発電機30の回転子の回転位置に対応した回転信号33が入力され、この回転信号33に基づいてインバータモジュール51のスイッチング素子53にゲート信号12を与えてそのスイッチング動作を制御すると共に、界磁回路13の界磁電流を制御する。
電動発電機30は、キャパシタ60からインバータユニット50を介して交流電力が供給されて電動機として動作し、エンジン20の駆動力をアシストさせる。また、電動発電機30は、エンジン20の始動後、エンジン20によりベルト28を介して回転駆動されて交流発電機として動作し、電機子巻線31に発生した三相交流電圧がインバータユニット50により直流電圧に変換されてキャパシタ60に蓄電される。
制御回路11は、前述したように電動発電機30の回転子の回転信号33に基づいてインバータユニット50の各スイッチング素子53をON/OFF制御し、インバータユニ
ット50の直流側端子に供給されたキャパシタ60の直流電力をインバータユニット50により三相交流電力に変換し、インバータユニットの交流側端子から出力させる。
インバータユニット50の交流側端子から出力された三相交流電力は、電動発電機30の電機子巻線31に供給され、また、制御回路11から出力された界磁電流は、電動発電機30の回転子の界磁巻線32に供給される。その結果、電動発電機30の回転子は、固定子に発生された回転磁界により回転駆動され、その回転子の回転力が、電動発電機プーリ27及びベルト28を介してエンジン20のクランク軸プーリ26に伝達され、エンジン20が回転駆動される。
電動発電機30から伝達された回転力により、エンジン20が始動されまたは車両への回転駆動力がアシストされる。そして、エンジン20が始動されると、エンジン20の回転力がクランク軸プーリ26からベルト28及び電動発電機プーリ27を介して電動発電機30の回転子に伝達される。電動発電機30は、その回転子がエンジン20の回転力により回転駆動されることにより、電機子巻線31に三相交流電圧を誘起する。
この実施の形態1では、制御回路11は、各スイッチング素子53をOFFとし、昇圧せずに発電電圧を整流出力するモード(以下、オルタネータモードと称する)により電動発電機30を発電させる。これにより、インバータモジュール51は、直列接続された2つのダイオード54からなる1組が3組並列に接続された三相全波整流回路となり、電機子巻線31に誘起された三相交流電力を直流電力に整流し、その整流した直流電力をキャパシタ60に蓄電させる。
図3は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁電流制御を示すブロック図であり、破線で示す枠内は制御回路11に含まれるものである。図3に於いて、界磁回路13は、界磁巻線32と、ON/OFF駆動されるトランジスタ4
2と、フライホイールダイオード41を有し、界磁巻線32の界磁電流を所望値に調整する。
界磁電流センサ40により検出された実界磁電流は、フィルタ回路(図示せず)を介してA/D変換回路(図示せず)に入力され、所定周期(例えば5[ms])でA/D変換されて読み込まれた実界磁電流値IfRealとなる。電動発電機30が発電機として動作する発電モードまたは電動機として動作する電動モードで設定された界磁電流指令値IfTagtと前述の実界磁電流値IfRealとの電流偏差量が、フードバック制御回路(以下、F/B制御回路と称する)43に入力される。F/B制御回路43は、入力された電流指令量に基づいて、所定周期(例えば5[ms])毎に、周知のPI(比例・積分)制御演算によりトランジスタ42の駆動デューティ値FCDUTYを出力し、トランジスタ42をON/OFF制御して界磁電流を制御する。
図4は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁巻線への供給電力の監視処理を示すフローチャートであり、所定の制御周期ts(例えば、5[ms])で処理される。図4に於いて、ステップS101に於いて、界磁巻線32への供給電力の最新値PFCnを、次に示す式(1)により演算する。

PFCn=IfReal*VB/1000*ts/3600[KW]・・・式(1)

ここで、IfRealは、最新の界磁電流値[A]、VBは最新のバッテリ電圧値[V]、tsは制御周期[sec]である。
次に、ステップS102に於いて、界磁巻線32への最新の供給電力量PFCSUMnを、次に示す式(2)により演算する。

PFCSUMn=PFCSUMo+PFCn[KWh]・・・・・・・・・式(2)

ここで、PFCSUMoは前回の制御周期で演算された供給電力量である。
次に、ステップS103に進み、第1の所定時間CNT1(例えば60[sec])毎の界磁巻線32への供給電力量PFCSUMnが界磁巻線32にダメージを与えない短時間定格電力量に相当する所定値PAを超過しているか否かを判定するための、第1のタイマーカウンタTM1をデクリメント(TM1=TM1−1)してタイマー値を更新する。
次に、ステップS104に於いて、前述の第1のタイマーカウンタTM1のカウンタ値が「0」に到達(TM1=0)したか否かを判定し、到達していない(N)のであれば、ステップS107に進み、到達(Y)した場合はステップS105に進む。ステップS105では、前述の第1のタイマーカウンタ値を初期値に設定(TM1=CNT1)し、ステップS106に於いて前回の制御周期で演算された供給電力量PFCSUMoを「0」にクリアして、次回の供給電力量判定に備える。
次にステップS107に於いて、界磁巻線32への最新の供給電力量PFCSUMnが前記所定値PAを超過していないか否かを判定し、超過していれば(Y)、ステップS108に進んで供給電力超過フラグFLAG1をセット(FLAG1=1)し、次にステップS109に於いて第2の所定時間CNT2(例えば、300[sec])の間、界磁電流を連続運転が許容される第1の所定値If1(例えば、4[A])に制限するための第2のタイマーカウンタTM2を初期値に設定(TM2=CNT2)し、ステップS110で界磁電流の制限値IfLmtを前記第1の所定値If1に設定(IfLmt=If1)して処理を終わる。
一方、ステップS107での判定の結果、界磁巻線32への最新の供給電力量PFCSUMnが前述の所定値PAを超過していなければ(N)、ステップS111に進んで界磁巻線32への供給電力超過フラグFLAG1がセット(FLAG1=1)されているか否かを判定し、セットされていれば(Y)、ステップS112に進んで界磁電流を連続運転が許容される前述の第1の所定値If1に制限するための第2のタイマーカウンタTM2をデクリメント(TM2=TM2−1)してタイマー値を更新する。
次にステップS113に於いて前述の第2のタイマーカウンタTM2のカウンタ値が「0」に到達(TM2=0)したか否かを判定し、到達していない(N)のであればステップS110に進んで界磁電流の制限値IfLmtを前記第1の所定値If1に設定(IfLmt=If1)して処理を終わる。ステップのS113での判定の結果、第2のタイマーカウンタTM2のカウンタ値が「0」に到達していれば(Y)、ステップS114に進んで界磁巻線32への供給電力超過フラグFLAG1をクリア(FLAG1=0)して、ステップS115に於いて界磁電流の制限値IfLmtを界磁巻線32にダメージを与えない短時間運転が許容される前記第2の所定値If2(例えば20[A])に設定(Iflmt=If2)して実質的な制限を解除して処理を終わる。ステップS111で界磁巻線32への供給電力超過フラグFLAG1がセット(FLAG1=1)されていなければ、ステップS115に進み、ステップS115での前述の処理を行って処理を終了する。
図5は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁電流設定処理を示す概略ブロック図である。図5に於いて、先ず、VCap低下判定ブロック101に於いて、キャパシタ電圧VCapが予め設定された所定電圧VCL(例えばバッテリの定格電圧+0.5[V])より低下しているか否を判定し、低下している場合は、スイッチSW1の端子S1が選択され、IfReg設定ブロック102に於いてバッテリ80の定格電圧(例えば14「V」)を目標電圧とし、この目標電圧とキャパシタ電圧VCapとの電圧偏差に基づいてF/B制御演算(例えばPI制御)により界磁電流調整値
IfRegが算出され、この電流値がIfOUTブロック110により電流要求値IfOutとして出力される。
前述のVCap低下判定ブロック101での判定の結果、キャパシタ電圧VCapが所定電圧VCLより大きければ、スイッチSW1の端子S2が選択され、停車判定ブロック103に於いて車速VSpが所定値VSp1より小さく停車状態か否かを判定し、停車状態であればスイッチSW2の端子S3が選択され、IfMin設定ブロック104で電動発電機30の電動機/発電機動作を停止するために設定された界磁電流最小値IfMin(=0[A])が界磁電流要求値IfOutとして出力される。
前述の停車判定ブロック103で実車速VSpが所定値VSp1より大きく走行状態であると判定されれば、スイッチSW2の端子S4が選択され、AP踏込み判定ブロック105でアクセル開度APが全閉値APFCLより大きいか否かを判定する。その判定の結果、アクセル開度APが全閉値APFCLより大きくアクセルペダルが踏み込み状態であれば、スイッチSW3の端子S5が選択される。そして、IfTast設定ブロック106に於いて実車速VSpの微分値から加速状態であると判定されれば、詳細は後述するが走行抵抗(勾配抵抗を除いた走行抵抗)相当のトルクアシスト量に当たるトルクアシスト界磁電流値IfTastを演算し、この電流値が界磁電流要求値IfOutとして出力される。
AP踏込み判定ブロック105によりアクセル開度APが全閉値APFCLと一致しアクセルペダルが全閉位置に戻されていると判定した場合は、スイッチSW3の端子S6が選択され、ブレーキ減速判定ブロック107でブレーキペダル踏み込みによる減速状態と判定されれば、スイッチSW4の端子S7が選択され、IfBon設定ブロック108でブレーキ減速時の回生発電量を出力させるための界磁電流値IfBonが設定され、この電流値が界磁電流要求値IfOutとして出力される。
ブレーキ減速判定ブロック107でブレーキペダル踏み込みによる減速状態ではないと判定されれば、スイッチSW4の端子S8が選択され、IfBof設定ブロック109で惰行減速時の回生発電量を出力させるための界磁電流値IfBofが設定され、この電流値が界磁電流要求値IfOutとして出力される。
図6は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける判定処理を示すフローチャートであり、所定の制御周期ts(例えば5[ms])で処理される。図6に於いて、ステップS201ではキャパシタ電圧VCapが予め設定された所定電圧VCL(例えば、バッテリの定格電圧+0.5[V])より低下したか否かを判定し、低下していれば(Y)、ステップS202に進む。
ステップS202では、バッテリ80の定格電圧(例えば14[V])を目標電圧とし、この目標電圧とキャパシタ電圧VCapとの電圧偏差に基づいてF/B制御演算(例えばPI制御)により界磁電流調整値IfRegを算出し、次にステップS203に於いて界磁電流要求値IfOutとして前記界磁電流調整値IfRegを設定(IfOut=IfReg)する。次にステップS204に進んで、通常発電量動作(界磁電流が連続運転が許容される前記第1の所定値If1に制限される)を行うため発電量フラグFCFCHGをリセット(FCFCHG=0)し、次に、発電動作のためステップS205に於いて
電動動作フラグFTASTをリセット(FTAST=0)し、処理を終わる。
前述のステップS201でキャパシタ電圧VCapが予め設定された所定電圧VCL(例えば、バッテリの定格電圧+0.5[V])より大きい(N)と判定された場合、ステップS206に進み、実車速VSpが予め設定された判定閾値VSp1より大きいか否かを判定し、大きい(Y)と判定したときはステップS207に進む。ステップS207では、アクセル開度APが全閉APFCLか否かを判定し、全閉である(Y)と判定すれば、ステップS208に進んでキャパシタ電圧VCapが予め設定された所定電圧VCH(例えば27[V])より小さいか否かを判定し、小さい(Y)と判定したときは、ステップS209に進む。
ステップS209では、減速エネルギーにより回生発電動作を行うため大きな発電量を設定するため発電量フラグFCFCHGをセット(FCFCHG=1)し、ステップS210に進んで運転者がブレーキ操作による減速をしているか否かをブレーキスイッチBrkSwの状態(操作しているときはBrkSw=1)で判定し、ブレーキ操作(BrkS
w=1)による減速状態(Y)であると判定したときは、ステップS211に進む。
ステップS211では、車両の減速エネルギーを最大効率で回収するためブレーキ減速時の界磁電流値IfBon(この実施の形態1では、前述の第2の所定値If2に設定)を界磁電流要求値IfOutとして設定(IfOut=IfBon)し、前述のステップS205での処理を行い処理を終わる。
一方、ステップS210に於いて惰行減速(BrkSw=0)と判定(N)されたときは、ステップS212に進んで惰行減速時の減速フィーリングを損ねないような予め設定された惰行減速時の界磁電流値IfBof(この実施の形態1では前述の第1の所定値If1に設定)を界磁電流要求値IfOutとして設定(IfOut=IfBof)し、前述のステップS205の処理を行い、処理を終わる。
前述のステップS206に於いて実車速VSpが予め設定された判定閾値VSp1より小さい(N)と判定されたときと、ステップS208に於いてキャパシタ電圧VCapが予め設定された所定電圧VCH(例えば27[V])より大きい(N)と判定されたときは、ステップS213に進んで前述のステップS204と同様に発電量フラグFCFCHGをリセット(FCFCHG=0)し、ステップS214で発電動作を停止するため界磁電流の最小値IfMin(この実施の形態1では[0]Aに設定)を界磁電流要求値IfOutに設定(IfOut=IfMin)して、前述のステップS205の処理を行い、処理を終わる。
前述のステップS207でアクセル開度APが全閉APFCLではない(N)と判定されたときは、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ状態であり、先ず、ステップS215で前述のステップS204と同様に発電量フラグFCFCHGをリセット(FCFCHG=0)し、次にステップS216に進んで車両加速度GCar(例えば、車速変化量演算値に基づいて算出した加速度)が予め設定された所定値GRef(例えば、0.05[G])より大きいか否かを判定する。
ステップS216に於いて車両加速度GCarが予め設定された所定値GRef大きい(Y)と判定したときは車両加速状態であり、ステップS217に進んで走行抵抗(例えば、勾配抵抗を除いた転がり抵抗と空気抵抗と加速抵抗の加算値で算出)に相当するトルクアシスト量(例えば、走行抵抗のクランク軸トルク換算値とクランク軸プーリと発電機プーリとのプーリ比から算出)と電動発電機30の回転速度(例えば、エンジン回転速度とクランク軸プーリと発電機プーリとのプーリ比から算出)よりアシスト電力を算出し、電動発電機30の効率(例えば0.7)をかけてアシスト要求電力として算出し、このアシスト要求電力を電動発電機30の電機子巻線に供給されているキャパシタ電圧VCapで除算して電動発電機30の電機子電流を算出し、予め設定された電動発電機30の電機子電圧-電機子電流-界磁電流特性マップから前記トルクアシスト量に相当する界磁電流値IfTastを算出する。
次に、ステップS218に進んで界磁電流要求値IfOutをステップS217で算出した界磁電流値IfTastに設定し(IfOut=IfTast)、ステップS219でエンジンの駆動力をアシストするため電動機として動作する電動動作フラグFTASTをセット(FTAST=1)して処理を終わる。
図7は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける降圧コンバータの駆動処理を示すフローチャートである。図7に於いて、ステップS301でエンジン制御ユニット10によりバッテリ80の電圧より高いキャパシタ60の電圧をバッテリ80の定格電圧(例えば14[V])に降圧するために、降圧コンバータ70の駆動要求デューティDCDCDTYをDCDCDTY=VB/VCap*100[%]として演算する。
次にステップS302に於いて、車両減速時の減速エネルギー回収のための発電動作か否かを発電量フラグFCFCHGにより判定し、減速回生発電動作(FCFCHG=1)と判定されたとき(Y)は、ステップS304で降圧コンバータ70の駆動要求デューティDCDCDTYに予め設定された所定係数KCHG(例えば0.5)を乗算して駆動出力デューティ値DCDTYOUTとして設定(DCDTYOUT=DCDCDTY*KCHG)し、処理を終わる。
これにより、減速時の回生発電量のバッテリ側への蓄電量を絞るようにしてキャパシタ側への蓄電速度を速くする。一方、ステップS302により回生発電動作でない(FCFCHG=0)と判定されたとき(N)は、ステップS303で駆動要求デューティDCDCDTYを降圧コンバータ70への駆動出力デューティ値DCDTYOUTとして設定(DCDTYOUT=DCDCDTY)し、処理を終わる。
図8は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於ける界磁電流の演算処理を示すフローチャートである。図8に於いて、ステップS401では界磁電流センサ40で検出した界磁電流のA/D変換値である実界磁電流IfRealを読み込み、ステップS402で界磁電流F/B制御用の界磁電流指令値IfTagtを、界磁電流要求値IfOutと界磁電流制限値IfLmtとのうち電流値の小さい方に設定(IfTagt=Min[IfOut,IfLmt])し、ステップS403に進む。
ステップS403では、界磁電流指令値IfTagtと実界磁電流IfRealとの電流偏差に基づいてF/B制御演算(例えばPI制御演算)により界磁駆動デューティ値FCDUTYを算出し、ステップS404に進んでPWM駆動タイマー(図示せず)に設定して処理を終わる。これによりPWM駆動タイマーの駆動出力がトランジスタ42の駆動信号として入力され、トランジスタ42をON/OFF駆動して界磁巻線32に流れる界磁電流値を制御する。
図9は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置に於けるインバータユニットへの駆動信号の処理を示すフローチャートである。図9に於いて、ステップS501に於いて、発電電動機30がエンジン駆動力をアシストする電動機として動作を行うか否かを電動動作フラグFTASTの状態により判定し、電動動作(フラグセット:FTAST=1)と判定(Y)したときは、ステップS503に進んで電動発電機30の回転子の回転信号33に基づいて制御回路11が各スイッチング素子53をON/OFF制御して処理を終わる。
これにより、キャパシタ60の直流電力をインバータユニット50により三相交流電力に変換して電動発電機30の電機子巻線31に供給し、回転子の界磁巻線32に回転界磁が与えられ、回転子が回転駆動される。そして、回転子の回転力が発電プーリ27及びベルト28を介してエンジン20のクランク軸プーリ26に伝達され、エンジン20が回転駆動(車両への回転駆動力のアシスト)が行われる。
ステップS501に於いて電動動作フラグFTASTがリセット(FTAST=0)されていると判定したとき(N)は、ステップS502に進み、電動発電機30を発電機として動作させるために、制御回路11が各スイッチング素子53をOFF駆動して処理を終わる。
このように、各スイッチング素子53をOFFとするオルタネータモード(昇圧せずに発電電圧を整流出力するモード)として電動発電機30に発電を行わせる。これにより、インバータモジュール51は直列接続された2つのダイオード54の組が並列に3組接続された三相全波整流回路となり、エンジン20により回転子が回転駆動され、電機子巻線31に誘起された三相交流電圧がインバータユニット50により直流に整流される。この整流された直流電力がキャパシタ60に蓄電される。
図10は、この発明の実施の形態1による車両用電動発電機の制御装置の動作を示すタイムチャートである。このチャートでは、キャパシタ電圧VCapは前述の所定値VCLより大きい状態である。時刻t0では実車速VSpが一定車速の走行状態で、界磁電流制限値IfLmtは前述の第2の所定値If2が設定されており、実界磁電流IfRealは界磁電流最小値IfMin(=0[A])に設定され、電動発電機30は停止状態であり、また、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMも「0」の状態である。
時刻t1でアクセルの踏込みにより車両が加速されると実車速VSpが増大し、電動発電機30がトルクアシストのため電動動作により、前述のトルクアシスト量に相当する界磁電流IfTastを目標電流値IfTagtとして実界磁電流IfRealがF/B制御され、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMが増大していく。
時刻t2でアクセルペダルは踏み込まれた状態で一定車速を維持する走行状態になると、前述のトルクアシストが停止され、実界磁電流IfRealが界磁電流最小値IfMin(=0[A])に設定されるため、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMの増加なく一定値を維持する。
時刻t3でアクセルペダルを戻しブレーキペダルを踏込んでブレーキ減速状態が始まると、ブレーキ減速時の回生発電量を最大限に出力するため、界磁巻線32に流れる実界磁電流値IfRealは界磁電流制限値IfLmt(=If2:第2の所定値)に制御され、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMが急増していく。時刻t3からt4の期間では、エンジン制御ユニット10によりエンジン20への燃料カットが作動し、燃料消費を伴わない発電量がキャパシタ60に蓄電される。
時刻t4では、時刻t0以降と同様の走行状態が行われる。その後、時刻t5でアクセルペダルを戻しブレーキペダルを踏込んだブレーキ減速状態が始まると、ブレーキ減速時の回生発電量を最大限に出力させるため、界磁巻線32に流れる実界磁電流値IfRealは界磁電流制限値IfLmt(=If2:第2の所定値)に制御され、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMが再び急増する。
界磁巻線32への供給電力量を監視するための前述の第1の所定時間CNT1が経過した時点の時刻t6で、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMが界磁巻線32にダメージを与えない電力量の前述の所定値PAを超過したため、前述の界磁電流の制限値IfLmtを前述の第1の所定値If1に設定して、界磁巻線32に流れる実界磁電流IfRealを制限して回生発電を継続すると共に、界磁巻線32への供給電力の積算値PFCSUMをリセット(=0)し、前述の第2の所定時間CNT2の間、界磁巻線32に流れる実界磁電流IfRealを前述の第1の所定値Tf1に制限し、第2の所定時間CNT2経過後に、界磁電流の制限値IfLmtを第2の所定値If2に設定して実質的な界磁電流の制限を解除して減速エネルギーによる回生発電の回収効率を最大限に設定する。
尚、図10に示すタイムチャートでは、ブレーキ減速時の回生発電量を出力するための界磁電流IfBon、及び加速時のトルクアシスト量に相当する界磁電流IfTastが常時界磁電流制御値IfLmtで制限されたチャートとなっているが、走行状態に応じて前述の界磁電流制御値(IfBon、IfTast)を前述の制限値IfLmt以下に設定しても同じ効果が得られる。
以上、詳細に説明したように、この発明による車両用電動発電機の制御装置は、以下の特徴を備えるものである。
(1)この発明による車両用電動発電機の制御装置は、エンジンの始動時及び車両加速時に駆動力を発生し、前記エンジンの駆動エネルギー及び車両の減速エネルギーにより駆動されて二次電池の定格電圧より高い電圧の電力を発生する電機子巻線が巻装された固定子と界磁巻線が巻装された回転子を有する電動発電機と、交流側が前記電動発電機の電機子巻線に接続され、直流側が降圧コンバータを介して前記二次電池に接続されたインバータユニットと、前記降圧コンバータと前記インバータユニットとの間に接続され、前記二次電池よりも定格充放電電力が大きくかつ蓄電容量が少ないキャパシタと、前記インバータユニットを制御すると共に前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御し、前記電動発電機を電動機若しくは発電機として動作させる制御回路とを備え、前記制御回路は、第1の所定時間毎の前記界磁巻線への供給電力量を算出し、前記界磁巻線への供給電力量が所定値を超過した場合は、第2の所定時間の間、前記界磁巻線に流す界磁電流値を第1の所定値に制限し、前記第2の所定時間経過後に前記界磁電流の制限値を前記第1の所定値より大きい第2の所定値に制限することを特徴とするものである。
この発明による車両用電動発電機の制御装置によれば、界磁巻線の発熱量を抑制し界磁巻線の焼損が防止できるとともに、車両減速エネルギーによる回生発電電力の回収効率が向上する効果が得られる。
(2)前記(1)に記載の車両用電動発電機の制御装置に於いて、前記電動発電機を車両減速時に回生発電するとき、前記車両の運転者のブレーキペダル操作によるブレーキ減速時に前記界磁巻線へ流す界磁電流値を前記第2の所定値に制限し、前記電機子巻線の発電電流値を大きくして前記インバータユニットを介して前記キャパシタに蓄電することを特徴とする。
この発明による車両用電動発電機の制御装置によれば、車両減速エネルギーによる回生発電電力の回収効率が向上する効果が得られる。
(3)前記(1)に記載の車両用電動発電機の制御装置に於いて、前記電動発電機を車両減速時に回生発電するとき、前記車両の運転者のブレーキペダル操作がない惰行減速時に前記界磁巻線へ流す界磁電流値を前記第1の所定値に制限し、前記車両の減速度を抑制するようにしたことを特徴とする。
この発明による車両用電動発電機の制御装置によれば、前記電動発電機を車両減速時に回生発電するとき、運転者のブレーキペダル操作がない惰行減速時に前記界磁巻線へ流す界磁電流値は、前記第1の所定値で制限し発電トルクを抑えて車両の減速度を抑制するようにしたため、惰行減速時の減速フィーリングを良好に維持することができる効果が得られる。
(4)前記(1)に記載の車両用電動発電機の制御装置に於いて、前記キャパシタの電圧値が前記二次電池の電圧値に所定値を加算した電圧値より低下したときは、前記キャパシタの電圧値が予め設定した目標電圧値になるようにフィードバック制御により算出された界磁電流値を、前記第1の所定値以下に制限して前記界磁巻線に流し、前記電機子巻線に発電された電力を前記インバータユニットを介して前記キャパシタ及び前記二次電池に蓄電するようにしたことを特徴とする。
この発明による車両用電動発電機の制御装置によれば、前記キャパシタおよび二次電池の充電不足状態を防止することができ、補機類への供給電力不足による動作不良を防止できる効果がある。
(5)前記(1)に記載の車両用電動発電機の制御装置に於いて、前記車両加速時には前記キャパシタに蓄電された電力を前記インバータユニットを介して前記電機子巻線に供給することにより、前記電動発電機を電動機として駆動力を発生させてエンジン駆動力をアシストするようにしたことを特徴とする。
この発明による車両用電動発電機の制御装置によれば、前記電動発電機を電動機として駆動力を発生させてエンジン駆動力をアシストするようにしたため、加速時の燃料消費量が低減し燃費改善が得られる効果がある。
(6)前記(1)乃至(3)のうち何れかに記載の車両用電動発電機の制御装置に於いて、前記降圧コンバータは、前記二次電池の電圧値と前記キャパシタの電圧値の関係に基づいて駆動DUTY演算値を算出し、前記電動発電機を前記車両減速時に回生発電するときは、前記算出した駆動DUTY演算値に所定係数を乗算して駆動DUTY出力値とし、前記キャパシタの蓄電速度を速くするようにしたことを特徴とする。
この発明による車両用電動発電機の制御装置によれば、前記キャパシタへの急速充電が可能となり前記電動電動機による車両加速時の駆動力アシストの頻度が増大し、加速時の燃料消費量が抑制され燃費改善が得られる効果がある。
10 エンジン制御ユニット 11 制御回路
13 界磁回路 20 エンジン
21 トランスミッション 22 デファレンシャルギア
23 ドライブシャフト 24 車輪
26 クランク軸プーリ 27 電動発電機プーリ
28 ベルト 30 電動発電機
31 電機子巻線 32 界磁巻線
50 インバータユニット 51 インバータモジュール
52 コンデンサ 53 スイッチング素子
54 ダイオード 60 キャパシタ
70 降圧コンバータ 80 二次電池(バッテリ)
81 電気負荷

Claims (6)

  1. エンジンの始動時及び車両加速時に駆動力を発生し、前記エンジンの駆動エネルギー及び車両の減速エネルギーにより駆動されて二次電池の定格電圧より高い電圧の電力を発生する電機子巻線が巻装された固定子と界磁巻線が巻装された回転子を有する電動発電機と、
    交流側が前記電動発電機の電機子巻線に接続され、直流側が降圧コンバータを介して前記二次電池に接続されたインバータユニットと、
    前記降圧コンバータと前記インバータユニットとの間に接続され、前記二次電池よりも定格充放電電力が大きくかつ蓄電容量が少ないキャパシタと、
    前記インバータユニットを制御すると共に前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御し、前記電動発電機を電動機若しくは発電機として動作させる制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、第1の所定時間毎の前記界磁巻線への供給電力量を算出し、前記界磁巻線への供給電力量が所定値を超過した場合は、第2の所定時間の間、前記界磁巻線に流す界磁電流値を第1の所定値に制限し、前記第2の所定時間経過後に前記界磁電流の制限値を前記第1の所定値より大きい第2の所定値に制限する、
    ことを特徴とする車両用電動発電機の制御装置。
  2. 前記電動発電機を車両減速時に回生発電するとき、前記車両の運転者のブレーキペダル操作によるブレーキ減速時に前記界磁巻線へ流す界磁電流値を前記第2の所定値に制限し、前記電機子巻線の発電電流値を大きくして前記インバータユニットを介して前記キャパシタに蓄電するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の車両用電動発電機の制御装置。
  3. 前記電動発電機を車両減速時に回生発電するとき、前記車両の運転者のブレーキペダル操作がない惰行減速時に前記界磁巻線へ流す界磁電流値を前記第1の所定値に制限し、前記車両の減速度を抑制するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の車両用電動発電機の制御装置。
  4. 前記キャパシタの電圧値が前記二次電池の電圧値に所定値を加算した電圧値より低下したときは、前記キャパシタの電圧値が予め設定した目標電圧値になるようにフィードバック制御により算出された界磁電流値を、前記第1の所定値以下に制限して前記界磁巻線に流し、前記電機子巻線に発電された電力を前記インバータユニットを介して前記キャパシタ及び前記二次電池に蓄電するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の車両用電動発電機の制御装置。
  5. 前記車両加速時には前記キャパシタに蓄電された電力を前記インバータユニットを介して前記電機子巻線に供給することにより、前記電動発電機を電動機として駆動力を発生させてエンジン駆動力をアシストするようにしたことを特徴とする請求項1に記載の車両用電動発電機の制御装置。
  6. 前記降圧コンバータは、前記二次電池の電圧値と前記キャパシタの電圧値の関係に基づいて駆動DUTY演算値を算出し、
    前記電動発電機を前記車両減速時に回生発電するときは、前記算出した駆動DUTY演算値に所定係数を乗算して駆動DUTY出力値とし、前記キャパシタの蓄電速度を速くするようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のうちの何れか一項に記載の車両用電動発電機の制御装置。
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