JP2004056881A

JP2004056881A - 車両用発電機の制御装置および車両用電源システム

Info

Publication number: JP2004056881A
Application number: JP2002209005A
Authority: JP
Inventors: Makoto Taniguchi; 谷口　真
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-19
Also published as: US7119519B2; FR2842665A1; US20040061482A1; DE10332599A1

Abstract

【課題】発電損失を低減することができ、励磁用の電源の容量を減らすことができる車両用発電機の制御装置および車両用電源システムを提供すること。
【解決手段】車両用発電機１は、固定子巻線２、整流器３、界磁巻線４および電圧制御装置６を含んで構成されている。電圧制御装置６は、バッテリ９から界磁巻線４に励磁電流を供給するタイミングでオンされるパワートランジスタ６１、６２と、これらのパワートランジスタ６１、６２がオフされるタイミングで界磁巻線４の磁気エネルギーをバッテリ９に回生する環流ダイオード６３、６４を備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機の制御装置と車両用電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両用発電機に対して高出力、高効率のニーズが高まっている。これに応えるものとして、例えば、回転子を構成するランデル型ポールコアの爪間の隙間に永久磁石を装備して有効磁束を増加させる車両用発電機が提案されている。しかし、振動等によって永久磁石が破損するおそれがあり、しかも部品点数や組み付け工数が増加するため耐久性やコストの問題があり、通常は界磁巻線を改良する方が有利となる。
【０００３】
界磁巻線を改良して高出力、高効率化を図る方法としては、励磁界を極大化するために界磁巻線の励磁アンペアターンを増強する設計手法が知られているが、一方で界磁巻線の時定数を短縮する要求も強くなっており、結局、多数巻高抵抗巻線よりも少巻数低抵抗巻線を選択する設計手法が主流となりつつある。
【０００４】
また、上述した高出力、高効率化の要求とともに小型化の要求も強いため、磁極を小型化、軽量化する設計傾向にある。この場合に、界磁路断面積が小さくなって磁気パーミアンスが小さくなるので、界磁路が飽和しやすくなり、大きな磁気抵抗に対抗して必要量の鎖交磁束を発生させるために、一層励磁電流を増加させる傾向にある。
【０００５】
ところで、一般に車両用発電機は、車載のバッテリあるいは車両用発電機自身の発電出力電流の一部を引き込んで励磁電流を流している。このため、励磁電流が多くなると、励磁のための損失が大きくなって好ましくない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６は、従来の車両用発電機に装備された界磁巻線の接続状態を示す図である。図６に示すように、従来の車両用発電機では、界磁巻線１００に直列接続されたパワートランジスタからなるスイッチ１０２と、界磁巻線１００に並列に接続された環流ダイオード１０４とが含まれており、パワートランジスタのスイッチ１０２を断続することにより界磁巻線１００に流れる励磁電流が抑制され、出力電圧が所定範囲に収まるように制御されている。
【０００７】
図７は、図６に示す構成を有する従来の車両用発電機における励磁電流とバッテリ電流を示す図である。図７に示すように、スイッチ１０２がオンしている期間に対応してバッテリ１０６から界磁巻線１００に電流（バッテリ電流）が流れる。このバッテリ電流によって供給されるエネルギーの一部は界磁巻線１００において磁気エネルギーとして蓄積される。この磁気エネルギーは、スイッチ１０２がオフしている期間に、界磁巻線１００と環流ダイオード１０４とで形成される閉回路によって励磁電流を環流させて、界磁巻線１００の巻線抵抗によるジュール熱と環流ダイオード１０４の順方向電圧降下によるジュール熱に変換することにより消散する。
【０００８】
上述したように小型で高出力、高効率の車両用発電機を実現しようとして励磁電流を多くすると、そのために電源の容量を増加させる必要があるとともに、界磁巻線１００に一旦蓄えられた後に熱に変換される消散エネルギーが増加することになって発電損失が増大するという問題があった。
【０００９】
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、発電損失を低減することができ、励磁用の電源の容量を減らすことができる車両用発電機の制御装置および車両用電源システムを提供することにある。
【００１０】
【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、固定子巻線および界磁巻線を有し、車両のエンジンにより回転駆動されて発電する本発明の車両用発電機の制御装置は、界磁巻線と、界磁巻線に電流を供給する電源との間を断続するスイッチ手段と、スイッチ手段がオフされたときに界磁巻線に流れる電流を蓄電手段に供給する回生手段とを備えている。また、本発明の車両用電源システムは、上述した車両用発電機の制御装置と、電源と、電源と並列接続された蓄電手段とを備えている。これにより、界磁巻線に蓄積された磁気エネルギーを熱に変換して消散させることなく、電気エネルギーとして有効に回収することが可能になり、発電損失の低減とともに励磁電流を流す電源の容量を減らすことが可能になる。
【００１１】
また、上述した界磁巻線に流れる電流を蓄電手段に供給しているときに界磁巻線に流れる電流方向が、界磁巻線に電源から電流を供給しているときに界磁巻線に流れる電流方向と同一であることが望ましい。これにより、スイッチ手段をオフしたときに界磁巻線に流れる電流は、スイッチ手段をオンしているときと同一方向に流れようとするため、発電時と充電（蓄電）時の電流方向を同一とすることができ、回生効率を高めることが可能になる。
【００１２】
また、上述したスイッチ手段は、界磁巻線の一端と電源の正極端との間に設けられた第１のスイッチと、界磁巻線の他端と電源の負極端との間に設けられた第２のスイッチとを含んで構成され、回生手段は、界磁巻線の一端と蓄電手段の負極端との間に設けられた第１のダイオードと、界磁巻線の他端と蓄電手段の正極端との間に設けられた第２のダイオードとを含んで構成されることが望ましい。これにより、スイッチ手段をオフしたときに確実に界磁巻線に逆極性で蓄電手段を接続することが可能になる。特に、ダイオードを用いることにより、回生手段の複雑な制御が不要になり、構成の簡略化が可能になる。
【００１３】
また、上述したスイッチ手段は、界磁巻線の一端と電源の正極端との間に設けられた第１のスイッチと、界磁巻線の他端と電源の負極端との間に設けられた第２のスイッチとを含んで構成され、回線手段は、界磁巻線の一端と蓄電手段の負極端との間に設けられた第３のスイッチと、界磁巻線の他端と蓄電手段の正極端との間に設けられた第４のスイッチとを含んで構成され、第１および第２のスイッチがオンされているときに第３および第４のスイッチをオフし、第１および第２のスイッチがオフされているときに第３および第４のスイッチをオンすることが望ましい。第３および第４のスイッチとして低抵抗の素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）を用いることにより、ダイオードを用いる場合に比べて損失を低減することができ、さらに回生効率を高めることが可能になる。
【００１４】
また、上述した界磁巻線に流れる電流が零になったときに、第３および第４のスイッチをオフすることが望ましい。これにより、界磁巻線に逆方向電流が流れることを防止することができ、発電電圧制御の安定性を損なうことなく励磁損失を低減することが可能になる。また、逆方向電流が流れると蓄電手段から放電されることになるため、逆方向電流を防止することで蓄電手段による放電を抑制する効果もある。
【００１５】
また、上述した第１および第２のスイッチを界磁巻線の時定数の１／１０以下の時間間隔で断続させることが望ましい。これにより、電圧制御の安定性を確保するとともに、安定的に減衰電流を回収することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、一実施形態の車両用発電機を含む車両用電源システムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、固定子巻線２、整流器３、界磁巻線４および電圧制御装置６を含んで構成されている。また、この車両用発電機１と車載用のバッテリ９とによって車両用電源システムが構成されている。
【００１７】
固定子巻線２は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、固定子鉄心に巻装されて電機子を構成している。固定子巻線２に誘起される交流出力が整流器３に供給される。
整流器３は、固定子巻線２の交流出力を直流出力に整流する全波整流回路であり、固定子巻線２の各相に対応する整流素子としてダイオードが用いられている。
【００１８】
界磁巻線４は、固定子巻線２の電圧を誘起させるために必要な鎖交磁束を発生する。この界磁巻線４は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。
電圧制御装置６は、界磁巻線４に通電する励磁電流を調整することにより、車両用発電機１の出力電圧を所定範囲内に制御する。このために、パワートランジスタ６１、６２、環流ダイオード６３、６４、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）６５、電圧比較器６６を含んで構成されている。
【００１９】
一方のパワートランジスタ６１は、界磁巻線４の一端とバッテリ９の正極端との間に接続されており、励磁電流を断続する。他方のパワートランジスタ６２は、界磁巻線４の他端とバッテリ９の負極端との間に接続されており、励磁電流を断続する。これら２つのパワートランジスタ６１、６２は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴが用いられ、同じタイミングで導通制御される。
【００２０】
一方の環流ダイオード６３は、一方のパワートランジスタ６１に直列接続され、アノードがバッテリ９の負極端に接続されている。他方の環流ダイオード６４は、他方のパワートランジスタ６２に直列接続され、カソードがバッテリの正極端に接続されている。
【００２１】
ＬＰＦ６５は、例えば抵抗とキャパシタによって構成されており、車両用発電機１の出力電圧を平滑する。
電圧比較器６６は、マイナス端子にＬＰＦ６５から出力される平滑後の電圧Ｖｓが、プラス端子に基準値電圧Ｖｒｅｇ　がそれぞれ印加されており、電圧Ｖｓが基準値電圧Ｖｒｅｇ　より低くなると出力がハイレベルに、反対に電圧Ｖｓが基準値電圧Ｖｒｅｇ　以上になると出力がローレベルになる。この電圧比較器６６の出力端は、２つのパワートランジスタ６１、６２のそれぞれのゲートに接続されており、電圧比較器６６の出力がハイレベルのときにこれら２つのパワートランジスタ６１、６２がともにオンされ、電圧比較器６６の出力がローレベルのときにこれら２つのパワートランジスタ６１、６２がともにオフされる。
【００２２】
上述したパワートランジスタ６１、６２がスイッチ手段および第１、第２のスイッチに、環流ダイオード６３、６４が回生手段、第１、第２のダイオードに、バッテリ９が電源、蓄電手段にそれぞれ対応する。
本実施形態の車両用発電機１はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
【００２３】
車両用発電機１の出力電圧が所定の調整電圧よりも低く、ＬＰＦ６５から出力される電圧Ｖｓが基準値電圧Ｖｒｅｇ　より低くなると、電圧比較器６６の出力がハイレベルになる。このとき、２つのパワートランジスタ６１、６２がともにオンされるため、バッテリ９の正極端からＢ端子、パワートランジスタ６１、ｆ１端子を経由して界磁巻線４に励磁電流が流れる経路と、界磁巻線４からｆ２端子、パワートランジスタ６２を経由してバッテリ９の負極端に励磁電流が流れる経路が形成され、バッテリ９から界磁巻線４に励磁電流が供給される。図２は、このようにしてバッテリ９から界磁巻線４に励磁電流が供給される場合の電流の流れを示す図である。
【００２４】
このようにしてバッテリ９から励磁電流の供給を受けているときに、界磁巻線４のインダクタンスによってこの励磁電流が磁気エネルギーとして蓄積される。界磁巻線４に供給されるエネルギーをＰ１とすると、
Ｐ１＝Ｌ・Ｉｆ^２／２＋Ｒ・Ｉｆ^２　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
となる。ここで、Ｌは界磁巻線４のインダクタンス、Ｉｆは励磁電流の値、Ｒは界磁巻線４の抵抗値である。この（１）式の右辺第１項が界磁巻線４のインダクタンスによって蓄積される磁気エネルギーに、右辺第２項が界磁巻線４の抵抗によって熱に消費されるエネルギーにそれぞれ対応している。
【００２５】
図６に示すように、界磁巻線１００に並列に環流ダイオード１０４が接続されている従来構成では、界磁巻線４に蓄えられた磁気エネルギーが環流ダイオード１０４によって熱に消費されるエネルギー等に変換される。界磁巻線４に蓄えられた磁気エネルギーをＰ２とすると、
Ｐ２＝Ｖｄ・Ｉｆ＋Ｒ・Ｉｆ^２　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
となる。ここで、Ｖｄは環流ダイオード１０４の順方向電圧降下の値である。この（２）式の右辺第１項が環流ダイオード１０４によって熱に消費されるエネルギーに、右辺第２項が界磁巻線４の抵抗によって熱に消費されるエネルギーにそれぞれ対応している。
【００２６】
一方、車両用発電機１の出力電圧が所定の調整電圧以上であって、ＬＰＦ６５から出力される電圧Ｖｓが基準値電圧Ｖｒｅｇ　以上になると、電圧比較器６６の出力がローレベルになる。このとき、２つのパワートランジスタ６１、６２がともにオフされるが、大きなインダクタンスを有する界磁巻線４では、供給が停止された励磁電流を維持するような電流が減衰しながら流れ、２つの環流ダイオード６３、６４を介して回生される。図３は、このようにして界磁巻線４からバッテリ９に励磁電流が回生される場合の電流の流れを示す図である。
【００２７】
このようにして本実施形態の車両用発電機１では、環流時の励磁電流をバッテリ９に回生している。界磁巻線４に蓄えられた磁気エネルギーをＰ２とすると、
Ｐ２＝Ｖｂ・Ｉｆ＋Ｒ・Ｉｆ^２　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
となる。ここで、Ｖｂはバッテリ９の正極端と負極端間の充電電圧である。この（３）式の右辺第１項がバッテリ９に蓄積されるエネルギーに、右辺第２項が回生時に界磁巻線４の抵抗によって熱に消費されるエネルギーにそれぞれ対応している。従来構成に対応する（２）式と本実施形態に対応する（３）式とを比べてわかるように、従来であれば環流ダイオード１０４によって熱消散されていたエネルギーが本実施形態ではバッテリ９に蓄積される。なお、この場合、Ｖｂ＞＞Ｖｄであるから、環流ダイオードでの消散分は無視した。
【００２８】
図４は、本実施形態の車両用発電機における励磁電流とバッテリ電流を示す図である。図４に示すように、本実施形態では、パワートランジスタ６１、６２がオンされたときにバッテリ９から界磁巻線４に励磁電流が供給されるため、この期間にバッテリ９が放電状態になるが、パワートランジスタ６１、６２がオフされたときに界磁巻線４からバッテリ９に励磁電流が回生されるため、この期間にバッテリ９が充電状態になる。
【００２９】
このように、本実施形態では、界磁巻線４に蓄えられた磁気エネルギーをパワートランジスタ６１、６２がオフの期間に回生しているため、励磁のためにバッテリ９から放出される平均放電電流量を低減することができ、発電損失の低減とともにバッテリ９の容量を減らすことができる。
【００３０】
また、パワートランジスタ６１、６２をオフしたときに界磁巻線４に流れる電流は、これらをオンしているときと同一方向に流れようとするため、発電時と充電（蓄電）時の電流方向を同一とすることができ、回生効率を高めることが可能になる。
【００３１】
また、環流ダイオード６３、６４を用いることにより、パワートランジスタ６１、６２をオフしたときに確実に界磁巻線４に逆極性でバッテリ９を接続することが可能になる。しかも、環流ダイオード６３、６４を用いることにより、これらの複雑な制御を行う必要がないため、電圧制御装置６の構成の簡略化が可能になる。
【００３２】
なお、本発明は上述の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、パワートランジスタ６１、６２がオフのときに環流ダイオード６３、６４を通して励磁電流を回生しているが、代わりにＭＯＳＦＥＴを用いるようにしてもよい。
【００３３】
図５は、電圧制御装置の変形例を示す図である。図５に示す電圧制御装置６Ａは、パワートランジスタ６１、６２、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）６５、電圧比較器６６、ＭＯＳＦＥＴ６７、６８、インバータ回路６９、７０を含んで構成されている。この電圧制御装置６Ａは、図１に示した電圧制御装置６内の一方の環流ダイオード６３をＭＯＳＦＥＴ６７とインバータ回路６９に、他方の環流ダイオード６４をＭＯＳＦＥＴ６８とインバータ回路７０にそれぞれ置き換えた点が異なっている。その他の基本的に共通する構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。上述したＭＯＳＦＥＴ６７、６８が第３、第４のスイッチに対応する。
【００３４】
電圧比較器６６の出力端は、インバータ回路６９を介して一方のＭＯＳＦＥＴ６７のゲートに接続されているとともに、インバータ回路７０を介して他方のＭＯＳＦＥＴ６８のゲートに接続されている。したがって、電圧比較器６６の出力がハイレベルであって２つのパワートランジスタ６１、６２がオンしているときに、２つのＭＯＳＦＥＴ６７、６８はともにオフされる。反対に、電圧比較器６６の出力がローレベルであって２つのパワートランジスタ６１、６２がオフしているときに、２つのＭＯＳＦＥＴ６７、６８はともにオンされる。
【００３５】
このように、パワートランジスタ６１、６２がオンされるタイミングとＭＯＳＦＥＴ６７、６８がオンされるタイミングとを排他的に制御することにより、パワートランジスタ６１、６２がオフされる期間に界磁巻線４の磁気エネルギーをバッテリ９に回生することができる。また、このようにＭＯＳＦＥＴ６７、６８を用いることにより、環流ダイオード６３、６４を用いる場合に比べて回生時の素子損失を低減することが可能になり、回生効果をより一層引き出すことができる。特に、上述したＭＯＳＦＥＴ６７、６８は、界磁巻線４に流れる電流が零になったときにオンからオフに切り替えることが望ましく、これにより界磁巻線４に逆方向電流が流れることを防止することができ、発電電圧制御の安定性を損なうことなく励磁損失を低減することが可能になる。
【００３６】
また、上述した実施形態では、回生電力をバッテリ９に蓄積したが、バッテリ９とは別にキャパシタや副電池等の蓄積手段を追加してこれらに回生電力を蓄積するようにしてもよい。特に、キャパシタを用いる場合には、バッテリ９や副電池のような内部インピーダンスによる損失がないため、回生電力をさらに有効に利用することが可能になる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、パワートランジスタ６１、６２の断続間隔については特に規定しなかったが、例えば界磁巻線４の時定数の１／１０以下の時間間隔で断続させることが望ましい。これにより、電圧制御装置６による電圧制御の安定性を確保しつつ、安定的に減衰電流をバッテリ９に回収することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用発電機を含む車両用電源システムの構成を示す図である。
【図２】バッテリから界磁巻線に励磁電流が供給される場合の電流の流れを示す図である。
【図３】界磁巻線からバッテリに励磁電流が回生される場合の電流の流れを示す図である。
【図４】本実施形態の車両用発電機における励磁電流とバッテリ電流を示す図である。
【図５】電圧制御装置の変形例を示す図である。
【図６】従来の車両用発電機に装備された界磁巻線の接続状態を示す図である。
【図７】図６に示す構成を有する従来の車両用発電機における励磁電流とバッテリ電流を示す図である。
【符号の説明】
１　車両用発電機
２　固定子巻線
３　整流器
４　界磁巻線
６、６Ａ　電圧制御装置
６１、６２　パワートランジスタ
６３、６４　環流ダイオード
６５　ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
６６　電圧比較器
６７、６８　ＭＯＳＦＥＴ
６９、７０　インバータ回路

Claims

固定子巻線および界磁巻線を有し、車両のエンジンにより回転駆動されて発電する車両用発電機の制御装置において、
前記界磁巻線と、前記界磁巻線に電流を供給する電源との間を断続するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段がオフれたときに前記界磁巻線に流れる電流を蓄電手段に供給する回生手段と、
を備えることを特徴とする車両用発電機の制御装置。
請求項１において、
前記界磁巻線に流れる電流を前記蓄電手段に供給しているときに前記界磁巻線に流れる電流方向が、前記界磁巻線に前記電源から電流を供給しているときに前記界磁巻線に流れる電流方向と同一であることを特徴とする車両用発電機の制御装置。
請求項１または２において、
前記スイッチ手段は、前記界磁巻線の一端と前記電源の正極端との間に設けられた第１のスイッチと、前記界磁巻線の他端と前記電源の負極端との間に設けられた第２のスイッチとを含んで構成され、
前記回生手段は、前記界磁巻線の一端と前記蓄電手段の負極端との間に設けられた第１のダイオードと、前記界磁巻線の他端と前記蓄電手段の正極端との間に設けられた第２のダイオードとを含んで構成されることを特徴とする車両用発電機の制御装置。
請求項１または２において、
前記スイッチ手段は、前記界磁巻線の一端と前記電源の正極端との間に設けられた第１のスイッチと、前記界磁巻線の他端と前記電源の負極端との間に設けられた第２のスイッチとを含んで構成され、
前記回生手段は、前記界磁巻線の一端と前記蓄電手段の負極端との間に設けられた第３のスイッチと、前記界磁巻線の他端と前記蓄電手段の正極端との間に設けられた第４のスイッチとを含んで構成され、
前記第１および第２のスイッチがオンされているときに前記第３および第４のスイッチをオフし、前記第１および第２のスイッチがオフされているときに前記第３および第４のスイッチをオン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において、
前記界磁巻線に流れる電流が零になったときに、前記第３および第４のスイッチをオフ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または５において、
前記第１および第２のスイッチを前記界磁巻線の時定数の１／１０以下の時間間隔で断続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１〜６のいずれかに記載された車両用発電機の制御装置と、前記電源と、前記電源と並列接続された前記蓄電手段とを備えることを特徴とする車両用電源システム。