JPH10262343A - 車両用発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両用交流発電機の発熱を利用してエンジン
始動直後のエンジン冷却水の温度を上げることができる
車両用発電装置を提供すること。 【解決手段】 車両用発電装置は、エンジン冷却水によ
って冷却されるステータコイル１０とＭＯＳＦＥＴ２０
ａ〜２０ｆからなる３相全波整流回路２を含むオルタネ
ータ１と、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ等のオンオフタイミン
グを制御することにより進相電流制御を行う発電制御装
置３とを備えている。発電制御装置３内のコントローラ
３４は、水温センサ７の出力に基づいてエンジン冷却水
の温度が低いと判断すると、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ等を
オンオフするタイミングを遅らせることにより取り出す
ことができる出力電流は変わらずにステータコイル１０
による発熱量が増加する発熱優先モードで発電制御を行
う。これにより、エンジン冷却水の温度が速やかに上昇
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両用交流発電機
に対して進相電流制御を行う車両用発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両用エンジンの高効率化が進
み、少ない燃料消費で高出力を得ることができるエンジ
ンが開発され実用化されている。このようなエンジンで
は、それ以前のエンジンと同じ駆動力を発生させたとき
の発熱量を比べると、エンジンの運転効率が上昇した分
だけ発熱量が低く抑えられるため、始動直後のエンジン
冷却水の上昇が遅くなり、暖機運転に時間がかかること
になる。

【０００３】また、エンジン冷却水は、車載用のヒータ
の熱源にもなっているため、エンジン冷却水の温度上昇
が遅くなるということは、それだけヒータの暖房能力も
低下するということであり、特に冬場の朝にエンジンを
始動してもヒータの吹き出し口から温風が出てくるまで
にかなりの時間を要していた。

【０００４】このような暖房能力の低下を補う従来技術
としては、電気ヒータや燃焼式暖房装置を用いて直接温
風を吹き出させる方法が知られている。あるいは、従来
から特開平４−４７３６号公報に開示されているような
液冷式の車両用交流発電機が知られており、ステータコ
イル等を冷却する冷却液としてエンジン冷却水を用いる
ことにより、エンジン始動直後は車両用交流発電機の廃
熱によってエンジン冷却水を加熱することも考えられ
る。

【０００５】また、特開昭５７−１７８９１２号公報に
は、加熱用の発電機を設け、ステータ巻線を短絡するこ
とで多くの廃熱を発生させ、冷却水の加熱性能を上げる
技術が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに電気ヒータや燃焼式暖房装置を用いて直接温風を吹
き出させる方法では、暖房のためだけにこれらの機器を
取り付ける必要があり、コストの増大を招くとともに、
取り付けスペースが必要になって車両の小型化、軽量化
の妨げになるため、実用的ではない。また、車両用交流
発電機の発熱によってエンジン冷却水を加熱しようとし
ても、車両用交流発電機の発熱量は電気負荷の大小によ
って変動するため、電気負荷が小さいと発熱量が少なく
なって、エンジン冷却水の温度を上げるまでには至らな
いことになる。また、ステータ巻線を短絡する方法で
は、電気負荷への電力供給が停止されてしまうため、車
両一般電気負荷への電力供給を行う発電機に使用するこ
とはできない。

【０００７】本発明は、このような点に鑑みて創作され
たものであり、その目的は車両用交流発電機により電気
負荷に電力を供給するとともに、その発熱を利用してエ
ンジン始動直後のエンジン冷却水の温度を上げることが
できる車両用発電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の車両用発電装置は、車両用交流発電機
の電機子巻線に誘起された交流電圧を直流電圧に変換す
るために、スイッチング手段を所定のタイミングで開閉
する交直電力変換手段を有しており、この開閉タイミン
グを発電制御装置によって切り替えることにより電機子
巻線による発熱量を増加させている。したがって、車両
用交流発電機の電気負荷が小さい場合であっても、電機
子巻線による発熱量を増やすことができ、電機子巻線の
冷却水としても使用されるエンジン冷却水の温度が低い
場合に、このエンジン冷却水を速やかに加熱することが
できる。

【０００９】特に、上述したスイッチング手段の開閉タ
イミングを切り替えることにより、車両用交流発電機の
発電効率を下げることができ、電機子巻線による発熱を
増加させることができる。あるいは、上述したスイッチ
ング手段の開閉タイミングを切り替えることにより、電
機子巻線に誘起される起電力よりも電機子巻線に流れる
電流の位相を進めることができ、負荷角δが大きくなっ
て電機子巻線による発熱量を増加させることができる。

【００１０】また、上述した発電制御装置は、整流素子
としてダイオードブリッジを用いた場合と等価的な発電
制御を行う第１の発電モードと、これより発熱量が多い
発熱優先の第２の発電モードとを選択的に切り替えて発
電制御を行うことが可能であり、所定の発熱量増加要求
があったときに第２の発電モードで発電制御を行ってい
る。したがって、例えばエンジン水温検出手段によって
エンジン冷却水の温度が所定値以下であることを検出し
たときに発熱量増加要求がなされるようにしておけば、
エンジン冷却水の温度が低いときだけ、発熱量が多い第
２の発電モードで発電制御を行うことができるため、そ
れ以外のときには不必要な発熱を抑えた無駄のない発電
制御を行うことができる。

【００１１】また、発電制御装置は、上述した第１の発
電モードと第２の発電モードの他に、より多くの出力電
流が取り出せる出力優先の第３の発電モードを有してお
り、所定の出力増加要求があったときに第３の発電モー
ドで発電制御を行っている。したがって、例えば放電状
態検出手段によってバッテリが放電状態にあることを検
出したときに出力増加要求がなされるようにしておけ
ば、高出力が要求されるときだけ第３の発電モードで発
電制御を行うことができるため、それ以外のときには無
理のない余裕を持った発電制御を行うことができる。つ
まり、車両電気負荷の要求に合わせた電力供給を維持し
ながら、要求に応じた廃熱の発熱量制御が可能となる。

【００１２】特に、発電制御装置は、車両用交流発電機
に含まれる界磁巻線に流す界磁電流を断続することによ
り、車両用交流発電機の出力をほぼ一定に維持する出力
電圧制御手段を備えているため、上述した放電状態検出
手段は、この出力電圧制御手段による界磁電流の導通率
を調べることにより、車載バッテリが放電状態であるか
否かを容易に検出することができる。

【００１３】また、上述した交直電力変換手段は、電機
子巻線の各出力端子に接続されたハイサイドスイッチと
ローサイドスイッチ（３相全波整流を考えた場合にはそ
れぞれ３個ずつのスイッチが必要）を有しており、発電
制御装置の位相制御手段によってこれらの各スイッチを
オフにするタイミングを次第に遅らせることにより、出
力優先の第３のモード、さらには発熱優先の第２のモー
ドが実現でき、いずれのモードを選択するかをモード切
替手段によって設定するようにすれば、必要に応じて各
種の発電モードを使い分けることができる。

【００１４】また、発電制御装置は交流発電機の回転数
を検出する回転数検出手段を備えており、位相制御手段
によって各スイッチをオフにするタイミングを回転数に
応じて設定することにより、より正確に第２あるいは第
３の発電モードの発電制御が可能となる。特に、各発電
モードごとに、回転数と各スイッチをオフに切り替える
タイミングを特定するために必要なタイミングデータと
の対応をテーブルの形でタイミングデータ記憶手段に記
憶しておくことにより、各発電モードに対応した発電制
御をリアルタイムに行うことができる。

【００１５】また、上述したスイッチング手段をＩＧＢ
Ｔ、Ｓｉ−ＭＯＳトランジスタなどと接合ダイオードの
組み合わせを利用することで上述した位相制御による発
電制御を行うことができるが、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジ
スタにより交直電力変換手段を構成することにより、高
温時に低損失を実現できるため交直電力変換手段での損
失が低減され出力電流を向上することで、上述した電機
子巻線の発熱量を増すことができ、エンジン冷却水を速
やかに加熱することができる。また、低損失が実現でき
るので従来のヒートシンクを小型化できることにより、
電機子巻線の冷却水経路の確保が容易となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明を適用した車両用発電装置
は、エンジン冷却水を用いて電機子巻線であるステータ
コイル等の冷却を行う液冷式の車両用交流発電機（以
後、「オルタネータ」と称する）の発熱量を制御するこ
とにより、エンジン冷却水の温度が低い場合にこれをオ
ルタネータの廃熱によって効率よく加熱することに特徴
がある。以下、本発明を適用した一の実施形態の車両用
発電装置について、図面を参照しながら具体的に説明す
る。

【００１７】図１は、本発明を適用した一実施形態の車
両用発電装置の詳細構成を示す図である。同図に示す車
両用発電装置は、三相交流電圧を発生するとともにこれ
を整流して直流電流を出力するオルタネータ１と、この
オルタネータ１の界磁電流を制御するとともにオルタネ
ータ１に含まれる交直電力変換手段としての３相全波整
流回路２における整流動作のタイミングを制御する発電
制御装置３とを含んで構成される。

【００１８】オルタネータ１は、固定子であるステータ
に含まれるＸ相、Ｙ相、Ｚ相からなる３相のステータコ
イル１０と、回転子であるロータに含まれる界磁巻線で
あるフィールドコイル１２と、ステータコイル１０の出
力端子に誘起される３相交流電圧を全波整流する３相全
波整流回路２とを備えている。このオルタネータ１は、
少なくともステータコイル１０がエンジン冷却水によっ
て冷却される液冷式の構造を有しており、図示しないハ
ウジング内に導入されたエンジン冷却水がステータコイ
ル１０で発生した熱を奪って再度ハウジング外に回収さ
れる気密構造を有している。

【００１９】３相全波整流回路２は、ＳｉＣで形成され
たスイッチング手段としての６個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ
〜２０ｆを備えており、これらを３相ブリッジ接続した
構成を有している。例えば、各ＭＯＳＦＥＴはＮチャネ
ルタイプであり、ソースからドレインに向かって電流が
流れる方向に寄生ダイオードが形成されている。具体的
には、正極側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂ、２
０ｃのそれぞれのドレインがイグニッションスイッチ４
を介してバッテリ５の正極側端子および電気負荷６の一
方端に共通に接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂ、
２０ｃのそれぞれのソースがステータコイル１０のＸ
相、Ｙ相、Ｚ相の一方端に接続されている。また、負極
側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ｄ、２０ｅ、２０ｆのそれ
ぞれのソースがバッテリ５の負極側端子および電気負荷
６の他方端に共通に接続され、ＭＯＳＦＥＴ２０ｄ、２
０ｅ、２０ｆのそれぞれのドレインがステータコイル１
０のＸ相、Ｙ相、Ｚ相の一方端に接続されている。な
お、正極側の３個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂ、２０
ｃのそれぞれが半導体スイッチング素子からなるハイサ
イドスイッチに対応しており、負極側の３個のＭＯＳＦ
ＥＴ２０ｄ、２０ｅ、２０ｆのそれぞれが半導体スイッ
チング素子からなるローサイドスイッチに対応してい
る。

【００２０】発電制御装置３は、オルタネータ１に含ま
れるフィールドコイル１２に並列接続されるフライホイ
ールダイオード３０と、フィールドコイル１２に流れる
界磁電流を断続するスイッチングトランジスタ３２と、
このスイッチングトランジスタ３２のオンオフ状態と上
述した３相全波整流回路２に含まれる６個のＭＯＳＦＥ
Ｔ２０ａ〜２０ｆのそれぞれのスイッチングのタイミン
グを制御するコントローラ３４とを備えている。

【００２１】図２は、発電制御装置３に含まれるコント
ローラ３４の詳細な構成を示す図である。同図に示すよ
うに、コントローラ３４は、オルタネータ１に含まれる
ステータコイル１０のＸ、Ｙ、Ｚ相の各相電圧Ｖa 、Ｖ
b 、Ｖc に応じた位相角信号Ｓa 、Ｓb 、Ｓc を生成す
る波形処理回路４０と、いずれかの相電圧（例えばＶc
）に基づいてオルタネータ１の回転数を検出する回転
数検出手段としての回転数検出回路４２と、水温センサ
７の出力に基づいてエンジン冷却水の水温を検出する水
温検出手段としての水温検出回路４４と、スイッチング
トランジスタ３２および６個のＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２
０ｆのそれぞれのオンオフ切り替えタイミングを各種の
発電モード（後述する）ごとに設定するタイミング処理
部４６と、このタイミング処理部４６からの指示に応じ
てＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのそれぞれのゲートに駆
動電圧を印加するゲート駆動回路４８とを備えている。

【００２２】また、タイミング処理部４６は、３相全波
整流回路２の出力端子（＋Ｂ端子）とバッテリ５の正極
端子（Ｓ端子）の電圧に基づいてスイッチングトランジ
スタ３２をオンオフすることによりＰＷＭ制御を行って
オルタネータ１の出力電圧をほぼ一定に維持する出力電
圧制御手段５０と、スイッチングトランジスタ３２のオ
ンオフ状態と水温検出回路４４によって検出されたエン
ジン冷却水の水温とに基づいて発電モードをノーマルモ
ード、出力優先モード、発熱優先モードのいずれかに設
定するモード切替手段５２と、これらの各発電モードに
対応させて各回転数毎に段階的に変化させるタイミング
データが予め記憶されたタイミングデータ記憶手段５４
と、いずれかの発電モードが設定されたときに、回転数
検出回路４２によって検出されたオルタネータ１の回転
数に対応するタイミングデータをタイミングデータ記憶
手段５４から読み出し、波形処理回路４０から出力され
る各位相角信号Ｓa 、Ｓb 、Ｓc をこのタイミングデー
タに応じて所定時間遅らせてゲート駆動回路４８を駆動
する位相制御手段５６とを含んでいる。例えば、このタ
イミング処理部４６は、マイクロコンピュータによって
所定の制御プログラムを実行することにより実現される
ものであり、その詳細な動作手順については後述する。
また、タイミングデータ記憶手段５４は、例えば半導体
メモリによって構成することができる。

【００２３】本実施形態の車両用発電装置はこのような
構成を有しており、その動作を説明する前に、発電モー
ドとして設定されるノーマルモードと、出力優先モード
および発熱優先モードを含む進相制御モードについて説
明する。なお、ノーマルモードが第１の発電モードに、
出力優先モードが第３の発電モードに、発熱優先モード
が第２の発電モードにそれぞれ対応している。

【００２４】図３は、波形処理回路４０から出力される
位相角信号とゲート駆動回路４８から出力されるゲート
信号の関係を示す図である。同図に示す「位相角Ｓa 、
Ｓb、Ｓc 」のそれぞれは、波形処理回路４０から出力
される位相角信号であり、オルタネータ１のステータコ
イル１０のＸ相、Ｙ相、Ｚ相のそれぞれに現れる相電圧
Ｖa 、Ｖb 、Ｖc が正電位にあるときにＨレベルが、負
電位にあるときにＬレベルが対応している。

【００２５】ノーマルモードとは、３相全波整流回路２
の各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをダイオードに置き換
えて動作させた場合の発電状態を実現するものである。
ダイオードブリッジを用いて整流を行う場合には、ダイ
オードの順方向電圧降下や配線による電圧降下を無視す
ると、ステータコイル１０の各相電圧Ｖa 、Ｖb 、Ｖc
の絶対値がバッテリ５の端子間電圧の絶対値を越えた場
合に、各ダイオードに順方向電流が流れる。したがっ
て、各相電圧Ｖa 、Ｖb 、Ｖc の絶対値がバッテリ５の
端子間電圧の絶対値を越えた期間だけ、対応するＭＯＳ
ＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをオン状態に制御することによ
り、ノーマルモードの発電制御が実現できる。

【００２６】図３のノーマルモードの「ゲート信号Ｇa
〜Ｇf 」は、このようなタイミングで各ＭＯＳＦＥＴ２
０ａ〜２０ｆをオン状態に制御するためにゲート駆動回
路４８から出力されるものである。例えば、ステータコ
イル１０のＸ相に着目すると、この相電圧Ｖa が正電位
になった後所定時間（所定角度Ｔa ）だけ経過したとき
に、この相電圧Ｖa がバッテリ電圧より高くなるものと
すると、この角度Ｔaに相当する時間が経過したときに
ＭＯＳＦＥＴ２０ａに送るゲート信号Ｇa をＨレベルに
変化させる。また、この相電圧Ｖa が負電位になるより
所定角度Ｔa だけ前にこの相電圧Ｖa がバッテリ電圧よ
り低くなるため（オルタネータ１の出力波形に歪みがな
いものとする）、このタイミングでＭＯＳＦＥＴ２０ａ
に送るゲート信号Ｇa をＬレベルに変化させる。他のゲ
ート信号Ｇb 〜Ｇf についても同様であり、このような
ゲート信号をＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆに入力するこ
とにより、ダイオードブリッジを用いて整流を行う場合
と同様のノーマルモードの発電制御が可能となる。

【００２７】ところで、上述したノーマルモードの発電
制御では、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆをダイオード
と置き換えた場合と同様にそのオンオフ状態を制御した
ため、各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆに電流が逆流する
ことはなかったが、それぞれをオフ状態に切り替えるタ
イミングを遅らせることによりそれぞれに電流を逆流さ
せて各ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆとステータコイル１
０との間に循環電流を流し、これにより発電効率を改善
する進相電流制御を行うことができる。

【００２８】すなわち、図３の進相制御モードの「ゲー
ト信号Ｇa 〜Ｇf 」に示すように、各位相角Ｓa 、Ｓb
、Ｓc の立ち上がりと立ち下がりをともに角度Ｔb だ
け遅らせたゲート信号Ｇa 〜Ｇf を用いた場合には、各
ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオン期間の後半に対応す
る相電圧の絶対値がバッテリ電圧の絶対値より小さくな
る期間やこれを越えて相電圧の極性が反転する期間も含
まれるため、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆにオルタネー
タ１の出力電流が逆流してステータコイル１０との間に
循環電流が流れる。

【００２９】図４は、進相制御を行った際に流れる循環
電流を説明するための図である。図３に示すある時刻ｔ
における発電状態を示す図である。時刻ｔにおいては、
ゲート信号Ｇb とＧf がＨレベルであるため、ＭＯＳＦ
ＥＴ２０ｂと２０ｆを通してバッテリ５および電気負荷
６に、図４に示す出力電流ｉa が流れる。また、このと
きステータコイル１０のＸ相の相電圧Ｖa は負電位にな
っているがＭＯＳＦＥＴ２０ａはオン状態のままである
ため、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ、２０ｂとステータコイル１
０のＸ相、Ｙ相との間に、図４に示す循環電流ｉb が流
れる。この循環電流によって電流の位相を進ませること
ができ、その結果負荷角δが増加し、出力電流が増加す
る。このように、負荷角δは、ＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２
０ｆをオンオフするタイミングを遅らせることによって
制御することができる。

【００３０】図５は、本実施形態の車両用発電装置の等
価回路を示す図である。同図において、Ｅは無負荷起電
力（起電圧）、Ｚs は同期インピーダンス、Ｖは相電
圧、Ｉは同期インピーダンスＺs に流れる電流である。
なお、Ｅ、Ｚs 、Ｖ、Ｉはそれぞれベクトル量である。

【００３１】図６は、ノーマルモードに対応する円線図
である。電流ベクトルＩ0 は、相電圧ベクトルＶに対し
て遅れ角度θ0 となり、出力は、Ｖ・Ｉ0 （＝｜Ｖ｜｜
Ｉ0｜cos θ0 ）となる。このような、ノーマルモード
の状態における負荷角δ0 を次第に増加させると、電流
ベクトルＩは半径ａｐの円周上の軌跡を移動し、負荷角
δの変化に伴って増加する。そして、電流ベクトルＩ
は、ｄ点において遅れ角度θが０となって力率１とな
り、このｄ点を越えると進み電流となる。

【００３２】図７は、電流ベクトルＩが進み電流となっ
た場合の円線図である。円周上のｄ点をすぎたｅ点にお
ける電流ベクトルＩ1 は増大し、ノーマルモードの電流
ベクトルＩ0 より大きくなって、出力Ｖ・Ｉ1 （＝｜Ｖ
｜｜Ｉ1 ｜cos θ1 ）も増加する。さらに、負荷角がδ
2 となるｆ点に達すると、電流ベクトルＩ2 はさらに増
大し、出力Ｖ・Ｉ2 （＝｜Ｖ｜｜Ｉ2 ｜cos θ2 ）は最
大となる。

【００３３】図８は、出力最大点（ｆ点）を越えた場合
の円線図である。円周上のｆ点を過ぎても電流ベクトル
Ｉは増加するが、出力Ｖ・Ｉは減少する。すなわち、ス
テータコイル１０に流れる電流は増加するが、出力とし
て取り出すことができる電流は減少する。これは、電流
として取り出すことができない循環電流が増加すること
を示しており、これに伴って発熱量が増す。安定限界線
上のｇ点に達すると、負荷角δ3 となって、発熱量が最
大となる。

【００３４】このように、進相制御を行って負荷角δを
大きくしていって出力最大になったときの発電状態を出
力優先モード、さらに負荷角δを大きくしていって発熱
量最大になったときの発電状態を発熱優先モードとい
う。ノーマルモード（負荷角δ0 ）のときに取り出すこ
とができる電流をｉ0 、出力優先モード（負荷角δ2 ）
のときに取り出すことができる電流をｉ2 、発熱優先モ
ード（負荷角δ3 ）のときに取り出すことができる電流
をｉ3 とすると、ｉ0 ＝ｉ3 ＜ｉ2 となる。したがっ
て、発熱優先モードにすることにより、電気負荷６に供
給する出力電流をノーマルモードと同じに保ちながら、
オルタネータ１のステータコイル１０による発熱量を増
加させることができる。

【００３５】図９は、進相制御を行って負荷角を大きく
していった場合の出力電流ＩALT と循環電流Ｉs の関係
を示す図である。同図に示すように、ノーマルモードの
負荷角δ0 から次第に遅延角度Ｔ（図３に示す遅延角度
Ｔb ）を増していったときに、出力ＩALT が最大となる
負荷角δ2 、および循環電流Ｉs が増大していってステ
ータコイル１０に流れる電流（ＩALT ＋Ｉs ）に比例し
て発熱量も最大となるδ3 を設定することができる。

【００３６】次に、本実施形態の車両用発電装置の動作
を説明する。上述したように、本実施形態の車両用発電
装置は、３相全波整流回路２に含まれるＭＯＳＦＥＴ２
０ａ〜２０ｆのオンオフ切り替えのタイミングを制御す
ることにより、同じ出力電流を取り出すことができるノ
ーマルモードと発熱優先モードの２種類の発電状態を有
しており、エンジン始動直後のエンジン冷却水の温度が
低い場合には発熱優先モードで発電を行い、エンジン冷
却水の温度が高くなった後はノーマルモードで発電を行
う。また、この車両用発電装置は、電気負荷６が大きく
なってバッテリ５が放電していると判断すると、ノーマ
ルモードと発熱優先モードのいずれの状態にあるかにか
かわらず出力優先モードで発電を行って、バッテリ上が
りを防止する。

【００３７】図１０は、本実施形態の車両用発電装置の
動作手順を示す流れ図であり、主に発電制御装置３内の
コントローラ３４に含まれるタイミング処理部４６によ
る発電制御の動作手順が示されている。イグニッション
スイッチ４がオン状態になって発電制御装置３が動作可
能な状態になると、まずタイミング処理部４６のモード
切替手段５２は、エンジン冷却水の温度が所定値より高
いか否かを判定し（ステップ１００）、エンジン始動直
後であってエンジン冷却水の温度が所定値より低い場合
には発電モードを発熱優先モードに設定する（ステップ
１０１）。このようにして発熱優先モードに設定された
後、位相制御手段５６による所定のタイミング制御およ
び出力電圧制御手段５０による界磁電流制御が行われる
（ステップ１０３、１０４）。

【００３８】具体的には、位相制御手段５６は、タイミ
ングデータ記憶手段５４に格納されているテーブルか
ら、回転数検出回路４２によって検出されたその時点の
回転数Ｎに対応する発熱優先モードの遅延角度Ｔ3 を読
み出し、波形処理回路４０から出力される位相角信号Ｓ
a 、Ｓb 、Ｓc をこの読み出した遅延角度Ｔ3 だけ遅延
させたゲート信号Ｇa 〜Ｇf を生成する。このようにし
て生成されたゲート信号Ｇa 〜Ｇf に基づいて、ゲート
駆動回路４８によってＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオ
ンオフタイミングが制御される。

【００３９】図１１は、タイミングデータ記憶手段５４
に格納されたテーブルの一例を示す図である。同図に示
すように、このテーブルには各回転数Ｎ毎にノーマルモ
ード、出力優先モード、発熱優先モードのそれぞれに対
応した遅延角度Ｔ0 、Ｔ2 、Ｔ3 がタイミングデータと
して格納されている。図６〜図８に示した各発電モード
の負荷角δ0 、δ2 、δ3 を実現するために必要な遅延
角度Ｔ0 、Ｔ2 、Ｔ3が、それぞれシミュレーション計
算によってあるいは実測によって求められ、これらの計
算結果あるいは実測結果が各回転数Ｎ毎に分類されて図
１１に示すテーブルとして格納されている。したがっ
て、その時点におけるオルタネータ１の回転数Ｎとどの
モードに設定されているかが決まれば、ノーマルモード
の制御を行うために必要な角度Ｔ0 、あるいは発熱優先
モードや出力優先モードの制御を行うために必要な遅延
角度Ｔ3 、Ｔ2 が特定される。

【００４０】このようにして、エンジン冷却水の温度が
低い場合には発熱優先モードに設定されてＭＯＳＦＥＴ
２０ａ〜２０ｆのオンオフタイミングを変更するタイミ
ング制御が行われる。また、この位相制御手段５６によ
るタイミング制御と並行して、あるいはこのタイミング
制御の後に、出力電圧制御手段５０は、所定の界磁電流
制御を行い、この界磁電流制御によって設定された所定
の導通率Ｆdutyを有するスイッチング信号がスイッチン
グトランジスタ３２に送られてそのオンオフ制御がなさ
れて、オルタネータ１のフィールドコイル１２に所定の
界磁電流が供給される。界磁電流制御の詳細については
後述する。

【００４１】次に、モード切替手段５２は、出力電圧制
御手段５０からスイッチングトランジスタ３２に送られ
るスイッチング信号の導通率Ｆdutyが所定の最大値（例
えば９９％）以上であるか否かを判定し（ステップ１０
５）、最大値未満である場合（オルタネータ１の発電状
態に余裕がある場合）には、上述したステップ１００に
戻って処理を繰り返す。このようにして、エンジン冷却
水の温度が上昇して所定値を越えるまで発熱優先モード
で発電制御が行われる。なお、上述したステップ１０５
における判定処理を行うモード切替手段５２が放電状態
検出手段に対応している。

【００４２】また、エンジン始動後ある程度時間が経過
して、エンジン冷却水の温度が所定値を越えると、ステ
ップ１００において肯定判断が行われ、次にモード切替
手段５２は、発電モードをノーマルモードに設定する
（ステップ１０２）。上述した発熱優先モードの場合と
同様に、位相制御手段５６は、タイミングデータ記憶手
段５４に格納されている図１１に示すテーブルから、そ
の時点の回転数に対応するノーマルモードの角度Ｔ0 を
読み出し、波形処理回路４０から出力される位相角信号
Ｓa 、Ｓb 、Ｓc とこの読み出した角度Ｔ0 とに基づい
てノーマルモード用のゲート信号Ｇa 〜Ｇf を生成す
る。このようにして生成されたゲート信号Ｇa 〜Ｇf に
基づいて、ゲート駆動回路４８によってＭＯＳＦＥＴ２
０ａ〜２０ｆのオンオフタイミングが制御される（ステ
ップ１０３）。このようにして、エンジン冷却水の温度
が上昇して所定値を越えた後はノーマルモードで発電制
御が行われる。

【００４３】上述したように、エンジン冷却水の温度に
応じてノーマルモードあるいは発熱優先モードに設定さ
れて発電制御が行われるが、界磁電流を制御するスイッ
チングトランジスタ３２の導通率であるＦdutyが所定の
最大値以上であるとき（ステップ１０５で肯定判断）に
は、モード切替手段５２は、バッテリ５が放電している
と判断し、バッテリ上がりを防止するために、発電モー
ドを出力優先モードに設定する（ステップ１０６）。以
後、上述した発熱優先モードやノーマルモードの場合と
同様に、位相制御手段５６は、タイミングデータ記憶手
段５４に格納されているテーブルから、その時点の回転
数に対応する出力優先モードの遅延角度Ｔ2 を読み出
し、波形処理回路４０から出力される位相角信号Ｓa 、
Ｓb 、Ｓcをこの読み出した遅延角度δ2 だけ遅延させ
たゲート信号Ｇa 〜Ｇf を生成する。このようにして生
成されたゲート信号Ｇa 〜Ｇf に基づいて、ゲート駆動
回路４８によってＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆのオンオ
フタイミングが制御される。このようにして、Ｆdutyが
所定の最大値以上になると出力優先モードで発電制御が
行われ、Ｆdutyが所定の最大値未満に戻ると再び発熱優
先モードあるいはノーマルモードによる発電制御が行わ
れる。

【００４４】図１２は、上述したステップ１０４におい
て実行される界磁電流制御の具体的な動作手順を示す流
れ図である。出力電圧制御手段５０は、Ｓ端子を介して
印加されるバッテリ５の端子電圧Ｖs が所定の設定電圧
Ｖreg 以上であるか否かを判定し（ステップ２００）、
設定電圧Ｖreg 以上である場合にはスイッチングトラン
ジスタ３２の導通率であるＦdutyを所定値分低下させ
（ステップ２０１）、反対に設定電圧Ｖreg 未満である
場合にはＦdutyを所定値分上昇させる（ステップ２０
２）。このようなＦdutyの調整はステップ１０４におけ
る界磁電流制御処理が実行されるたびに行われる。した
がって、バッテリ電圧Ｖs が所定の設定値Ｖreg 以上で
ある場合にはＦdutyが徐々に低下するため、３相全波整
流回路２の出力電圧＋Ｂが次第に低くなり、反対にバッ
テリ電圧Ｖs が所定の設定値Ｖreg 未満である場合には
Ｆdutyが徐々に上昇するため、３相全波整流回路２の出
力電圧＋Ｂが次第に高くなり、結局バッテリ電圧Ｖs が
所定の設定値Ｖreg に等しくなるように制御される。

【００４５】このように、エンジン始動直後においてエ
ンジン冷却水の温度が低い場合には、発熱優先モードに
設定されて効率を下げた状態で発電制御が行われ、オル
タネータ１のステータコイル１０に流れる循環電流が増
大して発熱量が増すため、エンジン冷却水の温度を速や
かに上昇させることができる。このため、エンジン冷却
水の熱を利用したヒータから吹き出される温風の温度も
速やかに上昇し、補助的に電気ヒータや燃焼式暖房器具
を使用する必要がなくなる。

【００４６】また、エンジン冷却水の温度が高くなった
後は、ノーマルモードに設定されて効率を上げた状態で
発電制御が行われるため、オルタネータ１の各部の温度
が下がってこれら各部の耐久性向上に奏することがで
き、同じ出力を得るために必要な駆動力も発熱優先モー
ドに比べると少なくて済むためエンジンにかかる負担を
減らすことができる。

【００４７】また、電気負荷６が増えてバッテリ５から
放電された状態になった場合には、出力優先モードに設
定され、効率をさらに上げて取り出すことができる出力
電流が最大となる状態で発電制御が行われるため、バッ
テリ上がりを防止することができる。

【００４８】特に、上述したノーマルモード、発熱優先
モード、出力優先モードのそれぞれの発電制御を行うた
めに必要な回転数毎のタイミングデータがタイミングデ
ータ記憶手段５４にテーブルの形で格納されているた
め、その時点での回転数に応じてこのテーブルから必要
なデータを読み出すだけで、所望の発電モードの制御を
リアルタイムに行うことができる。

【００４９】図１３は、発熱優先モードで発電制御を行
う場合に、ステータコイル１０に流れる循環電流を徐々
に増やすことにより、ステータコイル１０の急激な温度
上昇を抑えた場合の動作手順を示す流れ図である。図１
０に示した発電制御動作に対して、ステップ１０１の発
熱優先モードの設定処理を以下に示すステップ１０１
ａ、１０１ｂ、１０１ｃの各処理に置き換えた点が異な
っている。

【００５０】エンジン冷却水の温度が所定値以下である
場合にはステップ１００において否定判断が行わ、次に
モード切替手段５２は、進相電流制御を行うための遅延
角度Ｔが発熱優先モードの遅延角度Ｔ3 と同じか否かを
判定する（ステップ１０１ａ）。例えば最初は遅延角度
Ｔが０に設定されており、次にモード切替手段５２は、
タイマを起動してあるいは既にタイマが起動されている
場合にはそのタイマを監視することにより、一定時間が
経過したか否かを判定し（ステップ１０１ｂ）、一定時
間を経過したときには現時点における遅延角度Ｔに所定
値を加算して遅延角度Ｔを増加させる（ステップ１０１
ｃ）。

【００５１】また、遅延角度Ｔが発熱優先モードの遅延
角度Ｔ3 に等しい場合（現時点の遅延角度Ｔに所定値を
繰り返し加算していった結果Ｔ3 に等しくなった場合）
にはステップ１０１ａで肯定判断が行われ、あるいはタ
イマを起動してから一定時間が経過しない間はステップ
１０１ｂで否定判断が行われ、その時点の遅延角度Ｔを
維持した状態で、所定のタイミング制御および界磁電流
制御が行われる（ステップ１０３）。

【００５２】このように、エンジン冷却水の温度が低い
場合であっても最初から発熱優先モードに設定して発電
制御を行うのではなく、遅延角度Ｔを徐々に増やしてい
って負荷角δを次第に増加させており、ステータコイル
１０に流れる循環電流が少しずつ増えるため、ステータ
コイル１０および他の構成部品の急激な温度上昇を緩和
することができる。したがって、オルタネータ１の各部
品、特にエンジン冷却水を密閉するためのシール部の寿
命を向上させることができる。

【００５３】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施
が可能である。例えば、上述した実施形態では、発熱優
先モードに対応させてステータコイル１０の発熱量が最
大となる安定限界線近傍の負荷角δ3 を、出力優先モー
ドに対応させて外部に取り出すことができる出力が最大
となる負荷角δ2 をそれぞれ実現するようにしたが、必
ずしも発熱量あるいは出力が最大となる必要はなく、そ
れらの負荷角δ3 、δ2 の近傍の負荷角δ3 ′、δ2 ′
のときを発熱優先モード、出力優先モードとして発電制
御を行うようにしてもよい。

【００５４】また、上述した実施形態では、ノーマルモ
ードと発熱優先モードの他に、バッテリ上がりを防止す
るために出力優先モードを設けたが、従来のダイオード
ブリッジによる全波整流回路を有する発電機にエンジン
冷却水の加熱機構を追加するだけでよい場合には、必ず
しも出力優先モードを設ける必要はなく、ノーマルモー
ドの他に発熱優先モードのみを設けるようにしてもよ
い。

【００５５】また、図１３に示した動作手順において
は、エンジン冷却水の温度が低い場合に、遅延角度Ｔを
一定時間に所定量ずつ増やしていって最終的に発熱量最
大の負荷角δ3 を実現するようにしたが、制御開始時
（加熱開始時）のエンジン冷却水の温度の高低によっ
て、この一定時間毎に増やす所定量を変えてもよい。す
なわち、エンジン冷却水の温度が極端に低い場合には増
加量ΔＴを大きく設定し、エンジン冷却水の温度がそれ
ほど低くない場合には増加量ΔＴを小さく設定すること
により、エンジン冷却水の温度が高くなるまでの時間を
加熱開始時の温度によらず、ある程度近づけることがで
きる。具体的には、図１４に示すように、エンジン冷却
水の温度ｔｍｐと、これに対応する遅延角度Ｔの増加量
ΔＴとの関係をテーブルの形でメモリに記憶しておい
て、加熱開始時のエンジン冷却水の温度に対応した増加
量ΔＴを読み出すようにすればよい。あるいは、増加量
ΔＴをエンジン冷却水の温度に応じて変える代わりに、
増加量ΔＴを一定にして次にこの増加量を加算するまで
の時間間隔を、エンジン冷却水の温度が低い場合には短
く、ある程度高い場合には長く設定するようにしてもよ
い。

【００５６】また、上述した実施形態では、３相全波整
流回路２としてＭＯＳＦＥＴ２０ａ〜２０ｆを用いた
が、従来からあるダイオードブリッジによる３相全波整
流回路とスイッチング素子による短絡回路を組み合わせ
て用いるようにしてもよい。短絡回路としては、図１５
（Ａ）に示すようなスイッチング素子をブリッジ構造に
接続したもの、図１５（Ｂ）に示すようなΔ結線を行っ
たもの、図１５（Ｃ）に示すようにＹ結線を行ったもの
が考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施形態の車両用発電装置
の詳細構成を示す図である。

【図２】発電制御装置に含まれるコントローラの詳細な
構成を示す図である。

【図３】波形処理回路から出力される位相角信号とゲー
ト駆動回路から出力されるゲート信号の関係を示す図で
ある。

【図４】進相制御を行った際に流れる循環電流を説明す
るための図である。

【図５】本実施形態の車両用発電装置の等価回路を示す
図である。

【図６】ノーマルモードに対応する円線図である。

【図７】電流ベクトルＩが進み電流となった場合の円線
図である。

【図８】出力最大点を越えた場合の円線図である。

【図９】進相制御を行って負荷角を大きくしていった場
合の出力電流と循環電流の関係を示す図である。

【図１０】本実施形態の車両用発電装置の動作手順を示
す流れ図である。

【図１１】タイミングデータ記憶手段に格納されたテー
ブルの一例を示す図である。

【図１２】界磁電流制御の具体的な動作手順を示す流れ
図である。

【図１３】発熱優先モードで発電制御を行う場合にステ
ータコイルの循環電流を徐々に増やす場合の動作手順を
示す流れ図である。

【図１４】エンジン冷却水の温度と遅延角度の増分との
関係を示す図である。

【図１５】ダイオードブリッジによる整流回路と短絡回
路とを組み合わせた場合の変形例の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ オルタネータ ２ ３相全波整流回路 ３ 発電制御装置 ５ バッテリ ６ 電気負荷 ７ 水温センサ ３２ スイッチングトランジスタ ３４ コントローラ ４０ 波形処理回路 ４２ 回転数検出回路 ４４ 水温検出回路 ４６ タイミング処理部 ４８ ゲート駆動回路 ５０ 出力電圧制御手段 ５２ モード切替手段 ５４ タイミングデータ記憶手段 ５６ 位相制御手段

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン冷却水によって冷却される電機
   子巻線と、スイッチング手段を所定のタイミングで開閉
   することにより前記電機子巻線に誘起された交流電圧を
   整流して直流電圧に変換する交直電力変換手段とを有す
   る車両用交流発電機と、 前記スイッチング手段を開閉するタイミングを切り替え
   ることにより、前記電機子巻線による発熱量を増加させ
   る制御を行う発電制御装置と、 を備えることを特徴とする車両用発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記発電制御装置は、前記スイッチング手段を開閉する
   タイミングを切り替えて、前記車両用交流発電機の発電
   効率を下げることにより、前記電機子巻線の発熱量を増
   加させることを特徴とする車両用発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記発電制御装置は、前記スイッチング手段を開閉する
   タイミングを遅らせて、前記電機子巻線に誘起される起
   電力よりも前記電機子巻線に流れる電流の位相を進める
   ことにより、前記電機子巻線による発熱量を増加させる
   ことを特徴とする車両用発電装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記発電制御装置は、整流素子としてダイオードブリッ
   ジを用いた場合と等価的な発電制御を行う第１の発電モ
   ードと、前記第１の発電モードと同等の出力電流が取り
   出せるとともに前記電機子巻線の発熱量が増加するよう
   に発電制御を行う第２の発電モードとを有しており、所
   定の発熱量増加要求があったときに、前記第２の発電モ
   ードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装
   置。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記エンジン冷却水の温度を検出する水温検出手段をさ
   らに備えており、 前記発電制御装置は、前記水温検出手段によって検出し
   た前記エンジン冷却水の温度が所定値以下であるとき
   に、前記第２の発電モードで発電制御を行うことを特徴
   とする車両用発電装置。
6. 【請求項６】 請求項４または５において、 前記発電制御装置は、前記第１の発電モードと前記第２
   の発電モードの他に、前記スイッチング手段を開閉する
   タイミングを切り替えることにより前記第１および第２
   の発電モードよりも多くの出力電流が取り出せる第３の
   発電モードを有しており、所定の出力増加要求があった
   ときに、前記第３の発電モードで発電制御を行うことを
   特徴とする車両用発電装置。
7. 【請求項７】 請求項６において、 車載バッテリが放電状態にあることを検出する放電状態
   検出手段をさらに備えており、 前記発電制御装置は、前記放電状態検出手段によって前
   記車載用バッテリが放電状態にあると判断されたとき
   に、前記第３の発電モードで発電制御を行うことを特徴
   とする車両用発電装置。
8. 【請求項８】 請求項７において、 前記発電制御装置は、前記車両用交流発電機に含まれる
   界磁巻線に流す界磁電流を断続することにより、前記車
   両用交流発電機の出力をほぼ一定に維持する出力電圧制
   御手段をさらに備えており、 前記放電状態検出手段は、前記出力電圧制御手段による
   界磁電流の導通率が所定値以上であるときに、前記車載
   バッテリが放電状態であることを検出することを特徴と
   する車両用発電装置。
9. 【請求項９】 請求項５において、 前記交直電力変換手段に含まれるスイッチング手段は、 前記電機子巻線の各相の出力端と正極側出力端子との間
   に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるハ
   イサイドスイッチと、 前記電機子巻線の各相の出力端と負極側出力端子との間
   に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるロ
   ーサイドスイッチとを有し、 前記発電制御装置は、 前記水温検出手段によって検出した前記エンジン冷却水
   の温度が所定値以下であるときに前記第２の発電モード
   に設定するモード切替手段と、 前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以下になって
   から所定期間経過後に前記ハイサイドスイッチをオフ
   し、前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以上にな
   ってから所定期間経過後に前記ローサイドスイッチをオ
   フする位相制御手段とを有し、 前記モード切替手段によって前記第２の発電モードに設
   定されたときに、位相制御手段によって前記第２の発電
   モードで発電制御を行うことを特徴とする車両用発電装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項８において、 前記交直電力変換手段に含まれるスイッチング手段は、 前記電機子巻線の各相の出力端と正極側出力端子との間
    に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるハ
    イサイドスイッチと、 前記電機子巻線の各相の出力端と負極側出力端子との間
    に個別に接続された半導体スイッチング素子からなるロ
    ーサイドスイッチとを有し、 前記発電制御装置は、 前記水温検出手段によって前記エンジン冷却水の温度が
    所定値以下であることを検出したときに前記第２の発電
    モードに設定し、前記放電状態検出手段によって前記車
    載バッテリが放電状態であることを検出したときに前記
    第３の発電モードに設定するモード切替手段と、 前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以下になって
    から所定期間経過後に前記ハイサイドスイッチをオフ
    し、前記電機子巻線の出力端の電位が所定電位以上にな
    ってから所定期間経過後に前記ローサイドスイッチをオ
    フする位相制御手段とを有し、 前記モード切替手段によって前記第２の発電モードある
    いは第３の発電モードに設定されたときに、位相制御手
    段によって前記第２の発電モードおよび第３の発電モー
    ドのそれぞれに対応した前記所定期間を設定して発電制
    御を行うことを特徴とする車両用発電装置。
11. 【請求項１１】 請求項９または１０において、 前記発電制御装置は、前記車両用交流発電機の回転数を
    検出する回転数検出手段をさらに備えており、 前記位相制御手段は、前記ハイサイドスイッチと前記ロ
    ーサイドスイッチをオフするまでの前記所定期間を、前
    記回転数検出手段によって検出された回転数に応じて設
    定することを特徴とする車両用発電装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、 前記発電制御装置は、前記ハイサイドスイッチと前記ロ
    ーサイドスイッチをオフするまでの前記所定期間に関す
    るタイミングデータを前記車両用交流発電機の回転数に
    対応させたテーブルとして記憶するタイミングデータ記
    憶手段をさらに有しており、 前記位相制御手段は、前記回転数検出手段によって検出
    された前記車両用交流発電機の回転数に応じて、対応す
    る前記タイミングデータを読み出して所定の制御を行う
    ことを特徴とする車両用発電装置。
13. 【請求項１３】 請求項１において、 前記スイッチング手段としてＳｉＣ−ＭＯＳトランジス
    タを用いることにより前記交直電力変換手段を構成する
    ことを特徴とする車両用発電装置。