JP2012224187A - ハイブリッド式発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド式発電機においてバッテリを有効使用して運転音の抑制と燃費向上とを図る。
【解決手段】負荷検出部９０によって負荷が検出され、バッテリ残量検出部９１で検出されたバッテリ残量がエンジン始動閾値以上であると判断した時は、エンジン２を停止させたまま、バッテリ４からだけ電力を出力させる。負荷検出後、バッテリ残量がエンジン始動閾値未満であると判断された時に、エンジン２を始動してバッテリ４およびエンジン発電機３の双方から電力を出力させる。負荷検出後、バッテリ残量がエンジン始動閾値より低い放電停止閾値未満になった時はバッテリ４からの出力を停止してエンジン発電機３だけから出力させる。バッテリ４とエンジン発電機３の出力配分は、バッテリ残量の低下に伴ってエンジン発電機３の出力比率を大きくするバッテリ残量／出力比率マップに従う。
【選択図】図４

Description

本発明は、バッテリおよびエンジンで駆動される発電機を併せ持つハイブリッド式発電機に関するものであり、特に、バッテリからの電力を有効に使用するのに好適なハイブリッド式発電機に関する。

バッテリおよびエンジンで駆動される発電機の両方から電力を出力することができるハイブリッド式発電機が知られている。例えば、特許文献１には、発電体と蓄電装置の両方から同時に電力供給可能な制御と、発電体および蓄電装置のいずれか一方から電力供給可能な制御とを切り替えることができるインバータ式ハイブリッドエンジン携帯発電機が提案されている。また、特許文献２には、アクセル開度変化頻度とブレーキ操作頻度に基づいて市街地を走行中か郊外を走行中かを判断し、その判断に従ってバッテリおよびエンジン発電機のいずれかから電力を得るようにしたハイブリッドエンジン車両が提案されている。

特許第３９４１９２７号公報 特開平９―２００９０６号公報

従来、エンジンで駆動される発電機においては負荷出力が増大するとエンジン回転数を上昇させて出力を増大させるようにしている。ハイブリッド式発電機においても、負荷出力に応じてエンジン回転数を上昇させるようにしているので、負荷増大時にエンジン回転数の上昇に伴って発生するエンジン音の大きさや燃費の低下が改善すべき課題となっていた。

本発明の目的は、上記課題に対して、負荷増大時のエンジン音の低減や燃費の向上を図ることができるハイブリッド式発電機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、バッテリからの電力とエンジンで駆動されるエンジン発電機からの電力とを出力させることができるハイブリッド式発電機において、ハイブリッド発電機に接続された負荷の有無を検出する負荷検出手段と、バッテリ残量検出手段と、前記負荷検出手段によって負荷が検出された時に、前記バッテリ残量検出手段で検出されたバッテリ残量が予め定めたエンジン始動閾値以上であると判断した時に前記エンジンを停止させて前記バッテリからだけ電力を出力させる制御手段とを備えている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記制御手段が、前記負荷検出手段による負荷検出後、前記バッテリ残量検出手段によって検出されたバッテリ残量が前記エンジン始動閾値未満であると判断された時に、前記エンジンを始動してバッテリおよびエンジン発電機の双方から電力を出力させるように構成されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記制御手段が、前記負荷検出手段による負荷検出後、前記バッテリ残量検出手段によって検出されたバッテリ残量が前記エンジン始動閾値より低い値である放電停止閾値未満になった時に、前記バッテリからの電力の出力を停止して、エンジン発電機だけから電力を出力させるように構成されている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記制御手段が、バッテリ残量の低下に伴ってエンジン発電機の出力に対するバッテリからの出力の比率を小さくしていくように設定したバッテリ残量／出力比率マップを備え、前記負荷検出後、バッテリ残量が前記エンジン始動閾値未満になった後は、前記バッテリ残量／出力比率に従い、バッテリからの出力を低減させる一方、前記エンジン発電機からの出力を増大させるように構成されている点に第４の特徴がある。

上記第１〜第４の特徴を有する本発明によれば、バッテリ残量が十分である間は、エンジンを始動させず、バッテリからの出力だけで負荷に対して電力を供給し、バッテリ残量が不十分になってきた時点でエンジンを始動させてエンジン発電機からも電力を負荷に供給する。また、エンジンを始動した後も、バッテリ残量が極端に低下するまではバッテリおよびエンジン発電機の双方から電力を供給する。したがって、バッテリ残量が極端に低下するまではエンジン発電機の出力を小さくできるので、エンジン回転数を低めに抑制して運転音を低下させることができるとともに燃費を改善することもできる。

特に第４の特徴によれば、予め設定した出力配分に従って、エンジン発電機とバッテリとの出力を制御できるので、制御を複雑にすることが避けられる。

本発明の一実施形態に係る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。 電力変換部の回路例である。 絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。 エンジン発電機とバッテリの出力配分制御に係るフローチャートである。 バッテリ出力とバッテリ残量との関係を示す図である。 負荷出力、バッテリ残量、およびエンジン回転数の関係を示すタイミングチャートである。

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ハイブリッド式発電機のシステム構成図である。図１において、ハイブリッド式発電機１は、発電体としてエンジン２で駆動される発電機３およびバッテリ４と、バッテリ４からの電力でエンジン２を始動させるスタータ５とを備える。発電機３は、例えば３相の多極磁石発電機である。発電機３の出力側は、電力変換部６に接続される。電力変換部６は、発電機３の発電出力を整流して所定電圧に降圧し、さらに所定周波数（例えば商用周波数）の交流に変換した後、フィルタ処理して出力端子であるコンセント７に接続する。バッテリ４は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８を介して電力変換部６に接続され、発電機３からの電力とバッテリ４からの電力とが合算されてコンセント７に供給される。

コントロールユニット（制御部）９は、負荷検出部９０、バッテリ残量検出部９１、電力配分決定部９２、エンジン始動部９３、エンジン制御部９４、およびバッテリ制御部９５を備えている。制御部９の各機能を実現するためのマイクロコンピュータを備える。

負荷検出部９０は、電力変換部６の出力側の電流によりハイブリッド式発電機１に負荷が接続されたことを検出する。バッテリ残量検出部９１は、バッテリ４の閉路電圧によりバッテリ４の残量を検出する。エンジン始動部９３は負荷の有無とバッテリ残量とに基づいてエンジン２を始動させる指示をスタータ５に入力する。エンジン制御部９４は、エンジン２のスロットル開度を調整してエンジン回転数を目標回転数に収斂させるガバナ機能を有する。

バッテリ制御部９５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８にバッテリ出力指示を供給することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ８はバッテリ出力指示に応じてバッテリ４からの入力を制御し、バッテリ４に蓄えられている電力を電力変換部６へ供給する。電力配分決定部９２は、負荷の有無やバッテリ残量等を考慮して発電機３からの出力およびバッテリ４からの出力の配分を決定し、その配分に従って、エンジン制御部９４およびバッテリ制御部９５に出力指示をする。

図２は、ハイブリッド式発電機の電力変換部の具体的な構成を示す回路図である。電力変換部６は、整流部６１、直流部６２、インバータ部６３、および波形成形回路６４からなる。整流部６１は、スイッチング素子（以下、「ＦＥＴ」として説明する）Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄ、Ｑｅ、およびＱｆからなるブリッジ整流回路であり、各ＦＥＴは寄生ダイオードを有している。発電機３の３相巻線３ＵはＦＥＴＱａとＦＥＴＱｄとの結合部に、３相巻線３ＶはＦＥＴＱｂとＦＥＴＱｅとの結合部に、３相巻線３ＷはＦＥＴＱｃとＦＥＴＱｆとの結合部にそれぞれ接続される。３相巻線３Ｕ、３Ｖ、および３Ｗの発生電圧は、整流部６１の寄生ダイオードを通って整流され、直流部６２に印加される。

直流部６２は電圧変換回路（降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ）であり、整流部６１の出力ラインに直列に接続されるスイッチング素子（ＦＥＴ）Ｑ５およびチョークコイルＬ３と、整流部６１の出力ラインに並列に接続される入力側コンデンサＣ１、出力側コンデンサＣ２およびダイオードＤ７から構成される。インバータ部６３は、４つのＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３およびＱ４をブリッジ接続してなる。波形成形回路６４はコイルＬ１、Ｌ２とコンデンサＣ３とからなる。

直流部６２のＦＥＴＱ５とインバータ部６３のＦＥＴＱ１〜Ｑ４はドライバ回路（制御部９に含めることができる）によってＰＷＭ制御される。降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータからなる直流部６２は入力される直流電圧を降圧する。インバータ部６３は、入力電圧を所定周波数の交流電圧に変換して波形成形回路６４に入力する。波形成形回路６４の出力側は、発電機出力を外部に取り出すためのコンセント７に接続される。コンセント７には負荷１６が接続される。

バッテリ４は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８の入力側に接続され、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力側は直流部６２の入力側に接続される。バッテリ４の出力電力は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８で昇圧されて直流部６２に入力される。

図３は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８の構成例を示す回路図である。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８は、トランス１０、低圧側スイッチング部１１、高圧側スイッチング部１２、および共振回路１３を備える。

トランス１０は、一次側の低圧側巻線１０−１と二次側の高圧側巻線１０−２とからなる。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８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９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。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８の動作時、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８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。

発電機３の始動時には、バッテリ４からの電圧でスタータ５を駆動し、スタータ５が接続されているエンジン２が始動される。

エンジン２が駆動されて発電機３が発電を開始すると、制御部９の動作によって整流部６１および／またはＤＣ−ＤＣコンバータ８から直流部６２に電圧が印加される。直流部６２は、ＦＥＴＱ１がオンされている時間は、整流部６１および／または絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８から入力される電圧によってチョークコイルＬ３およびコンデンサＣ２に電荷（エネルギ）が蓄積される。そして、ＦＥＴＱ１がオフになったときに蓄積されたエネルギによってダイオードＤ７およびチョークコイルＬ３を通じて電流が流れる。直流部６２の出力電圧は、ＦＥＴＱ１のデューティ比に応じて降圧される。

図４は制御部９の要部動作を示すフローチャートであり、図５はバッテリ４の残量とエンジン発電機３の出力に対するバッテリ４の出力の比率を示す図（バッテリ残量／出力比率マップ）である。このマップは前記電力配分決定部９２内に設けることができる。図５において、エンジン始動閾値としてバッテリ４の残量５５％を、放電停止閾値としてバッテリ４の残量２５％を、それぞれ予め設定している。つまり、バッテリ４の残量が十分である場合はバッテリ４から単独で電力を出力するが、残量が５５％未満になると発電機３からの出力を開始し、発電機３からの出力割合を増大させる一方、バッテリ４からの出力割合を低減していく。そして、バッテリ４の残量が２５％未満になるとバッテリ４からの出力は停止し、発電機３から単独で電力を出力する。

このバッテリ残量／出力比率マップに従った電力配分決定部９２の動作を図４に関して説明する。ステップＳ１では、負荷検出部９０によりハイブリッド式発電機１に負荷１６が接続されているか否かを判断する。負荷１６が接続されていればステップＳ２に進み、バッテリ残量検出部９１で検出されるバッテリ４の残量が十分であるか否かを判断する。バッテリ残量が十分であるか否かは、例えば、バッテリ４の閉路電圧が満充電時の電圧の２５％以上（つまり放電停止閾値以上）であるか否かによって判断する。バッテリ４の残量が十分であると判断されれば、ステップＳ３に進み、バッテリ４の残量が５５％未満（つまりエンジン始動閾値未満）であるか否かを判断する。

バッテリ４の残量がエンジン始動閾値未満でない場合は、ステップＳ４に進んでバッテリ４からの電力を電力変換部６に出力する。具体的には、バッテリ制御部９５からＤＣ−ＤＣコンバータ８にバッテリ出力指示を入力してバッテリ４からの電力を直流部６２に入力する。

一方、バッテリ４の残量がエンジン始動閾値未満であった場合は、ステップＳ３からステップＳ５に進み、エンジン始動部９３からスタータ５に指示をしてエンジン２を始動させて発電機３からの出力を開始するとともに、バッテリ制御部９５でバッテリ４からの出力を低減させる。具体的にはバッテリ制御部９５によってＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力を徐々に低減させる一方、エンジン制御部９４でエンジン回転数の目標値を上げて発電機３からの出力を徐々に増大していく。これによって、発電機３からの出力割合が徐々に増大させられる。なお、バッテリ４からの出力と発電機３からの出力との比率は図６に関して後述する。

また、ステップＳ２でバッテリ４の残量が十分でない（つまり放電停止閾値未満である）と判断された場合は、ステップＳ２からステップＳ６に進んでエンジン始動部９３からスタータ５に指示をしてエンジン２を始動させて発電機３からの出力を開始する。ステップＳ６に移行した場合は、バッテリ４からは出力されない。

図６はハイブリッド式発電機１の負荷出力、バッテリ残量、およびエンジン回転数の関係を示すタイミングチャートである。図６において、バッテリ残量がエンジン始動閾値以上である間（タイミングｔ０〜ｔ１）は負荷の大きさに応じた負荷出力はすべてバッテリ４からの出力によって負担される。そして、バッテリ残量がエンジン始動閾値未満になると（タイミングｔ１）、エンジン２が始動されて発電機３からの出力が開始される。タイミングｔ１からはバッテリ４からの出力に対する発電機３の出力比率を高めていく。発電機３の出力比率は徐々に高めていくため、エンジン回転数を徐々に上げていく。

バッテリ残量が放電停止閾値未満となるタイミングｔ２で、バッテリ４からの出力比率はゼロになり、エンジン２が最高回転数で回転してすべての負荷を発電機３の出力で負担するようになる。

上述の実施形態によれば、バッテリ残量が十分である間は、エンジン２を始動させず、バッテリ４からの出力だけで負荷に対して電力を供給し、バッテリ残量が不十分になってきた時点でエンジン２を始動させてエンジン発電機３からも電力を負荷に供給する。また、エンジン２の始動後も、バッテリ残量が極端に低下するまではバッテリ２およびエンジン発電機３の双方から電力を供給する。したがって、バッテリ残量が極端に低下するまではエンジン発電機３の出力を小さくできるので、エンジン回転数も低めに抑制できる。特に、ハイブリッド式エンジン発電機においては、車両用のハイブリッド式駆動源と異なり、負荷が比較的安定しており、最大出力の予想が付きやすいので、エンジン始動閾値および放電停止閾値を予め設定して、エンジン発電機とバッテリとの配分を予め決定しておく機能は効果的に作用する。

なお、本発明を実施形態に従って説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、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。例えば、エンジンの始動手段はスタータ５で行うものに限らない。つまり、発電機３を、スタータモータを兼用するスタータジェネレータとして構成し、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力側が接続された整流部６１のＦＥＴＱａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄ、Ｑｅ、およびＱｆをスイッチングしてバッテリ４からの電力を発電機３の３相巻線３Ｕ、３Ｖ、および３Ｗに順次供給してエンジンを始動させるように変形することができる。また、エンジン始動閾値や放電停止閾値は実施形態に示した値に限定されず、任意に選択することができる。

１…インバータ式発電機、 ２…エンジン、 ３…エンジン発電機、 ４…バッテリ、 ５…ステータ、 ６…電力変換部、 ７…コンセント、 ８…ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ９…コントローラユニット（制御部）、 ６１…整流部、 ６２…直流部、 ６３…インバータ部、 ９０…負荷検出部、 ９１…バッテリ残量検出部、 ９２…電力配分決定部、 ９３…エンジン始動部、 ９４…エンジン制御部、 ９５…バッテリ制御部

Claims (4)

1. バッテリからの電力とエンジンで駆動されるエンジン発電機からの電力とを出力させることができるハイブリッド式発電機において、
   ハイブリッド発電機に接続された負荷の有無を検出する負荷検出手段と、
   バッテリ残量検出手段と、
   前記負荷検出手段によって負荷が検出された時に、前記バッテリ残量検出手段で検出されたバッテリ残量が予め定めたエンジン始動閾値以上であると判断した時に前記エンジンを停止させて前記バッテリからだけ電力を出力させる制御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電機。
2. 前記制御手段が、
   前記負荷検出手段による負荷検出後、前記バッテリ残量検出手段によって検出されたバッテリ残量が前記エンジン始動閾値未満であると判断された時に、前記エンジンを始動してバッテリおよびエンジン発電機の双方から電力を出力させ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電機。
3. 前記制御手段が、
   前記負荷検出手段による負荷検出後、前記バッテリ残量検出手段によって検出されたバッテリ残量が前記エンジン始動閾値より低い値である放電停止閾値未満になった時に、前記バッテリからの電力の出力を停止して、エンジン発電機だけから電力を出力させるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド式発電機。
4. 前記制御手段が、
   バッテリ残量の低下に伴ってエンジン発電機の出力に対するバッテリからの出力の比率を小さくしていくように設定したバッテリ残量／出力比率マップを備え、
   前記負荷検出後、バッテリ残量が前記エンジン始動閾値未満になった後は、前記バッテリ残量／出力比率に従い、バッテリからの出力を低減させる一方、前記エンジン発電機からの出力を増大させるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド式発電機。