JP2014230310A - 車両用発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の車両用発電機を並行運転する際に汎用性を持たせることができるとともにコストダウンを図ることができる車両用発電装置を提供すること。
【解決手段】発電制御装置は、マスタユニットの機能を有するＥＣＵ１と、ＥＣＵ１から送信される指令情報を受信するとともに自装置の情報をＥＣＵ１に向けて送信するスレーブユニットの機能を有する主発電機２および従属発電機３とを備える。主発電機２と従属発電機３とを並行運転する際に、主発電機２でＥＣＵ１の調整電圧指令を目標値とする電圧フィードバック制御を行い、ここで得られるデューティ比信号をＥＣＵ１に送信し、ＥＣＵ１を介して、従属発電機３でＥＣＵ１から受信したデューティ比信号に基づく指令をもとに界磁電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電装置に関する。

従来から、複数の発電機を並行運転するようにした発電制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この発電制御装置では、従属発電機の界磁電流制御に、主発電機で生成される界磁電流制御信号を用いることで、負荷バランスを均等にしている。このために、外部センシング端子と外部出力端子の独立した２つの専用端子が設けられている。

国際公開第２０１２／０２９１０４号

ところで、特許文献１に開示された発電制御装置では、外部センシング端子や外部出力端子を介して入出力される信号に対する専用のインタフェースが必要となることから、汎用性を持たせることができないという問題があった。また、外部センシング端子や外部出力端子の２つの端子を備える必要があることから、端子部分の材料費を下げることによるコストダウンが難しいという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、複数の車両用発電機を並行運転する際に汎用性を持たせることができるとともにコストダウンを図ることができる車両用発電装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電装置は、マスタユニットの機能を有する外部制御装置と、外部制御装置から送信される指令情報を受信するとともに自装置の情報を外部制御装置に向けて送信するスレーブユニットの機能を有する主発電機および従属発電機とを備える。

主発電機は、電圧比較手段、主界磁制御手段、主発電手段、通信手段を備える。電圧比較手段は、外部制御装置から受信した調整電圧指令と自装置の出力電圧との比較結果に基づいてデューティ比信号を出力する。主界磁制御手段は、電圧比較手段から出力されるデューティ比信号に基づいて自装置の界磁電流を調節する。主発電手段は、主界磁制御手段によって調節される界磁電流に基づいて起電力を発生し、主整流器によってこの起電力を直流に変換した電力を車載電気負荷に供給する。通信手段は、電圧比較手段から出力されるデューティ比信号を外部制御装置に向けて送信する。

従属発電機は、従属界磁制御手段、従属発電手段を備える。従属界磁制御手段は、デューティ比信号に対応する指令が外部制御装置から送られてきたときに、この指令に基づいて自装置の界磁電流を調節する。従属発電手段は、従属界磁制御手段によって調節される界磁電流に基づいて起電力を発生し、従属整流器によってこの起電力を直流に変換した電力を車載電気負荷に供給する。

主発電機と従属発電機とを並行運転する際に、主発電機で外部制御装置の調整電圧指令を目標値とする電圧フィードバック制御を行い、ここで得られるデューティ比信号を外部制御装置に送信し、外部制御装置を介して、従属発電機で外部制御装置から受信したデューティ比信号に基づく指令をもとに界磁電流を制御している。このような仕組みとすることで、個々の発電機に汎用性を持たせることができ、特別な外部センシング端子や専用のインタフェースが不要であってコストダウンを図ることができ、発電機の並行運転による電力供給源の増設を容易に構築することが可能となる。また、個々の発電機の性能を損なわないため、ネットワーク化に適しており、増設コストを抑えることができる。

一実施形態の車両用発電装置の構成を示す図である。 車両用発電機からＥＣＵに送られる制御信号Ｖ_Gの波形と界磁電流Ｉｆの波形を示す図である。 発電制御の伝達関数を示す図である。 遅延器の一例を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用発電装置の構成を示す図である。図１に示す車両用発電装置は、外部制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１と、２台の車両用発電機２、３とを有し、これらの間が車載ネットワーク４を介して接続されている。車載ネットワーク４としては、例えば、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いた通信方式が用いられる。また、車両用発電機２、３の出力端子（Ｂ１、Ｂ２端子）は、充電線５を介してバッテリ６および電気負荷７に接続されている。

ＥＣＵ１は、マスタユニットの機能を有し、車両用発電機２、３のそれぞれの発電を制御するために、これらに向けて制御情報を送信するとともに、これらから送られてくる制御情報を受信する。

車両用発電機２、３は、スレーブユニットの機能を有し、ＥＣＵ１から送られてくる指令情報を受信するとともに、ＥＣＵ１に向けて自らの制御情報を送信する。これらの車両用発電機２、３は、同一の発電電力の供給能力を有している。

図２は、車両用発電機２、３からＥＣＵ１に送られる制御信号Ｖ_Gの波形と界磁電流Ｉｆの波形を示す図である。

車両用発電機２は、ＥＣＵ１から送られてくる調整電圧指令に基づいて発電を行う主発電機である。車両用発電機２は、通信インタフェース２１、信号処理回路２２、電圧比較回路２３、界磁制御回路２４、界磁巻線２５、固定子巻線２６、整流器２７を含んで構成されている。

通信インタフェース２１は、ＥＣＵ１から送られてくる調整電圧指令を受信する。信号処理回路２２は、通信インタフェース２１で受信した調整電圧指令の情報コードを目標値Ｖｒに変換する。この変換された目標値Ｖｒは、電圧比較回路２３に入力される。

電圧比較回路２３は、目標値Ｖｒと車両用発電機２の出力電圧Ｖ_Bとを比較し、比較結果に基づいて、制御信号Ｖ_G（界磁制御回路２４のスイッチ素子２４１を制御するための論理信号（図２））を生成し、界磁制御回路２４と信号処理回路２２のそれぞれに入力する。

界磁制御回路２４は、スイッチ素子２４１と還流素子２４２を含んでいる。スイッチ素子２４１は、パワートランジスタを用いて構成されており、ゲートが電圧比較回路２３の出力端子に接続され、ドレインが車両用発電機２の出力端子（Ｂ１端子）に接続され、ソースが還流素子２４２を介して車両用発電機２の接地端子（Ｅ１端子）に接続されている。また、スイッチ素子２４１のソースと還流素子２４２の接続部はＦ１端子を介して界磁巻線２５に接続されている。スイッチ素子２４１がオンされると、界磁巻線２５に電流が流れ、オフされるとこの電流の供給が停止される。

還流素子２４２は、ダイオード（スイッチ素子２４１の反転動作をするパワートランジスタに置き換えてもよい）を用いて構成されており、スイッチ素子２４１がオフされたときに界磁巻線２５に流れる電流を還流させる。

界磁巻線２５は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成しており、界磁制御回路２４からＦ１端子を介して界磁電流が供給されて界磁を発生する。

固定子巻線２６は、多相巻線（例えば三相巻線）であって固定子鉄心に巻装されて固定子を構成しており、界磁巻線２５の発生する磁界の変化によって起電力を発生する。固定子巻線２６に誘起される交流出力が整流器２７に供給される。

整流器２７は、固定子巻線２６の交流出力を全波整流する。この整流器２７の出力が車両用発電機２の出力として外部に取り出され、充電線５を介してバッテリ６や電気負荷７に供給される。

信号処理回路２２は、上述した調整電圧指令の情報コードから目標値Ｖｒへの変換の他に、電圧比較回路２３から出力される制御信号Ｖ_Gを数値化して数値データに変換し、通信インタフェース２１を介して車両用発電機２の制御情報をＥＣＵ１へ送信する。例えば、図２に示す制御信号Ｖ_Gでは、１周期Ｔとオン時間ｔ_ONをそれぞれカウンタ等で計測し、ｔ_ONのデューティ比Ｄ＝ｔ_ON／Ｔが得られる。また、周期Ｔが一定であれば、オン時間ｔ_ONのみの計測でデューティ比Ｄを得るようにしてもよい。

また、信号処理回路２２によって制御信号Ｖ_Gを数値化する際に、デューティ比Ｄを平均化処理するようにしてもよい。平均化処理されたデューティ比Ｄを用いることにより、送受信される信号のデジタル化を容易にすることができ、複数の発電機２、３をバランスよく（発電割合を保ちながら）並行運転することが可能となる。

車両用発電機３は、ＥＣＵ１から送られてくるデューティ比指令（例えば、上述した車両用発電機２の制御信号Ｖ_Gに対応するデューティ比Ｄ）に基づいて発電を行う従属発電機である。車両用発電機３は、通信インタフェース３１、信号処理回路３２、電圧比較回路３３、界磁制御回路３４、界磁巻線３５、固定子巻線３６、整流器３７を含んで構成されている。

通信インタフェース３１は、ＥＣＵ１から送られてくるデューティ比指令を受信する。信号処理回路３２は、通信インタフェース３１で受信したデューティ比指令の情報コードをデューティ比Ｄに対応する制御信号Ｖ_Gに変換する。この変換された制御信号Ｖ_Gは、電圧比較回路３３を通さずに界磁制御回路３４に入力される。

界磁制御回路３４は、スイッチ素子３４１と還流素子３４２を含んでいる。スイッチ素子３４１は、パワートランジスタを用いて構成されており、ゲートが信号処理回路３２の出力端子に接続されて制御信号Ｖ_Gが入力され、ドレインが車両用発電機３の出力端子（Ｂ２端子）に接続され、ソースが還流素子３４２を介して車両用発電機３の接地端子（Ｅ２端子）に接続されている。また、スイッチ素子３４１のソースと還流素子３４２の接続部はＦ２端子を介して界磁巻線３５に接続されている。スイッチ素子３４１がオンされると、界磁巻線３５に電流が流れ、オフされるとこの電流の供給が停止される。

還流素子３４２は、ダイオード（スイッチ素子３４１の反転動作をするパワートランジスタに置き換えてもよい）を用いて構成されており、スイッチ素子３４１がオフされたときに界磁巻線３５に流れる電流を還流させる。

界磁巻線３５は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成しており、界磁制御回路３４からＦ２端子を介して界磁電流が供給されて界磁を発生する。

固定子巻線３６は、多相巻線（例えば三相巻線）であって固定子鉄心に巻装されて固定子を構成しており、界磁巻線３５の発生する磁界の変化によって起電力を発生する。固定子巻線３６に誘起される交流出力が整流器３７に供給される。

整流器３７は、固定子巻線３６の交流出力を全波整流する。この整流器３７の出力が車両用発電機３の出力として外部に取り出され、充電線５を介してバッテリ６や電気負荷７に供給される。

ＥＣＵ１は、車両用発電機２へ調整電圧指令を送信するとともに、車両用発電機２からデューティ比情報を受信する。また、ＥＣＵ１は、この受信したデューティ比情報を車両用発電機３へ指令値として送信する。

上述した電圧比較回路２３が電圧比較手段に、界磁制御回路２４が主界磁制御手段に、整流器２７が主整流器に、固定子巻線２６、整流器２７が主発電手段に、通信インタフェース２１が通信手段に、界磁制御回路３４が従属界磁制御手段に、整流器３７が従属整流器に、固定子巻線３６、整流器３７が従属発電手段にそれぞれ対応する。

本実施形態の車両用発電装置はこのような構成を有しており、次に具体的な発電制御の伝達関数について説明する。図３は、発電制御の伝達関数を示す図である。図３に伝達関数を示す発電制御例では、並行運転する車両用発電機２、３の制御の一部がブロック線図で表現されている。図３に示す制御例を実現するために、主発電機である車両用発電機２の電圧比較回路２３と従属発電機である車両用発電機３の界磁制御回路３４との間に、デューティ比信号Ｖ_G（デューティ比Ｄ）の周波数特性を調節する補償手段としての遅延器１０２１が挿入されている。この遅延器１０２１は、ＥＣＵ１によって実現される。

車両用発電機２、３を並行運転する本実施形態の車両用発電装置による発電は、図３に示す２つの伝達関数１０１、１０２の並列結合として電源構成を有している。ここで、伝達関数１０１は、デューティ比Ｄを入力信号、Ｐ₁を出力信号とする車両用発電機２の伝達関数であって、界磁巻線２５の遅れ要素が含まれている。伝達関数１０２は、デューティ比Ｄを入力信号、Ｐ₂を出力信号とする車両用発電機３の伝達関数であって、ＥＣＵ１を経由する遅れ要素（遅延器）１０２１と、界磁巻線３５の遅れ要素１０２２とが直列結合されている。

次に、図１および図２を参照しながら、本実施形態の車両用発電装置の具体的な動作について説明する。

車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオンされると、エンジン（図示せず）が始動するとともに、ＥＣＵ１が車両用発電機２、３の制御を開始する。

ＥＣＵ１は、各種センサ等によって得られる特性値と、あらかじめ設定されている基準値との比較結果に基づいて、調整電圧指令値を決定する。調整電圧指令値は、通信方式に対応した情報コードに変換されて車載ネットワーク４に送信される。

車両用発電機２の通信インタフェース２１は、車載ネットワーク４に送信された情報コードを受信して、その情報コードから調整電圧指令値を抽出する。そして、信号処理回路２２は、抽出された指令値を基準電圧Ｖｒに変換して電圧比較回路２３に入力する。

電圧比較回路２３は、基準電圧Ｖｒを車両用発電機２の出力電圧Ｖ_Bとに基づいて、界磁電流を制御するための制御信号Ｖ_Gを出力する。この制御信号Ｖ_Gは分配され、１つは界磁制御回路２４へ、もう１つは信号処理回路２２へ送られる。

車両用発電機２の界磁制御回路２４は、制御信号Ｖ_Gに基づいてスイッチ素子２４１をスイッチングすることで（制御信号Ｖ_Gがハイレベルのときにスイッチ素子２４１がオンされ、ローレベルのときにスイッチ素子２４１がオフされる）、界磁巻線２５に流す電流を調整する。これにより、車両用発電機２の出力電圧は、指令に基づく調整電圧に制御される。

また、上述した動作と並行して、ＥＣＵ１は、車両用発電機２から取得したデューティ比情報を車両用発電機３に向けて送信する。車両用発電機３の界磁制御回路３４は、車両用発電機２で用いられた制御信号Ｖ_Gに基づいてスイッチ素子３４１をスイッチングすることで界磁巻線３５に流す電流を調整する。これにより、車両用発電機３の出力電流は指令に基づくデューティ比に制御される。このようにして、２台の車両用発電機２、３は、バッテリ６および電気負荷７の電力需要に応じてバランスよく電力を供給することができる。

なお、ＥＣＵ１と車両用発電機２、３との間の情報通信については、例えば、１０ｍｓの周期にてＥＣＵ１からデータを送信して車両用発電機２、３でそのデータを受信し、その後の１０ｍｓの周期で車両用発電機２、３からデータを送信してＥＣＵ１でそのデータを受信する。このようなデータ通信を繰り返し、定期的な周期でＥＣＵ１と車両用発電機２またはＥＣＵ１と車両用発電機３との間で交互にデータの受け渡しを行って情報のやりとりを行う。この通信自体は、従来（例えば、特開２００２−３２５０８５号公報）から行われている通信手法であり、詳細な説明は省略する。

次に、図３に示した伝達関数に対応した具体的な動作について説明する。同一構造を有する２台の車両用発電機２、３を並行運転する場合に、本実施形態では、それぞれにおける制御の遅延時間を考慮する。

遅延器１０２１の時定数Ｔ₂を界磁巻線２５、３５が有する時定数Ｔ₁の倍程度（例えば２倍）の大きさに設定すると、並列結合した電源構成の伝達関数Ｐ₃（ｓ）／Ｄ（ｓ）は、
Ｐ₃（ｓ）／Ｄ（ｓ）＝２Ｇ（ｓ）／（Ｔ₂ｓ＋１） ・・・（１）
として表される。ここで、ｓは複素周波数である。

２つの時定数Ｔ₁、Ｔ₂を含んでいる回路構造を等価的に１つの時定数Ｔ₂をもつ回路構造の特性に合わせることで、供給電力の安定化を図ることができる。さらに、上述した電圧フィードバック制御と組み合わせることで、安定した電圧を供給することができる。

（界磁巻線２５、３５のもつ時定数Ｔ₁について）
界磁巻線２５、３５のインダクタンスをＬｆ、抵抗をＲｆとすると、界磁巻線２５、３５の時定数Ｔ₁はＬｆ／Ｒｆとなる。

（遅延器１０２１のもつ時定数Ｔ₂について）
例えば、遅延器１０２１として、図４に示す抵抗値Ｒ₁の抵抗と静電容量値Ｃ₂のコンデンサを用いたＲＣ回路を用いる場合を考える。このＲＣ回路の時定数Ｔ₂はＲ₁Ｃ₂となる。なお、等価的に同じ動作を行うデジタル遅延器を用いるようにしてもよい。また、上述した例では、遅延器１０２１を用いて説明したが、これに限定されるものではない。遅延の代わりに、周波数特性（大きさ、位相）を調整する遅れ補償、進み補償、進み遅れ補償などを行うようにしてもよい。

図１に示した車両用発電装置では、デューティ比情報を得るのに車両用発電機２の制御信号Ｖ_Gを利用したが、界磁巻線２５とスイッチ素子２４１の接続部（Ｆ１端子）より得られる信号を利用するようにしてもよい。

界磁制御回路２４、３４を目標値（Ｖ_REG）に調整された車両用発電機２の出力電圧Ｖ_B（定電圧）でバイアスすることで、デューティ比Ｄによる界磁電流Ｉｆの調整をすることができる。具体的には、Ｒｆを界磁巻線２５、３５の抵抗値とすると、
Ｉｆ＝（Ｖ_B／Ｒｆ）Ｄ ・・・（２）
となる。また、調整電圧の目標値（Ｖ_REG）の設定を変えることで、最大励磁電流Ｉｆｍａｘの大きさを可変することができる。さらに、充電線５の這い回しが各車両において同一となるように組付けを行うことにより、界磁電流Ｉｆの調節精度を上げることができる。

デューティ比信号Ｖ_Gの繰り返し周期Ｔは、界磁巻線２５、３５のもつ時定数Ｔ₁よりも小さいことが望ましい。界磁電流Ｉｆの変動幅を小さくし、平均化精度を上げることができる。図２に示す例では、Ｉｆの平均値をデューティ比Ｄの大きさとして扱うことができる。また、界磁電流の平均的な大きさ（界磁巻線２５に流れる界磁電流、または、界磁で巻線３５に流れる界磁電流）をデューティ比信号（Ｖ_G）のもつパルス電圧の時間幅（Ｔ、ｔ_ON）で調節することができ、平均的な大きさと位相の調節が容易となる。

このように、本実施形態の車両用発電装置では、主発電機２と従属発電機３とを並行運転する際に、主発電機２でＥＣＵ１の調整電圧指令を目標値とする電圧フィードバック制御を行い、ここで得られるデューティ比信号をＥＣＵ１に送信し、ＥＣＵ１を介して、従属発電機３でＥＣＵ１から受信したデューティ比信号に基づく指令をもとに界磁電流を制御している。このような仕組みとすることで、個々の発電機２、３に汎用性を持たせることができ、特別な外部センシング端子や専用のインタフェースが不要であってコストダウンを図ることができ、発電機の並行運転による電力供給源の増設を容易に構築することが可能となる。また、個々の発電機の性能２、３を損なわないため、ネットワーク化に適しており、増設コストを抑えることができる。

また、主発電機２と従属発電機３は、同一の発電電力の供給能力を有しているため、同一比率の発電量で主発電機２と従属発電機３とを並行運転することが可能となる。また、主発電機２の電圧比較回路２３と従属発電機３の界磁制御回路３４との間に、デューティ比信号の周波数特性を調節する補償手段としての遅延器１０２１を備えている。主発電機２で生成されたデューティ比信号を従属発電機３と共用化するとともに遅延器１０２１を備えることにより、従属発電機３の界磁電流の大きさまたは位相の調節が容易になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、１つの主発電機２と１つの従属発電機３とを組み合わせたが、従属発電機３は２つ以上を組み合わせるようにしてもよい。

本発明によれば、主発電機と従属発電機とを並行運転する際に、主発電機で外部制御装置の調整電圧指令を目標値とする電圧フィードバック制御を行い、ここで得られるデューティ比信号を外部制御装置に送信し、外部制御装置を介して、従属発電機で外部制御装置から受信したデューティ比信号に基づく指令をもとに界磁電流を制御している。このような仕組みとすることで、個々の発電機に汎用性を持たせることができ、特別な外部センシング端子や専用のインタフェースが不要であってコストダウンを図ることができ、発電機の並行運転による電力供給源の増設を容易に構築することが可能となる。

１ ＥＣＵ
２ 主発電機
３ 従属発電機
７ 電気負荷
２１ 通信インタフェース
２３ 電圧比較回路
２４、３４ 界磁制御回路
２６、３６ 固定子巻線
２７、３７ 整流器

Claims (5)

1. マスタユニットの機能を有する外部制御装置（１）と、前記外部制御装置から送信される指令情報を受信するとともに自装置の情報を前記外部制御装置に向けて送信するスレーブユニットの機能を有する主発電機（２）および従属発電機（３）とを備える車両用発電装置において、
   前記主発電機は、
   前記外部制御装置から受信した調整電圧指令と自装置の出力電圧との比較結果に基づいてデューティ比信号を出力する電圧比較手段（２３）と、
   前記電圧比較手段から出力される前記デューティ比信号に基づいて自装置の界磁電流を調節する主界磁制御手段（２４）と、
   前記主界磁制御手段によって調節される界磁電流に基づいて起電力を発生し、主整流器（２７）によってこの起電力を直流に変換した電力を車載電気負荷（７）に供給する主発電手段（２６、２７）と、
   前記電圧比較手段から出力される前記デューティ比信号を前記外部制御装置に向けて送信する通信手段（２１）と、を備え、
   前記従属発電機は、
   前記デューティ比信号に対応する指令が前記外部制御装置から送られてきたときに、この指令に基づいて自装置の界磁電流を調節する従属界磁制御手段（３４）と、
   前記従属界磁制御手段によって調節される界磁電流に基づいて起電力を発生し、従属整流器（３７）によってこの起電力を直流に変換した電力を前記車載電気負荷に供給する従属発電手段（３６、３７）と、を備えることを特徴とする車両用発電装置。
2. 請求項１において、
   前記通信手段は、平均化処理された前記デューティ比信号を前記外部制御装置に向けて送信することを特徴とする車両用発電装置。
3. 請求項２において、
   前記主発電機と前記従属発電機は、同一の発電電力の供給能力を有することを特徴とする車両用発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記電圧比較手段と、前記従属界磁制御手段との間に、前記デューティ比信号の周波数特性を調節する補償手段（１０２１）を備えることを特徴とする車両用発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、
   前記外部制御装置、前記主発電機、前記従属発電機は、相互に車載ネットワーク（４）を介して接続されていることを特徴とする車両用発電装置。

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