JP4172094B2 - Alternator system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はオルタネータにより発電を行い、電子機器またはバッテリに発電電力を供給するオルタネータシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のオルタネータシステムとしては、例えば車両に搭載されたものがあり、エンジンで駆動されたオルタネータにより発電を行い、車載電子機器に電力を供給し、また車載バッテリを充電している。
車載されるオルタネータとして、界磁巻線式のオルタネータが使用される事が多い。
界磁巻線式のオルタネータでは、オルタネータのロータに形成された界磁巻線に電流を流した状態で、エンジンによりロータが回転させられることにより、回転磁界が作られ、回転磁界がステータ巻線と鎖交することでステータ巻線に交流電圧が発生する。
この交流電圧を整流し、直流に変換して車載電子機器およびバッテリへ供給している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、オルタネータに発生する発電電力は、ロータの回転数とロータの界磁巻線に流れる界磁電流値およびオルタネータの出力に接続される電気負荷により決まる。
車載されたオルタネータでは、出力には電気負荷として、バッテリおよび車載された電子機器が接続され、オルタネータの出力電圧はほぼバッテリ電圧に保たれる。
このように、オルタネータの出力が接続される電圧が略一定に保たれる場合の動作特性は図11に示すように、ロータの回転数および界磁電流により決まる。
【0004】
図11の(a)に示すように、ロータの回転数がNs未満では発電することができないが、ロータの回転数がNsを超えると、回転数が上昇するにつれて発電電力は急激に増加する。
さらにロータの回転数が上昇すると、発電電力の増加割合は徐々に減少して、発電電力はほぼ一定値になる。
ロータの回転数が一定の場合には、界磁電流値が大きくなると、大きな発電電力が得られるが、最大発電電力を超えることはない。
このため、車載されたオルタネータシステム等では、エンジンの回転数が低い場合には、オルタネータのロータの回転数が低く、発電不可能であったり、発電可能な最大電力が小さいため、車両の消費電力が大きい場合には、発電量が不足する場合があるという問題があった。
【0005】
また、図11の(b)は、オルタネータにおけるロータの回転数と最大発電電力出力時の発電効率を示す図である。
ロータの回転数が比較的低いときに、発電効率は最も大きくなり、さらに回転数が上昇すると発電効率は下がり続ける。
一般的に、オルタネータでは、発電が可能となるロータの回転数を下げ、また低回転域における最大発電電力を大きくするために、ロータの極対数を大きくし、電気角周波数を高くしているので、磁束の回転周波数が高くなり鉄損が大きくなってしまう。
【0006】
このため、オルタネータのロータの回転数が所定値を超えて増加すると、発電効率が低下する。
すなわち、ロータの高回転域では、発電効率が低いという問題もあった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ロータの低回転域側において発電が可能であり、大きな発電電力を得られ、かつ発電効率も改善されたオルタネータシステムを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明では、回生発電を行うオルタネータと、オルタネータの回転数を検出する回転数センサと、オルタネータの出力に接続可能な電圧の異なる複数のバッテリと、回転数センサで検出したオルタネータの回転数に基づいて、オルタネータの出力に接続するバッテリを選択し、バッテリ接続指令値を出力する接続先決定部と、バッテリ接続指令値に応じて、オルタネータの出力に接続するバッテリを切替える接続切替部と、オルタネータのロータに流す界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備えて、接続先決定部は、今回選択したバッテリが前回選択したバッテリと異なる場合には、まず界磁電流制御部に、界磁電流0指令を出力し、その後で接続切替部および界磁電流制御部にバッテリ接続指令値を出力し、界磁電流制御部では、界磁電流0指令が入力されるとロータに流す界磁電流を略0とし、またバッテリ接続指令値が入力されると、バッテリ接続指令値に応じて界磁電流を制御するものとした。
【0008】
請求項2記載の発明では、接続先決定部は、回転数センサで検出したオルタネータの回転数において、オルタネータが最も大きな発電電力を得ることができるバッテリを選択するものとした。
請求項3記載の発明では、接続先決定部は、回転数センサで検出したオルタネータの回転数における、オルタネータの発電効率に基づいてバッテリを選択するものとした。
【0010】
請求項4記載の発明では、複数のバッテリの残存容量を検出する残存容量検出部を備え、接続先決定部は、残存容量検出部で検出したバッテリの残存容量が所定値以下であるバッテリが存在した場合には、そのバッテリを優先的に選択するものとした。
【0012】
【発明の効果】
請求項1記載の発明では、電圧の異なる複数のバッテリを備え、オルタネータのロータの回転数に基づいて接続するバッテリを選択している。オルタネータの発電特性は、出力に接続される電気負荷の影響を大きく受けるため、接続するバッテリを切替えることにより、発電特性も切替る。ロータの回転数に合わせて、オルタネータが適切な発電特性を得られるバッテリに接続すること、例えば、オルタネータの回転数が低い場合には、電圧の異なる複数のバッテリの中から電圧の低いバッテリをオルタネータの出力に接続し、ロータの回転数の高い場合には、電圧の異なる複数のバッテリの中から電圧の高いバッテリをオルタネータの出力に接続することにより、ロータの低回転域側において発電を可能にし、大きな発電電力を得られ、かつ発電効率を改善することができる。
また、オルタネータに接続されるバッテリを切替える場合には、切替える前に、一旦ロータに流す界磁電流を0にするため、界磁電流を流した状態で、バッテリの接続を切替えた際にオルタネータに発生することがある急激なトルク変化の発生を防止でき、トルクショックが軽減でき、接続切替部に与える負荷を低減できる。
【0013】
請求項2記載の発明では、検出したロータの回転数において、電圧の異なる複数のバッテリの中から最も大きな発電電力を得る事ができるバッテリにオルタネータを接続している。
図12の(a)に、ロータの回転数と最大発電電力の関係の一例として、オルタネータの出力を電圧V1のバッテリと電圧V2のバッテリ(但し、V1<V2)に接続した場合の、ロータの回転数と発電電力の関係を示す。
【0014】
電圧V2のバッテリにオルタネータの出力を接続した場合と、電圧V1のバッテリにオルタネータの出力を接続した場合の最大発電電力を比べると、ロータの回転数がNc以上である高回転域においては、電圧V2のバッテリを接続したほうが大きい最大発電電力を得られるが、ロータの回転数がNc未満である場合には、電圧V1のバッテリを接続したほうが、大きい最大発電電力を得ることができる。
また、ロータの回転数がNb以下の場合には、電圧V2のバッテリを接続した場合には、オルタネータは発電不可能であるが、電圧V1のバッテリを接続した場合には、発電が可能になる。
【0015】
すなわち、ロータの回転数に合わせて、最も大きな発電電力を得ることができるバッテリに接続することにより、発電が不可能であったロータの低回転域側でも、発電が可能になり、かつ発電が可能ではあったが、小さい発電電力しか得られなかった回転域ではより大きな発電電力を得ることができ、発電効率を改善することができる。
また、従来では、発電可能なロータの回転数領域を低回転数側へ広げるために、極対数を大きくする必要があり、その結果鉄損が増加し、ロータの回転数が高い領域での発電効率が低下していた。
しかし、本発明では、ロータの低回転数側では、接続するバッテリを切替えることにより、発電可能な回転数領域を広げることができるため、極対数を減らすことができ、鉄損が低減されるので、ロータの高回転数側での発電効率も向上させることができる。
【0016】
請求項3記載の発明においては、検出したロータの回転数において、電圧の異なる複数のバッテリの中から最も大きな発電効率を得る事ができるバッテリにオルタネータを接続している。
図12の(b)にオルタネータの出力を電圧V1のバッテリと電圧V2のバッテリ(但し、V1<V2)に接続した場合の、ロータの回転数と発電効率の関係を示す。
電圧V2のバッテリにオルタネータの出力を接続した場合と、低い電圧V1のバッテリにオルタネータの出力を接続した場合の発電効率を比べると、、ロータの回転数がNd以上である回転域においては、電圧V2のバッテリを接続したほうが大きい発電効率を得られるが、ロータの回転数がNd未満である場合には、電圧V1を接続したほうが、大きい発電効率を得ることができる。
【0017】
また、ロータの回転数が低い領域では、接続するバッテリを切替えることにより、従来では、発電が不可能であったロータの回転数が低い領域でも、発電が可能になる。
従って、ロータの低回転域側において発電が可能になり、かつ一層発電効率を改善することができる。
また、発電可能な回転数領域を広げることができるため、極対数を減らすことができ、鉄損が低減されるので、ロータの回転数が高い場合の発電効率も向上することができる。
【0018】
請求項4記載の発明においては、バッテリ残存容量が所定値以下であるバッテリには優先的にオルタネータを接続するので、バッテリの充電不足が防止できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図1は12V電源系を備える車両に適用した本発明の実施例の構成を示すブロック図である。
オルタネータ1は、回生発電を行う界磁巻線式の発電機であり、エンジン2により駆動されるロータ3と、交流電圧が発生するステータ4およびステータ4に発生した交流電圧を整流する三相全波整流回路5を備えている。
三相全波整流回路5の出力、すなわちオルタネータ1の出力は接続切替部6に接続されている。
【0021】
接続切替部6は接続先決定部7での決定に従って、三相全波整流回路5の出力を6Vバッテリ8または12Vバッテリ9に接続する。
6Vバッテリは、またDC/DCコンバータ10に接続され、DC/DCコンバータ10は、12Vバッテリ9および車両電気負荷11に接続されている。
接続先決定部7には、オルタネータ1の回転数を検知する回転数センサ12およびオルタネータ1のロータ3に流す界磁電流を制御する界磁電流制御部13が接続されている。
【0022】
また、界磁電流制御部13には、オルタネータ1の三相全波整流回路5の出力の電圧を検知する電圧センサ14が接続されている。
接続先決定部7は、回転数センサ12で検知されたロータ3の回転数に基づいて、オルタネータ1の出力を6Vバッテリ8と12Vバッテリ9のどちらのバッテリに接続するかを決定し、バッテリ接続指令値として、6Vバッテリ接続指令または12Vバッテリ接続指令を出力する。
【0023】
界磁電流制御部13は、接続先決定部7から出力されたバッテリ接続指令値に応じて、電圧センサ14で検知したオルタネータ1の発電電圧が、接続したバッテリの電圧と略等しくなるように、ロータ3に流す界磁電流をフィードバック制御する。
なお図示省略したがロータ3に流す界磁電流は、オルタネータ1の出力または12Vバッテリ9から供給される。
車両電気負荷11はヘッドライトや各種アクチュエータを含む、車載された電力消費器材である。
DC/DCコンバータ10は6Vバッテリ8から昇圧して12Vバッテリ9を充電するためのコンバータである。
【0024】
図2にオルタネータ1および界磁電流制御部13の構成を示す。
ロータ3は、エンジン2とシャフト22を介して接続され、ロータ3の界磁巻線21には、界磁電流を供給するためのスリップリング23および24が取り付けられている。
界磁電流制御部13に接続された配線に取り付けられたブラシ25および26をスリップリング23および24に摺動させることにより、界磁巻線21に界磁電流が供給される。
【0025】
界磁電流制御部13では、所望の界磁電流を出力するように、トランジスタTr1の導通をレギュレータ27により制御し、ダイオードD1を介して、ロータ3へ出力している。
ステータ4はスター結線されたステータ巻線28から構成され、三相交流電力が出力される。
三相全波整流回路5は6個のダイオードから構成され、ステータ4から出力された3相交流電力を整流し、出力する。
【0026】
次に、図3に示すフローチャートを用いて、上記構成のオルタネータシステムの動作を説明する。
まず、ステップ101では、回転数センサ12は、オルタネータ1のロータ3の回転数を検出し、接続先決定部7へ出力する。
ステップ102では、接続先決定部7において、ロータ3の回転数がN3未満であるか否かを判定する。
12Vバッテリ9を接続したほうが6Vバッテリ8を接続したよりも最大発電電力が大きくなるロータの回転数であるN3は、予め実験等により求められ、接続先決定部7に記憶されている。詳細は後述する。
ロータ3の回転数がN3未満であれば、ステップ103へ進む。回転数がN3以上であれば、ステップ107へ進む。
【0027】
ステップ103では、接続先決定部7から、バッテリ接続指令値として6Vバッテリ接続指令を接続切替部6および界磁電流制御部13へ出力する。
ステップ104では、接続切替部6において、オルタネータ1の出力を6Vバッテリ8へ接続する。
ステップ105では、電圧センサ14において、オルタネータ1の出力電圧を検出する。
ステップ106では、界磁電流制御部13において、電圧センサ14で検知したオルタネータ1の出力電圧が略6Vになるように、ロータ3に流す界磁電流を制御し、ステップ101へ戻る。
【0028】
ステップ107では、接続先決定部7から、バッテリ接続指令値として12Vバッテリ接続指令を接続切替部6および界磁電流制御部13へ出力する。
ステップ108では、接続切替部6において、オルタネータ1の出力を12Vバッテリ9へ接続する。
ステップ109では、電圧センサ14において、オルタネータ1の出力電圧を検出する。
ステップ110では、界磁電流制御部13において、電圧センサ14で検知したオルタネータ1の出力電圧が略12Vになるように、ロータ3に流す界磁電流を制御し、ステップ101へ戻る。
【0029】
図4にオルタネータ1の出力を6Vバッテリ8または12Vバッテリ9に接続した場合の、ロータ3の回転数と発電電力の関係を示す。
ロータ3の回転数がN3以上である場合には、12Vバッテリ9を接続したほうが大きい最大発電電力を得られるが、ロータ3の回転数がN3未満である場合には、6Vバッテリ8を接続したほうが、大きい最大発電電力を得ることができる。
また、ロータ3の回転数がN2以下の場合には、12Vバッテリ9を接続した場合には、オルタネータ1は発電不可能であるが、6Vバッテリ8を接続した場合には、発電が可能になる。
【0030】
本実施例では、ロータの回転数がN3未満の場合には、電圧の低い6Vバッテリにオルタネータ1の出力を接続し、ロータの回転数がN3以上の場合には、電圧の高い12Vバッテリに接続することにより、従来では、発電が不可能であったロータの回転数N1からN2までの領域でも発電が可能になり、かつ発電が可能ではあったが小さい発電電力しか得られなかった回転数N2からN3の領域では、より大きな発電電力を得ることできる。
オルタネータ1の出力が6Vバッテリ8に接続されている間は、12Vバッテリ9には、オルタネータ1からは電力は供給されないが、DC/DCコンバータ10を介して、6Vバッテリ8から12Vバッテリ9へ充電される。
【0031】
また、ロータの回転数が低い領域では、6Vバッテリにオルタネータ1を接続することにより、発電可能なロータの回転数領域を広げることができるため、ロータの極対数を減らすことができ、鉄損が低減されるので、ロータの回転数が高い場合の発電効率を向上することができる。
したがって、ロータの低回転域側においても発電を可能とし、大きな発電電力が得られ、かつ発電効率も改善することができる。
【0032】
次に、搭載される電子機器の増加に対応するために、充電容量を増加した14Vバッテリ33および42Vバッテリ34を備えた車両に本発明を適用した第2の実施例を図5に示す。
本実施例では、最大発電電力出力時に発電効率が最も大きくなるバッテリにオルタネータの出力を接続した。
接続切替部31は接続先決定部32での決定に従って、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33または42Vバッテリ34に接続する。
【0033】
14Vバッテリ33は、14V系電気負荷35およびDC/DCコンバータ36に接続されている。
42Vバッテリ34は、42V系車両電気負荷37およびDC/DCコンバータ36に接続されている。
接続先決定部32には、オルタネータ1の回転数を検知する回転数センサ12、14Vバッテリ33の電圧を検出するの電圧センサ38およびオルタネータ1のロータ3に流す界磁電流を制御する界磁電流制御部39が接続され、メモリ40を備えている。
また、界磁電流制御部37には、オルタネータ1の出力電圧を検知する電圧センサ14が接続されている。
【0034】
接続先決定部32は、回転数センサ12で検知されたロータ3の回転数、発電効率および電圧センサ38で検出した14Vバッテリ33の電圧に基づいて、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33と42Vバッテリ34のどちらのバッテリに接続するかを決定し、バッテリ接続指令値として、14Vバッテリ接続指令または42Vバッテリ接続指令を、接続切替部31および界磁電流制御部39へ出力する。
また接続するバッテリを切替える際には、バッテリ接続指令値を出力する前に、界磁電流0指令を界磁電流制御部39へ出力する。
【0035】
接続切替部31では、バッテリ接続指令値に応じて、オルタネータ1の出力を接続するバッテリを切替える。
界磁電流制御部39では、界磁電流0指令が入力された場合には、オルタネータ1のロータ3に流す界磁電流を略0とする。
なた、接続先決定部32からバッテリ接続指令値が入力された場合には、電圧センサ14で検知したオルタネータ1の出力電圧が接続したバッテリの電圧と略等しくなるように、ロータ3に流す界磁電流をフィードバック制御する。なお図示省略したがロータ3に流す界磁電流は、オルタネータ1の出力、または42Vバッテリ34から供給される。
【0036】
14V系電気負荷35は、ヘッドライトや各種アクチュエータを含む車載された電力消費器材のうち、14Vバッテリ33から電力を供給されるものであり、42V系電気負荷37は42Vバッテリ34から電力を供給されるものである。。
DC/DCコンバータ36は14Vバッテリ33から昇圧して42Vバッテリ34を充電するためのコンバータである。
なお、電圧センサ38は、発明の残存容量検出部を構成している。
その他の構成は図1に示す第1の実施例と同様である。
【0037】
次に、図6に示すフローチャートを用いて、上記構成のオルタネータシステムの動作を説明する。
まず、ステップ201では、回転数センサ12は、オルタネータ1のロータ3の回転数を検出し、接続先決定部32へ出力する。
ステップ202では、接続先決定部32において、ロータ3の回転数がN6未満であるか否かを判定する。42Vバッテリ34を接続したほうが14Vバッテリ33を接続したよりも発電効率が大きくなるロータの回転数であるN6は、予め実験等により求められ、接続先決定部32のメモリ40に記憶されている。詳細は後述する。
回転数がN6以上であれば、ステップ203へ進む。ロータ3の回転数がN6未満であれば、ステップ205へ進む。
【0038】
ステップ203では、電圧センサ38により14Vバッテリ33の電圧を検出する。
ステップ204では、接続先決定部32において、ステップ203で検出した14Vバッテリ33の電圧が所定値以下であるか否かを判定する。14Vバッテリ33の電圧が所定値以下であれば、14Vバッテリ33の充電不足を防止するために、14Vバッテリ33を充電することが望ましいので、ステップ205へ進む。
14Vバッテリ33の電圧が所定値を超えていれば、42Vバッテリ34を充電することが望ましいので、ステップ213へ進む。
【0039】
ステップ205では、接続先決定部32において、メモリ40に記憶されている直前に接続されているバッテリが14Vバッテリ33であるか否かを判定する。
14Vバッテリ33でなければ、ステップ206へ進む。14Vバッテリ33であれば、ステップ208へ進む。
ステップ206では、オルタネータ1の出力に接続されるバッテリを、42Vバッテリ34から14Vバッテリ33に切替える際に、トルクショックが生じることを防止するために、接続先決定部32は、まず界磁電流0指令を界磁電流制御部39へ出力する。
ステップ207で、界磁電流制御部39はオルタネータ1のロータ3に流す界磁電流を略0とする。
【0040】
ステップ208では、接続先決定部32は、バッテリ接続指令値として14Vバッテリ接続指令を接続切替部31および界磁電流制御部39へ出力する。
ステップ209では、接続切替部31において、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33へ接続する。
ステップ210では、メモリ40に今回接続したバッテリを記憶する。
ステップ211では、電圧センサ14において、オルタネータ1の出力電圧を検出する。
ステップ212で、界磁電流制御部39において、電圧センサ14で検知したオルタネータ1の出力電圧が略14Vになるように、ロータ3に流す界磁電流を制御し、ステップ201へ戻る。
【0041】
ステップ213では、接続先決定部32において、メモリ40に記憶されている直前に接続されているバッテリが42Vバッテリ34であるか否かを判定する。
42Vバッテリ34でなければ、ステップ214へ進む。42Vバッテリ34であれば、ステップ208へ進む。
ステップ214では、オルタネータ1の出力に接続されるバッテリを、14Vバッテリ33から42Vバッテリ34に切替える際に、トルクショックが生じることを防止するために、接続先決定部32は、まず界磁電流0指令を界磁電流制御部39へ出力する。
ステップ215で、界磁電流制御部39はオルタネータ1のロータ3に流す界磁電流を略0とする。
ステップ216では、接続先決定部32は、バッテリ接続指令値として42Vバッテリ接続指令を接続切替部31および界磁電流制御部39へ出力する。
【0042】
ステップ217では、接続切替部31において、オルタネータ1の出力を42Vバッテリ34へ接続する。
ステップ218では、メモリ40に今回接続したバッテリを記憶する。
ステップ219では、電圧センサ14において、オルタネータ1の出力電圧を検出する。
ステップ220で、界磁電流制御部39において、電圧センサ14で検知したオルタネータ1の出力電圧が略42Vになるように、ロータ3に流す界磁電流を制御し、ステップ201へ戻る。
【0043】
図7にオルタネータ1の出力を14Vバッテリ33または42Vバッテリ34に接続した場合の、ロータ3の回転数と発電電力の関係を示す。
ロータ3の回転数がN6以上である場合には、42Vバッテリ34を接続したほうが大きな発電効率を得られるが、ロータ3の回転数がN6未満である場合には、14Vバッテリ33を接続したほうが、大きい発電効率を得られる。
また、ロータ3の回転数がN5以下の場合には、42Vバッテリ34を接続した場合には、オルタネータ1は発電不可能であるが、14Vバッテリ33を接続した場合には、発電が可能になる。
【0044】
本実施例では、ロータの回転数がN6未満の場合には、電圧の低い14Vバッテリ33にオルタネータ1の出力を接続し、ロータの回転数がN6以上の場合には、電圧の高い42Vバッテリ34に接続することにより、従来では、発電が不可能であったロータの回転数N4からN5の領域でも発電が可能になる。
オルタネータ1の出力が14Vバッテリ33に接続されている間は、42Vバッテリ34には、オルタネータ1からは電力は供給されないが、DC/DCコンバータ36を介して、14Vバッテリ33から42Vバッテリ34へ充電される。
【0045】
また、ロータの回転数が低い領域では、14Vバッテリ33にオルタネータ1を接続することにより、発電可能なロータの回転数領域を広げることができるため、極対数を減らすことができ、鉄損が低減されるので、ロータの回転数が高い場合の発電効率を向上することができる。
したがって、ロータの低回転域側から発電が可能になり、かつ発電効率を向上することができる。
【0046】
さらに、ロータ3の回転数がN6以上の場合でも、14Vバッテリ33の残存容量が所定値以下である場合には、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33に接続するので、14Vバッテリ33の充電不足が防止できる。
また、オルタネータ1に接続するバッテリを切替える場合には、切替える前に、一旦ロータ3に流す界磁電流を略0にしている。
このため、界磁電流を流したままの状態で、バッテリの接続を切替えた際にオルタネータに発生することがある急激なトルク変化の発生を防止でき、トルクショックが軽減でき、接続切替部31に与える負荷を低減できる。
【0047】
次に、車両において必要な発電電力を検出する必要電力検出部を備え、必要発電電力を発電する際の発電効率がもっとも大きくなるバッテリにオルタネータの出力を接続する第3の実施例を図8に示す。
接続切替部31は接続先決定部41での決定に従って、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33または42Vバッテリ34に接続する。
接続先決定部41には、オルタネータ1の回転数を検知する回転数センサ12、車両状態に応じた必要な発電電力を算出する必要電力検出部42、14Vバッテリ33の電圧を検出する電圧センサ38およびオルタネータ1のロータ3に流す界磁電流を制御する界磁電流制御部39が接続され、メモリ43を備えている。
また、界磁電流制御部39には、オルタネータ1の出力電圧を検知する電圧センサ14が接続されている。
【0048】
必要電力検出部42には、図示省略された電流センサおよび電圧センサが接続され、車載された電子機器およびバッテリ等で必要とされる電力の総和である必要発電電力を検出している。
接続先決定部41のメモリ43には、図9に示すような、ロータ回転数および必要発電電力と、最も大きい発電効率が得られる接続先バッテリの関係を示すマップが記憶されている。
【0049】
接続先決定部41では、ロータ3の回転数および必要電力検出部42で検出された必要発電電力およびメモリ43に記憶されたマップから、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33と42Vバッテリ34のどちらのバッテリに接続するかを決定し、バッテリ接続指令値として、14Vバッテリ接続指令または42Vバッテリ接続指令を、接続切替部31および界磁電流制御部39へ出力する。
また接続するバッテリを切替える際には、バッテリ接続指令値を出力する前に、界磁電流0指令を界磁電流制御部39へ出力する。
その他の構成は図5に示す第2の実施例と同様である。
【0050】
次に、図10に示すフローチャートを用いて、上記構成のオルタネータシステムの動作を説明する。
まず、ステップ301では、回転数センサ12は、オルタネータ1のロータ3の回転数を検出し、接続先決定部41へ出力する。
ステップ302では、必要電力検出部において、車両における必要発電電力を検出し、接続先決定部41へ出力する
【0051】
ステップ303において、接続先決定部41では、ロータ3の回転数および必要電力検出部42で検出された必要発電電力およびメモリ43に記憶されたマップから、オルタネータ1の出力を14Vバッテリ33と42Vバッテリ34のどちらのバッテリに接続するかを選択し、14Vバッテリ33を選択する場合には図6に示したステップ205へ進み、以下図6に示すフローチャートと同様の手順で動作する。
42バッテリ34を選択する場合には図6に示したステップ203へ進み、以下図6に示すフローチャートと同様の手順で動作する。
【0052】
本実施例では、車両における必要な発電電力をオルタネータ1により発電する際に、オルタネータ1における発電効率が最も大きくなるバッテリをオルタネータ1の出力に接続するので、第2の実施例における効果に加えて、必要な発電電力に対して、最も効率のよい発電を行う事ができる。
なお各実施例においては、回転数センサ12によりロータ3の回転数を検出したがこれに限られるわけではなく、例えば、エンジンの回転数からロータ3の回転数を算出する等の間接的な方法でもよい。
また、バッテリとしては、電圧をほぼ一定に保つ機能を有するものであればよく、キャパシタ等から構成されるバッテリにも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の構成を示すブロック図である。
【図2】オルタネータの構成を示す図である。
【図3】第1の実施例における動作の流れを示すフローチャートである。
【図4】ロータ回転数と発電電力の関係を説明する図である。
【図5】本発明の第2の実施例の構成を示すブロック図である。
【図6】第2の実施例における動作の流れを示すフローチャートである。
【図7】ロータ回転数と発電効率の関係を説明する図である。
【図8】本発明の第3の実施例の構成を示すブロック図である。
【図9】ロータ回転数と必要発電電力と接続バッテリの関係を示すマップをである。
【図10】第3の実施例における動作の流れを示すフローチャートである。
【図11】ロータ回転数と発電電力および発電効率の関係を説明する図である。
【図12】ロータ回転数と発電電力および発電効率の関係を説明する図である。
【符号の説明】
1 オルタネータ
2 エンジン
3 ロータ
4 ステータ
5 三相全波整流回路
6、31 接続切替部
7、32、41 接続先決定部
8 6Vバッテリ
9 12Vバッテリ
10、36 DC/DCコンバータ
11 車両電気負荷
12 回転数センサ
13、39 界磁電流制御部
14、38 電圧センサ
21 界磁巻線
22 シャフト
23、24 スリップリング
25、26 ブラシ
27 レギュレータ
28 ステータ巻線
33 14Vバッテリ
34 42Vバッテリ
35 14V系電気負荷
37 42V系電気負荷
39 界磁電流制御部
40、43 メモリ
42 必要電力検出部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an alternator system that generates power with an alternator and supplies generated power to an electronic device or a battery.
[0002]
[Prior art]
As a conventional alternator system, for example, there is one mounted on a vehicle, which generates electric power by an alternator driven by an engine, supplies electric power to an in-vehicle electronic device, and charges an in-vehicle battery.
Field winding type alternators are often used as on-vehicle alternators.
In the field winding type alternator, a rotating magnetic field is created by rotating the rotor by the engine while a current is passed through the field winding formed on the rotor of the alternator. An alternating voltage is generated in the stator winding by interlinking with the stator winding.
The AC voltage is rectified, converted to DC, and supplied to the on-vehicle electronic device and the battery.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, the generated power generated in the alternator is determined by the rotational speed of the rotor, the value of the field current flowing in the rotor field winding, and the electric load connected to the output of the alternator.
In an on-vehicle alternator, a battery and an on-vehicle electronic device are connected to the output as an electric load, and the output voltage of the alternator is kept substantially at the battery voltage.
As described above, the operating characteristics when the voltage to which the output of the alternator is connected are kept substantially constant are determined by the rotational speed of the rotor and the field current, as shown in FIG.
[0004]
As shown in FIG. 11A, power cannot be generated when the rotational speed of the rotor is less than Ns. However, when the rotational speed of the rotor exceeds Ns, the generated power increases rapidly as the rotational speed increases.
When the rotation speed of the rotor further increases, the increase rate of the generated power gradually decreases, and the generated power becomes a substantially constant value.
When the rotational speed of the rotor is constant, a large generated power can be obtained as the field current value increases, but the maximum generated power is not exceeded.
For this reason, in an onboard alternator system or the like, when the engine speed is low, the alternator rotor speed is low and power generation is impossible or the maximum power that can be generated is small. When is large, there is a problem that the amount of power generation may be insufficient.
[0005]
Moreover, (b) of FIG. 11 is a figure which shows the rotation speed of the rotor in an alternator, and the electric power generation efficiency at the time of the largest electric power generation output.
When the rotational speed of the rotor is relatively low, the power generation efficiency becomes the largest, and when the rotational speed further increases, the power generation efficiency continues to decrease.
Generally, in an alternator, the number of pole pairs of the rotor is increased and the electrical angular frequency is increased in order to reduce the rotor speed at which power can be generated and increase the maximum power generation in the low speed range. As a result, the rotational frequency of the magnetic flux increases and the iron loss increases.
[0006]
For this reason, when the rotation speed of the rotor of the alternator increases beyond a predetermined value, the power generation efficiency decreases.
That is, there is a problem that the power generation efficiency is low in the high rotation range of the rotor.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide an alternator system capable of generating power on the low rotation region side of a rotor, obtaining large generated power, and improving power generation efficiency. To do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, in the invention according to
[0008]
In the second aspect of the present invention, the connection destination determination unit selects a battery from which the alternator can obtain the largest generated power at the rotation speed of the alternator detected by the rotation speed sensor.
In the third aspect of the present invention, the connection destination determination unit selects the battery based on the power generation efficiency of the alternator at the rotation speed of the alternator detected by the rotation speed sensor.
[0010]
Claim4In the described invention, a remaining capacity detection unit that detects the remaining capacity of a plurality of batteries is provided, and the connection destination determination unit is provided when there is a battery whose remaining capacity detected by the remaining capacity detection unit is a predetermined value or less. Selected the battery with priority.
[0012]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, a plurality of batteries having different voltages are selected, and the battery to be connected is selected based on the number of rotations of the rotor of the alternator. Since the power generation characteristics of the alternator are greatly influenced by the electric load connected to the output, the power generation characteristics are also switched by switching the battery to be connected. Connect the alternator to a battery that can generate appropriate power generation characteristics according to the rotation speed of the rotor.For example, when the rotation speed of the alternator is low, select a battery with a low voltage from among multiple batteries with different voltages. When the number of rotations of the rotor is high, connecting a battery with a high voltage from the batteries with different voltages to the output of the alternator enables power generation on the low rotation side of the rotor. Therefore, large generated power can be obtained and the power generation efficiency can be improved.
In addition, when switching the battery connected to the alternator, the field current that flows through the rotor is set to 0 before switching, so that the alternator is switched when the battery connection is switched with the field current flowing. A sudden torque change that may occur can be prevented, a torque shock can be reduced, and a load applied to the connection switching unit can be reduced.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, the alternator is connected to a battery capable of obtaining the largest generated power among a plurality of batteries having different voltages at the detected number of rotations of the rotor.
As an example of the relationship between the rotational speed of the rotor and the maximum generated power in FIG. 12A, the output of the alternator is connected to a battery of voltage V1 and a battery of voltage V2 (however, V1 <V2). The relationship between rotation speed and generated power is shown.
[0014]
Comparing the maximum generated power when the output of the alternator is connected to the battery of voltage V2 and when the output of the alternator is connected to the battery of voltage V1, in the high speed range where the rotational speed of the rotor is Nc or more, the voltage When the V2 battery is connected, a larger maximum generated power can be obtained. However, when the rotational speed of the rotor is less than Nc, a larger maximum generated power can be obtained by connecting a battery with the voltage V1.
In addition, when the rotational speed of the rotor is Nb or less, the alternator cannot generate power when a battery of voltage V2 is connected, but when the battery of voltage V1 is connected, power generation is possible. .
[0015]
In other words, by connecting to a battery that can obtain the largest amount of generated power according to the rotational speed of the rotor, it is possible to generate power even on the low-rotation region side of the rotor where power generation was impossible. Although it was possible, larger generated power can be obtained in the rotation region where only small generated power was obtained, and the power generation efficiency can be improved.
Conventionally, in order to expand the rotor speed range where power can be generated to the low speed side, it is necessary to increase the number of pole pairs, resulting in an increase in iron loss and power generation in a region where the rotor speed is high. The efficiency was decreasing.
However, in the present invention, on the low rotation speed side of the rotor, by switching the battery to be connected, it is possible to widen the rotation speed region where power generation is possible, so the number of pole pairs can be reduced and iron loss is reduced. The power generation efficiency on the high rotation speed side of the rotor can also be improved.
[0016]
In the third aspect of the invention, the alternator is connected to a battery capable of obtaining the maximum power generation efficiency among a plurality of batteries having different voltages at the detected rotational speed of the rotor.
FIG. 12B shows the relationship between the rotational speed of the rotor and the power generation efficiency when the output of the alternator is connected to a battery of voltage V1 and a battery of voltage V2 (where V1 <V2).
Comparing the power generation efficiency when the output of the alternator is connected to the battery with the voltage V2 and when the output of the alternator is connected to the battery with the low voltage V1, in the rotation region where the rotational speed of the rotor is Nd or more, the voltage A higher power generation efficiency can be obtained by connecting the battery of V2, but when the rotation speed of the rotor is less than Nd, a higher power generation efficiency can be obtained by connecting the voltage V1.
[0017]
Further, in a region where the rotational speed of the rotor is low, by switching the battery to be connected, it is possible to generate power even in a region where the rotational speed of the rotor, which has conventionally been impossible, is impossible.
Therefore, it is possible to generate power on the low rotation region side of the rotor, and further improve the power generation efficiency.
Moreover, since the rotation speed region in which power generation is possible can be expanded, the number of pole pairs can be reduced and the iron loss can be reduced, so that the power generation efficiency when the rotor rotation speed is high can be improved.
[0018]
In invention of
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The embodiment of the present invention will be described with reference to examples.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention applied to a vehicle having a 12V power supply system.
The
The output of the three-phase full-
[0021]
The connection switching unit 6 connects the output of the three-phase full-
The 6V battery is also connected to a DC /
The connection destination determination unit 7 is connected to a
[0022]
The field
Based on the rotation speed of the
[0023]
In accordance with the battery connection command value output from the connection destination determination unit 7, the field
Although not shown, the field current flowing through the
The vehicle
The DC /
[0024]
FIG. 2 shows the configuration of the
The
The field current is supplied to the field winding 21 by sliding the
[0025]
In the field
The
The three-phase full-
[0026]
Next, the operation of the alternator system configured as described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, in step 101, the
In
N3, which is the rotor speed at which the maximum generated power is larger when the 12V battery 9 is connected than when the
If the rotational speed of the
[0027]
In
In
In step 105, the voltage sensor 14 detects the output voltage of the
In
[0028]
In
In
In step 109, the voltage sensor 14 detects the output voltage of the
In
[0029]
FIG. 4 shows the relationship between the rotational speed of the
When the rotational speed of the
Further, when the rotational speed of the
[0030]
In this embodiment, when the rotational speed of the rotor is less than N3, the output of the
While the output of the
[0031]
Also, in the region where the rotor speed is low, connecting the
Therefore, power generation is possible even on the low rotation region side of the rotor, large generated power can be obtained, and power generation efficiency can be improved.
[0032]
Next, FIG. 5 shows a second embodiment in which the present invention is applied to a vehicle equipped with a
In this embodiment, the output of the alternator is connected to the battery that has the highest power generation efficiency when the maximum generated power is output.
The
[0033]
The
The
The connection
The field
[0034]
Based on the rotational speed of the
When switching the battery to be connected, the field current 0 command is output to the field
[0035]
The
In the field
When a battery connection command value is input from the connection
[0036]
The 14V
The DC /
The
Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
[0037]
Next, the operation of the alternator system having the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, in step 201, the
In
If the rotation speed is N6 or more, the process proceeds to step 203. If the rotational speed of the
[0038]
In
In
If the voltage of the
[0039]
In
If it is not the
In
In
[0040]
In
In step 209, the
In
In
In
[0041]
In
If it is not 42V
In step 214, in order to prevent a torque shock from occurring when the battery connected to the output of the
In
In
[0042]
In
In
In
In step 220, the field
[0043]
FIG. 7 shows the relationship between the rotational speed of the
When the rotational speed of the
Further, when the rotational speed of the
[0044]
In this embodiment, when the rotational speed of the rotor is less than N6, the output of the
While the output of the
[0045]
In the region where the rotor speed is low, the
Therefore, it is possible to generate power from the low rotation region side of the rotor and improve the power generation efficiency.
[0046]
Furthermore, even when the rotational speed of the
Further, when the battery connected to the
For this reason, it is possible to prevent a sudden torque change that may occur in the alternator when the connection of the battery is switched while the field current is flowing, and to reduce the torque shock. The applied load can be reduced.
[0047]
Next, FIG. 8 shows a third embodiment in which a required power detection unit for detecting the generated power necessary for the vehicle is provided, and the output of the alternator is connected to a battery having the highest power generation efficiency when generating the required generated power. Show.
The
The connection
The field
[0048]
A current sensor and a voltage sensor (not shown) are connected to the required
The
[0049]
In the connection
When switching the battery to be connected, the field current 0 command is output to the field
Other configurations are the same as those of the second embodiment shown in FIG.
[0050]
Next, the operation of the alternator system configured as described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, in
In step 302, the required power detection unit detects the necessary generated power in the vehicle and outputs it to the connection
[0051]
In
When the 42
[0052]
In the present embodiment, when the necessary generated power in the vehicle is generated by the
In each embodiment, the rotational speed of the
Further, any battery may be used as long as it has a function of keeping the voltage substantially constant, and the present invention can be applied to a battery including a capacitor and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an alternator.
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of operation in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining a relationship between rotor speed and generated power.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing a flow of operations in the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between rotor speed and power generation efficiency.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a map showing the relationship between the rotor speed, the required generated power, and the connected battery.
FIG. 10 is a flowchart showing a flow of operations in the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram for explaining the relationship between the rotor speed, the generated power, and the power generation efficiency.
FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the rotor speed, generated power, and power generation efficiency.
[Explanation of symbols]
1 Alternator
2 Engine
3 Rotor
4 Stator
5 Three-phase full-wave rectifier circuit
6, 31 Connection switching part
7, 32, 41 Connection destination determination unit
8 6V battery
9 12V battery
10, 36 DC / DC converter
11 Vehicle electrical load
12 Speed sensor
13, 39 Field current controller
14, 38 Voltage sensor
21 Field winding
22 Shaft
23, 24 Slip ring
25, 26 brush
27 Regulator
28 Stator winding
33 14V battery
34 42V battery
35 14V electric load
37 42V electric load
39 Field Current Control Unit
40, 43 memory
42 Required power detector
Claims (4)
前記オルタネータの回転数を検出する回転数センサと、
前記オルタネータの出力に接続可能な電圧の異なる複数のバッテリと、
前記回転数センサで検出したオルタネータの回転数に基づいて、オルタネータの出力に接続するバッテリを選択し、バッテリ接続指令値を出力する接続先決定部と、
前記バッテリ接続指令値に応じて、オルタネータの出力に接続するバッテリを切替える接続切替部と、
前記オルタネータのロータに流す界磁電流を制御する界磁電流制御部と、を備え、
前記接続先決定部は、今回選択したバッテリが前回選択したバッテリと異なる場合には、まず界磁電流制御部に、界磁電流0指令を出力し、その後で接続切替部および界磁電流制御部にバッテリ接続指令値を出力し、
前記界磁電流制御部では、前記界磁電流0指令が入力されると前記ロータに流す界磁電流を略0とし、また前記バッテリ接続指令値が入力されると、バッテリ接続指令値に応じて界磁電流を制御することを特徴とするオルタネータシステム。An alternator that performs regenerative power generation,
A rotational speed sensor for detecting the rotational speed of the alternator;
A plurality of batteries having different voltages connectable to the output of the alternator;
Based on the rotation speed of the alternator detected by the rotation speed sensor, a battery to be connected to the output of the alternator is selected, and a connection destination determination unit that outputs a battery connection command value;
According to the battery connection command value, a connection switching unit that switches a battery connected to the output of the alternator ,
A field current control unit for controlling a field current flowing through the rotor of the alternator,
When the battery selected this time is different from the battery selected last time, the connection destination determination unit first outputs a field current 0 command to the field current control unit, and then the connection switching unit and the field current control unit Output the battery connection command value to
In the field current control unit, when the field current 0 command is input, the field current flowing through the rotor is set to approximately 0, and when the battery connection command value is input, the field current control unit according to the battery connection command value An alternator system characterized by controlling field current .
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