JP4001072B2 - 車両用発電システム - Google Patents

Description

本発明は、車載バッテリを充電する車両用発電機の発電状態を制御する車両用発電システムに関する。

近年、半導体分野の微細化技術の進歩により、パワートランジスタや還流ダイオードなどの大電力素子とＣＭＯＳロジック回路を１つのチップ上に複合的に形成することが可能になっており、ディスクリート素子を基板上に配置して製作していたハイブリッドＩＣタイプの従来の車両用電圧制御装置に比べて圧倒的に小型化することができるようになっている。

このようなＣＭＯＳのデジタルＩＣは、動作速度の高速化、制御状態の安定化に好適であり、かつ極めて小型なので、車両用発電機等への実装性に優れているという特徴を有するが、動作開始のための電源投入時に論理状態が不定であるため、必ずリセットして初期化する必要がある。また、このようなＩＣに含まれるトランジスタ等は、動作を補償する最低電圧が決められており、車両用発電制御装置内の各構成回路（例えば各回路に供給する動作電圧を生成する電源回路）は、正常に動作するためには所定値以上の電圧を印加する必要がある。

一方で、自動車の電力系統には様々な電気負荷が接続されており、これらの電気負荷に対する電源投入や遮断などにより、車両用発電機の出力電圧や車載バッテリの端子電圧が変化する電圧揺動がしばしば発生している。また、各種の電気負荷は電子化が進んでおり、最近の電子化装置は、電源投入時や遮断時に高周波ノイズが発生しやすい環境になっている。

また、最近では、車両用発電機の発電トルクを低減することにより、エンジンのアイドリング回転を安定化させたり、燃費改善や排出ガスの低減等を目的として、発電抑制信号をエンジン制御装置等から車両用電圧制御装置に送って意図的に発電を抑制する協調制御を実施する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特許第２６５１０３０号公報（第３−９頁、図１−２９） 特開平８−２６６０９７号公報（第３−６頁、図１−６）

ところで、上述した特許文献１や特許文献２では発電抑制時に電源動作点が低下するが、この状態でノイズが、特に負性サージ電流が車載バッテリの接続ケーブルに重畳すると、車両用発電機から電圧制御装置に印加される電圧がさらに引き下げられることが発明者等の研究で明らかになっている。この結果、電圧制御装置は、車両用発電機の出力電圧の低下に伴って一時的に動作不能状態に陥り、発電制御動作が不安定になるという問題があった。車両用発電機の出力電圧が上昇して、再び電圧制御装置が動作可能な状態になると、リセット動作から繰り返されるため、安定した電圧制御状態に復帰するまでにある程度の時間を要することになる。

また、特に誘導性の電気負荷の内部、例えば各種のモータなどの電源系統にコンデンサが併設されている場合には、負荷のインダクタンスとコンデンサとによって電源投入時の過渡時に共振現象が発生して負性サージ電流を生じさせ、ノイズ発生が顕著になることが判明している。

電源投入等によって発生するノイズは、例えば車両用電圧制御装置にコンデンサや強磁性体コアなどを配置することで低減することができるが、実効性のある大きな容量を得るにはフィルムコンデンサや電解コンデンサ等が必要であり、耐久性や小型化の点で問題があり採用が難しい。また、磁性体コアは、コストや組み付け工数、温度特性の点で問題があり、やはり採用が難しい。

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、発電制御動作の安定化を図ることができる車両用発電システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電システムは、車両用発電機と、車両用発電機の出力電圧を制御する電圧制御装置と、車両用発電機の出力電力によって充電される車載バッテリと、車両用発電機による発電を抑制する発電抑制信号を電圧制御装置に向けて送信するとともに、車載バッテリの状態を検出してこの状態量が所定値を下回ったときに発電抑制信号の送信を禁止する外部制御装置とを備えている。一般に、車載バッテリの充電状態が良好でない場合に車両用発電機の発電を抑制すると直ちにバッテリ端子電圧が低下してしまい、この状態で電気負荷からのノイズが車両用発電機と車載バッテリをつなぐ電力ケーブルに重畳すると、電圧制御装置に印加される電圧が一時的に所定の閾値よりも低下して発電制御動作が不安定になるおそれがある。ところが、本発明では、車載バッテリの状態量（例えば充電量）が所定値よりも低く、充電状態が良好でない場合には発電の抑制が行われないため、車両用発電機の出力電圧が高い状態を維持して電圧制御装置の電源動作点を高くすることができるため、電圧制御装置に印加される電圧にノイズが重畳しても極端に電圧が低くなることがなく、発電制御動作の安定化を図ることが可能になる。

特に、車両用発電機から動作電圧の供給を受けて動作し、この動作電圧が所定値以下に低下したときに動作が不能になる回路を含んで電圧制御装置が構成されている場合であっても、電圧抑制信号の出力を禁止することよって車両用発電機の出力電圧を高く維持することができ、ノイズの重畳によってこの出力電圧が電圧制御装置の動作が不能になるまで低下することを防止することができる。

また、上述した外部制御装置は、所定の時間間隔で車載バッテリの開放電圧を検出し、この開放電圧の経時変化量が所定値以下のときに、内部インピーダンス検出手段による内部インピーダンスの検出動作を行うことが望ましい。これにより、正確に車載バッテリの状態を検出することが可能になる。

また、上述した状態量は、車載バッテリのバッテリ容量であり、車載バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、外部制御装置は、電流検出手段によって検出された車載バッテリの放電電流が所定値のときの車載バッテリの端子電圧に基づいて、バッテリ容量を検出することが望ましい。これにより、バッテリ端子電圧に基づいて容易にバッテリ容量を知ることが可能になる。

また、上述した外部制御装置は、車載バッテリの放電特性に基づいてバッテリ容量を補正することが望ましい。あるいは、上述した車載バッテリの温度を検出する温度センサをさらに備え、外部制御装置は、温度センサを用いて検出した車載バッテリの温度に基づいてバッテリ容量を補正することが望ましい。このように、放電特性や温度特性に応じてバッテリ容量を補正することにより、バッテリ容量のより正確な値を得ることができる。

また、上述した外部制御装置は、電流検出手段によって検出された車載バッテリの充放電電流を積算するバッテリ電流積算手段を有し、今回のスタータの始動時に対応して得られたバッテリ容量と、前回のスタータの始動時に対応して得られたバッテリ容量に前回の車両走行時にバッテリ電流積算手段によって積算された充放電電流の積算値を加算したバッテリ容量とを比較し、値が小さい方を今回の車両走行の初期容量として設定することが望ましい。これにより、バッテリ液比重の成層化、バッテリ液の分極およびガッシングの発生等を考慮して、さらに正確なバッテリ容量を得ることが可能になる。

また、上述した電圧制御装置は電気負荷の急激な増加に対し、エンジンに過大な負荷をかけないように発電状態を制御する負荷応答制御機能を備える場合には、負荷応答制御中に電圧制御装置でノイズの発生に伴う電圧制御装置の動作が不能に陥ると、蓄電池の変動周期が長くなり、車両の安定性や乗り心地を損なう。本発明では、このように電圧制御装置が負荷応答制御機能を備える場合であっても、車両用発電機の出力電圧が高い状態を維持して電圧制御装置の電源動作点を高くすることができるため、ノイズの発生に伴う電圧制御装置の動作が不能に陥ることがなく、発電制御動作を安定させることができる。

また、上述した車両用発電機と車載バッテリとをつなぐ電力ケーブルの途中に設けられた分岐手段と、分岐手段を介して電力ケーブルに接続された誘導性の電気負荷とをさらに備えることが望ましい。一般に、誘導性の電気負荷はノイズを発生しやすいため、車載バッテリに直接接続して車載バッテリにノイズを吸収させる接続形態をとっているが、近年の車両の小型化等によって必ずしも車載バッテリに直接接続することができない場合もあり、この場合には電気負荷で発生したノイズが車両用発電機から電圧制御装置に入力されてしまう。本発明では、このような場合であっても、車両用発電機の出力電圧が高い状態を維持して電圧制御装置の電源動作点を高くすることができるため、ノイズの発生に伴う電圧制御装置の動作が不能に陥ることがなく、安定した発電制御動作を継続することができる。

また、上述した外部制御装置は、エンジンの回転状態を制御するエンジン制御装置であって、エンジンの負荷状態に応じて発電抑制信号を送信することが望ましい。これにより、発電抑制動作中に発電動作が不安定になって、エンジン回転の安定や車両の乗り心地を悪化させる等の不都合を回避することができる。

また、上述した状態量は、車載バッテリの充電量であり、車載バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、外部制御装置は、電流検出手段によって検出した車載バッテリの充放電電流を時間積分することにより、車載バッテリの充電量を算出するバッテリ電流積算手段を有することが望ましい。これにより、充放電電流を検出するだけで車載バッテリの状態量を安価に把握することが可能になる。

また、上述した充電量算出手段は、一定時間間隔で電流検出手段によって検出した充放電電流を取り込んで逐次積算することが望ましい。これにより、時間計測回路等を用いずに、取り込んだ電流値を積算するだけで車載バッテリの状態量の把握をさらに安価に行うことが可能になる。

また、上述した車載バッテリの劣化状態を検出する劣化検出手段をさらに備え、外部制御装置は、劣化検出手段の検出結果に基づいて車載バッテリの劣化を検出したときに発電抑制信号の送信を禁止することが望ましい。これにより、車載バッテリが劣化してノイズの吸収能力が低下した場合であっても、ノイズによる極端な電圧の落ち込みを防止することができ、発電動作の安定化を図ることが可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用発電システムの全体構成を示す図である。図１に示す車両用発電システムは、車両用発電機１、電圧制御装置２、車載バッテリ３、電気負荷４、ＥＣＵ（エンジン制御装置）５を含んで構成されている。

車両用発電機１は、エンジン（図示せず）によって回転駆動されて、車載バッテリ３の充電電力や電気負荷４の動作電力を発生する。

電圧制御装置２は、車両用発電機１に備わった界磁コイルに対する励磁電流の導通状態を制御することにより車両用発電機１の出力電圧を所定値に調整する。この電圧制御装置２は、構成回路の動作電圧を生成する電源回路や、励磁電流の導通を制御するパワートランジスタ等のパワー素子や、この導通制御を行うロジック回路等がＣＭＯＳ−ＩＣによって実現されている。電圧制御装置２は、回路を内蔵しており、その回路の駆動電源を、車両用発電機１の出力から得る。電圧制御装置２は、車両用発電機１の出力電位からその回路の駆動電源を得ている。電圧制御装置２の回路は、マイクロコンピュータを含む回路、あるいは論理回路を含んでいる。電圧制御装置２の回路は、一定周波数のクロック信号を発生するクロック回路２ａを含んでいる。電圧制御装置２の回路は、クロック回路２ａからのクロック信号を基準として、その回路状態が確定するように構成された論理回路である。電圧制御装置２の回路は、定周波クロックを基準に回路状態が確定する。電圧制御装置２は、その回路が安定的に動作するために必要な最低電圧を有する。車両用発電機１の出力電圧が最低電圧を下回ると電圧制御装置２の回路はその動作が不安定となり、その回路状態が安定的に確定できなくなる。したがって、車両用発電機１の出力電圧を高く維持することによって電圧制御装置２の回路を安定して動作させることが可能になる。

電気負荷４は、照明やエアコン等の電気機器であり、最近ではこれらの電気機器は制御用の電子部品を含む高度電子化装置である場合も多い。

車両用発電機１と車載バッテリ３との間および車載バッテリ３と電気負荷４との間は、電力ケーブル９によって接続されている。また、電圧制御装置２は、車両用発電機１に内蔵されており、必要な電気的結線が車両用発電機１の内部で行われている。

ＥＣＵ５は、エンジンの状態、車速、車両用発電機１の回転数や発電状態等に基づいてエンジンの回転制御や車両用発電機１の発電制御を行う外部制御装置である。例えば、電圧制御装置２からＥＣＵ５に対して車両用発電機１の発電状態情報が送られ、反対に、ＥＣＵ５から電圧制御装置２に対して車両用発電機１の出力電圧を設定する発電指令情報が送られる。この発電指令情報は、発電抑制信号としての機能も有しており、ＥＣＵ５から電圧制御装置２に向けて車両用発電機１の出力電圧を低く設定する発電指令情報を送ることにより、車両用発電機１の発電を抑制することが可能になる。

また、車載バッテリ３の一方の端子（例えば正極端子側）の近傍には、車載バッテリ３の充放電電流を検出する電流検出手段としての電流センサ６が設けられている。この電流センサ６の検出信号および車載バッテリ３の端子電圧がＥＣＵ５に入力されている。

本実施形態の車両用発電システムはこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。

図２は、ＥＣＵ５の動作手順を示す流れ図であり、主に発電抑制信号の出力に関する動作手順のみが示されている。

ＥＣＵ５は、電流センサ６の出力値（車載バッテリ３の充放電電流値）を取り込むとともに（ステップ１００）、この取り込んだ充放電電流値を積算する処理を行う（ステップ１０１）。一般に、車載バッテリ３の状態量としての充電量は、充放電電流値の時間積分で表すことができる。本実施形態では、電流センサ６によって車載バッテリ３の充放電電流を検出しているため、この検出した電流値をＥＣＵ５によって数値積分処理すればよい。特に、図３に示すように、電流センサ６から充放電電流値を取り込むサンプリング間隔を一定間隔Δｔとした場合には、取り込んだ充放電電流値をＩ_k とすると、充放電電流値の時間積分は、
Σ（Ｉ_k・Δｔ）＝Δｔ・ΣＩ_k
と表すことができる。したがって、単にサンプリングした電流値を積算することにより、充放電電流値の時間積分を行うことが可能になり、積分用の専用タイマなどの時間計測回路が不要になる。

次に、ＥＣＵ５は、ステップ１０１で積算した結果（ΣＩ_k ）を用いて車載バッテリ３の充電量を判定する（ステップ１０２）。上述したように、車載バッテリ３の充電量は、積算結果（ΣＩ_k ）とサンプリング間隔Δｔとの積で計算することが可能であり、ＥＣＵ５は、単にこれらの積を計算して充電量を求める。ＥＣＵ５の上述したステップ１０１と１０２の動作がバッテリ電流積算手段としての動作に対応している。

次に、ＥＣＵ５は、車両用発電機１の発電の抑制が必要か否かを判定する（ステップ１０３）。例えば、アクセル開度が大きい車両が加速中の場合等においては車両用発電機１の発電を抑制する必要があり、この場合にはステップ１０３で肯定判断が行われる。次に、ＥＣＵ５は、車載バッテリ３の充電量は所定値を下回っているか否かを判定する（ステップ１０４）。例えば、車載バッテリ３が満充電の状態のときを１００％として、充電量がその８０％を下回っているか否かが判定される。型番「５５Ｄ２３」の車載バッテリ３を例にとって説明すると、このバッテリの１００％容量は４８Ａｈ（アンペアアワー）であり、その８０％の充電量は３８Ａｈとなる。したがって、ステップ１０４では、車載バッテリ３の充電量が３８Ａｈを下回っているか否かが判定される。下回っていない場合にはステップ１０４の判定において否定判断が行われ、ＥＣＵ５は、発電抑制信号を出力する（ステップ１０５）。一方、下回っている場合にはステップ１０４の判定において肯定判断が行われ、ＥＣＵ５は、発電抑制信号の出力を禁止する（ステップ１０６）。このようにして発電抑制信号が出力され、あるいは出力が禁止された後、または、発電抑制が不必要であってステップ１０３において否定判断された後に、ステップ１００に戻って所定のサンプリング間隔Δｔでの充放電電流の取り込み以降の動作が繰り返される。

このように、本実施形態では、車載バッテリ３の状態量としての充電量が所定値（満充電状態を１００％としたときにその８０％）を下回ったときに発電抑制信号の出力が禁止されている。したがって、車載バッテリ３の充電量が少なくて、車両用発電機１の発電を抑制したときに車両用発電機１の出力電圧が比較的迅速に低下してしまうような場合には、発電の抑制が禁止されるため、電圧制御装置２に印加される車両用発電機１の出力電圧を高い状態に維持、すなわち電圧制御装置２の動作点を高く設定することが可能になる。このため、電気負荷４の投入や切断時にノイズが発生しても、車両用発電機１の出力電圧が極端に（電圧制御装置２内の電源回路が動作を停止する程度に）低下することを防止することができ、発電制御の安定化を図ることが可能になる。

また、上述した実施形態では、ＥＣＵ５による発電抑制制御を行う場合であっても、車載バッテリ３の充電量によっては発電抑制信号の出力が禁止されるため、発電抑制制御中に発電動作が不安定になって、エンジン回転の安定や車両の乗り心地を悪化させる等の不都合を回避することができる。

図４は、本実施形態における車両用発電機１の出力電圧の変化の様子を示す図である。また、図５は従来構成における車両用発電機の出力電圧の変化の様子を示す図である。

車載バッテリ３の充電量が多い場合には、ＥＣＵ５から発電抑制信号が出力されて、電圧制御装置２によって車両用発電機１の調整電圧が低く設定されても（図４の点線ｂ）、車両用発電機１の出力電圧は、急に低下することはなく、徐々に低下する（図４の実線ａ）。したがって、電力ケーブル９から侵入したノイズｃが出力電圧に重畳しても、その最小値が電圧制御装置２内の電源回路の最小動作電圧Ｖ₀ を下回ることはない。

一方、車載バッテリ３の充電量が少ない場合には、ＥＣＵ５から発電抑制信号が出力されて、電圧制御装置２によって車両用発電機１の調整電圧が低く設定されると（図５の点線ｂ）、発電抑制信号の出力が禁止されない従来のシステム構成では、車両用発電機１の出力電圧は、急に低下してしまう（図５の実線ａ）。したがって、電力ケーブル９から侵入したノイズｃが出力電圧に重畳すると、その最小値が電圧制御装置２内の電源回路の最小動作電圧Ｖ₀ を下回ってしまい、電圧制御装置２による発電制御動作が一時的に停止してしまう。ところが、本実施形態のシステム構成では、このような場合には発電抑制信号の出力が禁止されるため、車両用発電機１の出力電圧が高い状態が維持され、ノイズが重畳した場合の電圧であっても出力電圧の最小値が電圧制御装置２内の電源回路の最小動作電圧Ｖ₀ を下回ることが回避される。

なお、上述した例では、電流積算方法を用いて車載バッテリ３の充放電量を検出するようにしたが、この方法では充放電量の変化量しか判らず、絶対量を知るには充電時の初期状態を知る必要がある。以下では、内部インピーダンス検出手段としてのＥＣＵ５によって、始動時の放電を利用してバッテリの内部インピーダンスを測定し、この測定結果に基づいて車載バッテリ３の充電量の絶対量を算出する方法について説明する。

ＥＣＵ５は、スタータ１１が始動されると、電流センサ６で測定されたスタータ始動時の電流Ｉs と車載バッテリ３の端子電圧Ｖs を取り込み、内部インピーダンスＺ＝（Ｅ−Ｖs）／Ｉsを算出するとともに、この内部インピーダンスＺを用いて車載バッテリ３の充電量（バッテリ容量）を算出する。なお、内部インピーダンスＺの算出に用いられるＥは車載バッテリ３の開放電圧である。

次に、バッテリ容量を検出する具体的動作について説明する。図６は、車載バッテリ３のバッテリ容量検出を行うＥＣＵ５の動作手順を示す流れ図である。スタータスイッチ１２が投入されてスタータ１１が始動されると、まず、ＥＣＵ５は、スタータ始動時の放電特性を測定する（ステップ２００）。

図７は、図６のステップ２００においてスタータ始動時の放電特性測定を行うＥＣＵ５の詳細な動作手順を示す流れ図である。ＥＣＵ５は、電流センサ６によって検出された車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1を読み込み（ステップ３００）、この読み込んだ放電電流Ｉ_B1が１００Ａよりも大きいか否かを判定する（ステップ３０１）。この判定はスタータ１１の始動を確認するためのものであり、放電電流Ｉ_B1が１００Ａ以下の場合にはステップ３０１の判定において否定判断が行われ、ステップ３００に戻って放電電流Ｉ_B1の読み込み動作が繰り返される。

また、放電電流Ｉ_B1が１００Ａよりも大きくなってステップ３０１の判定において肯定判断が行われ、スタータ１１の始動が確認されると、次に、ＥＣＵ５は、所定時間待った後（ステップ３０２）、電流センサ６によって検出された車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1を読み込む（ステップ３０３）。ステップ３０２において所定時間待つのは、スタータ１１の始動直後に大電流が急激に流れることで発生するノイズの影響を受けないようにするためであり、例えば５０ｍｓの待機時間の後に放電電流Ｉ_B1の読み込みが行われる。

次に、ＥＣＵ５は、読み込んだ放電電流Ｉ_B1が６０Ａから２５０Ａまでの範囲に入っているか否かを判定する（ステップ３０４）。この判定はスタータ１１が作動中であることを検出するためのものであり、この判定に用いられる放電電流Ｉ_B1の範囲は、スタータ１１が作動中であってエンジンが始動していないときにスタータ１１に流れるであろう値が用いられており、実際に用いられているスタータ１１の仕様等に応じてこの範囲は適宜変更することが望ましい。スタータ１１が作動中であって放電電流Ｉ_B1がこの範囲に入っている場合にはステップ３０４の判定において肯定判断が行われ、ＥＣＵ５は、車載バッテリ３の端子電圧Ｖ_B1を読み込む（ステップ３０５）。

次に、ＥＣＵ５は、ステップ３０３、３０５において読み込んだ車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1と端子電圧Ｖ_B1を、スタータ起動後の経過時間ｔとともに記憶する（ステップ３０６）。この記憶動作の後、ＥＣＵ５は、スタータ起動後の経過時間ｔが所定時間ｔ１を超えたか否かを判定する（ステップ３０７）。この所定時間ｔ１は、スタータ起動後にエンジンが始動するまでに通常１ｓも必要としないことを考慮して多めに、例えば３ｓに設定されている。スタータ起動後に３ｓ経過していない場合にはステップ３０７において否定判断が行われ、再びステップ３０３に戻って車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1の読み込み動作以降が繰り返される。なお、このようにしてステップ３０３からステップ３０７の各作動、すなわち、スタータ作動時の車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1、端子電圧Ｖ_B1の読み込みを２５ｍｓ間隔で繰り返すようにし、そのときの経過時間ｔに対応させてこれらの読み込んだ放電電流Ｉ_B1、端子電圧Ｖ_B1を記憶する。これらのデータは、常に新しい１０個が記憶される。また、車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1が６０Ａ以下になってステップ３０４の判定において否定判断された場合には、ステップ３０５の放電電流Ｉ_B1の読み込み動作とステップ３０６の記憶動作を除いた動作が繰り返される。

スタータ始動から３ｓが経過するとステップ３０７の判定において肯定判断が行われ、次に、ＥＣＵ５は、ステップ３０６において記憶された車載バッテリ３の放電電流Ｉ_B1、端子電圧Ｖ_B1および経過時間ｔの最大値Ｉ_Bmax、Ｖ_Bmaxおよびｔ_max を算出するとともに（ステップ３０８）、これらの最小値Ｉ_Bmin、Ｖ_Bminおよびｔ_min を算出する（ステップ３０９）。

次に、ＥＣＵ５は、横軸を放電電流Ｉ_B1に、縦軸を端子電圧Ｖ_B1として設定した座標に、ステップ３０８、３０９において算出した放電電流Ｉ_B1および端子電圧Ｖ_B1の最大値、最小値をプロットし、それらを直線で結んだ特性図を描く。ＥＣＵ５は、この特性図に基づいて、放電電流Ｉ_B1が１５０Ａのときの端子電圧Ｖ_B1を第１の容量検出電圧Ｖ_Bd1 を算出するとともに、スタータ始動開始時からこの電圧Ｖ_Bd1 検出までの経過時間ｔ_d を算出する（ステップ３１０）。なお、この経過時間ｔ_d の計算は、ステップ３０６において記憶された１０個の経過時間ｔを平均することにより行われる。また、第１の容量検出電圧Ｖ_Bd1 を決定するための放電電流Ｉ_B1は特に１５０Ａに限定する必要はない。

次に、図７に示した一連の手順にしたがって算出した第１の容量検出電圧Ｖ_Bd1 に対して補正を行う動作を説明する。図８は、第１の容量検出電圧に対して補正を行うＥＣＵ５の動作手順を示す流れ図である。

車載バッテリ３が放電したときの端子電圧Ｖ_B1は、時間とともに低下し、放電開始から５秒程度経過すると安定した値を示す。これに対して、スタータ１１の駆動によるエンジンの始動は、上述したように通電１秒以内で行なわれており、スタータ駆動時における車載バッテリ３の端子電圧の測定値、つまり、上述したように測定した第１の容量検出電圧Ｖ_Bd1 は安定したときの値より高い値を示す。そこで、ＥＣＵ５は、予め求めておいた車載バッテリ３の放電時間と端子電圧の関係に基づいて、スタータ１１が始動して５秒後に得られる安定値とのズレΔＶを、スタータ作動時の放電電流により決定した第１の容量検出電圧Ｖ_Bd1 から差し引いて第１の容量検出電圧Ｖ_Bd1 を補正する（ステップ４００）。このような放電特性に基づいた補正を行うことで、車載バッテリ３が１５０Ａで放電しているときの正確な端子電圧を得ることができ、これを第２の容量検出電圧Ｖ_Bd2 とする。

また、車載バッテリ３の端子電圧Ｖ_B1は温度特性を有しているため、より正確な端子電圧を求めるためには温度による影響も考慮する必要がある。具体的には、ＥＣＵ５は、バッテリ温度センサ１０により検出されたバッテリ温度Ｔ_B を読み込んで（ステップ４０１）、この読み込んだバッテリ温度Ｔ_B に基づいて第２の容量検出電圧Ｖ_Bd2 を補正する（ステップ４０２）。このような補正を行うことにより、さらに正確な車載バッテリ３の端子電圧を得ることができ、これを第３の容量検出電圧Ｖ_Bd3 とする。

次に、ＥＣＵ５は、この第３の容量検出電圧Ｖ_Bd3 を用いて、スタータ作動時のバッテリ容量Ｖ_I1を算出する（ステップ４０３）。

図９は、車載バッテリ３の端子電圧とバッテリ容量の関係を示す特性図である。図９に示す特性は、車載バッテリ３が新しい状態において、所定電流を所定時間放電し、かつ、バッテリ液比重の成層化、充電直後の分極の発生がない場合のバッテリ端子電圧とバッテリ容量との関係を実験によって測定した結果が示されている。図９において実線で示すように、バッテリ容量が小さいときには、バッテリ端子電圧が小さくなっていることがわかる。ＥＣＵ５は、この特性を予め記憶しており、この特性に基づいて、第３の容量検出電圧Ｖ_Bd3 を用いて、スタータ作動時の車載バッテリ３の容量（以下、第１のバッテリ容量とする）Ｖ_I1を決定する（図６のステップ２０１）。このように、図９に示した特性図を用いることにより、バッテリ端子電圧に基づいて容易にバッテリ容量を知ることが可能になる。

例えば、前回が初回走行の場合を考えると、ＥＣＵ５は、電流センサ６から読み込んだエンジン始動開始以降の車載バッテリ３の充放電電流を積算し、この積算値を第１のバッテリ容量Ｖ_I1に加えることで、走行時の第２のバッテリ容量Ｖ_I2を検出するとともに、この第２のバッテリ容量Ｖ_I2の最後の値（走行終了時の値）を第３のバッテリ容量Ｖ_I3として記憶する。

今回の走行では、ＥＣＵ５は、前回の走行終了時に記憶した第３のバッテリ容量Ｖ_I3を読み出し（図６のステップ２０２）、ステップ２０１で決定した第１のバッテリ容量Ｖ_I1とステップ２０２で読み出した第３のバッテリ容量Ｖ_I3の大小を比較して、小さい方の値を第４のバッテリ容量Ｖ_I4とする（ステップ２０３）。

通常、車載バッテリ３の状態が良好であれば、上述した第１、第３のバッテリ容量Ｖ_I1、Ｖ_I3はほぼ等しい値になる。一般には、これら第１、第３のバッテリ容量Ｖ_I1、Ｖ_I3のどちらの値を採用してもよい。しかし、実際には以下の場合が考えられるため、第１、第３のバッテリ容量Ｖ_I1、Ｖ_I3の内、小さい方を採用しており、その理由を以下に説明する。

第１の理由としては、第１のバッテリ容量Ｖ_I1が、第３のバッテリ容量Ｖ_I3に対して所定値大きい場合が考えられる。これは、バッテリ液比重の成層化、あるいは充電直後に電極付近でのバッテリ液の濃度が高くなること（以下、分極と呼ぶ）により、図９の破線で示すように、実線で示した真の特性に対して、バッテリ容量に対するバッテリ端子電圧が大きくなるために、第１のバッテリ容量Ｖ_I1が真のバッテリ容量よりも大きくなる場合である。そのため、この場合は第３のバッテリ容量Ｖ_I3が真のバッテリ容量に近いと判断し、これを第４のバッテリ容量Ｖ_I4とする。

第２の理由としては、第３のバッテリ容量Ｖ_I3が第１のバッテリ容量Ｖ_I1に対して所定値大きい場合が考えられる。図１０は、車載バッテリ３を充電した際のバッテリ容量と充電効率との関係を示す特性図である。図１０に示すように、新しい車載バッテリ３では、バッテリ容量が実容量（１００％充電状態の容量）のほぼ８０％以下では、充電効率（充電電流に対する容量の増加率）がほぼ１００％になるが、バッテリ容量が実容量のほぼ８０％以上では、車載バッテリ３を充電することでバッテリ容量が増加するに伴って電極の電圧が上昇し、所定値以上に上昇した場合に、充電電流によりバッテリ液中の水が電気分解されるガッシングが起きるため、バッテリ容量が大きくなるにつれて充電効率が徐々に低下する。これは、車載バッテリ３が充電されることでバッテリ容量が実容量のほぼ８０％以上になり、さらに充電を続けると、ガッシングに用いられた充電電流が、車載バッテリ３の充電に用いられたものとして積算されるため、第３のバッテリ容量Ｖ_I3が真のバッテリ容量に対して大きくなるためである。

さらに、車載バッテリ３が劣化している場合は、図１０において破線で示すように充電効率の低下が早くなるため、劣化時の第３のバッテリ容量Ｖ_I3の方が新品時の第２のバッテリ容量Ｖ_I2よりも、さらに大きくなる。そのため、この場合は第１のバッテリ容量Ｖ_I1が真のバッテリ容量に近いと判断され、第４のバッテリ容量Ｖ_I4として採用される。

図１１は、車載バッテリ３を充電した際のバッテリ容量に対するバッテリ充電電流の積算量を示す特性図である。図１１において実線で示すように、新品の車載バッテリ３を充電する場合に、ある範囲（バッテリ容量がほぼ８０％以下の範囲）までは充電電流の積算量に比例してバッテリ容量が増加するが、それ以上の範囲では充電効率が低下するため、充電電流の積算量が増加する割にバッテリ容量は増加しない。同様の傾向は劣化した車載バッテリ３にも見られるが、図１１において波線で示すように、充電電流の積算量に比例してバッテリ容量が増加する範囲の上限値が低くなっており、この範囲を超えるとあまりバッテリ容量が増加しなくなる。

なお、上述した成層化に対して、ガッシングは電極から気泡が発生してこの気泡によりバッテリ液がかき混ぜられるため、成層化とガッシングとは同時に発生し難い。したがって、第１、第３のバッテリ容量Ｖ_I1、Ｖ_I3がともに大きくならないため、上述したように小さい方の値を採用することで正確な容量を知ることができる。

図１２は、車載バッテリ３の内部インピーダンスＺの挙動を示す図である。図１２には、車両が充電状態で停止した後の時間Ｔの経過に対する車載バッテリ３の開放電圧Ｅ_B の曲線Ｂと内部インピーダンスＺの曲線Ａの関係が示されている。図１２により明らかなように、車載バッテリ３の開放電圧Ｅ_B の曲線Ｂは、分極の影響により、内部インピーダンスＺの曲線Ａと同様に変化していることがわかる。内部インピーダンスの正確な測定は安定した状態で行う必要があるので、安定したか否かを判定する手順を以下に説明する。

ＥＣＵ５では、車両の停止を検出する。例えば、電流センサ６にて得られる車載バッテリ３から流れる電流を監視してこの電流が所定値以下である場合に車両が停止状態であると判断したり、キースイッチがオフされ、キースイッチと連動していない負荷へ電流を流すためのスイッチがオフされた場合に車両が停止状態であると判断することが考えられる。

車両の停止状態が検出された後、ＥＣＵ５は、車載バッテリ３の開放電圧Ｅ_B を検出し、この開放電圧Ｅ_B を第１の開放電圧Ｅ_B1とする。そして、一定の間隔Ｔを計測（例えば、タイマ等により１時間を計測）した後、車載バッテリ３の第２の開放電圧Ｅ_B2を測定する。このとき、ＥＣＵ５は、第１の開放電圧Ｅ_B1と第２の開放電圧Ｅ_B2との差を計算し、この差（Ｅ_B2−Ｅ_B1）の絶対値│Ｅ_B2−Ｅ_B1│が所定値Ｅ_Brefよりも大きいか否かを判定する。この絶対値│Ｅ_B2−Ｅ_B1│が、所定値Ｅ_Brefよりも大きければ、内部インピーダンスＺを測定しても、車載バッテリ３に分極が残っているため、車載バッテリ３の状態を正確に検出できないと判断する。その後、ＥＣＵ５は、車両の停止状態においては、絶対値│Ｅ_Bn+1−Ｅ_Bn│が所定値Ｅ_Brefよりも小さくなるまで、一定の間隔ΔＴで車載バッテリ３の開放電圧Ｅ_B を測定する。

一方、絶対値│Ｅ_Bn+1−Ｅ_Bn│が所定値Ｖ_Brefよりも小さくなれば、車載バッテリ３の分極の影響はほとんどなくなり、内部インピーダンスＺを測定することで、正確に車載バッテリ３の状態を検出できると判断される。そして、一定の間隔ΔＴでの車載バッテリ３の開放電圧Ｅ_B の測定が停止される。車載バッテリ３の分極の影響がなければ、内部インピーダンスＺの測定が許可される。なお、ＥＣＵ５は、次に内部インピーダンスＺの検出を行うまでは、前の内部インピーダンスＺおよび車載バッテリ３の状態を記憶している。

図１３および図１４は、車載バッテリ３の開放電圧の変化の様子と内部インピーダンスＺの検出タイミングとの関係を示す図である。ＥＣＵ５は、図１３に示すように、車載バッテリ３の開放電圧の差の絶対値│Ｅ_Bn+1−Ｅ_Bn│が所定値Ｅ_Brefよりも大きい状態でスタータ１１を駆動したときには、内部インピーダンスＺの検出を行なわない。一方、ＥＣＵ５は、図１４に示すように、車載バッテリ３の開放電圧の差の絶対値│Ｅ_Bn+1−Ｅ_Bn│が所定値Ｅ_Brefよりも小さい状態でスタータ１１を駆動したときには、内部インピーダンスＺの検出を行う。

〔第２の実施形態〕
ところで、車載バッテリ３が劣化した場合にはノイズの吸収能力が低下して車両用発電機１の出力電圧の変動が大きくなるため、このときにも発電抑制信号の出力を禁止することが望ましい。

図１５は、車載バッテリ３の劣化の有無によるバッテリ端子電圧の変化の様子を示す図である。車載バッテリ３が劣化すると、内部インピーダンスが大きくなる。劣化していない車載バッテリ３の内部インピーダンスをＲ１、劣化した車載バッテリ３の内部インピーダンスをＲ２とすると、Ｒ１＜Ｒ２となる。

誘導性の電気負荷４の投入や切断に伴って流れる負サージ電流をｉ、車載バッテリ３の理想的な端子電圧をＶbattとすると、劣化していない車載バッテリ３のバッテリ電圧Ｖb1は、Ｖbatt−ｉ・Ｒ１となり、劣化した車載バッテリ３のバッテリ電圧Ｖb2は、Ｖbatt−ｉ・Ｒ２となる。これらを比較すると、Ｒ１＜Ｒ２の関係があるため、劣化していない車載バッテリ３の端子電圧Ｖｂ１の方が高くなり、劣化した車載バッテリ３の端子電圧Ｖｂ２の方が低くなることがわかる。すなわち、同じ電気負荷４の投入、切断を行っても、劣化した車載バッテリ３を使用している場合の方が車両用発電機１の出力電圧が大きく落ち込んでしまう。したがって、本実施形態では、車載バッテリ３が劣化している場合には、ＥＣＵ５による発電抑制信号の出力を禁止し、車両用発電機１の出力電圧が大きく低下することによって発電制御装置２の制御動作が停止してしまうことを防止している。

ところで、車載バッテリ３の劣化の度合いを判定する手法については従来から各種の方法が提案されている。例えば、特許第２７６２４４２号公報には、スタータが始動されたときの電流値Ｉ_B とバッテリ端子電圧Ｖ_B を測定して車載バッテリ３の出力インピーダンスＺ（＝（Ｅ−Ｖ_B ）／Ｉ_B 、Ｅはバッテリ開放電圧）を測定して劣化の度合いを判定する手法が開示されている。図１に示した構成では、これらの電流値Ｉ_B とバッテリ端子電圧Ｖ_B の両方の値を測定することが可能であるため、ＥＣＵ５は、これらの測定結果を用いて車載バッテリ３の出力インピーダンスＺを求めることができ、その値に基づいて車載バッテリ３が劣化しているか否かを判定する。この劣化判定に関するＥＣＵ５の動作が劣化検出手段としての動作に対応している。なお、車載バッテリ３の劣化の度合いを判定する手法については、これ以外の方法を用いるようにしてもよい。

本実施形態におけるＥＣＵ５の動作手順は、図２に示した動作手順とほぼ同じであり、ステップ１０４とステップ１０５の間に、車載バッテリ３が劣化しているか否かを判定するステップ１０７の動作を追加するだけでよい。すなわち、車載バッテリ３が劣化していない場合にはこのステップ１０７の判定において否定判断が行われた後、発電抑制信号が出力される（ステップ１０５）。一方、車載バッテリ３が劣化している場合にはステップ１０７の判定において肯定判断が行われた後、発電抑制信号の出力が禁止される（ステップ１０６）。

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において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、車載バッテリ３に電気負荷４が接続される場合を説明したが、図１６に示すように、車両用発電機１と車載バッテリ３とをつなぐ電力ケーブル９の途中に電気負荷８を接続するようにしてもよい。図１６に示す構成では、分岐手段としてのジャンクションボックス７（あるいはヒューズボックス等において分岐するようにしてもよい）において電力ケーブル９を分岐して電気負荷８が接続されている。このように車両用発電機１と車載バッテリ３をつなぐ電力ケーブル９の途中に電気負荷８を接続した場合には、電気負荷８の投入時あるいは遮断時に車載バッテリ３に流れ込むノイズ電流Ｉ_n1よりも車両用発電機１に流れ込むノイズ電流Ｉ_n2の方が多くなる。したがって、ノイズ発生時に車両用発電機１の出力電圧が低下して電圧制御装置２の制御動作が停止してしまう可能性が高くなるため、このような構成と、第１の実施形態あるいは第２の実施形態において行われた発電抑制信号の出力の禁止動作とを組み合わせることにより、電圧制御装置２による発電制御の安定化を図る効果が顕著となる。また、誘導性の電気負荷８を用いた場合には、発生するノイズがさらに大きくなるため、発電制御の安定化を図る効果をさらに高めることが可能になる。

第１の実施形態の車両用発電システムの全体構成を示す図である。 ＥＣＵの動作手順を示す流れ図である。 充放電電流のサンプリングの要領を示す図である。 本実施形態における車両用発電機の出力電圧の変化の様子を示す図である。 従来構成における車両用発電機の出力電圧の変化の様子を示す図である。 車載バッテリの状態検出を行うＥＣＵの動作手順を示す流れ図である。 図６のステップ２００においてスタータ始動時の放電特性測定を行うＥＣＵの詳細な動作手順を示す流れ図である。 第１の容量検出電圧に対して補正を行うＥＣＵの動作手順を示す流れ図である。 車載バッテリの端子電圧とバッテリ容量の関係を示す特性図である。 車載バッテリを充電した際のバッテリ容量と充電効率との関係を示す特性図である。 車載バッテリを充電した際のバッテリ容量に対するバッテリ充電電流の積算量を示す特性図である。 車載バッテリの内部インピーダンスの挙動を示す図である。 車載バッテリの開放電圧の変化の様子と内部インピーダンスの検出タイミングとの関係を示す図である。 車載バッテリの開放電圧の変化の様子と内部インピーダンスの検出タイミングとの関係を示す図である。 車載バッテリの劣化の有無によるバッテリ端子電圧の変化の様子を示す図である。 電気負荷の接続形態を変更した変形例の車両用発電システムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１ 車両用発電機
２ 電圧制御装置
３ 車載バッテリ
４、８ 電気負荷
５ ＥＣＵ（エンジン制御装置）
６ 電流センサ
７ ジャンクションボックス
９ 電力ケーブル
１０ バッテリ温度センサ
１１ スタータ
１２ スタータスイッチ

Claims (8)

1. 車両用発電機と、
   前記車両用発電機の出力電圧を制御する電圧制御装置と、
   前記車両用発電機の出力電力によって充電される車載バッテリと、
   前記車両用発電機による発電を抑制する発電抑制信号を前記電圧制御装置に向けて送信するとともに、前記車載バッテリのバッテリ容量を検出してこのバッテリ容量が所定値を下回ったときに前記発電抑制信号の送信を禁止する外部制御装置と、
   前記車載バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、
   を備え、前記外部制御装置は、スタータの始動時に前記車載バッテリの内部インピーダンスを検出する内部インピーダンス検出手段を有し、前記車載バッテリの内部インピーダンスに基づいて、前記車載バッテリの初期状態を検出するとともに、前記電流検出手段によって検出された前記車載バッテリの放電電流が所定値のときの前記車載バッテリの端子電圧に基づいて、前記バッテリ容量を検出し、前記車載バッテリの放電特性に基づいて前記バッテリ容量を補正することを特徴とする車両用発電システム。
2. 請求項１において、
   前記外部制御装置は、所定の時間間隔で前記車載バッテリの開放電圧を検出し、この開放電圧の経時変化量が所定値以下のときに、前記内部インピーダンス検出手段による前記内部インピーダンスの検出動作を行うことを特徴とする車両用発電システム。
3. 請求項１または２において、
   前記車載バッテリの温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記外部制御装置は、前記温度センサを用いて検出した前記車載バッテリの温度に基づいて前記バッテリ容量を補正することを特徴とする車両用発電システム。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記外部制御装置は、前記電流検出手段によって検出された前記車載バッテリの充放電電流を積算するバッテリ電流積算手段を有し、今回の前記スタータの始動時に対応して得られたバッテリ容量と、前回の前記スタータの始動時に対応して得られたバッテリ容量に前回の車両走行時に前記バッテリ電流積算手段によって積算された充放電電流の積算値を加算したバッテリ容量とを比較し、値が小さい方を今回の車両走行の初期容量として設定することを特徴とする車両用発電システム。
5. 請求項１〜４のいずれかおいて、
   前記電圧制御装置は、負荷応答制御機能を備え、
   前記車両用発電機から動作電圧の供給を受けて動作し、この動作電圧が所定値以下に低下したときに動作を禁止する手段を含んでいることを特徴とする車両用発電システム。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記車両用発電機と前記車載バッテリとをつなぐ電力ケーブルの途中に設けられた分岐手段と、
   前記分岐手段を介して前記電力ケーブルに接続された誘導性の電気負荷と、
   をさらに備えることを特徴とする車両用発電システム。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記外部制御装置は、エンジンの回転状態を制御するエンジン制御装置であって、前記エンジンの負荷状態に応じて前記発電抑制信号を送信することを特徴とする車両用発電システム。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記車載バッテリの劣化状態を検出する劣化検出手段をさらに備え、
   前記外部制御装置は、前記劣化検出手段の検出結果に基づいて前記車載バッテリの劣化を検出したときに前記発電抑制信号の送信を禁止することを特徴とする車両用発電システム。
   

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