JP5283259B2 - 発電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電制御装置に関し、特に、エンジン発電機の出力電流をエンジンのフリクションが大きい領域でのみバッテリや負荷に供給するように制御する発電制御装置に関する。

自動二輪車や四輪自動車等、エンジンで駆動される車両は、エンジンで駆動される発電機を備え、車両での使用電力を供給するバッテリは、この発電機の出力電流で充電される。また、一般に、車載発電機はエンジン始動用モータに兼用される。

車載発電機による発電量はエンジンの負荷に応じて可変制御されることが知られている。例えば、特表平３−５０４４０７号公報には、バッテリ電圧が所定レベルに達した場合に発電機能を停止させる交流発電機式バッテリ充電方法において、エンジンに重い負荷が掛かっている場合には、所定レベルにまでバッテリが充電されていなくても交流発電機の発電機能を停止または低減させることにより、エンジンの効率低下の防止を図るバッテリ充電方法が提案されている。

また、特開平３−２１２２００号公報には、電気負荷状態や、自動車に適用した場合の自動車の運転状態に応じて界磁巻線電流を制御する装置において、ノック発生時に発電機の界磁電流を制御したり、界磁電流を停止したりする制御装置が提案されている。
特表平３−５０４４０７号公報 特開平３−２１２２００号公報

特許文献１や２に記載された従来の発電制御装置または充電制御装置では、負荷が大きい場合には発電量を制限してエンジンの負荷を軽減できる。一方、４サイクル中のエンジンの回転変動による振動は、乗車しているユーザに伝わり、ユーザはエンジンの鼓動を感じる。特に、自動二輪車のユーザによっては、停車時における低周期振動によるエンジンの鼓動を心地よく感じる場合がある。

本発明の目的は、エンジンの低周期振動による鼓動感を増大させてユーザの趣味性に寄与することができる発電制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、４サイクルエンジンで駆動される発電機の発電制御装置において、発電機の出力電流を制御するスイッチング回路と、エンジンの吸入サイクルおよび圧縮サイクルまでのうち、少なくとも圧縮期間を作動領域として前記スイッチング回路を作動させる発電期間制御手段とを具備している点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記作動領域が、予め設定したアイドル回転数とアイドル回転数より高い値に設定された充電開始回転数との間でのみ有効とされ、前記充電開始回転数以上のエンジン回転数領域では、４サイクルの全てを前記スイッチング回路の作動領域とした点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記発電期間制御手段が、前記スイッチング回路の基本スイッチングパターンに対してマスキング処理をすることにより、前記作動領域以外でのスイッチング回路の出力を禁止させるように構成されている点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、前記発電機が、その出力電流で充電されるバッテリに接続されて使用されるものであり、前記スイッチング回路が、所定のレギュレート電圧に前記バッテリの端子電圧を収斂させるように決定されたデューティに従って駆動される点に第４の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、フリクションの大きい吸入サイクルから圧縮サイクルまでの間に設定された作動領域でのみスイッチング回路が作動して発電されるので、この作動領域では発電によるフリクションがエンジン自体のフリクションに加わる。したがって、４サイクル中の前記作動領域と、他の領域（サイクル）との間でフリクションの差が助長されて、４サイクル中のエンジン回転数の変動が大きくなる。その結果、エンジンの鼓動感が強調され、ユーザの趣味感に応えることができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、発電期間の限定をアイドル回転数から充電開始回転数の間、つまり比較的低回転数の領域で行うので、特に停車時等、トルクの小さい低回転数領域で、サイクルに応じてフリクションに違いを持たせることができるので、ユーザに確かな鼓動感を与えることができる。

第３の特徴を有する本発明によれば、発電電力をバッテリに供給するシステムにおいて、所定のレギュレート電圧を基準にバッテリの充電制御を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の発電制御装置の一実施形態に係る充電制御装置のシステム構成を示す図である。

図１において、発電機１はインナロータ２とアウタステータ３とからなり、インナロータ２は４サイクルエンジン４のクランク軸５の一端に連結されている。アウタステータ３は３相出力巻線６を有していて、３相出力巻線６は、スイッチング回路７の入力側に接続されている。スイッチング回路７の出力側は、バッテリ８および負荷９に接続されている。スイッチング回路７は６個のＦＥＴ７１、７２、７３、７４、７５、７６からなる３相ブリッジ回路である。スイッチング回路７のＦＥＴ７１〜７６の通電位相を変化させてデューティ制御を行う出力制御装置としてのＦＥＴドライバ１０が設けられる。

つまり、スイッチング回路７のＦＥＴ７１〜７６は所定の基本スイッチングパターンに従って切り替えられ、ＦＥＴ７１〜７６のオン時間によって出力電流が制御される。

発電機１のインナロータ２には、周方向に所定数の磁極が配置されたセンサマグネット１１が設けられている。隣接する磁極同士は互いに磁性が異なる。センサマグネット１１の周面には、クランク角センサ１２が配置されている。クランク角センサ１２は複数の磁電変換素子（ホール素子）からなる。本実施形態では、センサマグネット１１の磁極は８極であり、つまり４５°間隔で磁極が配置されている。そして、クランク角センサ１２は３０°間隔で配置された３つのホール素子からなり、それぞれのホール素子が順次１５°間隔で検出信号（以下、「ピッチ信号」と呼ぶ））を出力する。このホール素子の検出信号はＦＥＴドライバ１０に入力される。

上記構成により、ＦＥＴドライバ１０は、４サイクル中の予め決定されているフリクションが大きい区間でスイッチング回路７から電流Ｉが出力されるようにＦＥＴ７１〜７６を制御し、バッテリ８および負荷９に電流Ｉが供給される。

まず、図２を参照して本実施形態の充電制御の概要を説明する。図２は横軸にクランク角α、縦軸にエンジン回転数Ｎｅをとっている。横軸に示すように、クランク角センサ１２の出力に対応して１５°間隔で目盛りが表示されている。この目盛りの左端が圧縮上死点（トップ位置）であり、エンジン４が回転すると、このトップ位置を始点として１８０°間隔で、爆発行程、排気行程、吸入行程、および圧縮行程が順に繰り返される。

そして、この目盛りに対応させて表示している充電期間つまり発電期間はエンジン回転数Ｎｅにより異なっている。エンジン回転数Ｎｅに応じて充電期間Ａ、およびＢが設定される。充電期間Ａは吸入行程および圧縮行程の範囲（クランク角３６０°〜７２０°）に設定される。つまり、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したアイドル回転数ＮｅＩＤから、アイドル回転数ＮｅＩＤより高い値に予め設定した通常充電開始回転数ＮｅＣＨまでの間では、全行程のうち吸入行程を始点とする限定された範囲でのみ充電が行われる。そして、通常充電開始回転数ＮｅＣＨより高いエンジン回転数域では、充電期間はＢに切り替わり、エンジンの全行程で、負荷やバッテリ電圧に応じてデューティが制御されて充電制御される。

吸入行程は混合気の吸気負荷がフリクションとして発生し、圧縮行程では燃焼室を圧縮するためのエネルギがフリクションとして発生する。これらの行程に充電期間つまりスイッチング回路の作動領域を設定することによって、これらの行程で、他の行程（爆発行程や排気行程）とは際だって負荷を増大させることができる。その結果、４サイクル中でエンジン回転数の変動を助長して、エンジンの鼓動を生じさせることができる。特に、停車時等、エンジンが低回転域のときには、回転数変動は低周期となるので、エンジンの鼓動はさらに強調される。

そこで、この実施形態では、エンジン回転数Ｎｅが通常充電開始回転数ＮｅＣＨ以下で、発電によるフリクションを増大させるため吸入行程および圧縮行程で充電を行うこととしている。なお、低回転時におけるスイッチング回路７の作動領域は前記Ａに限らず、吸入行程および圧縮行程のうち、少なくとも圧縮行程を含んでいればよい。

図３は、発電機１の基本出力特性を示す図であり、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸に出力電流Ｉをとっている。この図において、エンジン始動後、エンジン回転数Ｎｅがアイドル開始回転数ＮｅＩＤＬに到達した時点で充電を開始する。しかし、ここでの充電は、全行程で充電を行う通常充電ではなく、図２に関して説明した所定の充電期間のみで充電を行うもの（「周期充電」と呼ぶ）である。そして、エンジン回転数Ｎｅが通常充電開始回転数ＮｅＣＨに到達した時点で、周期充電を終了し、エンジンの全行程で負荷やバッテリ電圧に基づいて充電量を制御する。つまり、アイドル回転数ＮｅＩＤＬから通常充電開始回転数ＮｅＣＨまでの回転数域は周期充電領域であり、通常充電開始回転数ＮｅＣＨ以上の回転数域は通常充電領域である。

図４は、ＦＥＴドライバ１０の要部機能を示すブロック図である。図４において、ＦＥＴドライバ１０は、充電期間制御ブロックＢ１０１と、レギュレート電圧制御ブロック１０２と、ディーティ設定部１０３と、アンドゲート１０４とからなる。

充電期間制御ブロック１０１は、機械角カウンタ１３、上死点検出部１４、クランク角検出部１５、エンジン回転数検出部１６、充電期間記憶部１７、および充電期間判定部１８からなる。

機械角カウンタ１３は、１５°間隔で入力されるピッチ信号を計数する第１カウンタ１３１と、ピッチ信号を６個計数する毎にカウンタ値がインクリメント（＋１）される第２カウンタ１３２とからなる。つまり、第２カウンタ１３２のカウンタ値は機械角９０°毎に増加する。第２カウンタ１３２は初期値が「０」で最大値が「７」である。したがって、機械角７２０°、つまりエンジン２の４サイクル周期でカウンタ値は循環する。

上死点検出部１４は、第２カウンタ１３２のカウンタ値が「０」の位置を圧縮上死点として決定する。但し、第２カウンタ１３２のカウンタ値のみでは、圧縮上死点位置は不明であるので、この例では、外部からの信号とのアンド（ＡＮＤ）で上死点を確定する。外部からの信号として、例えば、燃料噴射制御で燃料噴射タイミングを決定するＦＩ信号を使用できる。ＦＩ信号は燃料を噴射するため圧縮上死点近傍の所定範囲で出力される。そこで、このＦＩ信号の出力期間内で第２カウンタのカウンタ値のインクリメントが検出されたならば、そのカウンタ値のインクリメントのタイミングが圧縮上死点であると確定する。圧縮上死点が確定されたならば、第２カウンタ１３２のカウンタ値を「０」にリセットする。

クランク角検出部１５は、機械角カウンタ１３の第２カウンタ１３２からのカウンタ値とピッチ信号とによって圧縮上死点を基準とするクランク角を検出する。例えば、カウンタ値「０」が入力された時からピッチ信号が３つ入力されれば、クランク角は４５°（０°＋１５°×３＝４５°）であり、例えば、カウンタ値「２」からピッチ信号が４つ入力されれば、クランク角２４０°（９０°×２＋１５°×４＝２４０°）である。

エンジン回転数検出部１６はピッチ信号の周期を監視し、この周期によってエンジン回転数Ｎｅを検出し、エンジン回転数Ｎｅが周期充電領域にあるとき、つまり所定の低回転数領域にあるとき、充電期間記憶部１７に領域検出信号を出力する。充電期間記憶部１７には、周期充電領域での充電期間（図２の「Ａ」）が予め記憶されている。充電期間は１５°単位で設定される。充電期間記憶部１７はエンジン回転数検出部１６から領域検出信号が入力されると、充電期間を示すデータを充電期間判定部１８に入力する。充電期間判定部１８は、クランク角と充電期間とを比較し、クランク角が充電期間内である場合に充電制御信号を出力する。

レギュレート電圧制御ブロック１０２は、レギュレート電圧検出部１９、レギュレート電圧設定部２０、電圧比較部２１、およびデューティ決定部２２からなる。レギュレート電圧設定部２０には、予めレギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆが予め記憶されている。レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆは規定のバッテリ電圧値１４．５ボルトとする。レギュレート電圧検出部１９は、現在のバッテリ電圧Ｖｂをレギュレート電圧として検出し、電圧比較部２１に入力する。電圧比較部２１では、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆと検出電圧値Ｖｂとの大小比較を行い、その結果をデューティ決定部２２に入力する。

デューティ増減部２２は入力された両値（Ｖｒｅｆ、Ｖｂ）の大小に応じてＦＥＴのデューティを変化させる。つまり、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆより検出電圧値Ｖｂが小さいときは、デューティを大きくし、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆより検出電圧値Ｖｂが大きいときは、デューティを小さくするデューティ増減信号を出力する。なお、デューティの増減量は一定値であってもよいし、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆに対する検出電圧値Ｖｂの偏差の大きさによって、偏差が大きい場合は１回のデューティ増減量を大きくし、偏差が小さい場合は１回のデューティ増減量を小さくしてもよい。デューティ増減信号はデューティ設定部１０３に入力される。デューティ設定部１０３は、増減されたデューティとスイッチング回路７の駆動指令とをアンドゲート１０４に入力する。

一方、充電期間判定部１８からの充電制御信号はアンドゲート１０４にゲート信号として入力される。したがって、充電制御信号がオンの間、デューティ決定部２２から出力されるデューティとＦＥＴ７１〜７６の駆動指令とがスイッチング回路７に入力される。スイッチング回路７のＦＥＴ７１〜７６はデューティ設定部１０３から出力される駆動信号に応答して駆動され、デューティに応じた位相の間オンになる。ＦＥＴ７１〜７６がオンの間、発電機１の３相出力巻線６に生じた電流がバッテリ８および負荷９に供給される。

図５はクランク角センサ１２とセンサマグネット１１の位置関係を示す模式図である。図５に示すように、センサマグネット１１はリング状の永久磁石からなり、４５°間隔でＮ極（Ｎ）とＳ極（Ｓ）とが交互に配列されるように設定されている。クランク角センサ１２はセンサマグネット１１の外周面に対向配置された３つのホール素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなる。ホール素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃは互いに３０°間隔で配置されており、これらホール素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力はオアゲート２５を介して前記第１カウンタ１３１に入力される。つまりセンサマグネット１１とホール素子１２ａ等との位置関係によって１５°間隔のピッチ信号が形成される。

図６は、上死点検出部１４の作用を説明する模式図である。図６において、ピッチ信号が６個検出される毎（つまり機械角９０毎°）に前記第２カウンタ１３２カウンタ値が「０」〜「７」のサイクルで循環する。そして、ＦＩ信号が出力されている期間に対応しているカウンタ値が「０」にリセットされる。

つまり、図６の上段に示したリセット前の仮のカウンタ値は、中段に示したＦＩ信号とのアンドをとった結果、下段のように確定される。その結果、カウンタ値０〜２が爆発行程、カウンタ値２〜４が排気行程、カウンタ値４〜６が吸入行程、カウンタ値６〜８が圧縮行程として確定される。

スイッチング回路７は、ＦＥＴ７１〜７６を予め設定したスイッチングパターンでスイッチングして、発電機１による発電電流を直流に変換する。低エンジン回転数域（周期充電領域）では充電期間Ａ以外は充電をしないために、充電時間Ａ以外の時間帯に予めマスキングパターンを設定し、マスキングパターンが設定されている時間はＦＥＴ７１〜７６のハイ側およびロー側をいずれもオープン（開）にして発電機１の出力を停止させる。

なお、上述のようにエンジンの行程によって充電電流を変化させているので、バッテリ電圧は変動する。そこで、レギュレート電圧検出部１９では、各行程でバッテリ電圧を複数回読み込み、その平均値をバッテリ電圧（レギュレート電圧）として検出する。そして、この平均値には、充電期間Ａ〜Ｅに応じて重み付けを行うことができる。つまり、全行程のうち充電期間Ａ〜Ｄでのみ充電を行っている場合は、１．０未満の係数を乗じ、全行程（充電期間Ｅ）で充電を行っている場合は、係数１．０を乗じる。

なお、上死点検出部１４では、機械角９０°毎の、仮のカウンタ値をＦＩ信号とのアンド演算に基づいて確定したカウンタ値とすることにより、上死点を検出した。しかし、これに限らず、機械角９０°毎のエンジン回転数の平均値をとり、全行程中でこの平均値の差が最大となったところをカウンタ値「０」すなわち上死点として確定するようにしてもよい。これは、ＦＩ信号が得られないキャブレータ付きエンジンに好適である。

本発明の一実施形態に係る充電制御装置のシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン回転数と充電期間との関係を示す図である。 発電機の出力特性図である。 ＦＥＴドライバの要部機能を示すブロック図である。 クランク角センサとセンサマグネットとの位置関係を示す模式図である。 上死点検出部の作用を説明する模式図である。

符号の説明

１…発電機、 ４…エンジン、 ６…３相出力巻線、 ７…スイッチング回路、 ８…バッテリ、 １０…ＦＥＴドライバ、 １２…クランク角センサ、 １３…機械角カウンタ、 １０１…充電期間制御ブロック、 １０２…レギュレート電圧制御ブロック

Claims (3)

1. ４サイクルエンジン（４）で駆動される発電機（１）の発電制御装置において、
   発電機の出力電流を制御するスイッチング回路（７）と、
   エンジン（４）の吸入サイクルおよび圧縮サイクルまでのうち、少なくとも圧縮サイクルを作動領域として前記スイッチング回路（７）を作動させる発電期間制御手段（１０１）とを具備し、
   前記作動領域が、予め設定したアイドル回転数（ＮｅＩＤＬ）とアイドル回転数より高い値に設定された充電開始回転数（ＮｅＣＨ）との間でのみ有効とされ、前記充電開始回転数（ＮｅＣＨ）以上のエンジン回転数領域では、４サイクルの全てを前記スイッチング回路（７）の作動領域としていることを特徴とする発電制御装置。
2. 前記発電期間制御手段（１０１）が、前記スイッチング回路（７）の基本スイッチングパターンに対してマスキング処理をすることにより、前記作動領域以外でのスイッチング回路（７）の出力を禁止させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電制御装置。
3. 前記発電機（１）が、その出力電流で充電されるバッテリ（８）に接続されて使用されるものであり、
   前記スイッチング回路（７）が、所定のレギュレート電圧（Ｖｒｅｆ）に前記バッテリ（８）の端子電圧（Ｖｂ）を収斂させるように決定されたデューティに従って駆動されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電制御装置。

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