JP3605993B2

JP3605993B2 - 車両用発電装置

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Publication number: JP3605993B2
Application number: JP06284997A
Authority: JP
Inventors: 敏雄筒井; 博英佐藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10262343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機に対して進相電流制御を行う車両用発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両用エンジンの高効率化が進み、少ない燃料消費で高出力を得ることができるエンジンが開発され実用化されている。このようなエンジンでは、それ以前のエンジンと同じ駆動力を発生させたときの発熱量を比べると、エンジンの運転効率が上昇した分だけ発熱量が低く抑えられるため、始動直後のエンジン冷却水の上昇が遅くなり、暖機運転に時間がかかることになる。
【０００３】
また、エンジン冷却水は、車載用のヒータの熱源にもなっているため、エンジン冷却水の温度上昇が遅くなるということは、それだけヒータの暖房能力も低下するということであり、特に冬場の朝にエンジンを始動してもヒータの吹き出し口から温風が出てくるまでにかなりの時間を要していた。
【０００４】
このような暖房能力の低下を補う従来技術としては、電気ヒータや燃焼式暖房装置を用いて直接温風を吹き出させる方法が知られている。あるいは、従来から特開平４−４７３６号公報に開示されているような液冷式の車両用交流発電機が知られており、ステータコイル等を冷却する冷却液としてエンジン冷却水を用いることにより、エンジン始動直後は車両用交流発電機の廃熱によってエンジン冷却水を加熱することも考えられる。
【０００５】
また、特開昭５７−１７８９１２号公報には、加熱用の発電機を設け、ステータ巻線を短絡することで多くの廃熱を発生させ、冷却水の加熱性能を上げる技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように電気ヒータや燃焼式暖房装置を用いて直接温風を吹き出させる方法では、暖房のためだけにこれらの機器を取り付ける必要があり、コストの増大を招くとともに、取り付けスペースが必要になって車両の小型化、軽量化の妨げになるため、実用的ではない。また、車両用交流発電機の発熱によってエンジン冷却水を加熱しようとしても、車両用交流発電機の発熱量は電気負荷の大小によって変動するため、電気負荷が小さいと発熱量が少なくなって、エンジン冷却水の温度を上げるまでには至らないことになる。また、ステータ巻線を短絡する方法では、電気負荷への電力供給が停止されてしまうため、車両一般電気負荷への電力供給を行う発電機に使用することはできない。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は車両用交流発電機により電気負荷に電力を供給するとともに、その発熱を利用してエンジン始動直後のエンジン冷却水の温度を上げることができる車両用発電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電装置は、車両用交流発電機の電機子巻線に誘起された交流電圧を直流電圧に変換するために、スイッチング手段を所定のタイミングで開閉する交直電力変換手段を有しており、この開閉タイミングを発電制御装置によって切り替えることにより電機子巻線による発熱量を増加させている。したがって、車両用交流発電機の電気負荷が小さい場合であっても、電機子巻線による発熱量を増やすことができ、電機子巻線の冷却水としても使用されるエンジン冷却水の温度が低い場合に、このエンジン冷却水を速やかに加熱することができる。
【０００９】
特に、上述したスイッチング手段の開閉タイミングを切り替えることにより、車両用交流発電機の発電効率を下げることができ、電機子巻線による発熱を増加させることができる。あるいは、上述したスイッチング手段の開閉タイミングを切り替えることにより、電機子巻線に誘起される起電力よりも電機子巻線に流れる電流の位相を進めることができ、負荷角δが大きくなって電機子巻線による発熱量を増加させることができる。
【００１０】
また、上述した発電制御装置は、整流素子としてダイオードブリッジを用いた場合と等価的な発電制御を行う第１の発電モードと、これより発熱量が多い発熱優先の第２の発電モードとを選択的に切り替えて発電制御を行うことが可能であり、所定の発熱量増加要求があったときに第２の発電モードで発電制御を行っている。したがって、例えばエンジン水温検出手段によってエンジン冷却水の温度が所定値以下であることを検出したときに発熱量増加要求がなされるようにしておけば、エンジン冷却水の温度が低いときだけ、発熱量が多い第２の発電モードで発電制御を行うことができるため、それ以外のときには不必要な発熱を抑えた無駄のない発電制御を行うことができる。
【００１１】
また、発電制御装置は、上述した第１の発電モードと第２の発電モードの他に、より多くの出力電流が取り出せる出力優先の第３の発電モードを有しており、所定の出力増加要求があったときに第３の発電モードで発電制御を行っている。したがって、例えば放電状態検出手段によってバッテリが放電状態にあることを検出したときに出力増加要求がなされるようにしておけば、高出力が要求されるときだけ第３の発電モードで発電制御を行うことができるため、それ以外のときには無理のない余裕を持った発電制御を行うことができる。つまり、車両電気負荷の要求に合わせた電力供給を維持しながら、要求に応じた廃熱の発熱量制御が可能となる。
【００１２】
特に、発電制御装置は、車両用交流発電機に含まれる界磁巻線に流す界磁電流を断続することにより、車両用交流発電機の出力をほぼ一定に維持する出力電圧制御手段を備えているため、上述した放電状態検出手段は、この出力電圧制御手段による界磁電流の導通率を調べることにより、車載バッテリが放電状態であるか否かを容易に検出することができる。
【００１３】
また、上述した交直電力変換手段は、電機子巻線の各出力端子に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチ（３相全波整流を考えた場合にはそれぞれ３個ずつのスイッチが必要）を有しており、発電制御装置の位相制御手段によってこれらの各スイッチをオフにするタイミングを次第に遅らせることにより、出力優先の第３のモード、さらには発熱優先の第２のモードが実現でき、いずれのモードを選択するかをモード切替手段によって設定するようにすれば、必要に応じて各種の発電モードを使い分けることができる。
【００１４】
また、発電制御装置は交流発電機の回転数を検出する回転数検出手段を備えており、位相制御手段によって各スイッチをオフにするタイミングを回転数に応じて設定することにより、より正確に第２あるいは第３の発電モードの発電制御が可能となる。特に、各発電モードごとに、回転数と各スイッチをオフに切り替えるタイミングを特定するために必要なタイミングデータとの対応をテーブルの形でタイミングデータ記憶手段に記憶しておくことにより、各発電モードに対応した発電制御をリアルタイムに行うことができる。
【００１５】
また、上述したスイッチング手段をＩＧＢＴ、Ｓｉ−ＭＯＳトランジスタなどと接合ダイオードの組み合わせを利用することで上述した位相制御による発電制御を行うことができるが、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタにより交直電力変換手段を構成することにより、高温時に低損失を実現できるため交直電力変換手段での損失が低減され出力電流を向上することで、上述した電機子巻線の発熱量を増すことができ、エンジン冷却水を速やかに加熱することができる。また、低損失が実現できるので従来のヒートシンクを小型化できることにより、電機子巻線の冷却水経路の確保が容易となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した車両用発電装置は、エンジン冷却水を用いて電機子巻線であるステータコイル等の冷却を行う液冷式の車両用交流発電機（以後、「オルタネータ」と称する）の発熱量を制御することにより、エンジン冷却水の温度が低い場合にこれをオルタネータの廃熱によって効率よく加熱することに特徴がある。以下、本発明を適用した一の実施形態の車両用発電装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１７】
図１は、本発明を適用した一実施形態の車両用発電装置の詳細構成を示す図である。同図に示す車両用発電装置は、三相交流電圧を発生するとともにこれを整流して直流電流を出力するオルタネータ１と、このオルタネータ１の界磁電流を制御するとともにオルタネータ１に含まれる交直電力変換手段としての３相全波整流回路２における整流動作のタイミングを制御する発電制御装置３とを含んで構成される。
【００１８】
オルタネータ１は、固定子であるステータに含まれるＸ相、Ｙ相、Ｚ相からなる３相のステータコイル１０と、回転子であるロータに含まれる界磁巻線であるフィールドコイル１２と、ステータコイル１０の出力端子に誘起される３相交流電圧を全波整流する３相全波整流回路２とを備えている。このオルタネータ１は、少なくともステータコイル１０がエンジン冷却水によって冷却される液冷式の構造を有しており、図示しないハウジング内に導入されたエンジン冷却水がステータコイル１０で発生した熱を奪って再度ハウジング外に回収される気密構造を有している。
【００１９】
３相全波整流回路２は、ＳｉＣで形成されたスイッチング手段としての６個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆを備えており、これらを３相ブリッジ接続した構成を有している。例えば、各ＭＯＳＦＥＴはＮチャネルタイプであり、ソースからドレインに向かって電流が流れる方向に寄生ダイオードが形成されている。具体的には、正極側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれのドレインがイグニッションスイッチ４を介してバッテリ５の正極側端子および電気負荷６の一方端に共通に接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれのソースがステータコイル１０のＸ相、Ｙ相、Ｚ相の一方端に接続されている。また、負極側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ｄ、２０ｅ、２０ｆのそれぞれのソースがバッテリ５の負極側端子および電気負荷６の他方端に共通に接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０ｄ、２０ｅ、２０ｆのそれぞれのドレインがステータコイル１０のＸ相、Ｙ相、Ｚ相の一方端に接続されている。なお、正極側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれが半導体スイッチング素子からなるハイサイドスイッチに対応しており、負極側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ｄ、２０ｅ、２０ｆのそれぞれが半導体スイッチング素子からなるローサイドスイッチに対応している。
【００２０】
発電制御装置３は、オルタネータ１に含まれるフィールドコイル１２に並列接続されるフライホイールダイオード３０と、フィールドコイル１２に流れる界磁電流を断続するスイッチングトランジスタ３２と、このスイッチングトランジスタ３２のオンオフ状態と上述した３相全波整流回路２に含まれる６個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのそれぞれのスイッチングのタイミングを制御するコントローラ３４とを備えている。
【００２１】
図２は、発電制御装置３に含まれるコントローラ３４の詳細な構成を示す図である。同図に示すように、コントローラ３４は、オルタネータ１に含まれるステータコイル１０のＸ、Ｙ、Ｚ相の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃに応じた位相角信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃを生成する波形処理回路４０と、いずれかの相電圧（例えばＶｃ）に基づいてオルタネータ１の回転数を検出する回転数検出手段としての回転数検出回路４２と、水温センサ７の出力に基づいてエンジン冷却水の水温を検出する水温検出手段としての水温検出回路４４と、スイッチングトランジスタ３２および６個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのそれぞれのオンオフ切り替えタイミングを各種の発電モード（後述する）ごとに設定するタイミング処理部４６と、このタイミング処理部４６からの指示に応じてＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのそれぞれのゲートに駆動電圧を印加するゲート駆動回路４８とを備えている。
【００２２】
また、タイミング処理部４６は、３相全波整流回路２の出力端子（＋Ｂ端子）とバッテリ５の正極端子（Ｓ端子）の電圧に基づいてスイッチングトランジスタ３２をオンオフすることによりＰＷＭ制御を行ってオルタネータ１の出力電圧をほぼ一定に維持する出力電圧制御手段５０と、スイッチングトランジスタ３２のオンオフ状態と水温検出回路４４によって検出されたエンジン冷却水の水温とに基づいて発電モードをノーマルモード、出力優先モード、発熱優先モードのいずれかに設定するモード切替手段５２と、これらの各発電モードに対応させて各回転数毎に段階的に変化させるタイミングデータが予め記憶されたタイミングデータ記憶手段５４と、いずれかの発電モードが設定されたときに、回転数検出回路４２によって検出されたオルタネータ１の回転数に対応するタイミングデータをタイミングデータ記憶手段５４から読み出し、波形処理回路４０から出力される各位相角信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃをこのタイミングデータに応じて所定時間遅らせてゲート駆動回路４８を駆動する位相制御手段５６とを含んでいる。例えば、このタイミング処理部４６は、マイクロコンピュータによって所定の制御プログラムを実行することにより実現されるものであり、その詳細な動作手順については後述する。また、タイミングデータ記憶手段５４は、例えば半導体メモリによって構成することができる。
【００２３】
本実施形態の車両用発電装置はこのような構成を有しており、その動作を説明する前に、発電モードとして設定されるノーマルモードと、出力優先モードおよび発熱優先モードを含む進相制御モードについて説明する。なお、ノーマルモードが第１の発電モードに、出力優先モードが第３の発電モードに、発熱優先モードが第２の発電モードにそれぞれ対応している。
【００２４】
図３は、波形処理回路４０から出力される位相角信号とゲート駆動回路４８から出力されるゲート信号の関係を示す図である。同図に示す「位相角Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ」のそれぞれは、波形処理回路４０から出力される位相角信号であり、オルタネータ１のステータコイル１０のＸ相、Ｙ相、Ｚ相のそれぞれに現れる相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが正電位にあるときにＨレベルが、負電位にあるときにＬレベルが対応している。
【００２５】
ノーマルモードとは、３相全波整流回路２の各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをダイオードに置き換えて動作させた場合の発電状態を実現するものである。ダイオードブリッジを用いて整流を行う場合には、ダイオードの順方向電圧降下や配線による電圧降下を無視すると、ステータコイル１０の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの絶対値がバッテリ５の端子間電圧の絶対値を越えた場合に、各ダイオードに順方向電流が流れる。したがって、各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの絶対値がバッテリ５の端子間電圧の絶対値を越えた期間だけ、対応するＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをオン状態に制御することにより、ノーマルモードの発電制御が実現できる。
【００２６】
図３のノーマルモードの「ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆ」は、このようなタイミングで各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをオン状態に制御するためにゲート駆動回路４８から出力されるものである。例えば、ステータコイル１０のＸ相に着目すると、この相電圧Ｖａが正電位になった後所定時間（所定角度Ｔａ）だけ経過したときに、この相電圧Ｖａがバッテリ電圧より高くなるものとすると、この角度Ｔａに相当する時間が経過したときにＭＯＳＦＥＴ２０ａに送るゲート信号ＧａをＨレベルに変化させる。また、この相電圧Ｖａが負電位になるより所定角度Ｔａだけ前にこの相電圧Ｖａがバッテリ電圧より低くなるため（オルタネータ１の出力波形に歪みがないものとする）、このタイミングでＭＯＳＦＥＴ２０ａに送るゲート信号ＧａをＬレベルに変化させる。他のゲート信号Ｇｂ〜Ｇｆについても同様であり、このようなゲート信号をＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆに入力することにより、ダイオードブリッジを用いて整流を行う場合と同様のノーマルモードの発電制御が可能となる。
【００２７】
ところで、上述したノーマルモードの発電制御では、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをダイオードと置き換えた場合と同様にそのオンオフ状態を制御したため、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆに電流が逆流することはなかったが、それぞれをオフ状態に切り替えるタイミングを遅らせることによりそれぞれに電流を逆流させて各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆとステータコイル１０との間に循環電流を流し、これにより発電効率を改善する進相電流制御を行うことができる。
【００２８】
すなわち、図３の進相制御モードの「ゲート信号Ｇａ〜Ｇｆ」に示すように、各位相角Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの立ち上がりと立ち下がりをともに角度Ｔｂだけ遅らせたゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを用いた場合には、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオン期間の後半に対応する相電圧の絶対値がバッテリ電圧の絶対値より小さくなる期間やこれを越えて相電圧の極性が反転する期間も含まれるため、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆにオルタネータ１の出力電流が逆流してステータコイル１０との間に循環電流が流れる。
【００２９】
図４は、進相制御を行った際に流れる循環電流を説明するための図である。図３に示すある時刻ｔにおける発電状態を示す図である。時刻ｔにおいては、ゲート信号ＧｂとＧｆがＨレベルであるため、ＭＯＳＦＥＴ２０ｂと２０ｆを通してバッテリ５および電気負荷６に、図４に示す出力電流ｉａが流れる。また、このときステータコイル１０のＸ相の相電圧Ｖａは負電位になっているがＭＯＳＦＥＴ２０ａはオン状態のままであるため、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂとステータコイル１０のＸ相、Ｙ相との間に、図４に示す循環電流ｉｂが流れる。この循環電流によって電流の位相を進ませることができ、その結果負荷角δが増加し、出力電流が増加する。このように、負荷角δは、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをオンオフするタイミングを遅らせることによって制御することができる。
【００３０】
図５は、本実施形態の車両用発電装置の等価回路を示す図である。同図において、Ｅは無負荷起電力（起電圧）、Ｚｓは同期インピーダンス、Ｖは相電圧、Ｉは同期インピーダンスＺｓに流れる電流である。なお、Ｅ、Ｚｓ、Ｖ、Ｉはそれぞれベクトル量である。
【００３１】
図６は、ノーマルモードに対応する円線図である。電流ベクトルＩ０は、相電圧ベクトルＶに対して遅れ角度θ０となり、出力は、Ｖ・Ｉ０（＝｜Ｖ｜｜Ｉ０｜ｃｏｓ θ０）となる。このような、ノーマルモードの状態における負荷角δ０を次第に増加させると、電流ベクトルＩは半径ａｐの円周上の軌跡を移動し、負荷角δの変化に伴って増加する。そして、電流ベクトルＩは、ｄ点において遅れ角度θが０となって力率１となり、このｄ点を越えると進み電流となる。
【００３２】
図７は、電流ベクトルＩが進み電流となった場合の円線図である。円周上のｄ点をすぎたｅ点における電流ベクトルＩ１は増大し、ノーマルモードの電流ベクトルＩ０より大きくなって、出力Ｖ・Ｉ１（＝｜Ｖ｜｜Ｉ１｜ｃｏｓ θ１）も増加する。さらに、負荷角がδ２となるｆ点に達すると、電流ベクトルＩ２はさらに増大し、出力Ｖ・Ｉ２（＝｜Ｖ｜｜Ｉ２｜ｃｏｓ θ２）は最大となる。
【００３３】
図８は、出力最大点（ｆ点）を越えた場合の円線図である。円周上のｆ点を過ぎても電流ベクトルＩは増加するが、出力Ｖ・Ｉは減少する。すなわち、ステータコイル１０に流れる電流は増加するが、出力として取り出すことができる電流は減少する。これは、電流として取り出すことができない循環電流が増加することを示しており、これに伴って発熱量が増す。安定限界線上のｇ点に達すると、負荷角δ３となって、発熱量が最大となる。
【００３４】
このように、進相制御を行って負荷角δを大きくしていって出力最大になったときの発電状態を出力優先モード、さらに負荷角δを大きくしていって発熱量最大になったときの発電状態を発熱優先モードという。ノーマルモード（負荷角δ０）のときに取り出すことができる電流をｉ０、出力優先モード（負荷角δ２）のときに取り出すことができる電流をｉ２、発熱優先モード（負荷角δ３）のときに取り出すことができる電流をｉ３とすると、ｉ０＝ｉ３＜ｉ２となる。したがって、発熱優先モードにすることにより、電気負荷６に供給する出力電流をノーマルモードと同じに保ちながら、オルタネータ１のステータコイル１０による発熱量を増加させることができる。
【００３５】
図９は、進相制御を行って負荷角を大きくしていった場合の出力電流ＩＡＬＴと循環電流Ｉｓの関係を示す図である。同図に示すように、ノーマルモードの負荷角δ０から次第に遅延角度Ｔ（図３に示す遅延角度Ｔｂ）を増していったときに、出力ＩＡＬＴが最大となる負荷角δ２、および循環電流Ｉｓが増大していってステータコイル１０に流れる電流（ＩＡＬＴ＋Ｉｓ）に比例して発熱量も最大となるδ３を設定することができる。
【００３６】
次に、本実施形態の車両用発電装置の動作を説明する。上述したように、本実施形態の車両用発電装置は、３相全波整流回路２に含まれるＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオンオフ切り替えのタイミングを制御することにより、同じ出力電流を取り出すことができるノーマルモードと発熱優先モードの２種類の発電状態を有しており、エンジン始動直後のエンジン冷却水の温度が低い場合には発熱優先モードで発電を行い、エンジン冷却水の温度が高くなった後はノーマルモードで発電を行う。また、この車両用発電装置は、電気負荷６が大きくなってバッテリ５が放電していると判断すると、ノーマルモードと発熱優先モードのいずれの状態にあるかにかかわらず出力優先モードで発電を行って、バッテリ上がりを防止する。
【００３７】
図１０は、本実施形態の車両用発電装置の動作手順を示す流れ図であり、主に発電制御装置３内のコントローラ３４に含まれるタイミング処理部４６による発電制御の動作手順が示されている。イグニッションスイッチ４がオン状態になって発電制御装置３が動作可能な状態になると、まずタイミング処理部４６のモード切替手段５２は、エンジン冷却水の温度が所定値より高いか否かを判定し（ステップ１００）、エンジン始動直後であってエンジン冷却水の温度が所定値より低い場合には発電モードを発熱優先モードに設定する（ステップ１０１）。このようにして発熱優先モードに設定された後、位相制御手段５６による所定のタイミング制御および出力電圧制御手段５０による界磁電流制御が行われる（ステップ１０３、１０４）。
【００３８】
具体的には、位相制御手段５６は、タイミングデータ記憶手段５４に格納されているテーブルから、回転数検出回路４２によって検出されたその時点の回転数Ｎに対応する発熱優先モードの遅延角度Ｔ３を読み出し、波形処理回路４０から出力される位相角信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃをこの読み出した遅延角度Ｔ３だけ遅延させたゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成する。このようにして生成されたゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて、ゲート駆動回路４８によってＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオンオフタイミングが制御される。
【００３９】
図１１は、タイミングデータ記憶手段５４に格納されたテーブルの一例を示す図である。同図に示すように、このテーブルには各回転数Ｎ毎にノーマルモード、出力優先モード、発熱優先モードのそれぞれに対応した遅延角度Ｔ０、Ｔ２、Ｔ３がタイミングデータとして格納されている。図６〜図８に示した各発電モードの負荷角δ０、δ２、δ３を実現するために必要な遅延角度Ｔ０、Ｔ２、Ｔ３が、それぞれシミュレーション計算によってあるいは実測によって求められ、これらの計算結果あるいは実測結果が各回転数Ｎ毎に分類されて図１１に示すテーブルとして格納されている。したがって、その時点におけるオルタネータ１の回転数Ｎとどのモードに設定されているかが決まれば、ノーマルモードの制御を行うために必要な角度Ｔ０、あるいは発熱優先モードや出力優先モードの制御を行うために必要な遅延角度Ｔ３、Ｔ２が特定される。
【００４０】
このようにして、エンジン冷却水の温度が低い場合には発熱優先モードに設定されてＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオンオフタイミングを変更するタイミング制御が行われる。また、この位相制御手段５６によるタイミング制御と並行して、あるいはこのタイミング制御の後に、出力電圧制御手段５０は、所定の界磁電流制御を行い、この界磁電流制御によって設定された所定の導通率Ｆｄｕｔｙを有するスイッチング信号がスイッチングトランジスタ３２に送られてそのオンオフ制御がなされて、オルタネータ１のフィールドコイル１２に所定の界磁電流が供給される。界磁電流制御の詳細については後述する。
【００４１】
次に、モード切替手段５２は、出力電圧制御手段５０からスイッチングトランジスタ３２に送られるスイッチング信号の導通率Ｆｄｕｔｙが所定の最大値（例えば９９％）以上であるか否かを判定し（ステップ１０５）、最大値未満である場合（オルタネータ１の発電状態に余裕がある場合）には、上述したステップ１００に戻って処理を繰り返す。このようにして、エンジン冷却水の温度が上昇して所定値を越えるまで発熱優先モードで発電制御が行われる。なお、上述したステップ１０５における判定処理を行うモード切替手段５２が放電状態検出手段に対応している。
【００４２】
また、エンジン始動後ある程度時間が経過して、エンジン冷却水の温度が所定値を越えると、ステップ１００において肯定判断が行われ、次にモード切替手段５２は、発電モードをノーマルモードに設定する（ステップ１０２）。上述した発熱優先モードの場合と同様に、位相制御手段５６は、タイミングデータ記憶手段５４に格納されている図１１に示すテーブルから、その時点の回転数に対応するノーマルモードの角度Ｔ０を読み出し、波形処理回路４０から出力される位相角信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃとこの読み出した角度Ｔ０とに基づいてノーマルモード用のゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成する。このようにして生成されたゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて、ゲート駆動回路４８によってＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオンオフタイミングが制御される（ステップ１０３）。このようにして、エンジン冷却水の温度が上昇して所定値を越えた後はノーマルモードで発電制御が行われる。
【００４３】
上述したように、エンジン冷却水の温度に応じてノーマルモードあるいは発熱優先モードに設定されて発電制御が行われるが、界磁電流を制御するスイッチングトランジスタ３２の導通率であるＦｄｕｔｙが所定の最大値以上であるとき（ステップ１０５で肯定判断）には、モード切替手段５２は、バッテリ５が放電していると判断し、バッテリ上がりを防止するために、発電モードを出力優先モードに設定する（ステップ１０６）。以後、上述した発熱優先モードやノーマルモードの場合と同様に、位相制御手段５６は、タイミングデータ記憶手段５４に格納されているテーブルから、その時点の回転数に対応する出力優先モードの遅延角度Ｔ２を読み出し、波形処理回路４０から出力される位相角信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃをこの読み出した遅延角度δ２だけ遅延させたゲート信号Ｇａ〜Ｇｆを生成する。このようにして生成されたゲート信号Ｇａ〜Ｇｆに基づいて、ゲート駆動回路４８によってＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオンオフタイミングが制御される。このようにして、Ｆｄｕｔｙが所定の最大値以上になると出力優先モードで発電制御が行われ、Ｆｄｕｔｙが所定の最大値未満に戻ると再び発熱優先モードあるいはノーマルモードによる発電制御が行われる。
【００４４】
図１２は、上述したステップ１０４において実行される界磁電流制御の具体的な動作手順を示す流れ図である。出力電圧制御手段５０は、Ｓ端子を介して印加されるバッテリ５の端子電圧Ｖｓが所定の設定電圧Ｖｒｅｇ以上であるか否かを判定し（ステップ２００）、設定電圧Ｖｒｅｇ以上である場合にはスイッチングトランジスタ３２の導通率であるＦｄｕｔｙを所定値分低下させ（ステップ２０１）、反対に設定電圧Ｖｒｅｇ未満である場合にはＦｄｕｔｙを所定値分上昇させる（ステップ２０２）。このようなＦｄｕｔｙの調整はステップ１０４における界磁電流制御処理が実行されるたびに行われる。したがって、バッテリ電圧Ｖｓが所定の設定値Ｖｒｅｇ以上である場合にはＦｄｕｔｙが徐々に低下するため、３相全波整流回路２の出力電圧＋Ｂが次第に低くなり、反対にバッテリ電圧Ｖｓが所定の設定値Ｖｒｅｇ未満である場合にはＦｄｕｔｙが徐々に上昇するため、３相全波整流回路２の出力電圧＋Ｂが次第に高くなり、結局バッテリ電圧Ｖｓが所定の設定値Ｖｒｅｇに等しくなるように制御される。
【００４５】
このように、エンジン始動直後においてエンジン冷却水の温度が低い場合には、発熱優先モードに設定されて効率を下げた状態で発電制御が行われ、オルタネータ１のステータコイル１０に流れる循環電流が増大して発熱量が増すため、エンジン冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。このため、エンジン冷却水の熱を利用したヒータから吹き出される温風の温度も速やかに上昇し、補助的に電気ヒータや燃焼式暖房器具を使用する必要がなくなる。
【００４６】
また、エンジン冷却水の温度が高くなった後は、ノーマルモードに設定されて効率を上げた状態で発電制御が行われるため、オルタネータ１の各部の温度が下がってこれら各部の耐久性向上に奏することができ、同じ出力を得るために必要な駆動力も発熱優先モードに比べると少なくて済むためエンジンにかかる負担を減らすことができる。
【００４７】
また、電気負荷６が増えてバッテリ５から放電された状態になった場合には、出力優先モードに設定され、効率をさらに上げて取り出すことができる出力電流が最大となる状態で発電制御が行われるため、バッテリ上がりを防止することができる。
【００４８】
特に、上述したノーマルモード、発熱優先モード、出力優先モードのそれぞれの発電制御を行うために必要な回転数毎のタイミングデータがタイミングデータ記憶手段５４にテーブルの形で格納されているため、その時点での回転数に応じてこのテーブルから必要なデータを読み出すだけで、所望の発電モードの制御をリアルタイムに行うことができる。
【００４９】
図１３は、発熱優先モードで発電制御を行う場合に、ステータコイル１０に流れる循環電流を徐々に増やすことにより、ステータコイル１０の急激な温度上昇を抑えた場合の動作手順を示す流れ図である。図１０に示した発電制御動作に対して、ステップ１０１の発熱優先モードの設定処理を以下に示すステップ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの各処理に置き換えた点が異なっている。
【００５０】
エンジン冷却水の温度が所定値以下である場合にはステップ１００において否定判断が行わ、次にモード切替手段５２は、進相電流制御を行うための遅延角度Ｔが発熱優先モードの遅延角度Ｔ３と同じか否かを判定する（ステップ１０１ａ）。例えば最初は遅延角度Ｔが０に設定されており、次にモード切替手段５２は、タイマを起動してあるいは既にタイマが起動されている場合にはそのタイマを監視することにより、一定時間が経過したか否かを判定し（ステップ１０１ｂ）、一定時間を経過したときには現時点における遅延角度Ｔに所定値を加算して遅延角度Ｔを増加させる（ステップ１０１ｃ）。
【００５１】
また、遅延角度Ｔが発熱優先モードの遅延角度Ｔ３に等しい場合（現時点の遅延角度Ｔに所定値を繰り返し加算していった結果Ｔ３に等しくなった場合）にはステップ１０１ａで肯定判断が行われ、あるいはタイマを起動してから一定時間が経過しない間はステップ１０１ｂで否定判断が行われ、その時点の遅延角度Ｔを維持した状態で、所定のタイミング制御および界磁電流制御が行われる（ステップ１０３）。
【００５２】
このように、エンジン冷却水の温度が低い場合であっても最初から発熱優先モードに設定して発電制御を行うのではなく、遅延角度Ｔを徐々に増やしていって負荷角δを次第に増加させており、ステータコイル１０に流れる循環電流が少しずつ増えるため、ステータコイル１０および他の構成部品の急激な温度上昇を緩和することができる。したがって、オルタネータ１の各部品、特にエンジン冷却水を密閉するためのシール部の寿命を向上させることができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、発熱優先モードに対応させてステータコイル１０の発熱量が最大となる安定限界線近傍の負荷角δ３を、出力優先モードに対応させて外部に取り出すことができる出力が最大となる負荷角δ２をそれぞれ実現するようにしたが、必ずしも発熱量あるいは出力が最大となる必要はなく、それらの負荷角δ３、δ２の近傍の負荷角δ３ ′、δ２ ′のときを発熱優先モード、出力優先モードとして発電制御を行うようにしてもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態では、ノーマルモードと発熱優先モードの他に、バッテリ上がりを防止するために出力優先モードを設けたが、従来のダイオードブリッジによる全波整流回路を有する発電機にエンジン冷却水の加熱機構を追加するだけでよい場合には、必ずしも出力優先モードを設ける必要はなく、ノーマルモードの他に発熱優先モードのみを設けるようにしてもよい。
【００５５】
また、図１３に示した動作手順においては、エンジン冷却水の温度が低い場合に、遅延角度Ｔを一定時間に所定量ずつ増やしていって最終的に発熱量最大の負荷角δ３を実現するようにしたが、制御開始時（加熱開始時）のエンジン冷却水の温度の高低によって、この一定時間毎に増やす所定量を変えてもよい。すなわち、エンジン冷却水の温度が極端に低い場合には増加量ΔＴを大きく設定し、エンジン冷却水の温度がそれほど低くない場合には増加量ΔＴを小さく設定することにより、エンジン冷却水の温度が高くなるまでの時間を加熱開始時の温度によらず、ある程度近づけることができる。具体的には、図１４に示すように、エンジン冷却水の温度ｔｍｐと、これに対応する遅延角度Ｔの増加量ΔＴとの関係をテーブルの形でメモリに記憶しておいて、加熱開始時のエンジン冷却水の温度に対応した増加量ΔＴを読み出すようにすればよい。あるいは、増加量ΔＴをエンジン冷却水の温度に応じて変える代わりに、増加量ΔＴを一定にして次にこの増加量を加算するまでの時間間隔を、エンジン冷却水の温度が低い場合には短く、ある程度高い場合には長く設定するようにしてもよい。
【００５６】
また、上述した実施形態では、３相全波整流回路２としてＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆを用いたが、従来からあるダイオードブリッジによる３相全波整流回路とスイッチング素子による短絡回路を組み合わせて用いるようにしてもよい。短絡回路としては、図１５（Ａ）に示すようなスイッチング素子をブリッジ構造に接続したもの、図１５（Ｂ）に示すようなΔ結線を行ったもの、図１５（Ｃ）に示すようにＹ結線を行ったものが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一実施形態の車両用発電装置の詳細構成を示す図である。
【図２】発電制御装置に含まれるコントローラの詳細な構成を示す図である。
【図３】波形処理回路から出力される位相角信号とゲート駆動回路から出力されるゲート信号の関係を示す図である。
【図４】進相制御を行った際に流れる循環電流を説明するための図である。
【図５】本実施形態の車両用発電装置の等価回路を示す図である。
【図６】ノーマルモードに対応する円線図である。
【図７】電流ベクトルＩが進み電流となった場合の円線図である。
【図８】出力最大点を越えた場合の円線図である。
【図９】進相制御を行って負荷角を大きくしていった場合の出力電流と循環電流の関係を示す図である。
【図１０】本実施形態の車両用発電装置の動作手順を示す流れ図である。
【図１１】タイミングデータ記憶手段に格納されたテーブルの一例を示す図である。
【図１２】界磁電流制御の具体的な動作手順を示す流れ図である。
【図１３】発熱優先モードで発電制御を行う場合にステータコイルの循環電流を徐々に増やす場合の動作手順を示す流れ図である。
【図１４】エンジン冷却水の温度と遅延角度の増分との関係を示す図である。
【図１５】ダイオードブリッジによる整流回路と短絡回路とを組み合わせた場合の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１オルタネータ
２３相全波整流回路
３発電制御装置
５バッテリ
６電気負荷
７水温センサ
３２スイッチングトランジスタ
３４コントローラ
４０波形処理回路
４２回転数検出回路
４４水温検出回路
４６タイミング処理部
４８ゲート駆動回路
５０出力電圧制御手段
５２モード切替手段
５４タイミングデータ記憶手段
５６位相制御手段

Claims

エンジン冷却水によって冷却される電機子巻線と、スイッチング手段を所定のタイミングで開閉することにより前記電機子巻線に誘起された交流電圧を整流して直流電圧に変換する交直電力変換手段とを有する車両用交流発電機と、
前記スイッチング手段を開閉するタイミングを切り替えることにより、前記電機子巻線による発熱量を増加させる制御を行う発電制御装置と、
を備えることを特徴とする車両用発電装置。
請求項１において、
前記発電制御装置は、前記スイッチング手段を開閉するタイミングを切り替えて、前記車両用交流発電機の発電効率を下げることにより、前記電機子巻線の発熱量を増加させることを特徴とする車両用発電装置。
請求項１において、
前記発電制御装置は、前記スイッチング手段を開閉するタイミングを遅らせて、前記電機子巻線に誘起される起電力よりも前記電機子巻線に流れる電流の位相を進めることにより、前記電機子巻線による発熱量を増加させることを特徴とする車両用発電装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記発電制御装置は、整流素子としてダイオードブリッジを用いた場合と等価的な発電制御を行う第１の発電モードと、前記第１の発電モードと同等の出力電流が取り出せるとともに前記電機子巻線の発熱量が増加するように発電制御を行う第２の発電モードとを有しており、所定の発熱量増加要求があったときに、前記第２の発電モードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項４において、
前記エンジン冷却水の温度を検出する水温検出手段をさらに備えており、
前記発電制御装置は、前記水温検出手段によって検出した前記エンジン冷却水の温度が所定値以下であるときに、前記第２の発電モードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項４または５において、
前記発電制御装置は、前記第１の発電モードと前記第２の発電モードの他に、前記スイッチング手段を開閉するタイミングを切り替えることにより前記第１および第２の発電モードよりも多くの出力電流が取り出せる第３の発電モードを有しており、所定の出力増加要求があったときに、前記第３の発電モードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項６において、
車載バッテリが放電状態にあることを検出する放電状態検出手段をさらに備えており、
前記発電制御装置は、前記放電状態検出手段によって前記車載用バッテリが放電状態にあると判断されたときに、前記第３の発電モードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項７において、
前記発電制御装置は、前記車両用交流発電機に含まれる界磁巻線に流す界磁電流を断続することにより、前記車両用交流発電機の出力をほぼ一定に維持する出力電圧制御手段をさらに備えており、
前記放電状態検出手段は、前記出力電圧制御手段による界磁電流の導通率が所定値以上であるときに、前記車載バッテリが放電状態であることを検出することを特徴とする車両用発電装置。
請求項５において、
前記交直電力変換手段に含まれるスイッチング手段は、
前記電機子巻線の各相の出力端と正極側出力端子との間に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるハイサイドスイッチと、
前記電機子巻線の各相の出力端と負極側出力端子との間に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるローサイドスイッチとを有し、
前記発電制御装置は、
前記水温検出手段によって検出した前記エンジン冷却水の温度が所定値以下であるときに前記第２の発電モードに設定するモード切替手段と、
前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以下になってから所定期間経過後に前記ハイサイドスイッチをオフし、前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以上になってから所定期間経過後に前記ローサイドスイッチをオフする位相制御手段とを有し、
前記モード切替手段によって前記第２の発電モードに設定されたときに、位相制御手段によって前記第２の発電モードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項８において、
前記交直電力変換手段に含まれるスイッチング手段は、
前記電機子巻線の各相の出力端と正極側出力端子との間に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるハイサイドスイッチと、
前記電機子巻線の各相の出力端と負極側出力端子との間に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるローサイドスイッチとを有し、
前記発電制御装置は、
前記水温検出手段によって前記エンジン冷却水の温度が所定値以下であることを検出したときに前記第２の発電モードに設定し、前記放電状態検出手段によって前記車載バッテリが放電状態であることを検出したときに前記第３の発電モードに設定するモード切替手段と、
前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以下になってから所定期間経過後に前記ハイサイドスイッチをオフし、前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以上になってから所定期間経過後に前記ローサイドスイッチをオフする位相制御手段とを有し、
前記モード切替手段によって前記第２の発電モードあるいは第３の発電モードに設定されたときに、位相制御手段によって前記第２の発電モードおよび第３の発電モードのそれぞれに対応した前記所定期間を設定して発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項９または１０において、
前記発電制御装置は、前記車両用交流発電機の回転数を検出する回転数検出手段をさらに備えており、
前記位相制御手段は、前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチをオフするまでの前記所定期間を、前記回転数検出手段によって検出された回転数に応じて設定することを特徴とする車両用発電装置。
請求項１１において、
前記発電制御装置は、前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチをオフするまでの前記所定期間に関するタイミングデータを前記車両用交流発電機の回転数に対応させたテーブルとして記憶するタイミングデータ記憶手段をさらに有しており、
前記位相制御手段は、前記回転数検出手段によって検出された前記車両用交流発電機の回転数に応じて、対応する前記タイミングデータを読み出して所定の制御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
請求項１において、
前記スイッチング手段としてＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを用いることにより前記交直電力変換手段を構成することを特徴とする車両用発電装置。