JP2002369592A - 車両用発電機の制御装置 - Google Patents
車両用発電機の制御装置Info
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- Control Of Charge By Means Of Generators (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
効率の向上を実現可能な車両用発電機の制御装置を提供
すること 【解決手段】車両用電気負荷2及び蓄電手段1は、発電
機3から給電される。コントローラ8は、発電機3の平
均出力電力が車両用電気負荷2の消費電力と略等しくな
るように発電機3を間欠発電させる。これにより、発電
時の発電機の動作点を大出力電力側へシフトさせること
ができるので、発電機の効率を向上させることができ
る。
Description
御装置に関する。蓄電手段と発電機とを搭載する自動車
に適用される。
ら、車両の燃費向上が求められており、減速時に車両の
運動エネルギを発電機で電気エネルギに変換して、バッ
テリや電気二重層コンデンサ等に蓄える回生システムが
注目されている。従来の車両用の発電機は、電気負荷
(ECU、ヘッドライト、ブロワ、ワイパ、AV機器、
ナビゲーションシステム等で)で消費される電力を供給
することが可能なように、その最大出力を1.0〜1.
7kW程度に設定するのが一般的であった。しかしなが
ら、回生システムで使用される発電機は、車両の減速エ
ネルギを回収するためにはより大きな出力(例えば3〜
10kW程度)とする必要がある。電気負荷の平均消費
電力は、各負荷の使用状態にもよるが、10−15モ−
ド走行時には0.2kW程度である。
最大出力電力は、電気負荷の平時の平均消費電力に比較
して格段に大きく、その差は回生制動型発電機において
一層甚だしくなる。その結果、発電機はほとんどの場合
において発電効率が低い小出力動作点で運転されること
になり、平均電力損失が大きくなり、燃費の面で不利に
なるという問題があることを見いだした。
は、その出力電力に無関係の固定的な損失や出力電力の
変化に正相関を有する損失があり、小出力動作点では出
力電力に比較して固定的な損失が大きいため、効率が低
下する。
あり、装置構成の複雑化を抑止しつつ小負荷時の発電効
率の向上を実現可能な車両用発電機の制御装置を提供す
ることを、その目的としている。
電機の制御装置は、車両用電気負荷に電力を供給する蓄
電手段と、前記蓄電手段及び前記車両用電気負荷に電力
を供給する発電機と、前記発電機の出力電力を調整する
発電制御部とを備え、前記発電制御部が、前記発電機の
平均出力電力が前記車両用電気負荷の消費電力と略等し
くなるように前記発電機を間欠発電させる間欠発電モー
ドを有することを特徴としている。
力が小さくても、発電機を間欠運転し、その発電停止時
に蓄電手段から車両用電気負荷に給電し、その発電時に
蓄電手段の充電と車両用電気負荷への給電を行うことに
より、発電時の発電機の動作点を大出力電力側へシフト
させることにより、発電機の効率を向上させる。
が効率低減要素となるが、発電機効率の向上が蓄電手段
の損失増加分を上回る条件時に、この間欠発電モードを
利用すれば総合エネルギー効率を改善することができ
る。
電機の制御装置において更に、前記発電機の回転数を検
出する回転数検出手段を有し、前記発電制御部が、あら
かじめ記憶する前記発電機の回転数と発電効率と出力電
力との関係に基づいて、現回転数における発電効率が良
好な出力電力を前記発電機に間欠発電させることを特徴
としている。
は回転数に応じて変化するので、検出した回転数に応じ
て発電効率が良好(たとえば最高)となる出力電力で発
電機を運転することにより、車両用電気負荷の消費電力
や回転数変動にかかわらず常に発電機を最高又は良好な
状態で発電させることができる。
電機の制御装置において更に、前記発電制御部が、前記
車両用電気負荷の消費電力に略等しい出力電力を前記発
電機に連続発電させる連続発電モードを有し、前記両モ
ードのうちからエネルギー効率に優れる方を選択するこ
とを特徴としている。本構成によれば、間欠発電モード
が連続発電モードよりエネルギー効率(総合効率)が優
れる場合のみ間欠発電モードを実施するので、実現可能
な最高効率で発電を行うことができる。
用発電機の制御装置において更に、前記発電制御部が、
前記発電機の発電効率および前記蓄電手段の充放電効率
に基づいて前記エネルギー効率を推定することを特徴と
しているので、蓄電手段の充放電における損失を加味し
たエネルギー効率を向上することができる。
ずれか記載の車両用発電機の制御装置において更に、前
記発電制御部が、車両減速時に前記発電機を出力可能な
最高出力電力で前記発電機を発電させ、前記車両減速で
ない場合に前記発電機を間欠発電させることを特徴とし
ている。本構成によれば、回生制動を制約することな
く、エネルギー効率向上を実現することができる。
ずれか記載の車両用発電機の制御装置において更に、前
記発電制御部が、車両加速度が所定値を超える場合に前
記発電機の発電を停止することを特徴としている。本構
成によれば、大加速時に発電機を停止するので、加速性
が向上する。なお、この時、蓄電手段が車両用電気負荷
に給電を担当するが、発電機の発電復帰後、蓄電手段は
再度充電される。
ずれか記載の車両用発電機の制御装置において更に、前
記蓄電手段のSOC又は電圧を検出する手段を有し、前
記間欠発電モードが、前記蓄電手段のSOC又は電圧が
第一の所定値まで上昇するまで前記発電機に所定出力で
の発電を指令し、前記蓄電手段のSOC又は電圧が前記
第一の所定値に到達した後、第二の所定値まで低下する
まで前記発電機の発電を停止させる制御からなることを
特徴としている。
電状態の2つの値の間で発電機を休止させるので、間欠
発電を簡単に実施することができる。また、発電停止判
定に電圧を用い、発電開始判定にSOCを用いてもよ
く、その逆でもよい。
7のいずれか記載の車両用発電機の制御装置において更
に、前記蓄電手段が、リチウム電池からなる。リチウム
電池は、充放電損失が小さいので、エネルギー効率を向
上することができる。
6のいずれか記載の車両用発電機の制御装置において更
に、前記蓄電手段が、電気二重層コンデンサからなる。
電気二重層コンデンサは、充放電損失が小さいので、エ
ネルギー効率を向上することができる。
の好適な態様を以下の実施例により詳細に説明する。
成を図1に示す。
組電池1は、電気負荷2に電力を供給する。発電機3は
電気負荷2に電力を供給するとともに組電池1を充電す
る。発電機3は、電機子巻線4、三相全波整流器5、界
磁巻線6、界磁電流制御用スイッチ7及びフライホイル
ダイオードFDなどを有している。コントローラ8は発
電機3を制御する。組電池1の電流を検出する電流セン
サ9からの信号線11、組電池1の電圧を検出する信号
線12、組電池1内の温度センサ10からの信号線13
が、コントローラ8に接続されている。更に、センサ部
分は示していないが、車速センサからの信号線14、発
電機回転数センサからの信号線15が接続されている。
コントローラ8は、界磁電流制御信号線16を通じて界
磁電流制御用スイッチ7を断続制御している。
関係の一例を図2に示す。車両減速時にエネルギを回生
する場合は、回転数に応じて最大出力に略等しい出力で
発電する。しかしながら、減速時以外の場合において、
発電機に要求される出力は回生時に比べ著しく小さくな
る。従来は、電気負荷2で消費される分の電力をリアル
タイムに発電していたため、例えば電気負荷2の消費電
力が0.2kW程度で、発電機回転数が約4000rp
mの場合には、発電機の動作点は図中のP1 となり、こ
の回転数での最大出力点Pmaxに対して非常に小さい
(約7%)出力で発電せざるをえなかった。
を図3に示す。
(点A)場合、同回転数において発電効率が最高となる
1.0kW出力時(点B)に比べて、発電効率が約20
%低下し、燃費向上の妨げとなっていた。
作点(点B)で間欠的に発電を行い、平均発電電力が電
気負荷2での消費電力と略等しくなるようにすること
で、高効率な運転を可能とした。この間欠運転時におけ
る発電機出力、、Li電池の入出力電力、電気負荷の消
費電力を図4に示す。時間をt(min)とすると、T
1 ≦t<T2 の期間では、発電機は効率が高い1.0k
Wの出力で発電し、その中の0.2kWを電気負荷へ供
給し、残りの0.8kWはLi電池へ充電する。次にT
2 ≦t<T3 の期間では、発電機は発電を停止し、Li
電池が電気負荷へ0.2kWを供給する。T3 以降も同
様な動作を繰り返す。発電機が動作している時間と停止
している時間の比率は、(T2 −T1 )/(T3 −T1
)=1/5となっているため、発電機は平均すると電
気負荷の消費電力と略等しい電力を出力することとな
る。ただし、発電機の出力が急激に変化すると、発電機
トルクが急激に変化し運転者に違和感を与えるので、実
際には発電機の出力を違和感を与えない程度に徐々に変
化させる。
は、発電したエネルギを一旦電池に蓄えてから電気負荷
へ供給するので、電池1の充放電による損失も考慮する
と、より最適な運転が可能となる。発電機3で発電した
エネルギを一旦電池に蓄えてから負荷2へ供給する場合
には、電池1の充放電による損失のために、電気負荷の
消費電力が所定値以下の場合は、間欠的な動作の方がト
ータルのエネルギ効率が高く、逆に所定値を上回る場合
には間欠的で無くリアルタイムに負荷消費電力に応じた
出力で動作する方がトータルのエネルギ効率が高くな
る。
ルタイムに負荷消費電力に応じた出力で動作する場合に
は、発電機から電気負荷へ直接電力を供給するので、電
池の充放電による損失は無く、トータルのエネルギ効率
E1 は、 E1 =ηG (PL ,N) 〔%〕 となる。ここで、PL は電気負荷での消費電力(W)、
ηG (p,N)は発電機の発電効率であり、出力pと発
電機回転数Nの関数である。ηG (p,N)の一例は図
3に示したようなものである。一方で、効率が良い所定
の出力Pconst で間欠的な動作をする場合は、エネルギ
を一旦電池に蓄えるので電池の充放電による損失が発生
し、トータルのエネルギ効率E2 は、 E2 ={PL /Pconst} ・ηG (Pconst ,N) +(Pconst −PL)/Pconst・{ηG(Pconst ,
N)/100}・{ηbat1(Pconst −PL )/10
0}・{ηbat2(PL )/100}×100〔%〕 となる。ここでηbat1(P)は充電効率(%)、ηbat2
(P)は電池の放電効率(%)であり、各々の充電電力
および充電電力の関数である。充電効率および放電効率
は電池の内部抵抗により変化する。組電池1の内部抵抗
が100mΩでの一例を図5に示す。E1 とE2 を比較
して、E1 ≧E2 の場合はリアルタイムに負荷消費電力
に応じた出力で動作させ、E1 <E2 の場合は間欠的な
動作をさせれば最も高効率な運転が可能となる。
=1.0kWの条件においてE1 とE2 を比較した一例
を図6に示す。電気負荷の消費電力PLが約0.8kW
より小さい場合にはE1 ≧E2 となるのでリアルタイム
に負荷消費電力に応じた出力で動作させ、PL が約0.
8kWより小さい場合にはE1 <E2 となるので間欠的
な動作をとする制御を行う。
ら、なお且つ上記のような発電機の高効率運転制御を行
う方法について説明する。燃料を消費しながらエンジン
を回転させて発電機を駆動している状態では、上記のよ
うな高効率運転制御を行うと車両のエネルギ効率は高く
なる。一方で、減速時に車輪から伝達されてくるエネル
ギで発電機を駆動している状態では、発電機は最大出力
で動作させる方が多くのエネルギを回生できるので、燃
費が向上する。従って、本発明では、車速センサやブレ
ーキペダルのストローク等から車両が減速状態であるこ
とを見出して、減速時には発電機は最大出力で発電し、
発電時以外では上記のような間欠運転による高効率運転
制御を行う。
易に実施できることは明白であるので、これ以上の説明
は省略する。
御を行う場合には、電池の充電状態(SOC:Stat
e of Charge)および、車両の加速度に基づ
いて発電機のON/OFFを制御することができる。具
体的な制御方法を、図7を用いて説明する。Step0
1において電池のSOCを第一の所定値(SOC- 1)
と比較し、小さい場合にはChargeフラグを1にセ
ットし(Step02)、それ以外の場合にはChar
geフラグを0にセット(Step03)する。
態であるかどうか判断し、減速状態の場合にはStep
05で発電機は最大出力で発電する。減速状態でない場
合には、Step06で車両の加速度が所定値(acc
〔m/s2 〕)以上であるか判定し、所定値以上の場合
はStep07で発電を停止し、それ以外の場合にはS
tep08でChargeフラグが1かどうか判定す
る。Chargeフラグが1の場合には更にStep0
9で電池のSOCを第一の所定値(SOC- 1)と比較
し、小さい場合にはStep10において、発電機は回
転数に応じて高効率となる出力で発電を行い、それ以外
の場合にはStep11で発電を停止し、Step12
でChargeフラグを0にセットする。また、Ste
p08で、Chargeフラグが1かどうか判定し、1
でない場合にはStep13で電池のSOCを第二の所
定値(SOC- 2)と比較し、大きい場合にはStep
14で発電を停止し、それ以外の場合にはStep15
で、発電機は回転数に応じて高効率となる出力で発電を
行い、Step16でChargeフラグを1にセット
する。ここで、第一の所定値(SOC- 1)は第二の所
定値(SOC- 2)よりも大きくなるように設定してあ
り、例えば、SOC- 1=60%、SOC- 2=50%
というように設定する。また、加速状態を判定する所定
値(acc)は、例えばacc=0.5〔m/s2 〕に
設定する。
速度、電池のSOC、発電機の出力の時間変化の一例を
図8に示す。時間をtとし、Chargeフラグはt=
T1において1であるとして詳細を説明する。
m/h一定で、加速度は0〔m/s2 〕、Charge
フラグが1で、SOCは第一の所定値(SOC- 1=6
0%)よりも小さいので、図7のStep10により発
電機は回転数に応じて高効率となる出力(1.0kW)
で発電を行う。電気負荷の消費電力は約0.2kWであ
るので、発電した1.0kW中の0.2kWは電気負荷
へ供給され、残りの0.8kWはLi電池に充電され、
SOCが増加する。
m/hから80km/hに加速中で、加速度は0.56
〔m/s2 〕であり所定の加速度(acc=0.5〔m
/s2 〕)以上であるので、Step07により発電機
は発電を停止する。Li電池から電気負荷へ0.2kW
が供給され、SOCが減少する。
m/h一定で、加速度は0〔m/s2 〕、Charge
フラグが1で、SOCは第一の所定値(SOC- 1=6
0%)よりも小さいので、Step10により発電機は
回転数に応じて高効率となる出力(1.0kW)で発電
を行う。発電した1.0kW中の0.2kWは電気負荷
へ供給され、残りの0.8kWはLi電池に充電され、
SOCが増加する。
(SOC- 1=60%)に到達し、Step11により
発電機は発電を停止し、Step12によりCharg
eフラグを0にセットする。
m/h一定で、加速度は0〔m/s2 〕、Charge
フラグが0で、SOCは第二の所定値(SOC- 2=5
0%)よりも大きいので、Step14により発電機は
発電を停止する。Li電池から電気負荷へ0.2kWが
供給され、SOCが減少する。
(SOC- 2=50%)に到達し、Step15により
発電機は発電を停止し、Step16によりCharg
eフラグを1にセットする。
Cが増加して第一の所定値(SOC- 1=60%)に到
達したら発電を停止し、次にSOCが減少して第二の所
定値(SOC- 2=50%)に到達したら発電を再開す
るという運転を繰り返す。
m/hから0km/hに減速中であり、Step05に
より発電機は回転数に応じた最大出力で発電する。発電
した電力中の0.2kWは電気負荷へ供給され、残りは
Li電池に充電されSOCは増加する。
/hで停車しており、加速度は0〔m/s2 〕、Cha
rgeフラグが0で、SOCは第二の所定値(SOC-
2=50%)よりも大きいので、Step14により発
電機は発電を停止する。
m/hから70km/hに加速中で、加速度は0.97
〔m/s2 〕であり所定の加速度(acc=0.5〔m
/s2 〕)以上であるので、Step07により発電機
は発電を停止する。
(SOC- 1=60%)に到達し、Step11により
発電機は発電を停止し、Step12によりCharg
eフラグを0にセットする。
m/h一定で、加速度は0〔m/s2 〕、Charge
フラグが0で、SOCは第二の所定値(SOC- 2=5
0%)よりも大きいので、Step14により発電機は
発電を停止する。
て発電機のON/OFFを制御したが、電池の電圧に基
づいて、電圧が第一の所定値(例えば39.0V)に到
達したら発電を停止し、次にSOCが第二の所定値(例
えば35.0V)に到達したら発電を再開するような制
御を行っても良い。
効率な発電が可能であり、燃費を向上することができ
る。 (2)充放電の効率が高いLi電池や電気二重層コンデ
ンサを使用することで、エネルギ損失が小さくなり、燃
費が向上する。 (3)Li電池や電気二重層コンデンサへの充放電によ
る損失も考慮して、電気負荷の消費電力に応じてエネル
ギ効率が最大となるように発電機の運転方法を最適化し
ているので、高効率運転制御をより効果的に行うことが
できる。 (4)電池のSOC又は電圧に基づいた発電機のON/
OFF制御を行うことで、回生したエネルギを使い切っ
てから発電機が発電を開始する(減速時は除く)ので、
無駄に発電しなくなり燃費が向上する。
示す回路図である。
図である。
である。
である。
である。
率との関係を示す特性図である。
度、電池のSOC、発電機の出力の時間変化を示すタイ
ミングチャートである。
Claims (9)
- 【請求項1】車両用電気負荷に電力を供給する蓄電手段
と、 前記蓄電手段及び前記車両用電気負荷に電力を供給する
発電機と、 前記発電機の出力電力を調整する発電制御部と、を備
え、 前記発電制御部は、前記発電機の平均出力電力が前記車
両用電気負荷の消費電力と略等しくなるように前記発電
機を間欠発電させる間欠発電モードを有することを特徴
とする車両用発電機の制御装置。 - 【請求項2】請求項1の車両用発電機の制御装置におい
て、 前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段を有し、 前記発電制御部は、あらかじめ記憶する前記発電機の回
転数と発電効率と出力電力との関係に基づいて、現回転
数における発電効率が良好な出力電力を前記発電機に間
欠発電させることを特徴とする車両用発電機の制御装
置。 - 【請求項3】請求項1の車両用発電機の制御装置におい
て、 前記発電制御部は、前記車両用電気負荷の消費電力に略
等しい出力電力を前記発電機に連続発電させる連続発電
モードを有し、前記両モードのうちからエネルギー効率
に優れる方を選択することを特徴とする車両用発電機の
制御装置。 - 【請求項4】請求項3記載の車両用発電機の制御装置に
おいて、 前記発電制御部は、前記発電機の発電効率および前記蓄
電手段の充放電効率に基づいて前記エネルギー効率を推
定することを特徴とする車両用発電機の制御装置。 - 【請求項5】請求項1乃至4のいずれか記載の車両用発
電機の制御装置において、 前記発電制御部は、車両減速時に前記発電機を出力可能
な最高出力電力で前記発電機を発電させ、前記車両減速
でない場合に前記発電機を間欠発電させることを特徴と
する車両用発電機の制御装置。 - 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか記載の車両用発
電機の制御装置において、 前記発電制御部は、車両加速度が所定値を超える場合に
前記発電機の発電を停止することを特徴とする車両用発
電機の制御装置。 - 【請求項7】請求項1乃至6のいずれか記載の車両用発
電機の制御装置において、 前記蓄電手段のSOC又は電圧を検出する手段を有し、 前記間欠発電モードは、前記蓄電手段の前記SOC又は
電圧が第一の所定値まで上昇するまで前記発電機に所定
出力での発電を指令し、前記蓄電手段の前記SOC又は
電圧が前記第一の所定値に到達した後、第二の所定値ま
で低下するまで前記発電機の発電を停止させる制御から
なることを特徴とする車両用発電機の制御装置。 - 【請求項8】請求項1乃至7のいずれか記載の車両用発
電機の制御装置において、 前記蓄電手段は、リチウム電池からなることを特徴とす
る車両用発電機の制御装置。 - 【請求項9】請求項1乃至6のいずれか記載の車両用発
電機の制御装置において、 前記蓄電手段は、電気二重層コンデンサからなることを
特徴とする車両用発電機の制御装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001168570A JP4632075B2 (ja) | 2001-06-04 | 2001-06-04 | 車両用発電機の制御装置 |
| US10/135,699 US6583602B2 (en) | 2001-05-11 | 2002-05-01 | Vehicular power supply apparatus and method of controlling the same |
| DE10220939A DE10220939A1 (de) | 2001-05-11 | 2002-05-10 | Fahrzeug-Stromversorgungsgerät und Verfahren zur Steuerung desselben |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2001168570A JP4632075B2 (ja) | 2001-06-04 | 2001-06-04 | 車両用発電機の制御装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002369592A true JP2002369592A (ja) | 2002-12-20 |
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ID=19010781
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
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| JP4632075B2 (ja) | 2011-02-16 |
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