JP4628426B2

JP4628426B2 - 車両用交流発電機の制御装置

Info

Publication number: JP4628426B2
Application number: JP2007535354A
Authority: JP
Inventors: 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: EP1926205A1; US7498776B2; US20080284386A1; EP1926205B1; JPWO2007032074A1; EP1926205A4; WO2007032074A1

Description

この発明は、車両用交流発電機の制御装置に関するものである。

従来の車両用交流発電機の電圧制御装置は、発電機の出力電圧を検出し、この検出した出力電圧が基準値を超えると界磁電流の供給を停止して、界磁磁束を弱め、反対に検出した出力電圧が基準値を下回ると、界磁磁束を増強することにより、出力電圧をほぼ一定に制している。
ところが、界磁電流の供給を停止しても、界磁コイルにはインダクタンス成分が存在し、界磁電流の遮断時にこのインダクタンス成分によって過大な高電圧が発生するため、電圧制御装置が破損するおそれがある。
特に、最近の小型高出力化された車両用交流発電機においては、界磁コイルの抵抗が小さくインダクタンスが大きくなる傾向にあるため、過電圧継続時間がその分だけ長くなる。
このため、例えば特許文献１に示されるように、界磁電流を速やかに低減させるために、抵抗やダイオードを用いて界磁電流によるエネルギを消費する回路に切り替えることが提案されている。

特開２００３−１７４７９９号公報

しかるに、このような従来の装置においては、界磁電流を減衰させる抵抗や、ダイオードの電圧降下を利用しているので、速やかに電流を低下させるには、損失が大きく、電圧が大きく跳ね上がる(あるいは低下する)ため、制御用のトランジスタとして耐電圧が高いものが必要となる上、抵抗やダイオードでの発熱が大きく、効率が悪く、温度上昇を招き、冷却が必要となるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、高い耐電圧を有するトランジスタやダイオードを使用することなく、信頼性の高い交流発電機の制御装置を提供することを目的とするものである。

この発明による車両用交流発電機の制御装置は、ステータコイルと、界磁コイルと、上記ステータコイルに接続された整流回路と、この整流回路の出力電圧に応じて上記界磁コイルに流れる界磁電流の遮断、通電を行い、上記整流回路の出力電圧をほぼ一定に制御する電圧制御回路を備えた車両用交流発電機の制御装置において、上記電圧制御回路は、一端が上記界磁コイルの一端に接続され、他端が上記整流回路の負出力端に接続された第１の能動的スイッチと、一端が上記整流回路の正出力端に接続され、他端が上記界磁コイルの他端に接続された第２の能動的スイッチと、上記整流回路の負出力端と、上記第２の能動的スイッチと上記界磁コイルとの接続点の間に接続された第１の受動的スイッチと、上記整流回路の正出力端と、上記第1の能動的スイッチと上記界磁コイルとの接続点の間に接続された第２の受動的スイッチとを有し、上記第1または第２の能動的スイッチのいずれか一方を常時オンしておき、上記整流回路の出力電圧に応じて他方の能動的スイッチをオン、オフするようにし、上記他方の能動的スイッチは、上記整流回路の出力電圧が第1の所定電圧を超えたときに上記界磁電流を遮断し、上記整流回路の出力電圧が上記第1の所定電圧を下回ったときに上記界磁電流を通電して上記整流回路の出力電圧をほぼ一定に制御すると共に、上記整流回路の出力電圧が上記第1の所定電圧よりも高い第２の所定電圧を超えたときにもう一方の能動的スイッチをオフするようにしたものである。

この発明によれば、高価な高い耐電圧を有するトランジスタやダイオードを使用することなく、一部の制御用トランジスタが短絡故障等を起こしても、発電電圧の制御を継続できると共に、スイッチング時の発熱が発生せず、効率がよく、信頼性の高い交流発電機の制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
図1は、この発明の実施の形態1の車両用交流発電機の制御装置を示す回路構成図である。図1に示すように、車両用交流発電機１０は、ステータコイル１１、整流回路１２、界磁コイル１３及び電圧制御回路２０を備えている。
ステータコイル１１は、三相巻線であって、ステータコアに巻装されて電機子を構成している。ステータコイル１１に誘起される交流出力が整流回路１２に供給される。
整流回路１２は、ステータコイル１１の交流出力を直流出力に整流する全波整流回路であり、ステータコイル１１の各相に対応する整流素子としてダイオードが用いられている。
界磁コイル１３は、ステータコイル１１の電圧を誘起させるために必要な鎖交磁束を発生する。この界磁コイル１３は、界磁極に巻装されて回転子を構成すると共に、その両端をブラシ１４，１４及びスリップリング１５，１５を介して電圧制御回路２０に接続されている。

電圧制御回路２０は、界磁コイル１３に通電する界磁電流を調整することにより、車両用交流発電機１の出力電圧を所定範囲内に調整する。このために、ＭＯＳＦＥＴなどの第１及び第２のトランジスタ２１，２２、第１及び第２のダイオード２３，２４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５、電圧比較器２６，２７を含んで構成されている。
第1のトランジスタ２1は、界磁コイル１３の一端とバッテリ−３０の負極端との間に接続されており、界磁電流を断続する。第２のトランジスタ２２は、界磁コイル１３の他端とバッテリ３０の正極端との間に接続されており、界磁電流を断続する。
第１のダイオード２３は、第２のトランジスタ２２に直列接続され、アノードがバッテリ３０の負極端に接続されている。第２のダイオード２４は、第１のトランジスタ２１に直列接続され、カソードがバッテリ３０の正極端に接続されている。すなわち、第１及び第２のトランジスタ２１，２２、第１及び第２のダイオード２３，２４は、界磁コイル１３と共にブリッジ回路を形成している。
ローパスフィルタ２５は、例えば抵抗とキャパシタによって構成されており、車両用発電機の出力電圧Vgを平滑して、第１及び第２の電圧比較器２６，２７に供給する。

第１の電圧比較器２６は、マイナス端子にローパスフィルタ２５から出力される平滑後の電圧Vsが、プラス端子に第１の基準電圧Vref1がそれぞれ印加されており、電圧Vsが第１の基準電圧Vref1より低くなると比較出力Vcon1がハイレベルに、反対に電圧Ｖ_Sが第１の基準電圧Vref1以上になると比較出力Vcon1がローレベルになる。
一方、第２の電圧比較器２７は、マイナス端子にローパスフィルタ２５から出力される平滑後の電圧Vsが、プラス端子に第２の基準電圧Vref2がそれぞれ印加されており、電圧Vsが第２の基準電圧Vref2より低くなると比較出力Vcon2がハイレベルに、反対に電圧Vsが第２の基準電圧Vref2以上になると比較出力Vcon2がローレベルになる。

これらの電圧比較器２６，２７の比較出力Vcon1，Vcon2は、それぞれ第１及び第２のトランジスタ２１，２２のゲートに供給され、第１の電圧比較器２６の出力Vcon1がハイレベルのときに第１のトランジスタ２１がオンされ、電圧比較器２７の比較出力Vcon2がハイレベルのときに第２のトランジスタ２２がオンされる。
この構成において、第１もしくは第２のトランジスタのいずれかを常時オンさせ、他方のトランジスタをオン、オフして界磁コイル１３に流れる界磁電流を調整するように制御する。

以下、この実施の形態１について第１のトランジスタ２１をオン、オフし、第２のトランジスタ２２を常時オンする場合の動作を説明する。
図示しないキースイッチが投入されると、電圧制御回路２０に電源が入り、交流発電機１０の発電電圧（整流回路の直流出力電圧）Vgはゼロ（バッテリ電圧が検出される）で、いずれも基準電圧Vref1,Vref2よりも低いため、第１，第２の電圧比較器２６，２７は、ハイレベルを出力し、第１，第２のトランジスタ２１，２２はいずれもオンする。
なお、ここでは、回転速度を検出して、回転速度がエンジンのアイドル回転速度以下の場合に、界磁電流をわずかしか流さない、いわゆる初期励磁状態や、その後、回転速度が上昇して通常の励磁状態にするなど、通常の電圧制御回路の付加的な機能については詳細には述べない。

エンジンが始動し、交流発電機１０がエンジンにより駆動されている通常の発電状態では高周波成分を除去するローパスフィルタ２５を通して、発電電圧Vgを基準電圧Vref1と比較して、発電電圧Vgが基準電圧Vref1を超えていたならば、第１のトランジスタ２１をオフして界磁電流Ifを遮断し、基準電圧Vref1を下回っていたならば第１のトランジスタ２１をオンして界磁電流Ifを流す。
このとき、第１のトランジスタ２１をオフすると、界磁コイル１３に蓄えられた磁気エネルギにより、界磁電流Ifは直ちにゼロにはならないので、第２のダイオード２４を通る閉回路が形成され、電流は閉回路を循環するうちに回路内の抵抗により減衰する。
しかし大出力発電をしているときに、接続されている負荷４０が急に遮断されると、図２に示すように比較出力Vcon1がローレベルになり、第１のトランジスタ２１はオフし、界磁電流Ifは遮断されるが、上述したように閉回路で短絡された界磁電流Ifが減衰するのに時間がかかり、発電電圧Vgはしばらく所定電圧よりも高い電圧を発生することになる。

そこで、この実施の形態１では、発電電圧Vgを上記第１の基準電圧Vref1より高い第２の基準電圧Vref2と比較し、発電電圧Vgがこの第２の基準電圧Vref2を超えた場合、常時オンしている側の第２のトランジスタ２２をオフする。
このとき発電電圧Vgが第１の基準電圧Vref1を超えているので、通常オン、オフする第１のトランジスタ２１はすでにオフしており、さらに第２の基準電圧Vref2も超えているため、図３に示すように比較出力Vcon2がローレベルになり、通常オンしている第２のトランジスタ２２もオフする。
これにより、グランドから、第１のダイオード２３、ブラシ１５、スリップリング１４、界磁コイル１３、スリップリング１４、ブラシ１５、第２のダイオード２４、バッテリ３０へと電流が流れる閉回路が形成され、その結果、界磁コイル１３には電流が流れるのと反対方向に電圧が印加されて、界磁電流Ifが早く減衰する。よって、発電電圧Vgは速やかに低下する。（図３）

発電電圧Vgが第２の基準電圧Vref2を下回れば、通常オンしている側の第２のトランジスタ２２は再びオン状態になるので、界磁電流Ifの減衰の仕方が緩やかになり、必要以上に発電電圧Vgを下げることがない。
さらに界磁電流Ifが低下して、第１の基準電圧Vref1以下になると通常オン、オフする第１のトランジスタ２１がオンして、再び界磁電流Ifを流し始める。
界磁電流Ifがゼロになると、界磁電源電圧は第１のダイオード２３、第２のダイオード２４によりクランプされるので、界磁コイル１３に逆方向に電流が流れることは無い。

以上のようにこの実施の形態１においては、一方の第２のトランジスタ２２を常時オンしているので、通常の使用時においては、界磁電流Ifは急変せずに所定の発電電圧を発生するように制御されている。従って、第１のトランジスタ２１と第２のトランジスタ２２を常時同時にオン、オフするような構成の場合に生じる界磁電流Ifの大きな変動による損失を低減することができる。
すなわち、界磁コイル１３に発生する損失は、平均電流による損失＋電流変動による損失となり、第１のトランジスタ２１と第２のトランジスタ２２を常時同時にオン、オフするような構成の場合、電流変動が大きい分、損失が大きいが、この実施の形態１では通常は、片方のトランジスタのみオン、オフするため、常時同時にオン、オフする構成に比べて電流の変動による損失が低減できる。

また、実施の形態１においては、界磁電流Ifを制御するトランジスタが直列に２個接続されている構成であるため、万一、一方のトランジスタが短絡故障を起こしたとしても、他方のトランジスタがオン、オフして発電電圧Vgを制御するようにできるため、信頼性の高い交流発電機を得ることができる。

しかも、上記の構成では、界磁コイル端の電圧は、電源電圧（バッテリ電圧）＋ダイオード順方向電圧以上や、グランド電圧−ダイオード順方向電圧以下にはならないので、電流を断続するトランジスタや、ダイオードの耐電圧は、電源電圧＋２×ダイオード順方向電圧だけあればよく、高価な高い耐電圧を有するトランジスタやダイオードが不要になる。
また、常時オンしている第２のトランジスタ２２は、常時オンしているため、スイッチング時の発熱が発生せず、効率がよい。また、第２のダイオード２４には通常電流が流れないので、損失は発生せず、効率がよい。このため、第２のトランジスタ２２や、第２のダイオード２４は、第１のトランジスタ２１や第１のダイオード２３と同じ基板上に実装してもよい。また、使用しないときは、両方のトランジスタ２１，２２をオフにしておけば、界磁コイル１３に電圧がかからず、被水などの環境で放置されても、電蝕などにより導電露出部が侵されることがない。

なお、上記実施の形態１では、ブラシやスリップリングを有する交流発電機に適用した場合を示したが、ブラシレス発電機に適用しても同様の効果が得られる。
また、ステータコイル１１は３相Ｙ結線の例を示したが、デルタ結線や、千鳥結線、それらの組み合わせでもよい。
更に、上記実施の形態１では３相１回路の例を示したが、位相がずれた３相２回路などに構成してもよい。
また、電圧比較器２６，２７には、動作を安定させるために正帰還回路（ヒステリシス回路）や、負帰還回路(発振防止用)などを設けておくことが望ましい。

この発明の実施の形態１を示す回路構成図である。実施の形態１の動作を説明するための信号波形図である。実施の形態１の動作を説明するための信号波形図である。

１０交流発電機
１１ステータコイル
１２整流回路
１３界磁コイル
１４ブラシ
１５スリップリング
２０電圧制御回路
２１第１のトランジスタ
２２第２のトランジスタ
２３第１のダイオード
２４第２のダイオード
２５ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２６第１の電圧比較器
２７第２の電圧比較器
３０バッテリ
４０負荷

Claims

ステータコイルと、界磁コイルと、上記ステータコイルに接続された整流回路と、この整流回路の出力電圧に応じて上記界磁コイルに流れる界磁電流の遮断、通電を行い、上記整流回路の出力電圧をほぼ一定に制御する電圧制御回路を備えた車両用交流発電機の制御装置において、
上記電圧制御回路は、
一端が上記界磁コイルの一端に接続され、他端が上記整流回路の負出力端に接続された第１の能動的スイッチと、
一端が上記整流回路の正出力端に接続され、他端が上記界磁コイルの他端に接続された第２の能動的スイッチと、
上記整流回路の負出力端と、上記第２の能動的スイッチと上記界磁コイルとの接続点の間に接続された第１の受動的スイッチと、
上記整流回路の正出力端と、上記第1の能動的スイッチと上記界磁コイルとの接続点の間に接続された第２の受動的スイッチとを有し、
上記第1または第２の能動的スイッチのいずれか一方を常時オンしておき、上記整流回路の出力電圧に応じて他方の能動的スイッチをオン、オフするようにし、
上記他方の能動的スイッチは、上記整流回路の出力電圧が第1の所定電圧を超えたときに上記界磁電流を遮断し、上記整流回路の出力電圧が上記第1の所定電圧を下回ったときに上記界磁電流を通電して上記整流回路の出力電圧をほぼ一定に制御すると共に、
上記整流回路の出力電圧が上記第1の所定電圧よりも高い第２の所定電圧を超えたときにもう一方の能動的スイッチをオフするようにしたことを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
上記第1及び第２の能動的スイッチは、ブラシ、スリップリングを介して上記界磁コイルに接続されていることを特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置。
上記第1及び第２の能動的スイッチはトランジスタであり、上記第1及び第２の受動的スイッチはダイオードであることを特徴とする請求項１または２記載の車両用交流発電機の制御装置。