JP5224268B2 - 車両用発電制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリの充電後、オルタネータの発電出力によりキャパシタを充電してオルタネータのエネルギを有効利用し、燃費を改善する構成の車両用発電制御装置に関し、詳しくは、オルタネータの発電効率の改善に関する。
一般に、車両(自動車)に搭載される車両用発電制御装置は、基本的に、オルタネータ、スタータ(セルモータ)、バッテリ(主に鉛蓄電池)を組み合わせて構成される。
そして、バッテリのエネルギによりスタータが駆動されてエンジンが始動すると、オルタネータの整流された発電出力は、主にバッテリの充電及び車内の負荷(一般負荷)の駆動に用いられる。
このとき、オルタネータは、無駄な発電を防止して燃費改善を図るため、バッテリの電圧監視に基づく自動調整によって出力電圧を高、低に切り替え、例えば定格12Vのバッテリを搭載する車両のオルタネータの場合、バッテリの充電時は14.5Vの高電圧VH、充電後、バッテリを浮動充電によって満充電状態に維持する間は12.8Vの低電圧(バッテリの開放電圧)VLにすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。バッテリは充電が進むにしたがってインピーダンスが高くなり、充電電流が流れにくくなるため、バッテリの満充電後はオルタネータの発電出力の電圧を低電圧VLに切り替えても問題がないからである。
ところで、近年はこの車両用発電制御装置にキャパシタをさらに備え、オルタネータの発電出力でキャパシタも充電して燃費を一層改善することも提案されている。
特開2004−72874号公報(要約書、請求項1、段落[0010]、[0022]、図1等)
この種の車両用発電制御装置において、バッテリ充電後、エンジンブレーキの減速が発生すると、この減速中は燃料カットが行なわれてオルタネータの発電出力を高電圧VHにしても燃費は低下せず、この高電圧VHによってバッテリやキャパシタを充電すれば、減速中のエンジン出力(回生エネルギ)を有効利用できる。そのため、前記減速中はオルタネータの出力電圧が低電圧VLから高電圧VHに切り替えられる。
しかしながら、オルタネータの発電出力でバッテリの充電のみを行なう構成の場合は、図5(a)に示すようにオルタネータの発電出力の電圧を、減速期間Tに低電圧VLから高電圧VHに切り替えても、満充電状態のバッテリには同図(b)に示すように充電電流がほとんど流れない。そのため、オルタネータの発電出力を有効利用できず、燃費改善効果が少ない。
一方、バッテリとともにキャパシタを備える構成の場合は、図6(a)に示すようにオルタネータの発電出力の電圧を、減速期間Tに低電圧VLから高電圧VHに切り替えると、キャパシタは、耐圧を超えない限り電圧に応じたエネルギ蓄積が行なえるため、同図(b)に示すように充電電流が流れてエネルギが蓄積され、オルタネータの発電出力を有効利用することができ、燃費が改善される。なお、前記減速が終了すると、オルタネータの出力電圧が低電圧VLに戻り、キャパシタの高電圧VHの蓄積エネルギが一般負荷に優先的に給電される。
そのため、バッテリとともにキャパシタを備える構成の場合は、オルタネータの発電出力の電圧を、減速中に低電圧VLから高電圧VHに切り替えることが、燃費改善の上から効果的である。
ところで、バッテリとともにキャパシタを備え、オルタネータの発電出力の電圧を減速中に低電圧VLから高電圧VHに切り替えたとしても、オルタネータの発電の効率が低ければ、十分な燃費改善効果が得られない。特に、走行条件が加減速を伴わない定常走行時にはオルタネータの発電電圧の切り替えが行われないため、十分な燃費改善効果が得られない。
しかも、オルタネータは出力電圧を少なくとも前記低電圧VLに維持するため、よく知られているように、常時、励磁(界磁)電流(以下、フィールド電流という)が流れ、電気的なロストルクが発生する。
その上、オルタネータ固有の発電効率はエンジンによる回転の速度に対して、一般に図7の特性を示し、通常、走行時には電気負荷の使用が少ないため、オルタネータは10A程度の電効率の範囲で使用される。
このように、バッテリとともにキャパシタを備え、オルタネータの発電出力の電圧を減速中に低電圧VLから高電圧VHに切り替え、発電出力の有効利用を図るようにしても、オルタネータの発電効率を高めることができないため、燃費改善の飛躍的な向上を図ることができない。
本発明は、バッテリとともにキャパシタを備えて燃費改善を図るとともに、オルタネータの発電効率を向上し、燃費改善効果を飛躍的に向上することを目的とする。
上記した目的を達成するために、本発明の車両用発電制御装置は、バッテリ及び出力電圧が高電圧と低電圧とに切り替え制御されるオルタネータを備えた車両用発電制御装置であって、前記バッテリに並列に接続された状態に設けられ、前記オルタネータの発電出力により充電されるエネルギ蓄積用のキャパシタと、前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ充電検出手段と、前記キャパシタの電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段と、前記バッテリ充電検出手段が所定以上の充電量を検出し、かつ、前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧が前記オルタネータの高電圧側の出力電圧以上になることにより、前記オルタネータの励磁電流をオフし、前記オルタネータを発電停止状態にして前記キャパシタの蓄積エネルギの負荷給電に制御する制御手段と、前記オルタネータの発電停止状態の制御中に前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧が前記オルタネータの低電圧側の出力電圧以下に低下することにより、前記励磁電流をオンし、前記発電停止状態の制御を解除して前記オルタネータの発電出力による負荷給電及び前記キャパシタの充電に制御する手段とを備えたことを特徴としている(請求項1)。
さらに、前記所定以上の充電量が、満充電状態の充電量であることを特徴としている(請求項)。
請求項1の本発明の車両用発電制御装置の場合、バッテリが充電され、かつ、キャパシタもオルタネータの高電圧側の出力電圧以上に充電されると、自動的に、オルタネータはフィールド電流(励磁電流)がオフされて発電停止状態(いわゆるオルタカットの状態)になり、キャパシタの蓄積エネルギは負荷に給電される。そのため、オルタネータはフィールド電流が常時流れることがなく、しかも、高電圧側の出力電圧以上の発電出力にのみ制御され、発電効率が向上する。そして、バッテリとともにキャパシタを備え、オルタネータの発電出力の電圧を減速中等に低電圧から高電圧に切り替えるだけでも、キャパシタへの充電電流がオルタネータの発電出力に足されてオルタネータの発電効率を高めることができ、発電効率が向上するが、本発明は、さらに、オルタネータの発電出力を低電圧にする代わりにオルタカットにすることで、オルタネータの発電効率が一層高まり発電効率が一層向上する。
さらに、オルタネータがオルタカットの状態になってキャパシタの蓄積エネルギが負荷に給電され、キャパシタの電圧がオルタネータの低電圧側の出力電圧以下に低下すると、自動的にオルタネータはフィールド電流がオンしてオルタカットが解除され、発電出力の状態に戻って負荷給電及びキャパシタの充電を行う。そして、バッテリが充電され、かつ、キャパシタがオルタネータの高電圧側の出力電圧以上に充電されると、再びオルタネータがオルタカットの状態になってキャパシタの蓄積エネルギが負荷に給電され、以降、同様の動作がくり返されることで定常走行時でもオルタネータを効率改善領域で用いることができる。この場合、オルタネータは発電効率が高い高電圧側の出力電圧の発電出力の状態で間欠駆動され、しかも、その休止期間にはオルタカットの状態になるため、オルタネータの発電効率を一層向上することができ、燃費改善効果を一層飛躍的に向上することができる。したがって、請求項1の発明によれば、バッテリとともにキャパシタを備えて燃費改善を図ることができるとともに、オルタネータの発電効率を向上することができ、燃費改善効果を飛躍的に向上することができる。
しかも、オルタカットの状態になったときにも、バッテリとキャパシタとで補機類等の負荷給電の電源が二重化されるので、例えばバッテリの端子接続が緩んでいたり外れたりしても、キャパシタによって給電のバックアップが行われ、補機類等の車両の負荷が不用意に停電(給電停止)状態になることがなく、オルタネータを含む車両の充電系の信頼性がオルタカットによって低下等することもない。
請求項の本発明の車両用発電制御装置の場合、バッテリが満充電状態に充電された状態でオルタネータがオルタカットの状態になり、極めて実用的な制御で請求項の発明の効果を奏する。
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、その一実施形態について、図1〜図3にしたがって詳述する。
図1は車両1に搭載された本実施形態の車両用発電制御装置の結線図、図2は図1の動作説明用のフローチャート、図3はバッテリの充電状態のみを監視してオルタカットを行う場合の動作説明用のフローチャートである。
(構成)
図1において、2はオルタネータであり、出力端子2pは負荷(補機類等)の給電線3に接続され、フィールド電流の端子2fは後述の制御ECU6に接続され、接地端子2nはエンジンブロックを介して車体フレームにアースされ、フィールド電流が給電されている間、車両1のエンジンの回転にしたがって発生した交流を整流して発電出力を形成する。
4は例えば定格12Vのバッテリであり、正極の端子4pは給電線3に接続され、負極の端子4nは車体フレームにアースされている。
5はオルタネータ2の発電出力により充電される大容量のエネルギ蓄積用のキャパシタであり、電気二重層コンデンサ、ハイブリッドキャパシタ等からなり、一端5pは給電線3に接続され、他端5nは車体フレームにアースされている。
6はオルタネータ2を制御するマイクロコンピュータ構成の制御ECUであり、具体的には燃料噴射の電子制御のECUからなる。
7はバッテリ3の充放電の電流を検出する電流センサであり、バッテリ電流検出信号S1を制御ECU6に出力し、制御ECU6とともに本発明のバッテリ充電検出手段を形成する。8はキャパシタ5の電圧を検出する電圧センサであり、本発明のキャパシタ電圧検出手段を形成し、キャパシタ電圧検出信号S2を制御ECU6に出力する。
9は車両1の警告ランプ部であり、制御ECU6の充電系異常を報知するチャージランプ出力が入力されたときに、チャージランプが点灯(又は点滅)してオルタネータ2の異常を含む充電系の異常を報知する。なお、図1においてはスタータ等は省略している。
制御ECU6は、イグニッションオンの間、オルタネータ2の端子2fにフィールド電流の電源を給電すると同時に、発電動作の制御信号S3をオルタネータ2に出力し、例えばフィールド電流をPWM制御することにより、オルタネータ2を高電圧VHの発電出力又は、OV(フィールド電流オフ)のオルタカットに制御する。また、制御状態を監視するため、フィールド電流のデューティの検出信号S4を取り込む。さらに、オルタカットになるときにオルタネータ2が発生するチャージランプ信号S5も取り込む。
さらに、制御ECU6は、ソフトウエア処理によって、つぎの第1〜4の機能や燃料噴射の電子制御の種々の機能を備える。
<第1の機能>
この機能は、バッテリ電流検出信号S1に基づいてバッテリ4の時々刻々の充電状態(充電量)を検出する。
<第2の機能>
この機能は、請求項1の制御手段を形成し、バッテリ4が設定された所定以上の充電量であることを検出し、かつ、キャパシタ電圧検出信号S2によるキャパシタ5の検出電圧が設定された高電圧側の閾値以上になることにより、オルタネータ2のフィールド電流をオフし、オルタネータ2をオルタカット(発電停止)の状態にしてキャパシタ5の蓄積エネルギの負荷給電に制御する。
<第3の機能>
この機能は、請求項2の手段を形成し、オルタネータ2をオルタカットの状態に制御している間に、キャパシタ電圧検出信号S2の検出電圧が低電圧側の閾値以下に低下することにより、オルタネータ2のフィールド電流をオンしてそのオルタカットの制御を解除し、オルタネータ2の発電出力による負荷給電及びキャパシタ5の充電に制御する。
<第4の機能>
この機能は、第2の機能によってオルタネータ2がオルタカットに制御される間、チャージランプ信号S5の入力に対して、警告ランプ部9へのチャージランプ出力を禁止する機能である。この機能により、オルタカットの制御による警告ランプ部9のチャージランプの誤点灯が防止される。
そして、第2の機能におけるバッテリ4の所定以上の充電量はバッテリ4の充放電の特性や容量等に基づいて適当に決定してよいが、通常、バッテリ4は満充電の状態に維持されるものであるため、本実施形態では、最も実用的な満充電の充電量に設定する。また、キャパシタ5の高電圧側の閾値、低電圧側の閾値は、前記所定以上の充電量のバッテリ4の電圧、キャパシタ5の耐圧等を考慮して、バッテリ4がなるべく放電しない状態で燃費改善効果の高い値に設定すればよく、本実施形態では、キャパシタ5の高電圧側の閾値をオルタネータ2の高電圧VH(14.5V)、キャパシタ5の低電圧側の閾値をオルタネータ2の低電圧VL(12.8V)に設定する。
なお、制御ECU6には、車速やアクセル開度、ブレーキランプの信号等の車両1の走行状態の各種信号も入力される。
(動作)
以上の構成に基づき、図1の車両用発電制御装置は、概略、図2のステップA1〜A13に示すように動作する。
すなわち、エンジン始動後、図2のステップA1により制御ECU6はフィールド電流をオンしてオルタネータ2を高電圧VHの発電出力に設定し、この発電出力に基づき、ステップA2によりバッテリ4を満充電状態に充電する。このとき、キャパシタ5も充電される。
そして、制御ECU6の前記第1の機能によりバッテリ4が満充電状態になったことを検出すると、図2のステップA2からステップA3、A4を通り、ステップA5に移行し、キャパシタ電圧検出信号S2からキャパシタ5が高電圧側の閾値の電圧VH以上であるか否かを判断する。
このとき、オルタネータ2の発電出力によってキャパシタ5がオルタネータ2の高電圧側の電圧VH以上に充電されていると、図2のステップA5からステップA6に移行し、制御ECU6の前記第2の機能により、オルタネータ2のフィールド電流をオフし、オルタネータ2をオルタカット(発電停止)の状態にしてキャパシタ5の高電圧VHの蓄積エネルギを負荷給電する。
そして、図2のステップA6からステップA7に移行し、アクセル開度等から加速しているか否かを判断する。このとき、加速中であれば、ステップA7からステップA8、A9を介してステップA3に戻る。加速中でなければ、ステップA7からステップA10に移行し、減速中か否かを判断する。そして、減速中であれば、ステップA10からステップA11、A9を介してステップA3に戻り、減速中でもなければ、ステップA10からステップA9を介してステップA3に戻る。
このとき、オルタカットの実行中であるので、以降は、ステップA3からステップA4を介してステップA12に移行し、キャパシタ5が放電してその電圧がオルタネータ2の低電圧側の電圧VLを下回るようになるまで、ステップA12を肯定(YES)で通過し、ステップA7からステップA8、A9又はステップA10、A9を介してステップA3に戻るループ制御を実行し、オルタカットの状態を維持する。
そして、キャパシタ5の電圧がオルタネータ2の低電圧側の電圧VLを下回るようになると、図2のステップA12を否定(NO)で通過してステップA13に移行し、制御ECU6の前記第3の機能により、フィールド電流をオンしてオルタカットを解除し、オルタネータ2を高電圧VHの発電出力の状態に戻してキャパシタ5を充電する。このとき、オルタネータ2の発電不足を補うためにバッテリ4が例えば数Ahの放電状態(充電量低下大の状態)であれば、図2のステップA9を肯定で通過し、ステップA1を介してステップA2に移行し、オルタネータ2の高電圧VHの発電出力によるバッテリ4の充電監視を優先する。
一方、バッテリ4が例えば数百ミリAh以下の微小放電状態(充電量低下少の状態)であれば、図2のステップA9を否定で通過してステップA3に戻り。このステップA3を肯定で通過してステップA13に移行し、オルタネータ2を高電圧VHの発電出力に維持し、この高電圧VHの発電出力でバッテリ4、キャパシタ5を充電する。
そして、バッテリ4が満充電状態に充電され、キャパシタ5も高電圧VHに充電されてオルタネータ2の発電出力で負荷給電が賄われるようになると、図2のステップA3を否定で通過し、ステップA4、A5を介してステップA6に移行し、再び制御ECU6の前記第2の機能により、オルタネータ2をオルタカットに制御してキャパシタ5の蓄積エネルギの負荷給電に制御する。
なお、オルタカット中にエンジンブレーキがかかる減速の状態になると、燃料カットの状態でエンジンが回転するので、その回生エネルギを極力有効利用するため、図2のステップA10からステップA11に移行し、フィールド電流をオンしてオルタカットを解除し、オルタネータ2を高電圧VHの発電出力の状態にしてキャパシタ5に回生エネルギを充電する。
したがって、本実施形態の場合、バッテリ4とともに大容量のキャパシタ5を備えて燃費改善を図ることができる。また、オルタネータ5を、発電効率が高い高電圧VHの発電状態の駆動と、フィールド電流をオフした無駄なエネルギ浪費のないオルタカットのいずれかに制御し、オルタネータ5を発電効率が高い高電圧VHの発電状態で間欠駆動するため、オルタネータ5の発電効率を向上することができ、燃費改善効果を飛躍的に向上することができる。
しかも、オルタネータ2がオルタカットの状態になったときにも、バッテリ4とキャパシタ5とで補機類等の負荷給電の電源が二重化されるので、何らかの原因でバッテリ4の端子接続が緩んでいたり外れたりしても、キャパシタ5によって負荷給電のバックアップが行われ、補機類等の車両の負荷が不用意に停電(給電停止)状態になることがなく、オルタネータ2を含む車両1の充電系の信頼性がオルタカットによって低下等することもない。
その上、オルタネータ2をオルタカットの状態にしたときに、制御ECU6の前記第4の機能により、制御ECU6から警告ランプ部9へのチャージランプ出力を禁止することができ、警告ランプ部9のチャージランプの誤点灯が防止されて信頼性等が向上する利点がある。
ところで、上記制御より簡便な制御によって燃費改善を図る場合は、制御ECU6により、例えば図3のフローチャートに示すように制御することが考えられる。
図3において、ステップA1〜A3、A7〜A11、A13は図2の同様のステップに対応し、図2と異なる点は、キャパシタ5の電圧判断に基づく図2のステップA4〜A6、A12の処理を省いて、ステップA3の否定側からステップA7に至る経路の途中にオルタネータ2をオルタカットに制御するステップBを設けた点である。
そして、図3の制御を行う場合、オルタネータ2の高電圧VHの発電出力によってバッテリ4が満充電状態になれば、このとき、キャパシタ5もオルタネータ2の出力電圧と同じ高電圧VHに充電されているものとみなし、ステップA2からステップA3を介してステップBに移行し、オルタネータ5を、フィールド電流をオフしたオルタカットの状態にする。
さらに、このオルタカットの状態でバッテリ4の充電量の低下を検出すると、ステップA3からステップA13への移行又は、ステップA9からステップA1への移行により、オルタカットを解除してオルタネータ2を高電圧VHの発電出力に制御する。
このように構成した場合は、バッテリ5の充電状態を監視してオルタネータ2を、発電効率が高い高電圧VHの発電状態の駆動と、フィールド電流をオフした無駄なエネルギ浪費のないオルタカットのいずれかに制御し、オルタネータ2を発電効率が高い高電圧VHの発電状態で間欠駆動し、オルタネータ2の発電効率を向上することができ、定常走行時でも燃費改善効果を向上することができる。
そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
例えば、高電圧側及び低電圧側の閾値電圧はオルタネータ2の高電圧VH、低電圧VLに限られるものではない。
また、バッテリ4、キャパシタ5の構成や容量、バッテリ4の満充電の電圧、オルタネータ2の高電圧VH、低電圧VL等が実施形態と異なっている場合にも本発明を同様に適用することができる。そして、例えば、バッテリ4の正極の端子4pが車体フレームにアースされて負極の端子4nが給電線3に接続され、バッテリ4の端子接続の極性が前記実施形態と逆の場合にも本発明を同様に適用することができる。
さらに、制御ECU6の制御手順等は図2のものに限られるものではない。そして、例えば図2、図3のステップA3において、バッテリ4の電流方向からバッテリ4が放電状態か否かを判別し、放電状態になれば、ステップA3を肯定で通過してオルタネータ2を高電圧VHの発電出力にするようにしてもよい。また、本発明の制御手段等は制御ECU6以外に設けてもよい。
つぎに、オルタネータ2が図4に示す一般的な構成の場合にも本発明を同様に適用することができる。なお、図4においては、御信号S3はPWM制御の信号であり、オルタネータ2を高電圧VHの発電出力、低電圧VLの発電出力、又は、それらの中間の発電出力に制御する。S6はオルタネータ2内のレギュレータへの電源供給ラインであり、この電源供給ラインS6を0Vにすることでオルタネータ2の発電が停止する。
そして、本発明は、種々の車両に搭載される車両用発電制御装置に適用することができる。
本発明の一実施形態の結線図である。 図1の動作説明用のフローチャートである。 バッテリの充電状態のみを監視してオルタカットを行う場合の動作説明用のフローチャートである。 図1のオルタネータの他の例の説明図である。 バッテリのみを搭載した場合の減速時のオルタネータの電圧とバッテリの充電電流との関係を示し、(a)はオルタネータの電圧波形図、(b)はバッテリの充電電流の波形図である。 バッテリ及びキャパシタを搭載した場合の減速時のオルタネータの電圧とキャパシタの充電電流との関係を示し、(a)はオルタネータの電圧波形図、(b)はキャパシタの充電電流の波形図である。 オルタネータの発電効率の一例の特性図である。
符号の説明
1 車両
2 オルタネータ
4 バッテリ
5 キャパシタ
6 制御ECU
7 電流センサ
8 電圧センサ

Claims (2)

  1. バッテリ及び出力電圧が高電圧と低電圧とに切り替え制御されるオルタネータを備えた車両用発電制御装置であって、
    前記バッテリに並列に接続された状態に設けられ、前記オルタネータの発電出力により充電されるエネルギ蓄積用のキャパシタと、
    前記バッテリの充電状態を検出するバッテリ充電検出手段と、
    前記キャパシタの電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段と、
    前記バッテリ充電検出手段が所定以上の充電量を検出し、かつ、前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧が前記オルタネータの高電圧側の出力電圧以上になることにより、前記オルタネータの励磁電流をオフし、前記オルタネータを発電停止状態にして前記キャパシタの蓄積エネルギの負荷給電に制御する制御手段と
    前記オルタネータの発電停止状態の制御中に前記キャパシタ電圧検出手段の検出電圧が前記オルタネータの低電圧側の出力電圧以下に低下することにより、前記励磁電流をオンし、前記発電停止状態の制御を解除して前記オルタネータの発電出力による負荷給電及び前記キャパシタの充電に制御する手段と
    を備えたことを特徴とする車両用発電制御装置。
  2. 請求項に記載の車両用発電制御装置において、
    前記所定以上の充電量は、満充電状態の充電量であることを特徴とする車両用発電制御装置。
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