JP4491839B2 - 発電機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されたバッテリに充電する発電機を制御する発電機制御装置に関する発明である。

車両に搭載された発電機（オルタネータ）で発電した電力は、車両のランプ等の電気負荷に供給されると共に、バッテリの充電電圧を適正電圧範囲内に維持するのに使用される。そこで、特許文献１（特開平６−５４４６４号公報）、特許文献２（特開２００１−３５２７９５号公報）に示すように、発電機の出力電圧をバッテリの充電電圧や車両の電気負荷の消費電力に応じて制御する機能を備えたものがある。
特開平６−５４４６４号公報 特開２００１−３５２７９５号公報

しかし、車両の走行状態、エンジン運転状態、バッテリの充放電状態、バッテリの劣化状態等によっては、上記従来のように、発電機の出力電圧を制御する構成では、発電効率が悪くなる可能性がある。例えば、バッテリの充電電圧が低下した状態でアイドル運転中に、バッテリの充電電圧を一定電圧に維持しようとして発電機の出力電流を増加させると、発電機は発電効率の悪い運転をすることになる。また、発電機の出力電圧を制御する構成では、車両の減速時にその車両減速エネルギの回収効率（車両減速エネルギを電気エネルギに変換する効率）が悪くなる可能性もある。発電機はエンジン動力で駆動されるため、効率の悪い発電は燃費を悪化させる原因となる。

図７は、発電機の出力電流とエンジン回転速度をパラメータとする発電効率のマップの一例を示している。例えば、図７のＡ点で発電を行っている場合は、同じエンジン回転速度であっても、発電機の出力電流を多くしたＢ点の方が発電効率が高くなる。しかし、従来の発電機の出力電圧を制御する構成では、必ずしも効率の高い発電を行うことができなかった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、車両の電気負荷やバッテリの充放電状態からの発電要求を満たしながら効率の高い発電を行うことができて、燃費を向上できる発電機制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の動力で駆動される発電機と、前記発電機で充電されるバッテリとを備えた発電機制御装置において、前記発電機の出力電圧を指示する電圧制御手段の他に、前記発電機の出力電流を指示する電流制御手段を備え、前記電圧制御手段によって前記発電機の出力電圧を指示電圧に制御する電圧制御モードと前記電流制御手段によって前記発電機の出力電流を指示電流に制御する電流制御モードとを、内燃機関の運転状態及び／又は車両の走行状態に応じて切り替える制御モード切替手段を備えた構成とし、更に、内燃機関の回転速度が低回転領域である場合には、前記発電機の制御モードを前記電流制御モードに切り替え、車両の減速時には、前記発電機の制御モードを前記電圧制御モードに切り替えて発電するようにしたものである。この構成では、電圧制御モードと電流制御モードとを所定の判断基準に従って切り替えることで、車両の電気負荷やバッテリの充放電状態からの発電要求を満たしながら効率の高い発電を行うことが可能となり、燃費を向上できる。

この場合、内燃機関の運転状態及び／又は車両の走行状態に応じて電圧制御モードと電流制御モードとを切り替えようにしているが、例えば、アイドル運転中（停車中）に、電圧制御モードで一定電圧を維持しようとして発電機の出力電圧を大きくすると、発電機は発電効率の悪い運転をすることになるばかりか、発電機の駆動に必要なトルクが大きくなって内燃機関の回転変動が発生し、運転者に不快感を与える。この対策として、内燃機関の回転速度が低回転領域（アイドル運転中の回転速度を含む）である場合には、発電機の制御モードを電流制御モードに切り替えて、車両の電気負荷の駆動に必要最小限の電流値で発電すれば、効率の良い発電を行うことができると共に、アイドル運転中の発電機の駆動トルクによる内燃機関の回転変動を最小限に抑えて、運転者に不快感を与えないようにすることができる。また、車両の減速時には、発電機の出力電圧を許容値上限に設定して電圧制御モードで発電すれば、車両の減速時にその車両減速エネルギを効率良く電気エネルギに変換してバッテリに回収することができる。

また、請求項３のように、バッテリの劣化時には、バッテリ電圧を維持するように電圧制御モードで発電すれば、バッテリへの充放電量を少なくすることができて、それ以上のバッテリ劣化を抑制することができる。また、バッテリの充電電圧が適正電圧範囲以下に低下した場合も、電圧回復を優先して、発電機の出力電圧を指示電圧に維持するように電圧制御モードで発電すれば、バッテリの充電電圧をできるだけ早期に回復させることができる。

また、請求項４のように、外気温（内燃機関の冷却水温）が始動性に影響を与えるほど低い場合は、バッテリ電圧がやや高めになるように電圧制御モードで発電すれば、次回の始動性を確保することができる。

また、請求項５のように、発電機の出力電流を検出するセンサの異常を検出した場合は、発電機の制御モードを電圧制御モードに切り替えることで、発電機の発電制御を実行できる。

また、請求項６のように、現在の内燃機関の運転状態で発電機の出力可能な発電量が要求発電量に対して不足する場合は、内燃機関の回転速度を上昇させるようにしても良い。このようにすれば、発電機の制御モードが電圧制御モードと電流制御モードのいずれであっても、要求発電量分の発電量を確実に確保することができる。

また、請求項７のように、発電機には、該発電機の出力電圧を所定電圧に自律制御する自律制御手段を設け、該発電機を制御できない重大な故障が発生した場合に、該発電機の制御モードを自律制御手段による自律制御モードに切り替えるようにしても良い。このようにすれば、電圧制御モードと電流制御モードのいずれでも発電機を制御できない重大な故障が発生した場合でも、自律制御モードに切り替えて発電機の出力電圧を自律制御することが可能となり、車両の走行に必要最小限の発電量を確保することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した２つの実施例１，２を説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図７に基づいて説明する。まず、図１に基づいて発電機制御システム全体の構成を説明する。
車両には、バッテリ１１、ランプ等の電気負荷１２、エンジン（内燃機関）の動力で駆動される発電機１３（オルタネータ）が搭載され、この発電機１３で発電した電力は、電気負荷１２に供給されると共に、バッテリ１１の充電電圧を適正電圧範囲内に維持するのに使用される。

発電機１３の発電量（界磁電流）を制御する発電制御ＥＣＵ１４には、発電機１３の出力電圧を指示電圧に制御する電圧制御手段１５としての機能と、発電機１３の出力電流を指示電流に制御する電流制御手段１６としての機能が組み込まれている。この発電制御ＥＣＵ１４は、エンジン等の運転を管理するメインＥＣＵ１７からの制御信号に基づいて、電圧制御手段１５により発電機１３の出力電圧を指示電圧に制御する電圧制御モードと、電流制御手段１６により発電機１３の出力電流を指示電流に制御する電流制御モードとを切り替える制御モード切替手段としても機能する。

発電機１３の出力端子から出力される発電電流を検出する電流センサ１８と、電気負荷１２に流れる電流を検出する電流センサ１９と、バッテリ１１の（−）端子とアース端子との間を流れる充放電電流を検出する電流センサ２０とが設けられ、これら３つの電流センサ１８〜２０の検出信号が発電制御ＥＣＵ１４に入力される。また、発電制御ＥＣＵ１４には、発電機１３の出力電圧とバッテリ１１の（＋）端子の電圧（バッテリ電圧）と電気負荷１２の電圧が取り込まれる。図７は、発電機１３の出力電流とエンジン回転速度をパラメータとする発電効率のマップの一例を示している。

発電制御ＥＣＵ１４は、１つのＥＣＵ（１つのＣＰＵを主体とする制御回路）で構成しても良いし、図２に示すように、２つのＥＣＵ１４ａ，１４ｂで構成して、発電機１３の出力電圧を指示する電圧制御手段１５としてのＥＣＵ１４ａと、発電機１３の出力電流を指示する電流制御手段１６としてのＥＣＵ１４ｂとを分離した構成としても良い。この構成では、２つのＥＣＵ１４ａ，１４ｂのいずれか一方が故障した場合でも、他方のＥＣＵで発電機１３の発電量を制御することができて、フェールセーフ性を向上できる利点がある。

また、図３に示すように、１つのＥＣＵ１４ｃに、２つのＣＰＵ１４ｄ，１４ｅを搭載して、発電機１３の出力電圧を指示する電圧制御手段１５としてのＣＰＵ１４ｄと、発電機１３の出力電流を指示する電流制御手段１６としてのＣＰＵ１４ｅとを分離した構成としても良い。この構成では、２つのＣＰＵ１４ｄ，１４ｅによってフェールセーフ性を向上させながら、ＣＰＵ１４ｄ，１４ｅの周辺回路を共用化することができ、コストアップ幅を少なくできる利点がある。

発電制御ＥＣＵ１４は、図４乃至図６の各ルーチンを実行することで、現在のエンジン運転状態がアイドル状態であるか否かで、電流制御手段１６により発電機１３の出力電流を指示電流に制御する電流制御モードと、電圧制御手段１５により発電機１３の出力電圧を指示電圧に制御する電圧制御モードとを切り替える。以下、各ルーチンの処理内容を説明する。

図４の発電制御メインルーチンは、発電制御ＥＣＵ１４によってエンジン運転中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、メインＥＣＵ１７からの信号に基づいて現在のエンジン運転状態がアイドル状態であるか否か判定し、アイドル状態であれば、ステップ１０２に進み、後述する図５の電流制御ルーチンを実行して、発電機１３の制御モードを電流制御モードに切り替えて、発電機１３の出力電流を指示電流に制御する。一方、現在のエンジン運転状態がアイドル状態でなければ、ステップ１０３に進み、後述する図６の電圧制御ルーチンを実行して、発電機１３の制御モードを電圧制御モードに切り替えて、発電機１３の出力電圧を指示電圧に制御する。

上記ステップ１０２で、図５の電流制御ルーチンが起動されると、まずステップ２０１で、車両の電気負荷１２の要求電流Ｉ1 を読み込み、次のステップ２０２で、メインＥＣＵ１７からの信号に基づいて現在のエンジン運転状態を検出する。この後、ステップ２０３に進み、現在のエンジン運転状態で発電機１３が出力可能な最大電流Ｉ2 を算出した後、ステップ２０４に進み、現在のバッテリ１１の充電状態でバッテリ１１から放電可能な最大電流Ｉ3 を算出する。

この後、ステップ２０５に進み、電気負荷１２の要求電流Ｉ1 が発電機１３の出力可能電流Ｉ2 とバッテリ１１の放電可能電流Ｉ3 との合計電流（Ｉ2 ＋Ｉ3 ）よりも大きいか否かを判定する。ここで、発電機１３の出力可能電流Ｉ2 とバッテリ１１の放電可能電流Ｉ3 との合計電流（Ｉ2 ＋Ｉ3 ）は、現在のエンジン運転状態で電気負荷１２に供給可能な最大電流に相当する。従って、電気負荷１２の要求電流Ｉ1 が発電機１３の出力可能電流Ｉ2 とバッテリ１１の放電可能電流Ｉ3 との合計電流（Ｉ2 ＋Ｉ3 ）よりも大きいと判定されれば、現在のエンジン運転状態では電気負荷１２の要求電流Ｉ1 に対して発電量が不足すると判断して、ステップ２０６に進み、発電機１３の出力電流指示値を発電機１３の出力可能電流Ｉ2 に変更した後、ステップ２０７に進み、エンジン運転状態を変更（例えばエンジン回転速度の上昇など）して、発電機１３の出力可能電流Ｉ2 を上昇させる。

これに対して、上記ステップ２０５で、電気負荷１２の要求電流Ｉ1 が発電機１３の出力可能電流Ｉ2 とバッテリ１１の放電可能電流Ｉ3 との合計電流（Ｉ2 ＋Ｉ3 ）以下であると判定されれば、現在のエンジン運転状態で電気負荷１２の要求電流Ｉ1 を満たす発電が可能と判断して、ステップ２０８に進み、発電機１３の出力電流指示値を電気負荷１２の要求電流Ｉ1 からバッテリ１１の放電可能電流Ｉ3 を差し引いた電流（Ｉ1 −Ｉ3 ）に変更する。これにより、必要最小限の発電量で発電する。

また、図４の発電制御メインルーチンのステップ１０３で図６の電圧制御ルーチンが起動されると、まずステップ３０１で、バッテリ１１の目標電圧Ｖ1 を読み込み、次のステップ３０２で、バッテリ１１の電圧Ｖ2 を測定する。この後、ステップ３０３に進み、バッテリ１１の目標電圧Ｖ1 と測定電圧Ｖ2 とを比較し、バッテリ１１の目標電圧Ｖ1 よりも測定電圧Ｖ2 の方が高ければ、ステップ３０４に進み、発電機１３の出力電圧指示値を低下させる。

これに対して、バッテリ１１の目標電圧Ｖ1 が測定電圧Ｖ2 以上であれば、ステップ３０５に進み、メインＥＣＵ１７からの信号に基づいて現在のエンジン運転状態を検出する。この後、ステップ３０６に進み、現在のエンジン運転状態で発電機１３が出力可能な最大電流Ｉ2 を算出する。この後、ステップ３０７に進み、現在の発電機１３の出力電流Ｉ4 を測定する。

そして、次のステップ３０８に進み、発電機１３の出力可能電流Ｉ2 を測定電流Ｉ4 と比較して、発電機１３の出力可能電流Ｉ2 よりも測定電流Ｉ4 の方が小さい場合は、発電効率を上昇させる余裕があると判断して、ステップ３０９に進み、発電機１３の出力電圧指示値を上昇させて、効率の高い発電を行う。

これに対して、上記ステップ３０８で、発電機１３の出力可能電流Ｉ2 が測定電流Ｉ4 と一致する（Ｉ2 ＝Ｉ4 ）と判定されれば、ステップ３１０に進み、エンジン運転状態を変更（例えばエンジン回転速度の上昇など）して、発電機１３の出力可能電流Ｉ2 を上昇させる。

ところで、アイドル運転中（停車中）に、電圧制御モードで一定電圧を維持しようとして発電機１３の出力電圧を大きくすると、発電機１３は発電効率の悪い運転をすることになるばかりか、発電機１３の駆動に必要なトルクが大きくなってエンジン回転変動が発生し、運転者に不快感を与える。

これに対して、本実施例１では、アイドル運転中は、発電機１３の制御モードを電流制御モードに切り替えて、車両の電気負荷１２の駆動に必要最小限の電流値で発電するようにしているので、効率の良い発電を行うことができると共に、アイドル運転中の発電機１３の駆動トルクによるエンジン回転変動を最小限に抑えて、運転者に不快感を与えないようにすることができる。

本発明の実施例２では、発電機１３に、該発電機１３の出力電圧を所定電圧に自律制御する自律制御手段を設けると共に、電流制御手段１６と発電機１３と間の通信途絶や発電制御ＥＣＵ１４の異常の有無を判定する異常診断システムを搭載し、図８の発電制御メインルーチンを実行することで、異常診断システムの診断結果に応じて電圧制御モードと電流制御モードと自律制御手段による自律制御モードとを切り替えるようにしている。

図８の発電制御メインルーチンは、発電制御ＥＣＵ１４によってエンジン運転中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まずステップ４０１で、バッテリ１１の劣化（電圧低下）の有無を判定し、もし、バッテリ１１の劣化有りと判定されれば、ステップ４０５に進み、前記図６の電圧制御ルーチンを実行して、発電機１３の制御モードを電圧制御モードに切り替える。

一方、上記ステップ４０１で、バッテリ１１の劣化無しと判定されれば、ステップ４０２に進み、電流制御手段１６と発電機１３と間の通信途絶が発生しているか否かを判定し、通信途絶が発生していれば、ステップ４０５に進み、前記図６の電圧制御ルーチンを実行して、発電機１３の制御モードを電圧制御モードに切り替えて、発電機１３の出力電圧を指示電圧に制御する。

また、上記ステップ４０２で、通信途絶が発生していないと判定されれば、ステップ４０３に進み、発電制御ＥＣＵ１４の異常の有無を判定する。その結果、発電制御ＥＣＵ１４の異常有りと判定されれば、ステップ４０６に進み、発電機１３内の自律制御手段による自律制御モードに切り替え、発電機１３の出力電圧を所定電圧に自律制御する。

これに対して、上記ステップ４０３で、発電制御ＥＣＵ１４の異常無しと判定されれば、ステップ４０４に進み、前記図５の電流制御ルーチンを実行して、発電機１３の制御モードを電流制御モードに切り替えて、発電機１３の出力電流を指示電流に制御する。

以上説明した本実施例２によれば、異常診断システムの診断結果に応じて電圧制御モードと電流制御モードと自律制御モードとを切り替えるようにしたので、バッテリ１１の劣化、通信途絶、発電制御ＥＣＵ１４の異常のいずれかが発生した場合でも、発電機１３の発電制御を実行できる。

本発明は、上記実施例１，２の構成に限定されず、例えば、次のように構成しても良い。
（１）異常診断システムの診断結果に応じて電圧制御モードと電流制御モードとを切り替えるようにしても良い。例えば、発電機１３の出力電流を検出するセンサ等の異常を検出した場合は、発電機の制御モードを電圧制御モードに切り替えることで、発電機１３の発電制御を実行できる。

（２）車両の走行状態に応じて電圧制御モードと電流制御モードとを切り替えるようにしても良い。例えば、車両の減速時には、発電機１３の出力電圧指示値を許容値上限に設定して電圧制御モードで発電すれば、車両の減速時にその車両減速エネルギを効率良く電気エネルギに変換してバッテリ１１に回収することができる。

（３）バッテリ１１の充放電状態に応じて電圧制御モードと電流制御モードとを切り替えるようにしても良い。例えば、バッテリ１１の充電電圧が適正電圧範囲以下に低下した場合は、電圧回復を優先して、発電機１３の出力電圧を指示電圧に維持するように電圧制御モードで発電すれば、バッテリの充電電圧をできるだけ早期に回復させることができる。

（４）環境条件に応じて電圧制御モードと電流制御モードとを切り替えるようにしても良い。例えば、外気温（エンジン冷却水温）が始動性に影響を与えるほど低い場合は、バッテリ電圧がやや高めになるように電圧制御モードで発電すれば、次回のエンジン始動性を確保することができる。

本発明の実施例１における発電機制御システム全体の構成を示すブロック図である。 発電制御ＥＣＵの変形例（その１）を説明するブロック図である。 発電制御ＥＣＵの変形例（その２）を説明するブロック図である。 実施例１の発電制御メインルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１の電流制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１の電圧制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 発電機の出力電流とエンジン回転速度をパラメータとする発電効率のマップの一例を示す図である。 実施例２の発電制御メインルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…バッテリ、１２…電気負荷、１３…発電機、１４…発電制御ＥＣＵ（制御モード切替手段）、１５…電圧制御手段、１６…電流制御手段、１７…メインＥＣＵ、１８〜２０…電流センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の動力で駆動される発電機と、
   前記発電機で充電されるバッテリと、
   前記発電機の出力電圧を指示電圧に制御する電圧制御手段と、
   前記発電機の出力電流を指示電流に制御する電流制御手段と、
   前記電圧制御手段によって前記発電機の出力電圧を指示電圧に制御する電圧制御モードと前記電流制御手段によって前記発電機の出力電流を指示電流に制御する電流制御モードとを、内燃機関の運転状態及び／又は車両の走行状態に応じて切り替える制御モード切替手段と
   を備え、
   前記制御モード切替手段は、内燃機関の回転速度が低回転領域である場合には、前記発電機の制御モードを前記電流制御モードに切り替え、車両の減速時には、前記発電機の制御モードを前記電圧制御モードに切り替えて発電することを特徴とする発電機制御装置。
2. 前記低回転領域は、内燃機関のアイドル運転中の回転速度を含むことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
3. 前記制御モード切替手段は、前記バッテリの劣化時の場合又は前記バッテリの充電電圧が適正電圧範囲以下に低下した場合に、前記発電機の制御モードを前記電圧制御モードに切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電機制御装置。
4. 前記制御モード切替手段は、外気温又は内燃機関の冷却水温が所定温度以下のときに、前記発電機の制御モードを前記電圧制御モードに切り替えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電機制御装置。
5. 前記制御モード切替手段は、前記発電機の出力電流を検出するセンサの異常を検出した場合に、前記発電機の制御モードを前記電圧制御モードに切り替えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発電機制御装置。
6. 前記制御モード切替手段は、現在の内燃機関の運転状態で前記発電機の出力可能な発電量が要求発電量に対して不足する場合は、内燃機関の回転速度を上昇させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発電機制御装置。
7. 前記発電機は、前記発電機の出力電圧を所定電圧に自律制御する自律制御手段を備え、 前記制御モード切替手段は、前記発電機を制御できない重大な故障が発生した場合に、前記発電機の制御モードを前記自律制御手段による自律制御モードに切り替えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発電機制御装置。

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