JP2526667B2

JP2526667B2 - 充電発電装置

Info

Publication number: JP2526667B2
Application number: JP1142442A
Authority: JP
Inventors: 慎二西村; 和敏金行
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-06-05
Filing date: 1989-06-05
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: DE69023955T2; JPH0311999A; DE69023955D1; KR930010169B1; EP0401758A3; KR910002100A; EP0401758A2; US5059886A; EP0401758B1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は特に広範囲な回転速度領域で使用される充
電発電装置に関する。

［従来の技術］この種の充電発電装置、特に、自動車用として従来か
ら一般に用いられている充電発電装置は、第12図に示す
回路構成とされている。すなわち、発電機（１）は電機
子コイル（101）と界磁コイル（102）を有している。そ
して、６個のダイオードからなり上記発電機（１）の交
流出力電圧を整流する三相全波整流器（２）が設けら
れ、この三相全波整流器（２）のプラス側出力端にはダ
イオード（902）を介してバッテリ（４）のプラス側端
子が接続されている。また、バッテリ（４）のプラス側
端子には上記界磁コイル（102）の一端が接続されてい
る。界磁コイル（102）の他端はトランジスタ（301）の
コレクタに接続され、また、ダイオード（302）を介し
てバッテリ（４）のプラス端子側に接続されている。そ
して、このトランジスタ（301）のベースには界磁コイ
ル（102）に流れる界磁電流を制御して発電機（１）の
出力を増減しバッテリ端子電圧を調整する電圧調整器
（３）の出力端が接続されている。上記三相全波整流器
（２）の出力端は、また、別のトランジスタ（901）の
コレクタに接続され、このトランジスタ（901）のベー
スにはトランジスタ（901）を開閉して発電機（１）の
短絡電流を制御する制御回路（903）が接続されてい
る。

上記充電発電装置において、バッテリ（４）から界磁
コイル（102）およびトランジスタ（301）を通って界磁
電流が流れ、図示しないエンジンによって発電機（１）
が駆動されると、電機子コイル（101）に交流電圧が誘
起される。そして、これが三相全波整流器（２）で整流
されバッテリ（４）に印加されることによって充電が行
われる。その際、バッテリ（４）の端子電圧が所定値よ
り高くなると、電圧調整器（３）はトランジスタ（30
1）を開成し界磁電流を減らして発電機（１）の誘起電
圧を下げ、また、バッテリ（４）の端子電圧が所定値よ
り低くなると、電圧調整器（３）は再びトランジスタ
（301）を閉成し界磁電流を増やして誘起電圧を上昇さ
せる。このようにしてバッテリ（４）の端子電圧が所定
値に制御される。また、例えばエンジンの回転数が低く
て、界磁電流を最大にしてもバッテリ（４）を充電する
だけの誘起電圧が得られないときは、制御回路（903）
が三相全波整流器（２）の出力端に接続された上記トラ
ンジスタ（901）を閉成して発電機（１）に短絡電流を
流し、次いでこのトランジスタ（901）を開成する。こ
のようにトランジスタ（901）を閉成した後これを開成
すると、電機子コイル（101）に流れていた電流は、電
機子コイル（101）のインダクタンスによって急には零
にならないので、ダイオード（902）を通ってバッテリ
（４）に充電電流が流れる。

［発明が解決しようとする課題］上記従来の充電発電装置の構成では、高速回転時には
出力電流は電機子反作用に比例する大きさのものしか流
れず、仮にトランジスタ（901）が開閉しても発電機出
力は向上しないばかりかかえって低下してしまい十分な
出力が得られないという問題があった。

この発明は、このような問題点を解消するためになさ
れたもので、低回転から高回転までの広い領域で発電機
が出力し得る最大の出力を充電電圧一定の下に取り出
し、しかも発電効率を高めることのできる充電発電装置
を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係る充電発電装置は、発電機の出力端に昇
降圧回路を接続し、該昇降圧回路の出力端にバッテリを
接続して、昇降圧回路の昇降圧比を調整することにより
回転速度にかかわらず出力電圧を一定に制御するように
したものである。

［作用］この発明において、昇降圧回路は発電機の運転状態に
よって昇降圧比が任意に選定され、発電電圧がバッテリ
電圧より低いときはこれを昇圧した電圧を出力して充電
を可能ならしめ、発電電圧がバッテリ電圧より高いとき
は、降圧して一定出力で出力し、同時に、発電機の電機
子電流を減らして発電効率を高める。

［実施例］第１図はこの発明による充電発電装置の一実施例を示
す回路図である。この実施例において、発電機（１）は
電機子コイル（101）と界磁コイル（102）を有する。そ
して、６個のダイオードからなり上記発電機（１）の交
流出力を整流する三相全波整流器（２）が設けられ、こ
の三相全波整流器（２）の出力端は、発電機（１）の出
力電圧を昇降圧する昇降圧回路（５）を介してバッテリ
（４）に接続されている。また、バッテリ（４）のプラ
ス側端子には上記界磁コイル（102）の一端が接続され
ている。界磁コイル（102）の他端はトランジスタ（31
1）のコレクタに接続され、また、ダイオード（312）を
介してバッテリ（４）のプラス端子側に接続されてい
る。そして、このトランジスタ（311）のベースには界
磁コイル（102）に流れる界磁電流を制御する第１の制
御回路（31）の出力端が接続されている。

上記昇降圧回路（５）は、NPNトランジスタ（501）と
リアクトル（502）とダイオード（503）とからなるもの
であって、NPNトランジスタ（501）のエミッタは三相全
波整流器（２）のマイナス側出力端に接続され、コレク
タは、リアクトル（502）を介して三相全波整流器
（２）のプラス側出力端に接続されるとともにダイオー
ド（503）を介してバッテリ（４）のプラス側端子に接
続され、また、バッテリのマイナス側端子は三相全波整
流器（２）のプラス側出力端に接続され、これにより極
性反転チョッパ回路を構成している。そして、そのNPN
トランジスタ（501）のベースは、バッテリ（４）の電
圧と発電機（１）の出力電圧を検出して該トランジスタ
（501）の開閉制御を行う第２の制御回路（６）に接続
されている。

次に上記実施例の動作を説明する。

上記回路において、バッテリ（４）から界磁コイル
（102）およびトランジスタ（311）を通って界磁電流が
流れ、図示しないエンジンによって発電機（１）が駆動
されると、電機子コイル（101）に交流電圧が誘起され
三相全波整流器（２）で整流される。このとき、昇降圧
回路（５）のトランジスタ（501）が閉成すると、三相
全波整流器（２）のプラス側端子からリアクトル（50
2）およびトランジスタ（501）を通って三相全波整流器
（２）のマイナス側端子に電流が流れ、次にトランジス
タ（501）が開成するとリアクトル（502）に流れていた
電流は急に零にはならないため、ダイオード（503）を
通ってバッテリ（４）を充電する。

ここで、発電機（１）の出力電圧を整流した直流電圧
をV₁、バッテリ（４）の端子電圧をV₂、トランジスタ
（501）の閉成時間をT₁、同じく開成時間をT₂とする
と、V₂＝V₁（T₁/T₂）となることはよく知られている
（例えば、電気学会大学講座基礎電気機器学 1986年
電気学会 172頁参照）。つまり、T₁とT₂の比を変
えることにより昇降圧比V₂/V₁を自由に選ぶことができ
る。したがって、バッテリ（４）の充電電圧を所定の値
に保ち、かつ、発電機（１）の出力電圧を任意に選ぶこ
とができる。

第２図は外部負荷特性曲線の一例であり、縦軸に電圧
を、横軸に電流をとり、発電機（１）の回転速度を一定
とし、界磁電流を一定（ここでは最大の界磁電流）とし
たときの発電機（１）の出力可能な電圧，電流を曲線Ｐ
で表している。従来の装置では、最大出力電流を得る状
態は点ａで表され、このときの発電機（１）の出力電圧
はV₂、出力電流はI₀である。一方、この実施例では発電
機（１）の出力電圧を任意に選ぶことができ、例えば、
発電機の出力電圧をV₁とすると、点ｂの状態となり、発
電機の出力電流はI₁となる。このとき、昇降圧回路
（５）の昇降圧比を調整して電圧をV₂まで下げると、昇
降圧回路（５）の出力電流I₂はI₂＝I₁×（V₁/V₂）とな
り、充電発電装置の出力状態は曲線Ｑ上の点ｃとなる。
すなわち、図から明らかなように飛躍的は出力向上が可
能である。しかも、出力が向上したにもかかわらず発電
機（１）に流れる電流は従来比（I₁/I₀）倍であって、I
²Rで表される銅損も（I₁/I₀）^２倍と従来より小さくな
る。また、図の点ｄは、曲線Ｐ上の電流×電圧が最大の
点であって、このときの発電機（１）の出力電圧は
V₁₀、出力電流はI₁₀で表される。このとき発電電圧がV
₁₀となるよう昇降圧比を選んで昇降圧回路の出力電圧を
V₂まで下げると、曲線Q₁上の点ｅの状態となり、出力電
流はI₂₀となって最大電流が得られる。ここで、曲線Ｑ
及びQ₁は電圧×電流＝一定を表す双曲線である。

第３図は外部負荷特性曲線の他の例を示している。こ
の特性曲線は比較的回転速度が低い場合の例であって、
発電機（１）が出力可能な電圧，電流を曲線P₁で表して
いる。この場合も、発電機（１）の出力電圧は任意に選
べるから、例えば、発電機（１）の出力電圧をV₃とする
と点ｇの状態となって、発電機（１）の出力電流はI₁₁
となる。そして、昇降圧回路（５）の昇降圧比を調整し
て電圧をV₂まで上げると、昇降圧回路（５）の出力電流
I₀₂は、I₀₂＝I₁₁×（V₃/V₂）となり、充電発電装置の出
力状態は曲線Q₂上の点ｈとなって、図からも明らかなよ
うに飛躍的な出力向上が可能である。また、点ｉは曲線
P₁上の電圧×電流が最大の点であり、このときの発電機
（１）の出力電圧はV₃₀、出力電流はI₁₁₀で表される。
このとき、そして、発電電圧がこのV₃₀になるよう昇降
圧比を選んで昇降圧回路の出力電圧をV₂まで上げれば、
曲線Q3上の点ｊの状態となって出力電流はI₀₂₀となり最
大電流が得られる。ここで、曲線Q₂及びQ₃は電圧×電流
＝−定を表す双曲線である。

第４図は第２の制御回路（６）の構成を示している。
この制御回路（６）は、電圧比較器（611）と抵抗（61
2）とコンデンサ（613）とからなる第１の微分器（61
0）と、同じく電圧比較器（621）と抵抗（622）とコン
デンサ（623）とからなる第２の微分器（620）と、これ
ら二つの微分器（610），（620）の出力を入力とする排
他的論理和演算器（EX−OR）（630）と、このEX−OR（6
30）の出力を反転する反転器（631）と、反転器（631）
の出力端に接続された抵抗（641）及びコンデンサ（64
2）からなる積分器（640）と、演算増幅器（651）と抵
抗（652），（653），（654），（655）とで構成され一
入力端が上記積分器（640）の出力端に接続され他の入
力端が上記第２の微分器（620）の入力端に接続された
誤差増幅器（650）と、反転入力端が上記誤差増幅器（6
50）の出力端に接続され非反転入力端が三角波発生器
（670）に接続された電圧比較器（660）とで構成されて
いる。

上記電圧比較器（660）の出力端は昇降圧回路（５）
のトランジスタ（501）のベースに接続されている。ま
た、第１の微分器（610）の入力はバッテリ（４）のプ
ラス側端子に接続され、第２の微分器（620）の入力端
は第５図に示す電圧反転回路（680）を介して前記三相
全波整流器（２）のマイナス側出力端に接続されてい
る。電圧反転回路（680）は、演算増幅器（681）と抵抗
（682），（683），（684）で構成され、負の電圧−V_dc
を正の電圧V_dcに反転させる。

第２の制御回路（６）はこのように構成され、第１の
微分器（610）の入力電圧が上昇すると電圧比較器（61
1）の非反転入力端にはその上昇した入力電圧がそのま
ま印加され、反転入力端には抵抗（612）及びコンデン
サ（613）によって遅らされた形で低い入力電圧が印加
される。したがって、電圧比較器（611）の出力はＨ
（ハイ）レベルとなる。また、逆に、第１の微分器（61
0）の入力電圧が降下すると、反転入力電圧は同様に遅
れて印加されるために非反転入力より高い電圧となり、
したがって、電圧比較器（611）の出力はＬ（ロウ）レ
ベルとなる。第２の微分器（620）も同様の構成であっ
て、同様の動作をする。すなわち、これら二つの微分器
（610），（620）は、いずれも、入力電圧が上昇すると
Ｈレベルとなり、降下するとＬレベルとなる微分動作を
する。そして、これら微分器（610），（620）の出力が
EX−OR（630）に入力され、EX−OR（630）は二つの入力
が等しいときにはＬを、二つの入力が互いに異なるとき
にはＨを出力する。また、EX−OR（630）と反転器（63
1）との組み合わせによって排他的非論理和（EX−NOR）
が構成され、その出力が積分器（640）に入力される。
積分器（640）の出力V_dc＊は、反転器（631）の出力が
Ｈレベルのときは徐々に上昇し、Ｌレベルのときは徐々
に降下する。

すなわち、バッテリ（４）の端子電圧V_Bと電圧反転回
路（680）を通って正の電圧に反転した三相全波整流器
（２）の出力電圧V_dcとが共に上昇または下降するとき
は、積分器（640）の出力V_dc＊は上昇し、V_BとV_dcの一
方が上昇して他方が下降するときはV_dc＊は降下する。

誤差増幅器（650）は第２の微分器（620）の入力であ
るV_dcと上記積分器の出力V_dc＊を入力として、その入力
電圧差を増幅しする。そして、電圧比較器（660）は、
誤差増幅器（650）の出力電圧−I_dc＊と三角波発生器
（670）の出力電圧とを比較して、−I_dc＊より三角波発
生器（670）の出力電圧が高いと出力がＨとなって昇降
圧回路（５）のトランジスタ（501）を閉成し、逆に、
−I_dc＊より三角波発生器の出力電圧が低いと出力がＬ
となってトランジスタ（501）を開成する。

第６図は、このような電圧比較器（660）の動作特性
図である。この図からも明らかなように、−I_dc＊が上
昇することトランジスタ（501）の閉成時間T₁は短くな
り開成時間T₂は長くなるため、それらの比T₁/T₂すなわ
ち昇降圧比V₂/V₁が小さくなり、トランジスタ（501）に
流れる発電機（１）の出力電流が減る。

さて、発電機（１）の出力電圧として三相全波整流器
（２）のマイナス側端子からとった電圧は負の電圧であ
るが、第２の制御回路（６）の上記第２の微分器（62
2）にはこれが電圧反転器（680）を通して導かれるの
で、正の電圧V_dcと考えることができる。そうしたと
き、例えば今、第２図においてV_dc＊がV₁を示し、V_dcが
V₁より低い値（例えばV₂）であったとすると、誤差増幅
器（650）は反転入力の方が低いので、出力−I_dc＊が大
きくなり、それによりトランジスタ（501）の閉成時間
が短くなって発電電流が減る。そして、発電機（１）の
とり得る電圧，電流は第２図の曲線Ｐで表されるから、
発電状態は曲線Ｐ上を点ａから点ｂの方向へ移動する。
そして、点ｂを越えると、発電電圧V_dcがV₁を越えるこ
とになるため、誤差増幅器（650）は反転入力の方が高
くなって−I_dc＊を降下させる。それによりトランジス
タ（501）の開成時間は長くなり、発電電流が増して再
び発電状態が点ｂの方へ移動する。このようにして、誤
差増幅器（650）によって発電電圧V_dcがV_dc＊と等しく
なるよう昇降圧回路（５）が制御される。

積分器（640）の出力である上記V_dc＊は、発電機
（１）の発電電圧V_dcの指令値とも言える。そこで、こ
のV_dc＊がどのようにして選定されるかを第７図の外部
負荷特性曲線によって説明する。

第７図において、曲線P₂は発電機（１）のとり得る電
圧，電流を示し、曲線Q₃,Q₄及びQ₅は各々電圧×電流＝
一定値を表わしている。今、直線R₁で示すような特性の
電気負荷がバッテリ（４）と並列に接続されていると
し、また、発電状態が点ｋとなるようなV_dc＊であった
とすると、反転器（631）の出力がＬレベルであると、
積分機（640）のコンデンサ（642）は抵抗（641）を通
して放電され、徐々にV_dc＊が降下する。そして、発電
機（１）の発電電圧V_dcはV_dc＊と等しくなるように制御
されて例えば点ｌまで下がり、のとき昇降圧回路（５）
の出力状態は曲線Q₄と直線R₁の交点ｍから曲線Q₃と直線
R₁の交点ｎへと移動する。また、このとき発電電圧V_dc
は降下でバッテリ電圧V_Bも降下であるから、EX−OR（63
0）の出力はＬで、反転器（631）の出力はＨとなり、抵
抗（641）を通してコンデンサ（642）が充電され、V_dc
＊が徐々に上昇する。そして、発電状態が再び点ｋに戻
ったとすると、そのときV_Bは上昇で、V_dcも上昇である
から、V_dc＊はさらに上昇する。そして、発電状態が点
ｐを越えて点ｑまで行くと、点ｐのときの昇降圧回路
（５）の出力状態は曲線Q₅と直線R₁との交点ｒであるの
に対して、点ｑのときは点ｍとなる。すなわち、このと
きV_dcが上昇しV_Bが降下するので、EX−OR（630）の出力
はＨで、反転器（631）の出力はＬとなり、V_dc＊は徐々
に降下する。このようにして、点ｐの発電状態すなわち
発電機（１）の出力が最大となる電圧を探し出す。

ところで、電気負荷がR₂で示される特性をもつ場合に
は、点ｐの発電状態では昇降圧回路（５）の出力状態は
点ｓとなってしまうが、このときバッテリ（４）の電圧
は所定値（V₂）より高いので、第１の制御回路が作動し
て界磁電流を減らし、発電機（１）のとり得る電流，電
圧をP₃で示す曲線とする。そして、第２の制御回路
（６）が上記と同様にして曲線P₃上の最大出力を得る点
ｔを探し出し、昇降圧回路（５）の出力状態は電圧×電
流＝一定値の曲線Q₆と直線R₂との交点ｕとなってバッテ
リ（４）の端子電圧を所定の値（V₂）に保つ。

なお、上記実施例では、第２の制御回路（６）におい
てバッテリ電圧の増減と発電電圧の増減とを排他的非論
理和演算することでV_dc＊の増減を決定するようにした
ものを示したが、このV_dc＊を決定する論理は第８図に
示すようにしてもよい。すなわち、バッテリ電圧V_Bの増
減を微分器（610）を通して排他的非論理和演算器（EX
−NOR）（632）の入力とし、このEX−NOR（632）の出力
を抵抗（633）およびコンデンサ（634）からなる遅延回
路（635）を通してEX−NOR（632）の他の入力として、E
X−NOR（632）の出力を積分器（640）に入力する。そし
て、この積分器（640）の出力をV_dc＊とする。この実施
例の場合、微分器（610）の出力がＨのとき、すなわ
ち、V_Bが上昇するときは、EX−NOR（632）の出力がＨで
あればEX−NOR（632）の他の入力もＨであり、EX−NOR
（632）の出力がＬであればEX−NOR（632）の他の入力
もＬとなって、いずれの場合も安定した出力が得られ、
積分器（640）を通してV_dc＊を上昇又は降下させる。と
ころが、微分器（610）の出力がＬ、すなわちV_Bが降下
するときは、EX−NOR（632）の出力がＨとなってV_dc＊
を上昇させようとしている場合はEX−NOR（632）の他の
入力もＨであるからEX−NOR（632）の出力はＬに変わっ
てV_dc＊を降下させ、V_Bが上昇するようになればEX−NOR
（632）の出力はＬに安定して、さらにV_dc＊を下げV_Bを
上げようとする。また、V_Bが降下するときにEX−NOR（6
32）の出力がＬとなってV_dc＊を下降させている場合
は、EX−NOR（632）の他の入力もＬであるからEX−NOR
（632）の出力はＨに変わってV_dc＊を上昇させ、V_Bが上
昇するようになればEX−NOR（632）の出力はＨに安定し
て、さらにV_dc＊を上げV_Bを上げようとする。このよう
にして発電機（１）の最大出力を得る発電状態を探し出
す。

さらに他の実施例を第９図及び第10図に基づいて説明
する。第９図はこの実施例の全体構成を示す回路図であ
り、第10図はその第２の制御回路（601）の構成を示す
回路図である。この実施例では、電機子コイル（101）
の電圧V_pをF/V（周波数−電圧）変換器（690）を通して
V_dc＊を作ることにより、発電機（１）の回転速度に対
応する発電電圧V_dcを得るように構成されている。ここ
で、F/V変換器（690）の特性は、例えば界磁電流最大の
ときの発電機（１）の回転速度に対して発電機（１）が
最大の出力を得る発電電圧もしくはそれに近似する発電
電圧となる特性を有しているとよい。

また、上記各実施例では昇降圧回路として極性反転チ
ョッパを使用した例を示したが、例えば第11図に示すよ
うな回路構成とすることも可能である。この実施例の昇
降圧回路（51）の構成によれば、トランジスタ（51
1），（512）が同時に閉成すると発電電流はトランジス
タ（511）、リアクトル（513）、トランジスタ（512）
と流れ、次にトランジスタ（511），（512）が開成する
と、リアクトル（513）に流れていた電流は急には零に
ならずにダイオード（514）、リアクトル（513）、ダイ
オード（515）と流れバッテリ（４）を充電する。ま
た、図示したものではトランジスタ（511），（512）を
同時に開閉しているが、一方のトランジスタ（512）を
常時開成し他方のトランジスタ（511）を開閉すれば降
圧回路となり、また、上記他方のトランジスタ（511）
を常時閉成し一方のトランジスタ（512）を開閉すれば
昇圧回路として使用できるので同様の動作が得られる。
なお、この実施例の場合は昇降圧回路で電圧極性が反転
しないため、三相全波整流器（２）の極性は従来の発電
機と同じでよい。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、発電機に昇降圧回路
を接続して昇降圧比を調整するとともに界磁電流も調整
するように構成したので、低回転から高回転までの広い
領域で充電電圧を一定の保ちながら発電電圧を任意に調
整して出力電流を増加させることができ、同時に、発電
効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による充電発電装置の一実施例を示す
回路図、第２図及び第３図はその動作特性を説明する外
部負荷特性図、第４図はその第２の制御回路を示す回路
図、第５図はその電圧反転回路の回路図、第６図はその
誤差増幅器の動作を示す特性図、第７図はその制御特性
を説明する外部負荷特性図、第８図はこの発明の他の実
施例における第２の制御回路を示す回路図、第９図はこ
の発明のさらに他の実施例を示す回路図、第10図はその
第２の制御回路を示す回路図、第11図はこの発明のさら
に他の異なる実施例を示す回路図、第12図は従来の充電
発電装置を示す回路図である。（１）は発電機、（101）は電機子コイル、（102）は界
磁コイル、（４）はバッテリ、（５），（51）は昇降圧
回路、（６），（601）は第２の制御回路、（31）は第
１の制御回路である。なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子コイル及び界磁コイルを有する発電
機と該発電機の出力端に接続された昇降圧回路と、該昇
降圧回路の出力端に接続されたバッテリと、前記界磁コ
イルに流れる界磁電流を調整する第１の制御回路と、回
転速度にかかわらず出力電圧を一定とするよう前記昇降
圧回路の昇降圧比を調整する第２の制御回路を備えた充
電発電装置。