JP6053788B2

JP6053788B2 - 車両用交流発電機の制御装置

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Publication number: JP6053788B2
Application number: JP2014523468A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　潤也; 潤也佐々木; 勝之住本; 小紫　啓一; 啓一小紫
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN104380593A; JPWO2014006686A1; US20150115904A1; WO2014006686A1; US9401675B2; EP2871770B1; EP2871770A1; EP2871770A4; CN104380593B

Description

この発明は、自動車等の車両に搭載される交流発電機を制御する、車両用交流発電機の制御装置に関するものである。

周知のように、車両用交流発電機は、その回転子が内燃機関の出力軸にベルト等の連結部材を介して機械的に連結されており、内燃機関と車両用交流発電機との間で連結部材を介してトルクの授受が行われる。従って、車両用交流発電機の動作状態は、内燃機関の運転状態に少なからず影響を及ぼす。従来、この種の車両用交流発電機の制御装置として、車両用交流発電機と内燃機関とを総合的に制御するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に示されたような従来の車両用交流発電機の制御装置の構成図である。図３に於いて、車両用交流発電機１と一体に設けられた発電機制御装置２は、ＥＣＵ(Engine Control Unit)により構成された外部ユニット７からの外部指令を受信する外部指令受信部８と、受信した外部指令値を制御電圧値に変換する外部指令/制御電圧変換部９と、受信した外部指令が有効か無効かを判定する外部指令有効／無効判定部１１を備える。

又、発電機制御装置２は、外部指令とは別に車両用交流発電機１の出力電圧を指示し得る第２目標電圧指示部１０と、外部指令/制御電圧変換部９の出力と第２目標電圧指示部１０の出力とを切り替えて電圧制御部６に与えるセレクタ１２と、パワートランジスタからなるスイッチング素子１５のオン／オフ期間を制御して車両用交流発電機１の界磁電流をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部５と、車両用交流発電機１の出力電圧を検出する電圧検出部４と、検出した車両用交流発電機１の出力電圧とされクタ１２からの出力に基づいてＰＷＭ制御部５にＰＷＭ制御値を与える電圧制御部６とを備えている。

電機子巻線１３に誘起された交流出力電力は、整流装置１４により直流電力に変換されて界磁巻線３、及び大容量のコンデンサ２０に供給される。コンデンサ２０の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して車載バッテリ２１及び電気的負荷２２へ供給される。

ＥＣＵである外部ユニット７は、内燃機関（図示せず）の運転状態、機械的負荷の状態、電気的負荷２２の状態等を検出し、これ等の検出結果に基づいて車両用交流発電機１の基準電圧値を演算し、この演算した基準電圧値に対応した外部指令を、発電機制御装置２の外部指令受信部８に送信する。外部指令有効／無効判定部１１により外部指令が有効であると判定されたときは、電圧制御部６は、電圧検出部４により検出した車両用交流発電機１の出力電圧とセレクタ１２を介して与えられた外部指令/制御電圧変換部９からの制御電圧値とに基づいて、ＰＷＭ制御部５によりスイッチング素子１５を断続制御して界磁電流をＰＷＭ制御し、車両用交流発電機１の出力電圧を外部指令により指示された値に一致させる。

一方、外部指令有効／無効判定部１１により外部指令が無効であると判定されたときは、電圧制御部６は、電圧検出部４により検出した車両用交流発電機１の出力電圧とセレクタ１２を介して与えられた第２目標電圧指示部１０の出力とに基づいて、ＰＷＭ制御部５によりスイッチング素子１５を断続制御して界磁電流をＰＷＭ制御し、車両用交流発電機１の出力電圧を第２目標電圧指示部の出力に一致させる。

このように構成された従来の車両用交流発電機の制御装置によれば、発電機制御装置２に対して外部ユニット７から与えられる外部指令に応じて車両用交流発電機１の出力電圧を制御することにより、内燃機関と車両用交流発電機１とを総合的に制御して内燃機関の制御の安定化や燃費の改善に貢献することができる。

特許第３０７０７８８号公報

車両用交流発電機の回転トルクは、その車両用交流発電機の発電量から換算することで把握することができるが、その換算には車両用交流発電機に対する電気負荷量、車両用交流発電機の温度及び回転数等の、多数のパラメータを用いて演算する必要がある。しかしながら、ＥＣＵによりその演算を瞬時に行うことは困難である。従って、前述の従来の車両用交流発電機の制御装置は、車両用交流発電機の回転トルクを正確に把握して動作することができず、内燃機関の制御の安定化や燃費の改善に対しては必ずしも十分であるとはいえなかった。

又、従来の車両用交流発電機の制御装置によれば、前述のようにして車両用交流発電機の出力電圧を制御するようにしているが、回生制動時に於いて車載バッテリ２２の定格電圧の許容範囲を超えて出力電圧を上げることができず、効果的な回生制動を行なうことができなかった。更に、車両用交流発電機１の回転トルクの正確な把握ができないので、内燃機関のアイドル運転時に於いて車両用交流発電機１の回転トルクが所定以上に大きくなれば、エンジン停止（エンスト）を引き起こす可能性があった。

この発明は、従来の車両用交流発電機の制御装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の制御の安定化に高度に貢献することができる車両用交流発電機の制御装置を提供することを目的としたものである。

この発明による車両用交流発電機の制御装置は、
車両に搭載された内燃機関の出力軸にトルク伝達部材を介して回転子が連結された車両用交流発電機の制御装置であって、
前記車両用交流発電機の界磁巻線に流れる界磁電流値を、外部ユニットからのＰＷＭ信号により構成された外部指令に基づいて生成される界磁電流指示値に基づいて制御し得るように構成された界磁電流制御系と、
前記外部指令とは無関係に前記界磁電流値を制御して車両用交流発電機の出力電圧を制御し得るように構成された電圧制御系と、
前記外部ユニットからの外部指令が有効であるか無効であるかの判定を行なうように構成された外部指令有効／無効判定部と、
を備え、
前記界磁電流制御系は、
前記界磁電流値を検出する電流検出部と、
前記外部ユニットからの前記外部指令を受信する外部指令受信部と、
前記受信した外部指令を前記界磁電流指示値に変換する外部指令／界磁電流指示値変換部と、
前記生成された界磁電流指示値と前記検出した界磁電流値とに基づいて、前記界磁電流値を制御する界磁電流制御値を生成する電流制御部と、
を備え、
前記外部指令有効／無効判定部は、
前記外部指令を構成する前記ＰＷＭ信号のデューティが、前記外部ユニットが演算した基準界磁電流値に対応したデューティを有する第１の範囲に含まれているときは、前記外部指令は有効であると判定し、
前記外部指令を構成する前記ＰＷＭ信号のデューティが、前記第１の範囲と、前記第１の範囲の下限から前記第１の範囲の外側に続く第２の範囲と、前記第１の範囲の上限から前記第１の範囲の外側に続く第３の範囲と、の何れの範囲にも含まれていないときは、前記外部指令は無効であると判定する、
ように構成され、
前記界磁電流値は、
前記外部指令が、前記外部指令有効／無効判定部により有効であると判定されたときは、前記界磁電流制御系により制御され、
前記外部指令が、前記外部指令有効／無効判定部により無効であると判定されたときは、前記電圧制御系により制御される、
ことを特徴とするものである。

この発明による車両用交流発電機の制御装置によれば、車両交流発電機の界磁巻線に流れる界磁電流の値を界磁電流指示値に基づいて制御し得る界磁電流制御系を備えているので、車両用交流発電機の回転トルクを回転数のみに依存させることが可能となり、内燃機関の制御を安定化することができる。

この発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置を示す構成図である。この発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置に於ける、ＰＷＭ信号により構成された外部指令と界磁電流指示値との関係を示すマップの説明図である。従来の車両用交流発電機の制御装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置を示す回路図であり、この発明にかかわる部分のみを抜粋して示している。図１に於いて、車両用交流発電機１は、電機子巻線１３を備えた固定子と、界磁巻線３を備えた回転子とを有している。回転子は、ベルト等のトルク伝達部材（図示せず）を介して内燃機関（図示せず）の出力軸に機械的に連結されており、車両用交流発電機１と内燃機関とは、トルク伝達部材を介して回転トルクの授受を行なうように構成されている。車両用交流発電機１は、トルク伝達部材を介して、回転子が内燃機関により回転駆動されることによって電機子巻線１３に３相交流起電力が誘起される。

電機子巻線１３に誘起された３相交流起電力は、Ｂ端子に接続された整流装置１４により直流電力に変換されて界磁巻線３、及び大容量のコンデンサ２０に供給される。コンデンサ２０の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して車載バッテリ２１及び電気的負荷２２へ供給される。

車両用交流発電機１に搭載された発電機制御装置２は、電圧検出部４と、ＰＷＭ制御部５と、電流検出部１６と、セレクタ１２と、電圧制御部６と、電流制御部１７と、目標電圧指示部１０と、外部指令／界磁電流指示値変換部９０と、外部指令有効／無効判定部１１と、外部指令受信部９とを備えている。又、発電機制御装置２は、界磁巻線３に並列接続されたフライホィールダイオード１９と、界磁巻線３に直列接続されたパワートランジスタからなるスイッチング素子１５と電流検出用抵抗１８とを備えている。発電制御装置２は、界磁巻線３に流れる界磁電流を、界磁電流センサとしての電流検出用抵抗１８と電流検出部１６によりモニターしている。

前述のスイッチング素子１５と、電流検出用抵抗１８と、電流検出部１６と、ＰＷＭ制御部５と、界磁電流制御部１７と、外部指令／界磁電流指示値変換部９０は、この発明による界磁電流制御系を構成している。前述の図３に示す従来の車両用交流発電機の制御装置は、界磁電流値の制御は行われず電圧制御系による電圧制御のみの構成となっているが、図１に示すこの発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置は、界磁電流値の制御機能が追加された構成となっている。

ＥＣＵである外部ユニット７は、内燃機関の運転状態、機械的負荷の状態、車載バッテリ２２の充電状態、電気的負荷２２の状態等を検出し、これ等の検出結果に基づいて車両用交流発電機１の基準界磁電流値を演算し、この演算した基準界磁電流値に対応した外部指令ａを発電機制御装置２の外部指令受信部８に与える。外部ユニット７から発電機制御装置２に送信される前述の外部指令ａは、例えばＰＷＭ信号により構成されている。このＰＷＭ信号は、前述の基準界磁電流値に対応したデューティＤＵＴＹ（ＤＵＴＹ＝ｔ／Ｔ；ｔはＰＷＭ信号のハイレベル期間、ＴはＰＷＭ信号の周期）を備えている。尚、外部指令ａは、ＰＷＭ信号以外の信号により構成されていても良いが、以下の説明ではＰＷＭ信号により構成されている場合について説明する。

発電機制御装置２に於ける外部指令／界磁電流指示値変換部９０は、外部指令受信部８が受信した外部指令ａを、界磁電流指示値ｂに変換する。図２は、この発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置に於ける、ＰＷＭ信号により構成された外部指令ａと界磁電流指示値ｂとの関係を示すマップの説明図であり、横軸は外部指令ａとしてのＰＷＭ信号のＤＵＴＹ（％）、縦軸は界磁電流指示値ｂ（Ａ）を示す。

図２に於いて、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹが１０［％］以上〜９０［％］未満までは、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹと界磁電流指示値ｂとは比例関係にあり、ＤＵＴＹ１０［％］以上〜９０［％］未満に比例して界磁電流指示値ｂは０［Ａ］〜７．５［Ａ］となる。一方、ＤＵＴＹが０［％］以上〜５［％］未満の範囲Ｄ１は、外部ユニット７から発電機制御装置２への外部指令送信用ハーネスの断線等の故障を想定した範囲であり、ＤＵＴＹが５［％］以上〜１０［％］未満の範囲Ｄ２、及び９０［％］以上〜９５未満［％］までの範囲Ｄ３は、ＰＷＭ信号の波形の誤差を吸収するための範囲であり、９５［％］以上の範囲Ｄ４は、前述の外部指令送信用ハーネスの接地事故等を想定した範囲である。前述のＤＵＴＹの範囲Ｄ１、Ｄ２では、界磁電流指示値ｂは０［Ａ］、ＤＵＴＹの範囲Ｄ３、Ｄ４では界磁電流指示値ｂは７．５Ａ［Ａ］の一定値となる。

外部指令／界磁電流指示値変換部９０は、外部指令受信部８が受信した外部指令ａとしてのＰＷＭ信号のＤＵＴＹを、図２に示すマップに基づいて界磁電流指示値ｂに変換して電流制御部１７に与える。界磁電流制御部１７は、外部指令／界磁電流指示値変換部９０からの界磁電流指示値ｂと電流検出部１６により検出した界磁電流値ｃとの偏差を求め、その偏差を「０」とするための界磁電流制御値ｄを生成する。

電圧制御部６は、目標電圧指示部１０からの目標電圧値ｅと電圧検出部４により検出した車両用交流発電機１の出力電圧値ｆとの偏差を求め、その偏差を「０」とするための電圧制御値ｇを生成する。目標電圧指示部１０が発生する目標電圧値ｅは、後述するように外部指令ａが無効であると判定されたときのフェイルセーフ値としての制御値となるものであり、例えば車載バッテリ２２の定格出力電圧値に等しいか、それよりも若干高い電圧値に設定される。

外部指令有効／無効判定部１１は、外部指令受信部８により受信した外部指令ａが有効であるか無効であるかの判定を行なう。この判定は、外部指令ａとしてのＰＷＭ信号のＤＵＴＹが、前述の図２に示す範囲Ｄ１若しくは範囲Ｄ４の範囲に存在するか否かにより行なうものであり、例えば、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹが範囲Ｄ１若しくは範囲Ｄ４に存在すれば、前述したように発電機制御装置２への外部指令送信用ハーネスの断線等の故障、若しくは外部指令送信用ハーネスの接地事故等が想定されるので、外部指令ａは無効と判定し、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹが前述の範囲Ｄ１若しくは範囲Ｄ４に存在しなければ、外部指令ａは有効であると判定する。

セレクタ１２は、外部指令有効／無効判定部１１による判定結果が「有効」であれば、界磁電流制御部１７からの界磁電流制御値ｄを選択してＰＷＭ制御部５に与え、判定結果が「無効」であれば、電圧制御部６からの電圧制御値ｇを選択してＰＷＭ制御部５に与える。ＰＷＭ制御部５は、セレクタ１２によりセレクトされた界磁電流制御部１７からの界磁電流制御値ｄ、又は電圧制御部６からの電圧制御値ｇに基づいて、スイッチング素子１５により界磁電流値をＰＷＭ制御する。

この発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置に於いて、外部指令受信部８から与えられた外部指令ａが、外部指令有効／無効判定部１１により「有効」であると判定されれば、セレクタ１２は界磁電流制御部１７により生成された界磁電流制御値ｄを選択してＰＷＭ制御部５に与える。ＰＷＭ制御部５は、界磁電流制御部１７から与えられた界磁電流制御値ｄに基づいてスイッチング素子１５のオン／オフ制御のデューティを決定し、スイッチング素子１５のベースに与える。その結果、界磁電流値ｃは、外部指令ａに一致するように制御される。従って、外部指令ａが一定であれば、界磁電流値ｃは一定に保たれるように制御される。

界磁電流値と車両用交流発電機の回転トルクとは、互いに相関する関係にあるため、車両用交流発電機の回転数と界磁電流値が分かれば、車両用交流発電機１の回転トルクを推測することが可能となる。外部ユニット７を構成するＥＣＵは、前述のようにして、直接、車両用交流発電機１の界磁電流値を制御することが可能となる。ＥＣＵは、界磁電流値を知ることによって車両用交流発電機１の回転トルクを正確に把握することが可能となり、ＥＣＵは界磁電流値ｃを制御することによって車両用交流発電機１の回転トルクを制御することができる。

以上述べたように、この発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置によれば、界磁電流値に基づいて車両用交流発電機１の回転トルクを把握し、界磁電流値ｃを制御することができるので、内燃機関のアイドル運転時等に於いてエンストを引き起こすようなことはなく、内燃機関の制御の安定化や燃費の改善に高度に貢献することができる。

尚、外部指令有効／無効判定部１１により外部指令受信部８から与えられた外部指令ａが「無効」であると判定されれば、セレクタ１２は電圧制御部６による電圧制御値ｇをセレクトしてＰＷＭ制御部５に与える。これによりＰＷＭ制御部５は、電圧制御部１６による電圧制御値ｇに基づいてスイッチング素子１５のオン／オフ制御のデューティを決定し、スイッチング素子１５のベースに与える。その結果、車両用交流発電機１は、目標電圧指示部１０による目標電圧値ｅに一致するように制御される。

従って、何らかの要因で外部ユニット７からの外部指令ａが異常となっても、前述したように電圧検出部４と電圧制御部６と目標電圧指示部１０からな電圧制御系に切り替わるため、過電圧や、無発電等の重大な機能不全に陥ることを防止することができる。

以上述べたこの発明の実施の形態１による車両用交流発電機の制御装置は、下記の特徴を有する。
（１）車両に搭載された内燃機関の出力軸にトルク伝達部材を介して回転子が連結された車両用交流発電機の制御装置であって、
前記車両用交流発電機の界磁巻線に流れる界磁電流値を、外部ユニットからのＰＷＭ信号により構成された外部指令に基づいて生成される界磁電流指示値に基づいて制御し得るように構成された界磁電流制御系と、
前記外部指令とは無関係に前記界磁電流値を制御して車両用交流発電機の出力電圧を制御し得るように構成された電圧制御系と、
前記外部ユニットからの外部指令が有効であるか無効であるかの判定を行なうように構成された外部指令有効／無効判定部と、
を備え、
前記界磁電流制御系は、
前記界磁電流値を検出する電流検出部と、
前記外部ユニットからの前記外部指令を受信する外部指令受信部と、
前記受信した外部指令を前記界磁電流指示値に変換する外部指令／界磁電流指示値変換部と、
前記生成された界磁電流指示値と前記検出した界磁電流値とに基づいて、前記界磁電流値を制御する界磁電流制御値を生成する電流制御部と、
を備え、
前記外部指令有効／無効判定部は、
前記外部指令を構成する前記ＰＷＭ信号のデューティが、前記外部ユニットが演算した基準界磁電流値に対応したデューティを有する第１の範囲に含まれているときは、前記外部指令は有効であると判定し、
前記外部指令を構成する前記ＰＷＭ信号のデューティが、前記第１の範囲と、前記第１の範囲の下限から前記第１の範囲の外側に続く第２の範囲と、前記第１の範囲の上限から前記第１の範囲の外側に続く第３の範囲と、の何れの範囲にも含まれていないときは、前記外部指令は無効であると判定する、
ように構成され、
前記界磁電流値は、
前記外部指令が、前記外部指令有効／無効判定部により有効であると判定されたときは、前記界磁電流制御系により制御され、
前記外部指令が、前記外部指令有効／無効判定部により無効であると判定されたときは、前記電圧制御系により制御される、
ことを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
このように構成した車両用交流発電機の制御装置によれば、車両用交流発電機１の回転トルクを回転数のみに依存させることが可能となり、内燃機関の制御を安定化することができる。又、車両用交流発電機１の回転トルクを外部ユニット７により操作することができ、回生制御等を有効に行なうことが可能となる。更に、車両用交流発電機１の回転トルクを外部ユニット７により操作することができ、回生制御等を有効に行なうことが可能となる。

（２）前記外部指令／界磁電流指示値変換部は、前記外部指令受信部により受信した前記ＰＷＭ信号のデューティに基づいて前記界磁電流指示値を生成する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の車両用交流発電機の制御装置。
このように構成した車両用交流発電機の制御装置によれば、車両用交流発電機１の回転トルクを外部ユニット７により容易に操作することができ、回生制御等を有効に行なうことが可能となる。又、このように構成した車両用交流発電機の制御装置によれば、界磁電流値の制御を容易に行うことができ、車両用交流発電機１の回転トルクを回転数のみに依存させることが可能となり、内燃機関の制御を安定化することができる。

尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、自動車等の車両用の交流発電機の制御装置、ひいては、自動車産業の分野に利用することができる。

１車両用交流発電機、２発電機制御装置、
３界磁巻線、４電圧検出部、
５ＰＷＭ制御部６電圧制御部、
７外部ユニット、８外部指令受信部、
９０外部指令／界磁電流指示値変換部、１０目標電圧指示部、
１１外部指令有効／無効判定部、１２セレクタ、１３電機子巻線、
１４整流装置、１５スイッチング素子、１６電流検出部、
１７界磁電流制御部、１８電流検出用抵抗、
１９フライホィールダイオード、
２０コンデンサ、２１ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２車載バッテリ、
２３電気的負荷、ａ外部指令、ｂ界磁電流指示値、ｃ界磁電流値、
ｄ界磁電流制御値、ｅ目標電圧値、ｆ出力電圧値、ｇ電圧制御値、

Claims

車両に搭載された内燃機関の出力軸にトルク伝達部材を介して回転子が連結された車両用交流発電機の制御装置であって、
前記車両用交流発電機の界磁巻線に流れる界磁電流値を、外部ユニットからのＰＷＭ信号により構成された外部指令に基づいて生成される界磁電流指示値に基づいて制御し得るように構成された界磁電流制御系と、
前記外部指令とは無関係に前記界磁電流値を制御して車両用交流発電機の出力電圧を制御し得るように構成された電圧制御系と、
前記外部ユニットからの外部指令が有効であるか無効であるかの判定を行なうように構成された外部指令有効／無効判定部と、
を備え、
前記界磁電流制御系は、
前記界磁電流値を検出する電流検出部と、
前記外部ユニットからの前記外部指令を受信する外部指令受信部と、
前記受信した外部指令を前記界磁電流指示値に変換する外部指令／界磁電流指示値変換部と、
前記生成された界磁電流指示値と前記検出した界磁電流値とに基づいて、前記界磁電流値を制御する界磁電流制御値を生成する電流制御部と、
を備え、
前記外部指令有効／無効判定部は、
前記外部指令を構成する前記ＰＷＭ信号のデューティが、前記外部ユニットが演算した基準界磁電流値に対応したデューティを有する第１の範囲に含まれているときは、前記外部指令は有効であると判定し、
前記外部指令を構成する前記ＰＷＭ信号のデューティが、前記第１の範囲と、前記第１の範囲の下限から前記第１の範囲の外側に続く第２の範囲と、前記第１の範囲の上限から前記第１の範囲の外側に続く第３の範囲と、の何れの範囲にも含まれていないときは、前記外部指令は無効であると判定する、
ように構成され、
前記界磁電流値は、
前記外部指令が、前記外部指令有効／無効判定部により有効であると判定されたときは、前記界磁電流制御系により制御され、
前記外部指令が、前記外部指令有効／無効判定部により無効であると判定されたときは、前記電圧制御系により制御される、
ことを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
前記外部指令／界磁電流指示値変換部は、前記外部指令受信部により受信した前記ＰＷＭ信号のデューティに基づいて前記界磁電流指示値を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の車両用交流発電機の制御装置。