JP2023085655A - 発電機の負荷を低減させるための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リップル波形を新車のオルタネータが発する理想的な波形に戻すとともに、リップルに現れるノイズを低減させることによって、オルタネータの負荷を低減させる装置を提供する。【解決手段】 装置は、複数のコンデンサと、複数のコンデンサが互いに並列接続になるように複数のコンデンサの各々の足を接続する内部配線と、複数のコンデンサと内部配線とを収容するケースと、内部配線に連結され、ケースの外部に配置される外部配線とを備える。複数のコンデンサは、容量が０．２２μＦの第１のコンデンサ及び容量が０．２７μＦの第２のコンデンサのいずれか一方又は両方と、容量が０．２７μＦより大きい第３のコンデンサと、容量が０．２２μＦより小さい第４のコンデンサとを、それぞれ少なくとも１つずつ含む。【選択図】 図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 令和２年１２月１４日、１２月１５日、及び１２月１７日に、発明の新規性の喪失の例外の規定の適用を受けるための証明書に添付した別紙に記載の販売先に販売

本発明は、発電機の負荷を低減させるための装置に関し、より具体的には、例えば自動車のオルタネータなどの発電機からバッテリに供給される発電出力のリップル波形を理想的な波形に近づけることによって発電機の負荷を低減させるための装置に関する。

二次電池の一種である鉛バッテリは、他の二次電池と比較して安価で、比較的高い電圧を取り出すことができることから、自動車及び二輪車のバッテリ、商用電源のバックアップ電源、バッテリ駆動のフォークリフトなどの電動自動車用電源、小型飛行機のバッテリ、無停電電源装置の電源などとして広く用いられている。鉛バッテリは、充電及び放電が繰り返されたり、使用されないまま放置されたりすると、電気容量が大幅に低下する場合がある。その主な要因は、サルフェーションである。特許文献１には、共振用コイルと共振用コンデンサとを直列につないだ共振回路を用いて、鉛バッテリの容量を回復させるとともに、回復させた鉛バッテリの容量低下を防止するための装置が提案されている。

ところで、例えば自動車においては、駆動中のエンジンの動力を利用して発電する交流発電機であるオルタネータが搭載されている。オルタネータによって発電された電気は、バッテリを充電したり、車内の電装品（例えば、オーディオ機器など）を動作させたりするために利用される。オルタネータから整流器を介してバッテリに供給される電気の電圧波形をオシロスコープで確認すると、波形には残留する交流成分が見られる。この交流成分は、リップル（脈流／脈圧）といわれる。リップルは、バッテリの充電に必要であるとされている。

特許第５２４８２０１号

オルタネータなどの交流発電機によって発電され、整流器を介してバッテリに供給される電気のリップルは、その周波数や振幅の大きさに特に制約はないが、例えば新車の場合には、振幅が概ね５０ｍＶ～１００ｍＶの比較的きれいな波形となっており、時間が経つにつれて振幅が２００ｍＶを超えるまでに大きくなることがある。バッテリの充電性能や、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）及び車内の電装品の動作にとっては、新車時のリップル波形が最適であると考えられ、リップル波形の振幅が大きくなるにしたがって、充電性能が低下したり、電装品の動作に悪影響を及ぼしたり（例えば、ノイズの増大など）ことがある。

リップルの波形は、発電機及びバッテリの長期間の使用によって理想的な波形から歪み、振幅が大きくなる。また、発電機の起動又は停止に伴って発生するスパイクノイズ（リンギング）も存在する。さらに、発電機やバッテリから電気が供給されるＥＣＵや電装品は、それらの内部電源等から高い周波数の電磁波が発生している。プラグの点火時にも逆起電力に起因するノイズが発生する。これらの電磁波やノイズは、車内で最も電圧が高く電圧の変動が大きい発電機内のＩＣレギュレータに車体などを介して集まる。これらのスパイクノイズや電磁波等は、リップル波形に重畳されたノイズとして現れる。

リップルの波形が変形したり、リップル波形にノイズが重畳されたりすると、発電機によって発電される電気の電流・電圧を打ち消し、発電機の負荷を増大させ、ひいてはバッテリの充電性能の低下、電装品の動作不安定につながる。

したがって、本発明は、リップルの波形を理想的な波形に近づけることができるとともに、リップルに現れるノイズを低減させることによって、発電機の負荷を低減させる装置を提供することを課題とする。

本発明の発明者は、リップル波形に重畳されたノイズ及びリップル波形の振幅を小さくするために、それぞれのノイズ低減及び振幅減少への寄与に対応するコンデンサを用いることによって、ノイズを低減するとともにリップル波形を理想的な波形に近づけることができ、その結果、オルタネータの負荷を低減させることができることを見出した。

本発明にかかる発電機負荷低減装置は、複数のコンデンサと、複数のコンデンサが互いに並列接続になるように複数のコンデンサの各々の足を接続する内部配線と、複数のコンデンサと内部配線とを収容するケースと、内部配線に連結され、ケースの外部に配置される外部配線とを備える。複数のコンデンサは、容量が０．２２μＦの第１のコンデンサ及び容量が０．２７μＦの第２のコンデンサのいずれか一方又は両方と、容量が０．２７μＦより大きい第３のコンデンサと、容量が０．２２μＦより小さい第４のコンデンサとを、それぞれ少なくとも１つずつ含む。

容量が０．２２μＦの第１のコンデンサの数は、４つであることが好ましい。また、容量が０．２７μＦの第１のコンデンサの数も、４つであることが好ましい。

第１のコンデンサ及び第２のコンデンサのいずれか一方が複数含まれる場合、又は、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの両方が少なくとも１つずつ含まれる場合には、本装置は、それぞれのコンデンサ間の足及び内部配線によるインダクタンスを調整して、それぞれのコンデンサの容量が互いに遮断されるように構成されることが好ましい。このとき、インダクタンスは、１ｎＨ～１０ｎＨであることが好ましい。

第３のコンデンサは、等価直列抵抗（ＥＳＲ）ができるだけ小さく、かつ、発電機から整流器を介してバッテリに供給される直流電圧中に残留する交流成分であるリップルの振幅が所定範囲まで低減されるように選択されたものであることが好ましい。リップルの振幅は、５０ｍＶ～１００ｍＶであることが好ましい。

第３のコンデンサは、１つであり、その容量は２２μＦであることが好ましい。別の実施形態においては、第３のコンデンサは、複数であり、容量が２２μＦの１つのコンデンサと、容量が０．２７μＦより大きく２２μＦより小さい１つ又は複数コンデンサとを含むことが好ましい。

第４のコンデンサは、発電機から整流器を介してバッテリに供給される直流電圧中に残留する交流成分であるリップルに重畳された高周波ノイズを低減させるために、ｋＨｚ帯域からＭＨｚ帯域のノイズを吸収しやすい容量を有し、かつ、最大電圧に耐えることができるコンデンサであることが好ましい。

エンジンが作動している自動車においてバッテリの正極と負極との間の電圧をオシロスコープによって測定したときに検出されるリップル波形の模式図である。 本発明の一実施形態による発電機負荷低減装置の構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態による発電機負荷低減装置が自動車等に搭載されるバッテリに接続された状態を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による発電機負荷低減装置が自動車等に搭載されるバッテリに接続された状態を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による装置の効果を示す写真である。 新品のバッテリにおいて測定されたリップル波形を示す写真である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

自動車のオルタネータによって発電される電気のリップル波形は、例えば新車のオルタネータの場合には、振幅が概ね５０ｍＶ～１００ｍＶの比較的きれいな波形となっており、時間が経つにつれて振幅が２００ｍＶを超えるまでに大きくなることがある。バッテリの充電や、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）及び車内の電装品の動作にとっては、新車時のリップル波形が最適であると考えられ、リップル波形の振幅が大きくなるにしたがって、充電性能が低下したり、電装品の動作に悪影響を及ぼしたりする（例えば、ノイズの増大など）ことがある。また、オルタネータやバッテリから電気が供給されるＥＣＵ及び電装品は、それらの内部電源から高い周波数のノイズや電磁波が発生する。プラグの点火時にも逆起電力によるノイズが発生する。さらに、オルタネータの起動又は停止に伴って発生する、望ましくないスパイクノイズ（リンギング）も存在する。これらのノイズや電磁波は、リップル波形に重畳されたノイズとして現れる。

すなわち、新車ではなくある程度走行した自動車においては、バッテリの正極と負極との間の電圧をオシロスコープによって測定したときに検出されるリップル波形には、以下の問題がある。
（１）経時変化により、リップル波形の振幅が理想的な波形より大きくなっている
（２）電装品等やプラグ点火に起因する高い周波数のノイズがみられる
（３）オルタネータの起動又は停止に起因するスパイクノイズがみられる
図１には、（１）～（３）のような特徴を有するリップル波形の一例を示す。図１のＡは（３）のスパイクノイズであり、Ｂは（２）のノイズであり、Ｃは振幅が大きくなった（１）のリップル波形である。リップル波形にこれらの（１）～（３）の特徴が生じた場合には、オルタネータの本来の能力が低下するという問題がある。本発明に係る発電機負荷低減装置（以下、単に「装置」という）は、（１）リップル波形の振幅を理想的な振幅に戻し、（２）のノイズ及び（３）のスパイクノイズを低減させることができる。

図２は、本発明の一実施形態による装置１の構造を示す。また、図３及び図４は、装置１がバッテリ２に接続された状態を示すブロック図である。装置１は、オルタネータ３によって発電された電気が充電されるバッテリ２の正負の端子間に並列に接続される。符号４は整流器である。装置１は、図２に示されるように、第１のコンデンサ群Ｃ１、第２のコンデンサ群Ｃ２、第３のコンデンサ群Ｃ３、及び第４のコンデンサ群Ｃ４を備える。コンデンサ群Ｃ１～Ｃ４は、いずれも１つ又は複数のコンデンサを含む。用いられるコンデンサは、フィルムコンデンサが好ましく、メタライズドフィルムコンデンサがより好ましい。コンデンサ群Ｃ１～Ｃ４の各々に複数のコンデンサが含まれる場合、コンデンサ群Ｃ１～Ｃ４は、互いに並列の関係になるように、内部配線１２ａ、１２ｂに接続される。

コンデンサ群Ｃ１～Ｃ４と、これらのコンデンサ群が接続された内部配線１２ａ、１２ｂは、ケース１４に収容される。ケース１４の材質は、特に限定されるものではないが、エンジン内の熱に対する耐熱性、放熱性及び軽量化等の観点から、アルミニウムを用いることが好ましい。内部配線１２ａ、１２ｂは、それぞれ、ケース１４の外部に配置される外部配線１６ａ、１６ｂに接続される。外部配線１６ａ、１６ｂは、それぞれ、バッテリ２の正負の端子に接続される。内部配線１２ａ、１２ｂの長さは、それぞれ、後述されるインダクタンスを適切な値にする観点から決定され、好ましくは６０～８０ｍｍである。内部配線１２ａ、１２ｂの直径もまた、インダクタンスの観点から決定され、好ましくは６ｍｍ（８ｓｑ）である。外部配線１６ａ、１６ｂの長さは、特に限定されるものではなく、適宜選択されるが、１５００ｍｍより短いことが好ましい。

コンデンサ群Ｃ１～Ｃ４、及び、各コンデンサ群Ｃ１～Ｃ４の各々に含まれる複数のコンデンサは、限定されるものではないが、外部配線１６ａ、１６ｂに近い方から遠い方に向かって容量の大きな順に配置されることが好ましい。これらのコンデンサ群及びコンデンサを、外部配線１６ａ、１６ｂに近い方から遠い方に向かって容量の小さい順に配置した場合や、容量の順をばらばらに配置した場合には、上記（１）～（３）の効果が低下したり、効果が現れるまでに時間がかかったりする場合がある。

装置１は、第１のコンデンサ群Ｃ１及び第２のコンデンサ群Ｃ２のいずれか一方又は両方を備える。第１のコンデンサ群Ｃ１は、容量が０．２２μＦのコンデンサ（第１のコンデンサ）を少なくとも１つ含み、好ましくは４つ含む。第２のコンデンサ群Ｃ２は、容量が０．２７μＦのコンデンサ（第２のコンデンサ）を少なくとも１つ含み、好ましくは４つ含む。第１のコンデンサ群Ｃ１及び第２のコンデンサ群Ｃ２は、上記（３）に対応する問題を解決することができるものであり、オルタネータの起動又は停止に起因するスパイクノイズを低減させる役割を持つ。

第１のコンデンサの容量０．２２μＦ及び第２のコンデンサの容量０．２７μＦは、経験的に決定されたものである。本出願の発明者は、これまでの研究開発によって、これらの容量のコンデンサがスパイクノイズの低減に効果的であり、車種の違いによって、これらの容量のコンデンサのいずれか一方又は両方が有効であることを突き止めていた。第１のコンデンサ群Ｃ１に含まれるコンデンサの数、及び第２のコンデンサ群Ｃ２に含まれるコンデンサの数は、それぞれ４つであることが好ましい。コンデンサの数がそれぞれ４つであれば、ほとんど全ての車種において、スパイクノイズを低減させることができるとともに、スパイクノイズが低減した箇所のリップルの高さを理想的な振幅である５０ｍＶ～１００ｍＶにすることができる。

装置１が、第１のコンデンサ群Ｃ１及び第２のコンデンサ群Ｃ２のいずれか一方を有し、そこに複数のコンデンサが含まれる場合、又は、装置１が、第１のコンデンサ群Ｃ１及び第２のコンデンサ群Ｃ２の両方を含み、それぞれに少なくとも１つずつコンデンサが含まれる場合には、それぞれのコンデンサ間の足及び内部配線によるインダクタンスを調整して、それぞれのコンデンサの容量が遮断されるように構成する。すなわち、通常、複数のコンデンサを並列に接続すると、それぞれのコンデンサの容量が加算される。したがって、例えば０．２２μＦのコンデンサを単に４つ並列接続したときには、０．８８μＦの容量のコンデンサを１つ用いた状態と等しくなる。しかし、本発明においてはこのような状態は好ましくなく、０．２２μＦの容量のコンデンサが４つ、それぞれ独立の容量が維持された状態であることが必要である。０．２７μＦの４つのコンデンサについても同様である。

そこで、本発明においては、複数のコンデンサの各容量を遮断する（すなわち、合計値にならない）ように、各コンデンサ間の配線のインダクタンスを調整した。各コンデンサ間の配線は、コンデンサの足と、隣接するコンデンサの足の間を接続する、内部配線１２ａ、１２ｂの一部と、からなる。コンデンサとその配線とからなる回路は、配線をコイルとする、コイルとコンデンサとの直列共振回路であると考えられる。本出願の発明者は、コイルすなわち配線の抵抗を適切な値にすることによって、共振回路の状態を維持しながらスパイクノイズを小さくできることを見出した。装置１において、第１のコンデンサ群Ｃ１及び第２のコンデンサ群Ｃ２における複数のコンデンサ間の配線は、１ｎＨ～１０ｎＨのインダクタンスを有するものであることが好ましい。

装置１は、第３のコンデンサ群Ｃ３を備える。このコンデンサ群Ｃ３は、上記（１）に対応する問題を解決し、リップル波形の振幅を理想的な振幅に近づける役割を持つ。第３のコンデンサ群Ｃ３は、第２のコンデンサ群Ｃ２に含まれる容量０．２７μＦのコンデンサより容量の大きなコンデンサ（第３のコンデンサ）を少なくとも１つ含む。

第３のコンデンサ群Ｃ３に含まれる第３のコンデンサは、コンデンサの等価直列回路における抵抗（等価直列抵抗、ＥＳＲ）ができるだけ小さく、かつ、リップルの振幅が所定範囲まで低減されるように選択される。リップルの振幅の所定範囲は、５０ｍＶ～１００ｍＶであることが好ましい。一実施形態においては、第３のコンデンサ群Ｃ３は、２２μFの容量のコンデンサを１つ含むことが好ましい。

ここで、第３のコンデンサとして２２μＦのコンデンサを用いた場合には、約１００ｋＨｚまでの周波数のリップルの振幅を所定範囲まで低減させることができる。しかし、２２μＦのコンデンサは、リップルの周波数が約８０ｋＨｚより高くなるにつれて、振幅を低減させる効果が次第に低下する。そこで、こうした周波数帯における効果の低下を補完する目的で、例えばリップルの周波数が５０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの範囲において振幅を低減させる効果を有するコンデンサを追加することが好ましい。したがって、別の実施形態においては、容量２２μＦのコンデンサに加えて、０．２７μＦより大きく２２μＦより小さい容量の少なくとも１つのコンデンサを第３のコンデンサとして第３のコンデンサ群Ｃ３に追加することが好ましい。例えば、限定するものではないが０．３９μＦの容量のコンデンサを追加することによって、５０ｋＨｚから８０ｋＨｚ程度の周波数のリップルの振幅を所定範囲まで低減させることができる。

装置１は、第４のコンデンサ群Ｃ４を備える。このコンデンサ群Ｃ４は、上記（２）に対応する問題を解決し、電装品等やプラグ点火に起因する高周波ノイズを低減させる役割を持つ。第４のコンデンサ群Ｃ４は、第１のコンデンサ群Ｃ１に含まれる容量０．２２μＦのコンデンサより容量の小さなコンデンサ（第４のコンデンサ）を少なくとも１つ含む。

第４のコンデンサ群に含まれる第４のコンデンサは、リップルに重畳された高周波ノイズを低減させることができることができるように、ｋＨｚ帯（好ましくは約１００ｋＨｚ）からＭＨｚ帯域のノイズを吸収しやすい容量のコンデンサを選択することが好ましい。また、リップルの最大振幅、すなわちスパイクノイズの最大電圧にも耐えられる性能のコンデンサを選択することが好ましい。第４のコンデンサの容量及び個数は、特に限定されるものではなく、電装品等やプラグ点火に起因する高い周波数の電磁波ノイズが効果的に低減されるように、適宜選択すればよい。

実験には、乗用車（トヨタビッツ、平成１７年６月式、型式ＤＢＡ－ＳＣＰ９０）を用いた。乗用車に搭載されたバッテリは、ＧＳユアサ製スタンダードタイプ、サイズ４６Ｂ２４Ｌであり、使用年数は２年以上３年未満であった。本発明にかかる装置を接続することなく乗用車のエンジンを始動させ、バッテリの電極間に接続されたオシロスコープ（ＯＷＯＮ社製 ＨＤＳ１０２１Ｍ－Ｎ）により、アイドリング時のリップル波形を検出した。次に、本発明にかかる装置をバッテリ端子間に取り付け、１５分間、一般道路を走行した後、アイドリング時のリップル波形を同じオシロスコープで検出した。

装置は、１６個のメタライズドフィルムコンデンサを用いて構成されたものであった。各コンデンサの容量及び個数は、以下のとおりである。２本の内部配線及び外部配線の各々は、直径６ｍｍ（８ｓｑ）、長さ６５ｃｍの銅線である。
２２μＦ×１個
０．３９μＦ×１個
０．２７μＦ×４個
０．２２μＦ×４個
０．１８μＦ×１個
０．１２μＦ×４個
０．０１８μＦ×１個
なお、本装置は、本装置を別の乗用車のバッテリに接続した状態で、一週間、乗用車の運転・電装品の使用を繰り返すことによって、エージングを行った。

図５（ａ）は、装置を接続しない状態で測定されたリップル波形である。横軸（時間軸）は１マスが１０ｍｓ、縦軸（電圧軸）は１マスが５０ｍＶである。図５（ｂ）は、装置を接続した状態で測定されたリップル波形である。横軸（時間軸）は１マスが５ｍｓ、縦軸（電圧軸）は１マスが５０ｍＶである。本発明にかかる装置を接続していないときの最大のスパイクノイズは、図５（ａ）の中央に現れたスパイクノイズであり、これは、リップルの谷の部分に発生している。このスパイクノイズは、高さが約２５０ｍＶであった。これに対して、装置を接続したときの最大のスパイクノイズは、図５（ｂ）の中央に現れた谷の部分のスパイクノイズであり、これは、約８０ｍＶであった。また、リップルの山の部分に発生した最大のスパイクノイズは、図５（ａ）では約７０mＶであったが、図５（ｂ）では約４０ｍＶであった。したがって、装置の接続によってスパイクノイズが低減したことがわかる。

図５（ｂ）の４０ｍＶのスパイクノイズの部分を、横軸を１００μｓまで拡大したときの波形を図５（ｃ）に示す。スパイクノイズのリンギングの下半分がなくなっており、理想的な直流波形に近づいていることがわかる。

なお、図６は、別の乗用車（トヨタポルテ、平成１９年式、型式ＣＢＡ－ＮＮＰ１５）において本発明にかかる装置を取り付けることなく測定された、アイドリング時のリップル波形である。この自動車のバッテリ（オートバックス ＧＡＩＡ ＧＯＬＤ Ｎ－５５Ｒ／８０Ｂ２４Ｒ）は新品であった。横軸（時間軸）は１マスが１０ｍｓ、縦軸（電圧軸）は１マスが１００ｍＶである。図６から、リップルの振幅は８０ｍＶ～１００ｍＶ、谷の部分のスパイクノイズは約１９０ｍＶ、山の部分のスパイクノイズは約６０ｍＶであった。バッテリが新品であれば、リップル波形の振幅が５０ｍＶ～１００ｍＶの理想的な波形に近いことがわかる。

１ 発電機負荷低減装置
２ バッテリ
３ オルタネータ
４ 整流器

Claims (10)

1. 発電機の負荷を低減させるための装置であって、
   発電機によって発電された電気が充電されるバッテリの正負の端子間に並列に接続され、
   容量が０．２２μＦの第１のコンデンサ及び容量が０．２７μＦの第２のコンデンサのいずれか一方又は両方と、容量が０．２７μＦより大きい第３のコンデンサと、容量が０．２２μＦより小さい第４のコンデンサとを、それぞれ少なくとも１つずつ含む、複数のコンデンサと、
   前記複数のコンデンサが互いに並列接続になるように前記複数のコンデンサの各々の足を接続する内部配線と、
   前記複数のコンデンサと前記内部配線とを収容するケースと、
   前記内部配線に接続され、前記ケースの外部に配置される外部配線と
   を備える装置。
2. 前記第１のコンデンサの数は４つである、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２のコンデンサの数は４つである、請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサのいずれか一方が複数含まれる場合、又は、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの両方が少なくとも１つずつ含まれる場合に、それぞれのコンデンサ間の足及び内部配線によるインダクタンスを調整して、それぞれのコンデンサの容量が互いに遮断されるように構成された、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の装置。
5. 前記インダクタンスは１ｎＨ～１０ｎＨである、請求項４に記載の装置。
6. 前記第３のコンデンサは、等価直列抵抗（ＥＳＲ）ができるだけ小さく、かつ、発電機から整流器を介してバッテリに供給される直流電圧中に残留する交流成分であるリップルの振幅が所定範囲まで低減されるように選択されたものである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
7. 前記リップルの振幅は５０ｍＶ～１００ｍＶである、請求項６に記載の装置。
8. 前記第３のコンデンサは１つであり、その容量は２２μＦである、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の装置。
9. 前記第３のコンデンサは、複数であり、容量が２２μＦの１つのコンデンサと、容量が０．２７μＦより大きく２２μＦより小さい１つ又は複数コンデンサとを含む、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の装置。
10. 前記第４のコンデンサは、発電機から整流器を介してバッテリに供給される直流電圧中に残留する交流成分であるリップルに重畳された高周波ノイズを低減させるために、ｋＨｚ帯域からＭＨｚ帯域のノイズを吸収しやすい容量を有し、かつ、前記装置にかかる最大電圧に耐えることができるコンデンサである、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の装置。
    
    

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