JP5971663B1 - 車両用発電電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機および発電電動機として機能する車両用発電電動機が、発電動作時に効率が高い発電モードで運転するように制御する。【解決手段】車両用発電電動機１２は、電機子コイル１３と界磁コイル４とを有する回転電機１と、界磁コイル４の電流を制御する界磁電流制御部５と、複数のスイッチング素子２からなるインバータ装置６とを備えている。制御装置９は、発電モードとして、インバータで位相制御された交番電流を電機子コイル１３に通電するインバータ発電モードと、界磁コイル４の電流制御によるオルタネータ発電モードとを有している。制御装置９は、インバータ発電モードおよびオルタネータ発電モードにおける車両用発電電動機１２の効率マップを備え、効率が高くなる発電モードが選択されるようにインバータ発電モードとオルタネータ発電モードの切替制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は車両用発電電動機の制御装置に関し、特に、内燃機関の始動時または走行時に始動電動機あるいはトルクアシスト電動機として動作すると共に、内燃機関の始動後に発電機として動作する機能を合わせ持つ車両用発電電動機を制御するための車両用発電電動機の制御装置に関する。

近年、自動車の燃費規制の流れから、車両の停止時に内燃機関を停止するアイドルストップを採用する車両、あるいは、電動機を用いて内燃機関のトルクをアシストする車両が増加している。また、これらの車両において、内燃機関と回転電機とが常時結合されて、始動機能やトルクアシスト機能に加えて、走行中または減速時における発電機能も有する発電電動機が注目されている。

上記の発電電動機は、従来の発電機に始動電動機としての機能を持たせることで、始動電動機を搭載するスペースを不要にできる。

また、発電電動機を用いた内燃機関のトルクアシスト機能を持たせるか、または、車両の減速時にエネルギー回生機能を持たせることで、燃費向上を図ることができる。

上記した発電電動機は、内燃機関と結合しており、内燃機関の回転速度に応じて、発電電動機の回転数が変動する。発電動作時には、発電電動機の回転子コイルに通電することで、磁場を生成し、生成された磁場と発電電動機の回転動作により、誘起電圧を発生させて、発電を行っている。

しかしながら、内燃機関の低回転時には、発電電動機で発生する誘起電圧の値が、充電対象の車載バッテリの電圧よりも低くなる場合もある。その場合には、インバータにより位相制御された交番電流を電機子コイルに通電することにより電機子コイルの電圧を昇圧チョッパー制御するインバータ発電動作が行われる。こうして、内燃機関の回転数が増加して、発電電動機で発生する誘起電圧の値が、充電対象の車載バッテリの電圧よりも高くなると、オルタネータ発電動作として、発電が行われる。

従来技術において、上記インバータ発電モードとオルタネータ発電モードとの切り替えを行う場合、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードへの切替回転速度にヒステリシスを持たせると共に、切替回転速度を、発電電動機の電気負荷量に対応して制御する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５８４７号公報

特許文献１に記載の構成を用いれば、特定の回転速度での運転中に発電モードが頻繁に切り替わることがなく、また、発電モードの切り替えに際してのショックを緩和することができる。しかしながら、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードにおいて、同一の回転数、同一の電気負荷量や発電トルクであっても、それぞれの動作モードにおけるインバータの効率と、回転電機の効率の両者から得られる発電電動機の効率は異なる。そのため、特許文献１で提案されている構成は、必ずしも発電電動機やインバータの効率が最も高くなるような発電動作モードで運転されているとは限らない。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、発電電動機の効率が最も高くなる発電モードが選択されるように、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの切替を行うことが可能な、車両用発電電動機の制御装置を得ることを目的とするものである。

本発明は、車両に搭載される車両用発電電動機を制御するための車両用発電電動機の制御装置であって、前記車両用発電電動機は、電機子コイルと界磁コイルとを有し、前記車両に設けられた内燃機関に結合されて電動機および充電発電機として機能する回転電機と、前記界磁コイルの電流を制御する界磁電流制御部と、複数のスイッチング素子がブリッジ接続され、前記回転電機の前記電機子コイルに交番電流を供給するインバータ装置とを備え、前記制御装置は、運転者からの要求値に基づいて前記車両用発電電動機に対する要求出力を算出する要求出力算出部と、前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記インバータ装置の各スイッチング素子をＰＷＭ信号により駆動する第１の駆動部と、前記界磁電流制御部を制御する第２の駆動部とを備えるとともに、前記回転電機が充電発電機として機能するときの発電モードとして、前記第１の駆動部により前記ＰＷＭ信号を前記スイッチング素子に与えることで、前記インバータ装置から位相制御された交番電流を前記電機子コイルに通電し、前記電機子コイルの電圧を昇圧チョッパー制御するインバータ発電モードと、前記第２の駆動部により前記界磁電流制御部を制御して、前記界磁コイルの電流制御を行うオルタネータ発電モードとを備え、前記制御装置は、前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記車両用発電電動機の効率マップを有し、各前記効率マップは、前記回転電機の回転速度と前記要求出力とで定義される各領域ごとの前記車両用発電電動機の効率を格納しているものであって、前記制御装置は、前記回転速度検出部からの前記回転速度と前記要求出力算出部からの前記要求出力とに基づいて、それらの値に対応する領域の前記効率の値を各前記効率マップから求め、各前記効率マップから求めた前記効率の値に応じて、効率が高い方の発電モードが選択されるよう、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードの切替制御を行うとともに、前記制御装置は、前記インバータ装置の温度を検出するインバータ温度検出部をさらに備え、前記制御装置は、前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記車両用発電電動機の前記効率マップに加え、前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記インバータ装置の効率マップを有し、前記インバータ装置の各前記効率マップは、前記回転電機の回転速度と前記要求出力とで定義される各領域ごとの前記インバータ装置の効率を格納しているものであって、前記制御装置は、前記インバータ温度検出部における前記インバータ装置の温度値に基づき、前記車両用発電電動機の効率マップおよび前記インバータ装置の効率マップのうちの一方を選択し、選択した方の各効率マップを用いて、前記回転速度検出部からの前記回転速度と前記要求出力算出部からの前記要求出力とに基づいて、それらの値に対応する領域の前記効率の値を、選択した方の各前記効率マップから求め、各前記効率マップから求めた前記効率の値に応じて、効率が高い方の発電モードが選択されるよう、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードの切替制御を行う、車両用発電電動機の制御装置である。

本発明は、制御装置は、発電モードとして、インバータで位相制御された交番電流を電機子コイルに通電するインバータ発電モードと、界磁コイルの電流制御によるオルタネータ発電モードとを有するとともに、インバータ発電モードおよびオルタネータ発電モードにおける車両用発電電動機の効率マップを備え、効率が高くなる発電モードが選択されるようにインバータ発電モードとオルタネータ発電モードの切替制御を行うようにしたので、発電電動機の効率が最も高くなる発電モードが選択されるように、インバータ発電モードとオルタネータ発電モードの切替を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機およびその制御装置の全体構成を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機の制御装置における発電モードの切替制御の動作を示す概略ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機の効率特性を示した効率マップの一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機の制御装置における発電モードの切替制御の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る車両用発電電動機およびその制御装置の全体構成を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用発電電動機のインバータ装置の効率特性を示した効率マップの一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用発電電動機の制御装置における発電モードの切替制御の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１から図４を用いて、本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機およびその制御装置を説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲に限定するためのものではない。図１は車両用発電電動機およびその制御装置の構成を示す全体構成図、図２は制御装置における発電モードの切替制御の動作を示すブロック図、図３はインバータ発電時およびオルタネータ発電時における車両用発電電動機の効率マップを示す説明図、図４は制御装置の発電モードの切替制御の動作を示すフローチャートである。本実施の形態に係る車両用発電電動機１２は、車両に搭載され、図１に示すように、回転電機１と、インバータ装置６と、界磁電流制御部５とから構成されている。また、車両用発電電動機１２は、車両に搭載された車載バッテリ１６に接続されている。

回転電機１は、車両用内燃機関（図示せず）に結合されている。回転電機１は、内燃機関の始動時および内燃機関の出力を補うトルクアシスト時には始動電動機およびトルクアシスト電動機として機能するとともに、内燃機関の始動後には車載バッテリ１６を充電する充電発電機としても機能する。回転電機１は、例えば、三相の電機子コイル１３からなる固定子と、界磁コイル４からなる回転子とを備えている。界磁コイル４には、界磁電流制御部５を介して、車載バッテリ１６から界磁電流が供給される。発電動作時には、界磁電流制御部５は、界磁コイル４に流す界磁電流を制御して、所望の誘起電圧を発生させることで、回転電機１の発電トルクまたは発電電力が、外部から要求値１１として要求される目標値になるように制御する。なお、ここで、要求値１１とは、例えばドライバのアクセルペダルの踏み込み量である。要求値１１は、制御装置９に設けられた後述する要求出力算出部（図示せず）に入力される。要求出力算出部は、入力された要求値１１に基づいて、ドライバが要求する発電トルクまたは発電電力の値を、「要求出力」として算出する。

また、回転電機１はインバータ装置６により制御される。インバータ装置６は、図１に示すように、例えば６個のスイッチング素子２が三相ブリッジ接続されたインバータ回路と、それらのスイッチング素子２に対して逆接続されて整流回路を形成するダイオード３と、コンデンサ１０とから構成されている。コンデンサ１０は、インバータ装置６の直流電流を平滑するためのものである。また、スイッチング素子２は、例えばＭＯＳＦＥＴから構成される。Ｕ，Ｖ、Ｗの各相のスイッチング素子２の上アームと下アームの接続点１７は、回転電機１の各相の電機子コイル１３に接続されている。

回転電機１には、回転電機１の回転位置を検出するための回転位置検出センサ７が設けられている。
また、車載バッテリ１６には、車載バッテリ１６のバッテリ電圧を検出するためのバッテリ電圧検出部８が設けられている。

制御装置９には、回転位置検出センサ７で検出された回転位置と、バッテリ電圧検出部８で検出されたバッテリ電圧と、要求値１１とが、入力される。制御装置９は、これらの値に基づいて、車両用発電電動機１２の動作モードを、「駆動モード」および「発電モード」のいずれに設定するかを決定する。なお、「駆動モード」とは、内燃機関の始動または内燃機関のトルクアシストを行うモードのことである。また、「発電モード」とは、内燃機関の始動後に、回転電機１が発電機として動作して発電を行うモードのことである。なお、「発電モード」には、インバータ発電を行う「インバータ発電モード」と、オルタネータ発電を行う「オルタネータ発電モード」とが含まれる。

制御装置９は、インバータ装置６の各スイッチング素子２をＰＷＭ信号により駆動する第１の駆動部（図示せず）と、界磁電流制御部５を制御する第２の駆動部（図示せず）とを有している。さらに、上述したように、制御装置９は、要求値１１に基づいて、ドライバが所望する発電トルクまたは発電電力の値を、要求出力として算出するための、要求出力算出部を有している。

このように構成された本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機の制御装置において、内燃機関の始動時あるいは内燃機関のトルクアシスト時の「駆動モード」においては、制御装置９は、回転位置検出センサ７が検出する回転電機１の回転位置と、バッテリ電圧検出部８の電圧値と、要求値１１により要求される発電トルクとに基づいて、それらに対応するＰＷＭ信号を生成し、第１の駆動部により、当該ＰＷＭ信号をスイッチング素子２に与える。さらに、制御装置９は、第２の駆動部により、界磁電流制御部５に対して、所望の界磁電流が得られるような指令を送り、回転電機１を電動機として駆動する。

また、内燃機関の始動後の「発電モード」では、回転電機１は発電機としても動作する。このとき、回転電機１の回転速度が予め設定された閾値以下の場合には、回転電機１で発生する誘起電圧が、充電対象の車載バッテリ１６の電圧よりも低くなる場合がある。その場合には、第１の駆動部により、スイッチング素子２にＰＷＭ信号を与えて、インバータ装置６により位相制御された交番電流を、電機子コイル１３に通電することにより、電機子コイル１３の電圧を昇圧チョッパー制御し、回転電機１の出力を制御する。この制御方法での発電を「インバータ発電モード」と称することにする。

一方、内燃機関の回転数が上がり、回転電機１の回転速度が上記閾値より大きくなると、回転電機１で発生する誘起電圧が、充電対象の車載バッテリ１６の電圧に対して十分大きくなる。この場合には、制御装置９は、第１の駆動部からスイッチング素子２に与えていたＰＷＭ信号を停止する。また、制御装置９は、第２の駆動部により、界磁電流制御部５を制御して、界磁電流制御部５の動作により、要求値１１で与えられた所望の発電トルクあるいは発電電力が得られるように、界磁コイル４の電流を制御する。この制御方法での発電を「オルタネータ発電モード」と称することにする。このモードでの出力では、ダイオード３により構成される全波整流回路により、車載バッテリ１６の充電が行われる。

本実施の形態においては、制御装置９が、回転電機１の回転速度と、要求値１１による発電トルクあるいは発電電力とに応じて、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」との切り替えを行う。以下では、本実施の形態における制御装置９の動作を図２から図４に基づき説明する。

なお、図３は、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」でそれぞれ用いられる車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂを示している。図３の各効率マップ９ａ，９ｂにおいて、横軸は回転電機１の回転速度、縦軸は発電トルクを示している。なお、縦軸は発電電力でもよい。効率マップ９ａ，９ｂは、回転速度と発電トルクとに対応して、それらの値に対応する車両用発電電動機１２の効率がプロットされた、三次元効率マップである。各効率の値は、事前に実験等で計測された値に基づいて決定され、各効率マップ９ａ，９ｂにプロットされるものとする。図３に示されるように、回転速度と発電トルクとで定義される各領域ごとに、車両用発電電動機１２の発電効率が変動することがわかる。最も効率の高い領域では、効率が９０％以上であるが、他の領域では７０％を下回っている。このように、領域によって効率が変動する。さらに、効率マップ９ａ，９ｂを比較すると分かるように、同一の回転速度、かつ、同一の発電トルクであっても、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」のそれぞれの動作モードにおける車両用発電電動機１２の効率は異なる。従って、各領域ごとに、車両用発電電動機１２の効率が最も高くなる発電モードを、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」から、適宜、適切に選択することが重要である。制御装置９は、内部に設けられた記憶装置（図示せず）に、これらの効率マップ９ａ，９ｂを予め記憶している。制御装置９は、回転速度と発電トルクとを検索キーとして、各効率マップ９ａ，９ｂを参照することにより、当該回転速度と発電トルクとに対応する「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」における車両用発電電動機１２の各効率を一意に決定することができる。そのため、制御装置は、そうして得られた各効率の値を比較して、効率の高い方の発電モードを選択することで、常に、効率が最も高くなる発電モードを容易に決定することができる。

このように、制御装置９は、「インバータ発電モード」および「オルタネータ発電モード」のそれぞれの動作モードにおける図３に示す車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂを記憶装置内に有している。図３の効率マップ９ａ，９ｂから分かるように、回転電機１の回転速度が小さい低速回転域では、インバータ発電モードのみでしか発電できない領域がある。そのため、回転電機１の回転速度が小さい場合には、「インバータ発電モード」での発電を行う。一方、回転電機１の回転速度が大きい高速回転域では、要求される発電トルクあるいは発電電力において、「インバータ発電モード」においても、「オルタネータ発電モード」においても、どちらのモードでも発電可能である。このような高速回転域の領域の発電においては、制御装置９は、「インバータ発電モード」の効率マップ９ａと、「オルタネータ発電モード」の効率マップ９ｂの両者の効率を比較し、より高い効率が得られるように、適宜、効率が高い方の発電モードに切り替えることで、車両用発電電動機１２を、より高効率に動作させる制御を行う。

ただし、上記のような制御において回転速度の僅かな変動により、発電モードが頻繁に切り替わる場合が考えられるため、図２に示すように、制御装置９は比較部１４と動作モード決定部１５とを備え、「インバータ発電モード」から「オルタネータ発電モード」への発電モードの切替、および、「オルタネータ発電モード」から「インバータ発電モード」への発電モードの切替に、ヒステリシスを持たせるようにしている。具体的には、比較部１４において、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」とを比較して、効率の高い方の動作モードが現在の動作モードと異なる場合、両者の効率の差分がある閾値以下の場合は、現在の運転モードを継続し、閾値より大きい場合に、発電時の動作モードを切り替えるように制御することで、頻繁な発電モードの切り替わりをなくすことが可能である。

以上の制御装置９の動作を、図２および図４を用いて説明する。
まず、ステップＳ１で、制御装置９は、回転位置検出センサ７から入力される回転電機１の回転速度が、第１の閾値以下か否かを判定する。回転速度が第１の閾値以下の場合には、制御装置９は、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、動作モード決定部１５により、動作モードを「インバータ発電モード」に設定する。一方、回転速度が第１の閾値より大きい場合には、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、制御装置９は、要求出力算出部（図示せず）により、要求値１１から発電トルクを演算し、回転速度と発電トルクに対応する車両用発電電動機１２の効率値を、効率マップ９ａ，９ｂから取得する。
次に、ステップＳ３で、制御装置９は、比較部１４により、効率マップ９ａから取得された効率値と、効率マップ９ｂから取得された効率値とを比較し、いずれの効率値の方が高いかを決定する。さらに、それらの効率値の差分を求め、当該差分が第２の閾値以下か否かを判定する。当該差分が第２の閾値以下の場合には、現在の運転モードを継続するため、そのまま処理を終了する。一方、当該差分が第２の閾値より大きい場合は、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、制御装置９は、動作モード決定部１５により、ステップＳ３で決定された効率値が高い方の運転モードに、現在の運転モードを設定する。

上述のように、本実施の形態における制御方法により、車両用発電電動機１２を発電動作させる際に、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」の中から、車両用発電電動機１２の効率が高い方の発電モードを選択することで、車両用発電電動機１２の高効率な運転制御を実現することができる。

なお、本実施の形態１では、バッテリ電圧値との関係については言及していないが、バッテリ電圧検出部８から得られるバッテリ電圧値に対応して、「インバータ発電モード」および「オルタネータ発電モード」のそれぞれにおいて、各電圧値ごとに、複数の効率マップを有することで、さまざまなバッテリ電圧値においても同様の効果を有することが可能である。

また、本実施の形態１における「オルタネータ発電モード」時の動作において、ダイオード３を経由して発電を行う方法を説明しているが、その場合に限らず、特定の相のダイオード３に電流が流れている際に、対応する相のスイッチング素子２をＯＮさせて、スイッチング素子２側を経由して発電を行う同期整流発電を行ってもよく、その場合においても、同様の効果を得ることが可能である。

以上のように、本実施の形態においては、電機子コイル１３と界磁コイル４とを有し、内燃機関に結合されて、始動時および駆動時に電動機として機能するとともに始動後に充電発電機としても機能する回転電機１と、界磁コイル４の電流を制御する界磁電流制御部５と、複数のスイッチング素子２がブリッジ接続され、回転電機１の電機子コイル１３に交番電流を供給するインバータ装置６とを備えた車両用発電電動機１２に対し、インバータ装置６の各スイッチング素子２をＰＷＭ信号により駆動し、回転電機１が充電発電機として機能するとき、低速回転域ではインバータ装置６から位相制御された交番電流を電機子コイル１３に通電することにより、電機子コイル１３の電圧を昇圧チョッパー制御する「インバータ発電モード」で発電を行い、高速回転域では、界磁コイル４の電流制御による「オルタネータ発電モード」か、あるいは、「インバータ発電モード」かのいずれか一方の、効率の高い方になるように切替制御する制御装置９を備えている。
制御装置９は、「インバータ発電モード」および「オルタネータ発電モード」動作時のそれぞれの車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂを有し、車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂに応じて、車両用発電電動機１２の効率が高くなる発電モードが選択されるよう、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」の切替制御を行う。
これにより、車両用発電電動機１２の効率が最も高くなる発電モードを常に選択することができるので、車両用発電電動機１２の効率化を図ることができる。

さらに、本実施の形態では、車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂを、回転電機１の回転数と、車両用発電電動機１２に要求される発電トルクまたは発電電力とに応じて、予め設定された三次元マップから構成するようにしたので、効率マップ９ａ，９ｂを参照することで、容易にかつ確実に、各領域における車両用発電電動機１２の効率値を一意に求めることができる。また、効率マップ９ａ，９ｂを用いるため、膨大な演算処理が必要ではなく、演算負荷を抑えることができる。

また、上述したように、回転速度の僅かな変動により、発電モードが頻繁に切り替わる場合が考えられるため、発電モードの切替に、図２及び図４を用いて説明したように、ヒステリシスを持たせるようにしてもよい。これにより、頻繁な発電モードの切り替わりをなくすことができ、発電動作を安定させることができる。

さらにまた、オルタネータ発電モードは、同期整流発電制御をするように制御したものであるので、領域によっては、インバータ発電モードよりも高い効率を得ることができる。そのため、領域ごとに、適宜、発電モードを切り替えることで、高効率化を実現することができる。

実施の形態２．
図５に、本発明の実施の形態２に係る車両用発電電動機およびその制御装置の一例を示す。図５は、車両用発電電動機とその制御装置における全体構成図である。なお、上述の図１に示した実施の形態１における構成要素と同一または相当するものには、同一の参照番号を付して示し、ここではその説明を省略する。

図１に示す実施の形態１との違いは、図５に示すように、本実施の形態２においては、インバータ装置６の温度を検出するためのインバータ温度検出部１８が設けられている点と、制御装置９が効率マップを４種類有している点である。他の構成および動作は、実施の形態１と同じである。

インバータ温度検出部１８は、例えばスイッチング素子２の温度、または、図５では図示していないインバータ装置６の基板の温度などを計測する手段であり、代表的にはサーミスタや半導体などで構成される。

制御装置９が有する４種類の効率マップ９ａ〜９ｄについて説明する。制御装置９は、以下の４種類の効率マップ９ａ〜９ｄを有している。ここで、効率マップ９ａ，９ｂは、実施の形態１で説明した効率マップと同じであるため、図３を参照し、ここでは詳細な説明を省略する。
９ａ：車両用発電電動機１２の「インバータ発電モード」の効率マップ
９ｂ：車両用発電電動機１２の「オルタネータ発電モード」の効率マップ
９ｃ：インバータ装置６の「インバータ発電モード」の効率マップ
９ｄ：インバータ装置６の「オルタネータ発電モード」の効率マップ

図６は、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」でそれぞれ用いられるインバータ装置６の効率マップ９ｃ，９ｄを示している。図６の各効率マップ９ａ，９ｂおいて、横軸は回転電機１の回転速度、縦軸は発電トルクを示している。なお、縦軸は発電電力でもよい。効率マップ９ｃ，９ｄは、回転速度と発電トルクとに対応して、それらの値に対応するインバータ装置６の効率がプロットされた、三次元効率マップである。各効率の値は、事前に実験等で計測された値に基づいて事前に決定され、各効率マップにプロットされるものとする。制御装置９は、内部に設けた記憶装置（図示せず）に、これらの効率マップ９ｃ，９ｄを、効率マップ９ａ，９ｂと共に、予め記憶している。制御装置９は、回転速度と発電トルクとを検索キーとして、各効率マップ９ｃ，９ｄを参照することにより、当該回転速度と発電トルクとに対応する「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」におけるインバータ装置６の各効率を一意に決定することができる。

このように、効率マップ９ａ，９ｂが車両用発電電動機１２の効率を示し、効率マップ９ｃ，９ｄがインバータ装置６の効率を示している。図３および図６を用いて、同じ「インバータ発電モード」で比較してみると、効率マップ９ａと効率マップ９ｃとでは、同一の回転速度かつ同一の発電トルクであっても、車両用発電電動機１２の効率値とインバータ装置６の効率値とでは、その値が異なっている。同様に、「オルタネータ発電モード」で比較してみても、効率マップ９ｂと効率マップ９ｄとでは、同一の回転速度かつ同一の発電トルクであっても、車両用発電電動機１２の効率値とインバータ装置６の効率値とでは、その値が異なっている。

上述の実施の形態１で説明した効率は、車両用発電電動機１２の効率であり、すなわち、回転電機１とインバータ装置６の両者の効率を組み合わせたものである。従って、必ずしも、車両用発電電動機１２の最も効率が高い動作領域が、インバータ装置６の最も効率が高い動作領域とは限らない。一般的に、インバータ装置６は、数百Ａの電流を制御するため、スイッチング素子２において発生するスイッチング損失や抵抗損失による発熱量が一般的に大きい。

そこで、本実施の形態２では、インバータ装置６の温度を検出するためのインバータ温度検出部１８を備え、インバータ装置６の温度によって、効率マップ９ａ，９ｂを用いるか、あるいは、効率マップ９ｃ，９ｄを用いるかを選択する構成とした。具体的には、本実施の形態２では、制御装置９が、インバータ温度検出部１８で検出される温度が閾値以下の場合には、実施の形態１と同様に、効率マップ９ａ，９ｂを用いて、車両用発電電動機１２の効率の高い側の発電モードを選択し、一方、インバータ温度検出部１８で検出される温度が閾値を超えた場合には、効率マップ９ｃ，９ｄを用いて、インバータ装置６の効率が高い側の発電モードを選択することで、インバータ装置６の動作時間がより長くなるように動作させることが可能となる。

なお、上記実施の形態２においても上記実施の形態１と同様に、回転速度の僅かな変動で動作モードが頻繁に切り替わることがないように、切り替えにヒステリシスを持たせ、両社のインバータ効率の差分がある閾値以上にならない場合は現在のモードを継続し、閾値より大きい場合に、発電時の動作モードを切り替えるように制御することで、頻繁な発電モードの切り替わりをなくすことが可能である。

このときの制御装置９の動作を、図２および図７を用いて説明する。なお、図７において、図４と同じまたは相当する処理については、同一の参照番号を付している。
まず、ステップＳ１で、制御装置９は、回転位置検出センサ７から入力される回転電機１の回転速度が第１の閾値以下か否かを判定する。回転速度が第１の閾値以下の場合には、制御装置９は、ステップＳ５で、動作モード決定部１５により、動作モードを「インバータ発電モード」に設定する。一方、回転速度が第１の閾値より大きい場合には、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、制御装置９は、インバータ温度検出部１８から入力されるインバータ装置６の温度が第３の閾値以下か否かを判定する。当該温度が第３の閾値以下の場合は、ステップＳ２に進む。一方、当該温度が第３の閾値を超えていた場合には、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ２では、制御装置９は、要求出力算出部により、要求値１１から発電トルクを演算し、回転速度と発電トルクに対応する効率の値を、効率マップ９ａ，９ｂから取得し、ステップＳ３に進む。
一方、ステップＳ１１では、制御装置９は、要求出力算出部により、要求値１１から発電トルクを演算し、回転速度と発電トルクに対応する効率の値を、効率マップ９ｃ，９ｄから取得し、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、制御装置９は、比較部１４により、効率マップ９ａ（または、効率マップ９ｃ）から取得された効率値と、効率マップ９ｂ（または、効率マップ９ｄ）から取得された効率値とを比較し、いずれの効率値の方が高いかを決定する。さらに、それらの効率値の差分を求め、当該差分が第２の閾値以下か否かを判定する。当該差分が第２の閾値以下の場合には、現在の運転モードを継続するため、そのまま処理を終了する。一方、当該差分が第２の閾値より大きい場合は、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、制御装置９は、動作モード決定部１５により、ステップＳ３で決定された効率値が高い方の運転モードに、現在の運転モードを設定する。

なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、「オルタネータ発電モード」時の動作において、ダイオード３を経由して発電を行う方法を説明しているが、その場合に限らず、特定の相のダイオード３に電流が流れている際に、対応する相のスイッチング素子２をＯＮさせて、スイッチング素子２側を経由して発電を行う同期整流発電を行ってもよく、その場合においても、同様の効果を得ることが可能である。

以上のように、本実施の形態においては、電機子コイル１３と界磁コイル４とを有し、内燃機関に結合されて始動電動機および充電発電機として機能する回転電機１と、界磁コイル４の電流を制御する界磁電流制御部５と、複数のスイッチング素子２がブリッジ接続され、回転電機１の電機子コイル１３に交番電流を供給するインバータ装置６とを備えた車両用発電電動機１２に対し、インバータ装置６の各スイッチング素子２をＰＷＭ信号により駆動し、回転電機１が充電発電機として機能するとき、低回転域ではインバータ装置６から位相制御された交番電流を電機子コイル１３に通電することにより、「インバータ発電モード」で発電を行い、高速回転域では「オルタネータ発電モード」または「インバータ発電モード」のうちの効率の高い方の発電モードで発電するように制御する制御装置９を備えている。
制御装置９は、「インバータ発電モード」および「オルタネータ発電モード」動作時のそれぞれの車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂと、「インバータ発電モード」および「オルタネータ発電モード」動作時のそれぞれのインバータ装置６の効率マップ９ｃ，９ｄとを有し、インバータ温度検出部１８におけるインバータ装置６の温度値に応じて、効率マップ９ａ，９ｂを用いるか、あるいは、効率マップ９ｃ，９ｄを用いるかを選択して、車両用発電電動機１２の効率が高くなる発電モードかあるいはインバータ装置６の効率が高くなる発電モードが選択されるよう、「インバータ発電モード」と「オルタネータ発電モード」の切替制御を行う。
これにより、車両用発電電動機１２およびインバータ装置６の効率が高くなる動作モードを常に選択することができるので、車両用発電電動機１２およびインバータ装置６の効率化を図ることができる。

さらに、本実施の形態では、車両用発電電動機１２の効率マップ９ａ，９ｂおよびインバータ装置の効率マップ９ｃ，９ｄは、予め設定された三次元マップから構成するようにしたので、効率マップ９ａ〜９ｄを参照することで、容易にかつ確実に、車両用発電電動機１２の効率値およびインバータ装置６の効率値を一意に求めることができる。また、効率マップ９ａ〜９ｄを用いるため、膨大な演算処理が必要ではなく、演算負荷を抑えることができる。

なお、上記実施の形態１および実施の形態２において、インバータ発電モードから、オルタネータ発電モードへの切り替える際に、インバータ発電モード時の力率が１に近い動作時でオルタネータ発電モードへ切り替えることにより、発電モードの切り替えに伴って発生する、例えばトルク変動などを抑制することが可能となる。

１ 回転電機、２ 半導体スイッチング素子、３ ダイオード、４ 界磁コイル、５ 界磁電流制御部、６ インバータ装置、７ 回転位置検出センサ、８ バッテリ電圧検出部、９ 制御装置、９ａ 効率マップ（インバータ発電モード）、９ｂ 効率マップ（オルタネータ発電モード）、９ｃ 効率マップ（インバータ発電モード）、９ｄ 効率マップ（オルタネータ発電モード）、１０ 平滑コンデンサ、１１ 要求値、１２ 発電電動機、１３ 温度検出部、１４ 比較部、１５ 動作モード決定部。

Claims (6)

1. 車両に搭載される車両用発電電動機を制御するための車両用発電電動機の制御装置であって、
   前記車両用発電電動機は、
   電機子コイルと界磁コイルとを有し、前記車両に設けられた内燃機関に結合されて電動機および充電発電機として機能する回転電機と、
   前記界磁コイルの電流を制御する界磁電流制御部と、
   複数のスイッチング素子がブリッジ接続され、前記回転電機の前記電機子コイルに交番電流を供給するインバータ装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   運転者からの要求値に基づいて前記車両用発電電動機に対する要求出力を算出する要求出力算出部と、
   前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記インバータ装置の各スイッチング素子をＰＷＭ信号により駆動する第１の駆動部と、
   前記界磁電流制御部を制御する第２の駆動部と
   を備えるとともに、
   前記回転電機が充電発電機として機能するときの発電モードとして、
   前記第１の駆動部により前記ＰＷＭ信号を前記スイッチング素子に与えることで、前記インバータ装置から位相制御された交番電流を前記電機子コイルに通電し、前記電機子コイルの電圧を昇圧チョッパー制御するインバータ発電モードと、
   前記第２の駆動部により前記界磁電流制御部を制御して、前記界磁コイルの電流制御を行うオルタネータ発電モードと
   を備え、
   前記制御装置は、前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記車両用発電電動機の効率マップを有し、各前記効率マップは、前記回転電機の回転速度と前記要求出力とで定義される各領域ごとの前記車両用発電電動機の効率を格納しているものであって、
   前記制御装置は、前記回転速度検出部からの前記回転速度と前記要求出力算出部からの前記要求出力とに基づいて、それらの値に対応する領域の前記効率の値を各前記効率マップから求め、各前記効率マップから求めた前記効率の値に応じて、効率が高い方の発電モードが選択されるよう、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードの切替制御を行うとともに、
   前記制御装置は、前記インバータ装置の温度を検出するインバータ温度検出部をさらに備え、
   前記制御装置は、前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記車両用発電電動機の前記効率マップに加え、前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記インバータ装置の効率マップを有し、前記インバータ装置の各前記効率マップは、前記回転電機の回転速度と前記要求出力とで定義される各領域ごとの前記インバータ装置の効率を格納しているものであって、
   前記制御装置は、前記インバータ温度検出部における前記インバータ装置の温度値に基づき、前記車両用発電電動機の効率マップおよび前記インバータ装置の効率マップのうちの一方を選択し、選択した方の各効率マップを用いて、前記回転速度検出部からの前記回転速度と前記要求出力算出部からの前記要求出力とに基づいて、それらの値に対応する領域の前記効率の値を、選択した方の各前記効率マップから求め、各前記効率マップから求めた前記効率の値に応じて、効率が高い方の発電モードが選択されるよう、前記インバータ発電モードと前記オルタネータ発電モードの切替制御を行う
   車両用発電電動機の制御装置。
2. 前記要求出力は、発電トルクまたは発電電力であり、
   前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記車両用発電電動機の前記効率マップは、前記回転電機の回転数と、前記発電トルクまたは前記発電電力とに対応させて、前記効率が格納されている
   請求項１に記載の車両用発電電動機の制御装置。
3. 前記要求出力は、発電トルクまたは発電電力であり、
   前記インバータ発電モードおよび前記オルタネータ発電モードのそれぞれにおける前記インバータ装置の前記効率マップは、前記回転電機の回転数と、前記発電トルクまたは前記発電電力とに対応させて、前記効率が格納されている
   請求項１または２に記載の車両用発電電動機の制御装置。
4. 前記制御装置による、前記インバータ発電モードから前記オルタネータ発電モードへの切替と、前記オルタネータモードから前記インバータ発電モードへの切替に、ヒステリシスを持たせる
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の車両用発電電動機の制御装置。
5. 前記制御装置による前記インバータ発電モードから前記オルタ発電モードへの切替を力率１に近い回転数で切り替える
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の車両用発電電動機の制御装置。
6. 前記オルタネータ発電モードは同期整流発電制御する
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の車両用発電電動機の制御装置。

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