JP4596185B2 - 車両用電圧制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載されて車両用発電機の出力電圧を制御する車両用電圧制御装置に関する。
従来から、車両用発電機の界磁巻線に接続されたスイッチング手段（パワートランジスタ）の導通率を所定期間計測して平均値を算出することで発電機状態信号を生成し、レギュレータからＥＣＵに向けて送信するようにした構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
国際公開第２００５／０３１９６４号パンフレット
ところで、特許文献１に開示されている従来手法では、導通率を所定期間にわたって計測して平均化しているため、発電機状態信号の内容が更新されるタイミングが所定期間毎になってしまい、車両用発電機の状態がこの所定期間内に変化してもその内容が発電機状態信号にリアルタイムに反映されず、発電機状態信号の信頼性が低いという問題があった。ＥＣＵは、このような信頼性が低い発電機状態信号に基づいてエンジン制御を行うことになるため、エンジン制御の不安定化を招き、最悪の場合には停止に至ることが懸念される。このような事態を回避するためには、所定期間を短くして発電機状態信号の内容が更新されるタイミングを早めればよいが、そのようにすると測定によって得られた導通率を充分に平均化することができず、ノイズなどの影響を受けて誤差が大きく、信頼性の低い発電機状態信号を出力されることに変わりはなく、エンジン制御に悪影響が出る。
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、発電機状態信号の信頼性を向上させることができる車両用電圧制御装置を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の車両用電圧制御装置は、車両用発電機の界磁巻線に直列に接続されたスイッチング手段を断続することにより、車両用発電機の出力電圧あるいは車両用発電機に接続されたバッテリの端子電圧を制御する電圧制御手段と、スイッチング手段の断続周期と同じ周期毎に車両用発電機の状態を測定して発電機状態信号を生成する発電機状態信号生成手段と、発電機状態信号生成手段によって生成された発電機状態信号をなまし平均化する信号平均化手段と、信号平均化手段によってなまし平均化された発電機状態信号を外部制御装置に向けて出力する通信手段とを備え、信号平均化手段は、発電機状態信号生成手段によって生成された最新の発電機状態信号と、１周期前に得られたなまし平均値とを用いて、最新の発電状態信号に対応するなまし平均化を行っている。具体的には、上述した発電機状態信号生成手段は、スイッチング手段の導通率、界磁巻線に流れる電流値の少なくとも一つを発電機状態信号として生成することが望ましい。あるいは、上述した発電機状態信号生成手段は、車両用発電機の回転数、車両用発電機の温度、車両用発電機の出力電圧の少なくとも一つを発電機状態信号として生成することが望ましい。発電機制御信号をなまし平均化した結果を外部制御装置に発電機制御信号として送信するため、車両用発電機の状態が変化したときにその変化の様子をその都度反映させることができ、発電機制御信号の信頼性を向上させることができる。
また、上述したスイッチング手段は、所定周期で断続制御されることが望ましい。これにより、スイッチング手段の導通率や界磁巻線に流れる電流値を内容とする発電機状態信号の測定精度を上げることができる。
また、上述した発電機状態信号生成手段は、スイッチング手段の断続周期で、実際の断続制御の有無にかかわらず、導通率あるいは電流値を測定して発電機状態信号を生成することが望ましい。スイッチング手段の断続周期に合わせて導電率や電流値を測定することにより、さらにこれらの測定精度を上げることができる。
また、上述した信号平均化手段は、なまし平均化する回数を、車両用発電機の状態に応じて変更することが望ましい。これにより、車両用発電機の状態によって必要となる応答特性が異なる場合（例えば、発電機回転数が高いときと低いとき、あるいは、発電機温度の高いときと低いときなど）に、なまし平均化回数を変更して適切な感度の発電機状態信号を出力することが可能となる。
また、上述した信号平均化手段は、なまし平均化する回数を、外部制御装置から送られてくる通信信号に応じて変更することが望ましい。これにより、車両状態によって必要となる応答特性が異なる場合（例えば、エンジン回転数が高いときと低いとき、あるいは、冷却水温度の高いときと低いときなど）に、外部制御装置の指示によってなまし平均化回数を変更することで、適切な感度の発電機状態信号を出力することが可能となる。
また、上述した信号平均化手段は、なまし平均化する回数を、界磁巻線の時定数に応じた回数に設定することが望ましい。スイッチング手段の導通率や界磁巻線に流れる電流値を内容とする発電機状態信号のなまし平均化する回数を界磁巻線の時定数に応じた回数にすることで、実際の値に近い高い測定精度の発電機状態信号を出力することが可能になる。
また、上述した信号平均化手段は、発電機状態信号生成手段によって生成された発電機状態信号が、所定時間あるいは所定回数連続して同一の値が継続された場合に、なまし平均化した発電機状態信号に代えて、この同一の値が継続した発電機状態信号を出力することが望ましい。これにより、スイッチング手段の導通率をなまし平均化する場合に、０％または１００％の状態が所定時間あるいは所定回数連続したときに、なまし平均化の結果を０％または１００％に変更することで、実際の値に近い高い測定精度の発電機状態信号を出力す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電圧制御装置について、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電圧制御装置が内蔵された車両用発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用発電機とバッテリや外部制御装置等との接続状態が示されている。図１に示すように、本実施形態の車両用発電機２は、整流器２０、界磁巻線２１、電機子巻線２２、車両用電圧制御装置１を含んで構成されている。この車両用発電機２は、エンジンによりベルトおよびプーリを介して駆動されている。
界磁巻線２１は、通電されて磁界を発生する。この界磁巻線２１は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。電機子巻線２２は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。この電機子巻線２２は、界磁巻線２１の発生する磁界の変化によって起電力を発生する。電機子巻線２２に誘起される交流出力が整流器２０に供給される。整流器２０は、電機子巻線２２の交流出力を全波整流する。整流器２０の出力が、車両用発電機２の出力として外部に取り出され、バッテリ３や電気負荷スイッチ４を介して電気負荷５に供給される。車両用発電機２の出力は、回転子の回転数や界磁巻線２１に流れる界磁電流の通電量に応じて変化し、その界磁電流は車両用電圧制御装置１によって制御される。
車両用発電機２には外部制御装置としての車両側制御装置６が接続されている。この車両側制御装置６は、車両用電圧制御装置１から送られてくる発電機状態信号（詳細については後述する）やその他の情報に基づいてエンジン回転等を制御する。
次に、車両用電圧制御装置１の詳細について説明する。車両用電圧制御装置１は、電圧制御回路１１、回転数検出回路１２、温度検出回路１３、駆動Ｄｕｔｙ検出回路１４、界磁電流検出回路１５、出力電圧検出回路１６、なまし平均化回路１７、通信制御回路１８、スイッチングトランジスタ１１４、還流ダイオード１１５、シャント抵抗１１６を含んで構成されている。
電圧制御回路１１は、抵抗１１１、１１２、電圧比較器１１３を含んで構成されている。電圧比較器１１３は、プラス入力端子には基準電圧Ｖref が、マイナス入力端子には車両用発電機２の出力電圧（Ｂ端子電圧、あるいはバッテリ３の端子電圧でもよい）を抵抗１１１、１１２による分圧回路で分圧した検出電圧がそれぞれ入力される。なお、Ｂ端子電圧を分圧する代わりに、バッテリ３の端子電圧を取り込んでこれを分圧して電圧比較器１１３のマイナス入力端子に印加するようにしてもよい。また、基準電圧Ｖref は一定の電圧（例えば、調整電圧に相当する値）でもよいが、本実施形態では、スイッチングトランジスタ１１４を所定周期で断続制御するために、鋸波あるいは三角波となるように周期的に電圧値が変化する基準電圧Ｖref が用いられる（スイッチングトランジスタ１１４を所定周期で断続制御する手法はこの方法に限定されず、他の手法を用いるようにしてもよい）。電圧比較器１１３の出力端子はスイッチングトランジスタ１１４に接続されている。スイッチングトランジスタ１１４は、ベースが電圧比較器１１３の出力端子に接続され、コレクタが還流ダイオード１１５を介して車両用発電機２の出力端子（Ｂ端子）に接続され、エミッタがシャント抵抗１１６および接地端子（Ｅ端子）を介して接地されている。また、スイッチングトランジスタ１１４のコレクタは界磁巻線２１に接続されており、スイッチングトランジスタ１１４がオンされると界磁巻線２１に界磁電流が流れ、オフされるとこの通電が停止される。還流ダイオード１１５は、界磁巻線２１と並列に接続されており、スイッチングトランジスタ１１４がオフされたときに、界磁巻線２１に流れる界磁電流を還流させる。
回転数検出回路１２は、Ｐ端子を介して入力される電機子巻線２２の相電圧に基づいて、車両用発電機２の回転数を検出する。温度検出回路１３は、所定の温度センサ（図示せず）を用いて車両用発電機２の温度を検出する。駆動Ｄｕｔｙ検出回路１４は、スイッチングトランジスタ１１４の駆動デューティを導通率として検出する。界磁電流検出回路１５は、シャント抵抗１１６の電圧降下の値に基づいて界磁巻線２１に流れる界磁電流を検出する。出力電圧検出回路１６は、車両用発電機２のＢ端子に現れる出力電圧を検出する。それぞれの検出回路で検出（測定）された検出値が、なまし平均化される前の発電機状態信号としてなまし平均化回路１７に入力される。
なまし平均化回路１７は、回転数検出回路１２、温度検出回路１３、駆動Ｄｕｔｙ検出回路１４、界磁電流検出回路１５、出力電圧検出回路１６のそれぞれから入力される発電機状態信号に対してなまし平均化処理を行う。平均化された後の発電機状態信号は通信制御回路１８に入力され、車両側制御装置６との間で決められたプロトコルで車両側制御装置６に向けて送信される。
上述したスイッチングトランジスタ１１４がスイッチング手段に、電圧制御回路１１が電圧制御手段に、回転数検出回路１２、温度検出回路１３、駆動Ｄｕｔｙ検出回路１４、界磁電流検出回路１５、出力電圧検出回路１６が発電機状態信号生成手段に、なまし平均化回路１７が信号平均化手段に、通信制御回路１８が通信手段にそれぞれ対応する。
本実施形態の車両用電圧制御装置１はこのような構成を有しており、次に、発電機状態信号の検出から送信までの動作を説明する。図２は、発電機状態信号の送信に関する車両用電圧制御装置１の動作手順を示す流れ図である。
回転数検出回路１２、温度検出回路１３、駆動Ｄｕｔｙ検出回路１４、界磁電流検出回路１５、出力電圧検出回路１６は、最新の発電機状態信号Ｖを測定する（ステップ１００）。次に、なまし平均化回路１７は、この最新の発電機状態信号Ｖを用いてなまし平均化して最新のなまし平均値ＡＶを計算する（ステップ１０１）。最新のなまし平均値ＡＶは、なまし平均化された後の発電機状態信号として通信制御回路１８によって車両側制御装置６に向けて送信される（ステップ１０２）。ステップ１０１で計算された最新のなまし平均値ＡＶは、次回のなまし平均化処理に用いるため、なまし平均化回路１７内に記憶される（ステップ１０３）。これらの一連の処理が所定周期、望ましくはスイッチングトランジスタ１１４の断続周期と同じ周期で繰り返される。
次に、ステップ１０１において行われるなまし平均化処理の詳細について説明する。ステップ１００における測定動作によって得られた最新の発電機状態信号をＶn+1 、ステップ１０１において計算される最新のなまし平均値をＡＶn+1 、ステップ１０３において記録された１周期前のなまし平均値をＡＶn 、なまし平均化回数をＮとすると、最新のなまし平均値をＡＶn+1 は以下の式で計算することができる。
ＡＶn+1 ＝（Ｖn+1 ＋（Ｎ−１）×ＡＶn ）／Ｎ
ステップ１０１における最新のなまし平均値ＡＶn+1 の計算はこの式を用いて行われる。また、ステップ１０３におけるなまし平均値の記憶は、最新のなまし平均値ＡＶn+1 を１周期前のなまし平均値ＡＶn に上書きする形で行われる。
なお、上述したなまし平均化は、連続して測定された所定個数の発電機状態信号の移動平均と等価であり、移動平均の対象になった所定個数が上述したなまし平均化回数Ｎと等価となる。すなわち、図２に示す一連の動作手順では、最新のＮ個の発電機状態信号の測定値の平均が計算され、ステップ１０３からステップ１００に戻った次の一連の動作手順では、前回のＮ個の発電機状態信号の中で最も古い発電機状態信号が削除され、代わりに最新の測定によって得られた発電機状態信号が追加され、これらのその時点で最新のＮ個の発電機状態信号の測定値の平均が計算される。この動作が繰り返して最新のなまし平均値を求めるようにしてもよい。
図３は、なまし平均化によって得られた発電機状態信号の説明図である。図３において、「駆動デューティ測定値」は駆動Ｄｕｔｙ検出回路１４によって測定された発電機状態信号としての駆動デューティ（導通率）を、「なまし平均値」はなまし平均化回路１７によって計算されるなまし平均値を、横軸は経過時間ｔをそれぞれ示している。また、図４は従来手法によって平均化した発電機状態信号の説明図である。
図３に示すように、本実施形態では、新たな発電機状態信号が測定される毎に、その時点で最新のなまし平均値が計算される。これに対し、図４に示すように、従来手法では、所定時間（図４に示す例ではスイッチングトランジスタの断続の４周期分の時間）毎に平均値（発電機状態信号）が計算されるため、発電機状態信号が一度出力されると、次の４周期の間は車両用発電機の状態が変化しても直ちに発電機状態信号の内容に反映されることはない。
このように、本実施形態の車両用電圧制御装置１では、発電機制御信号をなまし平均化した結果を車両側制御装置６に発電機制御信号として送信するため、車両用発電機２の状態が変化したときにその変化の様子をその都度反映させることができ、発電機制御信号の信頼性を向上させることができる。
また、スイッチングトランジスタ１１４を所定周期で断続制御することにより、スイッチングトランジスタ１１４の導通率や界磁巻線２１に流れる電流値を内容とする発電機状態信号の測定精度を上げることができる。
また、スイッチングトランジスタ１１４の断続周期と同じ周期で、実際の断続制御の有無にかかわらず、導通率あるいは電流値を測定して（図３に示すＶn+10以降の測定動作）発電機状態信号を生成しており、スイッチングトランジスタ１１４の断続周期に合わせて導電率や電流値を測定することにより、さらにこれらの測定精度を上げることができる。
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。例えば、なまし平均化回路１７は、なまし平均化回数Ｎを、車両用発電機２の状態に応じて変更するようにしてもよい。これにより、車両用発電機２の状態によって必要となる応答特性が異なる場合（例えば、発電機回転数が高いときと低いとき、あるいは、発電機温度の高いときと低いときなど）に、なまし平均化回数を変更して適切な感度の発電機状態信号を出力することが可能となる。
また、なまし平均化回路１７は、なまし平均化回数Ｎを、車両側制御装置６から送られてくる通信信号に応じて変更するようにしてもよい。例えば、この通信信号は、通信制御回路１８あるいは別の回路で受信され、なまし平均化回路１７に入力される。これにより、車両状態によって必要となる応答特性が異なる場合（例えば、エンジン回転数が高いときと低いとき、あるいは、冷却水温度の高いときと低いときなど。エンジン回転数や冷却水温度の情報が車両側制御装置６から送られてくる通信信号に含まれているものとする）に、車両側制御装置６の指示によってなまし平均化回数を変更することで、適切な感度の発電機状態信号を出力することが可能となる。
また、なまし平均化回路１７は、なまし平均化回数Ｎを、界磁巻線２１の時定数に応じた回数に設定するようにしてもよい。スイッチングトランジスタ１１４の導通率や界磁巻線２１に流れる電流値を内容とする発電機状態信号のなまし平均化回数を界磁巻線２１の時定数に応じた回数にすることで、実際の値に近い高い測定精度の発電機状態信号を出力することが可能になる。
また、なまし平均化回路１７は、入力される発電機状態信号が、所定時間あるいは所定回数連続して同一の値が継続された場合に、なまし平均化した発電機状態信号に代えて、この同一の値が継続した発電機状態信号を出力するようにしてもよい。これにより、スイッチングトランジスタ１１４の導通率をなまし平均化する場合に、０％または１００％の状態が所定時間あるいは所定回数連続したときに、なまし平均化の結果を０％または１００％に変更することで、実際の値に近い高い測定精度の発電機状態信号を出力することが可能になる。
一実施形態の車両用電圧制御装置が内蔵された車両用発電機の構成を示す図である。 発電機状態信号の送信に関する車両用電圧制御装置の動作手順を示す流れ図である。 なまし平均化によって得られた発電機状態信号の説明図である。 従来手法によって平均化した発電機状態信号の説明図である。
符号の説明
１ 車両用電圧制御装置
２ 車両用発電機
３ バッテリ
４ 電気負荷スイッチ
５ 電気負荷
６ 車両側制御装置
１１ 電圧制御回路
１２ 回転数検出回路
１３ 温度検出回路
１４ 駆動Ｄｕｔｙ検出回路
１５ 界磁電流検出回路
１６ 出力電圧検出回路
１７ なまし平均化回路
１８ 通信制御回路
２０ 整流器
２１ 界磁巻線
２２ 電機子巻線
１１１、１１２ 抵抗
１１３ 電圧比較器
１１４ スイッチングトランジスタ
１１５ 環流ダイオード
１１６ シャント抵抗

Claims (8)

  1. 車両用発電機の界磁巻線に直列に接続されたスイッチング手段を断続することにより、前記車両用発電機の出力電圧あるいは前記車両用発電機に接続されたバッテリの端子電圧を制御する電圧制御手段と、
    前記スイッチング手段の断続周期と同じ周期毎に前記車両用発電機の状態を測定して発電機状態信号を生成する発電機状態信号生成手段と、
    前記発電機状態信号生成手段によって生成された前記発電機状態信号を前記なまし平均化する信号平均化手段と、
    前記信号平均化手段によってなまし平均化された前記発電機状態信号を外部制御装置に向けて出力する通信手段と、
    を備え、前記信号平均化手段は、発電機状態信号生成手段によって生成された最新の発電機状態信号と、１周期前に得られたなまし平均値とを用いて、最新の発電状態信号に対応するなまし平均化を行い前記通信手段に出力するものであり、
    前記信号平均化手段は、前記発電機状態信号生成手段によって生成された前記発電機状態信号が、所定時間あるいは所定回数連続して同一の値が継続された場合に、なまし平均化した発電機状態信号に代えて、この同一の値が継続した発電機状態信号をなまし平均化した発電機状態信号として前記通信手段に出力することを特徴とする車両用電圧制御装置。
  2. 請求項１において、
    前記発電機状態信号生成手段は、前記スイッチング手段の導通率、前記界磁巻線に流れる電流値の少なくとも一つを前記発電機状態信号として生成することを特徴とする車両用電圧制御装置。
  3. 請求項１において、
    前記発電機状態信号生成手段は、前記車両用発電機の回転数、前記車両用発電機の温度、前記車両用発電機の出力電圧の少なくとも一つを前記発電機状態信号として生成することを特徴とする車両用電圧制御装置。
  4. 請求項２において、
    前記スイッチング手段は、所定周期で断続制御されることを特徴とする車両用電圧制御装置。
  5. 請求項４において、
    前記発電機状態信号生成手段は、前記スイッチング手段の断続周期で、実際の断続制御の有無にかかわらず、前記導通率あるいは前記電流値を測定して前記発電機状態信号を生成することを特徴とする車両用電圧制御装置。
  6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
    前記信号平均化手段は、なまし平均化する回数を、前記車両用発電機の状態に応じて変更することを特徴とする車両用電圧制御装置。
  7. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
    前記信号平均化手段は、なまし平均化する回数を、前記外部制御装置から送られてくる通信信号に応じて変更することを特徴とする車両用電圧制御装置。
  8. 請求項１、２、４、５において、
    前記信号平均化手段は、なまし平均化する回数を、前記界磁巻線の時定数に応じた回数に設定することを特徴とする車両用電圧制御装置。
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