JP3609987B2

JP3609987B2 - 車両用発電機システム及びそれを用いる電動四輪駆動システム

Info

Publication number: JP3609987B2
Application number: JP2000168446A
Authority: JP
Inventors: 裕司前田; 雅美高野; 広生後藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: JP2001352795A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用発電機システム及びそれを用いる電動四輪駆動システムに係り、特に、内燃機関などの外部回転機で駆動されるとともに、車両用電動機のような要求される電圧が変動する負荷に電力を供給するに好適な車両用発電機システム及びそれを用いる電動四輪駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用発電機は、発電機の出力電圧を畜電器であるバッテリに充電するようにしている。バッテリの電圧が、例えば、１４Ｖである場合、車両用発電機の出力電圧も、１４Ｖ固定としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、車両の駆動源として、内燃機関の他に電動機を備え、通常は内燃機関によって例えば車両の前輪を駆動し、必要に応じて、電動機を用いて後輪を駆動することにより４輪駆動とする車両が開発されつつある。かかる電動４輪駆動車においては、発進時には電動機の出力トルクを大きくし、走行中は電動機の出力トルクが小さくなるように、電動機の出力トルクを制御する。このように電動機の出力トルクを制御する方法としては、電動機に供給する電圧電流を制御する方法が考えられる。
【０００４】
ここで、電動４輪駆動車用の電動機の電圧源として、従来の発電機の発電出力を用いるようにした場合、従来の出力電圧が固定の車両用発電機において、出力電圧が一定であったり、低電圧である場合は、界磁電流源として発電機自体の出力を使っても界磁電流に印加される電圧も一定になり、流れる電流もある程度の範囲に規定できる。しかしながら、出力電圧が可変になると、低電圧では自分の出力電圧が下がると共に界磁電流の最大値が下がるため出力自体が低下し、低電圧で大電流を要求する電気負荷には対応できないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、発電機の出力電圧が電気負荷の要求に応じて低電圧から高電圧まで変化した場合でも、安定して電流を出力できる車両用発電機システム及びそれを用いる電動四輪駆動システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、車両の車輪を内燃機関により駆動し、内燃機関によって駆動される車輪とは異なる車輪を電動機によって駆動する電動四輪駆動車に用いられる車両用発電システムであって、内燃機関によって駆動される発電機と、この発電機の発電出力を制御するコントローラと、車載バッテリの電圧を昇圧する昇圧手段とを有し、前記発電機は、前記電動機を駆動するための駆動源であるとともに、前記発電出力を電動機に供給しており、かつ界磁コイルに流れる電流によって前記発電出力の電圧及び電流を可変できるものであり、前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力と前記発電出力の内、大きい方の出力を供給するように構成されているものである。
かかる構成により、発電機の出力電圧が低い場合には、昇圧手段によって昇圧されたバッテリの出力によって界磁電流が制御されるため、発電機の出力電圧が電気負荷の要求に応じて低電圧から高電圧まで変化した場合でも、安定して電流を出力し得るものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記昇圧手段は、車載バッテリの電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータとしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）または（２）において、好ましくは、前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力及び前記発電出力に加えて、車載バッテリの出力の内、出力の大きい出力を供給するように構成されているものである。
【０００９】
（４）上記（１）または（２）において、好ましくは、前記昇圧手段の出力を、前記電動機の界磁コイルに供給するように構成したものである。
【００１０】
（５）上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関によって駆動される車輪とは異なる車輪を駆動する電動機と、内燃機関によって駆動される発電機と、この発電機の発電出力を制御するコントローラと、車載バッテリの電圧を昇圧する昇圧手段とを有し、前記発電機は、前記電動機を駆動するための駆動源であるとともに、前記発電出力を電動機に供給しており、かつ界磁コイルに流れる電流によって前記発電出力の電圧及び電流を可変できるものであり、前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力と前記発電出力の内、大きい方の出力を供給するように構成されているものである。
かかる構成により、発電機の出力電圧が低い場合には、昇圧手段によって昇圧されたバッテリの出力によって界磁電流が制御されるため、発電機の出力電圧が電気負荷の要求に応じて低電圧から高電圧まで変化した場合でも、安定して電流を出力し得るものとなる。
（６）上記（５）において、好ましくは、前記昇圧手段は、車載バッテリの電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータとしたものである。
（７）上記（５）または（６）において、好ましくは、前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力及び前記発電出力に加えて、車載バッテリの出力の内、出力の大きい出力を供給するように構成されているものである。
（８）上記（５）または（６）において、好ましくは、前記昇圧手段の出力を、前記電動機の界磁コイルに供給するように構成したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態による車両用発電機システムの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による車両用発電機システムのシステム構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【００１２】
本実施形態による車両用発電機システムは、オルタネータ１０と、レギュレータ回路２０と、コントローラ３０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０と、ダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。
【００１３】
オルタネータ１０は、ステータ１２と、界磁コイル１４と、整流ダイオード１６とを備えている。ステータ１２の結線方法としては、スター結線のものを例示しているが、デルタ結線のものでもよいものである。オルタネータ１０の出力は、発電機の駆動源である内燃機関の回転数と、界磁コイル１４に流れる界磁電流によって決る。ステータ１２に誘起された電力は、整流ダイオード１６によって直流に整流され、電気負荷Ｌに供給される。ここで、負荷Ｌは、例えば、電動４輪駆動車に用いられるＤＣモータである。負荷Ｌとしては、他の電気負荷でもよいが、バッテリーなどの電圧固定形の蓄電器は接続されていないものである。
【００１４】
コントローラ３０には、車速センサや、アクセル開度センサなどのセンサの出力が入力し、これらのセンサ出力により、電気負荷であるＤＣモータの出力トルクを算出し、このトルクを出力するための要求指令電圧を算出する。コントローラ３０は、オルタネータ１０の出力電圧または電気負荷Ｌに印加される電圧Ｖを、Ｓ端子１５で検出する。そして、コントローラ３０は、検出された電圧と、要求指令電圧とを比較して、検出された電圧が要求指令電圧より高いか低いかに応じて、レギュレータ回路２０に制御信号を出力する。
【００１５】
レギュレータ回路２０は、信号処理部２２と、界磁電流制御用パワートランジスタ２４と、フライホイールダイオードＤＦとを備えている。レギュレータ回路２０の信号処理部２２は、コントローラ３０からの信号や、電気負荷Ｌからのフィードバック電圧Ｖなどの情報を処理して、界磁電流制御用トランジスタ２４のＯＮ時間を決定し、界磁電流制御用パワートランジスタ２４にＯＮ／ＯＦＦ指令を出力する。トランジスタ２４がＯＦＦする時に界磁コイル１４に発生する誘起電圧は、フライホイールダイオードＤＦで逃がすことで、パワートランジスタ２４に印加される電圧値を下げている。
【００１６】
界磁コイル１４に流れる界磁電流は、オルタネータ１０自体の出力を電源として、ダイオードＤ１を介して供給される。さらに、本実施形態においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力も、ダイオードＤ２を介して、界磁コイル１４に供給するようにしている。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、バッテリーＢの出力電圧に基づいた直流電圧Ｖ１を出力する。バッテリーＢの電圧が、例えば、１４Ｖの場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力電圧Ｖ１は、例えば、２０Ｖである。以上のように、本実施形態では、界磁コイル１４に印可する電源として、オルタネータ１０自体の出力及びＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力を備えており、それぞれ、ダイオードＤ１，Ｄ２を介して、界磁コイル１４に印加される。このように、ダイオードＤ１，Ｄ２で２つの電源を結合させることにより、２つの電源の内、電圧の高い方の電源から界磁コイル１４に界磁電流が供給されることになり、各々の電圧に応じて自動的に切替る。バッテリーＢの電圧は、一般乗用車では１４Ｖであるが、トラック系では２８Ｖバッテリとなる。
【００１７】
次に、図２を用いて、本実施形態による車両用発電機システムの動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による車両用発電機システムの動作を示す電圧−電流の特性図である。図２において、横軸は、オルタネータ１０の出力電流（Ａ）を示しており、縦軸は、オルタネータ１０の出力電圧（Ｖ）を示している。
【００１８】
図２において、実線Ａ及び破線Ｂで示される出力電圧−出力電流の特性は、界磁コイル１４に流れる界磁電流を、オルタネータ１０自体の出力のみを電源として、ダイオードＤ１を介して供給した場合である。即ち、出力電圧が低くなると、破線Ｂで示すように、出力電流も小さくなる。この実線Ａ及び破線Ｂで示されるコ字形特性は、オルタネータ１０の回転数（即ち、内燃機関の回転数）に応じた相似形に変化する。回転数が高いほど、最大電流Ｉｍａｘは大きくなる。出力電流が、低電圧側で下がる理由は、界磁電流源である出力電流自体が下がってしまうため、コイル抵抗で決る電流も比例して下がるためである。電気負荷Ｌが、電動４輪駆動車に用いられるＤＣモータの場合、低電圧大電流が必要とされるので、破線Ｂで示すような低電圧低電流では、ＤＣモータの駆動に用いることはできないものである。
【００１９】
それに対して、本実施形態では、界磁コイル１４には、オルタネータ１０自体の出力及びＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力を、ダイオードＤ１，Ｄ２を介して、界磁電流が供給されている。そして、オルタネータ１０の出力が電圧Ｖ１以上の時は、オルタネータ１０の出力電圧によって界磁電流が決まり、オルタネータ１０の出力が電圧Ｖ１より小さくなると、界磁電流は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力電圧によって決まるようになっている。したがって、オルタネータ１０の出力電圧−出力電流特性は、出力電圧Ｖ１以上では、図２に実線Ａで示すようになり、オルタネータ１０単体を界磁コイル１４の電源とする場合と同じである。しかしながら、出力電圧がＶ１より小さくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力電圧によって界磁電流が決まるため、図２に一点鎖線Ｃで示すように、出力電圧が低い領域における出力電流を大きくすることができる。即ち、低電圧大電流の特性のオルタネータを得ることができる。なお、二点鎖線Ｄについては、他の実施形態において後述する。
【００２０】
以上の説明では、オルタネータ１０の出力の内、低電圧部の電流特性を改善するものであるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力電圧は、Ｖ１一定としている。しかしながら、さらに、高電圧部の特性も改善したい場合は、界磁電流駆動用のパワートランジスタ２４など半導体の定格を超えない範囲で、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力電圧をＶ１以上に高くすることにより、界磁コイル１４にかかる印加電圧をオルタネータ１０の出力電圧以上にすることで改善することができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、低電圧時の電流特性を大電流特性とすることができる。したがって、電気負荷が電動４輪駆動車のＤＣモータである場合にも、低電圧大電流によって、ＤＣモータを駆動することができ、電動４輪駆動車としての所望の特性を得ることができる。
【００２２】
また、界磁電流を電圧のみで改善することから、オルタネータやモータの体格を上げること無く、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力容量のみを変更するだけで広い範囲の要求出力特性に対応することが可能になる。したがって、シリーズ化が容易にでき、量産性が向上することができる。
【００２３】
次に、図３及び図２を用いて、本発明の第２の実施形態による車両用発電機システムの構成及び動作について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００２４】
本実施形態においては、界磁コイル１４に流れる界磁電流は、１）オルタネータ１０自体の出力、２）ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力という図１に示した実施形態における構成に加えて、３）バッテリーＢの出力を電源として、ダイオードＤ３を介して供給するようにしている。
【００２５】
本実施形態においては、通常のオルタネータ１０の出力電圧−出力電流特性は、図２における実線Ａと一点鎖線Ｃの特性となる。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０が故障した場合には、界磁コイル１４に印加される電圧は、少なくとも、ダイオードＤ３を介して供給されるバッテリーＢの電圧となる。ここで、バッテリーＢの電圧を、Ｖ２とすると、図２に示した出力電圧−出力電流特性において、出力電圧がＶ２以下の特性は、二点鎖線Ｄに示すようになる。即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０が故障した場合でも、電圧Ｖ２以下の特性は、一点鎖線Ｃほどの大電流特性は得られないものの、破線Ｂのような低電流特性まで下がることがないため、或る程度の電流を得られ、本実施形態による車両用発電機システムの信頼性を向上することができる。
【００２６】
また、電気負荷であるＤＣモータが、低電圧において、それほど大きな電流特性が必要ない場合，即ち、電動４輪駆動車として用いる場合に、要求トルクが小さい場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０を不動作とすることにより、低電圧において二点鎖線Ｄで示す特性を得ることができる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、発電機システムの信頼性を向上でき、また、必要に応じた電圧電流特性を得ることができる。
【００２８】
次に、図４を用いて、本発明の第３の実施形態による車両用発電機システムの構成及び動作について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００２９】
本実施形態においては、オルタネータ１０の出力に接続される電気負荷を、界磁分巻式のＤＣモータＬＤとしている。オルタネータ１０の出力は、直接、ＤＣモータＬＤのアーマチャコイルに供給される。モータ界磁ドライバＭＤは、ＤＣモータＬＤの界磁コイルＣに流れる電流を制御する。ここで、モータ界磁ドライバＭＤの電源は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０から供給するようにしている。ＤＣモータの界磁コイルに印加される界磁電流源を、バッテリから取る場合、バッテリの電圧が変動すると、ＤＣモータＬＤの特性が不安定になるのに対して、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０から取るようにすることにより、特性が安定する。また、界磁の磁束が飽和しない範囲でバッテリ電圧以上にすることでモータ出力を向上できる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、電気負荷としてＤＣモータを用いる場合に、特性を安定化できる。また、モータ出力を向上することができる。
【００３１】
次に、図５を用いて、本発明の第４の実施形態による車両用発電機システムの構成及び動作について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３２】
本実施形態においては、図１に示したレギュレータ回路２０に代えて、パワースイッチ回路２０Ａを用いている。パワースイッチ回路２０Ａは、図１に示した信号処理部２２を備えておらず、オルタネータ１０の界磁電流を制御するパワートランジスタ２４を、外部コントローラ３０から直接制御するようにしている。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、制御部の構成を簡単にすることができる。
【００３４】
次に、図６を用いて、本発明の第５の実施形態による車両用発電機システムの構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第５の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３５】
本実施形態においては、図１に示したレギュレータ回路２０に代えて、ＩＣレギュレータ回路２０Ｂを用いている。ここで、外部のコントローラ３０の電圧指令値はＰＷＭのＤｕｔｙ値であり、ＩＣレギュレータ回路２０Ｂは、ＰＷＭのＤｕｔｙ値に基づいて、パワートランジスタ２４をＯＮ−ＯＦＦ制御する。
【００３６】
ＩＣレギュレータ回路２０Ｂは、波形整形回路２６と、Ｄｕｔｙ−電圧変換回路２７と、コンパレータ２８とを備えている。波形整形回路２６は、コントローラ３０が出力した電圧指令値であるＰＷＭ信号を、基準電圧Ｖｒｅｆ１を用いて波形整形する。Ｄｕｔｙ−電圧変換回路２７は、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙ値を電圧値に変換する。スイッチ回路ＳＷ１は、通常は、Ｄｕｔｙ−電圧変換回路２７の出力をコンパレータ２８に入力するように切り替えられている。コンパレータ２８は、オルタネータ１０の出力電圧と電圧指令値を比較して、両者が一致するように、パワートランジスタ２４をＯＮ−ＯＦＦ制御する。コントローラ３０からの制御信号（ＰＷＭ信号）が入力しない場合や、ＰＷＭ信号のＯＮかＯＦＦが規定周期以上連続した場合は、スイッチ回路ＳＷ１が切り替えられ、基準電圧Ｖｒｅｆ２がコンパレータ２８に入力して、電気負荷Ｌが電動機のみの場合、オルタネータ１０の出力電圧が０に近くなるように設定して、不必要なトルクを発生させないようにしている。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、制御信号がＰＷＭ信号の場合でも、同様に、オルタネータを制御することができる。
【００３８】
次に、図７を用いて、本発明の第６の実施形態による車両用発電機システムの構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の第６の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３９】
本実施形態においては、図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータ回路２０に代えて、ＰＡＭ回路２０Ａを用いている。ＰＡＭ回路２０Ａは、バッテリーＢの出力電圧を任意の出力電圧に可変できる回路である。バッテリの電圧は、環境条件等によって変化するため、界磁コイル１４に印加する電圧値と、界磁電流として必要とされる電流と、界磁コイル１４の抵抗値から必要とされる電圧を算出し、その電圧を出力するように、制御信号Ｓｃにより、ＰＡＭ回路２０Ａを制御する。このように、任意の出力電圧を、界磁コイル１４に印加することにより、任意の出力電圧−出力電流特性を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、発電機の出力電圧が電気負荷の要求に応じて低電圧から高電圧まで変化した場合でも、安定して電流を出力できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による車両用発電機システムの動作を示す電圧−電流の特性図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第４の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６の実施形態による車両用発電機システムのシステム構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…オルタネータ
１２…ステータコイル
１４…界磁コイル
１６…整流ダイオード
２０…レギュレータ回路
２２…信号処理部
２４…パワートランジスタ
３０…コントローラ
４０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
Ｂ…バッテリ
Ｃ…界磁コイル
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…ダイオード
ＦＤ…フライホイールダイオード
Ｌ…電気負荷
ＬＤ…ＤＣモータ
ＭＤ…界磁電流ドライバー

Claims

車両の車輪を内燃機関により駆動し、内燃機関によって駆動される車輪とは異なる車輪を電動機によって駆動する電動四輪駆動車に用いられる車両用発電システムであって、
内燃機関によって駆動される発電機と、
この発電機の発電出力を制御するコントローラと、
車載バッテリの電圧を昇圧する昇圧手段と
を有し、
前記発電機は、
前記電動機を駆動するための駆動源であるとともに、
前記発電出力を電動機に供給しており、
かつ界磁コイルに流れる電流によって前記発電出力の電圧及び電流を可変できるものであり、
前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力と前記発電出力の内、大きい方の出力を供給するように構成されていることを特徴とする車両用発電機システム。
請求項１記載の車両用発電機システムにおいて、
前記昇圧手段は、車載バッテリの電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする車両用発電機システム。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の車両用発電機システムにおいて、
前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力及び前記発電出力に加えて、車載バッテリの出力の内、出力の大きい出力を供給するように構成されていることを特徴とする車両用発電機システム。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の車両用発電機システムにおいて、
前記昇圧手段の出力を、前記電動機の界磁コイルに供給するように構成したことを特徴とする車両用発電機システム。
内燃機関によって駆動される車輪とは異なる車輪を駆動する電動機と、
内燃機関によって駆動される発電機と、
この発電機の発電出力を制御するコントローラと、
車載バッテリの電圧を昇圧する昇圧手段と
を有し、
前記発電機は、
前記電動機を駆動するための駆動源であるとともに、
前記発電出力を電動機に供給しており、
かつ界磁コイルに流れる電流によって前記発電出力の電圧及び電流を可変できるものであり、
前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力と前記発電出力の内、大きい方の出力を供給するように構成されていることを特徴とする電動四輪駆動システム。
請求項５記載の電動四輪駆動システムにおいて、
前記昇圧手段は、車載バッテリの電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする電動四輪駆動システム。
請求項５又は請求項６のいずれかに記載の電動四輪駆動システムにおいて、
前記界磁コイルには、前記昇圧手段の出力及び前記発電出力に加えて、車載バッテリの出力の内、出力の大きい出力を供給するように構成されていることを特徴とする電動四輪駆動システム。
請求項５又は請求項６のいずれかに記載の電動四輪駆動システムにおいて、
前記昇圧手段の出力を、前記電動機の界磁コイルに供給するように構成したことを特徴とする電動四輪駆動システム。