JP4487736B2 - バッテリ充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等により駆動される発電機の交流出力を整流して得た直流出力でバッテリを充電するバッテリ充電装置に関するものである。

交流出力を発生する発電機は、界磁を有する回転子と、回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心にｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子コイルを巻装してなる固定子とからなっている。内燃機関により駆動される発電機としては、回転子の界磁を永久磁石により構成する磁石発電機がよく用いられる。

車両用の内燃機関により駆動される磁石発電機のように、様々な回転速度で運転される発電機においては、その回転速度を制御することにより発電機の出力を目標値に保つことはできない。そのため、この種の発電機では、高速回転時に出力が過大になるのを防ぐために、何らかの制御を行うことが必要である。従来、磁石発電機の出力が過大になるのを防ぐ手段としては、その出力電圧が設定値を超えたときに電機子コイルを短絡する短絡式のレギュレータが用いられていた。しかし、短絡式のレギュレータを用いると、電圧制御時に電機子コイルに大きな短絡電流が流れるため、電機子コイルで多くの発熱が生じ、好ましくない。

そこで、特許文献１に示されているように、磁石発電機の交流出力を直流出力に変換してバッテリに印加する全波整流回路と、ブリッジの各辺がスイッチ素子により構成されたブリッジ形のインバータ回路とを磁石発電機の出力端とバッテリとの間に設けて、発電機の電機子コイルに誘起する電圧と同じ周波数の交流制御電圧をバッテリからインバータ回路を通して電機子コイルに印加するように、インバータ回路のスイッチ素子を制御することにより、バッテリの両端の電圧を目標値に保つように発電機の出力を制御するバッテリ充電装置が提案されている。

この既提案のバッテリ充電装置では、バッテリからインバータ回路を通して電機子コイルに印加する交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を進み側または遅れ側に変化させるようにインバータ回路のスイッチ素子を制御することにより、バッテリの端子電圧を目標値に保つように発電機の出力を制御している。

上記のように、負荷側に設けたバッテリからインバータ回路を通して発電機の電機子コイルに交流制御電圧を印加して、該交流制御電圧の位相を進み側に変化させると、電機子コイルに作用する磁束を減少させることができるため、発電機の出力を抑制することができる。またバッテリからインバータ回路を通して電機子コイルに印加する交流制御電圧の位相を遅れ側に変化させると、電機子コイルに作用する磁束の量を増加させることができるため、発電機の出力を増大させることができる。このように、負荷側に設けたバッテリからインバータ回路を通して電機子コイルに交流制御電圧を印加することにより発電機の出力を制御することを、発電機を負荷側から駆動（ドライブ）しながらその出力を制御するという意味で、「ドライブ制御」と呼ぶ。
特開平１１−４６４５６号公報

上記のドライブ制御によれば、短絡式のレギュレータを用いることなく、磁石発電機の高速回転時にその出力が過大になるのを防ぐことができるが、ドライブ制御によった場合には、低速回転時に磁石発電機の出力を増大させる効果を余り期待することができず、同じ発電機を用いてバッテリの充電を開始する回転速度を更に低くしたいという要請や、充電が開始される回転速度付近で更に大きな充電電流を流したいという要請があった場合に、その要請に応えることができないことがあった。

なお電機子コイルの巻回数を多くすれば、発電機の低速回転時の出力を増大させることができるが、この場合、発電機が大形になるのを防ぐためにコイル導体として断面積が小さいものを用いると発電機の高速回転時の出力が不足するという問題が生じる。また高速回転時の出力を低下させることなく低速回転時の出力の増大を図るために、コイル導体として断面積が大きいものを用いて、電機子コイルの巻回数を多くすることも考えられるが、このように構成した場合には、発電機が大形化してその重量が増加する上に、コストが高くなるため好ましくない。

また発電機の回転速度が設定値以下に低下したときに電機子コイルに流す電流を断続させるチョッパ制御を行うことにより、発電機の低速回転時の出力を向上させ、回転速度が設定値を超える領域でドライブ制御に移行させるようにすることも考えられるが、このように異質の制御を併用する場合には、一方の制御から他方の制御への移行をスムースに行うために特別の配慮をする必要があり、制御が複雑になるのを避けられない。制御の移行がスムースに行われないと、制御を切り換える際に負荷トルクの急変や発電機出力の急変が生じる等の問題が生じ、好ましくない。

本発明の目的は、ドライブ制御による発電機出力の制御範囲を拡大して、低速回転領域から高速回転領域まで、バッテリの充電電流の急変や、負荷トルクの変動を伴うことなく、バッテリの充電制御を良好に行うことができるようにしたバッテリ充電装置を提供することにある。

本発明は、ｎ相（ｎは１以上の整数）の交流電圧を電機子コイルに誘起する発電機と、発電機の交流出力を直流出力に変換してバッテリに印加するｎ相ダイオードブリッジ全波整流回路と、ブリッジの各辺がスイッチ素子により構成されて直流側端子間にバッテリが接続され、交流側端子が発電機の出力端子に接続されたｎ相ブリッジ形のインバータ回路と、バッテリの両端の電圧をバッテリ電圧として検出する電圧検出回路と、発電機の電機子コイルに誘起する無負荷誘起電圧と周波数が等しい交流制御電圧をバッテリからインバータ回路を通して電機子コイルに印加するようにインバータ回路を構成するスイッチ素子を制御してバッテリ電圧を目標値に保つように制御するコントローラとを備えたバッテリ充電装置を対象とする。

本発明においては、上記コントローラが、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御してバッテリ電圧を目標値に保つように交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を備えている。

上記のように、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御してバッテリ電圧を目標値に保つように交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を設けると、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を固定した状態で、ＰＷＭ制御のデューティ比を減少させることにより発電機の出力を増大させ、デューティ比を増大させることにより発電機出力を減少させることができる。従って、発電機の回転速度の変動や、負荷電流の変動により、発電機の出力が変化してバッテリ電圧が目標値からずれたときに、バッテリ電圧を目標値に戻す制御を容易に行うことができる。

本発明の好ましい態様では、上記コントローラが、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を変化させることによりバッテリ電圧を目標値に保つように制御する位相角制御手段と、位相角を固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御してバッテリ電圧を目標値に保つように交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を備えていて、ＰＷＭ制御と位相角制御とを併用することによりバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行うように構成される。

上記のように、交流制御電圧の位相角を変化させることによりバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行う位相角制御手段と、位相角を固定した状態で交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比を変えることによりバッテリ電圧を目標値に保つＰＷＭ制御手段との双方を設けて、位相角制御とＰＷＭ制御とを併用することにより発電機出力を制御するようにすると、ドライブ制御による発電機出力の制御の幅を広げることができるため、発電機の低速回転領域から高速回転領域まで、バッテリの両端電圧を目標値に保つ制御をより的確に行うことができる。

また本発明によれば、位相角を固定した状態でデューティ比を減少させることにより、低速回転領域での発電機出力の向上を図ることができため、位相角の制御のみによりドライブ制御を行う場合よりもバッテリの充電が開始される回転速度を下げることができる。

本発明では、ドライブ制御とチョッパ制御とを併用する場合のように、異質の制御を切り換えて用いるのではなく、同じドライブ制御でデューティ比の制御と位相角の制御とを適宜に選択して行わせるため、両制御の切換をスムースに行わせて、負荷トルクの急変や発電機出力の急変を伴うことなく、バッテリの充電制御を行うことができる。

本発明の好ましい態様では、上記コントローラが、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を変化させることによりバッテリ電圧を目標値に保つように制御する位相角制御手段と、位相角を固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御してバッテリ電圧を目標値に保つように交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を備えていて、バッテリ電圧が目標値よりも低いときにはＰＷＭ制御によりバッテリ電圧を目標値に近づける制御を行わせ、バッテリ電圧が目標値よりも大きくなったときには先ずＰＷＭ制御によりバッテリ電圧を目標値に近づける制御を行わせて、該ＰＷＭ制御でのデューティ比がバッテリの充電電流を最小にする値になってもなおバッテリ電圧が目標値を超えているときに、位相角制御手段によりバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行うように構成される。

上記ＰＷＭ制御手段は、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を０°に固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御するように構成するのが好ましい。

本発明は、発電機として磁石発電機を用いる場合に特に有用である。また磁石発電機としては、永久磁石からなる主磁極と強磁性材料からなる補極とが磁石回転子の周方向に交互に設けられている補極付き磁石発電機を用いるのが好ましい。

補極付きの磁石発電機では、交流制御電圧により生じる磁束を補極に流して、磁石回転子の界磁調整を効果的に行わせることができるため、交流制御電圧による発電機出力の制御幅を広げて、バッテリの充電制御を効率よく行わせることができる。

以上のように、本発明によれば、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御してバッテリの両端の電圧を目標値に保つように交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を設けて、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を固定した状態で、交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比を減少させることにより発電機の出力を増大させ、該デューティ比を増大させることにより発電機出力を減少させることができるようにしたので、発電機の回転速度の変動や、負荷電流の変動により、発電機の出力が変化してバッテリ電圧が目標値からずれたときに、バッテリ電圧を目標値に戻す制御を容易に行わせることができる。

また本発明によれば、交流制御電圧の位相角を固定して、ＰＷＭ制御のデューティ比を大きくすることにより、低回転速度領域での発電機出力を増加させることができるため、バッテリの充電が開始される回転速度を低くして低速回転時のバッテリの充電を良好に行わせることができる。

また本発明において、交流制御電圧の位相角を変化させることによりバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行う位相角制御手段と、位相角を固定した状態で交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比を変えることによりバッテリ電圧を目標値に保つＰＷＭ制御手段との双方を設けて、ＰＷＭ制御と位相角制御とを併用するように構成した場合には、ドライブ制御による発電機出力の制御の幅を広げることができるため、発電機の低速回転領域から高速回転領域まで、バッテリの両端電圧を目標値に保つための制御をより的確に行うことができる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、固定子に３相の電機子コイルを有する磁石発電機を用いてバッテリを充電するバッテリ充電装置に本発明を適用した実施形態の全体的な構成を示したものである。同図において１はエンジン（内燃機関）、２はエンジン１により駆動される磁石発電機である。磁石発電機２は、エンジン１のクランク軸に取り付けられた磁石回転子２Ａと、固定子２Ｂとからなっている。

磁石回転子２Ａは、鉄等の強磁性材料からなっていて機関のクランク軸に取り付けられたカップ状の回転子ヨーク２００と、この回転子ヨークの内周に取り付けられた円弧状の永久磁石Ｍ1及びＭ2とからなっている。一般に磁石発電機においては、永久磁石により２ｍ極（ｍは１以上の整数）の磁石界磁が構成されるが、この例では、ｍ＝１であって、１８０°間隔で配置された２個の永久磁石Ｍ1及びＭ2が、着磁方向を異にして径方向に着磁されることにより、２極の磁石界磁が構成されている。

固定子２Ｂは、磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心（図示せず。）と、該電機子鉄心に巻装されてスター結線された３相の電機子コイルＬｕないしＬｗとからなり、３相の電機子コイルＬｕないしＬｗの中性点と反対側の端子からそれぞれ外部端子２ｕないし２ｗが導出されている。

固定子２Ｂは、エンジンのケースの一部に形成された固定子取付け部に固定されて、該固定子の電機子鉄心の突極部のそれぞれの先端に形成された磁極部が磁石回転子２Ａの磁極に所定のギャップを介して対向させられている。

また図１において３はバッテリ、４は整流器とインバータ回路とを有して磁石発電機２とバッテリ３との間に設けられたＡＣ／ＤＣ相互変換部、５はバッテリ３の両端の電圧をバッテリ電圧Ｖbとして検出する電圧検出回路、６はマイクロプロセッサを備えたコントローラ、７はバッテリ３の両端に接続された負荷、ｈuないしｈwはそれぞれ、発電機２の固定子側に設けられて、Ｕ相ないしＷ相の電機子コイルに対して磁石発電機１の回転子の回転角度位置の情報を含む信号を発生する位置センサである。

位置センサｈuないしｈwは、３相ブラシレスモータにおいて固定子側に設けられる位置センサと同様のものである。位置センサｈuないしｈwは例えばホールＩＣからなっていて、磁石発電機の回転子の磁極を検出して、検出している磁極がＮ極であるときとＳ極であるときとで異なるレベルを示す矩形波状の位置検出信号ＨｕないしＨwを出力する。位置センサｈuないしｈwがそれぞれ出力する位置検出信号ＨuないしＨwは、コントローラ６のマイクロプロセッサに入力されて、インバータ回路のスイッチ素子をオンオフするタイミングを定めるための信号として用いられる外、発電機の回転速度を求めるために用いられる。

ＡＣ／ＤＣ相互変換部４は、ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ及びＤｚをブリッジ接続して構成したダイオードブリッジ全波整流回路と、一端が共通接続されたスイッチ素子ＱｕないしＱｗによりそれぞれブリッジの３つの上辺が構成され、一端が共通接続され、他端がスイッチ素子ＱｕないしＱｗの他端に接続されたスイッチ素子ＱｘないしＱｚによりそれぞれブリッジの３つの下辺が構成されたブリッジ形のインバータ回路とからなっている。図示の例では、インバータ回路を構成するスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ及びＱｚとしてＭＯＳＦＥＴが用いられている。

スイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚにより構成されたインバータ回路及びダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚにより構成された整流回路から正極性及び負極性の直流側端子４ａ及び４ｂと、３相の交流側端子４ｕないし４ｗとが共通に引き出され、３相の交流側端子４ｕ，４ｖ及び４ｗがそれぞれ磁石発電機２の３相の外部端子２ｕ，２ｖ及び２ｗに接続されている。また正極性の直流側端子４ａ及び負極性の直流側端子４ｂはそれぞれバッテリ３の正極端子及び負極端子に接続されている。

ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ及びＤｚにより構成された全波整流回路は、磁石発電機１の電機子コイルＬｕないしＬｗに誘起する３相交流電圧を整流してバッテリ３に充電電流を供給する。

スイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ及びＱｚのブリッジ回路からなるインバータ回路は、磁石発電機１の出力を目標値に保つためにドライブ制御を行う際に、バッテリ３の両端の電圧を交流電圧に変換して、該交流電圧を交流制御電圧として電機子コイルＬｕないしＬｗに印加する。

バッテリ３の両端の電圧を検出する電圧検出回路５は、バッテリ３の両端の電圧を分圧する抵抗分圧回路等からなっていて、この電圧検出回路の出力は、図示しないＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されて、コントローラ６のマイクロプロセッサに入力されている。

本発明においては、磁石発電機１の出力を目標値に保つように制御するために、ドライブ制御を行う。ドライブ制御は、電機子コイルＬｕないしＬｗの無負荷誘起電圧と周波数が等しい交流制御電圧を、整流回路の出力側に設けた電圧蓄積手段（今の例ではバッテリ３）からインバータ回路を通して電機子コイルＬｕないしＬｗに印加するようにインバータ回路を構成するスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ及びＱｚを制御して磁石発電機の出力を目標値に保つ制御である。

本実施形態では、位置センサｈuないしｈwから得られる位置検出信号ＨuないしＨwを用いて生成させた駆動信号ＳuないしＳw及びＳxないしＳzをそれぞれスイッチ素子ＱuないしＱw及びＱxないしＱzに与えることにより、スイッチ素子ＱuないしＱw及びＱxないしＱzをオンオフさせてバッテリ３の両端の電圧を交流制御電圧に変換する。ここで、「駆動信号」とは、スイッチ素子をオン状態にするためにスイッチ素子の制御端子に与える信号で、各スイッチ素子はその制御端子（本実施形態ではＭＯＳＦＥＴのゲート）に駆動信号が与えられている間オン状態を保持する。

ドライブ制御を用いる従来のバッテリ充電装置では、交流制御電圧の正負の各半波の波形を、断続することがないデューティ比が１００％の波形として、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角γを進角側または遅角側に変化させることにより発電機の出力を制御していた。即ち、従来のバッテリ充電装置では、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を変化させることによりバッテリ電圧を目標値に保つように制御する位相角制御手段のみによりドライブ制御を行わせるようにコントローラを構成していた。

これに対し、本実施形態では、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角γを固定した状態でインバータ回路のブリッジの上辺を構成するスイッチ素子ＱuないしＱw及び下段を構成するスイッチ素子ＱxないしＱzの一方または双方を所定のデューティ比でオンオフさせることにより、交流制御電圧をＰＷＭ制御し、交流制御電圧をＰＷＭ制御する際のデューティ比を０％から１００％まで変化させることにより、発電機の出力を制御するＰＷＭ制御手段を更に設けて、このＰＷＭ制御手段を位相角制御手段と併用する。

即ち、本実施形態においては、コントローラ６に、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角γを変化させることによりバッテリ電圧を目標値に保つように制御する位相角制御手段と、位相角γを固定した状態でインバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御してバッテリ電圧を目標値に保つように交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段とを設けて、ＰＷＭ制御と位相角制御とを併用することにより発電機出力を制御してバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行わせる。位相角制御手段及びＰＷＭ制御手段は、コントローラ６のマイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより構成する。

ここでデューティ比ＤＦ［％］は、スイッチ素子をオンオフさせる周期をＴ、スイッチ素子をオン状態にする時間をＴonとしたときに、ＤＦ＝（Ｔon／Ｔ）×１００［％］で定義されるものとする。

図１に示したバッテリ充電装置において、位相角制御を行う際に位置センサｈuないしｈwから得られる位置検出信号ＨuないしＨwの波形と、これらの位置検出信号を用いて生成した駆動信号ＳuないしＳw及びＳxないしＳzの波形とを図３に模式的に示した。同図においてＨ及びＬはそれぞれ位置検出信号のハイレベル及びローレベルを示し、ＯＮ及びＯＦＦはそれぞれスイッチ素子をオン状態にするときの駆動信号のレベル及びスイッチ素子をオフ状態にするときの駆動信号のレベルを示している。

この例では、位置検出信号ＨuないしＨwのレベルを反転した信号と同じレベル変化を示す信号をスイッチ素子ＱuないしＱwに駆動信号ＳuないしＳwとして与え、位置検出信号ＨuないしＨwと同じレベル変化を示す信号をスイッチ素子ＱxないしＱzに駆動信号ＳxないしＳzとして与えてこれらのスイッチ素子をオンオフさせたときに、電機子コイルＬuないしＬwに誘起する無負荷誘起電圧と同じ位相の交流制御電圧がバッテリ３からインバータ回路を通して電機子コイルＬuないしＬwに印加されるように、位置センサｈuないしｈwが設けられている。

コントローラ６は、マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより、上記位相角制御手段を構成する。この位相角制御手段は、発電機の出力を目標値に一致させる制御を行う際に、図３に示したように、駆動信号ＳuないしＳw及びＳxないしＳzをデューティ比が１００％の波形として、これらの駆動信号の位相を、発電機の出力を目標値に一致させるために必要量だけ図３に示した位相より進角側または遅角側にシフトすることにより、交流制御電圧のデューティ比を１００％とした状態でその位相角を進角側または遅角側に変化させる。

バッテリ３の両端の電圧を１４［Ｖ］（一定）として、交流制御電圧の位相角を変化させたときのバッテリ３の充電電流Ｉと回転速度Ｎとの関係を与える特性の一例を図５に示した。交流制御電圧は、電機子コイルＬｕないしＬｗの誘起電圧と周波数が等しい交流電圧で、交流制御電圧の位相角γは電機子コイルＬｕないしＬｗの無負荷誘起電圧の位相を基準位相として、進み側または遅れ側に変化させられる。図５に示した例では、交流制御電圧の位相角を遅れ側に１２度から７２度まで変化させている。

図５から明らかなように、発電機がある程度以上の回転速度で回転しているときには、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角γを遅角側に変化させると、電機子コイルに作用する界磁を増磁することができるため、発電機の出力が増加し、バッテリの充電電流が増大させられる。

上記のように、発電機がある程度以上の回転速度で回転子しているときには、位相角γを遅角側に変化させることにより、発電機の出力を増加させることができるが、回転速度が低い領域では、位相角γを増加させると逆に発電機の出力が低下する傾向になる。そのため、位相角γの制御によっては、低速回転領域での発電機の出力を向上させる効果をあまり期待することができない。

図示してないが、発電機がある程度以上の回転速度で回転している状態では、交流制御電圧の無負荷誘起電圧に対する位相角を進み側に変化させると、電機子コイルに作用する界磁を減磁させて、発電機の出力を低下させることができる。

またコントローラ６に設けられるＰＷＭ制御手段は、図４（Ｄ）ないし（Ｆ）に示したように、駆動信号ＳuないしＳw及びＳxないしＳzの位相角を０度として、交流制御電圧の位相角を０度に固定した状態で、図４（Ｇ）ないし（Ｉ）に示すように、インバータ回路のブリッジの下段を構成するスイッチ素子ＱxないしＱzに与える駆動信号ＳxないしＳzを所定のデューティ比で断続するＰＷＭ波形の信号とし、発電機の出力を目標値に一致させるために必要な量だけ駆動信号ＱxないしＱzのデューティ比を変化させることにより、発電機の出力を調整してバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行う。

本実施形態の充電装置において、交流制御電圧の位相角γを０度に固定して、交流制御電圧のデューティ比ＤＦを０［％］から１００［％］まで変化させたときの、バッテリの充電電流Ｉと発電機の回転速度Ｎとの関係を与える特性の一例を図６に示した。図６に示した例において、曲線ａは、非制御時の充電電流特性曲線、即ち、ＡＣ／ＤＣ相互変換部４を整流回路により構成したときの充電電流特性曲線である。

ＡＣ／ＤＣ相互変換部４を整流回路により構成した場合には、デューティ比ＤＦ＝０、位相角γ＝０とした場合よりも電流位相が遅れ側にあるため、増磁効果により、デューティ比ＤＦ＝０、位相角γ＝０とした場合よりも発電機の出力が増大する。そのため、図６に見られるように、ＡＣ／ＤＣ相互変換部４を整流回路により構成したときの充電電流（曲線ａ）は、デューティ比ＤＦ＝０、位相角γ＝０としたときの充電電流よりも大きくなる。

図６から明らかなように、交流制御電圧の位相角γを０度に固定して、交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比を大きくしていくと、低速回転域で発電機の出力を増大させて、バッテリの充電電流Ｉを増加させることができ、バッテリの充電が開始される回転速度を低くすることができる。このことは、例えば内燃機関により駆動される車両に搭載されるバッテリの充電装置に本発明を適用することにより、アイドリング運転時のような低速回転時からバッテリの充電を開始させることができることを意味している。

また回転速度が高い領域では、交流制御電圧の位相角γを０度に固定して、交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比ＤＦを大きくしていくことにより、バッテリの出力を抑制して、バッテリの充電電流を減少させることができる。

従って、交流制御電圧の位相角γを０度に固定した状態で、交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比ＤＦを制御することにより、高速回転時に発電機の出力を抑制してバッテリの過充電を防止したり、低速回転時に発電機の出力を増加させてバッテリの充電開始回転速度を低くしたりする制御を行わせることができる。

交流制御電圧の波形は、電機子コイルＬｕないしＬｗの無負荷誘起電圧の波形と同じでもよく、異なっていてもよい。例えば、交流制御電圧の正の半波及び負の半波の波形を矩形波状としてもよい。電機子コイルＬｕないしＬｗにその無負荷誘起電圧と異なる波形の交流制御電圧を印加すると、発電機の出力電圧波形が歪むが、本発明が対象とするバッテリ充電装置では、発電機の出力を整流して負荷に与えるので、発電機の出力波形が歪んでも差し支えない。

本発明においては、ドライブ制御により発電機の出力を制御するに当たり、上記位相角制御とＰＷＭ制御とを併用する。位相角制御とＰＷＭ制御とを併用して発電機の出力を制御する場合、位相角制御を優先して、位相角制御により発電機の出力を的確に制御できなくなったときにＰＷＭ制御に移行させるようにしてもよく、ＰＷＭ制御を優先して、ＰＷＭ制御により発電機の出力を的確に制御できなくなったときに位相角制御に移行するようにしてもよいが、バッテリ電圧を目標値に保つ制御を行う場合には、ＰＷＭ制御を優先して、ＰＷＭ制御により発電機の出力を制御しきれなくなったときに位相角制御に移行するようにするのが好ましい。

以下ＰＷＭ制御を優先させて、ＰＷＭ制御と位相角制御とにより発電機の出力を制御してバッテリ電圧を目標値に保つ制御を図７を参照して説明する。
図７は、交流制御電圧のＰＷＭ制御のデューティ比ＤＦを１００［％］として交流制御電圧の位相角γを進角側に１２度ないし２４度変化させた場合と、位相角γを０度に固定してデューティ比ＤＦを０から１００［％］まで変化させた場合とについて、バッテリの充電電流Ｉと回転速度Ｎとの関係を与える特性を示したものである。図７において、位相角１２度及び２４度に付されたマイナス符号は、それぞれの位相角が無負荷誘起電圧の位相に対して進角している角度であることを意味している。

本発明によりバッテリ電圧を目標値に保つ制御を行う際には、図７に示すような特性を、充電電流Ｉと回転速度Ｎと位相角γとの間の関係を与える位相角制御マップ、及び充電電流Ｉと回転速度Ｎとデューティ比ＤＦとの間の関係を与えるＰＷＭ制御マップの形にしてマイクロプロセッサのＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリに記憶させておく。

今、図７において、回転速度ＮをＮ1、位相角γを２４度進ませ、デューティ比ＤＦを１００［％］として動作点Ａで充電電流Ｉ0を流してバッテリを充電している状態で、負荷電流が増加してバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも低くなったとする。この場合には、回転速度Ｎ1においてＰＷＭ制御によりバッテリの充電電流Ｉを増加させるデューティ比ＤＦをＰＷＭ制御マップから検索し、位相角γを０度に固定して、デューティ比ＤＦを検索した値まで増加させる。この過程をバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなるまで行い、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなったときのデューティ比ＤＦで交流制御電圧をＰＷＭ制御しつつ発電機を運転する。この例では、位相角γを０度、デューティ比ＤＦを２０［％］として、動作点をＡ点からＢ点まで移動させたときに、充電電流ＩがＩ0からＩ2に増加して、バッテリ電圧Ｖbが目標値に一致したとしている。

また発電機が回転速度Ｎ1で回転していて、動作点Ｂでバッテリの充電が行われている状態で、回転速度がＮ1からＮ2まで上昇したとする。このとき位相角γを０度及びデューティ比ＤＦを２０［％］のままにしておくと、動作点はＣ点に移動し、充電電流がＩ2からＩ3に増加してバッテリ電圧が目標値を超えてしまう。このように、回転速度がＮ2に上昇してバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも高くなったことが検出されたときには、回転速度Ｎ2においてバッテリの充電電流Ｉを減少させるために必要なデューティ比ＤＦをＰＷＭ制御マップから検索し、位相角γを０度に固定した状態でデューティ比ＤＦを検索した値まで増加させる。バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなるまでこの過程を行い、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなったときにデューティ比ＤＦの変化を停止させる。例えば、位相角γを０度とし、デューティ比ＤＦを６０［％］まで変化させたときに充電電流ＩがＩ2になってバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなったときには、位相角γが０度で、デューティ比ＤＦが６０［％］の動作点Ｄを新たな動作点とする。

また回転速度ＮをＮ2、位相角γを０度、デューティ比ＤＦを０［％］とし、充電電流をＩ4として、動作点Ｅでバッテリを充電している状態で、負荷電流が減少したためにバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも高くなったとする。この場合には、回転速度がＮ2のときに充電電流を減少させるデューティ比ＤＦをＰＷＭ制御マップから検索し、デューティ比ＤＦを検索した値まで変化させて（大きくして）充電電流Ｉを減少させる過程をバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなるまで行う。この例では、位相角γを０度に固定した状態で、デューティ比ＤＦを６０［％］まで大きくして、充電電流をＩ4からＩ2まで減少させたときに、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなったため、デューティ比ＤＦが６０［％］の動作点Ｄを新たな動作点としている。

また動作点Ｄでバッテリを充電しているときに、負荷電流が更に小さくなって、バッテリ電圧が目標値Ｖoよりも高くなったとする。このとき、回転速度Ｎ2において充電電流を減少させるデューティ比ＤＦをマップから検索して検索した値までデューティ比ＤＦを増加させるが、デューティ比ＤＦを１００［％］としても、なおバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも高かったとする。この場合には、ＰＷＭ制御によってはバッテリ電圧Ｖbを目標値Ｖoに保つ制御を行うことができないため（ＰＷＭ制御では制御しきれないため）、回転速度Ｎ2において充電電流を減少させる進み側の位相角γを位相角制御マップから検索し、デューティ比ＤＦを１００［％］として、位相角γを進み側に検索した値まで変化させる。バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなるまで位相角γを進角する過程を繰り返し、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなったときに位相角γの変化を停止させる。ここでは、位相角γを１２度進ませ、デューティ比ＤＦを１００［％］として、動作点をＦに移動させたときに充電電流ＩがＩ1まで減少して、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくなったとする。

次に動作点Ｆで動作している状態で、回転速度がＮ2からＮoまで低下したとする。このとき位相角γを１２度進ませ、デューティ比ＤＦを１００［％］としたままの状態にしておくと、動作点がＧ点に移動し、充電電流がＩ1からＩoに減少するため、バッテリ電圧が目標値よりも低くなってしまう。この場合には、回転速度Ｎoにおいて充電電流Ｉを増加させるデューティ比ＤＦをＰＷＭ制御マップから検索し、位相角γを０度に固定してデューティ比を検索した値にする。位相角γを０度に固定して、デューティ比ＤＦを０［％］にして動作点をＨ点に移動させることにより、充電電流をＩ1に戻して、バッテリ電圧Ｖbを目標値Ｖoに保つことができる。

上記のように、交流制御電圧の位相角を０度に固定した状態で、交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を設けておくと、負荷の変動によりバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoからずれたときに、交流制御電圧の位相角γを０度に固定してＰＷＭ制御のデューティ比ＤＦを変化させることにより、発電機の出力を変化させて、バッテリ電圧を目標値に保つ制御を行わせることができる。また負荷の急減により、ＰＷＭ制御においてデューティ比ＤＦを１００［％］としても発電機の出力を低下させることができない状態が生じたときには、デューティ比ＤＦを１００［％］とした状態で、位相角制御手段により位相角γを進角側に変化させることにより、発電機の出力を低下させて、バッテリ電圧Ｖbを目標値Ｖoに保つことができる。

本発明の充電装置において、位相角制御手段とＰＷＭ制御手段とを構成するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムを示すフローチャートを図２に示した。図２に示したタスクは微小時間間隔で実行されるもので、このタスクが開始されると、先ずステップ１において回転速度Ｎを読み込む。マイクロプロセッサは、例えば、位置センサｈuが出力する位置検出信号Ｈuの各立上がりが検出されてから次の立上がりが検出されるまでの時間（発電機が１回転するのに要する時間）を回転速度を求めるための時間データとして計測して、この時間データから回転速度Ｎを求める演算を、位置検出信号Ｈuの立上がりが検出される毎に実行される割込み処理において行っている。この割込み処理により発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段が構成される。ステップ１では、この回転速度検出手段により検出されてＲＡＭに記憶されている回転速度を現在の回転速度Ｎとして読み込む。

回転速度Ｎを読み込んだ後、ステップ２に進んで出力デューティ比（現在のＰＷＭ制御のデューティ比）ＤＦを読み込み、ステップ３で電圧検出回路５の出力をバッテリ電圧Ｖbとして読み込む。次いでステップ４でバッテリ電圧Ｖbを目標値Ｖoと比較し、検出されたバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しいか否かを判定する。その結果バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しいと判定されたときには、以後何もしないでこのタスクを終了する。

ステップ４でバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoに等しくないと判定されたときには、ステップ５に進んでバッテリ電圧Ｖbを目標値Ｖoと比較し、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも低いか否かを判定する。その結果、バッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも低いときには、ステップ６に進んで図７に示した特性において、バッテリの充電電流を増加させるデューティ比ＤＦをマップから検索する。次いでステップ７に進んで検索したデータを出力デューティ比ＤＦとし、このデューティ比ＤＦで駆動信号ＳxないしＳzをＰＷＭ変調することにより、交流制御電圧をデューティ比ＤＦで断続するＰＷＭ波形としてこのタスクを終了する。

ステップ５でバッテリ電圧Ｖbが目標値Ｖoよりも高いと判定されたときには、ステップ８に進んで出力デューティ比ＤＦが現在の回転速度Ｎで充電電流を最小にする値（１００％）に等しいか否かを判定する。その結果、デューティ比ＤＦが充電電流を最小にする値に達していないと判定されたときにはステップ９に進んで、図７の特性において現在の回転速度Ｎで充電電流を減少させるデューティ比ＤＦをマップから検索した後、ステップ７に進んで検索したデューティ比ＤＦを出力デューティ比としてこのタスクを終了する。

ステップ８で出力デューティ比ＤＦが、現在の回転速度で充電電流を最小にする値（１００％）に等しいと判定されたときには、ステップ１０に進んで、図７の特性において現在の回転速度Ｎで充電電流を現在の値よりも小さくする位相角γをマップから検索した後、ステップ１１で検索した位相角を位相角制御の位相角γとし、ＰＷＭ制御のデューティ比ＤＦを１００［％］としてこのタスクを終了する。

図２に示したアルゴリズムによる場合には、ステップ１，２，３，４，５，６，７，８及び９と、出力デューティ比ＤＦで駆動信号ＳxないしＳzをＰＷＭ変調する手段とによりＰＷＭ制御手段が構成される。またステップ１，２，３，４，５，８，１０及び１１と、検索された位相角γだけ駆動信号ＳuないしＳw及びＳxないしＳzを進角側にシフトする手段とにより位相角制御手段が構成され、この位相角制御手段と、上記ＰＷＭ制御手段とによりドライブ制御手段が構成される。

上記の実施形態では、交流制御電圧をＰＷＭ制御する際に位相角γを０度に固定するようにしているが、ＰＷＭ制御を行う際に位相角γを進角側または遅角側の設定角度に固定するようにしてもよい。

上記の実施形態では、交流制御電圧をＰＷＭ変調する際に、インバータ回路のブリッジの下段を構成するスイッチ素子ＱxないしＱzを所定のデューティ比ＤＦでオンオフさせるようにしたが、インバータ回路のブリッジの上段を構成するスイッチ素子ＱuないしＱwを所定のデューティ比ＤＦでオンオフさせるようにしてもよく、インバータ回路の上段のスイッチ素子ＳuないしＳw及び下段のスイッチ素子ＳxないしＳzの双方をデューティ比ＤＦでオンオフさせるようにしてもよい。

上記の実施形態では、インバータ回路を構成するスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、バイポーラトランジスタや、ＩＧＢＴなどの他のオンオフ制御が可能なスイッチ素子を用いてインバータ回路を構成することもできる。

上記の実施形態では、回転子ヨークに永久磁石を取付けて磁石界磁を構成した磁石発電機を用いているが、ドライブ制御を行う場合、磁石発電機としては、特開２０００−２０９８９１号や特開２００２−７８３０６号に開示されているように、永久磁石からなる主磁極と強磁性材料からなる補極とを磁石回転子の周方向に交互に設けた補極付きの磁石発電機を用いるのが好ましい。補極付きの磁石発電機では、交流制御電圧により生じる磁束を補極に流して、磁石回転子の界磁調整を効果的に行わせることができるため、交流制御電圧による発電機出力の制御幅を広げて、バッテリの充電制御を効率よく行わせることができる。

本発明の実施形態の構成例を示した回路図である。 図１に示したバッテリ充電装置のコントローラのマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 図１に示したバッテリ充電装置において位相角制御を行う際の各部の信号波形を模式的に示した波形図である。 図１に示したバッテリ充電装置において交流制御電圧をＰＷＭ制御する際の各部の信号波形を模式的に示した波形図である。 図１に示したバッテリ充電装置において交流制御電圧の位相角γを遅角側に１２度から７２度まで変化させた際の充電電流Ｉ対回転速度Ｎ特性を示したグラフである。 図１に示したバッテリ充電装置において交流制御電圧をＰＷＭ制御した際の充電電流Ｉ対回転速度Ｎ特性を示したグラフである。 本発明の制御に用いる充電電流対回転速度特性を示したグラフである。

符号の説明

１ エンジン
２ 磁石発電機
３ バッテリ
４ ＡＣ／ＤＣ相互変換部
５ 電圧検出回路
６ コントローラ

Claims (4)

1. ｎ相（ｎは１以上の整数）の交流電圧を電機子コイルに誘起する発電機と、前記発電機の交流出力を直流出力に変換してバッテリに印加するｎ相ダイオードブリッジ全波整流回路と、ブリッジの各辺がスイッチ素子により構成されて直流側端子間に前記バッテリが接続され、交流側端子が前記発電機の出力端子に接続されたｎ相ブリッジ形のインバータ回路と、前記バッテリの両端の電圧をバッテリ電圧として検出する電圧検出回路と、前記発電機の電機子コイルに誘起する無負荷誘起電圧と周波数が等しい交流制御電圧を前記バッテリから前記インバータ回路を通して前記電機子コイルに印加するように前記インバータ回路を構成するスイッチ素子を制御して前記バッテリ電圧を目標値に保つように制御するコントローラとを備えたバッテリ充電装置において、
   前記コントローラは、前記交流制御電圧の前記無負荷誘起電圧に対する位相角を変化させることにより前記バッテリ電圧を目標値に保つように制御する位相角制御手段と、前記位相角を固定した状態で前記インバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御して前記バッテリ電圧を前記目標値に保つように前記交流制御電圧をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段を備えていて、前記バッテリ電圧が前記目標値よりも低いときには前記ＰＷＭ制御により前記バッテリ電圧を目標値に近づける制御を行わせ、前記バッテリ電圧が目標値よりも大きくなったときには先ず前記ＰＷＭ制御により前記バッテリ電圧を目標値に近づける制御を行わせて、該ＰＷＭ制御でのデューティ比が前記バッテリの充電電流を最小にする値になってもなお前記バッテリ電圧が目標値を超えているときに、前記位相角制御手段により前記バッテリ電圧を目標値に保つ制御を行うように構成されていること、
   を特徴とするバッテリ充電装置。
2. 前記ＰＷＭ制御手段は、前記位相角を０°に固定した状態で前記インバータ回路のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフ制御するように構成されている請求項１に記載のバッテリ充電装置。
3. 前記発電機は、磁石発電機である請求項１または２に記載のバッテリ充電装置。
4. 前記発電機は、永久磁石からなる主磁極と強磁性材料からなる補極とが磁石回転子の周方向に交互に設けられている補極付き磁石発電機である請求項１または２に記載のバッテリ充電装置。

Images