JP5558608B1 - 電源装置および電源装置の制御方法 - Google Patents

電源装置および電源装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】磁石式交流発電機を用いて、従来よりも発電効率を向上させるとともに、入力トルクを低減することができる電源装置および電源装置の制御方法を得る。
【解決手段】電圧制御部５は、出力電圧および出力電流信号に従って、整流部３の出力電力を、磁石式交流発電機１の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御し、回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、出力電圧および出力電流信号に従って、変圧比を、磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御し、回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、変圧比を、整流部３の出力電力を下げる方向に制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁石式交流発電機を用いた電源装置および電源装置の制御方法に関する。
従来、例えば下記の特許文献１、２等に開示された磁石式交流発電機を用いた電源装置がある。これらの電源装置は、概して、磁石式交流発電機、整流回路および発電電圧制御回路で構成されている。磁石式交流発電機で発電された電力は、整流回路により直流に変換され、発電電圧制御回路に入力される。発電電圧制御回路では、例えば蓄電装置からなる電気的負荷の電圧に合わせた電圧になるように短絡制御が行われ、電気的負荷へ電力が供給される。
特許第４９３１９８７号明細書 特許第５００８７４９号明細書
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の磁石式交流発電機を用いた電源装置では、発電機単体での発電電圧を、電気的負荷の電圧に合わせて制御している。このため、発電機は、単一の発電電圧での発電を強いられていた。一方、磁石式交流発電機は、回転子の回転数によって発電効率が最大となる発電電圧が異なる。したがって、従来の電源装置における発電機では、必ずしも良好な発電効率となる発電電圧での発電が行われていなかった。
また、発電電圧制御回路においては、電気的負荷への電力供給が、電気的負荷の状態のみに合わせて制御されていた。しかしながら、電源装置が搭載される例えば発動機等の場合、発電機への回転力供給装置（自動車であればエンジン）の状態は常に変化しており、回転力供給装置側が高負荷、低効率で運転されているときでも、電気的負荷側の状態にのみ合わせて発電を行うので、非効率的であった。
一方、磁石式交流発電機は、回転子の回転速度によって発電量が異なっており、従来の電源装置における磁石式交流発電機では、電気的負荷に必要な発電が必ずしも常時、行われているわけではなかった。
上記の課題を解決するために、回転子や回転力供給装置の運転状態に応じて磁石式交流発電機の出力端の整流回路と短絡回路とを切り替えることで、入力トルクを低減し、発電効率を向上させていた。しかしながら、短絡回路に切り替えた場合、入力トルクは低減できるものの、発電が一切できない状態となっていた。また、整流回路と短絡回路とを切り替えることにより、トルクの急変が起こり、車両の場合には、乗り心地を損なう。
また、発電効率向上のために、回転速度域毎に発電電圧を切り替え、発電効率が高い領域を利用していた。しかしながら、入力電圧を回転速度域毎に区分しているので、常に最高効率で発電できるわけではなかった。また、直流電圧変圧装置において昇圧機能を有していないので、最高効率の電圧が出力電圧以下である場合には、最大効率で発電できず、発電量が少なくなる。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、磁石式交流発電機を用いて、従来よりも発電効率を向上させるとともに、入力トルクを低減することができる電源装置および電源装置の制御方法を得ることを目的とする。
この発明に係る電源装置は、永久磁石を有する回転子、および回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式交流発電機と、磁石式交流発電機で発生された交流電流を直流電流に整流する整流部と、磁石式交流発電機で発生された電力が供給される電気的負荷と、整流部の出力電圧を、電気的負荷の入力端子間の入力電圧に変圧する変圧比可変の直流電圧変圧装置と、直流電圧変圧装置の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部と、回転子の回転に係る回転速度変化量信号を含む運転状態信号および出力電圧および出力電流信号に基づいて、直流電圧変圧装置における変圧比を、設定した範囲内で無段階に制御する電圧制御部と、を備え、電圧制御部は、出力電圧および出力電流信号に従って、整流部の出力電力を、磁石式交流発電機の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御し、回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、出力電圧および出力電流信号に従って、変圧比を、磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御し、回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、変圧比を、整流部の出力電力を下げる方向に制御するものである。
また、この発明に係る電源装置の制御方法は、永久磁石を有する回転子、および回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式交流発電機と、磁石式交流発電機で発生された交流電流を直流電流に整流する整流部と、磁石式交流発電機で発生された電力が供給される電気的負荷と、整流部の出力電圧を、電気的負荷の入力端子間の入力電圧に変圧する変圧比可変の直流電圧変圧装置と、直流電圧変圧装置の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部と、回転子の回転に係る回転速度変化量信号を含む運転状態信号および出力電圧および出力電流信号に基づいて、直流電圧変圧装置における変圧比を、設定した範囲内で無段階に制御する電圧制御部と、を備えた電源装置の制御方法であって、出力電圧および出力電流信号に従って、整流部の出力電力を、磁石式交流発電機の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御するステップと、回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、出力電圧および出力電流信号に従って、変圧比を、磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御するステップと、回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、変圧比を、整流部の出力電力を下げる方向に制御するステップと、を有するものである。
この発明に係る電源装置および電源装置の制御方法によれば、電圧制御部（制御ステップ）は、出力電圧および出力電流信号に従って、整流部の出力電力を、磁石式交流発電機の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御し、回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、出力電圧および出力電流信号に従って、変圧比を、磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御し、回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、変圧比を、整流部の出力電力を下げる方向に制御する。
そのため、磁石式交流発電機を用いて、従来よりも発電効率を向上させるとともに、入力トルクを低減することができる。
この発明の実施の形態１に係る電源装置を示す全体構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電源装置における直流電圧変圧装置の構成を例示する回路図である。 （ａ）〜（ｃ）は、この発明の実施の形態１に係る電源装置における磁石式発電機の発電特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電源装置における変圧比の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る電源装置における変圧比の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る電源装置を示す全体構成図である。 この発明の実施の形態３に係る電源装置における変圧比の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る電源装置における変圧比の別の制御を示すフローチャートである。
以下、この発明に係る電源装置および電源装置の制御方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
この発明の電源装置は、発電効率が従来よりも向上するような発電電圧で発電するとともに、直流電圧変圧装置により電気的負荷の電圧に合わせて変圧することで、従来よりも高い出力電流を得ることを可能にするものである。
また、上記発電機の発電電圧を制御するとともに、直流電圧変圧装置により電気的負荷の電圧に合わせて変圧することで、発電電流の制御も可能となる。これにより、発電電流を抑制する制御を行った場合に、回転力供給装置からの入力トルク（入力エネルギー）が抑制され、回転力供給装置の負荷軽減が可能となる。
さらに、車両の減速時には、各回転速度における電圧−電力特性を追従する制御により、最大発電量の電圧に発電機の発電電圧を制御することで、トルクの有効活用が可能となる。また、車両の加速時には、各回転速度における電圧−電力特性を追従する制御により、最低発電量の電圧に発電機の発電電圧を制御することで、トルクの低減が可能となる。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電源装置を示す全体構成図である。図１において、この電源装置は、磁石式交流発電機１（以下、「磁石式発電機１」と略称する）と、磁石式発電機１で発生された電力が供給される、例えば蓄電装置からなる電気的負荷２と、磁石式発電機１で発生された交流電流を直流電流に整流する整流部３と、整流部３の出力電圧と、電気的負荷２の入力電圧との電圧比を変更するための直流電圧変圧装置４と、変圧比を制御する電圧制御部５と、直流電圧変圧装置４の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部６とから構成される。
磁石式発電機１は、円筒形の支持体内側に、回転方向（円周方向）に沿って複数に分割された界磁磁石（永久磁石）を有する回転子１ａと、Δ結線された固定子巻線を有する固定子１ｂとから構成される。回転子１ａは、回転力供給装置ＲＳの回転を伝達する回転軸ＲＡに接続されている。例えば車載用の電源装置の場合には、回転力供給装置ＲＳは内燃機関であり、回転子１ａは、内燃機関のクランクシャフトに直結またはクランクシャフトにベルトやギア等を介して接続された回転軸ＲＡに接続されている。
ここで、回転軸ＲＡの回転とともに回転子１ａが回転することで、固定子１ｂの固定子巻線に交流電流が発生する。固定子１ｂ側に発生した交流電流は、整流部３に設けられた６つのダイオードＤで構成される３相ダイオードブリッジにより直流電流に整流される。
直流電圧変圧装置４は、直流電圧変圧装置４の入力電圧Ｖｉｎを、直流電圧変圧装置４の出力電圧Ｖｏｕｔに変圧して電気的負荷２に供給する。このときの変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）は、磁石式発電機１や回転力供給装置ＲＳの運転状態を示す信号である、例えば回転子１ａの回転速度変化量信号や、直流電圧変圧装置４の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部６の信号に従って、電圧制御部５により制御される。
なお、運転状態を示す信号として、回転子１ａの回転速度センサ（図示省略）からの信号がある。また、電源装置が車両に搭載されているものである場合には、運転状態を示す信号として、例えば回転子１ａが結合されている内燃機関のクランクシャフトの回転速度を示す回転速度センサや内燃機関の電子制御装置（ともに図示省略）等から得られる回転速度変化量信号がある。
図２は、この発明の実施の形態１に係る電源装置における直流電圧変圧装置４の構成を例示する回路図である。図２は、昇降圧形の非絶縁ＤＣ／ＤＣ電力変換回路を示している。図２において、入力側のコンデンサＣｉの両端には、整流部３の出力端子間電圧Ｖｉｎを受ける一対の入力端子が設けられている。
コンデンサＣｉには、並列に、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ、以下単に「トランジスタ」と称する）からなるトランジスタＭＯＳ１と電流帰還用のダイオードＤ１との直列回路が接続されている。コンデンサＣｏの両端には、電気的負荷２の入力端子間に接続される一対の出力端子が設けられ、直流電圧変圧装置４の出力電圧Ｖｏｕｔが電気的負荷２に供給される。
コンデンサＣｏには、並列に、トランジスタＭＯＳ２とダイオードＤ２との直列回路が接続されている。トランジスタＭＯＳ１とダイオードＤ１との中点と、トランジスタＭＯＳ２とダイオードＤ２との中点との間には、インダクタＬｃが接続されている。
図１に戻って、電圧制御部５は、回転子１ａの回転速度変化量を示す信号か、またはこれに相当する運転状態を示す信号、並びに直流電圧変圧装置４の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部により得られた信号に従って、トランジスタＭＯＳ１およびトランジスタＭＯＳ２のゲート端子への信号を制御して、入力側のコンデンサＣｉと出力側のコンデンサＣｏとの変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を調整する。
図３は、この発明の実施の形態１に係る電源装置における磁石式発電機１の発電特性を示す説明図である。図３（ａ）は、磁石式発電機１の回転速度がそれぞれ１０００ｒ／ｍｉｎ．、２０００ｒ／ｍｉｎ．、３０００ｒ／ｍｉｎ．である場合における、直流電圧変圧装置４の入力電圧Ｖｉｎと直流電圧変圧装置４の入力電力Ｐｉｎとの関係を示している。また、図３（ｂ）は、同様の場合における直流電圧変圧装置４の入力電圧Ｖｉｎと磁石式発電機１の発電効率との関係を示し、図３（ｃ）は、同様の場合における直流電圧変圧装置４の入力電圧Ｖｉｎと磁石式発電機１の必要トルクとの関係を示している。
図３（ａ）〜（ｃ）より、１０００ｒ／ｍｉｎ．において、１４Ｖ出力の発電では、発電効率が悪く、１４Ｖよりも低電圧の領域で効率が高くなる。２０００ｒ／ｍｉｎ．では、１４Ｖ出力で効率が高くなる。また、３０００ｒ／ｍｉｎ．では、１４Ｖよりも高電圧の領域で効率が高くなる。
すなわち、各回転速度において、変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を電圧制御部５で制御することにより、直流電圧変圧装置４の出力電圧Ｖｏｕｔを１４Ｖとした状態で充電でき、従来の単一の発電電圧での発電に比べて、出力電力および発電効率を向上させることができる。また、直流電圧変圧装置４の入力電圧Ｖｉｎを、直流電圧変圧装置４の入力電力Ｐｉｎの最大点以下の電圧で制御することで、直流電圧変圧装置４の入力電圧Ｖｉｎを下げ、発電トルクを低減することができる。
以下、図４のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係る電源装置における変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）の制御について説明する。なお、説明および図を簡潔にするために、直流電圧変圧装置４の入力電圧ＶｉｎをＶｉｎ、直流電圧変圧装置４の入力電流ＩｉｎをＩｉｎ、直流電圧変圧装置４の入力電力ＰｉｎをＰｉｎ、直流電圧変圧装置４の出力電圧ＶｏｕｔをＶｏｕｔ、直流電圧変圧装置４の出力電流ＩｏｕｔをＩｏｕｔ、直流電圧変圧装置４の出力電力ＰｏｕｔをＰｏｕｔ、磁石式発電機１の各回転速度における最大発電量ＰｍａｘをＰｍａｘ、電気的負荷２の消費電力ＰｌｏａｄをＰｌｏａｄ、磁石式発電機１の回転速度ＮｅをＮｅ、磁石式発電機１の回転速度の変化量ＮｅｖをＮｅｖと適時表記する。
また、トランジスタＭＯＳ１とトランジスタＭＯＳ２との１スイッチング周期に対するオン時間をＤＵＴＹと定義する。
まず、ＶｏｕｔとＩｏｕｔとが取得され、Ｐｏｕｔが算出されるとともに、Ｎｅｖが取得される（ステップＳ１）。Ｐｏｕｔ（電気的負荷２の入力電力）は、磁石式発電機１の出力電力とほぼ同じ値となる。
続いて、車両状態が加速状態であるか否かが判定される（ステップＳ２）。すなわち、Ｎｅｖがあるあらかじめ定められた定数α未満であるか、Ｎｅｖがα以上であるかが判定される。
ステップＳ２において、Ｎｅｖがある定数α未満である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、Ｐｏｕｔと前回の制御周期のＰｏｕｔとが比較され、Ｐｏｕｔが増加しているか否かが判定される（ステップＳ３）。すなわち、Ｐｏｕｔが前回の制御周期よりも大きいか否かが判定される。
ステップＳ３において、Ｐｏｕｔが増加している（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、前回の制御周期でＤＵＴＹを減少させたか否かが判定される（ステップＳ４）。
一方、ステップＳ３において、Ｐｏｕｔが増加していない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、前回の制御周期でＤＵＴＹを減少させたか否かが判定される（ステップＳ５）。
ステップＳ４において、ＤＵＴＹを減少させた（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合、およびステップＳ５において、ＤＵＴＹを減少させていない（増加させた）（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、Ｖｉｎが図３（ａ）の出力電力のピーク値よりも低い電圧で推移しているので、Ｖｏｕｔが目標電圧以下であるか否かが判定される（ステップＳ６）。
ステップＳ６において、Ｖｏｕｔが目標電圧以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、Ｐｏｕｔを大きくするために、ＤＵＴＹが減少される（ステップＳ７）。具体的には、前回の制御周期のＤＵＴＹに対し、ある一定値分が減少される。このＤＵＴＹの減少量は、常に一定である。これによって、Ｖｉｎは大きくなる。
次に、ＤＵＴＹが下限値以下であるか否かが判定される（ステップＳ８）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹに下限値を設けないと、Ｖｉｎが際限なく大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ８において、ＤＵＴＹが下限値以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ＤＵＴＹにＤＵＴＹの下限値が代入され（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻る。
一方、ステップＳ８において、ＤＵＴＹが下限値よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ１に戻る。
一方、ステップＳ４において、ＤＵＴＹを減少させていない（増加させた）（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合、ステップＳ５において、ＤＵＴＹを減少させた（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、Ｖｉｎが図３（ａ）の出力電力のピーク値より高い電圧で推移しているので、ＤＵＴＹが増加される（ステップＳ１０）。
また、ステップＳ６において、Ｖｏｕｔが目標電圧よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、Ｐｏｕｔを小さくするために、ステップＳ８において、ＤＵＴＹが増加される。具体的には、前回の制御周期のＤＵＴＹに対し、ある一定値分が増加される。このＤＵＴＹの増加量は、常に一定である。これによって、Ｖｉｎは小さくなる。
次に、ＤＵＴＹが上限値以上であるか否かが判定される（ステップＳ１１）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹに上限値を設けないと、ＤＵＴＹが１スイッチング周期よりも大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ１１において、ＤＵＴＹが上限値以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ＤＵＴＹにＤＵＴＹの上限値が代入され（ステップＳ１２）、ステップＳ１に戻る。
また、ステップＳ２において、Ｎｅｖがα以上である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、ステップＳ１２において、ＤＵＴＹにＤＵＴＹの上限値が代入される。
一方、ステップＳ１１において、ＤＵＴＹが上限値よりも小さい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ１に戻る。
このように、ステップＳ６、ステップＳ７およびステップＳ１０の処理を実行することにより、Ｖｏｕｔが目標電圧と一致するようにフィードバック制御が行われるので、Ｖｉｎは、一定の電圧に収束する。
以上説明したように、この発明の実施の形態１では、Ｖｉｎを負荷に応じて、図３（ａ）の曲線カーブを追従させ、磁石式発電機１の出力電力の最大点となるＶｉｎよりも低い電圧でＶｉｎを制御することができる。
また、磁石式発電機１の出力電力以上の電気的負荷２が接続されている場合、従来であれば、図３（ｂ）のＶｉｎが１４Ｖのポイントでしか発電できなかったものが、発電効率が最もよいポイントで発電することが可能となる。
また、Ｖｏｕｔが目標電圧以上になると、ＤＵＴＹを増加させて、Ｖｉｎを低下させることで、図３（ｃ）の特性により、トルクを低減することが可能となる。
また、車両の状態として、減速を認識した場合には、負荷に応じて発電電圧を制御するので、従来よりも減速トルクを有効に活用できる。また、車両の状態として、加速を認識した場合には、磁石式発電機１の出力電力の最大点となるＶｉｎよりも低い電圧でＶｉｎを制御し、Ｖｉｎの電圧を低下させることで、図３（ｃ）の特性により、発電に使用するトルクの低減が可能となる。
さらに、Ｐｉｎが最大となるＶｉｎがＶｏｕｔよりも低い回転速度の場合には、従来は効率が低いポイントで出力していたが、この発明の実施の形態１では、直流電圧変圧装置４が昇圧機能を有しており、昇圧動作を行うことでＰｍａｘまで発電することができるので、発電効率の向上が可能となる。
以上のように、実施の形態１によれば、電圧制御部は、出力電圧および出力電流信号に従って、整流部の出力電力を、磁石式交流発電機の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御し、回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、出力電圧および出力電流信号に従って、変圧比を、磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御し、回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、変圧比を、整流部の出力電力を下げる方向に制御する。
そのため、磁石式交流発電機を用いて、従来よりも発電効率を向上させるとともに、入力トルクを低減することができる。
実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、ＶｉｎがＶｏｕｔよりも高い降圧動作の場合には、オンオフ動作を行う素子をトランジスタＭＯＳ１とし、ＶｉｎがＶｏｕｔよりも低い昇圧動作の場合には、オンオフ動作を行う素子をトランジスタＭＯＳ２とすることにより、上記実施の形態１に比べ、発電効率をさらに向上できる電源装置に関するものである。
ここで、この発明の実施の形態２に係る電源装置の全体構成、および直流電圧変圧装置４の構成は、それぞれ上述した実施の形態１における図１および図２と同様なので、説明を省略する。
以下、図５のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態２に係る電源装置における変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）の制御について説明する。なお、図２のトランジスタＭＯＳ１の１スイッチング周期に対するオン時間をＤＵＴＹ−ＢＫ、トランジスタＭＯＳ２の１スイッチング周期に対するオン時間をＤＵＴＹ−ＢＴと定義する。
また、降圧モードとは、ＶｉｎがＶｏｕｔよりも高い状態の制御モードであり、昇圧モードとは、ＶｉｎがＶｏｕｔよりも低い状態の制御モードである。降圧モードでは、トランジスタＭＯＳ２のＤＵＴＹ−ＢＴは０％であり、昇圧モードでは、トランジスタＭＯＳ１のＤＵＴＹ−ＢＫは１００％である。
まず、ＶｏｕｔとＩｏｕｔとが取得され、Ｐｏｕｔが算出されるとともに、Ｎｅｖが取得される（ステップＳ２１）。Ｐｏｕｔ（電気的負荷２の入力電力）は、磁石式発電機１の出力電力とほぼ同じ値となる。
続いて、車両状態が加速状態であるか否かが判定される（ステップＳ２２）。すなわち、Ｎｅｖがある定数α未満であるか、Ｎｅｖがα以上であるかが判定される。
ステップＳ２２において、Ｎｅｖがある定数α未満である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、降圧モードであるか否かが判定される（ステップＳ２３）。
ステップＳ２３において、降圧モードである（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、Ｐｏｕｔと前回の制御周期のＰｏｕｔとが比較され、Ｐｏｕｔが増加しているか否かが判定される（ステップＳ２４）。すなわち、Ｐｏｕｔが前回の制御周期よりも大きいか否かが判定される。
ステップＳ２４において、Ｐｏｕｔが増加している（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、前回の制御周期でＤＵＴＹ−ＢＫを減少させたか否かが判定される（ステップＳ２５）。
一方、ステップＳ２４において、Ｐｏｕｔが増加していない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、前回の制御周期でＤＵＴＹ−ＢＫを減少させたか否かが判定される（ステップＳ２６）。
ステップＳ２５において、ＤＵＴＹ−ＢＫを減少させた（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合、およびステップＳ２６において、ＤＵＴＹ−ＢＫを減少させていない（増加させた）（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、Ｖｉｎが図３（ａ）の出力電力のピーク値よりも低い電圧で推移しているので、Ｖｏｕｔが目標電圧以下であるか否かが判定される（ステップＳ２７）。
ステップＳ２７において、Ｖｏｕｔが目標電圧以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、Ｐｏｕｔを大きくするために、ＤＵＴＹ−ＢＫが減少される（ステップＳ２８）。具体的には、前回の制御周期のＤＵＴＹ−ＢＫに対し、ある一定値分が減少される。このＤＵＴＹ−ＢＫの減少量は、常に一定である。これによって、Ｖｉｎは大きくなる。
次に、ＤＵＴＹ−ＢＫが下限値以下であるか否かが判定される（ステップＳ２９）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹ−ＢＫに下限値を設けないと、Ｖｉｎが際限なく大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ２９において、ＤＵＴＹ−ＢＫが下限値以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ＤＵＴＹ−ＢＫにＤＵＴＹ−ＢＫの下限値が代入され（ステップＳ３０）、ステップＳ２１に戻る。
一方、ステップＳ２９において、ＤＵＴＹ−ＢＫが下限値よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ２１に戻る。
一方、ステップＳ２５において、ＤＵＴＹ−ＢＫを減少させていない（増加させた）（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合、ステップＳ２６において、ＤＵＴＹ−ＢＫを減少させた（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、Ｖｉｎが図３（ａ）の出力電力のピーク値より高い電圧で推移しているので、ＤＵＴＹ−ＢＫが増加される（ステップＳ３１）。
また、ステップＳ２７において、Ｖｏｕｔが目標電圧よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、Ｐｏｕｔを小さくするために、ステップＳ３１において、ＤＵＴＹ−ＢＫが増加される。具体的には、前回の制御周期のＤＵＴＹ−ＢＫに対し、ある一定値分が増加される。このＤＵＴＹ−ＢＫの増加量は、常に一定である。これによって、Ｖｉｎは小さくなる。
次に、ＤＵＴＹ−ＢＫが上限値以上であるか否かが判定される（ステップＳ３２）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹ−ＢＫに上限値を設けないと、ＤＵＴＹ−ＢＫが１スイッチング周期よりも大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ３２において、ＤＵＴＹ−ＢＫが上限値以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、昇圧モードに移行し、ＤＵＴＹ−ＢＫにＤＵＴＹ−ＢＴの下限値が代入され（ステップＳ３３）、ステップＳ２１に戻る。
一方、ステップＳ３２において、ＤＵＴＹ−ＢＫが上限値よりも小さい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ２１に戻る。
続いて、ステップＳ２３において、降圧モードでない（昇圧モードである）（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、Ｐｏｕｔと前回の制御周期のＰｏｕｔとが比較され、Ｐｏｕｔが増加しているか否かが判定される（ステップＳ３４）。
これ以下、ステップＳ３４からステップＳ３８まで、およびステップＳ４１の制御は、それぞれ上述したステップＳ２４からステップＳ２８まで、およびステップＳ３１の制御と同じルーチンであり、ＤＵＴＹ−ＢＫとＤＵＴＹ−ＢＴとを変更しているのみなので、説明を省略する。
次に、ＤＵＴＹ−ＢＴが下限値以下であるか否かが判定される（ステップＳ３９）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹ−ＢＴに下限値を設けないと、Ｖｉｎが際限なく大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ３９において、ＤＵＴＹ−ＢＴが下限値以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、降圧モードに移行し、ＤＵＴＹ−ＢＴにＤＵＴＹ−ＢＫの上限値が代入され（ステップＳ４０）、ステップＳ２１に戻る。
一方、ステップＳ３９において、ＤＵＴＹ−ＢＴが下限値よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ２１に戻る。
また、ＤＵＴＹ−ＢＴが上限値以上であるか否かが判定される（ステップＳ４２）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹ−ＢＴに上限値を設けないと、ＤＵＴＹ−ＢＴが１スイッチング周期よりも大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ４２において、ＤＵＴＹ−ＢＴが上限値以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ＤＵＴＹ−ＢＴにＤＵＴＹ−ＢＴの上限値が代入され（ステップＳ４３）、ステップＳ２１に戻る。
また、ステップＳ２２において、Ｎｅｖがα以上である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、ステップＳ４３において、ＤＵＴＹ−ＢＴにＤＵＴＹ−ＢＴの上限値が代入される。
一方、ステップＳ４２において、ＤＵＴＹ−ＢＴが上限値よりも小さい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ２１に戻る。
このように、ステップＳ２７、ステップＳ２８およびステップＳ３１、並びにステップＳ３７、ステップＳ３８およびステップＳ４１の処理を実行することにより、Ｖｏｕｔが目標電圧と一致するようにフィードバック制御が行われるので、Ｖｉｎは、一定の電圧に収束する。
以上説明したように、この発明の実施の形態２では、降圧モードと昇圧モードとで、別々のトランジスタＭＯＳを動作させることにより、発電効率の向上が可能となる。
また、Ｖｉｎを負荷に応じて、図３（ａ）の曲線カーブを追従させ、磁石式発電機１の出力電力の最大点となるＶｉｎよりも低い電圧でＶｉｎを制御することができる。
また、磁石式発電機１の出力電力以上の電気的負荷２が接続されている場合、従来であれば、図３（ｂ）のＶｉｎが１４Ｖのポイントでしか発電できなかったものが、発電効率が最もよいポイントで発電することが可能となる。
また、Ｖｏｕｔが目標電圧以上になると、ＤＵＴＹを増加させて、Ｖｉｎを低下させることで、図３（ｃ）の特性により、トルクを低減することが可能となる。
また、車両の状態として、減速を認識した場合には、負荷に応じて発電電圧を制御するので、従来よりも減速トルクを有効に活用できる。また、車両の状態として、加速を認識した場合には、磁石式発電機１の出力電力の最大点となるＶｉｎよりも低い電圧でＶｉｎを制御し、Ｖｉｎの電圧を低下させることで、図３（ｃ）の特性により、発電に使用するトルクの低減が可能となる。
さらに、Ｐｉｎが最大となるＶｉｎがＶｏｕｔよりも低い回転速度の場合には、従来は効率が低いポイントで出力していたが、この発明の実施の形態２では、直流電圧変圧装置４が昇圧機能を有しており、昇圧動作を行うことでＰｍａｘまで発電することができるので、発電効率の向上が可能となる。
実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、磁石式発電機１の運転状態（回転数ｒｐｍ）に対応する出力電圧−出力電力特性（直流電圧変圧装置４の入力電圧−入力電力特性）を記憶し、回転子１ａの回転速度、回転速度変化量、電気的負荷２の状態と、記憶している出力電圧−出力電力特性との比較結果に従って、直流電圧変圧装置４の変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を制御することで、発電効率の向上およびトルクの低減が可能である電源装置に関するものである。
図６は、この発明の実施の形態３に係る電源装置を示す全体構成図である。図６において、この電源装置は、電圧制御部５に、磁石式発電機１の運転状態（回転数ｒｐｍ）に対応する出力電圧−出力電力特性を記憶する記憶部Ｍを有している。なお、電源装置のその他の構成、および直流電圧変圧装置４の構成は、それぞれ上述した実施の形態１における図１および図２と同様なので、説明を省略する。
以下、図７のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態３に係る電源装置における変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）の制御について説明する。
まず、Ｖｏｕｔと、Ｎｅと、Ｎｅｖと、Ｐｌｏａｄとが取得される（ステップＳ５１）。
続いて、車両状態が加速状態であるか否かが判定される（ステップＳ５２）。すなわち、Ｎｅｖがある定数α未満であるか、Ｎｅｖがα以上であるかが判定される。
ステップＳ５２において、Ｎｅｖがある定数α未満である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、取得されたＮｅに基づいて、電圧制御部５の記憶部Ｍに記憶されている各回転速度のＶｉｎとＰｉｎとの特性の中から、使用される特性が決定される（ステップＳ５３）。
次に、取得されたＮｅにおけるＰｍａｘとＰｌｏａｄとが比較され、ＰｌｏａｄがＰｍａｘよりも小さいか否かが判定される（ステップＳ５４）。
ステップＳ５４において、ＰｌｏａｄがＰｍａｘよりも小さい（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ステップＳ５３で採用されたＶｉｎとＰｉｎとの特性から、ＰｌｏａｄとＰｉｎとが同じになるＶｉｎが決定される（ステップＳ５５）。
続いて、ステップＳ５５で決定されたＶｉｎとなるＤＵＴＹが算出される（ステップＳ５６）。ただし、ステップＳ５５で決定されたＶｉｎとなるＤＵＴＹは、ＤＵＴＹＡおよびＤＵＴＹＢの２つが存在し、それぞれＶｉｎとＶｏｕｔとの比から算出される。
次に、ステップＳ５６で算出されたＤＵＴＹＡとＤＵＴＹＢとが比較され、数値が大きい方がＤＵＴＹとして採用される（ステップＳ５７）。これは、図３（ａ）の特性におけるＰｉｎの最大電力点よりも低い電圧で動作させるためである。
続いて、ＤＵＴＹが下限値以下であるか否かが判定される（ステップＳ５８）。ここで、この判定は、ＤＵＴＹに下限値を設けないと、Ｖｉｎが際限なく大きくなってしまうので、このことを防止するために必要になる。
ステップＳ５８において、ＤＵＴＹが下限値以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ＤＵＴＹにＤＵＴＹの下限値が代入され（ステップＳ５９）、ステップＳ５１に戻る。
一方、ステップＳ５８において、ＤＵＴＹが下限値よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、そのままステップＳ５１に戻る。
また、ステップＳ５４において、ＰｌｏａｄがＰｍａｘ以上である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、ステップＳ５９において、ＤＵＴＹに、ステップＳ５３で決定したＶｉｎ−Ｐｉｎ特性より算出されるＤＵＴＹの下限値が代入される。
また、ステップＳ５２において、Ｎｅｖがα以上である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、ＤＵＴＹにＤＵＴＹの上限値が代入され（ステップＳ６０）、ステップＳ５１に戻る。
以上説明したように、この発明の実施の形態３では、記憶したＶｉｎ−Ｐｉｎ特性からＤＵＴＹを決定しているので、実施の形態１に比べ、シンプルな制御が可能となる。
また、Ｖｉｎを負荷に応じて、図３（ａ）の曲線カーブを追従させ、磁石式発電機１の出力電力の最大点となるＶｉｎよりも低い電圧でＶｉｎを制御することができる。
また、磁石式発電機１の出力電力以上の電気的負荷２が接続されている場合、従来であれば、図３（ｂ）のＶｉｎが１４Ｖのポイントでしか発電できなかったものが、発電効率が最もよいポイントで発電することが可能となる。
また、Ｖｏｕｔが目標電圧以上になると、ＤＵＴＹを増加させて、Ｖｉｎを低下させることで、図３（ｃ）の特性により、トルクを低減することが可能となる。
また、車両の状態として、減速を認識した場合には、負荷に応じて発電電圧を制御するので、従来よりも減速トルクを有効に活用できる。また、車両の状態として、加速を認識した場合には、磁石式発電機１の出力電力の最大点となるＶｉｎよりも低い電圧でＶｉｎを制御し、Ｖｉｎの電圧を低下させることで、図３（ｃ）の特性により、発電に使用するトルクの低減が可能となる。
さらに、Ｐｉｎが最大となるＶｉｎがＶｏｕｔよりも低い回転速度の場合には、従来は効率が低いポイントで出力していたが、この発明の実施の形態３では、直流電圧変圧装置４が昇圧機能を有しており、昇圧動作を行うことでＰｍａｘまで発電することができるので、発電効率の向上が可能となる。
なお、上記実施の形態３で設定されたＤＵＴＹを、上記実施の形態１で示した変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）の制御におけるＤＵＴＹの初期値として用いることができる。
以下、図８のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態３に係る電源装置における変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）の別の制御について説明する。
まず、ステップＳ６１から６７までの制御は、上述した実施の形態３におけるステップＳ５１から５８まで（ステップＳ５２除く）の制御と同じルーチンなので、説明を省略する。
続いて、ステップＳ６７において、ＤＵＴＹが下限値以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ＤＵＴＹにＤＵＴＹの下限値が代入され（ステップＳ６８）、ステップＳ７０に移行する。
また、ステップＳ６３において、ＰｌｏａｄがＰｍａｘ以上である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合にも、ステップＳ６８において、ＤＵＴＹに、ステップＳ６２で決定したＶｉｎ−Ｐｉｎ特性より算出されるＤＵＴＹの下限値が代入される。
一方、ステップＳ６７において、ＤＵＴＹが下限値よりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、ＤＵＴＹにステップＳ６６で採用されたＤＵＴＹＡおよびＤＵＴＹＢの一方を代入し（ステップＳ６９）、ステップＳ７０に移行する。
これ以下、ステップＳ７０からステップＳ８１までの制御は、上述した実施の形態１におけるステップＳ１からステップＳ１２までの制御と同じルーチンなので、説明を省略する。
以上説明したように、上記実施の形態３で設定されたＤＵＴＹを、上記実施の形態１で示した変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）の制御におけるＤＵＴＹの初期値として用いることにより、Ｖｉｎが、一定の電圧に収束するまでの時間を短縮することができる。
なお、この発明においては、上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことはいうまでもない。
１ 磁石式発電機（磁石式交流発電機）、１ａ 回転子、１ｂ 固定子、２ 電気的負荷、３ 整流部、４ 直流電圧変圧装置、５ 電圧制御部、６ 電圧電流検出部。

Claims (7)

  1. 永久磁石を有する回転子、および前記回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式交流発電機と、
    前記磁石式交流発電機で発生された交流電流を直流電流に整流する整流部と、
    前記磁石式交流発電機で発生された電力が供給される電気的負荷と、
    前記整流部の出力電圧を、前記電気的負荷の入力端子間の入力電圧に変圧する変圧比可変の直流電圧変圧装置と、
    前記直流電圧変圧装置の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部と、
    前記回転子の回転に係る回転速度変化量信号を含む運転状態信号および前記出力電圧および出力電流信号に基づいて、前記直流電圧変圧装置における変圧比を、設定した範囲内で無段階に制御する電圧制御部と、を備え、
    前記電圧制御部は、
    前記出力電圧および出力電流信号に従って、前記整流部の出力電力を、前記磁石式交流発電機の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御し、
    前記回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、前記出力電圧および出力電流信号に従って、前記変圧比を、前記磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御し、
    前記回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、前記変圧比を、前記整流部の出力電力を下げる方向に制御する
    電源装置。
  2. 前記直流電圧変圧装置は、スイッチング素子を含み、
    前記電圧制御部は、前記スイッチング素子の１スイッチング周期に対するオン時間を制御することによって、前記変圧比を制御する
    請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記電圧制御部は、前記磁石式交流発電機の運転状態に対応する前記直流電圧変圧装置の入力電圧と入力電力との関係を記憶する記憶部を備え、
    前記運転状態信号は、前記回転子の回転に係る回転速度信号を含み、
    前記電圧制御部は、前記回転速度信号に基づいて、前記記憶部が記憶している前記直流電圧変圧装置の入力電力と前記電気的負荷の状態とを比較し、比較結果に従って、前記直流電圧変圧装置の始動後における最初の変圧比を設定する
    請求項１または請求項２に記載の電源装置。
  4. 前記電圧制御部は、前記運転状態信号および前記電気的負荷の状態に基づいて、前記直流電圧変圧装置に含まれるスイッチング素子を切り替える
    請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の電源装置。
  5. 前記電圧制御部は、前記電圧電流検出部で検出された前記直流電圧変圧装置の出力電圧が目標電圧よりも大きい場合に、前記変圧比を、前記整流部の出力電力を下げる方向に制御する
    請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の電源装置。
  6. 前記直流電圧変圧装置は、昇圧機能を有し、
    前記電圧制御部は、前記磁石式交流発電機の発電量が最大となる前記整流部の出力電力が、前記電気的負荷の入力端子間の入力電圧よりも低い場合に、前記運転状態信号に基づいて、直流電圧変圧装置の昇圧比を、前記磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御する
    請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の電源装置。
  7. 永久磁石を有する回転子、および前記回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式交流発電機と、
    前記磁石式交流発電機で発生された交流電流を直流電流に整流する整流部と、
    前記磁石式交流発電機で発生された電力が供給される電気的負荷と、
    前記整流部の出力電圧を、前記電気的負荷の入力端子間の入力電圧に変圧する変圧比可変の直流電圧変圧装置と、
    前記直流電圧変圧装置の出力電圧および出力電流信号を検出する電圧電流検出部と、
    前記回転子の回転に係る回転速度変化量信号を含む運転状態信号および前記出力電圧および出力電流信号に基づいて、前記直流電圧変圧装置における変圧比を、設定した範囲内で無段階に制御する電圧制御部と、を備えた電源装置の制御方法であって、
    前記出力電圧および出力電流信号に従って、前記整流部の出力電力を、前記磁石式交流発電機の発電量が最大となる電圧よりも低い電圧で制御するステップと、
    前記回転速度変化量信号が減速状態、または回転速度変化量があらかじめ定められた定数よりも小さいことを示す場合に、前記出力電圧および出力電流信号に従って、前記変圧比を、磁石式交流発電機の発電効率が向上する方向に制御するステップと、
    前記回転速度変化量信号が加速状態を示す場合に、前記変圧比を、前記整流部の出力電力を下げる方向に制御するステップと、
    を有する電源装置の制御方法。
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