JPH06225599A - 自動車用発電機の出力電力制御装置 - Google Patents

自動車用発電機の出力電力制御装置

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JPH06225599A
JPH06225599A JP5255381A JP25538193A JPH06225599A JP H06225599 A JPH06225599 A JP H06225599A JP 5255381 A JP5255381 A JP 5255381A JP 25538193 A JP25538193 A JP 25538193A JP H06225599 A JPH06225599 A JP H06225599A
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Roy D Schultz
ディー．シュルツ ロイ
Robert J Mohan
ジェイ．モハン ロバート
David W Sirois
ダブリュ．シロイス デビッド
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 通常動作時には負荷回路に調整電圧を供給
し、適当な電流を流し、要求がある時には、最大電力を
供給する自動車の電力制御システムを提供する。 【構成】 デューティサイクルで制御されるスイッチン
グコンバータ３５が同期発電機３０の出力電圧を、電池
３８を充電して低電圧負荷３９に給電するのに適する電
圧値に下げる。発電機の回転速度が十分な負荷電流を供
給できる時にはコンバータ３５は第１のフィードバック
回路３７により制御される。この回路は出力電圧を基準
電圧Ｖｂと比較して誤差信号を生じ、コンバータ出力電
圧を所望のレベルに調整する。出力電圧が所望のレベル
より低いときには、同期発電機の速度信号により制御信
号を発生し、コンバータ出力電圧を変え、その回転速度
において同期発電機から得られる電力を最大になるよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は自動車の電気システムに
関するものであり、特に自動車の同期発電機システムに
より供給される電力を最適化して調整する装置に関する
ものであるが、それのみに限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】現代の典型的な自動車の電気システムは
同期発電機を含んでおり、同期発電機は自動車のエンジ
ンにより回転して電圧を発生し、その電圧で自動車の電
池を充電し、電池の電力により多くの電気負荷を動かし
ている。
【０００３】同期発電機により供給される出力電力を制
御するには、電圧調整システムが用いられる。回転する
同期発電機の電機子により発生する電圧は、同期発電機
の界磁巻線に供給される電流の量を変えることによりあ
る程度制御することができるので、発生した出力電圧が
所定のレベルを越えたときに同期発電機の界磁電流を減
らすのに、通常第１の電圧調整機構が用いられる。同期
発電機の出力電圧が所定のレベルより低い限り、この第
１の調整機構は界磁電流を所定のレベルに維持する。こ
の所定のレベルの電流は同期発電機を安全に運転するこ
とができる最大界磁電流に等しい。
【０００４】同期発電機が発生する出力電圧は実質的に
電池の端子電圧より高いのが好ましい。例えば送風機モ
ータや風防ガラスの加熱装置のように高い電圧の方が効
率よく機能する装置の場合には、同期発電機から直接高
い電圧を供給してもよいが、低い電圧用の装置にはスイ
ッチングコンバータによりもっと精密に調整された電圧
を供給する。スイッチングコンバータの出力電圧は自動
車の電池を充電するのに適するような値に調整する。
【０００５】スイッチングコンバータは負荷に流す電流
を制御するトランジスタのスイッチング時間、すなわち
「デューティサイクル」を変えることによって、出力電
圧を所望の値に調節する。調整用フィードバック回路は
誤差信号を生ずることにより出力電圧があらかじめ定め
た基準値から外れたことに応答し、所望の出力電圧を維
持するためにデューティサイクルを変える。ピータ・ノ
ートンが発明したＵ．Ｓ．特許４，６９４，２３８（１
９８７年９月７日発行）に開示されている電源システム
では、第１の調整器が同期発電機の界磁電流を制御し、
第２の調整器が固体素子のスイッチングコンバータのス
イッチング デューティサイクルを変えることによっ
て、所望の出力電圧を維持する。
【０００６】もし接続されている負荷回路の要求が調整
された同期発電機システムの出力容量を越える場合に
は、所望の出力電圧を維持することができない。ある種
の条件下では、出力電圧を上げようとしてコンバータの
デューティサイクルを増やすと、実際には自動車の電気
システムに電力を供給する同期発電機の能力が下がって
しまい、無駄な試みになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、高負荷という条件下で回転発電機により供給される
電力を最大にすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、デュー
ティサイクルにより制御されるスイッチングコンバータ
のような電圧コンバータが、電力を発電機から負荷に分
配し、発電機の回転速度の測定値と負荷の要求との変動
に応じて、発電機により供給される電力を最大にするよ
うに制御される。
【０００９】本発明の好ましい一実施例では、スイッチ
ングコンバータが同期発電機と低電圧負荷との間に接続
されていて、スイッチングコンバータから負荷に供給さ
れる出力電圧は同期発電機から生ずる電圧値より低くな
っている。その率はスイッチングコンバータのスイッチ
ングデューティサイクルにより制御される。本発明によ
ればこのデューティサイクルは２種類の制御信号に応じ
て変わる。第１の制御信号は、コンバータの出力電圧が
所定の基準レベルより大きくなったときにデューティサ
イクルを変える。第２の制御信号は、負荷に加えられる
出力電圧が基準レベルより低くなったときに、同期発電
機の回転速度の関数としてデューティサイクルを調節す
る。本発明によれば、第２の制御信号は同期発電機の回
転速度の所定の関数として変わるのであるが、それは、
供給する電圧を単に最大にするのではなく、同期発電機
により供給される電力が最大となるような所定の関係に
基づいて変るのである。このようにして、同期発電機が
低速回転しかつまたは、所望の出力電圧レベルを供給す
るには同期発電機の能力を越えるような高い要求がなさ
れる条件との組合せの下で、接続された負荷には必要な
電力がより多く供給されるようになる。
【００１０】
【実施例】以下図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。図１は本発明の原理を具体化した自動車
用に電気システムを示す。三相の同期発電機３０から交
流電圧が整流機３１を通って直流／直流スイッチングコ
ンバータ３５に供給され、ここで同期発電機３０により
発電された電圧が低い出力電圧に変換される。スイッチ
ングコンバータ３５により供給される電圧は通常、端子
３６に加えられる基準電圧Ｖｂにより決まる値に調整さ
れる。調整は図１のデューティサイクル制御回路３７の
働らきによりなされる。電圧値Ｖｂは、コンバータ３５
の出力電圧が電池３８を充電して、低電圧負荷３９に給
電するのに適するような値に選ぶ。整流器３１の出力に
現われる高電圧は、例えば加熱風防ガラスや通常のヒー
タを補足する電気ヒータのようなある種の高電圧負荷４
０に供給するのが便利である。
【００１１】調整器４１は通常のものであって、導体４
４を経由して供給される同期発電機の出力電圧、または
導体４５を経由して供給されるコンバータ３５の出力電
圧があらかじめ定めた最大電圧を越えるときに、同期発
電機の界磁コイル４２に流れる平均電流を下げる働らき
をする。これら両方の出力電圧が最大値より低いとき、
調整器４１が界磁巻線４２に流れる電流を所定の最大安
全動作レベルに保つ。したがって、本発明の焦点である
出力電圧が低い状態では、調整器４２は同期発電機の界
磁電流を所定の最大安全動作レベルに維持しようとす
る。
【００１２】スイッチングコンバータ３５は図２に詳細
に示すようなバックコンバータの形をとるのが好まし
い。図２に示すように、コンバータ３５は高電圧入力端
子５１に供給される電圧を低く調整された電圧に下げ
て、低電圧出力端子５２に出力する。入力端子５１のう
ち一方は共通の帰路５３を経て出力端子５２の一端に接
続されており、上の方の入力端子はスイッチングトラン
ジスタ６０と平滑誘導子６２の直列組を経て出力端子５
２の上の端子に接続されている。フィルターコンデンサ
６４が入力端子５１にまたがって接続されていて、フラ
イバックダイオード６６がトランジスタ６０と誘導子６
２との接合点と共通帰路５３とを結んでいる。
【００１３】スイッチングトランジスタ６０はデューテ
ィサイクル制御ユニット３７から生ずるデューティサイ
クル制御信号によりオンオフされる。トランジスタ６０
がオンになると、フライバックダイオード６６が逆バイ
アスされて、電流は誘導子６２と出力端子５２を通って
流れる。トランジスタ６０がオフになると、電流は平滑
誘導子６２を通って同じ方向に流れ続けるが、今度は順
バイアスされたフライバックダイオードを通る。
【００１４】スイッチングコンバータ３５は入力端子５
１に加えられた電圧を下げて、低いレベルで出力端子５
２に供給する。入力電圧対出力電圧の比はトランジスタ
６０のデューティサイクルに直接関係する、すなわちト
ランジスタ６０が導通してない期間よりはむしろ導通し
ている時間の割合に直接的に関係する。このデューティ
サイクルは図２に詳細に示すようにデューティサイクル
制御装置３７によりつくられる。
【００１５】デューティサイクル制御装置３７のひとつ
の機能は、コンバータの出力端子５２の電圧を、図１に
示すように電池３８を充電するのに適する所定の値に制
御することである。この目的を達成するために、差動増
幅器７０の一方の入力に導体７４を経由して供給される
スイッチングコンバータの出力電圧が、導体７６を経由
して増幅器７０の他方の入力に供給される基準電圧Ｖｂ
より大きくなると、差動増幅器７０はダイオード７１を
経由して端子７５に第１の制御信号を供給する。
【００１６】端子７５は普通に設計されたパルス幅変調
器８０の制御入力である。パルス幅変調器８０は一連の
オンオフ交互のパルスを発生し、それを変調器の出力導
体８２を経由してトランジスタスイッチ６０に供給す
る。コンバータの出力端子５２の電圧が基準レベルＶｂ
を越えると、増幅器７０の出力には両入力の誤差信号が
増幅されて出力され、それがダイオード７１を順方向に
バイアスしてパルス幅変調器８０の入力に低電圧の信号
を供給する。するとパルス幅変調器８０はスイッチング
トランジスタ６０のデューティサイクル（すなわちオン
時間とオフ時間との割合）を下げる。差動増幅器７０を
経由するこの電圧調整用フィードバックループは、コン
バータの出力端子５２に現われる電圧が基準電圧Ｖｂに
より決められている限界値を越えないように働く。
【００１７】デューティサイクル制御装置３７のもうひ
とつの機能は、コンバータの出力端子５２の出力電圧が
基準レベルＶｂ以下のとき有効になる。この状態のと
き、端子７５に加わる信号はスイッチ６０のデューティ
サイクルを増加するように調整される。こうしてコンバ
ータ３５の出力電圧を調整の効く範囲に維持する。
【００１８】図３の曲線は代表的な自動車用同期発電機
の出力電圧対出力電力特性を示したもので、２，０００
ｒｐｍ（１分間の回転数）、３，０００ｒｐｍ、４，０
００ｒｐｍ、６，０００ｒｐｍの４種類の回転速度に関
して示してある。４個の曲線すべてに関して電機子の界
磁電流は最大安全動作レベルに保たれている（図１の調
整器４１の働らきによる）。図３に示すように、４，０
００ｒｐｍで回転する同期発電機はその出力電圧が約３
５ボルトのとき最大電力を生ずる。また図３に示すよう
に、同期発電機の回転速度が増加するにつれて、最大出
力電力が得られる出力電圧が高くなる。
【００１９】図３の上の方にデューティサイクルの基準
線を示してあるが、これによって公称出力電圧１４ボル
トを得るのに必要なコンバータのデューティサイクルと
の関係がわかる。このとことは図３において同期発電機
の出力電圧軸に沿ってプロットしてある。デューティサ
イクル１（オン時間が連続）というのは、同期発電機の
出力電圧がスイッチングコンバータの出力電圧に等しい
ことを意味する。デューティサイクル０．５（オンとオ
フの時間が等しい）というのは、このとき同期発電機の
出力電圧が２８ボルト（コンバータの公称出力電圧１４
ボルトの２倍）であることを意味する。
【００２０】図４に点線で示した曲線は、図３に示した
同期発電機の物理的特性から導いたものであるが、同期
発電機から最大出力電力を得るには、速度と共にデュー
ティサイクルをどのように変えるべきであるかを示して
いる。本発明により提供される同期発電機の速度とデュ
ーティサイクル間の最適な関係は、同期発電機が所望の
出力電圧レベルＶｂを出力するのに十分な電力を供給す
ることができないとき、コンバータ３５の最大スイッチ
ング時間を制限するのに利用される。
【００２１】回転速度とデューティサイクル間の所望の
関係を実現するのに、デューティサイクル制御装置３７
の直線近似回路を利用する。図１と２に示すように、同
期発電機３０から生ずる交流波形の標本が導体８５を経
由してデューティサイクル制御装置３７に供給される。
周波数／電圧変換器９０は直流電圧を３個の差動増幅器
９１，９２，９３の入力に供給する。これらの増幅器の
出力はそれぞれダイオード９６，９７，９８を経由して
バッファ増幅器１００の入力に接続されている。増幅器
１００の出力はダイオード１０５を経由してパルス幅変
調器８０の入力端子に接続されている。
【００２２】各差動増幅器９１，９２，９３の第２の入
力は、図２に示すようにそれぞれ調節可能なポテンシオ
メータ１０６，１０７，１０８を経由して基準電位に接
続されている。ポテンシオメータ１０６，１０７，１０
８の調節は、それぞれ接続されている増幅器が異なる入
力レベルに対して出力が正となってそれぞれ接続されて
いるダイオードを電流が通るようになされる。その理由
は、電機子の速度が変わると共に増幅器１００の出力電
圧が変わって、図４に示した速度対デューティサイクル
の関係が３個の部分の直線近似となるようにするためで
ある。すなわち、約３，５００ｒｐｍ（図４のグラフの
Ｂ点）より回転速度が低く、約１，８００ｒｐｍ（図４
のグラフのＡ点）より高い領域では、点Ａと点Ｂとを結
ぶ直線に沿って速度と共にデューティサイクルを変化さ
せることにより、同期発電機からほぼ最大の出力電力が
得られる。この領域では周波数／電圧変換器９０の出力
電圧は増幅器９１の出力がダイオード９６を導通させる
に足るだけの大きさであるが、増幅器９２と９３の出力
を有効にするほど大きくない。点Ｂに達すると、ダイオ
ード９７が導通して回路の利得は増幅器９２によって決
まるようになり、回路は図４の直線部分Ｂ−Ｃに沿った
速度対デューティサイクル特性を実現する。最後に、同
期発電機の回転速度が約６，７００ｒｐｍを越えると、
デューティサイクルは点Ｃと点Ｄとを結ぶ直線の部分に
沿って減少する。こうして図４の点線により示した最適
特性に近い特性が得られ続けるのである。
【００２３】以上説明した実施例は本発明の原理の一応
用例にすぎない。当業者なら本発明の真の思想と範囲か
ら逸脱することなく、多くの修正をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自動車の電気システムの概略ブロ
ック図。
【図２】本発明の好ましい実施例に用いられるデューテ
ィサイクル制御回路とスイッチングコンバータの詳細な
回路図。
【図３】未調整の同期発電機システムの電気的動作特性
を示すグラフ。
【図４】同期発電機システムが所望の出力電圧を供給す
ることができないとき、出力電力を最大にするために、
同期発電機の回転速度に対してスイッチングコンバータ
のデューティサイクルをどのようにすべきかを示すグラ
フ。
【符号の説明】
３０ 同期発電機 ３５ スイッチングコンバータ ３７ デューティサイクル制御装置 ３８ 電池 ３９ 低電圧負荷

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発電機の回転速度を示す速度信号を発生
    する手段と、 前記発電機の出力を受けるように接続された電力入力
    と、負荷回路に出力電圧を供給するように接続された電
    力出力と、制御入力とを有し、該制御入力に加えられた
    制御電圧の大きさにより該電力出力の電圧が決まるよう
    になっている電圧変換器と、 前記速度信号に応じた前記制御電圧を前記制御入力に供
    給し、それによって前記出力電圧が前記発電機の回転速
    度の所定の関数となるように前記出力電力において前記
    出力電圧を生ずるように制御する回路手段と、 を含むことを特徴とする、回転する発電機から負荷回路
    に供給される出力電力の大きさを制御する、発電機の出
    力電力制御装置。
  2. 【請求項２】 第１項記載の装置において、前記所定の
    関数は前記回転速度と共に変わる出力電圧を生じて、前
    記発電機から最大の電力を生ぜしむものであることを特
    徴とする、発電機の出力電力制御装置。
  3. 【請求項３】 第１項記載の装置において、前記速度信
    号を発生する手段は前記発電機の出力に接続された入力
    を有する周波数／電圧変換器を含み、該周波数／電圧変
    換器は前記発電機から生ずる出力の時間的変化成分を直
    流電圧に変換するものであって、該直流電圧の大きさは
    前記発電機の回転速度に直接関連があることを特徴とす
    る、発電機の出力電力制御装置。
  4. 【請求項４】 第３項記載の装置において、前記制御電
    圧を供給する前記回路手段は、前記速度信号を受信する
    入力を有する増幅回路と、前記制御信号を生ずる出力回
    路とを含み、該増幅回路の瞬時の利得は前記速度信号の
    瞬時の大きさに依存することを特徴とする、発電機の出
    力電力制御装置。
  5. 【請求項５】 ある電圧において電力を生ずる回転発電
    機と、 負荷回路と、 制御信号を受信する入力と、前記発電機の出力電圧を受
    信するように接続された電力入力と、前記負荷回路に負
    荷電圧を供給するように接続された電力出力と、前記制
    御信号の大きさに応じて前記発電機の出力電圧と前記負
    荷電圧との相対的大きさを変える手段と、を含む電圧変
    換器と、 可変速度で前記発電機を回転する手段と、 前記速度信号に応じて前記制御信号の大きさを変えるこ
    とにより発電機の出力電圧の大きさを所定の負荷電圧に
    変えて、前記回転発電機が生じる電力を最大にする手段
    と、 を含むことを特徴とする、発電機の出力電力制御装置。
  6. 【請求項６】 第５項記載の装置において、前記速度信
    号を発生する手段は前記発電機の出力に接続された入力
    を有する周波数／電圧変換器を含み、該周波数／電圧変
    換器は前記発電機から生ずる出力の時間的変化成分を直
    流電圧に変換するものであって、該直流電圧の大きさは
    前記発電機の回転速度に直接関連していることを特徴と
    する、発電機の出力電力制御装置。
  7. 【請求項７】 第６項記載の装置において、前記制御信
    号を変える前記手段は、前記速度信号を受信するように
    接続された入力を有する増幅回路と、前記制御信号を生
    ずる出力回路とを含み、該増幅回路の瞬時の利得は前記
    速度信号の瞬時の大きさに依存することを特徴とする、
    発電機の出力電力制御装置。
JP5255381A 1992-10-14 1993-10-13 自動車用発電機の出力電力制御装置 Pending JPH06225599A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US96062992A 1992-10-14 1992-10-14
US960629 1992-10-14

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JPH06225599A true JPH06225599A (ja) 1994-08-12

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ID=25503417

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5255381A Pending JPH06225599A (ja) 1992-10-14 1993-10-13 自動車用発電機の出力電力制御装置

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US (1) US5483146A (ja)
EP (1) EP0593299A3 (ja)
JP (1) JPH06225599A (ja)
CA (1) CA2108343A1 (ja)

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