JP2013219965A

JP2013219965A - 車両用交流発電機の制御装置

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Publication number: JP2013219965A
Application number: JP2012089948A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Komurasaki; 啓一小紫; Katsuyuki Sumimoto; 勝之住本; Junya Sasaki; 潤也佐々木; Kazunori Tanaka; 和徳田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: US9621089B2; JP5452654B2; US20130271093A1

Abstract

【課題】発電機サイズを大きくすることなく、大きな回生エネルギーを得ることのできる車両用交流発電機の制御装置を得る。
【解決手段】交流出力電流を整流して車載バッテリ６および車両の電気負荷に給電する車両用交流発電機の制御装置において、発電機１の界磁コイル３への給電導通率を制御して発電機１の出力電圧を制御するレギュレータ５を備える。レギュレータ５は、車両の定常運転時においては、界磁コイル３への給電導通率を抑制し、車両の減速運転時においては、給電導通率が増加するように給電導通率の抑制値を切替える。
【選択図】図３

Description

この発明は、車両の回生エネルギーを発電電力として車載バッテリに蓄積する車両用交流発電機（以下、単に「発電機」ともいう）の制御装置に関するものである。

従来から、外部制御によって制御電圧（発電機の出力電圧目標値）を変更する車両用交流発電機の制御装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１に記載の従来装置においては、制御電圧上昇分の発電機の出力電流の上昇を見込むことが可能となる。

特許第３１０２９８１号公報

従来の車両用交流発電機の制御装置は、外部制御によって制御電圧を変更することが可能であり、制御電圧上昇分の発電機の出力電流の上昇は見込めるものの、発電機の定格範囲内での制御電圧上昇のみであることから、さらに多くの出力電圧を得るためには発電機のサイズを大きくする必要があるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、発電機のサイズを大きくすることなく、さらに大きな回生エネルギーを得ることのできる車両用交流発電機の制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用交流発電機の制御装置は、交流出力電流を整流して車載バッテリおよび車両の電気負荷に給電する車両用交流発電機の制御装置であって、発電機の界磁コイルへの給電導通率を制御して発電機の出力電圧を制御するレギュレータを備え、レギュレータは、車両の定常運転時においては、界磁コイルへの給電導通率を抑制し、車両の減速運転時においては、給電導通率が増加するように給電導通率の抑制値を切替えるものである。

この発明によれば、発電機の短時間定格運転により過出力電流が得られるように構成することにより、発電機のサイズを大きくすることなく、さらに大きな回生エネルギーを得ることができる。

この発明の実施の形態１が適用される発電機の出力電流特性を示す説明図である。この発明の実施の形態１が適用された場合の発電機の出力電流特性を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１が適用される発電機の出力電流特性の一例を概略的に示す説明図である。また、図２はこの発明の実施の形態１が適用された場合の発電機の出力電流特性の一例を概略的に示す説明図である。
図１、図２において、横軸は発電機の回転速度、縦軸は発電機の出力電流であり、破線で示す特性Ａは、発電機の界磁コイルを過励磁（１００％通電）としたときの、短時間定格運転時の出力電流特性を示している。

図１において、実線で示す特性Ｂは、連続定格運転時の特性であり、発電機の界磁コイルへの給電導通率を、たとえば８０％通電に抑制した場合を示している。
一方、図２において、実線で示す特性Ｂ’は回生制御実行時の特性であり、この場合、発電機の制御特性は、短時間定格運転時の特性Ｂ’（破線の特性Ａに対応）と連続定格運転時の特性Ｂとの複合特性からなる。なお、短時間定格運転が行われる時間は、発電機または制御回路（後述するレギュレータ）の温度上昇に応じて決定され、温度上昇が過熱状態を示す場合には短時間定格運転が停止される。

図２内の実線で示す特性によれば、通常発電時においては、連続定格特性（特性Ｂ）にしたがい、界磁コイルへの給電導通率を抑制しており、回生発電が必要な回転域（減速時）においては、短時間定格運転時の特性（特性Ｂ’）にしたがい、給電導通率の抑制を解除して特性Ａ（１００％通電）としている。

図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図である。
図３において、この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の制御装置は、発電機１、整流器４および車載バッテリ６（通常、鉛蓄電池）に接続されたレギュレータ５（ＩＣ回路）と、レギュレータ５に接続された外部制御ユニット７と、を備えている。なお、実装構造においては、レギュレータ５は、発電機１および整流器４とともに、一体の発電機ユニットを構成している。

発電機１は、車両のエンジン（図示せず）に装着され、ベルトによりエンジンから駆動力を得て発電を行う。交流出力電流を発生するステータコイル２と、発電に必要な磁束を発生する界磁コイル３と、を備えている。
整流器４は、ステータコイル２の交流出力電流を直流に変換するための３相全波整流構成からなる。

レギュレータ５は、発電機１の発電出力を制御する制御器として機能し、整流器４および車載バッテリ６の電圧値に応じて、界磁コイル３への給電導通率を制御する。
外部制御ユニット７は、車両情報（エンジン状態、車両走行状態、アクセル開度、ブレーキ踏込みなど）に応じて発電機１の発電状態を制御するために、車両情報が車両減速運転時の回生モードを示すか否かを判定し、レギュレータ５に対する制御電圧の切替えと、界磁コイル３への給電導通率の切替えと、を指令する。

レギュレータ５は、界磁コイル３を駆動するパワートランジスタ５０１と、界磁コイル３に並列接続されて界磁コイル３の遮断時に発生するサージを吸収するダイオード５０２と、整流器４の直流出力ラインに接続された電圧検出抵抗５０３ａ、５０３ｂと、パワートランジスタ５０１を駆動するドライバ５０４と、ドライバ５０４の一方の入力端子に接続された電圧比較器５０５と、電圧比較器５０５に対して電圧制御用の目標値に対応した基準電圧を生成する基準電圧発生器５０６と、ドライバ５０４の他方の入力端子に接続されたパルス発生器５０７と、パルス発生器５０７に接続されたデューティ変換器５０８と、基準電圧発生器５０６およびデューティ変換器５０８に接続された入力インターフェース５０９と、を備えている。

電圧検出抵抗５０３ａ、５０３ｂは、整流器４の直流出力ラインの検出電圧（分圧電圧）を電圧比較器５０５の一方の入力端子に印加する。
電圧比較器５０５は、電圧検出抵抗５０３ａ、５０３ｂからの検出電圧と、基準電圧発生器５０６からの基準電圧とを比較し、制御目標値となる基準電圧よりも検出電圧が低ければ、ハイ（Ｈｉ）レベルの電圧を出力する。

ドライバ５０４は、電圧比較器５０５の出力電圧とパルス発生器５０７の出力電圧とが各々ハイ（Ｈｉ）レベルを示す場合のみに、パワートランジスタ５０１をオン駆動する。つまり、電圧検出抵抗５０３ａ、５０３ｂの検出電圧が低い場合には、パワートランジスタ５０１を導通させて界磁コイル３への給電導通率を増加させようとする。

基準電圧発生器５０６は、電圧制御用の基準電圧として、たとえば１２Ｖ〜１５Ｖの範囲でリニア制御可能な電圧を発生する。なお、基準電圧の制御値は、外部制御ユニット７により指令される。
パルス発生器５０７は、デューティ変換器５０８の出力信号をハイ／ロー（Ｈｉ／Ｌｏ）信号に変換する。

デューティ変換器５０８は、外部制御ユニット７からの指令を界磁コイル３への給電導通率に変換する。
この発明の実施の形態１において、具体的には、デューティ変換器５０８は、界磁コイル３への給電導通率を、短時間定格運転時の１００％通電と、連続定格の抑制通電（たとえば、８０％通電）とを、外部制御ユニット７からの指令に基づいて切替える。

入力インターフェース５０９は、外部制御ユニット７からの指令信号を受けて、電圧制御信号とデューティ制御信号とに分別し、基準電圧発生器５０６とデューティ変換器５０８とに個別に入力する。

次に、図１および図２を参照しながら、図３に示したこの発明の実施の形態１による動作について説明する。
まず、通常時においては、制御電圧がやや低い電圧（たとえば、１３Ｖ以下）であり、界磁コイル３は、図１内の実線特性で示すように、連続定格デューティ（８０％）で運転され、車載バッテリ６および車両の電気負荷（図示せず）に電力を供給する。

一方、車両が減速状態になると、回生モード運転となり、制御電圧を高い電圧（たとえば、１４Ｖ以上）に上昇させて、発電機１および整流器４から車載バッテリ６への充電電流を増加させ、さらに界磁コイル３への通電デューティを、図２内の実線特性（図１内の破線特性）で示すように、短時間定格運転時の１００％に上げて、発電機１の出力電圧を増加させて、より多くの回生電力を車載バッテリ６に蓄える。

以上のように、この発明の実施の形態１（図２、図３）に係る車両用交流発電機の制御装置は、交流出力電流を整流して車載バッテリ６および車両の電気負荷に給電する車両用交流発電機の制御装置であって、発電機１の界磁コイル３への給電導通率を制御して発電機１の出力電圧を制御するレギュレータ５を備えている。
レギュレータ５は、車両の定常運転時においては、界磁コイル３への給電導通率を抑制し、車両の減速運転時（回生モード時）においては、給電導通率が増加するように給電導通率の抑制値を切替える。

具体的には、レギュレータ５は、界磁コイル３を駆動するパワートランジスタ５０１と、発電機１の出力電圧を検出する電圧検出部（電圧検出抵抗５０３ａ、５０３ｂ、電圧比較器５０５、基準電圧発生器５０６）と、発電機の出力電圧が制御用の基準電圧よりも低い場合にパワートランジスタ５０１を駆動するドライバ５０４と、ドライバ５０４をオンオフすることにより界磁コイルへの給電導通率を制御するデューティ変換部（パルス発生器５０７、デューティ変換器５０８）と、を備えており、デューティ変換部は、回生モード時においては、界磁コイル３への給電導通率を８０％から１００％に切替える。

これにより、車両の回生エネルギーを発電機１の発電電力として車載バッテリ６に蓄積する車両用交流発電機の制御装置において、制御電圧の変更に加えて、発電機１の短時間定格運転により過出力電流が得られるように構成することができ、発電機１のサイズを大きくすることなく、さらに大きな回生エネルギーを得ることができる。

また、この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の制御装置は、車両の運転状態を車両情報として取り込み、車両情報に応じてレギュレータ５に対する指令を生成する外部制御ユニット７を備えている。
この場合、レギュレータ５は、外部制御ユニット７からの指令をデューティ変換部（デューティ変換器５０８）に入力する入力インターフェース５０９を備えており、デューティ変換部は、外部制御ユニット７からの指令に応じて、界磁コイル３への給電導通率の抑制値の切替えを行う。

このように、車両情報を検出可能な外部制御ユニット７において、回生信号を生成してレギュレータ５に対する指令を行うことにより、高効率に回生エネルギーを車載バッテリ６に蓄えることができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図３）では、レギュレータ５に対して、制御電圧を切替えるための制御電圧指令のみならず、界磁コイル３への給電導通率を切替えるための導通率切替え指令を生成する外部制御ユニット７を設けたが、たとえば図４のように、制御電圧指令のみを生成する従来の外部制御ユニット７Ａを設け、デューティ変換部（デューティ変換器５０８）に対する導通率切替え指令として、回転変化検出部５１０からの検出信号を用いてもよい。

図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図であり、前述（図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。

図４において、レギュレータ５Ａは、前述と同様のパワートランジスタ５０１、ダイオード５０２、電圧検出抵抗５０３ａ、５０３ｂ、ドライバ５０４、電圧比較器５０５、基準電圧発生器５０６、パルス発生器５０７、デューティ変換器５０８および入力インターフェース５０９Ａに加えて、回転変化検出部５１０を備えている。
この場合、入力インターフェース５０９Ａは、外部制御ユニット７Ａからの出力電圧指令を基準電圧発生器５０６に入力する。

回転変化検出部５１０は、発電機１の回転速度変化を検出し、回転速度が所定値以上低下している場合には、車両の減速運転時を示す検出結果を生成する。
すなわち、回転変化検出部５１０は、ステータコイル２の１相半波波形を検出することにより、発電機１の回転速度の変化を検出し、回転速度が減速運転時を示す場合には、回生モード信号を導通率切替え指令としてデューティ変換器５０８に入力する。

以下、前述と同様に、デューティ変換器５０８は、回生モード信号（導通率切替え指令）に応答して、ドライバ５０４の駆動デューティを１００％に切替えて、発電機１の短時間定格運転を行う。

以上のように、この発明の実施の形態２（図４）によれば、発電機１の回転速度変化を検出する回転変化検出部５１０を設けたので、レギュレータ５Ａのデューティ変換部（デューティ変換器５０８）は、発電機１の回転速度変化に応じて、界磁コイル３への給電導通率の抑制値の切替えを行うことができる。

すなわち、この発明の実施の形態２によれば、前述の実施の形態１と同等の作用効果を奏するとともに、発電機１の回転速度変化に応じて、レギュレータ５Ａ内で回生信号を生成するので、新たな外部制御ユニット７（図３参照）を設けることなく、回生制御が可能となる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態２（図４）では、デューティ変換部（デューティ変換器５０８）に対する導通率切替え指令として回転変化検出部５１０を用いたが、回転変化検出部５１０に代えて、図５のように、制御電圧上昇検出部５１１を用いてもよい。

図５はこの発明の実施の形態３に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図であり、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
図５において、レギュレータ５Ｂは、入力インターフェース５０９Ａの出力端子とデューティ変換器５０８の入力端子との間に挿入された制御電圧上昇検出部５１１を備えている。

制御電圧上昇検出部５１１は、外部制御ユニット７Ａからの指令が制御電圧の上昇指令を示す場合に、回生モードへの切替え状態であると判定し、デューティ変換器５０８に導通率切替え指令を入力する。

車載バッテリ６に回生電力を蓄えるためには、発電機１の制御電圧を、車載バッテリ６の端子電圧よりも高い電圧値に設定する必要があるので、制御電圧上昇検出部５１１を設けることにより、制御電圧の上昇変更指令をトリガとして回生制御を行うことができる。この場合、新たに回生信号を生成するための回路は不要となる。

以上のように、この発明の実施の形態３（図５）によれば、外部制御ユニット７Ａからの制御電圧指令の上昇を検出する制御電圧上昇検出部５１１を設けたので、デューティ変換部（デューティ変換器５０８）は、外部制御ユニット７Ａからの制御電圧指令が上昇したときに連動して、界磁コイル３への給電導通率の抑制値の切替えを行うことができる。

すなわち、この発明の実施の形態３によれば、前述の実施の形態１と同等の作用効果を奏するとともに、制御電圧指令の上昇に応じて、レギュレータ５Ｂ内で回生信号を生成するので、新たな外部制御ユニット７（図３参照）を設けることなく、回生制御が可能となる。
また、レギュレータ５Ｂの回路構成を簡略化することもできる。

実施の形態４．
なお、上記実施の形態１〜３（図３〜図５）では、発電機１またはレギュレータの温度上昇について特に考慮しなかったが、図６のように、温度検出部５１２を設け、短時間定格運転時に過熱状態が検出された場合には、短時間定格運転（回生モード）を禁止して通常モードに復帰させ、過熱保護機能を実現させることが望ましい。

図６はこの発明の実施の形態４に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図であり、前述（図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｃ」を付して詳述を省略する。

図６において、レギュレータ５Ｃは、ＩＣ内の発熱部であるパワートランジスタ５０１の近傍に配置された温度検出部５１２を備えており、温度検出部５１２の検出信号は、デューティ変換器５０８Ｃに入力されている。

なお、図６においては、前述の実施の形態１（図３）の構成への適用例を示すが、他の実施の形態２、３（図４、図５）にも適用可能なことは言うまでもない。また、温度検出部５１２は、発電機１の発熱部となる界磁コイル３の近傍に配置してもよい。

温度検出部５１２は、短時間定格運転時（回生モード時）において、パワートランジスタ５０１の近傍の温度上昇が所定値を越えたときに、レギュレータ５Ｃが過熱状態に達しているものと判定し、過熱状態を示す検出結果（短時間定格運転禁止指令）をデューティ変換器５０８Ｃに入力する。

これにより、デューティ変換器５０８Ｃは、界磁コイル３への給電導通率を短時間定格運転（１００％）から連続定格運転（８０％）に切替えることにより、短時間定格運転を強制的に禁止してレギュレータ５Ｃの過熱保護を行う。

以上のように、この発明の実施の形態４（図６）によれば、発電機１またはレギュレータ５Ｃの温度を検出する温度検出部５１２を設け、レギュレータ５Ｃ（デューティ変換器５０８Ｃ）は、発電機１またはレギュレータ５Ｃの温度が所定値を超えたときに、界磁コイル３への給電導通率の増加切替えを禁止し、通常モードに復帰させるように構成したので、過出力電流を得るための短時間定格運転時における過熱保護機能を実現することができる。

実施の形態５．
なお、上記実施の形態４（図６）では、短時間定格運転時の過熱保護機能を実現するために温度検出部５１２を設けたが、図７のように、タイマ５１３を設け、短時間定格運転時の継続時間が所定時間を超えた場合には、短時間定格運転（回生モード）を禁止して通常モードに復帰させることにより、フェールセーフ機能を実現してもよい。

図７はこの発明の実施の形態５に係る車両用交流発電機の制御装置を示す回路ブロック図であり、前述（図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｄ」を付して詳述を省略する。

図７において、レギュレータ５Ｄは、デューティ変換器５０８とパルス発生器５０７との間に挿入されたタイマ５１３を備えている。
タイマ５１３は、短時間定格運転によるレギュレータ５Ｄの温度上昇を経過時間で推定し、レギュレータ５Ｄの過熱保護を行うとともに、フェールセーフ機能をも有する。

タイマ５１３は、短時間定格運転モード時の経過時間を計測し、経過時間が所定時間に達した（短時間定格運転が所定時間連続した）場合には、強制的に短時間定格運転を禁止して、通常の連続定格運転に切り替える。

なお、図７においては、前述の実施の形態１（図３）の構成への適用例を示すが、他の実施の形態２、３（図４、図５）にも適用可能なことは言うまでもない。また、前述の実施の形態４（図６）の構成に重複して適用してもよい。

以上のように、この発明の実施の形態５（図７）によれば、界磁コイル３への給電導通率の切替え動作時からの経過時間を計測するタイマ５１３を設け、レギュレータ５Ｄ（デューティ変換器５０８）は、経過時間が一定時間に達しても、定常運転時の給電導通率への復帰指令が生成されない場合には、強制的に定常運転時の給電導通率（８０％）に切り替えることができる。

この結果、前述の実施の形態１と同等の作用効果を奏するとともに、給電導通率の切替え復帰フェール時に強制的に界磁電流を抑制することができ、界磁コイル３およびレギュレータ５Ｄ内のパワートランジスタ５０１（界磁コイル駆動素子）を保護するフェールセーフ機能を実現することができる。

１発電機、２ステータコイル、３界磁コイル、４整流器、５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄレギュレータ、６車載バッテリ、７、７Ａ外部制御ユニット、５０１パワートランジスタ、５０３ａ、５０３ｂ電圧検出抵抗、５０４ドライバ、５０５電圧比較器、５０６基準電圧発生器、５０７パルス発生器、５０８、５０８Ｃデューティ変換器、５０９、５０９Ａ入力インターフェース、５１０回転変化検出部、５１１制御電圧上昇検出部、５１２温度検出部、５１３タイマ。

Claims

交流出力電流を整流して車載バッテリおよび車両の電気負荷に給電する車両用交流発電機の制御装置であって、
発電機の界磁コイルへの給電導通率を制御して発電機の出力電圧を制御するレギュレータを備え、
前記レギュレータは、
前記車両の定常運転時においては、前記界磁コイルへの給電導通率を抑制し、
前記車両の減速運転時においては、前記給電導通率が増加するように前記給電導通率の抑制値を切替えることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
前記レギュレータは、
前記界磁コイルを駆動するパワートランジスタと、
前記発電機の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記発電機の出力電圧が制御目標値となる基準電圧よりも低い場合に前記パワートランジスタを駆動するドライバと、
前記ドライバをオンオフすることにより前記界磁コイルへの給電導通率を制御するデューティ変換部と、を含み、
前記デューティ変換部は、前記車両の減速運転時において、前記給電導通率が増加するように前記給電導通率の前記抑制値を切替えることを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機の制御装置。
前記車両の運転状態を車両情報として取り込み、前記車両情報に応じて前記レギュレータに対する指令を生成する外部制御ユニットを備え、
前記レギュレータは、前記外部制御ユニットからの指令に応じて、前記界磁コイルへの給電導通率の抑制値の切替えを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用交流発電機の制御装置。
前記レギュレータは、
前記発電機の回転速度変化を検出して前記車両の減速運転時を示す検出結果を生成する回転変化検出部を含み、
前記回転変化検出部の検出結果に応じて、前記界磁コイルへの給電導通率の抑制値の切替えを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用交流発電機の制御装置。
前記車両の運転状態を車両情報として取り込み、前記車両情報に応じて前記レギュレータに対する制御電圧指令を生成する外部制御ユニットを備え、
前記レギュレータは、
前記外部制御ユニットからの制御電圧指令の上昇を検出する制御電圧上昇検出部を含み、
前記制御電圧指令が上昇したときに連動して、前記界磁コイルへの給電導通率の抑制値の切替えを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用交流発電機の制御装置。
前記発電機または前記レギュレータの発熱部温度を検出する温度検出部を備え、
前記レギュレータは、
前記発電機または前記レギュレータの温度が所定値を超えたときに、界磁コイルへの給電導通率の増加切替えを禁止することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の車両用交流発電機の制御装置。
前記レギュレータは、
前記界磁コイルへの給電導通率の切替え動作時からの経過時間を計測するタイマを含み、
前記経過時間が一定時間に達しても、前記定常運転時の給電導通率への復帰指令が生成されない場合には、強制的に前記定常運転時の給電導通率に切り替えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の車両用交流発電機の制御装置。