JP3595252B2

JP3595252B2 - 車両用電源システム

Info

Publication number: JP3595252B2
Application number: JP2000270398A
Authority: JP
Inventors: 淑人浅尾; 寛典渡辺; 克己足立; 史朗岩谷; 教治松村; 常二合田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: US7176659B2; KR20020020174A; EP1186476A2; JP2002084672A; US20020027425A1; EP1186476A3; EP1186476B1; KR100436692B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用の充電システムに係わるもので、特に、短時間の大電力負荷に対して発電機の出力を増大して電力を供給することが可能な車両用電源システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両のブロワモータや、寒冷地におけるフロントガラスの氷結除去用ヒータなど、大電力を要する負荷が増加し、このような大電力負荷に対しては車両に搭載された充電発電機を高電圧化して効率よく大電力を取り出し、対処するシステムが提案されており、例えば、特許番号第２８６４８８７号公報に開示された技術もその一例である。この公報に開示された技術は、例えば、油圧ポンプと油圧モータとを用いて車載の三相交流発電機を駆動し、内燃機関の始動後は一定回転速度にて運転することにより、発電機の出力と周波数とを常に一定とし、発電機の出力電圧を発電効率の高い高電圧として大電力負荷には発電機の出力電圧を加え、バッテリなど低電圧負荷に対しては電圧変換器を介して低減された低電圧の電力を供給するようにしたものである。
【０００３】
このように構成することにより、この従来例においては内燃機関の回転速度に関係なくアイドル回転域から発電機の定格出力が得られるようになり、発電機を小型軽量化しながら高電圧用の大電力負荷に電力を供給すると共に、電圧変換機能を有するＡＣ／ＤＣコンバータを介して通常の低電圧用の負荷にも充分な電力供給を可能にし、周波数が一定であるために、この低電圧負荷用に電圧を変換するＡＣ／ＤＣコンバータの小型軽量化も可能にし、油圧駆動であるために発電機の設置場所に制限を加えることなくレイアウトの自由度を拡大することが可能であるとされている。
【０００４】
また、特開平６−１２９３４号公報には他の手法により高電圧用大電力負荷に効果的に電力を供給する技術が開示されている。この公報に開示された技術は、車載の交流発電機から最大出力を得るための出力電圧が回転速度に応じて変化すること、および、高電圧用の大電力負荷を駆動するのは内燃機関のアイドル回転域が多いことから、高電圧用の大電力負荷を駆動するときにはアイドルアップを行って発電機の回転速度を高電圧負荷用の第二設定電圧において最大出力が得られる回転速度まで上昇させ、高電圧用の大電力負荷に電力を供給すると共に電圧低減手段により車載の二次電池を充電するための第一設定電圧を得るようにし、通常時には発電機の界磁を制御して第一設定電圧を得ることにより、高電圧用の大電力負荷と二次電池とに充分な電力が供給できるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術において、まず、前者の従来技術では車載の発電機を一定回転速度にて駆動することにより安定した出力を得るように構成されているが、車両に搭載される三相交流発電機は負荷の条件により最大出力を得る回転速度が異なり、高電圧にて最大出力を得ようとすれば車載の二次電池を充電するための電圧を得るときには大出力が得られず、また、少なくとも発電機を駆動するための油圧モータなど、駆動系を特別に装備する必要がある。また、後者の従来技術では第一設定電圧と第二設定電圧とを同時に得ようとするものであるが、第二設定電圧の最大出力点にて運転しても、この最大出力は発電機の大きさにより限界があるため、二次電池の充電状態によっては高電圧用の大電力負荷側には充分な電力が供給されず、あえて負荷の配分を制御しようとすれば制御システムが複雑なものとならざるを得なかった。
【０００６】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、大電力を必要とする特定負荷と通常の負荷とに充分な電力供給することが可能な車両用電源システムを得ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる車両用電源システムは、電機子巻線と界磁コイルとを有し、大電力の特定負荷とバッテリとに電力を供給する交流発電機と、バッテリの電圧を昇圧して界磁コイルに与える昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータと、界磁コイルの電流を制御して交流発電機の出力電圧を制御する電圧制御手段と、交流発電機からの電力をバッテリ充電と特定負荷給電とに切り換えるリレーと、特定負荷に対する電力供給指示により電圧制御手段とリレーとを特定負荷給電に切り換える制御手段とを備え、特定負荷に対する給電時においては、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに供給するとともに、制御手段が交流発電機の回転速度を検出し、検出した回転速度に対応して最大の出力が得られるように交流発電機の出力電圧を制御し、またバッテリ充電時には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに供給するとともに、電圧制御手段の制御電圧をバッテリの充電電圧に制御するようにしたものである。
【０００８】
また、電機子巻線と界磁コイルとを有し、大電力の特定負荷とバッテリとに電力を供給する交流発電機と、バッテリの電圧を昇圧して界磁コイルに与える昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータと、界磁コイルの電流を制御して交流発電機の出力電圧を制御すると共に、所定の回転域においては交流発電機の出力電圧を回転速度に対応して制御することにより、その回転速度に対応した最大の出力を交流発電機から出力させる電圧制御手段と、交流発電機の出力電圧を降圧してバッテリの充電電圧に変換し、バッテリと特定負荷とに所定電圧の電力を供給する降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記所定の回転域においては、前記昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに供給するとともに、前記電圧制御手段により最大の出力が得られるように前記交流発電機の出力電圧を制御し、この出力電圧を前記降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータにより降圧して前記特定負荷と前記バッテリとに給電するようにしたものである。
【０００９】
さらに、昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータから界磁コイルに与えられる電圧が、バッテリ電圧を１．２ないし２．０倍に昇圧されるようにしたものである。
【００１０】
さらに、制御手段、または、電圧制御手段に界磁コイルの温度を検出する手段、または
、界磁電流を検出して界磁コイルの温度を推定する手段を有しており、この検出された温度、または、推定された温度が所定値を超えたとき、界磁電流が抑制されるように構成したものである。
さらにまた、バッテリの電圧を昇圧して界磁コイルに与える昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータが、電圧制御手段と一体に構成されるようにしたものである。
また、交流発電機の出力電圧を降圧してバッテリと特定負荷とに電力を供給する降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータが、電圧制御手段と一体に構成されるようにしたものである。
さらに、交流発電機の出力電圧を降圧してバッテリと特定負荷とに電力を供給する降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧特性に、負の勾配の温度特性を持たせるようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による車両用電源システムの構成を示す回路図、図２は、界磁電圧に対する車載発電機の出力特性図、図３は、界磁電圧を所定値に設定したときの車載発電機の回転速度に対する出力特性図を示すものである。図１において、１は車載の例えば三相交流発電機を示すもので、三相交流電力を発電する電機子巻線とこれを整流する三相全波整流器とを含む電機子構成体２と、電機子巻線に磁束を供給する界磁コイル３と、界磁コイル３の界磁電流を制御する電圧制御手段であるレギュレータ４とを有している。５は車載の二次電池であるバッテリ、６はバッテリ５の電圧を電圧変換して界磁コイル３に加えるＤＣ／ＤＣコンバータであり、バッテリ５は三相交流発電機１から充電され、車両の特定負荷７以外の各種負荷に電力を供給する。
【００１２】
７は例えばブロワモータやフロントガラスヒータなど三相交流発電機１から直接高電圧にて駆動され、大電力が短時間供給される特定負荷、８は三相交流発電機１から供給される電力をバッテリ５の充電と特定負荷７に対する給電とに切り換えるパワーリレー、９は制御手段であり、特定負荷７に電力を供給するためのスイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦを検知してパワーリレー８をバッテリ５の充電と特定負荷７に対する給電とに切り換えると共に、レギュレータ４に指令を与え、三相交流発電機１の出力電圧をバッテリ５の充電用低電圧と特定負荷７の給電用高電圧とに切り換えるように構成され、図示しないが三相交流発電機１の回転速度を検出して特定負荷７に対する給電電圧を回転速度に対応した値とする一方、界磁コイル３の温度を検知して三相交流発電機１の出力を抑制するように構成されている。
【００１３】
図２は、一般に使用されている車両用の三相交流発電機１において、界磁コイル３に加えられる界磁電圧Ｖｆに対する発電機出力電力Ｐの関係を示すものであり、この特性は最大出力電力が得られるように各回転速度毎に出力電圧を設定した場合の最大出力特性である。図に示すように、回転速度を一定とすれば界磁電圧Ｖｆの上昇と共に三相交流発電機１の最大出力電力Ｐは増大し、界磁電圧Ｖｆの値がある程度まで上昇すれば出力電力特性は飽和する。通常車両に搭載されている三相交流発電機１の場合、界磁電圧はバッテリ５の電圧である１２Ｖ近傍であるが、この特性図では界磁電圧をバッテリ電圧より高い値に設定するのが出力電力増大には有効であることを示している。
【００１４】
一方、界磁電圧Ｖｆの値がある程度まで上昇すれば出力電力特性は飽和すること、および、界磁電圧Ｖｆの増大は界磁コイル３の温度上昇を招くことから界磁電圧Ｖｆの値には限界があり、従来から一般に使用されている三相交流発電機１ではバッテリ電圧を１．２〜２．０倍程度の電圧に昇圧して界磁電圧とするのが有効であり、車両の大電力を必要とする特定負荷７を駆動するための出力が充分に得られると共に、特定負荷７を駆動する程度の時間であれば界磁コイル３の温度上昇にも耐えることができる。従って図１におけるＤＣ／ＤＣコンバータ６は、バッテリ５の電圧を１．２〜２．０倍の電圧に昇圧して界磁コイル３に加えるように構成されるが、ここでは界磁電圧Ｖｆをバッテリ電圧の１．５倍である１８Ｖに固定した場合を一例として説明する。
【００１５】
図３は、界磁電圧Ｖｆを一定値１８Ｖにしたときの回転速度に対する三相交流発電機１の平均出力特性を示すものである。図に示すように、回転速度の上昇と共に平均出力も上昇するが、上記した従来例、特開平６−１２９３４号公報にも示され、図２の特性図にも示したように、各回転速度における発電機の最大出力は出力電圧により決定され、最大出力を得るための出力電圧は回転速度の上昇と共に高くなる。従って、発電機の回転速度が変化してもその回転速度に対応して出力電圧を変えることにより、回転速度が変動しても常に最大出力が得られることになり、少なくともその出力電圧は発電機の仕様により異なるが、内燃機関のアイドル回転域以上ではバッテリ５の電圧より高くなるのが通常である。
【００１６】
上記のように構成されたこの発明の実施の形態１による車両用電源システムにおいては上記したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６はバッテリ５の電圧を１８Ｖに昇圧して界磁コイル３に加える。また、制御手段９は、特定負荷７に電力を供給するためのスイッチ１０がＯＮ状態になればこれを検知し、パワーリレー８を操作して負荷をバッテリ５から特定負荷７に切り換えると共に、三相交流発電機１の出力電圧を回転速度に対応して例えば１６Ｖから４０Ｖに制御し、三相交流発電機１から最大出力が得られるようにする。特定負荷７は例えばフロントガラスの氷結除去用ヒータなど短時間動作の負荷であり、三相交流発電機１から最大出力を得ても温度が所定値を上回ることは少ないが、もし、界磁電流が過大なために界磁コイル３の温度上昇が所定値を超えたときには制御手段９はこの温度を検知して界磁電流に制限を加え、温度上昇を抑制する。
【００１７】
スイッチ１０がＯＦＦ状態になれば制御手段９がこれを検知し、パワーリレー８を操作して負荷を特定負荷７からバッテリ５に切り換えると共に、レギュレータ４の設定電圧をバッテリ５の充電のための１２Ｖ系に切り換え、通常の運転状態に戻す。なお、制御手段９による界磁コイル３の温度検知は、界磁コイル３が三相交流発電機１の回転子であることから直接的な検知ではなく、例えば、レギュレータ４に内蔵され、界磁電流により温度が変化すると共に、所定の熱容量もしくは熱容量相当の放熱回路を有する素子により温度相関をとって判断させることができる。また、三相交流発電機１の出力電圧を回転速度に応じて１６Ｖから４０Ｖに制御し、電圧幅を限定したのは特に出力増大を必要とするのは内燃機関の低速回転域であり、中速回転域以上ではその必要がないからである。
【００１８】
このように、この発明の実施の形態１による車両用電源システムによれば、界磁電圧を昇圧して界磁コイル３の起磁力を増大させることにより三相交流発電機１の出力を増大させると共に、回転速度に応じた出力電圧とすることにより三相交流発電機１から最大出力電力が得られるようにしたので、特定負荷７に対する電力供給を充分なものとして短時間内で動作を完了させることができ、また、短時間内に動作を完了させることができるために特定負荷７に対する電力供給中においてはバッテリ５に対する電力供給を中断しても問題を生ずることがなく、三相交流発電機１を従来から使用されている通常の発電機を使用しながらそれぞれの負荷に充分な電力の供給ができ、制御系を特に複雑化することもない。
【００１９】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による車両用電源システムの構成を示す回路図であり、この実施の形態による車両用電源システムは、特定負荷をバッテリと同一系電圧とすると共に、発電機の出力を増大させることにより特定負荷とバッテリとに充分な電力が供給できるようにしたものである。図４において、１は車載の三相交流発電機であり、実施の形態１と同様に三相交流電力を発電する電機子巻線とこれを整流する三相全波整流器とを含む電機子構成体２と、電機子巻線に磁束を供給する界磁コイル３と、界磁コイル３の界磁電流を制御する電圧制御手段としてのレギュレータ４とを有している。
【００２０】
５は車載の二次電池であるバッテリ、６はバッテリ５の電圧を電圧変換して界磁コイル３に加える昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータ、１１は例えばブロワモータやフロントガラスヒータなど、大電力の特定負荷、１０は特定負荷１１に電力を供給するためのスイッチ、１２は三相交流発電機１の出力電圧をバッテリ５の充電電圧に低減してバッテリ５と特定負荷１１とに電力を供給する降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータであり、この実施の形態では特定負荷７には三相交流発電機１とバッテリ５とから電力が供給される。
【００２１】
このように構成されたこの発明の実施の形態２による車両用電源システムにおいて、三相交流発電機１の界磁コイル３には実施の形態１の場合と同様、ＤＣ／ＤＣコンバータ６により例えば１８Ｖに昇圧された界磁電圧が加えられ、出力増大が図られると共に、この励磁により三相交流発電機１からは所定の回転速度域においては回転速度に対応した最大出力が得られる電圧、例えば、回転速度に対応して１６Ｖから４０Ｖの出力電圧が取り出される。
【００２２】
降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータ１２はこの電圧からバッテリ５を充電するために１２Ｖ系の充電電圧に降圧し、バッテリ５を充電すると共に特定負荷１１に電力を供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ６および１２はレギュレータ４と一体構成とすることによりシステムを小型化することができ、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２には出力電圧特性に負の温度勾配をつけることにより、発電機の温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
実施の形態１で示した図２には発電機の平均出力とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の変換効率を８５％とした場合の出力とが併記されているが、この変換効率８５％を考慮しても、界磁電圧Ｖｆの昇圧と、回転速度に対応した出力電圧の設定とにより三相交流発電機１からは大出力が得られ、低速回転域においてフロントガラスヒータなど大電力を要する負荷が使用されても、この大電力負荷である特定負荷７とバッテリ５とには充分な電力が供給できることになる。なお、スイッチ１０のＯＮと共にアイドルアップ機能が動作し、内燃機関と三相交流発電機１との回転速度を上昇させることは従来と同様である。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の車両用電源システムによれば、発電機の出力を増大させると共に、制御系を特に複雑化することなく、交流発電機自体も通常の発電機を使用しながら大電力を要する特定負荷とバッテリなどの通常負荷とに対して充分な電力を供給することが可能となるものであり、アイドルアップ時の回転速度が変動しても常に最大出力電力を得ることが可能な車両用電源システムを得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による車両用電源システムの構成を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１による車両用電源システムの動作を説明する特性図である。
【図３】この発明の実施の形態１による車両用電源システムの動作を説明する特性図である。
【図４】この発明の実施の形態２による車両用電源システムの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１三相交流発電機、２電機子構成体、３界磁コイル、
４レギュレータ（電圧制御手段）、５バッテリ、
６昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ、７、１１特定負荷、
８パワーリレー、９制御手段、１０スイッチ、
１２降圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ。

Claims

電機子巻線と界磁コイルとを有し、大電力の特定負荷とバッテリとに電力を供給する交流発電機、前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに与える昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータ、前記界磁コイルの電流を制御して前記交流発電機の出力電圧を制御する電圧制御手段、前記交流発電機からの電力をバッテリ充電と特定負荷給電とに切り換えるリレー、前記特定負荷に対する電力供給指示により前記電圧制御手段と前記リレーとを特定負荷給電に切り換える制御手段を備え、前記特定負荷に対する給電時においては、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに供給するとともに、前記制御手段が前記交流発電機の回転速度を検出し、検出した回転速度に対応して最大の出力が得られるように前記交流発電機の出力電圧を制御し、またバッテリ充電時には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに供給するとともに、前記電圧制御手段の制御電圧を前記バッテリの充電電圧に制御することを特徴とする車両用電源システム。
電機子巻線と界磁コイルとを有し、大電力の特定負荷とバッテリとに電力を供給する交流発電機、前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに与える昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータ、前記界磁コイルの電流を制御して前記交流発電機の出力電圧を制御すると共に、所定の回転域においては前記交流発電機の出力電圧を回転速度に対応して制御することにより、その回転速度に対応した最大の出力を前記交流発電機から出力させる電圧制御手段、前記交流発電機の出力電圧を降圧して前記バッテリの充電電圧に変換し、前記バッテリと前記特定負荷とに所定電圧の電力を供給する降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータを備え、前記所定の回転域においては、前記昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータにより前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに供給するとともに、前記電圧制御手段により最大の出力が得られるように前記交流発電機の出力電圧を制御し、この出力電圧を前記降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータにより降圧して前記特定負荷と前記バッテリとに給電することを特徴とする車両用電源システム。
前記昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータから前記界磁コイルに与えられる電圧が、バッテリ電圧を１．２ないし２．０倍に昇圧したものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用電源システム。
前記制御手段、または、前記電圧制御手段に前記界磁コイルの温度を検出する手段、または、界磁電流を検出して前記界磁コイルの温度を推定する手段を有しており、この検出された温度、または、推定された温度が所定値を超えたとき、界磁電流が抑制されるように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
前記バッテリの電圧を昇圧して前記界磁コイルに与える前記昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記電圧制御手段と一体に構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
前記交流発電機の出力電圧を降圧して前記バッテリと前記特定負荷とに電力を供給する前記降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータが、前記電圧制御手段と一体に構成されたことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
前記交流発電機の出力電圧を降圧して前記バッテリと前記特定負荷とに電力を供給する前記降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧特性に、負の勾配の温度特性を持たせたことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の車両用電源システム。