JP2012249381A - 車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、蓄電装置の寿命低下を抑えつつ発電機の発電電力を大きく変化できるようにして、車両の制動エネルギーの回生と車両の燃費向上とを実現できるとともに、界磁電流の制御を簡素化できる車両用電源システムを得る。
【解決手段】蓄電装置９は、定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータにより構成された電力変換回路に負荷側配線１３を介して接続され、制御回路１１が、負荷側の電力要求に対して、界磁通電回路をｏｎとして発電機２を発電状態とするとともに、発電機２の回転数ｎに応じて最大発電電力が得られる目標電圧を設定し、発電機側配線１２の電圧Ｖａが目標電圧となるように電力変換回路を駆動制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用電源システムに関し、特に界磁電流の制御を簡素化して、車両の制動エネルギーの回生と車両の燃費向上とを実現できる車両用電源システムに関するものである。

従来の車両用発電電動機システムでは、三相の電機子巻線を有する固定子、および複数の界磁磁極を磁化する界磁コイルを備えた回転子からなる回転電機と、回転電機が発電機として機能するときには整流手段として機能し、回転電機が電動機として機能するときにはインバータとして機能する電力変換器と、電力変換器を制御する制御手段と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１８７３４６号公報

従来の車両用発電電動機システムでは、回転電機が発電機として機能するときに、回転電機の発電電力が電力変換器により直流電力に変換されてバッテリに直接供給されるように構成されているので、回転電機の発電電力を大きく変化させると、バッテリの寿命を低下させることになる。その結果、回転電機の発電電力、すなわち発電電圧を高くする幅を大きくすることができず、バッテリの充電量を大きく増加できないという問題があった。
また、従来の車両用発電電動機システムでは、回転電機が発電機として機能するときに、発電電圧に応じて、スイッチング素子がｏｎ／ｏｆｆしてそのデユーティ比で界磁電流を制御しているので、制御手段による界磁電流の制御が煩雑となる。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、蓄電装置の寿命低下を抑えつつ発電機の発電電力を大きく変化できるようにして蓄電装置の充電量の増加を図り、車両の制動エネルギーの回生と車両の燃費向上とを実現できるとともに、界磁電流の制御を簡素化できる車両用電源システムを得ることを目的とする。

この発明による車両用電源システムは、界磁巻線を有し、エンジンにより駆動されて交流電力を発電する発電機と、上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、上記整流器の正極側出力端子に発電機側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値に変換して出力する電力変換回路と、上記電力変換回路に負荷側配線を介して接続された車載負荷と、上記電力変換回路に上記負荷側配線を介して接続され、上記車載負荷に電力を供給する蓄電装置と、上記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁通電回路と、上記電力変換回路および上記界磁通電回路を駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記蓄電装置および上記車載負荷に給電させる制御回路と、を備えている。そして、上記電力変換回路は、定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、上記制御回路は、負荷側の電力要求に対して、上記界磁通電回路をｏｎとして上記発電機を発電状態とするとともに、上記発電機の回転数に応じて最大発電電力が得られる目標電圧を設定し、上記発電機側配線の電圧が該目標電圧となるように上記電力変換回路を駆動制御するように構成されている。

この発明によれば、蓄電装置が電力変換回路を介して整流器の正極側出力端子に接続されているので、発電機の発電電力の変動が蓄電装置の寿命に影響しない。そこで、発電機の発電電力を大きく変化でき、車両の制動エネルギーを効率よく回収することができる。その結果、非減速時に発電機を発電させて蓄電装置を充電させる動作を少なくでき、非減速時のエンジンの負荷が軽減され、車両の燃費を向上できる。
また、電力変換回路が、定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、発電機の発電電圧が目標電圧となるように駆動制御されるので、界磁通電回路をｏｎ／ｏｆｆするデユーティ比で界磁電流を制御する必要がなく、界磁電流の制御が簡素化される。

この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムにおける電力変換装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いられる発電機の発電特性を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの概略構成図である。

以下、本発明の車両用電源システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムにおける電力変換装置の回路構成図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いられる発電機の発電特性を示す図である。

図１および図２において、車両用電源システムは、エンジン１の回転トルクにより駆動されて交流電力を発生する発電機２と、発電機２で発生された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器７と、整流器７の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する電力変換装置２０と、電力変換装置２０により変換された直流電力により充電され、車載負荷１０に電力を供給する蓄電装置９と、発電機２の回転数ｎ、発電機側配線１２の電圧Ｖａ、負荷側配線１３の電圧Ｖｂなどに基づいて電力変換装置２０の動作を制御する制御回路１１と、を備えている。発電機２の回転数ｎは、例えば回転センサ（図示せず）を発電機２に取り付け、回転子３のシャフトの回転数を検出することで得る。また、制御回路１１は、ＥＣＵ（electronic control unit）と別体に構成してもよいし、ＥＣＵに一体に組み込まれてもよい。

発電機２は、界磁巻線４を有するクローポール型回転子３と、３相の巻線をＹ結線して構成された３相交流巻線６を有する固定子５と、整流器７と、を備えたランデル型車両用交流発電機である。発電機２は、図示していないが、回転子３の回転軸に固着されたプーリがエンジン１のクランクシャフトに固着されたプーリにベルトを介して連結され、エンジン１の回転トルクにより駆動される。
整流器７は、２つのダイオード８を直列に接続してなるダイオード対を並列に３つ接続したダイオードブリッジ回路からなる三相全波整流回路に構成される。

蓄電装置９は、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池などの二次電池であり、例えば１４Ｖ（定格電圧）の低電圧系の車載電源を構成する。そして、蓄電装置９は、電力変換装置２０の出力端子２０ｂに接続された負荷側配線１３に接続されている。また、蓄電装置９は、電力変換装置２０および発電機側配線１２を介して整流器７の正極側出力端子７ａに接続されている。車載負荷１０は、車両に搭載される空調装置やオーディオ装置等の電気機器であり、負荷側配線１３に接続され、蓄電装置９により駆動される。

電力変換装置２０では、入力端子２０ａが発電機側配線１２を介して整流器７の正極側出力端子７ａに接続され、出力端子２０ｂが負荷側配線１３を介して蓄電装置９に接続され、出力端子２０ｃが配線１４を介して回転子３の界磁巻線４に接続されている。電力変換装置２０は、入力端子２０ａから入力される発電機２の発電電圧を異なる電圧値に変換して出力端子２０ｂから出力する電圧変換回路２０Ｘと、界磁巻線４への通電を制御する界磁通電回路２０Ｙと、を備えている。

電圧変換回路２０Ｘには、入力端子２０ａの電圧を目標電圧に保つようにフィードバック制御される定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。このＤＣ／ＤＣコンバータは、例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、環流ダイオード、インダクターＬ、およびコンデンサＣ１，Ｃ２で構成された、一般的な昇降圧チョッパ回路である。界磁通電回路２０Ｙは、界磁巻線４への通電をｏｎ／ｏｆｆできればよく、例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ５を出力端子２０ｂと出力端子２０ｃとを接続する配線１５に介装して構成される。これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ５の動作は、発電機２の回転数ｎ、発電機側配線１２の電圧Ｖａ、負荷側配線１３の電圧Ｖｂなどに基づいて制御回路１１により制御される。

つぎに、発電機２の動作について説明する。
界磁電流が回転子３の界磁巻線４に供給され、磁束が発生される。これにより、Ｎ極とＳ極とが、回転子３の外周部に、周方向に交互に形成される。そして、エンジン１の回転トルクが回転子３の回転軸に伝達され、回転子３が回転駆動される。そこで、回転磁界が固定子５の３相交流巻線６に与えられ、起電力が３相交流巻線６に誘起される。この交流の起電力により発生する交流電流が、整流器７により整流されて出力される。

ここで、界磁巻線４に供給される界磁電流が一定であると、発電機２の発電電力は回転子３の回転速度の上昇とともに上昇する。この発電電力の上昇により、３相交流巻線６に流れる電流が増大し、３相交流巻線６での発熱が増大する。また、界磁巻線４には、界磁通電回路２０Ｙにより界磁通電回路をｏｎにすることで、蓄電装置９の電圧が印加され、当該電圧と界磁巻線４の抵抗値とから決まる直流電流（界磁電流）が通電される。
３相交流巻線６での発熱量は、３相交流巻線６を流れる電流値に依存することから、３相交流巻線６での発電量を抑えて大きな電力を得るには、出力電流をそのままとし、発電電圧を大きくすることが望ましい。また、発電電圧を大きくして出力電流を小さくすることで、３相交流巻線６での銅損、および整流器７での整流子損を小さくすることができ、全体の損失を小さくして発電効率を向上でき、大きな電力を得ることができる。

ここで、界磁巻線４に通電する界磁電流を一定として、発電機２の回転数（回転子３の回転数）を変えて、発電電圧を所定の電圧（６Ｖ〜２９Ｖ）に設定したときの発電電力を測定した結果を図３に示す。なお、図３中、縦軸は発電電力、横軸は発電機の回転数である。また、発電電圧は整流器７の正極側出力端子７ａにおける出力電圧である。

図３から分かるように、発電電圧が高電圧になるほど、高回転域での発電電力が大きくなる。また、発電電圧が低電圧、例えば６Ｖになると、従来発電できなかった低回転域でも発電できることが分る。
この図３に示される発電電圧、発電電力、および回転数のマップはメモリー（図示せず）に格納される。そして、制御回路１１は、メモリーに格納されているマップを参照して電圧変換回路２０Ｘのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作を制御する。

つぎに、車両用電源システムの動作について説明する。
制御回路１１は、負荷側配線１３の電圧Ｖｂをモニターし、電圧Ｖｂから蓄電装置９の充電の要否を判断する。そして、電圧Ｖｂが低下し、蓄電装置９の充電が必要と判断すると、制御回路１１は、発電機２の回転数ｎを取り込み、メモリーに格納されているマップに基づいて、発電電力が最大となる発電電圧を目標電圧として設定する。ついで、制御回路１１は、界磁通電回路２０Ｙのスイッチング素子Ｑ５をｏｎとして界磁巻線４に界磁電流を給電し、発電機２による発電を開始する。同時に、制御回路１１は、発電機側配線１２の電圧Ｖａが設定された目標電圧となるようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をｏｎ／ｏｆｆする、つまり電圧変換回路２０Ｘをフィードバック制御する。そして、蓄電装置９が十分に充電されると、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ５をｏｆｆとし、発電機２による発電を終了する。

ここで、発電機２、整流器７および電圧変換回路２０Ｘが発電機側配線１２に接続されている。電圧変換回路２０Ｘは、入力端子２０ａの電圧を目標電圧に保つことができる定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータである。（入力電圧の変化）／（入力電流の変換）をＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスと考えると、この電圧変換回路２０Ｘは、電流に拘らず入力インピーダンスを一定に保とうとするので、低インピーダンスのＤＣ／ＤＣコンバータとみなされる。つまり、発電機２および整流器７の内部インピーダンスは電圧変換回路２０Ｘより十分に高い。そこで、発電機側配線１２の電圧Ｖａ、すなわち発電機２の発電電圧は、最も入力インピーダンスの低い電圧変換回路２０Ｘの制御のみによって所定の値に設定することができる。すなわち、制御回路１１により電圧変換回路２０Ｘを制御することにより、発電機側配線１２の電圧Ｖａを目標電圧に保つことができる。

この実施の形態１によれば、蓄電装置９が発電機２の出力電流を整流する整流器７の正極側出力端子７ａに電圧変換回路２０Ｘを介して接続されているので、発電機２の発電電力を大きく変化させても、蓄電装置９の寿命を低下させることがない。そこで、発電機２の回転数が大きい場合には、発電機２の発電電圧を高くして発電電力を大きくできるので、蓄電装置９の充電時間を短縮できるとともに、充電量を大きく増加することができる。また、発電機２の回転数が小さい場合には、発電機２の発電電圧を低くして発電させ、蓄電装置９を充電できる。このように、車両の制動エネルギーを効率よく回収することができる。その結果、非減速時に発電機２を発電させて蓄電装置９を充電させる動作を少なくでき、非減速時のエンジン１の負荷が軽減され、車両の燃費を向上できる。

また、制御回路１１が発電機２の発電電圧が設定された目標電圧となるように電圧変換回路２０Ｘをフィードバック制御しているので、スイッチング素子Ｑ５をｏｎ／ｏｆｆするデユーティ比で界磁電流を制御する必要がない。すなわち、発電機２の発電動作中、界磁通電回路２０Ｙのスイッチング素子Ｑ５をｏｎ状態とすればよく、界磁電流の制御が簡素化され、制御回路１１の構成が簡素化される。

また、蓄電装置９の電力が界磁通電回路２０Ｙを介して界磁巻線４に供給されるので、発電機２の発電電圧（目標電圧）の変更の影響を受けることなく界磁巻線４に電力を供給できる。
また、界磁通電回路２０Ｙが電圧変換回路２０Ｘとともに電力変換装置２０に組み込まれているので、発電機２の発電電力量の制御が電力変換装置２０に一元化できる。さらに、電圧変換回路２０Ｘおよび界磁通電回路２０Ｙが発電機２に内蔵されていないので、発電機２内の整流器７の設置スペースが増大し、整流器７の冷却部を大きくでき、整流器７の冷却性が向上される。

なお、上記実施の形態１では、蓄電装置９への充電要求に対して、発電機２の回転数に基づいて発電機２の発電電圧の目標電圧を設定するものとしているが、負荷側の電力要求は、蓄電装置９への充電要求に限定されず、車載負荷１０に給電する負荷電力要求でもよい。
また、上記実施の形態１では、回転センサを発電機２に取り付けて回転子３の回転数ｎを直接検出するものとしているが、回転子３の回転数はエンジン１の回転数とプーリ比（動力伝達比）とから算出してもよい。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの概略構成図である。

図４において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１と補助蓄電装置２２が正極側出力端子７ａと電圧変換装置２０の入力端子２０ａとを接続する発電機側配線１２とアースとの間に直列に接続されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、電力変換装置２０とともに、制御回路１１により制御され、発電機側配線１２の電圧を異なる電圧値に変換して出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、補助蓄電装置２２に流す電流を所定の目標電流に保つ定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、補助蓄電装置２２に対して充電と放電の両方の動作を行う必要があるので、入出力方向を逆にし得る双方向のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。このような双方向の定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータとしては、補助蓄電装置２２の電流を目標電流に保つようにフィードバック制御される昇降圧チョッパ回路などが用いられる。補助蓄電装置２２は、蓄電装置９より放電特性がよいものであり、例えば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタが用いられる。
なお、実施の形態２による車両用電源システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１および補助蓄電装置２２を備えている点を除いて、実施の形態１による車両用電源システムと同様に構成されている。

このように構成された車両用電源システムでは、制御回路１１が、車両の減速時に、発電機２の発電電力を大きくして、電圧変換回路２０Ｘを介して蓄電装置９に充電させるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して補助蓄電装置２２に蓄電させる。これにより、蓄電装置９が十分に充電されているときや発電機２の発電量を大きくし過ぎたときに、発電機２の発電電力を補助蓄電装置２２に蓄電させておくことができる。そこで、車両の非減速時（加速、巡行時）に、補助蓄電装置２２に蓄電された電力を放電することで、非減速時の発電機２の発電を停止させる時間を長くすることができるので、非減速時のエンジン１の負荷が軽減され、車両の燃費をさらに向上できる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、電圧に拘らず入力電流を一定に保とうと作用するので、高い入力インピーダンスのＤＣ／ＤＣコンバータとみなすことができる。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、発電機側配線１２の電圧Ｖａを目標電圧に保とうとする電圧変換回路２０Ｘの動作に影響を及ぼさない。
また、制御回路１１は、補助蓄電装置２２の端子電圧Ｖｃをモニターし、補助蓄電装置２２が過充電とならないようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１の動作を制御している。

なお、上記各実施の形態では、発電機として車両用交流発電機を用いるものとしているが、発電機は、車両用交流発電機に限定されず、車両用発電電動機を用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、整流器がダイオードブリッジを用いた三相全波整流回路に構成されているものとしているが、整流器は、同期整流を行うＭＯＳＦＥＴや寄生ダイオードで整流を行うＭＯＳＦＥＴなどの多相インバータで構成してもよい。
また、上記各実施の形態では、整流器が発電機に内蔵されているものとしているが、整流器は発電機と別体に構成されてもよい。

また、上記各実施の形態では、発電機の固定子の固定子巻線は３相交流巻線に構成されているものとしているが、固定子巻線は３相交流巻線に限定されるものでなく、３相交流巻線を多重化したものや、多相交流巻線（例えば、５相、７相）でもよい。その場合、整流器は、相数に応じた全波整流回路で、交流電力を直流に整流する。
また、上記各実施の形態では、３相交流巻線が３相の巻線をＹ結線して構成されているものとしているが、３相交流巻線は３相の巻線をΔ結線して構成されてもよい。

また、上記各実施の形態では、発電機の回転子として、界磁手段としての界磁巻線のみを有するクローポール型回転子を用いるものとしているが、回転子は、界磁巻線に加えて、界磁手段としての永久磁石を有するクローポール型回転子を用いてもよい。この場合、界磁巻線に通電せず、発電機の回転数に応じて最大発電電力となる発電電圧の目標電圧を設定して永久磁石の回転子磁束のみで発電させることで、高効率で発電できる。さらに、界磁巻線に通電すれば、界磁手段として界磁巻線と永久磁石が併用され、界磁手段が界磁巻線のみ場合に比べ、発電量を増やすことができる。

１ エンジン、２ 発電機、４ 界磁巻線、７ 整流器、７ａ 正極側出力端子、９ 蓄電装置、１０ 車載負荷、１１ 制御回路、１２ 発電機側配線、１３ 負荷側配線、２０Ｘ 電力変換回路、２０Ｙ 界磁通電回路、２１ 双方向の定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータ、２２ 補助蓄電装置。

Claims (5)

1. 界磁巻線を有し、エンジンにより駆動されて交流電力を発電する発電機と、
   上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、
   上記整流器の正極側出力端子に発電機側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値に変換して出力する電力変換回路と、
   上記電力変換回路に負荷側配線を介して接続された車載負荷と、
   上記電力変換回路に上記負荷側配線を介して接続され、上記車載負荷に電力を供給する蓄電装置と、
   上記界磁巻線に界磁電流を供給する界磁通電回路と、
   上記電力変換回路および上記界磁通電回路を駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記蓄電装置および上記車載負荷に給電させる制御回路と、を備え、
   上記電力変換回路は、定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、
   上記制御回路は、負荷側の電力要求に対して、上記界磁通電回路をｏｎとして上記発電機を発電状態とするとともに、上記発電機の回転数に応じて最大発電電力が得られる目標電圧を設定し、上記発電機側配線の電圧が該目標電圧となるように上記電力変換回路を駆動制御するように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
2. 上記界磁通電回路は、上記蓄電装置の電力を上記界磁巻線に給電するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用電源システム。
3. 上記電力変換回路および上記界磁通電回路は、上記発電機の外部に設置されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用電源システム。
4. 上記発電機側配線に接続された双方向の定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記双方向の定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記発電機側配線に接続された補助蓄電装置と、を備え、
   上記制御回路は、上記双方向の定電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記補助蓄電装置に蓄電させるとともに、該補助蓄電装置に蓄電された電力を放電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乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
5. 上記発電機は、上記界磁巻線に加えて、永久磁石を界磁手段として備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の車両用電源システム。

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