JP4449591B2

JP4449591B2 - 車両用発電システム

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Publication number: JP4449591B2
Application number: JP2004179286A
Authority: JP
Inventors: 亨大岩
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: US7196497B2; JP2006006022A; US20050280400A1

Description

本発明は、電圧の異なる２種類の電圧系を有する車両に搭載される車両用発電システムに関する。

近年、車両用ハーネスの重量軽減や高電圧電気負荷の出現などにより、車両用発電システムに多電圧電源を採用することが検討されている。例えば、このような多電圧電源を採用した従来システムとして、定格電圧が１２Ｖの一般的な電気負荷に対して電力を供給する第１発電機とは別に、高電圧から低電圧まで出力電圧の可変範囲が広い第２発電機を備えた車両用発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この車両用発電システムに含まれる第２発電機は、車両の後輪駆動用の直流電動機に電力を供給するためのものであり、低電圧から高電圧（例えば５０Ｖ程度）までの広い範囲の出力電圧を発生する。また、内蔵された励磁巻線に対しては、第２発電機自身の出力電圧と並行して低電圧のバッテリの端子電圧が印加されている。
特開２００１−３３３５０７号公報（第４−１０頁、図１−１８）

一般に、発電機の磁気回路では、磁束密度が低い場合には起磁力を高くするとそれに伴って磁束が増えるが、磁束密度がある程度以上になって飽和するとそれ以上起磁力を高めても磁束が増えない。言い換えると、励磁起磁力（アンペアターン)は、磁気回路において決まる所定値以上の値を設定しても出力増加にほとんど寄与しない。このため、励磁巻線に最大電圧を印加して励磁電流が最大になったときにほぼ飽和磁束密度となるように、励磁巻線の仕様（巻線抵抗と巻数）を設定するとともに、常にこの飽和磁束密度となる領域近傍で励磁巻線に励磁電流を流すことが望ましい。しかしながら、特許文献１に開示された第２発電機のように励磁巻線に印加される電圧の変動幅（第２発電機の出力電圧の可変範囲）が大きいと、全ての使用状態においてほぼ飽和磁束密度となるように励磁巻線の仕様を設定することはできない。また、励磁巻線に印加する電圧を高くするとその分だけ励磁電流が増加する。このため、励磁巻線自身およびトランジスタなどスイッチング素子の発熱を抑制するために、最大電圧で最大許容電流となるように巻線抵抗を大きくする必要があり、励磁巻線の低抵抗化によって大きな励磁起磁力を確保するという手法が使えなくなっただけでなく、励磁巻線のインダクタンスが大きくなってスイッチング時の励磁起磁力変動に遅れが生じ、電気ノイズやサージ電圧が大きくなるという問題があった。特に、大きな電気負荷の接続時に発電機の出力端子から給電線が外れると、出力電圧自体が高いことから、従来よりもさらに大きなパルス状の電圧が発生し、レギュレータ（電圧制御装置）や整流装置が破損するおそれがある。

また、上述した特許文献に開示された第２発電機では、励磁巻線に高電圧が印加されるため、励磁電流を供給するために用いられるブラシやスリップリング等の外気に暴露する部分の電位が高くなって異物の侵入に伴う腐食が発生しやすくなり、耐環境性が悪化するという問題があった。この傾向は、内部に冷却風を導入する空冷式の発電機において顕著である。

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、耐環境性を向上させることができるとともに、低ノイズ化および低サージ化を実現す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、定格電圧が高電圧の第１の電圧系と、定格電圧が低電圧の第２の電圧系と、励磁巻線が巻装された回転子を回転させることにより発電を行って第１の電圧系に電力を供給する第１の発電機と、第１の発電機の発生電力が供給されることなく第２の電圧系から供給される電力のみによって動作し、第２の電圧系から励磁巻線に供給する励磁電流を断続することにより、第１の電圧系の電圧を所定値に制御する電圧制御装置とを備え、励磁巻線は、一方端が接地されており、他方端がスイッチング素子を介して第２の電圧系の正電位側に接続されている。低電圧の第２の電圧系のみから給電して電圧制御装置を動作させ、励磁巻線に対する励磁電流の供給を行っているため、可動部品である回転子に備わった励磁巻線等に印加される電圧を低くして耐環境性の向上を図ることができる。特に、励磁巻線に励磁電流を供給するブラシやスリップリングは密閉構造にすることができず暴露するため、従来から広く採用されている冷却ファンを用いた冷却手法を用いた場合であって、これらの暴露部分に異物が侵入すると、腐食の発生が起きやすくなる。特に、これらの暴露部分に印加される電圧が高い場合には腐食の発生が顕著になるため、暴露部分に印加される電圧を低くすることにより、耐環境性の改善に関しては大きな効果が得られる。また、第１の電圧系から高電圧が印加されることを考慮せずに励磁巻線に低い抵抗値を設定することができるため、大きな励磁電流を流すことによる高出力化が可能であるとともに、低い抵抗値に伴ってインダクタンスを下げることによる低ノイズ化、低サージ化を実現することができる。

また、上述した電圧制御装置は、第１の発電機の内部配線を介して出力端子に接続されており、内部配線に現れる電圧が所定値となるように動作することが望ましい。これにより、第１の電圧系の電圧を検出するために必要な配線を発電機内部で密閉することが可能になり、電圧制御装置および回転子周りの耐環境性をさらに向上させることができる。

また、上述した電圧制御装置は、第１の電圧系と外部配線を介して接続されており、外部配線に現れる電圧が所定値となるように動作することが望ましい。電圧制御装置と第１の電圧系との間に設けられた外部配線は、密閉構造のコネクタ等を介して電圧制御装置に引き込むことが可能であるため、耐環境性を低下させることなく第１の電圧系の電圧検出を行うことができる。

また、上述した電圧制御装置は、励磁巻線に直列に接続されて励磁電流を断続するスイッチング素子を備え、スイッチング素子とアースとの間に励磁巻線を配置しているため、スイッチング素子が開成されているとき（オフ状態のとき）に、励磁巻線の両端がアースと同電位になるため、電位差によって進行する腐食を防止することができ、さらに耐環境性を向上させることができる。

また、上述した励磁巻線の抵抗値は、励磁電流の最大値がスイッチング素子の許容電流より小さく、かつこの許容電流の１／２よりも大きくなるように設定され、第１の電圧系の電圧は、第２の電圧系の電圧の２倍以上であることが望ましい。第１および第２の電圧系の両方から励磁巻線に励磁電流を流す場合には、第１の電圧系の電圧を第２の電圧系の電圧の２倍以上に設定すると、第１の電圧系から励磁電流が供給される場合を考慮してスイッチング素子の許容電流の１／２以下になるように励磁巻線の抵抗値を設定しなければならない。ところが、第２の電圧系のみから励磁巻線に励磁電流を供給する場合にはこのような制約がないため、励磁巻線の抵抗値を小さくすることができ、大きな励磁電流を流すことによる高出力化が可能であるとともに、低い抵抗値に伴ってインダクタンスを下げることによる低ノイズ化、低サージ化を実現することができる。

また、上述した第１の電圧系は定格電圧が２８Ｖ以上の機器によって構成されており、第２の電圧系の定格電圧が１４Ｖの機器によって構成されていることが望ましい。これにより、従来から一般に使用されている各種の機器を仕様を変更することなく使用することが可能になり、コストの上昇を抑えるとともに互換性を確保することができる。

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。

図１は、一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に示すように、本実施形態の車両用発電システムは、発電機１００、３００、高電圧系２００、低電圧系４００を含んで構成されている。

一方の発電機１００は、エンジン（図示せず）によって回転駆動されて高電圧系２００に動作電力を供給する。高電圧系２００は、高電圧で動作する第１の電圧系であって、２８Ｖ以上の定格電圧で動作する高電圧負荷である各種の機器としてのバッテリ２１０や電気負荷２２０が含まれる。また、他方の発電機３００は、同様にエンジンによって回転駆動されて低電圧系４００に動作電力を供給する。低電圧系４００は、低電圧で動作する第２の電圧系であって、１４Ｖの定格電圧で動作する低電圧負荷である各種の機器としてのバッテリ４１０や電気負荷４２０が含まれる。従来の一般的な車両には、発電機３００と低電圧系４００とによって形成される発電システムのみが搭載されている。

図２は、高電圧系２００に動作電力を供給する発電機１００の断面構造を示す図である。図１および図２に示すように、本実施形態の発電機１００は、電機子巻線２０が巻装された電機子２と、電機子２の内周側に回転自在に支持されるとともに励磁巻線４０によって発生した磁束を回転させることにより電機子巻線２０に交流起電力を誘起する回転子４と、６個のツェナーダイオードによって形成された三相全波整流回路によって電機子巻線２０に誘起された三相交流電圧を整流する整流装置３０と、励磁巻線４０に対して給電を行うブラシ装置６と、発電機１００の出力電圧を制御する電圧制御装置５０とを備えている。回転子４は、回転軸４２と、励磁巻線４０が巻装された回転子鉄心４４と、この回転子鉄心４４の軸方向両端面に固定された冷却ファン４６、４７と、回転軸４２の端部近傍に設けられたスリップリング４８、４９とを有している。回転子４が回転すると回転子鉄心４４と一体化した冷却ファン４６、４７が回転し、冷却風を軸方向に沿って吸入した後にフレーム７に設けられた径方向開口部７２から排出する。また、ブラシ装置６は、スリップリング４８、４９のそれぞれに摺接される一対のブラシ６２、６３を備えており、電圧制御装置５０の制御にしたがって励磁電流がブラシ６２、６３、スリップリング４８、４９を介して励磁巻線４０に供給される。

電圧制御装置５０は、励磁巻線４０と直列に接続されたスイッチング素子としてのＭＯＳ型のスイッチングトランジスタ５２と、励磁巻線４０と並列に接続された環流ダイオード５４と、スイッチングトランジスタ５２の断続制御を行うことにより発電機１００の出力電圧を所定値に調整する制御を行う制御回路５６とを含んで構成されている。この電圧制御装置５０は、低電圧系４００から、具体的には、低電圧系４００に含まれるバッテリ４１０や低電圧系４００に接続された発電機３００から動作電圧が供給されており、高電圧系２００との接続は調整対象となる発電機１００の出力電圧を検出するために出力端子Ｂと整流装置３０の間に内部配線としての検出用配線１０２が設けられている。また、励磁巻線４０は、一方端が接地されており、他方端がスイッチングトランジスタ５２を介して低電圧系４００の正電位側に接続されている。

低電圧系４００には発電機３００が接続されており、発電機３００によってバッテリ４１０に対する充電電力の供給や、電気負荷４２０に対する動作電力の供給が行われる。上述したように、この低電圧系４００は、従来から一般に用いられている１４Ｖ系の各装置が用いられているため、ＥＣＵ（エンジン制御装置）をはじめとする各種の電気負荷４２０は従来のものを仕様を変更することなく使用することが可能となる。また、電圧制御装５０に外付けされるその他の部品（例えば、警告灯）についても従来のものを仕様を変更することなく使用することが可能になる。

また、発電機１００の励磁巻線４０の抵抗値は、励磁電流の最大値がスイッチングトランジスタ５２の許容電流より小さく、かつこの許容電流の１／２よりも大きくなるように設定されている。低電圧系４００と高電圧系２００の両方から励磁巻線４０に励磁電流を流す場合には、高電圧系２００の電圧を低電圧系４００の電圧の２倍以上に設定すると（本実施形態では１４Ｖの低電圧系４００と２８Ｖ以上の高電圧系２００とが組み合わされているためこの条件を満たす）、高電圧系２００から励磁電流が供給される場合を考慮してスイッチングトランジスタ５２の許容電流の１／２以下になるように励磁巻線４０の抵抗値を設定しなければならない。ところが、低電圧系４００のみから励磁巻線４０に励磁電流を供給する場合にはこのような制約がないため、励磁巻線４０の抵抗値を小さくすることができる。

このように、本実施形態の車両用発電システムでは、低電圧系４００から給電して電圧制御装置５０を動作させ、励磁巻線４０に対する励磁電流の供給を行っているため、可動部品である回転子４に備わった励磁巻線４０等に印加される電圧を低くして耐環境性の向上を図ることができる。特に、励磁巻線４０に励磁電流を供給するブラシ６２、６３やスリップリング４８、４９は密閉構造にすることができず暴露して外気にさらされるため、広く採用されている冷却ファン４６、４７を用いた冷却手法を用いた場合であって、これらの暴露部分に異物が侵入すると、腐食の発生が起きやすくなる。特に、これらの暴露部分に印加される電圧が高い場合には腐食の発生が顕著になるため、暴露部分に印加される電圧を低くすることにより、耐環境性の改善に関しては大きな効果が得られる。また、高電圧系２００から高電圧が印加されることを考慮せずに励磁巻線４０に低い抵抗値を設定することができるため、大きな励磁電流を流すことによる高出力化が可能であるとともに、低い抵抗値に伴ってインダクタンスを下げることによる低ノイズ化、低サージ化を実現することができる。

また、電圧制御装置５０は、発電機１００の内部配線としての検出用配線１０２を介して出力端子Ｂに接続されており、検出用配線１０２に現れる電圧が所定値となるように動作している。これにより、高電圧系２００の電圧を検出するために必要な配線を発電機１００内部で密閉することが可能になり、電圧制御装置５０および回転子４周りの耐環境性をさらに向上させることができる。

また、電圧制御装置５０に含まれるスイッチングトランジスタ５２とアースとの間に励磁巻線４０が配置されており、スイッチングトランジスタ５２が開成されているとき（オフ状態のとき）に、励磁巻線４０の両端がアースと同電位になるため、電位差によって進行する腐食を防止することができ、さらに耐環境性を向上させることができる。

また、励磁巻線４０の抵抗値が、励磁電流の最大値がスイッチングトランジスタ５２の許容電流より小さく、かつこの許容電流の１／２よりも大きくなるように設定されており、励磁巻線４０の抵抗値を小さくすることができることから、大きな励磁電流を流すことによる高出力化が可能であるとともに、低い抵抗値に伴ってインダクタンスを下げることによる低ノイズ化、低サージ化を実現することができる。

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。上述した実施形態では、電圧制御装置５０は、高電圧系２００の電圧を発電機１００の内部配線としての検出用配線１０２を介して検出したが、高電圧系２００に接続された外部配線を直接引き込んで高電圧系２００の電圧を検出するようにしてもよい。

図３は、車両用発電システムの変形例を示す図である。図３に示す発電機１００Ａは、高電圧系２００に含まれるバッテリ２１０の正極側端子に接続された外部配線２１２が引き込まれた電圧制御装置５０Ａを備えている。この電圧制御装置５０Ａは、外部配線２１２を介して高電圧系２００の電圧を検出し、この検出した電圧が所定値となるようにスイッチングトランジスタ５２を断続制御する。この構成により、高電圧系２００の電圧検出精度を向上させることができ、高精度に制御することができる。

なお、外部配線２１２の電圧制御装置５０Ａへの引き込みは、密閉構造のコネクタを用いて行うことができるため、電圧制御装置５０Ａの高電圧部分が外部に暴露することを防止することが可能であり、耐環境性を低下させることなく高電圧系２００の電圧検出を行うことができる。但し、配線接続の信頼性があまり高くない構成においては、Ｂ端子（出力端子）外れや外部配線２１２外れが心配である。このような場合には、高電圧を発生するなどの制御不能となるおそれがある。配線接続の信頼性に依存しない構成としては、図１における検出用配線１０２に相当する自己の発生電圧検出手段（図示せず）を備え、両者を比較して電圧制御する制御回路を設けるようにすればよい。

また、図３に示す車両用発電システムでは、発電機３００に代えて変圧器３１０が用いられている。この変圧器３１０は、高電圧系２００と低電圧系４００の両方に接続されており、高電圧系２００の電圧を低電圧系４００の電圧に変換する。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。変圧器３１０を用いることにより、発電機１００Ａから供給される電力を低電圧系４００や発電機１００Ａ内の電圧制御装置５０Ａに供給することが可能になる。また、発電機３００が不要になるため、構成の簡略化によるコストダウンを図ることができる。

また、上述した実施形態では、高電圧系２００内にバッテリ２１０が含まれるため、発電機１００、１００Ａは常にバッテリ２１０の端子電圧に相当する一定の高電圧を発生するようにしたが、高電圧系２００として電動機としての電気負荷２２０のみが含まれる場合等においては発電機１００、１００Ａの出力電圧を低電圧から高電圧までの広い範囲で可変制御するようにしてもよい。このような場合であっても、電圧制御装置５０、５０Ａは、低電圧系４００から印加される一定の電圧で動作するため、常にほぼ飽和磁束密度となるように励磁巻線４０の仕様を設定して励磁電流を流すことが可能になる。

一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。高電圧系に動作電力を供給する発電機の断面構造を示す図である。車両用発電システムの変形例を示す図である。

符号の説明

２０電機子巻線
３０整流装置
４０励磁巻線
５０、５０Ａ電圧制御装置
５２スイッチングトランジスタ
５４環流ダイオード
１００、３００発電機
１０２検出用配線
２００高電圧系
２１０、４１０バッテリ
２１２外部配線
２２０、４２０電気負荷
３１０変圧器
４００低電圧系

Claims

定格電圧が高電圧の第１の電圧系と、
定格電圧が低電圧の第２の電圧系と、
励磁巻線が巻装された回転子を回転させることにより発電を行って前記第１の電圧系に電力を供給する第１の発電機と、
前記第１の発電機の発生電力が供給されることなく前記第２の電圧系から供給される電力のみによって動作し、前記第２の電圧系から前記励磁巻線に供給する励磁電流を断続することにより、前記第１の電圧系の電圧を所定値に制御する電圧制御装置と、
を備え、前記励磁巻線は、一方端が接地されており、他方端がスイッチング素子を介して前記第２の電圧系の正電位側に接続されていることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１において、
前記電圧制御装置は、前記第１の発電機の内部配線を介して出力端子に接続されており、前記内部配線に現れる電圧が所定値となるように動作することを特徴とする車両用発電システム。
請求項１において、
前記電圧制御装置は、前記第１の電圧系と外部配線を介して接続されており、前記外部配線に現れる電圧が所定値となるように動作することを特徴とする車両用発電システム。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第１の電圧系と前記第２の電圧系の両方に接続され、前記第１の電圧系の電圧を前記第２の電圧系の電圧に変換する変圧器を備え、
前記第１の発電機から供給される電力を前記変圧器を介して前記第２の電圧系に供給することを特徴とする車両用発電システム。
請求項１において、
前記励磁巻線の抵抗値は、前記励磁電流の最大値が前記スイッチング素子の許容電流より小さく、かつこの許容電流の１／２よりも大きくなるように設定され、
前記第１の電圧系の電圧は、前記第２の電圧系の電圧の２倍以上であることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記第１の電圧系は定格電圧が２８Ｖ以上の機器によって構成されており、前記第２の電圧系の定格電圧が１４Ｖの機器によって構成されていることを特徴とする車両用発電システム。