JP4946694B2 - 永久磁石式発電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用のスタータジェネレータに用いて好適の、永久磁石式発電機の制御装置に関するものである。

近年、自動車において、例えば、電動パワーステアリングやナビゲーションシステムやオーディオ類やＩＴ機器等の電力を使用して作動する各装置が多く搭載されるようになってきており、これらの機器類の普及に伴い自動車の電力消費も増大している。このため、従来型の自動車用発電機ではこの増大する電力消費に応じた電力を発電することは困難になってきており、より大きな発電電力を発生しうる自動車用発電機の開発が要望されている。

発電機としては、従来より永久磁石をロータに用いた永久磁石式発電機が広く知られている。この永久磁石式発電機はロータに永久磁石を用いるので、構造が簡単で大きな発電電力を得ることができる。このため、これを自動車用発電機に適用して発電電力の不足を解消することが考えられる。しかし、永久磁石式発電機は、エンジン等の駆動源の回転が変動すると、発電機のロータの回転数が変化し発電機の発電電圧が変化してしまうため、その発電電力をそのまま機器に用いることは不可能である。

自動車用発電機では、その電圧が１２Ｖ又は２４Ｖに定められているが、自動車用エンジンでは、回転数が数百回転（ｒｐｍ）から数千回転（ｒｐｍ）まで大幅に変化するため、数百回転（ｒｐｍ）で１２Ｖにセットされた発電電圧では、数千回転（ｒｐｍ）では例えば１００Ｖを超えてしまい、１２Ｖ対応の電気機器には使用できない。このため、永久磁石式発電機を自動車用発電機に適用するためには、エンジン回転数が常に変動するにもかかわらず、発電電圧が略一定となるようにする必要がある。

そこで、特許文献１には、発電効率が高く且つ小型で装置コストを抑えることができるようにした、永久磁石式発電機が提案されている。
この永久磁石式発電機は、ロータに永久磁石部材を配設し、その永久磁石のＮ極，Ｓ極をカバーするステータの櫛部にそれぞれ巻線を巻回し、Ｎ極とＳ極に対応する巻線の巻回方向を互いに逆に巻回し、ステータと回転変動するロータとの間にステータに対して回転移動する磁束制御籠を配置するとともに、ステータにＵ，Ｖ及びＷ相から成る複数のコイルを巻き上げ、これらのコイルを並列結線した２種のコイル群を常用コイルと低速コイルに構成し、常用コイルと低速コイルとをスイッチを介して直列に結線し、エンジンのアイドリング等の低速時、中速時及び高速時に応答してスイッチのＯＮ・ＯＦＦを制御して予め決められた所定の発電電圧を得るように制御し、また、磁束制御籠をステータに対して回転移動させて磁束制御籠とステータとの間の空隙量を制御し、予め決められた一定の発電電圧を得るように制御するものである。

ここで、上述のような永久磁石式発電機において、一定の発電電圧を得る手法について、図１１を用いて簡単に説明する。
永久磁石式発電機には、ステータの櫛部に巻回した巻数がＮ１のコイル（以下Ｎ１ターンという）と、ステータに対して回転移動可能でこの移動により櫛部へ流れる磁束を制御しうる磁束制御籠とが設けられている。

また、永久磁石式発電機では、籠位置を固定した場合にはロータ回転数に比例して発電電圧がリニアに上昇する特性を有している。したがって、発電電圧が規定電圧（１４Ｖ）に達するまでは（ロータの回転数が所定回転数ｒ０１に達するまでは）、磁束制御籠を櫛部へ流れる磁束が最大となる位置にして、コイルの界磁により発電を行う（図１１の矢印Ｆ１参照）。ここで、線ａは、磁束制御籠が磁束を遮らず、櫛部へ流れる磁束が最大となる磁束制御籠位置における発電特性である。

そして、発電電圧が規定電圧に達すると、このままの状態では発電量が過多となってしまうため、ロータの回転数の増加に応じて磁束制御籠を移動させながら櫛部へ流れる磁束を減少させていくことにより、ロータの回転数が変化しても発電電圧は規定電圧を保持するように制御する（図１１の矢印Ｆ２参照）。ここで、線ｂは、磁束制御籠により櫛部へ流れる磁束を最小とするような限界の磁束制御籠位置における発電特性であり、このような特性線ａ〜線ｂの間で磁束制御籠を回転させて籠位置を制御することにより、ロータ回転数ｒ０１〜ｒ０２の間で発電電圧を一定に保持することができる。

また、回転数ｒ０２以上の領域では、このＮ１ターンよりも巻数の少ないＮ２ターンのコイルに切り替えて、上述と同様の籠位置制御を行う（或いは、Ｎ１ターンとは逆向きに巻き上げられた弱め界磁用の巻線に通電し、弱め界磁を作用させてＮ１ターンの界磁を弱めて、籠位置制御を行う）ことにより一定電圧を発生させる。図１１の場合では、回転数ｒ０２又はｒ０２′以上ではＮ２ターンに切り替えて発電電圧が一定となるように磁束制御を実行し（線ｃ〜線ｄ、及び矢印Ｆ３参照）、エンジン回転数がさらに上昇して、このＮ２ターンで一定電圧制御ができなくなる回転数に達すると、その後Ｎ２ターンとは逆向きに巻き上げられた弱め界磁用の巻線に通電して、磁束制御を行う。

ところで、このようなコイル巻数の切り替えや磁束制御籠の位相制御は、主にエンジン回転数（ロータ回転数）をパラメータとしたマップを用いて求めている。また、このマップは、バッテリがある所定のバッテリＳＯＣ（残存容量）のときに目標電圧が得られるように予めキャリブレーションされている。したがって、実際の発電制御においては、現在のバッテリＳＯＣを検出し、バッテリＳＯＣの変動に応じた発電制御（例えばバッテリＳＯＣが低下している場合には発電電圧を大きく設定する等）が必要がある。

一方、このような発電機をエンジンとトランスミッションとの間に配設することで、いわゆるＩＳＡ（Integrated Starter and Alternator）システムを構築することができる。ここで、ＩＳＡシステムとは、停車時にはエンジンを停止させ、発進時には発電機をスタータとして用いるアイドリングストップスタート機能（アイドルストップ機能と略す）、車両の減速時に運動エネルギーを電気エネルギーに回生する減速エネルギー回生機能、及び発電機をモータとして駆動しエンジン駆動力をアシストするパワーアシスト機能の３つの機能を有するシステムであって、このようなＩＳＡシステムにより大幅な燃費改善効果を得ることができる。

このようなＩＳＡシステムにおいては、バッテリの残存容量（ＳＯＣ）が低下している状態でアイドルストップやパワーアシストを行うと、バッテリの劣化を早めてしまう等の悪影響を及ぼすため、ＩＳＡシステムでは現在のバッテリの残存容量（ＳＯＣ）を正しく検知することが重要となる。
そこで、従来よりバッテリＳＯＣを検知する手法として、バッテリからの充電時及び放電時の電流を積算し、電流の収支に基づいてバッテリＳＯＣを推定する手法（例えば特許文献２参照）や、バッテリ電圧を検出し、このバッテリ電圧からバッテリＳＯＣを推定する手法（例えば特許文献３参照）が広く知られている。
特開２００５−１８４９４８号公報 特開２００６−１４９０７０号公報 特開２００６−２５６６９０号公報

しかしながら、上述した従来のバッテリＳＯＣ推定手法（特許文献２及び３）では誤差が大きく精度が低いという課題がある。また、バッテリＳＯＣを検知する手段を新たに設けると、この分だけコスト増になってしまう。
また、上述したように、発電制御においてはコイル巻数及び制御籠位相をエンジン回転数をパラメータとするマップから求めるオープンループ制御を適用しているが、このマップ値はある所定のバッテリＳＯＣのときに目標電圧になるようにキャリブレーションした値であるため、バッテリＳＯＣが変動してしまうと発電電圧が目標電圧値からずれてしまい、発電制御の精度が低下してしまう。

また、このような発電機をＩＳＡシステムに適用した場合、バッテリＳＯＣが低下した状態でアイドルストップスタートを繰り返し実行するとバッテリの劣化を早めるという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、コスト増を招くことなく高い精度でバッテリのＳＯＣを検知又は推定できるようにした、永久磁石式発電機の制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の永久磁石式発電機の制御装置は、車両のエンジンに接続され該エンジンの駆動力により発電する永久磁石式の発電機と、該発電機の発電量を増減させる発電量調整手段と、該エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、該エンジン回転数検出手段により検出されたエンジン回転数に基づいて該発電量調整手段に対する基本制御量を設定する基本制御量設定手段と、該発電機の目標発電電圧を設定する目標発電電圧設定手段と、該発電機の実際の発電電圧と該発電機の目標発電電圧との差に基づき該発電量調整手段に対する補正量を求める補正量設定手段と、該基本制御量設定手段で設定された基本制御量及び該補正量設定手段で設定された補正量に基づいて該発電量調整手段の作動を制御する制御手段と、該補正量設定手段で設定された補正量に基づきバッテリの残存容量を推定するバッテリ残存容量推定手段とを有することを特徴としている（請求項１）。

また、該制御手段は、該バッテリ残存容量判定手段で判定されたバッテリの残存容量に基づいて該車両のアイドルストップ制御の可否を判定するのが好ましい（請求項２）。
また、該制御手段は、該バッテリ残存容量判定手段で判定されたバッテリの残存容量に基づいて該目標発電電圧を設定するのが好ましい（請求項３）。

また、該残存容量判定手段は、一定時間毎に該補正量を平均化した値に基づいて該バッテリの残存容量を推定するのが好ましい（請求項４）。
また、該車両の電気負荷を検出する電気負荷検出手段を有し、該基本制御量設定手段は、該エンジン回転数に加えて電気負荷検出手段で検出された電気負荷に基づいて該基本制御量を設定するのが好ましい（請求項５）
また、該発電機が、該エンジンの出力軸に接続されるとともに永久磁石を備えたロータと、該ロータの外周側でハウジングに固定されるとともに巻線を備えたステータと、該ステータと該ロータとの間に配置され該ステータに対して相対移動して該永久磁石から該ステータへ流れる磁束を制御する磁束制御籠とを有し、該制御手段は、該車両の電気負荷と該エンジン回転数とに基づいて籠位置を設定する籠位置設定手段を備えているのが好ましい（請求項６）。

また、該巻線としては、巻き数及び／又は巻き方向の異なる複数の巻線が用意され、該制御手段は、該電気負荷と該エンジン回転数とに基づいて該複数の巻線から最適な巻線を選択する巻線設定手段を備えているのが好ましい（請求項７）

本発明の永久磁石式発電機の制御装置によれば、エンジン回転数に基づいて発電量調整手段に対する基本制御量を設定するとともに、発電機の実際の発電電圧と目標発電電圧との差に基づき発電量調整手段に対する補正量を求め、上記基本制御量及び上記補正量に基づいて発電量調整手段の作動を制御することにより、高い精度で発電機の作動を制御することができる。また、上記補正量とバッテリの残存容量（ＳＯＣ）とは強い相関関係があるので、これを利用してバッテリＳＯＣを推定することにより、コスト増を招くことなく高い精度でバッテリのＳＯＣを推定することができる（請求項１）。

また、バッテリの残存容量に基づいて車両のアイドルストップ制御の可否を判定するので、バッテリの劣化を抑制することができる（請求項２）。
また、バッテリの残存容量に基づいて目標発電電圧を設定するので、バッテリの状態に適した精度の高い発電電圧を設定することができる（請求項３）。
また、一定時間毎に補正量を平均化するので、一時的なエンジン回転数の上昇による補正量の変動やノイズ等による補正量の変動を抑制することができる利点がある（請求項４）。

また、電気負荷とエンジン回転数とに基づいて基本制御量を設定することにより精度の高い発電制御を行うことができる。すなわち、電気負荷を考慮しない場合には、電気機器の負荷の変動に伴い目標電圧に対するオーバシュートやアンダシュートが生じて実際の発電電圧がハンチングするおそれがあったが、本発明によればエンジン回転数に加えて電気負荷に基づいて磁束制御籠の目標位相を設定するので、負荷変動が生じても発電電圧のハンチング抑制することができる（請求項５）。

また、籠位置設定手段を設けることにより、電気負荷とエンジン回転数とに基づいて籠位置を容易に且つ速やかに設定することができる（請求項６）。
また、巻線設定手段を設けることにより電気負荷とエンジン回転数とに基づいて最適な巻線を容易に且つ速やかに設定することができる（請求項７）。

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の制御装置について説明すると、本実施形態に係る永久磁石式発電機３は、図１に示すように、自動車用エンジン（以下、単にエンジンと記す）１と、このエンジン１に接続されたトランスミッション２との間に配置されたスタータジェネレータであって、エンジン１の始動用モータとしての機能と、エンジン１により駆動される発電機としての機能とを兼ね備えている。

また、この発電機３により、この車両にはいわゆるＩＳＡ（Integrated Starter and Alternator）の機能が設けられている。そして、ＩＳＡを備えることにより、例えば車速が略０でブレーキオン等のアイドルストップ条件を満たすと、エンジンを停止させ、その後ブレーキオフ、或いはアクセルオン等のエンジン再始動条件を満たすと、発電機３をスタータとして用いエンジンを再始動させるようになっている。

この永久磁石式発電機３は、図２（ａ），（ｂ），図３（ａ），（ｂ）に示すように、エンジン１のシリンダブロック及びトランスミッション（ここでは、自動変速機）２のケースと一体に結合されたハウジング３１と、このハウジング３１に図示しない軸受を介して回転可能に支持された回転子のロータ３３と、ロータ３３の外周側に離隔するように配置されハウジング３１に固定された回転子のステータ３５とを備え、ステータ３５とロータ３３との間には、ステータ３５に対して相対移動して永久磁石部材３２からステータ３５の櫛部３５ｂへ流れる磁束を制御する磁束制御籠３６が配設されている。

ロータ３３は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）１１に接続され出力軸１１と一体に回転するようになっており、ロータ３３の外周面には、永久磁石部材３２が周設されている。
ステータ３５は、ステータコア３５ａとこのステータコア３５ａに巻き上げられた巻線（コイル）３４とから構成されている。ステータコア３５ａは、周方向に離隔するように配置され形成された複数の櫛部３５ｂと、これらの櫛部３５ｂ間に形成されたスロット部３５ｃと、隣接する櫛部３５ｂを連結するため周方向に延びるブリッジ部３５ｄとを備え、巻線３４はスロット部３５ｂに配置されている。

磁束制御籠３６は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ステータ３５とロータ３３との間の隙間３３ａに配置され、図示しない軸受を介してハウジング３１に回転自在に支持され、ステータ３５に対して相対回転して磁束を制御する。この磁束制御籠３６は、周方向に離隔するように配置されステータ３５の櫛部３５ｂと相対するように突起した複数の歯部３６ａを備えている。

そして、図３（ａ）に示すように、複数の歯部３６ａが、ステータ３５の櫛部３５ｂと同位相になると、ステータ３５回りに生じる磁束を最大とし、図３（ｂ）に示すように、複数の歯部３６ａの位相が、ステータ３５の櫛部３５ｂの位相とずれると、そのズレ量に応じてステータ３５回りに生じる磁束は減少する。
この磁束制御籠３６をハウジング３１に対して回転させるために、磁束制御籠３６には、図２に示すように、アクチュエータとしてのＤＣモータ（磁束制御用ＤＣモータ）３７がウォームギア３８を介して接続され、図４に示すように、このＤＣモータ３７を制御手段としてのコントローラ（スタータジェネレータ制御ユニット）４０により制御するようになっている。なお、本実施形態においては、上記の磁束制御籠３６とＤＣモータ３７とウォームギア３８とにより、発電機３の発電量を増減させる発電量調整手段６が構成されている。

また、ステータコア３５ａに巻き上げられた巻線３４は、図４に示すように、第１の巻き数Ｎ１（Ｎ１は例えば２４）だけ巻き上げられた第１の主巻線（第１メインコイル、Ｎ１ターンともいう）３４ａと、この第１コイル３４ａの界磁を弱めるように第１メインコイル３４ａとは逆向きに巻き上げられ有効巻き数が可変の弱め界磁用副巻線（サブコイル）３４ｂと、第１の巻き数Ｎ１よりも少ない第２の巻き数Ｎ２（Ｎ２は例えば１５）だけ第１メインコイルと同方向に巻き上げられた第２の主巻線（第２メインコイル、Ｎ２ターンともいう）３４ｃとが並列に備えられ、整流器４２を介してバッテリ４１と接続されている。また、この電気回路には、各コイルを選択して使用するためのスイッチ４３ａ〜４３ｃが設けられている。

さらに、第１メインコイル３４ａは、コイル３４ａ１とコイル３４ａ２とが直列に組み合わされてなり、スイッチ４３ａを閉成し、スイッチ４３ｂ，４３ｃを開成すれば、コイル３４ａ１とコイル３４ａ２とからなる第１メインコイル３４ａが通電し、巻き数Ｎ１に応じた大きな磁界が発生し、スイッチ４３ｃを閉成し、スイッチ３４ａ，４３ｂを開成すれば、第２メインコイル３４ｃが通電し、同一回転条件では巻き数Ｎ２に応じて第１メインコイル３４ａよりも弱い磁界が発生する。

また、第１メインコイル３４ａの一部であるコイル３４ａ２は、第２の巻き数Ｎ２よりも少ない第３の巻き数Ｎ３（Ｎ３は例えば６）だけ巻き上げられた第３の主巻線（第３メインコイル、Ｎ３ターンともいう）として機能し、スイッチ４３ｂを閉成し、スイッチ４３ａ，４３ｃを開成すれば、コイル３４ａ２のみからなる第３メインコイルが通電し、巻き数Ｎ３に応じて第２メインコイル３４ｃよりも弱い磁界が発生する。

また、サブコイル３４ｂは、有効巻数を可変制御可能、或いはボリューム調整可能に構成されており、ボリュームを最小にすれば、サブコイル３４ｂは実質的に非通電となる。また、サブコイル３４ｂにはボリューム調整に応じた巻き数分だけ弱め界磁電流が流れ、この弱め界磁電流に応じて、第１メインコイル３４ａ，第２メインコイル３４ｃ，第３メインコイル３４ａ２の界磁を弱めることができるようになっている。

つまり、サブコイル３４ｂは、第１メインコイル３４ａの通電時には、第１メインコイル３４ａの界磁を弱める第１の弱め界磁用副巻線（第１サブコイル）として機能し、第２メインコイル３４ｃの通電時には、第２メインコイル３４ｃの界磁を弱める第２の弱め界磁用副巻線（第２サブコイル）として機能し、第３メインコイル３４ａ２の通電時には、第３メインコイル３４ａ２の界磁を弱める第３の弱め界磁用副巻線（第３サブコイル）として機能する。ただし、本実施形態においては、第１メインコイル３４ａの通電時には、弱め界磁電流を用いないので、第１サブコイルとして機能することはない。これは、第１のメインコイル３４ａと第２のメインコイル３４ｃとの特性の設定によるもので、本実施形態では第１サブコイルとして機能しなくても規定電圧を発生することが可能となっているからである。

これに対して、第１及び第２のメインコイル３４ａ，３４ｃの巻数の関係により、第１のメインコイル３４ａによる発電領域と第２のメインコイル３４ｃによる発電領域との間に規定電圧を発電できない領域が存在する場合には、第１サブコイルを用いてこれら２つの発電領域の間で規定電圧を発電するようにしてもよい。
さて、コントローラ４０は、永久磁石式発電機３による発電時には、主にロータの回転速度（即ち、エンジン回転数に応じたロータ回転数）ｒと、発電電圧Ｖとに応じて、磁束制御籠３６の回転位相の制御と共に、各スイッチ４３ａ〜４３ｃの開閉制御、及び、サブコイル３４ｂのボリューム調整を行うようになっている。

つまり、原則的には、磁束制御籠３６の回転位相により発電電圧が一定となるように電圧調整を行い、籠制御で調整できる範囲を超えるとターン数を切り替えたり、サブコイル３４ｂにより弱め界磁を作用させたりすることにより、電圧を一定値に制御するようになっている。
ところで、このような発電機３を自動車に搭載した場合には、車両の電気負荷の変動（ヘッドライトのオンオフやエアコンのオンオフ或いはオーディオのオンオフ等）によって発電特性が変化してしまい、発電制御が不安定となるおそれがある。

そこで、本実施形態では、エンジン回転数（ロータ回転数）に加え、この自動車に搭載された電気機器（発電機３で発電された電力により作動する電気機器）負荷状態もパラメータとして適用し、これらエンジン回転数及び電気負荷を用いてコイル３４を切り換えたり磁束制御籠３６の位相を変更したりするようになっている。
なお、本実施形態においては、具体的には、コイル３４は、エンジン回転数の増大又は電気負荷の増大に従い、以下の順番で切り換えられるようになっている。
１．Ｎ１ターン
２．Ｎ２ターン
３．Ｎ２ターン＋弱め界磁
４．Ｎ３ターン
５．Ｎ３ターン＋弱め界磁
ここで、コイル３４の選択及び磁束制御籠３６の位相は、それぞれコントローラ４０内に設けられたマップ（図５の符号７，８参照）により設定されるようになっている。これについては詳しくは後述する。

さて、次に本装置の要部構成について詳細に説明すると、図４及び図５に示すように、コントローラ４０には、エンジン回転数（ロータ回転数）を検出するエンジン回転数センサ（エンジン回転数検出手段）４と、上記電気機器（図示省略）の負荷を検出する負荷センサ（電気負荷検出手段）５とが接続されている。ここで、負荷センサ５は、具体的には各電気機器の作動を制御したり監視したりするＥＣＵ（例えばエアコンＥＣＵ）であって、各電気機器のＥＣＵとコントローラ４０とが相互通信可能に接続されている。なお、負荷センサ５としては上述のものに限定されず、車両に設けられた電流センサ５０（図４参照）とインパネに設けられた各電気機器の操作スイッチとから構成してもよい。

また、コントローラ４０の内部には、図５に示すように、巻潜設定マップ（巻線設定手段）７，籠位置設定マップ（籠位置設定手段、又は基本制御量設定手段）８，補正量設定マップ（補正量設定手段）９，ＳＯＣ判定マップ（バッテリ残存容量推定手段）１０及びアイドルストップ可否判定手段１２が設けられている。
このうち、巻線設定マップ７はエンジン回転数と電気負荷とに基づいて複数のコイル３４から最適な巻線を選択する手段であって、本実施形態では図６（ａ）に示すようなマップとして設けられている。また、籠位置設定手段８は、エンジン回転数と電気負荷とに基づいて籠位置を設定する手段であって、本実施形態では図６（ｂ）に示すようなマップとして設けられている。なお、これらのマップ７，８は、上述したように本実施形態ではエンジン回転数と電気負荷とをパラメータとしてコイル巻数及び籠位置を設定するマップとして構成されているが、少なくともエンジン回転数に基づいてコイル巻数及び籠位置を設定できればよく、電気負荷をパラメータとして設定しなくてもよい。ただし、より高い精度で発電制御を行うのであれば、電気負荷をパラメータとして適用するのが好ましい。

巻線設定マップ（巻線設定手段）７は、図６（ａ）に示すように、エンジン回転数と電気負荷とをパラメータとして、複数のコイル３４（本実施形態ではＮ１ターン，Ｎ２ターン，Ｎ２ターン＋弱め界磁，Ｎ３ターン及びＮ３ターン＋弱め界磁の５つ）の中から１つを選択するためのマップであって、電気負荷を一定と仮定するとエンジン回転数が増大するほど巻数の小さい（発電量の小さい）コイルが選択されるような特性に設定されており、またエンジン回転数が一定と仮定すると電気負荷が増大するほど巻数の大きい（発電量の大きい）コイルが選択されるような特性になっている。

これは、基本的にコイル巻数が一定であれば、エンジン回転数が高くなるほど発電電圧が大きくなるからであり、発電電圧を一定に保持するにはエンジン回転数が高くなるほど発電量の小さいコイルを選択する必要があるからである。また、電気負荷が大きくなるとその分要求される発電量が増大するので、電気負荷の増大に応じて、発電量の大きいコイルが選択されるようになっている。

なお、巻線設定手段７は、図６（ａ）に示すようなマップに限定されず、エンジン回転数と電気負荷とからコイル巻数を設定するものであればどのようなマップであってもよいし、マップ以外の手段であってもよい。
一方、籠位置設定マップ８は、図６（ｂ）に示すように、各コイル毎にそれぞれ独立したマップとしてコントローラ４０に記憶されており、本実施形態においては、上述した５つのコイルのマップＭ１〜Ｍ５として記憶されている。また、各マップＭ１〜Ｍ５には電気負荷と回転数とに応じた籠位置（目標籠位置）がそれぞれ記憶されている。そして、上述の巻線設定手段７からの情報に基づいて、複数のマップの中から現在設定されているコイルに対応するマップを選択すると、このマップから電気負荷と回転数とに基づいて磁束制御籠３６の目標籠位置（基本制御量）を求めるようになっている。なお、言うまでもなく各マップで設定される目標籠位置とは、そのときのエンジン回転数と電気負荷とにおいて発生電圧が目標電圧となるような籠位置である。

ところで、この籠位置設定マップ８では、バッテリ４１が所定の残存容量（ＳＯＣ）のとき（例えばＳＯＣ＝８０％のとき）に目標電圧Ｖｔになるような籠位置がキャリブレーションされている。つまり、実バッテリＳＯＣが、籠位置設定マップ８をキャリブレーションしたときの所定ＳＯＣと一致していれば、磁束制御籠３６をこの籠位置設定マップ８で設定される籠位置に制御することで目標電圧Ｖｔを得ることができるようになっている。

しかし、バッテリＳＯＣが変化すると籠位置設定マップ８で得られた籠位置に磁束制御籠３６を制御しても目標発電電圧を得ることができなくなる。さらに、本実施形態においては、バッテリ４１のＳＯＣに応じて要求発電量（即ち目標電圧）も変化するように構成されているため、上述のようなオープンループ制御のみでは、バッテリＳＯＣが変化すると実際の発電電圧と目標電圧との乖離が大きくなる。

ここで、バッテリ４１のＳＯＣに応じた要求発電量（即ち目標電圧）の設定について簡単に説明すると、コントローラ４０には、バッテリＳＯＣとエンジン運転状態とに基づいて発電機２の目標発電電圧Ｖｔを設定する目標発電電圧設定手段（図示省略）が設けられており、この目標発電電圧設定手段では、例えば図８に示すフローチャートにしたがって、目標電圧を設定するようになっている。

すなわち、まずステップＳ１０１において、ＳＯＣが所定値（８０％）以上か否かを判定し、ＳＯＣが所定値（８０％）以上であればステップＳ１０２〜Ｓ１０６においてエンジンの運転状態に基づいて目標電圧を設定するようになっている。なお、バッテリ４１のＳＯＣは後述するＳＯＣ判定マップにより求めることができる。そして、エンジン１が加速中であれば、目標電圧ＶｔをＶｔ１（例えば１２Ｖ）に設定し（ステップＳ１０２，Ｓ１０４）、定常運転状態であれば目標電圧ＶｔをＶｔ２（＞Ｖｔ１であって、例えば１３．６Ｖ）に設定する（ステップＳ１０３，Ｓ１０６）。さらには、エンジン１が減速運転状態であれば、目標電圧をＶｔ３（＞Ｖｔ２であって、例えば１４Ｖ）に設定する（ステップＳ１０２，Ｓ１０３及びＳ１０５）。

また、ＳＯＣが所定値（８０％）未満であればステップＳ１０７〜Ｓ１１１において目標電圧が設定されるようになっている。なお、この場合には、エンジン運転状態が同じであれば、ＳＯＣ所定値以上のときよりも高い電圧に目標電圧が設定されるようになっている。例えば、ＳＯＣが所定値未満でエンジン１が加速中であれば、目標電圧ＶｔをＶｔ１′（＞Ｖｔ１；例えば１３．６Ｖ）に設定し（ステップＳ１０７，Ｓ１０９）、定常運転状態であれば、目標電圧ＶｔをＶｔ２′（＞Ｖｔ２、且つ＞Ｖｔ１′；例えば１４Ｖ）に設定し（ステップＳ１０８，Ｓ１１１）、さらには、エンジン１が減速運転状態であれば、目標電圧をＶｔ３′（＞Ｖｔ３、且つ＞Ｖｔ２′；例えば１４．４Ｖ）に設定する。なお、各目標電圧としては少なくとも以下の関係を満たしていればよい。
Ｖｔ１＞Ｖｔ２＞Ｖｔ３
Ｖｔ１′＞Ｖｔ２′＞Ｖｔ３′
Ｖｔ１′＞Ｖｔ１
Ｖｔ２′＞Ｖｔ２
Ｖｔ３＞Ｖｔ３′
これは、ＳＯＣが低下している状況では、同じエンジン回転数、同じ負荷であっても余分に発電するように制御しないとＳＯＣ低下分を補うことができないからであり、また、同じＳＯＣが低下している状況であっても、減速中の場合にはエンジン回転数も低下するため、目標電圧を加速時及び定常運転時の目標電圧よりも大きな値に設定する必要があるからである。

なお、詳しくは後述するが、本装置では、この目標発電電圧をパラメータにして新たにバッテリＳＯＣが推定されるようになっており、次回目標発電電圧を設定する際には今回求めたバッテリＳＯＣが用いられるようになっている。これにより、バッテリＳＯＣは逐次更新されるようになっている。
一方、上述したように籠位置設定マップ８では、バッテリ４１が所定のＳＯＣ（ここでは８０％）のときに、目標電圧Ｖｔになるような籠位置が設定されているため、目標電圧がＳＯＣの変動にともない変動すると、目標電圧Ｖｔと実際の発電電圧Ｖｒとの間に乖離が生じることになる。

このため、本装置では、発電機２の実際の発電電圧Ｖｒと目標発電電圧Ｖｔとの差ΔＶに基づき磁束制御籠３６の目標籠位置（基本制御量）に対する補正量を求める補正量設定マップ（補正量設定手段）９が設けられている。
ここで、補正量設定マップ９は、上記電圧差ΔＶをパラメータとして、この電圧差ΔＶを解消する補正量を予めキャリブレーションにより記憶させたマップであって、このマップにより発電機２の発電電圧がフィードバック補正されるようになっている。したがって、この補正量設定マップ９は電圧フィードバック補正部ということもできる。なお、この補正量設定マップ９では、籠位置設定マップ８で設定される磁束制御籠３６の目標籠位置（基本制御量）に対する補正位相（角度）として出力されるようになっている。

そして、上記籠位置設定マップ８で設定された籠位置に対し、補正量設定マップ９で設定された補正量を加えることにより、最終的な籠位置が設定されるようになっている。
また、このようにしてコイル３４の巻数及び磁束制御籠３６の位相が設定されると、コントローラ４０からコイル３４及びアクチュエータ（モータ）３７に対して作動制御信号が出力される。そして、コイル３４の巻数が切り換えられるとともに、アクチュエータ３７が作動してウォームギア３８を介して磁束制御籠３６の位相が変更される。

ところで、図５に示すように、コントローラ４０内には、磁束制御籠に対するフィードバック補正量をパラメータとしてバッテリの残存容量（ＳＯＣ）を求めるＳＯＣ判定マップ１０が設けられている。
このＳＯＣ判定マップ１０は、バッテリＳＯＣによりフィードバック補正量が変化するという特性を利用したものであって、本実施形態の場合には上述のようにＳＯＣ＝８０％を基準として籠位置設定マップ８を作成しているため、図７に示すようにフィードバック補正量が０のとき、バッテリＳＯＣが８０％となるようなマップとして設けられている。

なお、本実施形態では、フィードバック補正量は、磁束制御籠３６に対する位相（角度）として与えられており、このフィードバック補正量が大きくなるほど発電電圧を抑制する側に補正量（補正位相）が設定され、逆に小さくなるほど発電電圧を増大させる側に補正量（補正位相）が設定される。
このため、ＳＯＣ判定マップ１０は、図７に示すようにフィードバック補正量が大きくなるほど（発電量が小さくなるほど）、現在のバッテリＳＯＣが大きいと判定するような特性のマップに設定されている。なお、このＳＯＣ判定マップ１０についても、予め実験等によりキャリブレーションにより求めたものが用いられる。

また、ＳＯＣ判定マップ１０では、所定の制御周期（例えば５０ｍｓｅｃ）毎にフィードバック補正量が入力されるが、本実施形態においては、上記所定の制御周期毎に逐次ＳＯＣを推定するのではなく、一定時間毎（例えば１０ｓｅｃ毎）にフィードバック補正量を平均し、該平均値を用いてバッテリＳＯＣを推定するようになっている。
これは、ノイズ等によりフィードバック補正量が一時的に変動すると、バッテリＳＯＣの推定値がハンチングするためであり、このようなハンチングを防止するべく、一定時間のフィードバック補正量の平均値を用いてバッテリＳＯＣを推定するようになっている。

また、このようなフィードバック補正量の平均値に対して温度（気温）及び大気圧等の補正が行われるようになっている。すなわち、フィードバック補正量が同じ値であっても、気温や大気圧の影響により、実際のＳＯＣに対して誤差が生じる。このため、本実施形態では図示しないマップにより温度をパラメータとして温度補正係数を求めるとともに、気圧をパラメータとして気圧補正係数を求めるようになっており、上記フィードバック補正量の平均値に各補正係数を乗じた結果を最終的なパラメータとして、図７に示すようなマップからバッテリＳＯＣを求めるようになっている。

また、このＳＯＣ判定マップ１０で推定されたバッテリＳＯＣは、コントローラ４０に設けられたアイドルストップ制御可否判定手段１２に出力され、バッテリＳＯＣに基づいてアイドルストップ制御の可否判定が行われるようになっている。そして、このアイドルストップ制御可否判定手段１２では、例えばバッテリＳＯＣが所定の閾値（例えば４０％）を下回ると、アイドルストップ制御を禁止するようになっている。

これは、バッテリＳＯＣが低下した状態でエンジンの再始動を頻繁に行うようなアイドルストップ制御を実行すると、バッテリ上がりが生じるおそれがあるほか、バッテリの劣化を早めるおそれがあるからである。
また、すでに説明したが、本実施形態ではバッテリＳＯＣが低下すると、これを補うべく要求発電量も変化するようになっており、このＳＯＣ判定マップ１０で推定されたバッテリＳＯＣに基づいて、目標発電電圧が設定されるようになっている。つまり、このＳＯＣ判定マップ１０でバッテリＳＯＣが推定されると、このバッテリＳＯＣは図示しない目標発電電圧設定手段に入力され、目標発電電圧設定手段では図８に示すようなフローチャートに基づいて目標発電電圧を設定するようになっている。

本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の制御装置は上述のように構成されているので、その作用について図９のフローチャートを用いて説明すると以下のようになる。
まず、ステップＳ１においてエンジン回転数と電気負荷とから巻線設定マップ７を用いてコイル３４の巻数を決定する。次に、ステップＳ２に進み、ステップＳ１で設定された巻数のコイルに対応するマップを籠位置設定マップ８に記憶された複数のマップＭ１〜Ｍ５の中から選択するとともに、エンジン回転数と電気負荷とに基づいて選択されたマップから磁束制御籠３６の目標籠位置（基本制御量）を設定する。

次に、ステップＳ３に進み、実発電電圧と目標発電電圧との電圧差に基づいて目標籠位置のフィードバック補正量を設定する。さらに、ステップＳ４において、一定時間毎にフィードバック補正量の平均値を算出するとともに、ステップＳ５において上記ステップＳ４で算出されたフィードバック補正量平均値に対して温度及び大気圧等に応じた補正を行う。

そして、ステップＳ６において、上記ステップＳ５で算出されたフィードバック補正量をステップＳ２で設定された磁束制御籠３６の目標籠位置（基本制御量）に加えることにより目標籠位置を補正し、磁束制御籠３６の位相を補正後目標籠位置に向けて制御する。また、これと同時にコイルの巻数も切り換える。
また、ステップＳ７において、上記フィードバック補正量に基づいてバッテリ４１のＳＯＣをが推定される。これはバッテリＳＯＣが低下するほどフィードバック補正量が大きくなる特性を利用している。

そして、ステップＳ８では、推定されたバッテリＳＯＣに基づいてアイドルストップ制御の可否判定を行い、例えばバッテリＳＯＣが所定の閾値以下の場合には、アイドルストップ制御を禁止する。したがって、この場合には所定のアイドルストップ条件が成立してもエンジンを停止せずにアイドル状態が維持される。また、バッテリＳＯＣが推定されると、アイドルストップ制御の可否判定以外にも、図８を用いて説明したフローチャートにしたがって目標発電電圧が更新される。

図１０は、本装置の作用及び効果を説明するタイムチャートであって、（ａ）はコイル巻数、（ｂ）は磁束制御籠位置、（ｃ）は発電電圧、（ｄ）はエンジン回転数（＝ロータ回転数）をそれぞれ示している。また、（ｃ）及び（ｄ）において、実線は補正後の籠位置及び電圧値、破線は補正前の籠位置及び電圧値を示している。
さて、図１０（ｄ）に示すように、エンジン１が比較的低回転域で、且つ定常運転状態にあるときに、ｔ＝ｔ１においてエンジン回転数が急増すると、（ａ）に示すように、コイル３４の巻数は発電が小さくなる側のコイルに切り換えられるとともに、（ｂ）に示すように、エンジン回転数に応じて磁束制御籠３６の位相が変動する。また、これ以降もエンジン回転数の変動に伴い、（ａ），（ｂ）に示すように、コイル巻数及び籠位相が変動する。

ここで、バッテリ４１のＳＯＣが低下している状態では、磁束制御籠３６の補正を実行しないと、（ｃ）に示すように目標発電電圧と実発電電圧（線Ｓ参照）との差が大きくなってしまい、電力が不足してしまうことになる。
これに対し、本装置のように、実発電電圧と目標発電電圧との差がなくなるようにフィードバック補正量を加味することにより、（ｂ）に示すように籠位置が線Ｐから線Ｑに補正され、これにより、（ｃ）に示すように発電電圧が目標電圧に近づけることができる（線Ｒ参照）。なお、（ｂ）に示す網掛け処理を施した部分がフィードバック補正量に相当する。

そして、このときのフィードバック補正量に基づいて、図７に示すマップからバッテリＳＯＣを推定し、推定されたＳＯＣに基づいて、アイドルストップ制御の可否が判定されるとともに、目標発電電圧が新たに設定される。
以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の制御装置によれば、少なくともエンジン回転数に基づいて磁束制御籠３６（発電量調整手段）に対する目標籠位置（基本制御量）を設定するとともに、発電機の実際の発電電圧と目標発電電圧との差に基づき目標籠位置に対するフィードバック補正量を求め、上記フィードバック補正量を加味して磁束制御籠３６（及びアクチュエータ３７）の作動を制御することにより、高い精度で発電機の作動を制御することができる。また、上記フィードバック補正量とバッテリ４１の残存容量（ＳＯＣ）とは強い相関関係があるので、これを利用してバッテリＳＯＣを推定することにより、コスト増を招くことなく高い精度でバッテリのＳＯＣを推定することができるという特有の利点がある。

また、バッテリ４１のＳＯＣに基づいて車両のアイドルストップ制御の可否を判定するので、バッテリ４１のＳＯＣの低下により、アイドルストップ後の再始動ができなくなるような事態を回避することができ、精度の高いアイドルストップ制御を実現できる。また、ＳＯＣが低下した状態でアイドルストップ制御を続行するとバッテリの劣化を招くおそれがあるが、このようなバッテリの劣化を抑制することができる。また、バッテリの残存容量に基づいて目標発電電圧を更新していくので、バッテリ４１の状態に適した精度の高い発電電圧を設定することができる。

また、ＳＯＣ判定マップ１０（バッテリ残存容量推定手段）においては、一定時間毎にフィードバック補正量を平均化して籠位置を補正するので、一時的なエンジン回転数の上昇による補正量の変動やノイズ等による補正量の変動を抑制することができる。
また、エンジン回転数に加えて電気負荷を用いて目標籠位置（基本制御量）を設定するので精度の高い発電制御を行うことができる。すなわち、電気負荷を考慮しない場合には、電気機器の負荷の変動に伴い目標電圧に対するオーバシュートやアンダシュートが生じて実際の発電電圧がハンチングするおそれがあったが、エンジン回転数及び電気負荷に基づいて磁束制御籠の目標位相を設定することにより、負荷変動が生じても発電電圧のハンチング抑制することができる。

また、籠位置設定手段（籠位置設定マップ）８を設けることにより、電気負荷とエンジン回転数とに基づいて籠位置を容易に且つ速やかに設定することができる。また、巻線設定手段（巻線設定マップ）７を設けることにより電気負荷とエンジン回転数とに基づいて最適な巻線を容易に且つ速やかに設定することができる。
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述の実施形態においては、ＳＯＣ判定マップ１０でバッテリＳＯＣが推定されるとバッテリＳＯＣを目標発電電圧設定手段にフィードバックし、フィードバックにより更新されたバッテリＳＯＣと運転状態とに基づいて目標発電電圧を設定するように構成されているが、これに代えて目標発電電圧を設定する際のバッテリＳＯＣをフィードバックせずに所定値（例えば８０％）に固定しておいてもよい。この場合、目標発電電圧と実発電電圧との差異は大きくなるが、このような場合であっても、この電圧の偏差に基づいて実際のＳＯＣを判定することができる。したがって、バッテリＳＯＣを求めることのみを目的とするのであれば、求めたバッテリＳＯＣを目標発電電圧設定手段にフィードバックしなくてもよい。

また、上述の実施形態では巻線設定手段７及び籠位置設定８において、パラメータとして実際のエンジン回転数を用いているが、この代わりに未来のエンジン回転数を予測した予測エンジン回転数を用いても良い。
この場合、予測エンジン回転数を用いたフィードフォワード制御により発電機３の作動を制御するのが好ましい。また、予測エンジン回転数を用いることにより、籠位置制御の応答遅れに起因する電圧制御のオーバシュートやアンダシュートをさらに抑制することができる。また、エンジン回転数の予測手法については、エンジン１の定常運転時には逐次最小二乗法（第１の予測手法）を用い、また、エンジンの１の過渡運転時には変速機２のトルクコンバータのトルク収支モデル（第２の予測手法）を用いてエンジン回転数を予測するのが好ましい。

また、上述では、目標発電電圧をバッテリＳＯＣとエンジン運転状態とに応じて変更するように構成しているが、目標発電電圧を一定としてもよいし、単にエンジン運転状態に応じて変更するようにしてもよい。また、バッテリ残存容量推定手段では、一定時間毎にフィードバック補正量を平均化しているが、瞬時値を用いても良い。
なお、発電機２の細部の構成についても本実施形態のものに限定されず種々変更可能である。

本発明が適用される永久磁石式発電機を装備した車両用エンジンを示す側面図である。 本発明が適用される永久磁石式発電機の構成を示す図であり、（ａ）はその横断面図（ロータ回転軸と直交する断面図）、（ｂ）はその縦断面図（ロータ回転軸に沿った断面図）である。 本発明が適用される永久磁石式発電機の磁束制御籠を示す拡大横断面図であり、（ａ）は磁束制御籠が磁束を最大とする位置にある状態を示し、（ｂ）は磁束制御籠が磁束を減少させる位置にある状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の全体的な制御ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の要部構成に着目した制御ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の制御装置の要部について説明するための図であって、（ａ）は巻線設定マップの一例を示す図、（ｂ）は籠位置設定マップの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機のバッテリ残存容量推定手段について説明する図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の目標発電電圧を設定するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の作用について説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る永久磁石式発電機の作用について説明するタイムチャートである。 従来の永久磁石式発電機の制御装置について説明する図である。

符号の説明

１ 自動車用エンジン
２ トランスミッション
３ モータジェネレータ（永久磁石式発電機）
４ エンジン回転数センサ（エンジン回転数検出手段）
５ 負荷センサ（電気負荷検出手段）
６ 発電量調整手段
７ 巻線設定マップ（巻線設定手段）
８ 籠位置設定マップ（籠位置設定手段）
９ 補正量設定マップ（補正量設定手段）
１０ ＳＯＣ判定マップ（バッテリ残存容量推定手段）
１１ 出力軸（クランクシャフト）
１２ アイドルストップ制御可否判定手段
３１ ハウジング
３２ 永久磁石部材
３３ ロータ
３３ａ 隙間
３４ 巻線（コイル）
３５ ステータ
３５ａ ステータコア
３５ｂ 櫛部
３５ｃ スロット部
３５ｄ ブリッジ部
３６ 磁束制御籠
３６ａ 歯部
３７ ＤＣモータ（アクチュエータ）
３８ ウォームギア
４０ コントローラ又はスタータジェネレータ制御ユニット（制御手段）
４１ バッテリ
４２ 整流器
４３ スイッチ

Claims (7)

1. 車両のエンジンに接続され該エンジンの駆動力により発電する永久磁石式の発電機と、
   該発電機の発電量を増減させる発電量調整手段と、
   該エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
   該エンジン回転数検出手段により検出されたエンジン回転数に基づいて該発電量調整手段に対する基本制御量を設定する基本制御量設定手段と、
   該発電機の目標発電電圧を設定する目標発電電圧設定手段と、
   該発電機の実際の発電電圧と該発電機の目標発電電圧との差に基づき該発電量調整手段に対する補正量を求める補正量設定手段と、
   該基本制御量設定手段で設定された基本制御量及び該補正量設定手段で設定された補正量に基づいて該発電量調整手段の作動を制御する制御手段と、
   該補正量設定手段で設定された補正量に基づきバッテリの残存容量を推定するバッテリ残存容量推定手段とを有する
   ことを特徴とする、永久磁石式発電機の制御装置。
2. 該制御手段は、該バッテリ残存容量判定手段で判定されたバッテリの残存容量に基づいて該車両のアイドルストップ制御の可否を判定する
   ことを特徴とする、請求項１記載の永久磁石式発電機の制御装置。
3. 該制御手段は、該バッテリ残存容量判定手段で判定されたバッテリの残存容量に基づいて該目標発電電圧を設定する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の永久磁石式発電機の制御装置。
4. 該残存容量判定手段は、一定時間ごとに該補正量を平均化した値に基づいて該バッテリの残存容量を推定する
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機の制御装置。
5. 該車両の電気負荷を検出する電気負荷検出手段を有し、
   該基本制御量設定手段は、該エンジン回転数に加えて電気負荷検出手段で検出された電気負荷に基づいて該基本制御量を設定する
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機の制御装置。
6. 該発電機が、
   該エンジンの出力軸に接続されるとともに永久磁石を備えたロータと、
   該ロータの外周側でハウジングに固定されるとともに巻線を備えたステータと、
   該ステータと該ロータとの間に配置され該ステータに対して相対移動して該永久磁石から該ステータへ流れる磁束を制御する磁束制御籠とを有し、
   該制御手段は、該車両の電気負荷と該エンジン回転数とに基づいて籠位置を設定する籠位置設定手段をそなえている
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式発電機の制御装置。
7. 該巻線としては、巻き数及び／又は巻き方向の異なる複数の巻線が用意され、
   該制御手段は、該電気負荷と該エンジン回転数とに基づいて該複数の巻線から最適な巻線を選択する巻線設定手段をそなえている
   ことを特徴とする、請求項６記載の永久磁石式発電機の制御装置。

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