JP2013541317A - 内燃機関によって駆動される発電機の回転の不均一性に起因する電圧リップルを低減するための方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の回転の不均一性に起因する、内燃機関によって駆動される発電機の出力電圧のリップルを低減するための方法において、
前記発電機は、ステータ巻線と、ロータ巻線と、前記発電機の前記出力電圧をロータ側にて制御するための、前記ロータ巻線に割り当てられたフィールドコントローラと、駆動制御可能なスイッチング素子を備えた後置接続されたコンバータと、を有しており、
電圧リップルを低減するために、前記発電機の前記出力電圧を、前記コンバータの前記スイッチング素子を相応に駆動制御することによって、ステータ側にて制御する、
ことを特徴とする方法。

Description

本発明は、内燃機関の回転の不均一性に起因する、内燃機関によって駆動される発電機の出力電圧のリップルを低減するための方法に関する。

自動車においては通常、発電機として、電気的励磁によるクローポール発電機が使用される。ロータ巻線を通る電流は、所期の出力電圧または必要なトルクを制御するための調整量として使用され、割り当てられたフィールドコントローラによって予め設定される。このような制御は必須である。なぜなら、そうしなければ、非常に異なる内燃機関回転数によって、発電機から供給される電圧値が著しく変動してしまい、場合によっては後置の電気機器を損傷することがあるからである。

ロータ巻線は、典型的には１５０ｍｓより大きい時定数を有するので、迅速な制御プロセスは不可能である。しかしながらそのせいで、回転数が低い場合、特に無負荷回転数の範囲では、電圧リップルが生じてしまう。というのはここでは、発電機の出力は、回転数に非常に強く依存しているからである。回転の不均一性によって上記範囲で回転数が非常に迅速に変動する場合、フィールドコントローラはこの迅速な変動に対して、ロータ磁界のロータ時定数のせいで十分に迅速には反応できず、従って、発電機の出力電圧の不所望なリップルが生じてしまうこととなる。この作用は、漏れ磁界を補償するためにロータ巻線に加えて永久磁石を使用する発電機の場合にはさらに強まる。なぜならこの場合には、出力特性曲線はさらに急峻な上昇を有するからである。

ＥＰ０８４７４８５Ｂ１には、内燃機関の回転の不均一性に起因するトルク変動を緩和するための方法が開示されており、ここではトルク変動を補償するために発電機がモータとして使用される。しかしながらこれによって、電圧リップルはさらに強まってしまう。従って、内燃機関によって駆動される発電機の出力電圧のリップルを低減するための手段を提供することが望まれる。

本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する、内燃機関の回転の不均一性に起因する、内燃機関によって駆動される発電機の出力電圧のリップルを低減するための方法が提案される。有利な実施形態は、従属請求項並びに以下の説明に記載されている。

本発明は、駆動制御可能なスイッチング素子を備えたコンバータによって出力電圧が整流される形式の発電機において、特に有利に使用することができる。このようなコンバータは、同期整流器、アップコンバータ、ダウンコンバータ、パルスコンバータ等として動作することができる。ここでは、スイッチング素子を相応に駆動制御することによってステータ側にて制御するための特に簡単な手段が提供され、これによって整流角度、ひいては出力直流電圧も影響される。

駆動制御可能なスイッチング素子を備えたコンバータは、自動車の発電機にて非常によく使用されている。このようなコンバータは、一方では効率に関する利点を提供し、他方では、例えば内燃機関を始動させるため、及び、推進時に支援するために、発電機をモータとして動作させることも可能にする。相応のコンバータを備えた発電機は、例えばＤＥ１００２７８５９Ａ１に開示されている。

コンバータを備えた発電機（例えばパルスコンバータを備えたスタータ発電機）の場合には、電流の高さを、スイッチング素子乃至整流器素子、通常はトランジスタ、を所期のように制御することによってステータ側にて制御することができる。ステータ巻線はロータ巻線よりも格段に小さい時定数を有するので、このような制御は、上述した電圧変動を緩和するために特に適している。車載電源網における制御電圧変動は、最小化される。

本発明は実質的に、いわゆる電気的なフリーホイールシステムを使用する手段に基づいており、このフリーホイールシステムでは、電気機械が発電機として動作する場合に、無負荷に近い範囲において、最大回転数では発電機電流が低減されるように、及び、最小回転数では発電機電流が増加されるように、整流角度が制御される。これによって電流リップルが小さくなり、ひいては電圧リップルも小さくなる。制御のために適当な入力量として、発電機回転数、発電機電圧、並びに励起磁界の位置がある。

特に、電圧リップルが所定の閾値、例えば１００ｍＶを上回る場合、及び、発電機交流電圧の周波数が所定の範囲、例えば２５〜２００Ｈｚにある場合、及び、発電機回転数が所定の範囲、例えば１０００〜１８００回転／分にある場合に、制御が実施される。この制御は、目的に応じて、発電機回転数が所定の閾値、例えば２０００回転／分を上回る場合に終了する。その後は再び従来通り、フィールドコントローラによってロータ側にて制御され、コンバータは通常通り、同期整流器として動作する。本発明の制御を実施する際には、整流角度は、スイッチング素子を相応に駆動制御することによって電圧リップルが最小になるまで、乃至、許容閾値を下回るまで変化される。整流角度の変化によってコンバータ内部の電流成分が短絡され、従って出力部におけるリップルが低下する。

本発明のコンピュータユニット、例えば自動車の制御装置は、特にプログラム技術的に本発明の方法を実施するように構成されている。

明細書及び添付図面から、本発明のさらなる利点及びさらなる実施形態を導き出すことができる。

上記の特徴および後でさらに説明する特徴は、それぞれ示した組み合わせだけでなく、別の組み合わせまたは単独でも、本発明の枠を逸脱することなしに使用できることは明らかである。

本発明を、実施例に基づいて図面に概略的に示し、以下、図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１は、本発明の基礎となり得る、駆動制御可能なスイッチング素子を備えたコンバータを有する発電機の実施形態を示す図である。 図２は、本発明を実施するための、本発明に基づいて構成された制御装置の実施形態を示す図である。 図３ａは、従来技術に基づいて制御した場合の電流推移、電圧推移、及び、回転数推移を示す図であり、図３ｂは、本発明の実施形態に基づいて制御した場合の電流推移、電圧推移、及び、回転数推移を示す図である。

図１は、本発明の基礎となり得る電気機械の回路図を示しており、全体として参照符号１００が付されている。電気機械１００は、発電機コンポーネント１０と、コンバータコンポーネント２０とを有する。コンバータコンポーネント２０は、電気機械１００が発電機として動作する場合、通常通り整流器として動作する。

発電機コンポーネント１０は、スター型に接続されたステータ巻線１１、及び、ダイオードに対して並列に接続された励磁巻線乃至ロータ巻線１２の形態で、概略的にのみ図示されている。ロータ巻線は、コンバータコンポーネント２０の端子２４に接続されているパワースイッチ１３によって、クロック同期して接続される。パワースイッチ１３の駆動制御は、フィールドコントローラ１５によって行われる。パワースイッチ１３は基本的に、ロータ巻線１２に対して並列に接続されているダイオードと同じように、フィールドコントローラの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に集積されている。

本発明では、３相の発電機が示されている。しかしながら本発明は、基本的により少ない相数又はより多くの相数の発電機、例えば５相の発電機の場合でも実施可能である。

コンバータコンポーネント２０は、ここでは６パルス整流回路として構成されており、例えばＭＯＳＦＥＴ２１として構成可能なスイッチング素子２１を有する。ＭＯＳＦＥＴ２１は、例えばバスバーを介して、発電機の各ステータ巻線１１に接続されている。これらのＭＯＳＦＥＴはさらに端子２４，２４’に接続されており、相応に駆動制御された場合、車載電源網３０へと直流を提供する。スイッチング素子２１の駆動制御は、制御装置２５により複数の制御チャネル２６を介して実施される。見やすくするために、これらの制御チャネル全部には参照符号を付していない。制御装置２５は、相チャネル２７を介してそれぞれ個々のステータ巻線の相電圧を受け取る。これらの相電圧を提供するために別の装置を設けることができるが、見やすくするために図示していない。

制御装置２５は、（同期）整流器として動作する際には、相チャネル２７を介して提供された相電圧を評価し、ここからＭＯＳＦＥＴ２１の各スイッチオン時点及び各スイッチオフ時点を決定する。制御チャネル２６を介した制御は、ＭＯＳＦＥＴ２１のゲート端子に作用を及ぼす。

この実施形態において設けられているフィールドコントローラ１５のような公知のフィールドコントローラは、いわゆるクランプＶ端子１９を有しており、クランプＶ端子１９は、発電機のステータ巻線の相に接続されている。クランプＶ信号乃至相入力信号の周波数は、コントローラ１５で評価され、この信号の特性量に基づいて、コントローラ動作を活性化又は非活性化するため、及び、制御線路１４を介してパワースイッチ１３を駆動制御するために使用される。相信号入力部１９への相信号は、図示したように制御装置２５を介して供給することも可能である。

内燃機関の始動時には、フィールド巻線１２を有する発電機ロータが回転を開始し、ステータ巻線１１にて電圧が誘導される。これらの相電圧は、例えばその周波数が、制御装置２５によって検出され、個々のＭＯＳＦＥＴ２１に対する駆動制御信号を導出乃至決定するために使用される。

本発明の特に有利な実施形態を、以下、図１及び２を参照しながらより詳細に説明する。図２には、本発明の特に有利な実施形態を実施するために構成された制御装置２５が図示されている。制御装置２５には、入力信号として、発電機電圧Ｕ_Ｇの時間推移、発電機コンポーネント１０の現在の回転数ｎ_Ｇ、並びに、発電機コンポーネントの位置角φが供給される。この場合、位置センサが励起磁界の位相を決定する。電気機械がダイオードを用いて発電機として動作する場合であれば、このダイオードは、自然の整流時点（ダイオード電流のゼロ交差）に整流するところである。しかしながら、例えばパワー半導体のようなスイッチング素子を使用すると、この整流時点をずらすことができる。つまりパワー半導体は、より長く、又は、より短く導通状態を維持する。

制御装置２５は、本発明に基づいて相応の駆動制御信号を決定して、出力電圧リップルを低減するようにスイッチング素子２１を駆動制御する。このために、整流角度（ひいてはロータ電圧とステータ電圧の間の位相）が変化される。より詳しくは、最大回転数では発電機電流が減少するように、及び、最小回転数では発電機電流が増加するように、整流角度が変化される。

本発明の有利な実施形態によれば、回転数が小さい場合、整流角度は、スイッチング素子２１を相応に駆動制御することによって電圧リップルが最小になるまで、乃至、許容閾値を下回るまで変化される。

発電機電圧のステータ側での制御は、有利には、無負荷回転数を中心とした、例えば１０００〜１８００回転／分のような小さい回転数範囲においてのみ実施される。発電機回転数ｎ_Ｇが所定の閾値、例えば２０００回転／分を上回る場合には、発電機電圧は再び従来通り、フィールドコントローラ１５を介して、ロータ巻線１２を通る電流の設定値によって制御される。

図３ａには、図１の電気機械１００を従来技術に基づいて制御した場合に生じるような電流推移、電圧推移、及び、回転数推移が、時間に亘って示されている。この図では、発電機回転数ｎ_Ｇの時間推移が、線図３０１に示されており、端子２４，２４’に生じるような整流された出力電圧Ｕ_Ｂａｔｔの時間推移が、線図３０２に示されており、対応する出力電流Ｉ_Ｂａｔｔの時間推移が、線図３０３に示されている。回転の不均一性に起因して、出力電圧Ｕ_Ｂａｔｔ並びに出力電流Ｉ_Ｂａｔｔの著しいリップルが生じていることが見て取れる。

これに比べて図３ｂには、図１の電気機器１００を本発明に基づいて制御した場合に生じるような出力電圧Ｕ_Ｂａｔｔ、並びに、出力電流Ｉ_Ｂａｔｔの時間推移が示されている。出力電流Ｉ_Ｂａｔｔの時間推移は、線図４０３に示されており、出力電圧Ｕ_Ｂａｔｔの時間推移は、線図４０２に示されている。図３ｂの発電機回転数ｎ_Ｇの時間推移は、図３ａの時間推移３０１に相当する。スイッチング素子の有利な駆動制御に基づいて、出力電圧Ｕ_Ｂａｔｔ並びに出力電流Ｉ_Ｂａｔｔのリップルを格段に低減できることが見て取れる。

Claims (8)

1. 内燃機関の回転の不均一性に起因する、内燃機関によって駆動される発電機（１０）の出力電圧（Ｕ_Ｂａｔｔ）のリップルを低減するための方法において、
   前記発電機（１０）は、ステータ巻線（１１）と、ロータ巻線（１２）と、前記発電機（１０）の前記出力電圧をロータ側にて制御するための、前記ロータ巻線（１２）に割り当てられたフィールドコントローラ（１５）と、駆動制御可能なスイッチング素子（２１）を備えた後置接続されたコンバータ（２０）と、を有しており、
   電圧リップルを低減するために、前記発電機の前記出力電圧（Ｕ_Ｂａｔｔ）を、前記コンバータ（２０）の前記スイッチング素子（２１）を相応に駆動制御することによって、ステータ側にて制御する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記発電機（１０）の前記出力電圧（Ｕ_Ｂａｔｔ）のステータ側での制御を、発電機回転数（ｎ_Ｇ）が第１閾値を下回った場合に実施する、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１閾値を、前記内燃機関の無負荷回転数に依存して予め設定する、
   ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 発電機回転数（ｎ_Ｇ）が第２閾値を上回った場合に、前記発電機（１０）の前記出力電圧（Ｕ_Ｂａｔｔ）を、前記ロータ巻線（１２）を通る電流を調整することによって、ロータ側にて制御する、
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の方法。
5. 前記第２閾値を、前記第１閾値に依存して予め設定する、
   ことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記出力電圧（Ｕ_Ｂａｔｔ）のリップルが、所定の第３閾値を上回った場合にのみ、前記制御を実施する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の方法。
7. ステータ巻線（１１）と、ロータ巻線（１２）と、発電機の出力電圧をロータ側にて制御するための、前記ロータ巻線（１２）に割り当てられたフィールドコントローラ（１５）とを含む発電機（１０）と、駆動制御可能なスイッチング素子（２１）を備えた後置接続されたコンバータ（２０）と、を有するエネルギ供給ユニット（１００）、特に自動車用のエネルギ供給ユニット（１００）において、
   前記発電機の前記出力電圧をステータ側にて制御するための手段（２５）が設けられており、
   前記手段（２５）は、前記コンバータ（２０）の前記スイッチング素子（２１）を相応に駆動制御することによって前記出力電圧を制御するように構成されている、
   ことを特徴とするエネルギ供給ユニット（１００）。
8. 前記手段（２５）は、前記出力電圧を制御するために、請求項１から６のいずれか一項記載の方法を実施するよう構成されたコンピュータユニットとして構成されている、
   ことを特徴とする請求項７記載のエネルギ供給ユニット（１００）。

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