JP2016201860A - 電動発電機装置 - Google Patents
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Abstract
Description
いる。
そして、車両用の電動発電機装置でも、内燃機関の出力をアシストして燃費低減に寄与するべく、回転電機を電動機として動作させる場合において、相毎の実ターン数を可変にして相毎の実ターン数を操作する構成を導入することが考えられる。
なお、特許文献3には、エンジン始動装置において、回転電機であるスタータモータの最大トルクを「圧縮乗り越し最大クランキングトルク」の60%以下に設定する構成が開示されている。しかし、この構成は、慣性マスを低減してドライバビリティを改善することを目的としており、さほど燃費低減に寄与するものではないと考えられる。
まず、回転電機は、内燃機関の出力をアシストする電動機、または、バッテリを充電する発電機として動作するものであり、各相の巻線に中間タップを設けることで、バッテリからの給電により通電される部分のターン数である実ターン数を相毎で可変にしたものである。また、駆動回路は、各相の巻線に接続する複数のインバータ回路を有し、インバータ回路の中に中間タップに接続するものが存在する。
実施例1の電動発電機装置1の構成を、図1を用いて説明する。
電動発電機装置1は、車両に設けられるものであり、車載バッテリ(以下、単にバッテリ2と呼ぶ。)からの給電により出力を発生させて内燃機関3を始動したり、内燃機関3の出力をアシストしたり、内燃機関3の出力により誘起される電圧によってバッテリ2を充電したりする(以下、電動発電機装置1をシステム1と呼ぶ。)。
そして、システム1は、図1に示すように、回転電機4、駆動回路5、および、制御手段6を備える。
ここで、実ターン数とは、巻線7U、7V、7Wのそれぞれの内、電動機としての動作においてバッテリ2からの給電により通電される部分のターン数、または、発電機としての動作において誘起電圧をバッテリ2に供給する部分のターン数である。
また、回転電機4の巻線7U〜7Wでは、電動機としての動作においてバッテリ2からの給電により通電される部分、または、発電機としての動作において誘起電圧をバッテリ2に供給する部分の抵抗値が相毎で可変であり、電流値が可変となる。
なお、以下の説明では、巻線7U1、7V1、7W1のそれぞれにおいて中間タップ8U、8V、8Wを形成しない方の端子を、U端子9U、V端子9V、W端子9Wと呼ぶ。また、巻線7U1、7U2、7V1、7V2、7W1、7W2それぞれのターン数は、説明を簡単にするため、全て同一の整数nで同じ抵抗値とする。
また、回転電機4には、回転子の磁石位置を検出する位置センサ4aが付設されている。なお、位置センサ4aは、固定子の極間隔で配置された3個のホールセンサPU、PV、PWからなる。
インバータ回路5a、5bは、両方とも、2つの半導体スイッチSが直列に接続し、かつ、2つの半導体スイッチSの直列接続が3つ並列に接続した3相ブリッジ回路である(以下、半導体スイッチSをスイッチSと呼ぶ。)。
以下の説明では、インバータ回路5aの3つの直列接続の内、中点がU端子9Uに接続するものに含まれる2つのスイッチSに関し、高電位側、低電位側のスイッチSをそれぞれスイッチSup1、Sun1と呼ぶことがある。また、中点がV端子9Vに接続するものに含まれる2つのスイッチSに関し、高電位側、低電位側のスイッチSをそれぞれスイッチSvp1、Svn1と呼ぶことがある。さらに、中点がW端子9Wに接続するものに含まれる2つのスイッチSに関し、高電位側、低電位側のスイッチSをそれぞれスイッチSwp1、Swn1と呼ぶことがある。
例えば、電動機としての動作において巻線7U、7Vに給電する場合、スイッチSup1、Svn1をオンすべきものとして選択すると、巻線7U1、7U2、7V1、7V2にバッテリ2から給電されるので、U相、V相それぞれの実ターン数は2n、2nとなり、全相の実ターン数は4nとなる。
また、スイッチSup1、Svn2をオンすべきものとして選択すると、巻線7U1、7U2、7V2にバッテリ2から給電されるので、U相、V相それぞれの実ターン数は2n、nとなり、全相の実ターン数は3nとなる。
以下、インバータ操作において、3相の巻線7U〜7Wの内、2相にバッテリ2から電圧を印加したり、2相から誘起電圧をバッテリ2に供給したりするときの全相の実ターン数として4n、2n、3nを選択するモードを、それぞれ、大モード、小モード、中モードと呼ぶ。
すなわち、大モード、小モードでの電動機としての動作では、位置センサ4aの信号に応じて、それぞれ、第1〜第3パターン、第4〜第6パターンが順次繰り返される。また、中モードでは、第7〜第9パターン、または、第10〜第12パターンが順次繰り返される。なお、中モードでは、例えば、第7パターン→第11パターン→第9パターン→第10パターン→のように、第7〜第9パターンのグループと、第10〜第12パターンのグループとを交互に繰り返すことで、巻線7U〜7WやスイッチSの発熱を分散させて抑制することができる。
まず、回転数検出手段12は、内燃機関3の回転数を検出するものであり、例えば、内燃機関3のクランク角を検出する周知構造のクランク角センサである。すなわち、回転数検出手段12は、クランクシャフトの外周に設けた突起でクランク角を検出するものであり、内燃機関3の点火制御や燃料噴射制御に使用されている。
次に、電圧検出手段13は、バッテリ2の電圧を検出するものであり、例えば、周知構造のA/D変換回路として設けられている。
まず、制御手段6は、電圧検出手段13による検出値の経時変化を用いて予測されるバッテリ2の充電収支、または、内燃機関3を始動させたときの電圧検出手段13による検出値に基づき判断されるバッテリ2の充電状態に応じて、回転電機4を電動機として動作させるか否かを決める。
具体的には、制御手段6は、内燃機関3の回転数に対して2つの閾値C1、C2(C1<C2)を有する。そして、制御手段6は、回転数検出手段12による検出値が閾値C1よりも小さいときに大モードを選択して回転電機4を電動機として動作させ、低速高トルクの出力で内燃機関3の出力をアシストする。
さらに、制御手段6は、回転数検出手段12による検出値が閾値C2よりも大きいときに小モードを採用して回転電機4を電動機として動作させ、高速低トルクの出力で内燃機関3をアシストする。
図4は、内燃機関3の回転数がN1(>C1)とN2(>C2)との間で推移する場合の、動作特性を例示したものである。図4において横軸は内燃機関3の回転数Neを示し、縦軸はバッテリ2と駆動回路5との間に流れる電流Iを示し、発電機として動作する場合に流れる方向をプラスとしている。また、発電機、電動機として流れる電流をそれぞれ発電電流、モータ電流と呼んで実線で示している。さらに、他の電気負荷に流れる電流を電気負荷電流と呼んで点線で示している。
そして、経時的に動作を見ると、回転数Neおよび電流Iは、発電電流の実線と、モータ電流の実線との間を往来する。
実施例1のシステム1によれば、回転電機4は、巻線7U〜7Wのそれぞれに中間タップ8U〜8Wを設けることで、実ターン数を相毎で可変にしている。
また、制御手段6は、インバータ回路5a、5bが有するスイッチSの中から、逐次、オンまたはオフするものを選択するとともに、逐次、選択すべきスイッチSを変更するインバータ操作を実行することで、回転電機4の動作を制御する。さらに、制御手段6は、インバータ操作を実行することで、相毎に実ターン数を変更する。
これにより、内燃機関3の負荷変動等に対し、回転電機4の出力を高速で変更することができる。
これにより、回転電機4を電動機として動作させることによるバッテリ2の電圧変動が他の電気負荷に及ぼす影響を低減することができる。
これにより、充電効率を高めることができる。
実施例2のシステム1は、内燃機関3の行程を判定する行程判定手段15を備える(図5参照。)。そして、制御手段6は、行程判定手段15による判定の結果に応じて、回転電機4を電動機として動作させるか否かを、行程の位置に応じて決める。
ここで、行程判定手段15の機能は、制御手段6として機能するECUにより実現する。また、行程判定手段15は、例えば、回転数検出手段12から出力される信号(クランク角を示す信号)、および、内燃機関3の吸気圧を示す信号等により、内燃機関3の行程を判定する。
本願発明の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のシステム1によれば、相毎に中間タップ8U、8V、8Wが1個ずつ設けられていたが、たとえば、中間タップ8U〜8Wを各々2個以上設けるとともに、中間タップ8U〜8Wの個数増加に応じてインバータ回路を増やしてもよい。
また、実施例の巻線7U〜7Wによれば、例えば、巻線7Uにおいて巻線7U1、7U2が直列に接続しており、巻線7U1、7U2の実ターン数を同一のnとして説明したが、巻線7U〜7Wの態様はこのようなものに限定されない。例えば、巻線7U1を、実ターン数がnである2つの巻線を並列接続することで設けてもよい。
また、回転電機4の動作を電動機と発電機との間で切り替える時期は、実施例に限定されず、車両の走行フィーリング等により適宜変更してもよい。
なお、発電、走行アシストおよびエンジンブレーキは、適宜、PWM制御等により、その度合いを調節して最適化してもよい。また、短絡モードは、内燃機関3の行程に係わらず、設定した時間、または 設定した間隔毎に実行してもよい。
Claims (8)
- バッテリ(2)からの給電により出力を発生させて内燃機関(3)の出力をアシストしたり、内燃機関(3)の出力により誘起される電圧によって前記バッテリ(2)を充電したりする車両用の電動発電機装置(1)において
前記内燃機関(3)の出力をアシストする電動機、または、前記バッテリ(2)を充電する発電機として動作するものであり、各相の巻線(7U〜7W)に中間タップ(8U〜8W)を設けることで、前記バッテリ(2)からの給電により通電される部分のターン数、または、誘起された電圧を前記バッテリ(2)に供給する部分のターン数である実ターン数を相毎で可変にした回転電機(4)と、
前記各相の巻線(7U〜7W)に接続する複数のインバータ回路(5a、5b)を有し、このインバータ回路(5a、5b)の中に前記中間タップ(8U〜8W)に接続するものが存在する駆動回路(5)と、
前記複数のインバータ回路(5a、5b)が有する半導体スイッチ(S)の中から、逐次、オンまたはオフするものを選択するとともに、逐次、選択すべき前記半導体スイッチ(S)を変更するインバータ操作を実行することで、前記回転電機(4)の動作を制御する制御手段(6)とを備え、
この制御手段(6)は、前記インバータ操作を実行することで、相毎に前記実ターン数を変更することを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項1に記載の電動発電機装置(1)において、
前記内燃機関(3)の回転数を検出する回転数検出手段(12)を備え、
前記制御手段(6)は、前記内燃機関(3)の回転数に対する閾値(C1、C2)を有し、前記回転数検出手段(12)による検出値と前記閾値(C1、C2)との比較の結果に応じて、相毎に前記実ターン数を変更することを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項1または請求項2に記載の電動発電機装置(1)において、
前記内燃機関(3)の行程を判定する行程判定手段(15)を備え、
前記制御手段(6)は、前記行程判定手段(15)による判定の結果に応じて、前記回転電機(4)を前記電動機として動作させるか否かを決めることを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項3に記載の電動発電機装置(1)において、
前記回転電機(4)を前記電動機として動作させる期間には、前記行程判定手段(15)により圧縮行程であると判定された時期が含まれることを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項1ないし請求項4の内のいずれか1つに記載の電動発電機装置(1)において、
前記制御手段(6)は、相毎に前記実ターン数を変更することで、全相の前記実ターン数を3通り以上の数値(2n、3n、4n)の中から選択することを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項1ないし請求項5の内のいずれか1つに記載の電動発電機装置(1)において、
前記バッテリ(2)の電圧を検出する電圧検出手段(13)を備え、
前記制御手段(6)は、前記電圧検出手段(13)による検出値の経時変化を用いて予測される前記バッテリ(2)の充電収支、または、前記内燃機関(3)を始動するときの前記電圧検出手段(13)による検出値に基づき、前記回転電機(4)を前記電動機として動作させるか否かを決めることを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項1ないし請求項6の内のいずれか1つに記載の電動発電機装置(1)において、
前記制御手段(6)は、前記インバータ操作でオンすべきものとして選択されていない前記半導体スイッチ(S)に付随する寄生ダイオードによる前記バッテリ(2)の充電を制御することを特徴とする電動発電機装置(1)。 - 請求項1ないし請求項7の内のいずれか1つに記載の電動発電機装置(1)において、
前記制御手段(6)は、前記インバータ操作により、前記各相の巻線(7U〜7W)に誘起される電圧を短絡させる短絡モードを有することを特徴とする電動発電機装置(1)。
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