WO2011001609A1

WO2011001609A1 - オルタネータの制御装置及び制御方法

Info

Publication number: WO2011001609A1
Application number: PCT/JP2010/003879
Authority: WO
Inventors: 井上健士; 守根元; 大津英一; 佐藤真也; 紀村博史
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2011-12-30
Also published as: JP5271831B2; JP2011015457A

Abstract

蓄電池に大電流を流さない、または異常発熱をしないよう、蓄電池への充電電圧上昇率に制限をかける制御を行う。充電の開始と終了のタイミングを判定する充電タイミング決定部と、蓄電池のパラメータを推定する蓄電池パラメータ推定部と、蓄電池の充電状態を予測する充電状態推定部と、オルタネータの発電電圧上昇率を決定する発電電圧上昇率決定部と、オルタネータの発電電圧を制御する発電電圧制御部と、を有し、移動体の蓄電池へ充電を開始する際に、オルタネータの発電電圧を上昇させるにあたり、予め推定した蓄電池のパラメータに基づいて、発電電圧上昇率に上限を設ける。

Description

オルタネータの制御装置及び制御方法

　本発明は、オルタネータの制御装置及び制御方法に関する。

　従来、オルタネータ（発電機）による発電電圧の設定方法として、移動体の減速度に応じて発電電圧上昇率を設定する方法があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－６４８１１号公報

　従来技術において、移動体の減速度によりオルタネータの発電電圧を変化させた場合、減速度が大きい場合には急な電圧変化が起こる。蓄電池への充電電流は蓄電池端子電圧の変化率に応じた値となるため、瞬間的に蓄電池へ１００［Ａ］にも及ぶ電流が流れる。

　この大電流によって、磁気飽和が起こりオルタネータの効率が悪くなって回生効率が下がる。また蓄電池に大電流が流れた場合、電流の二乗に比例する熱が発生するため、この熱により電解液の蒸発に繋がり、電極が熱で劣化する原因にもなる。しかし、従来の技術ではこの点について十分に配慮されていなかった。

　本発明は、移動体の減速度が大きい場合に生じるオルタネータの大電流に起因する問題点を解決する。

　本発明は、一つは、移動体に搭載されるオルタネータの制御装置であって、オルタネータから移動体の蓄電池への充電の開始と終了のタイミングを判定する充電タイミング決定部と、蓄電池のパラメータを推定する蓄電池パラメータ推定部と、蓄電池の充電状態を予測する充電状態推定部と、オルタネータの発電電圧上昇率を決定する発電電圧上昇率決定部と、オルタネータの発電電圧を制御する発電電圧制御部と、を有し、蓄電池へ充電を開始する際に、オルタネータの発電電圧を上昇させるにあたり、予め推定した蓄電池のパラメータに基づいて、前記発電電圧上昇率に上限を設けたことを特徴とする。

　もう一つは、移動体に搭載されるオルタネータの制御方法であって、オルタネータから移動体の蓄電池への充電の開始と終了のタイミングを判定し、蓄電池のパラメータを推定し、蓄電池の充電状態を予測し、オルタネータの発電電圧上昇率を決定し、蓄電池へ充電を開始する際に、オルタネータの発電電圧を上昇させるにあたり、予め推定した蓄電池のパラメータに基づいて、前記発電電圧上昇率に上限を設けてオルタネータの発電電圧を制御することを特徴とする。

　本発明によれば、移動体の減速度が大きい場合に生じるオルタネータの大電流に起因する問題点を解決することができる。

本発明の一実施形態をなすシステム構成を示す。本発明の一実施形態をなす全体の処理の流れを示す。本発明の一実施形態をなす蓄電池近似回路を示す。本発明の一実施形態をなすｆ(ｘ)の概観と解を示す。本発明の一実施形態をなす発電電圧時系列プラン設定方法を示す。本発明の一実施形態をなす発電電圧・充電電流時系列例１を示す。本発明の一実施形態をなす発電電圧時系列計算を示す。本発明の一実施形態をなす最大電圧を下げる場合の発電電圧時系列計算を示す。本発明の一実施形態をなす発電電圧時系列例２を示す。ｃ，ｒ，Ｒのテーブル例を示す。

　以下、本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、移動体における蓄電池のオルタネータ（発電機）による充電方法の技術に関するものである。

　蓄電池は経験的に、定電圧源にコンデンサ成分が直列に接続された回路と近似できるため、発電電圧の変化率に応じた充電電流が流れる。また、オルタネータは電流に応じたトルク負荷となる。このため、減速度に応じて発電電圧を上昇させると、移動体の減速に応じたオルタネータのトルクが発生し、ドライバにとって違和感の無い減速回生が実現する。

　減速度によりオルタネータの発電電圧を変化させた場合、減速度が大きい場合には急な電圧変化が起こる。前述したように、蓄電池への充電電流は蓄電池端子電圧の変化率に応じた値となるため、瞬間的に蓄電池へ１００［Ａ］にも及ぶ電流が流れる。そして、オルタネータが蓄電池へ大電流を流すことにより、磁気飽和が起こりオルタの効率が悪くなって回生効率が下がる課題がある。

　また蓄電池に大電流が流れた場合、電流の二乗に比例する熱が発生するため、この熱により電解液の蒸発に繋がり、電極が熱で劣化する原因にもなる。

　以下に示す実施形態は、このような事情を鑑みなされたもので、如何なる速度変化においても蓄電池への充電電流を規定値以内にするオルタネータの電圧を設定する方法を提供する。

　本実施形態によれば、蓄電池への最大充電電流をオルタネータの効率が悪くならない範囲に抑えるため、回生効率が向上する。また大電流が流れないため、蓄電池の熱発生が抑えられ、蓄電池の劣化が抑えられる。更には、蓄電池の発熱を抑える範囲にて一時的に発電電圧を上げることにより、蓄電池の回生電荷が増え、回生効率が向上するなどの効果が得られる。

　本オルタネータ発電電圧制御方法は、移動体において、減速または蓄電池の充電量が低くなったかの何れかの場合に、オルタネータを起動し、その起動の際に蓄電池へ大電流を流さないように、オルタネータの発電電圧上昇率に上限を設ける方法である。

　図１に本発明の一実施形態をなすオルタネータ電圧制御方法の構成を示す。本方法は、移動体（車，電車）内のコントローラ内で動くソフトウエアで実現される。本コントローラは、蓄電池に直結するか、移動体にエンジンコントローラが存在する場合には、エンジンコントローラ内の一機能となる。

　本方法では、蓄電池１０，オルタネータ（発電機）１１，電流計１２，電圧計１３，温度計１４，内部抵抗・容量推定部１５，充電量推定部１６，充電タイミング決定部１７，発電電圧上昇率制限部１８，発電電圧制御部１９から構成される。内部抵抗・容量推定部１５，充電量推定部１６，充電タイミング決定部１７，発電電圧上昇率制限部１８，発電電圧制御部１９はコントローラ内のソフトウエアである。各部，各装置の詳細については後述する。

　蓄電池１０は、鉛蓄電池，リチウム電池，ニッケル水素電池が対象となる。オルタネータは、移動体の車軸、またはエンジンに接続されている発電機であり、発電電圧は界磁電流、またはＤＣ－ＤＣコンバータによりコントロールされる。オルタネータの一実現方法としては特開昭６０－１０２８２６号公報に示される、界磁電流を制御して発電電圧を設定する方法がある。電流計としては、非接触式のデバイスで磁束を計測した後に、磁束を元に電流を計算するデバイスと方法を用いてもよい。

　続いて、本方法の処理を、図２を用いて説明する。まず本処理では、ステップ２１において、蓄電池への充電開始を判定決定する（充電タイミング決定部１７）。充電開始条件は移動体が減速に入るかまたは蓄電池の充電量が閾値以下になった場合とし、ステップ２２の処理を行う。充電量は充電量推定部１６にて推定する。この充電量の推定方法として、移動体が始動する前の蓄電池の端子電圧を測って初期の充電量を推定し、その後には蓄電池電流の積算値より充電量を時々刻々推定する方法を用いる。ここで、電流計１２が存在しない場合には、予め決めた充電時の充電電流，放電時の放電電流により充電量を時々刻々予測する方法を用いても良い。また蓄電池が鉛蓄電池の場合には、別途蓄電池に取り付けた硫酸比重計により充電量を予測する方法を用いても良い。

　充電終了条件は、減速終了か、蓄電池の充電量が閾値以上となった場合とする。それ以外では充電を実施せずに終了する。本プログラムは終了しても定期的（例として１秒おき）にプログラムを再起動する。

　次に、充電開始の場合、ステップ２２において、発電電圧上昇率制限を計算する。本処理は、蓄電池への充電電流を制限するために、図１の発電電圧上昇率制限部１８にて、別途推定した蓄電池の時定数により発電電圧上昇率の制限を計算する。本処理の詳細については後述する。

　次に、ステップ２３において、充電終了タイミングと、発電電圧上昇率に基づいて、発電電圧時系列プランを計算する。これは、図１の発電電圧制御部１９にて行われる。この処理の詳細については後述する。

　最後に、ステップ２４において、充電開始から終了まで、オルタネータを発電電圧時系列プランに従い制御する。これは、図１の発電電圧制御部１９にて行われる。終了後は本プログラムを停止するが、本プログラムは終了しても定期的（例として１秒おき）にプログラムを再起動する。

　次に、ステップ２２における発電電圧上昇率制限計算の詳細について説明する。発電電圧上昇率計算は、図１の内部抵抗・容量推定部１５で推定した、充電時の内部抵抗ｒ，Ｒ，容量Ｃを元に計算する。図３に蓄電池の近似等価回路を示す。蓄電池はベースとなる電圧源３１，充電抵抗Ｒ３２，充電抵抗ｒ３３，分極容量ｃ３４から構成される。ｒ，Ｒ，Ｃの計算方法については後述する。図３の回路より、蓄電池端子電圧（発電電圧）をＶ、蓄電池へ充電される電流Ｉとすると、数１が成立する。
（数１）
　　Ｖ－Ｅ＋ｃｒ×ｄＶ／ｄｔ＝(ｒ＋Ｒ)Ｉ＋ｃｒＲ×ｄＩ／ｄｔ
　Ｅ：ベースとなる電圧源３１の電圧
　ここで、数１の微分方程式の時定数τを数２とする。
（数２）
　　τ＝ｃｒ′
　τ：時定数
　ｒ′＝ｒ×Ｒ／（ｒ＋Ｒ）
　ｒ′：ｒとＲの合成抵抗（蓄電池を低電圧源に接続した場合の内部抵抗）
　充電電流は、充電電流初期条件としてＩ（０）＝０、発電電圧上昇率λ（λ＝ｄＶ／ｄｔ）とした場合、数１，数２より数３と示される。
（数３）
　　Ｉ(ｔ)＝λ×（ｃｒ－τ）×｛１－exp（－ｔ／τ）｝／（ｒ＋Ｒ）＋
　　　　　　λ×ｔ／（ｒ＋Ｒ）
　ｔ：時間（充電開始を０）
　数３で、充電電流のランプ応答（０［Ａ］より一定の上昇率で電流を上昇させる応答）を終了させ、発電電圧を一定電圧にしたときには、数１よりその後の充電電流が低下する。このため、ｔ０にてランプ応答を終了させたときの電流、即ち充電電流の最大値Ｉｍａｘは、数３を元に、数４で示される。
（数４）
　　Ｉｍａｘ＝Ｉ∞×｛ｆ(ｘ)×ｒ／Ｒ＋１｝
　Ｉ∞＝（Ｅ∞－Ｅ）／（ｒ＋Ｒ）：発電電圧一定にした場合の最終充電電流
　ｆ(ｘ)＝｛１－exp(－ｘ)｝／ｘ
　　ｘ＝ｔ０／τ
　Ｅ∞＝最終発電電圧
　　λ＝（Ｅ∞－Ｅ）／ｔ０
　Ｅ：初期蓄電池電圧。充電開始直前（電流０時）の蓄電池端子電圧
　ここで、充電電流を許容充電電流Ｉａ内に抑えるためには、数４で表される充電電流の最大値ＩｍａｘをＩａとすれば良い。このため、数５の方程式の解ｘ（時定数補正倍率）を求めた後、数６より発電電圧上昇率の上限λが計算される。
（数５）
　　ｆ(ｘ)＝Ｒ／ｒ×（Ｉａ／Ｉ∞－１）＝｛１－exp(－ｘ)｝／ｘ
　ｘ：時定数補正倍率
（数６）
　　λ＝（Ｅ∞－初期電圧）／（ｘ×τ）
　次に、数５の方程式を求める方法について述べる。数５の解を求めるには、ｆ(ｘ)をテーブルで持たせるかまたは、数値的に解く（例えば知られている二分法を用いる）。数値的に求めたｆ(ｘ)の概観と、ｘと数５の関係を図４に示す。例として、数５の右辺が０.５であった場合、図的には４１のｆ(ｘ)の値より、解ｘ４２である１.６が求められる。ここで、解ｘを求めることが、コントローラの処理性能より困難である場合には、ｘ＝１の固定値を使用しても良い。

　ここで、数２で求めたτが２秒、端子初期電圧が１３［Ｖ］、Ｅ∞＝１４［ｖ］としたとき、数５，６より発電電圧上昇率λは０.３１２５［Ｖ／ｓ］と計算される。

　上記で求めたλを用いても良いが、バッテリのみにより計算されたものであるため、以下、別要因を考慮した発電電圧上昇率λを設定する方法について述べる。

　移動体が減速を開始した場合の充電開始では、減速より大きなオルタネータのトルクが発生すると、移動体の乗り心地に影響を及ぼす。このため、オルタ発電によるオルタトルクアップを、減速によりオルタネータへ影響するトルク減少率η以下とする。トルク減少率ηは、「α／移動体のタイヤ径×移動体ギア比」と計算される（αは移動体の減速度）。

　また、オルタネータの電流はオルタネータのトルクに比例する。このため、ηに、オルタネータの電流とトルクの比例定数κ（κはオルタネータの回転数の関数）をかけて、オルタネータ電流上昇率が決定される。この電流上昇率より、発電電圧上昇率λが計算できる。この計算を以下説明する。数１の微分方程式を解くことにより数７として発電電圧時系列が決定される。
（数７）
　　Ｖ(ｔ)＝exp（－ｔ／ｃｒ）×｛Ｅ＋η×κ×ｃ×ｒ×ｒ｝
　　　　　＋（Ｒ＋ｒ）Ｉ(ｔ)－η×κ×ｃ×ｒ×ｒ
　Ｅ：開放時の蓄電池電圧
　η：トルク減少率［Ｎｍ／ｓ］
　κ：オルタネータのトルク－電流比例定数［Ａ／Ｎｍ］
　Ｉ(ｔ)＝η×κ×ｔ
　数７を時間微分すると数８となるため、数８を発電電圧上昇率λとする。このとき、発電電圧上昇率λは時間と共に変化することになる。更には、数８の代わりに、数８の下限値であるＲηκ－Ｅ／ｃｒ（一定値）をλとしても良い。
（数８）
　　λ＝（Ｒ＋ｒ）ηκ－exp（－ｔ／ｃｒ）×｛Ｅ＋η×κ×ｃ×ｒ×ｒ｝／ｃｒ
　ライトを点灯させた場合には、ライトの増光が人間に気づかない定数とする。この値の例として、λ＝０.５［Ｖ／ｓ］を用いる。

　ここで、数６で計算されたλ、減速度に応じて数８で計算されたλ、ライトの増光により決定されたλの中で最も小さな値を選んでも良い。

　次に、充電開始が蓄電池の充電不足であった場合を説明する。

　この場合、オルタネータの発電開始により、エンジンは発電に要するトルク分だけトルクを上昇させる必要がある。ここで、エンジンのトルクを上昇させる際には、エンジンへの空気量を増やすが、空気の移動には遅れがあるため、エンジントルク増加率には上限値ηがある。このエンジントルク増加率上限ηより大きなオルタネータトルク変動が発生するとエンジンが停止する恐れがあるため、オルタ発電によるオルタトルクアップをこの増加率（η）以下とする。この場合のλの計算は、同様に、数８として計算できる。

　ここで、数６で計算されたλ、上記のエンジントルク増加率アップ上限を元に数８で計算されたλ、ライトの増光により決定されたλの中で最も小さな値を選んでも良い。

　次に、λは発電電圧上昇率の上限値であるため、この値以下となるように発電電圧を変化させても良い。具体的には、充電電流の目標値を電流上限Ｉａとして発電電圧を制御する。具体的には数１の微分方程式により、オルタネータ充電電圧を数値的に求めるか、または｛Ｉａ－現在の充電電流｝に比例した値だけ発電電圧を更新させても良い（Ｉａは、予め設定した最大充電電流。詳細は後述。）。この場合の発電電圧変化量（ｄＶ／ｄｔ）を数９とする。数値的に求める方法としては、例として数１をオイラー法にて解いても良い。
（数９）
　　発電電圧変化量＝ｍｉｎ（λ，｛Ｉａ－Ｉ(ｔ)｝×定数）
　Ｉａ：最大充電電流
　　λ：発電電圧上昇率上限
　定数：予め決めた定数
　次に、充電終了時の発電電圧減少率（電圧を下げる場合の上限設定）について述べる。この場合には、充電終了によりオルタネータのトルクが０になるため、エンジンとしてはオルタネータのトルク負荷分を減少させる。従い、エンジンコントロールとしてはエンジンへの空気を減らすことになる。ここで空気の移動には遅れがあるため、エンジントルクの減少率には下限が存在することになる。この下限値の絶対値をηとする。そして、発電電圧減少率－Ａをηにより数１０で値を設定する（数１により導かれる）。
（数１０）
　　－Ａ＝－（Ｒ＋ｒ）ηκ＋exp（－ｔ／ｃｒ）×｛Ｅ＋η×κ×ｃ×ｒ×ｒ｝／ｃｒ
　η：トルク減少率上限値［Ｎｍ／ｓ］
　κ：オルタネータのトルク－電流比例定数［Ａｓ／Ｎｍ］
　ライトを点灯させた場合には、ライトの減光が人間に気づかない発電電圧減少率－Ａを設定する（例としてＡ＝０.５［Ｖ／ｓ］）。

　次に、発電電圧制限部１９における発電電圧時系列のプラン決定方法を図５で述べる。発電電圧時系列プランとしては、まずステップ５１で充電電流の上限Ｉａを決定する。上限充電電流Ｉａはオルタネータの効率を保てる範囲と、オルタネータに接続されている他の電子機器の電流需要を元に、予め値を設定する（例としてオルタネータの効率を保てる範囲を６０［Ａ］、電子機器の電流需要が４０［Ａ］の場合、Ｉａ＝６０－４０＝２０［Ａ］）。続いて、ステップ５２で発電電圧の上限Ｅｍａｘを決める。Ｅｍａｘの決め方は後述する。ここで、Ｅｍａｘは、蓄電池の発熱状態、オルタネータの発熱状態により途中で値を下げても良い。詳細については後述する。

　次に、ステップ５３で蓄電池の開放電圧（充電電流０時の蓄電池の電圧）を決定する。これは、充電前の電流０［Ａ］時における蓄電池電圧を図１の電圧計１３により測定する。

　次に、ステップ５４で、充電終了時まので時間Ｔを得る。減速時における充電終了時間は、減速終了を予測して決定する。具体的には、車速により車の平均減速度を予測し、現在の速度よりＴを決定する。減速時以外の充電では、現在の充電量とターゲットとなる充電量より決定する。この場合は「Ｔ＝（ターゲット充電量－現在の充電量）／Ｉ∞」とする（Ｉ∞は数４で計算される値）。

　最後にステップ５５で発電電圧上昇率λ、発電電圧減少率－Ａより発電電圧時系列を計算する。この計算としては、開始時間をスタートとして発電電圧上昇率λより、発電電圧の上昇をストップさせる時間を決定する。次に、終了時間より、発電電圧減少開始時間を計算する。この例を、図６の発電電圧波形を用いて説明する。図６は、充電開始６１の時間から、充電終了６２の時間までの発電電圧波形６３（実線）と充電電流波形６４（破線）を示す。充電開始から充電電流が上限値Ｉａまでの間６５では、発電電圧上昇率をλとする。最後に、充電終了時に電流が０となるように、発電電圧減少開始から充電終了時までの間６６では発電電圧減少率を－Ａとする。発電電圧減少開始時刻はＴ－（Ｅｍａｘ－Ｅ）／Ａとなる。

　以上、予め発電電圧を決定する方法を示したが、充電電流を監視しながら発電電圧を調整してもよい。この流れを図７のフロチャートを用いて説明する。

　初めに、ステップ７０１にてオルタネータの発電電圧をＥ（充電電流０時の蓄電池電圧）とする。次にステップ７０２にてタイマー時刻ｔを０に設定する。

　次にステップ７０３にて現在のオルタネータ発電電圧Ｖが最大電圧Ｅｍａｘになるか、充電電流Ｉが電流上限Ｉａになるかを判定する。もし、発電電圧Ｖ≧最大電圧Ｅｍａｘかまたは、充電電流Ｉ≧電流上限Ｉａになった場合、発電電圧を一定に保持する（ステップ７０６）。もしこの条件を満たさない場合には、発電電圧をλ×δｔ（δｔは時刻ステップ。例として１０ｍｓ）だけ増加させ（ステップ７０４）、時刻をδｔだけ進めた後（７０５）、ステップ７０３の判定を行う。

　ステップ７０６の後ステップ７０８にて、発電電圧減少開始時刻かを判定する。もし、発電電圧減少開始時刻ならば、ステップ７０９へ処理を移す。もし、発電電圧減少開始時刻でなければ、ステップ７０７にて時刻をδｔだけ進める。

　ステップ７０９では、発電電圧を減少率－Ａだけ小さくする。その後、ステップ７１０で充電電流が０かどうかを判定する。充電電流が０で無い場合には、ステップ７１１にて時刻をδｔだけ進める。充電電流が０の場合、処理を終了させる。

　図７では、発電電圧上昇率をλ一定としたが、前述した数９のｍｉｎ｛λ，定数×（Ｉａ－充電電流）｝となる発電電圧変化量を用いても良い。

　次に、途中で最大電圧Ｅｍａｘが途中で変化する場合を、図８のフロチャートと図９の発電電圧時系列を用いて説明する。これは、一時的に発電電圧を上昇させ回生効率を上げる場合に、オルタネータの熱または蓄電池の温度が危険レベルに達しないように監視するためである。もし、温度が予め設定された上限値に到達しそうな場合にＥｍａｘを下げる。

　まず、ステップ８１において現在の蓄電池温度を計測する。次にステップ８２においてオルタネータの温度を計測する。次にステップ８３において、蓄電池温度の時間差分により蓄電池温度上昇率を計算する。次にステップ８４において、オルタネータ温度の時間差分によりオルタネータ温度上昇率を計算する。ステップ８５において、充電終了までにオルタまたは蓄電池の温度上昇見積もり「温度上昇率×（Ｔ－現時刻）」が予め設定された温度（例として４５℃。またはエンジンルーム温度）より大きくなる場合に、ステップ８６にてＥｍａｘをΔＥｍａｘだけ下げる。ここで、ステップ８６にてΔＥｍａｘだけ発電電圧を下げる場合には、発電電圧減少率－Ａにて発電電圧を下げる。このときの電圧は、図９の発電電圧９１を発電電圧９２まで下げる動作に対応する。

　なお、オルタネータに温度計が無い場合には、ステップ８２，８４とステップ８５のオルタネータ温度判定を省略する。

　このステップ８１からステップ８６までの動作を、ステップ８７の終了条件を満たすまで継続する。ステップ８７の終了条件とは、発電電圧を減少させるタイミングに到達したかどうか、即ち現時刻から発電電圧減少率－Ａで発電電圧を減少させ始めたとき、時刻Ｔにて充電電流０となる条件である。

　ステップ８７の終了条件が成立した後には、ステップ８８にて発電電圧減少率－Ａにて、充電電流が０になるまで（図９では９３）発電電圧を減少させる。

　次に、発電電圧の上限Ｅｍａｘの初期値設定方法について述べる。発電電圧は、オルタネータに接続されている電子機器の耐圧より決定する（例として１５Ｖ）。

　次に、ｃ，ｒ，Ｒの推定方法について述べる。推定には、前回の充電時の充電電流、発電電圧波形により求める方法、現在の充電量と温度によりテーブルを参照して決める方法の何れかの方法を使う。もし、電流計が無い構成であるならば、充電量を発電電圧と温度で推定し、温度と充電量をテーブル参照して決める方法を採用する。以下、それぞれについて述べる。

　電流計と電圧計が付加されている場合には、ｃ，ｒ，Ｒを充電電流と発電電圧の時系列データより求める。求め方としては、初めに｛蓄電池の端子電圧－蓄電池の充電電流０時の端子電圧｝をフーリエ変換したＶ(ｓ)を計算し、次に充電電流をフーリエ変換したＩ(ｓ)を計算する（ｓとはラプラス演算子のｓを示す）。次にｚ(ｓ)＝Ｖ(ｓ)／Ｉ(ｓ)として内部インピーダンスｚ(ｓ)を求める。求めたｚ(ｓ)より、１／ｚ(ｓ)ｓをフーリエ逆変換することにより、発電電圧が１Ｖのステップ応答と仮定した場合の充電電流波形を求めることができる。フーリエ変換としては高速フーリエ変換の数値解放を用いても良い（参考文献「佐川雅彦，貴家仁志：高速フーリエ変換とその応用、昭晃堂」）。

　数１を解くことにより、充電電流の初期値が１／Ｒと計算されるため、発電電圧ステップ応答の初期充電電流よりＲが求められる。同様に、発電電圧ステップ応答の充電電流の定常値は、数１を解くことにより１／（Ｒ＋ｒ）と計算されるため、ｒの値を求めることができる。次に、次に電流は指数関数exp（－ｔ／ｋ）であり、定数ｋは、微分方程式数１より数１１と示される。また、「発電電圧ステップ応答の充電電流－（Ｅｍａｘ－Ｅ）／（Ｒ＋ｒ）」の対数を取ることにより、ｋを求めることができる。
（数１１）
　　ｋ＝ｃ×ｒ′
　　ｒ′＝ｒ×Ｒ／（ｒ＋Ｒ）
　ｒ′：ｒとＲの合成抵抗（蓄電池を低電圧源に接続した場合の内部抵抗）
　数１１とｋよりｃを求めることができる。このＲ，ｒ，Ｃの値は、充電するタイミングにおいて計算し、次回の充電で使用する。蓄電池を交換した直後の場合には、次に述べるテーブルによる推定値を用いる。

　次に、テーブルを用いてｃ，ｒ，Ｒを求める方法について述べる。概要としては、蓄電池の充電量，劣化度，温度毎に集計されているｃ，ｒ，Ｒのテーブルを、充電量，劣化度，温度を元に参照する。このテーブル例を図１０に示す。充電量は、前述したように図１の充電量推定部１４にて推定する。温度は、温度計１４を使用する。図１０におけるＳＯＣ１０１とは、充電量［Ａｈ］を蓄電池のカタログ容量［Ａｈ］で割った比率［％］を示し、図１の充電量推定量１６にて推定した値を示す。図１０におけるＳＯＨ１０２とは、劣化度を示し、現在使用できる蓄電池の容量をカタログ容量［Ａｈ］で割った比率［％］を示す。図１０ではＳＯＨ毎に用意された、温度ＳＯＣ表を用意している。ここで、温度が４０℃、ＳＯＣが４０％、ＳＯＨが１００％の場合には、ＳＯＨ１００％に対応する表を選び出し、図１０の１０３の欄に記載されているｃ，ｒ，Ｒの値を用いる。図１０では、例としてＳＯＣ５０％の欄が存在していないが、ＳＯＣ４０％と６０％の値より補間して推定する。

　ＳＯＨの推定方法は、放電時の蓄電池電流と蓄電池電圧の相関より求めた放電抵抗の値より求める。ここで、電流計が設置されていない場合には、クランキング（エンジンの有る移動体の場合、蓄電池によるエンジン始動時）にてエンジン始動の際、蓄電池電圧の降下量により放電抵抗を推定すれば良い。具体的な推定方法として、蓄電池電圧の降下量×定数とする（定数は予め設定した値とする）。

　本オルタネータ発電電圧制御方法では、充電開始のタイミングを、満充電でなくかつ蓄電池の温度が低い場合に充電を開始しても良い。これは、蓄電池の温度が低い場合、一般的に充電抵抗の値が大きく、充電効率が下がるためである。このとき、発電電圧の制御を開始し、蓄電池の温度を上昇させる。この終了条件は、満充電になるかまたは、蓄電池の温度が、蓄電池の周囲気温に到達するまでとする。

　最後に、本オルタネータ発電電圧制御方法は、充放電を行わない場合には、蓄電池の充電電流を０となるような制御を行う。この制御としては、数１１のＩａを０として、発電電圧を変化させる。

１０…蓄電池、１１…オルタネータ、１２…電流計、１３…電圧計、１４…温度計，カーブ前警報，制動、１５…内部抵抗・容量推定部、１６…充電量推定部、１７…充電タイミング決定部、１８…発電電圧上昇率制限部、１９…発電電圧制御部、２１…充電開始判定、２２…発電電圧上昇率制限計算、２３…発電電圧時系列プラン計算、２４…発電電圧制御、３１…陽極、３２…内部抵抗ｒ、３３…内部抵抗Ｒ、３４…コンデンサｃ、３５…ベース電圧、３６…陰極、４１…ｆ(ｘ)、４２…解ｘ、５１…充電電流上限Ｉａ決定、５２…電圧上限Ｅｍａｘ決定、５３…蓄電池開放電圧Ｅ測定、５４…充電終了時間Ｔ決定、５５…発電電圧時系列計算、６１…充電開始時刻、６２…充電終了時刻、６３…オルタネータ発電電圧時系列、６４…充電電流、６５…オルタネータ発電電圧上昇中区間、６６…オルタネータ発電電圧減少中区間、８１…蓄電池温度計測、８２…オルタネータ温度計測、８３…蓄電池温度上昇率計算、８４…オルタネータ温度上昇率計算、８５…最大電圧減少判定、８６，８８，７０９…発電電圧減少、８７，７０８…発電電圧減少開始判定、９１…最大電圧減少開始、９２…最大電圧減少終了、９３…充電終了、１０１…充電量（ＳＯＣ）、１０２…劣化度（ＳＯＨ）、１０３…ＳＯＣ４０％，温度４０℃のときのＲ，ｒ，Ｃ、７０１…発電電圧初期値設定、７０２…時刻初期化、７０３…発電電圧上昇停止判定、７０４…発電電圧上昇、７０５，７０７，７１１…時刻更新、７０６…発電電圧保持、７１０…充電終了判定

Claims

　移動体に搭載されるオルタネータの制御装置であって、
　前記オルタネータから前記移動体の蓄電池への充電の開始と終了のタイミングを判定する充電タイミング決定部と、前記蓄電池のパラメータを推定する蓄電池パラメータ推定部と、前記蓄電池の充電状態を予測する充電状態推定部と、前記オルタネータの発電電圧上昇率を決定する発電電圧上昇率決定部と、前記オルタネータの発電電圧を制御する発電電圧制御部と、を有し、
　前記蓄電池へ充電を開始する際に、前記オルタネータの発電電圧を上昇させるにあたり、予め推定した前記蓄電池のパラメータに基づいて、前記発電電圧上昇率に上限を設けたことを特徴とするオルタネータの制御装置。
　請求項１記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記充電タイミング決定部は、充電開始のタイミングを、前記移動体の減速時、または前記蓄電池の充電量が許容値以下になった場合の何れかとするオルタネータの制御装置。
　請求項１記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記蓄電池パラメータ推定部は、前記蓄電池の電圧と電流の時系列データにより、前記蓄電池のコンデンサ容量と抵抗を計算するオルタネータの制御装置。
　請求項３記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記蓄電池パラメータ推定部は、前回の充電時における蓄電池の電圧と電流の時系列データから前記蓄電池のコンデンサ容量と抵抗を推定するオルタネータの制御装置。
　請求項１記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記蓄電池パラメータ推定部は、予め集計した前記蓄電池のコンデンサ容量と抵抗のテーブルにより前記蓄電池のコンデンサ容量と抵抗を推定するオルタネータの制御装置。
　請求項５記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記テーブルとして、温度と充電量毎に集計したテーブルを用いたオルタネータの制御装置。
　請求項１記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記発電電圧上昇率の上限を、予め与えた前記蓄電池の最大許容充電電流、および前記蓄電池のコンデンサ容量と抵抗により計算するオルタネータの制御装置。
　請求項７記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記発電電圧上昇率の上限値を、予め与えた最大発電電圧と初期蓄電池電圧との差を、蓄電池コンデンサと抵抗値で計算される時定数で割った値とするオルタネータの制御装置。
　請求項８記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記時定数として、充電時の前記蓄電池を直流電圧源に繋いだと仮定した場合の前記蓄電池の内部抵抗とコンデンサの容量の積とするオルタネータの制御装置。
　請求項９記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記時定数として、最大許容充電電流、最大発電電圧で充電したと仮定した場合に計算される定常的な充電電流、前記蓄電池の内部抵抗で計算される倍率で補正するオルタネータの制御装置。
　請求項８記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記最大発電電圧の設定方法として、オルタネータに接続された電子機器の耐圧とするオルタネータの制御装置。
　請求項８記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記最大発電電圧として、蓄電池の温度の上昇率と現在温度により、蓄電池の温度が充電終了までに、予め設定された最大温度以上または気温以上と予測される場合に、最大発電電圧を与えられた初期値より下げるオルタネータの制御装置。
　請求項２記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記充電開始タイミングが移動体の減速時であった場合の発電電圧上昇率の上限として、移動体の減速度により計算される発電電圧上昇率と、予め与えた最大発電電圧と初期蓄電池電圧との差を、蓄電池コンデンサと抵抗値で計算される時定数で割って求めた発電電圧上昇率の上限の小さい方の値を発電電圧上昇率の上限とするオルタネータの制御装置。
　請求項１３記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記移動体の減速度により計算される発電電圧上昇率として、予め与えられた移動体のタイヤ径、ギア比と減速度によりエンジンのトルク減少率を計算し、次に、オイルタネータトルクと電流の換算係数をトルク減少率にかけて電流変化率を求め、電流変化率より発電電圧上昇率を計算するオルタネータの制御装置。
　請求項２記載のオルタネータの制御装置であって、
　充電開始タイミングが減速時以外の場合の発電電圧上昇率の上限として、発電開始により移動体のエンジントルクを増加させる時の増加率の上限により計算される発電電圧上昇率と、予め与えた最大発電電圧と初期蓄電池電圧との差を、蓄電池コンデンサと抵抗値で計算される時定数で割って求めた発電電圧上昇率の上限の小さい方の値を発電電圧上昇率の上限とするオルタネータの制御装置。
　請求項１５記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記エンジントルク増加率の上限で計算される発電電圧上昇率として、オルタネータトルクとオルタネータ発電電流の換算係数を、エンジントルク増加率の上限にかけて計算される電流変化率により、発電電圧上昇率を計算するオルタネータの制御装置。
　請求項１４記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記電流変化率から発電電圧上昇率を計算する方法として、予め与えられた蓄電池の回路方程式へ電流変化率を与えた時に得られる蓄電池の電圧時系列データにより、発電電圧上昇率を計算するオルタネータの制御装置。
　請求項１記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記蓄電池の充放電を行わない場合には、前記蓄電池に流れる電流が０となるように発電電圧を制御するオルタネータの制御装置。
　請求項１３記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記発電電圧上昇率の上限として、オルタネータにライトが接続され、かつライトが点灯している場合には、予め設定した電圧上昇率により上限を設けるオルタネータの制御装置。
　請求項１記載のオルタネータの制御装置であって、
　前記充電開始のタイミングとして、前記蓄電池の充電量が満充電でなく、かつ前記蓄電池の温度が予め設定された温度より低い場合とするオルタネータの制御装置。
　移動体に搭載されるオルタネータの制御方法であって、
　前記オルタネータから前記移動体の蓄電池への充電の開始と終了のタイミングを判定し、蓄電池のパラメータを推定し、前記蓄電池の充電状態を予測し、前記オルタネータの発電電圧上昇率を決定し、前記蓄電池へ充電を開始する際に、前記オルタネータの発電電圧を上昇させるにあたり、予め推定した前記蓄電池のパラメータに基づいて、前記発電電圧上昇率に上限を設けて前記オルタネータの発電電圧を制御することを特徴とするオルタネータの制御方法。