JP3594755B2 - 車両用充電制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両に搭載されたバッテリの充電を制御する車両用充電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用充電制御装置は、バッテリ電圧が調整電圧となるようにオルタネータのフィールド電流がレギュレータにより制御されるようになっている。バッテリは一般的に化学電池が用いられ、化学反応により蓄電が行われるから温度により充電受け入れ性は異なる。そこで低温下では調整電圧を高めにして充電受け入れ性を向上させ、高温下では調整電圧を低めにしてバッテリが過充電を起こさないようにする必要がある。バッテリ温度を正確に検出しようとすると高価なセンサが必要となるため、別の車両状態からバッテリ温度を推定するようにしたものがある。
【０００３】
このような装置としては、例えば実開昭６１−４９５３３号公報記載の車両用電圧調整装置では、バッテリ温度と車速の相関に着目し車速に応じて調整電圧を変更している（第１従来例）。また特開昭５５−５８７３９号公報記載の車両用発電機の電圧制御装置では、バッテリ温度の代わりにバッテリの周辺温度等を用いることが提案されており、レギュレータ温度を用いるようにしたものはよく知られている（第２従来例）。
【０００４】
また特開平４−１３８６７６号公報記載の自動車用バッテリー電源システムのように、バッテリをエンジンルームに設置されるレギュレータと異なる環境、例えばトランクルームに配置し、トランクルーム内の温度をバッテリ温度とみなすようにしたものもある（第３従来例）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記第１従来例では、車両の速度変動の大きい実走行状態では、車速とバッテリ温度の相関はあまりよくない。
【０００６】
上記第２従来例にあるようにバッテリ以外の温度を利用するものは、レギュレータ温度を利用したもののように広く実用化されているものもあるが十分バッテリ温度に対応した調整電圧を与えているとはいえない。
【０００７】
上記第３従来例ではバッテリがトランクルームに配置されるから、トランクルーム内温度からバッテリ温度を比較的正確に知ることができるものの、レギュレータ等が設置されるエンジンルームとトランクルームとを長いケーブルで接続する必要があり、構成の複雑化、送電ロスの問題があり実用的とはいえない。
【０００８】
そこで本発明では、簡単な構成でバッテリ温度に十分に対応した調整電圧を設定しバッテリの過充電や充電不足を防止することができる車両用充電制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者等はエンジン始動後におけるレギュレータおよびバッテリの温度の経時変化の測定から、バッテリの温度はレギュレータ温度の上昇よりも遅れて変化する温度変化成分を有し、この成分はエンジンが停止状態にあるときのレギュレータ温度の収束値とエンジン始動後の経過時間とに基づいて推定できるという知見を得た。本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、請求項１記載の発明では、オルタネータを制御するレギュレータを備えた車両用充電制御装置に、レギュレータの温度に基づいて上記調整電圧を設定する調整電圧設定手段であって、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値とエンジン始動後の経過時間とから推定されるバッテリ温度変化に基づいて、レギュレータ温度の変化に対して遅れるバッテリ温度の遅れを補正して上記調整電圧を設定する調整電圧設定手段を設ける。
【００１０】
調整電圧は、レギュレータ温度に対するバッテリ温度の遅れによる誤差が除かれる。しかしてバッテリ温度を検出するセンサを設けることなくバッテリ温度に十分に対応した調整電圧の設定が可能となりバッテリの過充電や充電不足が防止される。
【００１１】
請求項２記載の発明では、上記調整電圧設定手段に、エンジンが停止してから次に始動するまでのエンジン停止時間が予め設定した所定値よりも短いとき再始動と判定する判定手段を設け、かつ再始動のときはエンジン停止からエンジン始動までのレギュレータ温度の変化に基づいてエンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値を推定するように設定する。これによりエンジンの始動がレギュレータ温度が収束値に達する前に行われても、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値が知られ調整電圧の適正な補正が行われる。
【００１２】
エンジン再始動時の過充電を簡単に防止するには、請求項３記載の発明のように、調整電圧設定手段を、エンジン始動時におけるレギュレータ温度を予め設定した所定値と比較し、上記レギュレータ温度の方が高いとき、少なくとも調整電圧を上げる補正を禁止するように設定する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の車両用充電装置の説明に先立ち発明者等の得た知見について説明する。発明者等はエンジン停止時間を十分取り、レギュレータ温度を一定値に収束せしめてレギュレータ温度とバッテリ温度とを等しくしてからエンジンを始動させその後のレギュレータおよびバッテリの温度の経時変化を測定した。図６はエンジン始動後、市街地走行をさせた場合における上記温度の経時変化を示すもので、レギュレータ温度は１０分程度で急上昇した後、走行状態による変動を除けば季節によらず同じ値となる。一方、バッテリ温度はレギュレータ温度に遅れて上昇し、変化速度が次第に遅くなって飽和するという温度変化成分を有する。この温度変化のカーブは平行移動すると別の季節のカーブに一致し、季節毎の温度を反映するレギュレータ温度の収束値とエンジン始動後の経過時間とにより推定できることが分かった。本発明はかかる知見を調整電圧の適正化に応用したものである。
【００１４】
図１に本発明の車両用充電制御装置を用いたバッテリ充電システムの構成図を示す。このシステムは車両のエンジンルーム内に設置され、バッテリ５の充電を制御する車両用充電制御装置はレギュレータ１、充電制御ＥＣＵ２により構成され、バッテリ５への充電用電力を発電するオルタネータ１００のフィールドコイル４の通電を制御するようになっている。
【００１５】
レギュレータ１はオルタネータ１００に装着されており、スイッチング素子としてのスイッチングトランジスタ１１がこれに直列に接続されたフィールドコイル４の導通と遮断とを行う一般的な構成のもので、レギュレータ１にはその温度を検出する温度センサ１２が取り付けてある。
【００１６】
充電制御ＥＣＵ２はオルタネータ１００とは離れて車体に固定され、レギュレータ１とは所定のワイヤを介して接続されている。この充電制御ＥＣＵ２は、電圧比較手段としてのコンパレータ２２を備えており、その二値信号がレギュレータ１のスイッチングトランジスタ１１をオンオフするようになっている。コンパレータ２２は、その＋入力端子にはバッテリ５電圧が入力し、−入力端子には調整電圧が入力しており、スイッチングトランジスタ１１に出力される二値信号はバッテリ５電圧と調整電圧の比較により与えられる。
【００１７】
充電制御ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、メモリ等を備える一般的なマイクロコンピュータ２１を備える。このマイクロコンピュータ２１は調整電圧を出力する調整電圧設定手段並びに判定手段としての調整電圧発生部２１ａとタイマ部２１ｂとを構成する。
【００１８】
調整電圧発生部２１ａは、これにレギュレータ１に取り付けた温度センサ１２の温度信号およびタイマ部２１ｂの時刻信号が入力せしめてあり、レギュレータ１温度および時刻が知られるようになっている。調整電圧発生部２１ａはイグニションキー（以下、ＩＧキー）がオフするごとに、その時刻と、そのときのレギュレータ１温度とをメモリに更新記憶する。調整電圧発生部２１ａは、温度センサ１２から取り込まれた温度信号、タイマ部２１ｂから取り込まれた時刻信号、ＩＧキーオフ時にメモリに記憶されるデータに基づいて調整電圧を演算するようになっている。
【００１９】
上記車両用充電制御装置の作動を説明する。なお、以下に示す式等において、単位として温度は°Ｃ、電圧はＶを用いている。図２は調整電圧発生部２１ａの処理フローで、ステップＳ１でＩＧキーがオンされると開始する。まずステップＳ２でタイマ２１ｂからＩＧキーオン時刻ＴＩＧＳ を取り込み、メモリから、ＩＧキーオフ時刻ＴＩＧＥ を取り込む。
【００２０】
次いでステップＳ３では、温度センサ１２からＩＧキーオン時におけるレギュレータ温度ＤＲＳを取り込み、メモリからＩＧキーオフ時刻ＴＩＧＥ におけるレギュレータ温度ＤＲＥを取り込むとともに、経過時間補正値ＴＨ を「０」に初期化する。
【００２１】
ステップＳ４は判定手段としての作動で、ＩＧキーオフ時刻ＴＩＧＥ からＩＧキーオン時刻ＴＩＧＳ までの経過時間が３時間を越えているかどうかを判定し、越えていればレギュレータ温度ＤＲＳはエンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値とみなせると判断し、ステップＳ６に進む。越えていなければ再始動と判定しステップＳ５を経てステップＳ６に進む。このステップＳ５はレギュレータ温度の収束値を推定する推定手段を構成し、式（１）によりレギュレータ温度ＤＲＳを補正する。補正はＩＧキーがオフの状態すなわちエンジン停止状態が続けばレギュレータ１温度はＩＧキーオフ後の経過時間に対して指数関数的に低下し、経過時間が約３時間で略収束するという経験則に基づくもので、ＩＧキーオン時刻ＴＩＧＳ におけるレギュレータ温度ＤＲＳにＩＧキーオン時刻ＴＩＧＳ から収束するまでの変化量である第１項が加算され、レギュレータ温度の収束値が推定される。
ＤＲＳ＝ＤＲＥ（ｅｘｐ（−３）−ｅｘｐ（−（ＴＩＧＳ −ＴＩＧＥ ）））＋ＤＲＳ……（１）
さらにステップＳ５では式（２）により経過時間補正値ＴＨ を演算する。
ＴＨ ＝３−（ＴＩＧＳ −ＴＩＧＥ ）……（２）
【００２２】
ステップＳ６〜ステップＳ１４はレギュレータ温度ＤＲ とレギュレータ温度の収束値ＤＲＳとに応じてバッテリ温度の変化に応じた調整電圧を設定するための電圧設定手段を構成する。これらステップＳ６〜ステップＳ１４はＩＧキーがオンの間、所定の周期で繰り返される。まずステップＳ６で温度センサ１２からレギュレータ温度ＤＲ が取り込まれ、ステップＳ７でこのレギュレータ温度ＤＲ から式（３）により基準調整電圧ＶＭＢが演算される。式（３）はレギュレータ温度ＤＲ のみから調整電圧を設定するようにした従来の調整電圧の設定式で、これを図で示すと図３（Ａ）のように１つの直線となるが、バッテリの特性によっては図３（Ｂ）のように２直線を継いだ線となるものもあり、後者のバッテリについても本発明は適用できる。
ＶＭＢ＝−０．００５３×ＤＲ ＋１４．５７……（３）
【００２３】
式（３）は従来の調整電圧の設定式であるから実際のバッテリ温度に対応した理想値ではない。続くステップＳ８〜Ｓ１３はこのずれを補正するものである。ステップＳ８でＩＧキーオンからの経過時間Ｔが取り込まれ、ステップＳ９でこの経過時間Ｔと経過時間補正値ＴＨ とレギュレータ温度の収束値ＤＲＳとから式（４）により基準調整電圧ＶＭＢを補正するための調整電圧補正値ＶＭＨを演算する。
ＶＭＨ＝−０．１５×（Ｔ＋ＴＨ ）＋０．０１２×（５０−ＤＲＳ）……（４）
【００２４】
式（４）により演算したＶＭＨは経過時間（Ｔ＋ＴＨ ）に応じて低下し正から負に転じる。ステップＳ１０ではＶＭＨの正負を判定し、正と判断されればステップＳ１２に進む。ステップＳ１０において負と判断されればステップＳ１１に進んで調整電圧補正値ＶＭＨを式（４）による演算結果の１／２にしてステップＳ１２に進む。すなわちＶＭＨは、ＤＲＳの大きさによって決まる所定時間経過後に低下速度が減少するように変化する。
【００２５】
ステップＳ１２では、ＶＭＨが±０．３Ｖの範囲に含まれるかどうかを判断し、上記範囲を越える場合は上限を０．３Ｖに下限を−０．３Ｖに制限する。下限を−０．３Ｖに制限するのはバッテリ５温度が飽和温度に達することに対応している。また上限を設けているのは不測の過充電を防止するためである。
【００２６】
ステップＳ１３では、ステップＳ７において演算した基準調整電圧ＶＭＢにステップＳ９〜ステップＳ１２により得た調整電圧補正値ＶＭＨを加算して調整電圧ＶＭ とする。演算された調整電圧ＶＭ はアナログ信号に変換されてコンパレータ２２に出力され、バッテリ５電圧が調整電圧ＶＭ となるようにスイッチングトランジスタ１１がオンオフする。
【００２７】
図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれステップＳ９〜ステップＳ１２により演算される調整電圧補正値ＶＭＨを時系列的に見たもので、各グラフはエンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値ＤＲＳが異なっている。いずれのグラフも調整電圧補正値ＶＭＨは、図４（Ａ）で上限の制限がされている時を除いて低下速度が段階的に０に近づく傾向を示す。これはバッテリ５温度が上昇速度を減少させながら飽和するという傾向を近似するものである。
【００２８】
また調整電圧補正値ＶＭＨは、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値ＤＲＳが高い程、早い時期に低下速度が０に近づき、ＤＲＳ＝２０°Ｃでは２．４時間で低下速度が半分になり６．４時間で０となる（図４（Ａ））が、ＤＲＳ＝３５°Ｃでは１．２時間で低下速度が半分になり５．２時間で０となる（図４（Ｂ））。さらに高いＤＲＳ＝５０°Ｃでは最初からゆるやかな低下速度で、４．０時間で０となる（図４（Ｃ））。これは高温時ほどバッテリ５温度が飽和するのが早いことを表している。
【００２９】
さて図４（Ａ）は、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値ＤＲＳが２０°Ｃと低い場合で、冬季のものである。調整電圧ＶＭ は早い時期に高くして充電受け入れ性を向上させる。その後、レギュレータ１温度に遅れてバッテリ５電圧が上昇すると調整電圧補正値ＶＭＨが低下して過充電を防止する。
【００３０】
図４（Ｂ）は、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値ＤＲＳが３５°Ｃと高い場合で、夏季のものである。バッテリ５温度が最初から高い状態にあり、冬季よりも調整電圧補正値ＶＭＨの初期値を低くして（０．１８Ｖ）、高めのバッテリ５温度に対応した調整電圧を与える。
【００３１】
図４（Ｃ）は、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値ＤＲＳが５０°Ｃとさらに高い場合で、エンジン始動時においてすでにバッテリ５は充電受け入れ性が十分であり、過充電を引き起こさないように調整電圧補正値ＶＭＨは正値をとることなく負側で時間とともに大きくなる。
【００３２】
このように調整電圧補正値ＶＭＨは、バッテリ５温度の変化の遅れの傾向をよく反映したものとなる。なお式（４）中の各係数は、予め図６に示したようなバッテリ温度の実測データに基づいて理想的な調整電圧を算出し、これと上記フローで演算される調整電圧ＶＭ とがよく一致するように設定する。係数の設定では一般的な回帰演算が用いられ得る。
【００３３】
ステップＳ１３に続くステップＳ１４ではＩＧキーがオフされたかどうかが判断され、ＩＧキーがオンである限り上記ステップＳ６〜Ｓ１３が繰り返され調整電圧ＶＭ が更新される。
【００３４】
ＩＧキーがオフされた場合にはステップＳ１４からステップＳ１５に進み、現時刻を取り込み、これをＩＧキーオフ時刻ＴＩＧＥ とし、最後に検出されたレギュレータ温度ＤＲ をＩＧキーオフ時刻におけるレギュレータ温度ＤＲＥとしてメモリに更新記憶する。メモリに記憶されたＴＩＧＥ ，ＤＲＥは次にエンジンが始動したときの上記フローにおいて用いられる。
【００３５】
図５は本発明の車両用充電装置を従来のものと比較するもので、エンジン停止時間を十分取った後におけるエンジン始動後の調整電圧の経時変化を示しており、実線が本発明のもので、破線が従来のもの、すなわち調整電圧をレギュレータ温度ＤＲ から式（３）により演算する方式のものである。なお一点鎖線でバッテリ５温度の実測値に基づいて演算した、調整電圧の理想値を示す。図５（Ａ）が夏季の、図５（Ｂ）が冬季のデータである。図より明らかなように従来のものが理想値との差が大きいのに対し、本発明では季節によらず極めて理想値に近い値を示していることが認められる。このように本発明の車両用充電制御装置では、バッテリ温度を直接検出することなくしかも特殊な部材を設けずに調整電圧を適正値に設定することができる。
【００３６】
なお本実施形態では、上記のごとくステップＳ４，Ｓ５を実行することにより、エンジンが再始動であった場合にはエンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値を推定している。調整電圧を正確にバッテリ温度に対応したものにするにはそれが望ましいが、ＩＧキーオン時におけるレギュレータ温度がレギュレータ温度の収束値とみなし得る所定値（例えば５０°Ｃ）よりも高い時に再始動と判断し、その時は調整電圧補正値ＶＭＨを正値とすることを禁止したり、調整電圧の補正そのものを禁止して過充電を防止するようにしてもよい。例えばステップＳ１２を、ステップＳ１０においてＶＭＨ＞０の場合、ＶＭＨを０とする。この構成では、ＩＧキーオフ時刻ＴＩＧＥ および前回のＩＧキーオフ時刻におけるレギュレータ温度ＤＲＥを記憶するためのメモリを省略することができる。
【００３７】
また調整電圧補正値ＶＭＨを設定するための設定式は、上記式（４）に限定されるものではなく、その初期値がエンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値ＤＲＳに応じて小さな値を取り、エジンジン始動後の経過時間Ｔに応じて単調減少するものであれば調整電圧は十分正確にバッテリ温度に対応したものとなる。
【００３８】
なお上記実施形態に代えてレギュレータ１と充電制御ＥＣＵ２とを一体とし、オルタネータ１００に装着してもよい。また電圧比較手段（コンパレータ２２）をマイクロコンピュータ２１により構成してもよい。
【００３９】
また、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値は季節毎の温度を反映していることが重要であり、例えば十分な停止時間の後に検出されたレギュレータ温度ＤＲＳのみを採用して複数回のエンジン始動にわたって利用してもよい。かかる手法によると、熱時再始動の場合でもレギュレータ温度の収束値を推定することなく季節毎のバッテリ温度に応じた制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用充電制御装置の構成図である。
【図２】本発明の車両用充電制御装置の作動を説明するフローチャートである。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は本発明の車両用充電制御装置の作動を説明する第１、第２のグラフである。
【図４】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の車両用充電制御装置の作動を説明する第３、第４、第５のグラフである。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は本発明の車両用充電制御装置の作動を説明する第６、第７のグラフである。
【図６】本発明の車両用充電制御装置の作動を説明する第８のグラフである。
【符号の説明】
１ レギュレータ
１００ オルタネータ
１１ スイッチングトランジスタ
１２ 温度センサ
２１ａ 調整電圧発生部（調整電圧設定手段、判定手段）
２１ｂ タイマ部
４ フィールドコイル
５ バッテリ

Claims (3)

1. エンジンの駆動力により発電して車載のバッテリを充電するオルタネータをバッテリ電圧が予め設定した調整電圧となるように制御するレギュレータを備えた車両用充電制御装置において、レギュレータの温度に基づいて上記調整電圧を設定する調整電圧設定手段であって、エンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値とエンジン始動後の経過時間とから推定されるバッテリ温度変化に基づいて、レギュレータ温度の変化に対して遅れるバッテリ温度の遅れを補正して上記調整電圧を設定する調整電圧設定手段を具備することを特徴とする車両用充電制御装置。
2. 請求項１記載の車両用充電制御装置において、上記調整電圧設定手段は、エンジン停止時とエンジン始動時とを検出しエンジンが停止してから次に始動するまでのエンジン停止時間を予め設定した所定値と比較してエンジン停止時間の方が短いとき再始動と判定する判定手段を具備し、かつ再始動のときはエンジン停止からエンジン始動までのレギュレータ温度の変化に基づいてエンジン停止状態におけるレギュレータ温度の収束値を推定するように設定した車両用充電制御装置。
3. 請求項１記載の車両用充電制御装置において、上記調整電圧設定手段を、エンジン始動時におけるレギュレータ温度を予め設定した所定値と比較し、上記レギュレータ温度の方が高いとき、少なくとも調整電圧を上げる補正を禁止するように設定した車両用充電制御装置。

Images