JP7238024B2 - 発電機制御システム及びその始動方法 - Google Patents

Description

本発明は発電機制御システム及びその制御方法に関し、特に発電機の始動と電力供給の制御システム及びその始動方法に関する。

従来のポータブル発電機システムは、通常、プルバルブでエンジンを始動するが、近年、ボタンで始動するポータブル発電機が徐々に主流になり、市場ではブラシ付き直流モータを動力の始動システムとして使用することが一般的である。但し、ブラシ付き直流モータには、ノイズが大きく、損傷しやすいながらスペースを占める等の欠点があるため、ポータブル発電機システムのメーカーは、統合型スタータージェネレーター（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＩＳＧ）システムを使用する傾向がある。つまり、発電機始動時、従来の直流モータの始動システムに代わり、エンジン始動用の電気モータとして使用する。ＩＳＧを如何に効果的に実現し、従来の発電機の電気システムと統合するかということは、各メーカー間の技術競争の方向になっている。

図１は、第１種類の従来技術における統合型スタータージェネレーター制御システムであり、独立した三相フルブリッジスイッチを使用し、一般的な電動発電機のシステムに対する３つの高電圧高電流（例えば３００Ｖａｃ、４５Ａ）のリレー装置Ｒを介して電動発電機２００の前に接続して電動発電機２００を始動する機能を実現し、その制御が簡単であるが、以下の欠点がある。

１．蓄電池３００は電圧の高い高電圧バッテリーが必要である。このアーキテクチャにおいて、蓄電池３００は、直接三相フルブリッジ変換回路５００に並列接続され電動発電機２００が始動するように電力を供給する。したがって、従来のモータの点火回転速度の需要を満たし発電機の仕様を変更しない場合、通常は４８ボルトのバッテリーを使用しなければならない。モータの始動に低電圧バッテリー（例えば１２ボルト）を使用する場合、電圧が不足の恐れがある。

２．比較的に高電圧／高電流のリレー装置Ｒを３台設置する必要がある。エンジン始動後、発電機が実際に作動する時に発生する交流電圧は、三相フルブリッジ変換回路５００素子の許容仕様を超え、そして、三相交流電源が三相フルブリッジ変換回路の接合部ダイオードを通過するため、蓄電池３００の充電に安全性が懸念される。このため、エンジン始動後、蓄電池３００、三相フルブリッジ変換回路５００素子と電動発電機２００との分離需要を満たすように、比較的に高電圧／高電流のリレー装置Ｒを設置する必要がある。

３．電動発電機２００は仕様の柔軟性が低い。発電電圧、エンジン始動及びバッテリー電圧の３つの仕様の設計は、互いに組み合わせる必要があるが、このアーキテクチャは、蓄電池３００を直接三相フルブリッジ変換回路５００に並列し、蓄電池３００は固定電圧ユニットであるため、電動発電機２００の設計上の柔軟性が低い。

４．コストが高い。このアーキテクチャは三相フルブリッジ変換回路５００を一組追加する以外、比較的に高電圧／高電流のリレー装置Ｒを３台追加し、蓄電池３００と制御ユニット（未図示）に接続する1台の瞬時始動スイッチ（未図示）を追加する必要があるため、スイッチの数が多く、装置の体積が大きくなる。高電圧のバッテリーを使用する場合、蓄電池３００のコストが高くなり、実装コストに悪影響を与える可能性がある。

このため、如何に発電機制御システム及びその制御方法を設計することにより、回路コストを削減し回路体積を小さくするとともに、始動と給電の操作をスムーズに実現できるのかは、本願の発明者が検討する重要な課題である。

本発明の目的は、従来技術の問題を解決するために、発電機制御システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る発電機制御システムは電動発電機に結合され、発電機制御システムは、直流電圧を受信する直流ポート、交流出力ポートに結合される第１スイッチユニット、直流バス、直流バスに結合される第１側と第１スイッチユニットに結合される第２側を含む第１電源変換回路、直流バスに結合される第１側と電動発電機に結合される第２側を含む第２電源変換回路、電源出力経路に直列接続される第１スイッチユニット、及び一端が第１電源変換回路と第１スイッチユニットに結合され他端が直流ポートに結合される第２スイッチユニットを含む。

本発明の他の目的は、従来技術の問題を解決するために、発電機制御システムの始動方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る発電機制御システムの始動方法において、発電機制御システムは、電動発電機、直流電圧を受信する直流ポート、交流出力ポート、交流出力ポートに結合される第１スイッチユニット、直流バス、第１スイッチユニットと直流バスとの間に結合される第１電源変換回路、直流バスと発動発電機との間に結合される第２電源変換回路及び第１電源変換回路、第１スイッチユニットと直流ポートに結合される第２スイッチユニットを含み、始動方法は、直流バスのバス電圧が第１閾値以下である場合、第１スイッチユニットが導通せず、第２スイッチユニットが導通するように制御するステップ（ａ）と、第１電源変換回路の第１ブリッジ又は第２ブリッジの作動を制御して直流電圧をバス電圧に変換するステップ（ｂ）と、第２電源変換回路を制御してバス電圧を第２交流電圧に変換することにより電動発電機を駆動するステップ（ｃ）と、を含む。

本発明の主な目的及び効果は、発電機制御システムが、双方向変換機能を有する第１電源変換回路を利用して蓄電池により提供される直流電圧を昇圧することにより、蓄電池の高電圧バッテリー及び比較的に高耐電圧耐流仕様のリレーの使用必要性をなくすことである。これにより、発電機制御システムの体積を大幅に縮小することができる（蓄電池の体積の縮小、及びリレーを双方向トランジスタスイッチに変更することによる体積の縮小を含む）。

従来技術における発電機制御システムである。 本発明に係る発電機制御システムの回路図である。 本発明に係る発電機制御システムの始動モードの第１ステップ作動の回路図である。 本発明に係る発電機制御システムの始動モードの第２ステップ作動の回路図である。 本発明に係る発電機制御システムの発電モードの第１ステップ作動の回路図である。 本発明に係る発電機制御システムの発電モードの第２ステップ作動の回路図である。

所定の目的を達成するために本発明に採用される技術、手段及び効果をさらに理解するために、本発明の以下の詳細な説明及び図面を参照されたい。これらによって、本発明の目的、特徴及び特性をより深く且つ具体的に理解することができるだろう。しかしながら、添付の図面は、参照及び説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。

本発明の技術的内容及び詳細な説明について、図面に合わせて以下のように説明する。

図２は本発明に係る発電機制御システムの回路ブロック図である。発電機制御システム１０の一端は統合型スタータージェネレーター２００（Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＩＳＧ、以下、電動発電機と略称する）に結合され、一端は蓄電池３００に結合され、且つ一端は交流出力ポート４００に結合される。電動発電機２００はエンジン２０２に結合され、電動発電機２００はモータ駆動の形態でエンジン２０２を始動し、エンジン２０２が引火して始動した後、発電機による発電の形態で、エンジン２０２に駆動され発電する。

発電機制御システム１０を始動する始動モードである場合、発電機制御システム１０は、蓄電池３００により電力が供給され電動発電機２００を駆動し、電動発電機２００がエンジン２０２を始動できるようにする。エンジン２０２始動後の発電モードである場合、発電機制御システム１０は、エンジン２０２により電動発電機２００を駆動することにより、電動発電機２００が発電機制御システム１０に第２交流電圧Ｖａｃ２を提供するようにする。発電機制御システム１０は、第２交流電圧Ｖａｃ２を第１交流電圧Ｖａｃ１に変換し、交流出力ポート４００に結合される負荷４０２に給電するように、第１交流電圧Ｖａｃ１を交流出力ポート４００に提供する。

発電機制御システム１０は、電源出力経路１２、直流バス１４、直流バス１４に結合される第１側１６２と第１スイッチユニット２０を介して電源出力経路１２に結合される第２側１６４を含む第１電源変換回路１６、直流バス１４に結合される第１側１８２と電動発電機２００に結合される第２側１８４を含む第２電源変換回路１８、第１スイッチユニット２０、第２スイッチユニット２２及び制御ユニット３０を含む。電源出力経路１２は交流出力ポート４００に結合される。

直流バス１４はバス電圧Ｖｂｕｓを貯蔵するためのエネルギー貯蔵コンデンサＣを含む。バス電圧Ｖｂｕｓは発電機制御システム１０により操作されるモードで、第１電源変換回路１６又は第２電源変換回路１８に選択的に供給される。第１スイッチユニット２０は、第１電源変換回路１６と交流出力ポート４００の接続関係を導通又は切断するように、第１電源変換回路１６と電源出力経路１２との間に接続される。第２スイッチユニット２２の一端は第１電源変換回路１６と第１スイッチユニット２０に結合され、蓄電池３００により提供される直流電圧Ｖｄｃを受信するように、他端は直流ポート１０－１を介して蓄電池３００に結合される。第２スイッチユニット２２は第１電源変換回路１６と蓄電池３００の接続関係を導通又は切断するのに用いられ、発電機制御システム１０の始動又は作動の過程において、蓄電池３００の直流電力と交流出力ポート４００の交流電力の性質が違うため互いに衝突することを避けるために、同じ時間帯には一組のスイッチのみを導通させる（即ち、第１スイッチユニット２０又は第２スイッチユニット２２のうち１つのみが導通される）。

制御ユニット３０は第１電源変換回路１６、第２電源変換回路１８、第１スイッチユニット２０及び第２スイッチユニット２２に結合され、それぞれ第１電源変換回路１６を制御する第１制御信号Ｓｃ１、第２電源変換回路１８を制御する第２制御信号Ｓｃ２、第１スイッチユニット２０を制御する第３制御信号Ｓｃ３及び第２スイッチユニット２２を制御する第４制御信号Ｓｃ４を提供する。上記制御信号Ｓｃ１～Ｓｃ４はある回路を制御するための信号の総称であり、例えば、第１電源変換回路１６の内部を制御するスイッチＱ１～Ｑ４は４組の制御信号を含み、その４組の制御信号は第１制御信号Ｓｃ１と総称され、その他はこれによって類推することができる。発電機制御システム１０はさらに補助巻線３２を含む。逆起電力ＢＥＭＦを利用して発電機制御システム１０を制御するように、補助巻線３２は制御ユニット３０に結合され、電動発電機２００の逆起電力ＢＥＭＦを感知する。

始動モードの場合、第１制御信号Ｓｃ１は第１電源変換回路１６を制御して直流電圧Ｖｄｃを昇圧してバス電圧Ｖｂｕｓに変換し、バス電圧Ｖｂｕｓをエネルギー貯蔵コンデンサＣに貯蔵する。さらに、第２交流電圧Ｖａｃ２を利用して電動発電機２００を駆動するように、第２制御信号Ｓｃ２は第２電源変換回路１８を制御してバス電圧Ｖｂｕｓを第２交流電圧Ｖａｃ２に変換する。発電モードの場合、第２制御信号Ｓｃ２は第２電源変換回路１８を制御して第２交流電圧Ｖａｃ２をバス電圧Ｖｂｕｓに変換し、バス電圧Ｖｂｕｓをエネルギー貯蔵コンデンサＣに貯蔵する。さらに、第１スイッチユニット２０と電源出力経路１２を介して第１交流電圧Ｖａｃ１を交流出力ポート４００に提供するように、第１制御信号Ｓｃ１は第１電源変換回路１６を制御してバス電圧Ｖｂｕｓを第１交流電圧Ｖａｃ１に変換する。

第３制御信号Ｓｃ３は第１スイッチユニット２０の導通と切断を制御し、第４制御信号Ｓｃ４は第２スイッチユニット２２の導通と切断を制御する。始動モードの場合、蓄電池３００は電動発電機２００の始動に必要な電力を供給しなければならず、この時、エンジン２００が完全に始動されていないため、安定且つ信頼できる第１交流電圧Ｖａｃ１を供給することができない。そのため、始動モードの場合、制御ユニット３０は第３制御信号Ｓｃ３を介して第１スイッチユニット２０を導通しないように制御し、第４制御信号Ｓｃ４を介して第２スイッチユニット２２を導通するように制御し、電動発電機２００を駆動するように、蓄電池３００により提供される直流電圧Ｖｄｃは負荷４０２に伝送されず、第１電源変換回路１６及び第２電源変換回路１８を介して第２交流電圧Ｖａｃ２に変換させる。

発電モードの場合、エンジン２０２は既に引火して始動し、蓄電池３００により提供される直流電圧Ｖｄｃを使用する必要なく、電動発電機２００を駆動して第２交流電圧Ｖａｃ２を発生させることができる。そのため、発電モードの場合、制御ユニット３０は第３制御信号Ｓｃ３を介して第１スイッチユニット２０を導通するように制御し、第４制御信号Ｓｃ４を介して第２スイッチユニット２２を導通しないように制御し、第２交流電圧Ｖａｃ２を第１交流電圧Ｖａｃ１に変換して交流出力ポート４００に供給する。

さらに、図１に示すように、従来の発電機制御システム１０は、通常、エンジン２０２をスムーズに点火して早い回転速度に作動させるように、大きな電力を提供して電動発電機２００を安定した回転速度で作動させなければならないため、蓄電池３００は、高電圧バッテリー（例えば、４８ボルトであるがそれに限定されない）である必要があり、通常は、バス電圧Ｖｂｕｓの消費を直接補充するように、エネルギー貯蔵コンデンサＣに結合されなければならない。蓄電池３００は高電圧バッテリーでなければならないので、蓄電池３００を発電機制御システム１０に結合させるか又は蓄電池３００を発電機制御システム１０から切断させるスイッチは比較的に高耐電圧仕様のリレーでなければならない。しかし、本発明の発電機制御システム１０は、第１電源変換回路１６を利用して蓄電池３００により提供される直流電圧Ｖｄｃを昇圧するので、図１に示す従来技術のように、高電圧バッテリーを使用する必要なく、市販の体積が小さい低電圧バッテリー（通常は１２ボルトのバッテリー）を使用することができる。また、本発明の蓄電池３００は低電圧バッテリーであるため、蓄電池３００を発電機制御システム１０に結合させるか又は蓄電池３００を発電機制御システム１０から切断させる第２スイッチユニット２２は低耐電圧仕様のスイッチ（例えば、双方向トランジスタスイッチであるがそれに限らない）であってもよい。これにより、発電機制御システム１０の体積を大幅に縮小することができる（蓄電池３００の体積の縮小、及びリレーを双方向トランジスタスイッチに変更することによる体積の縮小を含む）。注意すべきことは、第１電源変換回路１６により提供される第１交流電圧Ｖａｃ１は依然として比較的に高電圧電力であるため、第１スイッチユニット２０は依然として比較的に高耐電圧仕様のリレーを使用する必要がある。

図２に示すように、発電機制御システム１０はさらにコンバータ１０－２を含む。コンバータ１０－２は、蓄電池３００、発電機制御システム１０の内部電源及び制御ユニット３０に結合され、蓄電池３００により提供される直流電圧Ｖｄｃを制御ユニット３０が作動する時に必要な電圧に変換するのに用いられる。具体的には、始動モードの場合、発電機制御システム１０は、始動モード期間中に制御ユニット３０に安定した電力を供給できないので、制御ユニット３０は、外部電源によりその作動に必要な電力を供給しないと、発電機制御システム１０を制御することができない。制御ユニット３０の作動に必要な電力は、コンバータ１０－２によって直流電圧Ｖｄｃを変換することによって得ることができるか、又は外部電力供給装置によって供給することができる。エンジン２０２が始動した後、発電機制御システム１０は、蓄電池３００により電力を供給する必要なく、制御ユニット３０に安定した電力を供給することができるため、コンバータ１０－２は、バス電圧Ｖｂｕｓ又は補助巻線３２における電圧を変換して制御ユニット３０に供給することができる。注意すべきことは、本発明の一実施例において、蓄電池３００を外部電力供給装置に置き換えることができ、直流電圧Ｖｄｃを安定的に供給できる装置であれば、何れも本実施例の範囲に含まれるべきである。

また、図２に示すように、第１電源変換回路１６はフルブリッジインバータであり、第１ブリッジ１６６、第２ブリッジ１６８及びフィルタユニット１７０を含んでもよい。第１ブリッジ１６６は直流バス１４におけるエネルギー貯蔵コンデンサＣに並列接続され、直列接続される第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２を含む。第２ブリッジ１６８は第１ブリッジ１６６に並列接続され、直列接続される第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４を含む。フィルタユニット１７０は第１ブリッジ１６６、第２ブリッジ１６８及び第１スイッチユニット２０に結合され、且つフィルタユニット１７０は第１インダクタＬ１、第２インダクタＬ２及び出力コンデンサＣｏを含む。具体的には、第１インダクタＬ１の一端は第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２との間のノードに結合され、第２インダクタＬ２の一端は第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４との間のノードに結合される。第１インダクタＬ１と第２インダクタＬ２は電磁誘導結合インダクタを構成し、第１ブリッジ１６６を流れる電流と第２ブリッジ１６８を流れる電流を均流可能にする。出力コンデンサＣｏの一端は第１インダクタＬ１の他端と第１スイッチユニット２０の第１端に結合され、出力コンデンサＣｏの他端は第２インダクタＬ２の他端と第１スイッチユニット２０の第２端に結合される。

さらに、第１スイッチＱ１、第２スイッチＱ２及び第１インダクタＬ１は第１変換ユニットを構成し、第３スイッチＱ３、第４スイッチＱ４及び第２インダクタＬ２は第２変換ユニットを構成する。始動モードにおいて、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１を提供して第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２の切り替えを制御し、第１インダクタＬ１と組み合わせて昇圧変換回路になることにより、直流電圧Ｖｄｃを第１変換ユニットによってバス電圧Ｖｂｕｓに変換することができる。又は、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１を提供して第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４の切り替えを制御し、第２インダクタＬ２と組み合わせて昇圧変換回路になることにより、直流電圧Ｖｄｃを第２変換ユニットによってバス電圧Ｖｂｕｓに変換することができる。発電モードにおいて、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１を提供して第１ブリッジ１６６と第２ブリッジ１６８の作動を制御し、インバータ回路とすることにより、バス電圧Ｖｂｕｓを第１交流電圧Ｖａｃ１に変換する。注意すべきことは、本発明の一実施例において、フィルタユニット１７０は単一インダクタのみを含むフルブリッジインバータであってもよい。フィルタユニット１７０が単一インダクタのみを有する場合、直流電圧Ｖｄｃは、単一インダクタ昇圧回路のみを介して昇圧し、バス電圧Ｖｂｕｓに変換されなければならない。

また、図２に示すように、第２電源変換回路１８は三相インバータであり、第３ブリッジ１９０、第４ブリッジ１９２及び第５ブリッジ１９４を含んでもよい。第３ブリッジ１９０は直流バス１４におけるエネルギー貯蔵コンデンサＣに並列接続され、直列接続される第５スイッチＱ５と第６スイッチＱ６を含む。第４ブリッジ１９２は第３ブリッジ１９０に並列接続され、直列接続される第７スイッチＱ７と第８スイッチＱ８を含む。第５ブリッジ１９４は第４ブリッジ１９２に並列接続され、直列接続される第９スイッチＱ９と第１０スイッチＱ１０を含む。各スイッチＱ５～Ｑ１０の間のノードはそれぞれ電動発電機２００の各相に結合され、３相の第２交流電圧Ｖａｃ２を提供する。始動モードの場合、制御ユニット３０は、第３ブリッジ１９０、第４ブリッジ１９２及び第５ブリッジ１９４の内部のスイッチＱ５～Ｑ１０の切り替えを制御し、バス電圧Ｖｂｕｓを第２交流電圧Ｖａｃ２に変換する。発電モードの場合、制御ユニット３０は、第３ブリッジ１９０、第４ブリッジ１９２及び第５ブリッジ１９４の内部のスイッチＱ５～Ｑ１０の切り替えを制御し、第２交流電圧Ｖａｃ２をバス電圧Ｖｂｕｓに変換する。

注意すべきことは、本発明の一実施例において、発電機制御システム１０は位置センサレス又は位置検出器（例えば、ホールセンサＨａｌｌ ｓｅｎｓｏｒ）の制御システムであってもよい。位置センサレスの制御アーキテクチャにおいて、電動発電機２００の位置、角度、速度は電動発電機２００の逆起電力ＢＥＭＦ、第２交流電圧Ｖａｃ２及び／又は対応する発電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し位置センサレスのアルゴリズムにより計算して得られる。これによって、ホールセンサの回路コストを削減、センサ制御機構の設計を省略し、発電機制御システム１０の回路体積を縮小することができる。

図３Ａは本発明に係る発電機制御システムの始動モードの第１ステップの作動図であり、図３Ｂは本発明に係る発電機制御システムの始動モードの第２ステップの作動図である。更に図２を参照し、図３Ａ～３Ｂを繰り返して参照して説明する。発電機制御システム１０がエンジン２０２をスムーズに点火して始動させる前に、制御ユニット３０は第１スイッチユニット２０を導通せず、第２スイッチユニット２２を導通するように制御する。第２スイッチユニット２２を導通された場合、第１スイッチユニット２０と第２スイッチユニット２２を同時に導通するリスクを避けるために、制御ユニット３０は第１スイッチユニット２０を導通しないように強制的に制御する。そのため、発電機制御システム１０の始動モードを始動する場合、発電機制御システム１０の始動経路は、順番に直流ポート１０－１、第２スイッチユニット２２、第１電源変換回路１６、直流バス１４、第２電源変換回路１８、電動発電機２００である。

図３Ａにおいて（第１ステップＳｓ１）、制御ユニット３０はまずバス電圧Ｖｂｕｓを検出するが、始動前にバス電圧Ｖｂｕｓがまだ確立されていないため、バス電圧Ｖｂｕｓは所定の閾値（例えば、４８ボルトであるがそれに限定されない）以下である。制御ユニット３０によりバス電圧Ｖｂｕｓが所定の閾値以下であることを検出した場合、制御ユニット３０は第３制御信号Ｓｃ３を提供して第１スイッチユニット２０を導通しないように制御し、第４制御信号Ｓｃ４を提供して第２スイッチユニット２２を導通するように制御する。この時、蓄電池３００に貯蔵された直流電圧Ｖｄｃは第２スイッチユニット２２によって第１電源変換回路１６に提供される。その後、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１を提供して第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２の切り替えを制御し、第１インダクタＬ１と組み合わせて昇圧変換回路になることにより、直流電圧Ｖｄｃを第１変換ユニット（第１スイッチＱ１、第２スイッチＱ２及び第１インダクタＬ１により構成される）によってバス電圧Ｖｂｕｓに変換する。又は、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１を提供して第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４の切り替えを制御し、第２インダクタＬ２と組み合わせて昇圧変換回路になることにより、直流電圧Ｖｄｃを第２変換ユニット（第３スイッチＱ３、第４スイッチＱ４及び第２インダクタＬ２により構成される）によってバス電圧Ｖｂｕｓに変換する。第１電源変換回路１６が直流電圧Ｖｄｃをバス電圧Ｖｂｕｓに変換する過程において、制御ユニット３０は、少なくとも、バス電圧Ｖｂｕｓとフィルタユニット１７０に流れるインダクタ電流Ｉｌを継続的に検出し、よって第１制御信号Ｓｃ１のデューティ比を調整することにより、バス電圧Ｖｂｕｓの電圧値を調整し安定させる。

注意すべきことは、制御ユニット３０はさらに直流バス１４における電流を検出し、第１スイッチユニット２０と第２スイッチユニット２２を制御することができる。制御ユニット３０により第１電源変換回路１６から第２電源変換回路１８へ流れる方向である第１方向を有するバス電流を検出した場合、蓄電池３００から流出した電流が第１スイッチユニット２０を介して交流出力ポート４００の負荷４０２に流れて負荷４０２を損害するか、又は複数台の電動発電機２００を並列接続して使用する場合、そのうち１台の電動発電機２００の出力が並列接続された交流出力ポート４００を介してその他の電動発電機２００の蓄電池３００に流れ、蓄電池３００を損害することを避けるために、制御ユニット３０は第１スイッチユニット２０を導通しないように制御し、蓄電池３００から流出した電流が第１電源変換回路１６のみを経由して第２電源変換回路１８に流れるように確保し、外部電流が交流出力ポート４００を介して蓄電池３００に流れないように確保する。また、制御ユニット３０により第２電源変換回路１８から第１電源変換回路１６へ流れる方向（即ち、第２方向と第１方向は逆である）である第２方向を有するバス電流を検出した場合、電動発電機２００から出力された電流が第２スイッチユニット２２を介して蓄電池３００に流れ、蓄電池３００を損害することを避けるために、制御ユニット３０は第２スイッチユニット２２を導通しないように制御する。

図３Ｂにおいて（第２ステップＳｓ２）、制御ユニット３０により検出されたバス電圧Ｖｂｕｓの電圧値が所定の閾値に大体等しい場合、制御ユニット３０は第２制御信号Ｓｃ２を提供してスイッチＱ５～Ｑ１０の切り替えを制御し、バス電圧Ｖｂｕｓを第２交流電圧Ｖａｃ２に変換する。第２電源変換回路１８によりバス電圧Ｖｂｕｓを第２交流電圧Ｖａｃ２に変換する過程において、制御ユニット３０は少なくともバス電圧Ｖｂｕｓと発電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを継続的に検出し、よって第２制御信号Ｓｃ２のデューティ比を調整することにより第２交流電圧Ｖａｃ２の電圧値と発電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流値を調整し安定させる。さらに、制御ユニット３０は第２交流電圧Ｖａｃ２、発電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ及び逆起電力ＢＥＭＦを検出し計算することによって電動発電機２００の発電機回転速度を取得し、エンジン２０２がスムーズに点火され始動するように、第２制御信号Ｓｃ２のデューティ比を調整することによって電動発電機２００の発電機回転速度を所定の回転速度（例えば、４００ｒｐｍであるがそれに限定されない）に制御する。エンジン２０２がスムーズに点火され始動した後、発電機回転速度はさらに上昇し始め、発電機回転速度を、エンジン２０２が既に始動したことを表す第２閾値（例えば、１０００ｒｐｍであるがそれに限定されない）に近接し始めるようにし、よってエンジン２０２の始動プロセスをスムーズに完了させる。

図４Ａは本発明に係る発電機制御システムの発電モードの第１ステップの作動図であり、図４Ｂは本発明に係る発電機制御システムの発電モードの第２ステップの作動図である。さらに図２～３Ｂを参照し、図４Ａ～４Ｂを繰り返して参照しながら説明する。発電機制御システム１０によりエンジン２０２をスムーズに点火して始動させた後、制御ユニット３０は直ちに第１スイッチユニット２０を導通し、第２スイッチユニット２２を導通しないように制御しない。その理由は、エンジン２０２の作動が不安定で発電機制御システム１０が働かないリスクを避けるために、制御ユニット３０はエンジン２０２が通常通りに作動していることを確認しなければならないからである。

図４Ａにおいて（図３Ｂ後の発電モードの第１ステップＳｇ１の続き）、制御ユニット３０は電動発電機２００の発電機回転速度とバス電圧Ｖｂｕｓを継続的に検出する。バス電圧Ｖｂｕｓが第１閾値より大きい場合（例えば、８０ボルトであるがそれに限定されない）、又は電動発電機２００の発電機回転速度が第２閾値より大きい場合（例えば、１０００ｒｐｍであるがそれに限定されない）、エンジン２０２がスムーズに点火され始動し、電動発電機２００によってエネルギーを発電機制御システム１０に戻すことを表す。ここで、本発明にかかる発電機制御システム１０にはホールセンサ（Ｈａｌｌ ｓｅｎｓｏｒ）がないため、電動発電機２００の発電機回転速度は、まず制御ユニット３０によって発電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとバス電圧Ｖｂｕｓを検出し、その後、制御ユニット３０により提供された位置センサレスのアルゴリズムによって計算した後、発電機回転速度を取得する必要がある。又は、発電機回転速度はさらに、補助巻線３２によって電動発電機２００の作動時の逆起電力ＢＥＭＦを検出し、逆起電力ＢＥＭＦによる計算によって取得することができる。

エンジン２０２がスムーズに点火され始動した場合、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１によって第１電源変換回路１６の直流電圧Ｖｄｃをバス電圧Ｖｂｕｓに変換する変換操作を中止するように制御し、発電モードを開始するように、第３制御信号Ｓｃ３を提供して第１スイッチユニット２０を導通するように制御し、第４制御信号Ｓｃ４を提供して第２スイッチユニット２２を導通しないように制御する。その後、制御ユニット３０は第２制御信号Ｓｃ２を提供してスイッチＱ５～ｑ１０の切り替えを制御し、第２交流電圧Ｖａｃ２をバス電圧Ｖｂｕｓに変換する。第２電源変換回路１８により第２交流電圧Ｖａｃ２をバス電圧Ｖｂｕｓに変換する過程において、制御ユニット３０は、少なくとも、発電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと逆起電力ＢＥＭＦを継続的に検出し（又は位置センサレスのアルゴリズムにより）、よって第２制御信号Ｓｃ２のデューティ比を調整することによりバス電圧Ｖｂｕｓの電圧値を調整し安定させる。

図４Ｂにおいて（第２ステップＳｇ２）、制御ユニット３０は第１制御信号Ｓｃ１を提供して第１ブリッジ１６６と第２ブリッジ１６８の切替を制御し、インバータ回路とすることによりバス電圧Ｖｂｕｓを第１交流電圧Ｖａｃ１に変換し、第１交流電圧Ｖａｃ１を第１スイッチユニット２０に提供する。第１電源変換回路１６によりバス電圧Ｖｂｕｓを第１交流電圧Ｖａｃ１に変換する過程において、制御ユニット３０は少なくともバス電圧Ｖｂｕｓとフィルタユニット１７０に流れるインダクタ電流Ｉｌを継続的に検出し、よって第１制御信号Ｓｃ１のデューティ比を調整することにより第１交流電圧Ｖａｃ１の電圧値を調整し安定させる。そのため、エンジン２０２の始動後の発電モードの場合、発電機制御システム１０の給電経路は順に、電動発電機２００、第２電源変換回路１８、直流バス１４、第１電源変換回路１６、第１スイッチユニット２０、電源出力経路１２である。

上記を纏めると、本発明は以下の特徴と利点を有する。

１．本願は、蓄電池を交流の出力側に並列接続することにより、従来の直流－交流変換回路を使用し、エンジンが始動する時に直流－直流の昇圧変換を実行し、従来の交流－直流として用いられた三相フルブリッジスイッチ回路に比較的に高電圧且つ柔軟な直流電圧を提供することができ、直流から交流へのインバータ変換を実行して電動発電機に供給し、よって、点火し爆発しやすくするために、エンジンを適切な回転速度で作動しやすくすることができる。

２．最小変動で既に量産された発電機システムに接続する。本願により提供されるシステムアーキテクチャは三相フルブリッジ変換回路の直流リンク電圧を柔軟に調整し、従来の発電機の仕様パラメータと柔軟に対応することができるため、従来の発電機を変更することなく、又は変更を最小限にする。

３．エンジンの点火回転速度が最も安定している。直流リンク電圧を４８ボルト又は６４ボルトまで適切に調整することができるため、エンジンの点火可能回転速度を最も早く且つ安定にする。

４．コストが低い。本システムの蓄電池には現在汎用の１２ボルトの鉛酸バッテリーを使用することができ、全体として余分なスイッチを追加する必要なく、直接既存の発電機回路のアーキテクチャを利用してエンジンの始動と発電の機能を同時に実現可能であるため、コストは比較的に低い。

上記は本発明の好ましい実施形態の詳細な説明及び図面であり、本発明の特徴は上記に限定されるものではなく、本発明を限定するためのものでもない。本発明の全ての範囲は下記の特許請求の範囲に準ずるべきである。本発明の特許請求の範囲における技術的思想及びその類似の変化の実施形態に適合するものは、いずれも本発明の範疇に含まれるべきであり、当業者が本発明の範囲内で容易に想到し得る変化又は修飾はいずれも以下本願の特許請求の範囲に含まれるものである。

１０：発電機制御システム
１０－１：直流ポート
１０－２：コンバータ
１２：電源出力経路
１４：直流バス
Ｃ：エネルギー貯蔵コンデンサ
１６：第１電源変換回路
１６２：第１側
１６４：第２側
１６６：第１ブリッジ
１６８：第２ブリッジ
１７０：フィルタユニット
Ｌ１：第１インダクタ
Ｌ２：第２インダクタ
Ｃｏ：出力コンデンサ
１８：第２電源変換回路
１８２：第１側
１８４：第２側
１９０：第３ブリッジ
１９２：第４ブリッジ
１９４：第５ブリッジ
２０：第１スイッチユニット
２２：第２スイッチユニット
３０：制御ユニット
３２：補助巻線
２００：電動発電機（統合型スタータージェネレーター）
２０２：エンジン
３００：蓄電池
４００：交流出力ポート
４０２：負荷
５００：三相フルブリッジ変換回路
Ｖａｃ１：第１交流電圧
Ｖａｃ２：第２交流電圧
Ｖｂｕｓ：バス電圧
Ｖｄｃ：直流電圧
Ｓｃ１～Ｓｃ４：制御信号
Ｑ１～Ｑ１０：スイッチ
ＢＥＭＦ：逆起電力
Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ：発電機電流
Ｉｌ：インダクタ電流

Claims (15)

1. 電動発電機（２００）に結合される発電機制御システム（１０）であって、
   直流電圧（Ｖｄｃ）を受信する直流ポート（１０－１）と、
   交流出力ポート（４００）に結合される第１スイッチユニット（２０）と、
   直流バス（１４）と、
   該直流バス（１４）に結合される第１側（１６２）と該第１スイッチユニット（２０）に結合される第２側（１６４）を含む第１電源変換回路（１６）と、
   該直流バス（１４）に結合される第１側（１８２）と該電動発電機（２００）に結合される第２側（１８４）を含む第２電源変換回路（１８）と、
   一端が該第１電源変換回路（１６）と該第１スイッチユニット（２０）に結合され、他端が該直流ポート（１０－１）に結合される第２スイッチユニット（２２）と、
   を含み、
   前記発電機制御システム（１０）の始動又は作動の過程おいて、同じ時間帯には前記第１スイッチユニット（２０）又は第２スイッチユニット（２２）のうちの１つのみが導通されることを特徴とする発電機制御システム（１０）。
2. 該第１電源変換回路（１６）に結合され、第１制御信号（Ｓｃ１）を提供して該第１電源変換回路（１６）を制御して該直流電圧（Ｖｄｃ）を該直流バス（１４）におけるバス電圧（Ｖｂｕｓ）に変換するか、又は該第１制御信号（Ｓｃ１）を提供して該第１電源変換回路（１６）を制御して該バス電圧（Ｖｂｕｓ）を第１交流電圧（Ｖａｃ１）に変換することにより、該第１交流電圧（Ｖａｃ１）を該第１スイッチユニット（２０）に提供する、制御ユニット（３０）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御システム（１０）。
3. 該直流バス（１４）の正端子と負端子との間に結合されたエネルギー貯蔵コンデンサ（Ｃ）を備え、
   該第１電源変換回路（１６）は、
   該エネルギー貯蔵コンデンサ（Ｃ）に並列接続され、直列接続される第１スイッチ（Ｑ１）と第２スイッチ（Ｑ２）を含む第１ブリッジ（１６６）と、
   該第１ブリッジ（１６６）に並列接続され、直列接続される第３スイッチ（Ｑ３）と第４スイッチ（Ｑ４）を含む第２ブリッジ（１６８）と、
   該第１ブリッジ（１６６）、該第２ブリッジ（１６８）及び該第１スイッチユニット（２０）に結合されるフィルタユニット（１７０）と、
   を含み、
   該制御ユニット（３０）は該第１ブリッジ（１６６）又は該第２ブリッジ（１６８）の作動を制御して該直流電圧（Ｖｄｃ）を該バス電圧（Ｖｂｕｓ）に変換し、該第１ブリッジ（１６６）と該第２ブリッジ（１６８）の作動を制御して該バス電圧（Ｖｂｕｓ）を該第１交流電圧（Ｖａｃ１）に変換することを特徴とする請求項２に記載の発電機制御システム（１０）。
4. 該フィルタユニット（１７０）は、
   一端が該第１スイッチ（Ｑ１）と該第２スイッチ（Ｑ２）に結合され、他端が該第１スイッチユニット（２０）に結合される第１インダクタ（Ｌ１）と、
   該第１インダクタ（Ｌ１）に結合され、一端が該第３スイッチ（Ｑ３）と該第４スイッチ（Ｑ４）に結合され、他端が該第１スイッチユニット（２０）に結合される第２インダクタ（Ｌ２）と、
   一端が該第１インダクタ（Ｌ１）の他端と該第２インダクタ（Ｌ２）の他端との間に結合される出力コンデンサ（Ｃｏ）と、
   を含み、
   該第１スイッチ（Ｑ１）、該第２スイッチ（Ｑ２）及び該第１インダクタ（Ｌ１）は第１変換ユニットを構成し、該第３スイッチ（Ｑ３）、該第４スイッチ（Ｑ４）及び該第２インダクタ（Ｌ２）は第２変換ユニットを構成し、該制御ユニット（３０）は該第１変換ユニット又は該第２変換ユニットを制御して該直流電圧（Ｖｄｃ）を該バス電圧（Ｖｂｕｓ）に変換することを特徴とする請求項３に記載の発電機制御システム（１０）。
5. 該制御ユニット（３０）は、さらに該第２電源変換回路（１８）に結合され、該制御ユニット（３０）は、第２制御信号（Ｓｃ２）を提供して該第２電源変換回路（１８）の該バス電圧（Ｖｂｕｓ）に対する双方向変換及び第２交流電圧（Ｖａｃ２）を制御することを特徴とする請求項２に記載の発電機制御システム（１０）。
6. 該第２電源変換回路（１８）は、
   該直流バス（１４）に並列接続され、直列接続される第５スイッチ（Ｑ５）と第６スイッチ（Ｑ６）を含む第３ブリッジ（１９０）と、
   該第３ブリッジ（１９０）に並列接続され、直列接続される第７スイッチ（Ｑ７）と第８スイッチ（Ｑ８）を含む第４ブリッジ（１９２）と、
   該第４ブリッジ（１９２）に並列接続され、直列接続される第９スイッチ（Ｑ９）と第１０スイッチ（Ｑ１０）を含む第５ブリッジ（１９４）と、
   を含み、
   該第３ブリッジ（１９０）、該第４ブリッジ（１９２）及び該第５ブリッジ（１９４）は該電動発電機（２００）に結合され、該制御ユニット（３０）は該第３ブリッジ（１９０）、該第４ブリッジ（１９２）及び該第５ブリッジ（１９４）の作動を制御することにより、該バス電圧（Ｖｂｕｓ）と該第２交流電圧（Ｖａｃ２）を双方向変換することを特徴とする請求項５に記載の発電機制御システム（１０）。
7. 該制御ユニット（３０）は、さらに該第１スイッチユニット（２０）と該第２スイッチユニット（２２）に結合され、該制御ユニット（３０）は該バス電圧（Ｖｂｕｓ）と該電動発電機（２００）の発電機回転速度を検出することによって該第１スイッチユニット（２０）と該第２スイッチユニット（２２）を制御し、
   該バス電圧（Ｖｂｕｓ）が第１閾値以下である場合、該制御ユニット（３０）は該第１スイッチユニット（２０）を導通させず、該第２スイッチユニット（２２）を導通するように制御し、
   該バス電圧（Ｖｂｕｓ）が該第１閾値より大きく、又は該発電機回転速度が第２閾値より大きい場合、該制御ユニット（３０）は該第１スイッチユニット（２０）を導通し、該第２スイッチユニット（２２）を導通しないように制御することを特徴とする請求項２に記載の発電機制御システム（１０）。
8. 該制御ユニット（３０）は、さらに該第１スイッチユニット（２０）と該第２スイッチユニット（２２）に結合され、該制御ユニット（３０）が該第１電源変換回路（１６）から該第２電源変換回路（１８）に流れる方向である第１方向を有するバス電流を検出した場合、該制御ユニット（３０）は該第１スイッチユニット（２０）を導通しないように制御し、該制御ユニット（３０）が該第１方向と逆である第２方向を有する該バス電流を検出した場合、該制御ユニット（３０）は該第２スイッチユニット（２２）を導通しないように制御することを特徴とする請求項２に記載の発電機制御システム（１０）。
9. 該第１スイッチユニット（２０）はリレーであり、該第２スイッチユニット（２２）は双方向トランジスタスイッチであることを特徴とする請求項１に記載の発電機制御システム（１０）。
10. 発動発電機（２００）、直流電圧（Ｖｄｃ）を受信する直流ポート（１０－１）、交流出力ポート（４００）、該交流出力ポート（４００）に結合される第１スイッチユニット（２０）、直流バス（１４）、該第１スイッチユニット（２０）と該直流バス（１４）との間に結合される第１電源変換回路（１６）、該直流バス（１４）と該電動発電機（２００）との間に結合される第２電源変換回路（１８）及び該第１電源変換回路（１６）、該第１スイッチユニット（２０）と該直流ポート（１０－１）に結合される第２スイッチユニット（２２）を含み、始動又は作動の過程おいて、同じ時間帯には前記第１スイッチユニット（２０）又は第２スイッチユニット（２２）のうちの１つのみが導通される発電機制御システム（１０）の始動方法であって、
    該直流バス（１４）におけるバス電圧（Ｖｂｕｓ）が第１閾値以下である場合、該第１スイッチユニット（２０）を導通させず、該第２スイッチユニット（２２）を導通するように制御するステップ（ａ）と、
    該第１電源変換回路（１６）の第１ブリッジ（１６６）又は第２ブリッジ（１６８）の作動を制御することにより該直流電圧（Ｖｄｃ）を該バス電圧（Ｖｂｕｓ）に変換するステップ（ｂ）と、
    該第２電源変換回路（１８）を制御することにより該バス電圧（Ｖｂｕｓ）を第２交流電圧（Ｖａｃ２）に変換して該電動発電機（２００）を駆動するステップ（ｃ）と、
    を含むことを特徴とする始動方法。
11. 該バス電圧（Ｖｂｕｓ）が該第１閾値より大きく、又は該電動発電機（２００）の発電機回転速度が第２閾値より大きい場合、該第２スイッチユニット（２２）を導通しないように制御し、その後該第１スイッチユニット（２０）を導通するように制御するステップ（ｄ）と、
    該第２電源変換回路（１８）を制御することにより該第２交流電圧（Ｖａｃ２）を該バス電圧（Ｖｂｕｓ）に変換するステップ（ｅ）と、
    第１交流電圧（Ｖａｃ１）を該第１スイッチユニット（２０）に提供するように、該第１ブリッジ（１６６）と該第２ブリッジ（１６８）の作動を制御することにより、該バス電圧（Ｖｂｕｓ）を第１交流電圧（Ｖａｃ１）に変換するステップ（ｆ）と、をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の始動方法。
12. 該ステップ（ｃ）は、さらに、
    該電動発電機（２００）に接続されるエンジン（２０２）を引火させて該電動発電機（２００）の発電機回転速度を第２閾値より大きく向上させるように、該第２電源変換回路（１８）の第３ブリッジ（１９０）、該第３ブリッジ（１９０）に並列接続される第４ブリッジ（１９２）、第５ブリッジ（１９４）の作動を制御することにより、該電動発電機（２００）の発電機回転速度を所定の回転速度に調整するステップ（ｃ１）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の始動方法。
13. 該第１電源変換回路（１６）から該第２電源変換回路（１８）に流れる方向である第１方向を有するバス電流を検出した場合、該第１スイッチユニット（２０）を導通しないように制御するステップ（ｇ１）と、
    該第１方向と逆である第２方向を有する該バス電流を検出した場合、該第２スイッチユニット（２２）を導通しないように制御するステップ（ｇ２）と、をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の始動方法。
14. 該発電機回転速度は、位置センサレスのアルゴリズムによって該第２電源変換回路（１８）により提供される発電機電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）と該バス電圧（Ｖｂｕｓ）を計算して得られることを特徴とする請求項１１に記載の始動方法。
15. 該発電機回転速度は、該電動発電機（２００）の逆起電力（ＢＥＭＦ）を計算することによって得られることを特徴とする請求項１１に記載の始動方法。

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