JP2005323425A

JP2005323425A - 車両用発電システム

Info

Publication number: JP2005323425A
Application number: JP2004137972A
Authority: JP
Inventors: Makoto Taniguchi; 真谷口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2005-11-17
Also published as: US7208847B2; US20050258651A1

Abstract

【課題】バッテリの充電状態と発電効率の両方を考慮した発電状態の制御が可能な車両用発電システムを提供すること。
【解決手段】エンジン１０によって回転駆動される車両用発電機２０と、車両用発電機２０の回転数が相対的に高い第１の回転数領域と相対的に低い第２の回転数領域のいずれかになるように、エンジン１０によって発生した回転力を車両用発電機２０に伝達する回転数可変装置３０とが備わっている。ＥＣＵ６０は、車両の走行状態とバッテリ５０の充電状態に基づいて回転数可変装置３０の増速比を制御し、第１の回転数領域あるいは第２の回転数領域のいずれかになるように車両用発電機２０の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載エンジンによって回転駆動される車両用発電機を有する車両用発電システムに関する。

従来の車両用発電機は、走行用の車載エンジンによって一定増速比で回転駆動されるが、排出ガス低減や消費燃料低減の観点から車両のアイドリング回転数は低下する傾向にあり、これに伴って車両用発電機の動作回転数も低下傾向にあるため各種の電気負荷に対する動作電力の供給能力低下が顕在化しつつある。しかも、車両に搭載される各種装置の電子化等に伴って車両の電力需要は増える一方であり、車両用発電機の動作点を最適領域に維持することが困難になりつつある。このような状況に対処するために、エンジンの回転を可変して車両用発電機に伝達する装置を用いて車両用発電機を回転駆動する技術が開発されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。これらの技術を用いてエンジンの回転を車両用発電機に伝達する際に可変することで、車両用発電機の発電効率を高めることができる。
特開２００１−１０３７９６号公報（第３−４頁、図１−１０）特開平９−９４１３号公報（第３−６頁、図１−４）特開平１１−１２５３２８号公報（第３−７頁、図１−６）特開２００３−２６４９９５号公報（第２−４頁、図１−４）

ところで、上述した各特許文献に開示された従来技術は、車両用発電機の発電効率を最適点近傍で動作させることで発電効率向上やこれに伴う燃料消費量の低減等を追求しようとするものである。しかし、車両には電気化学反応を利用した蓄電装置、いわゆるバッテリが搭載されており、車両用発電機の発電電力を一旦このバッテリに蓄積して各種の電気負荷に供給している。したがって、車両用発電機に求められる電力供給形態は、バッテリの充電状態を無視しては成立しないのが実情である。

例えば、過負荷状態でバッテリが放電傾向にある場合には、車両用発電機の発電電力を増強して動作点をバッテリの充電側にシフトしなければならないが、上述した従来技術では発電効率が最適点近傍になるように制御されるため、必ずしもバッテリを充電するために十分な発電電力が得られるとは限らない。発電効率が最適点近傍にあるときに十分な発電電力を得ようとすると、車両用発電機そのものを大型化する必要があり、近年の小型化の要請に反することになる。

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、蓄電装置の充電状態と発電効率の両方を考慮した発電状態の制御が可能な車両用発電システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電システムは、エンジンによって回転駆動される車両用発電機と、車両用発電機の回転数が相対的に高い第１の回転数領域と相対的に低い第２の回転数領域のいずれかになるように、エンジンによって発生した回転力を車両用発電機に伝達する回転数可変装置とを備えている。一般に、車両用発電機の特性の効率最大点は比較的回転数が低い領域にあるが、このときの発電出力は必ずしも高くない。一方で、比較的回転数が高い領域では鉄損やインピーダンスドロップの影響が無視できなくなるため、効率は必ずしもよくはないが発電出力は十分に高い。しかし、さらに高い回転数領域では発電出力が飽和してしまい、むしろ風損や風きり音、軸受けの耐久性などの観点から不必要に高速回転させたくない。このような特性を持つ車両用発電機を比較的低い第１の回転数領域と比較的高い第２の回転数領域の間で切り替えて動作させることにより、効率重視のみならず出力重視で車両用発電機を動作させることができ、蓄電装置の充電状態と発電効率の両方を考慮した発電状態の制御が可能になる。特に、好適には第２の回転数領域は車両用発電機の立ち上がり回転数（電機子巻線の誘起電圧が蓄電装置の端子電圧を超える回転数）の３倍以下であって、第１の回転数領域が立ち上がり回転数の３倍以上が望ましい。これにより、第２の回転数領域に効率最大点を含ませるとともに、発電出力が十分に高い第１の回転数領域を設定することが可能になる。

また、車両が減速状態にあるときに、回転数可変装置によって車両用発電機の回転数が第１の回転数領域に設定されることが望ましい。近年、車両の減速時に発電を増強して減速の運動エネルギーを効果的に電気エネルギーに変換する車両が登場しているが、減速時に車両用発電機を第１の回転数領域で動作させることにより、多くの運動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能になる。

また、車両が加速状態にあるときに、回転数可変装置によって車両用発電機の回転数が第２の回転数領域に設定されることが望ましい。これにより、車両の加速時における発電効率を高めることができ、加速時における発電のための燃料消費を極限まで低減することが可能になる。

また、上述した車両用発電機によって充電される蓄電装置と、蓄電装置の充電状態量を検出する充電検出装置とをさらに備え、充電検出装置によって検出される充電状態量が所定値以下のときに、回転可変装置によって車両用発電機の回転数が第１の回転数領域に設定され、所定値以上のときに、回転可変装置によって車両用発電機の回転数が第２の回転数領域に設定されることが望ましい。これにより、蓄電装置の充電状態に応じて車両用発電機の動作点が設定されるため、不必要な充電を防止することができ、より燃料消費の少ない車両走行の実現と蓄電装置の寿命向上を図ることができる。

また、上述した車両用発電機に備わった電機子巻線の各相巻線の直列導体数は２以下であることが望ましい。これにより、第１の回転数領域での発電出力をさらに増加させることができるとともに、車両用発電機の電機子巻線の電気抵抗やインダクタンスを劇的に低減することが可能になり、これに伴って発電損失や起電圧ロスも低減することができるため、第２の回転数領域での効率もさらに向上させることができる。

また、上述した車両用発電機は電動機能を備えており、回転数可変装置は、電動動作時に車両用発電機の回転数が第１の回転数領域よりも高い第３の回転数領域となるように、車両用発電機によって発生した回転力をエンジン側に伝達することが望ましい。これにより、車両用発電機の電動動作時における動作点、すなわちエンジン側での軸出力と回転数との関係を最適化することができ、増速比が固定の場合（例えば、特開平８−１２６１１５号公報に開示された発電機）に用いられる補助的なスタータを廃止することができる。

また、上述した電動動作時に第３の回転数領域に設定される期間は、エンジンを始動する期間であることが望ましい。これにより、確実にエンジンを始動することができる。

また、上述した回転数可変装置は、トロイダルＣＶＴであることが望ましい。これにより、１軸構造を実現することができるため、２軸構造を有するベルト式ＣＶＴに比べて構造の簡素化、小型化が可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用発電システムの全体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システムは、エンジン１０、車両用発電機２０、回転数可変装置３０、バッテリ５０、ＥＣＵ（エンジン制御装置）６０を含んで構成されている。

車両用発電機２０は、エンジン１０によって回転駆動されて、蓄電装置としてのバッテリ５０に対する充電電力や各種電気負荷（図示せず）に供給する動作電力を発生する。回転数可変装置３０は、エンジン１０によって発生した回転力を、回転数を可変して車両用発電機２０に伝達する。この回転数可変装置３０は、例えばトロイダルＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）方式の構造を有する。

図２および図３は、トロイダルＣＶＴ方式を採用した回転数可変装置３０の構成および動作の概要を示す図である。図２および図３に示すように、回転数可変装置３０は、入力ディスク３４、出力ディスク３５、ローラ３６を備えている。入力ディスク３４は、ほぼ円錐台形状を有しており、ベルト４０を介してエンジン１０に連結されている。同様に、出力ディスク３５も円錐台形状を有しており、車両用発電機２０の回転軸に直接あるいはベルト等の連結手段を介して連結されている。ローラ３６は、互いの頭部（上面部分）を対向させた状態で配置した入力ディスク３４および出力ディスク３５のそれぞれの側面部を連結しており、その傾斜状態が変更可能になっている。図２に示すように、入力ディスク３４の大径部と出力ディスク３５の小径部とを連結して入力ディスク３４から出力ディスク３５に回転力を伝達することにより、入力ディスク３４の回転数よりも出力ディスク３５の回転数の方が高い増速状態に設定される。反対に、図３に示すように、入力ディスク３４の小径部と出力ディスク３５の大径部とを連結して入力ディスク３４から出力ディスク３５に回転力を伝達することにより、入力ディスク３４の回転数よりも出力ディスク３５の回転数の方が低い減速状態に設定される。このように、ローラ３６の傾斜角を可変することにより、回転数可変装置３０の増速比（入力ディスク３４と出力ディスク３５の回転数の比）を所定範囲で任意に設定することが可能になる。

ＥＣＵ６０は、アクセル開度等に基づくエンジン１０の動作状態を制御するとともに、回転数可変装置３０の増速比の設定を行う。この増速比の設定は、車両走行状態やバッテリ５０の充電状態などを考慮して行われる。また、ＥＣＵ６０は、バッテリ５０の充電状態量を検出する充電検出装置としての動作も行っている。

本実施形態の車両用発電システム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。図４は、車両用発電機２０の効率マップを表す特性図である。図４に示す横軸が車両用発電機２０の回転数に、縦軸が発電出力にそれぞれ対応している。また、図４に含まれる７５％、７０％等の数字が付された各領域がこれらの数字で示される発電効率で発電が行われる動作状態を示している。

図４に示すように、比較的出力が飽和している高回転域が第１の回転数領域に、比較的効率が高い低回転域が第２の回転数領域に設定されている。本実施形態では、回転数可変装置３０を用いてエンジン１０から伝えられる回転数を可変して車両用発電機２０に伝えることにより、車両用発電機２０が第１の回転数領域あるいは第２の回転数領域のいずれか一方で発電動作を行うように制御される。好適には車両用発電機２０が発電を開始する立ち上がり回転数の３倍以上になるように第１の回転数領域が、３倍以下になるように第２の回転数領域が設定されている。これにより、発電効率が最も高い回転数を確実に含むように第２の回転数領域を設定するとともに、発電出力がほぼ飽和している回転数を含むように第１の回転数領域を設定することが可能になる。

図５は、車両用発電機２０の回転数が第１の回転数領域あるいは第２の回転数領域に含まれるように制御する増速比のプロファイルを示す特性図である。図５に示す横軸がエンジン１０の回転数に、縦軸が回転数可変装置３０において設定される増速比にそれぞれ対応している。エンジン１０の回転数が変化したときに、車両用発電機２０の回転数が図４に示した第１の回転数領域に含まれるようにほぼ一定に制御するためには、エンジン１０の回転数が高くなったときに増速比を下げ、反対にエンジン１０の回転数が低くなったときに増速比を上げる必要があり、この関係を規定したプロファイルが図５においてＡで示されている。このようなエンジン１０の回転数と回転数可変装置３０の増速比の関係については第２の回転数領域についても同じであるが、第２の回転数領域については同じエンジン回転数に車両用発電機２０の低い回転数が対応しているため、エンジン回転数が同じである場合には増速比を低く設定する必要があり、このような関係を規定したプロファイルが図５においてＢで示されている。

図６は、本実施形態の車両用発電システムにおいて走行状態等に応じて車両用発電機２０の回転数領域の切り替えを行うＥＣＵ６０の動作手順を示す流れ図である。エンジン１０が回転を開始した後、ＥＣＵ６０は、車両が減速状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。本実施形態では、例えば車速の減速度が所定値以上であってスロットル開度が所定値以下の場合を「減速状態」と定義する。車両が減速状態にある場合にはステップＳ１０の判定において肯定判断が行われ、次に、ＥＣＵ６０は、バッテリ５０の充電状態量ＳＯＣが所定値ｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この所定値ｔｈは、バッテリ５０が充電不足であって早急に充電を行う必要があるか否かを判別するための閾値である。また、充電状態量ＳＯＣの検出は、従来から用いられている各種の方法を用いることができる。例えば、特開平５−３１６６６６号公報に開示された方法を用いることができる。

充電状態量ＳＯＣが所定値ｔｈ以下である場合にはステップＳ１２の判定において肯定判断が行われ、ＥＣＵ６０は、図５に示すプロファイルＡを選択して、エンジン回転数に対応する回転数可変装置３０の増速比を設定する（ステップＳ１４）。これにより、効率よりも発電出力を優先させた第１の回転数領域で車両用発電機２０が発電動作し、充電不足状態にあるバッテリ５０に対して急速な充電が行われる。一方、充電状態量ＳＯＣが所定値ｔｈ以上である場合、すなわち充電不足でない場合にはステップＳ１２の判定において否定判断が行われ、ＥＣＵ６０は、図５に示すプロファイルＢを選択して、エンジン回転数に対応する回転数可変装置３０の増速比を設定する（ステップＳ１８）。これにより、発電出力を抑制して発電効率を重視した第２の回転数領域で車両用発電機２０が発電動作する。

また、車両が減速状態にない場合にはステップＳ１０の判定において否定判断が行われ、次に、ＥＣＵ６０は、車両が加速状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１６）。本実施形態では、例えば車速の加速度が所定値以上であってスロットル開度が所定値以上の場合を「加速状態」と定義する。車両が加速状態にある場合にはステップＳ１６の判定において肯定判断が行われ、ＥＣＵ６０は、図５に示すプロファイルＢを選択して、エンジン回転数に対応する回転数可変装置３０の増速比を設定する（ステップＳ１８）。

また、加速状態にない場合（減速状態でも加速状態でもない場合）にはステップＳ１６の判定において否定判断が行われ、ステップＳ１２の充電状態量ＳＯＣの判定動作が行われる。そして、充電状態量ＳＯＣが所定値ｔｈ以下で充電不足の場合にはプロファイルＡが選択されて車両用発電機２０が第１の回転数領域で発電動作し（ステップＳ１４）、反対に充電状態量ＳＯＣが所定値ｔｈ以上であって充電不足でない場合にはプロファイルＢが選択されて車両用発電機２０が第２の回転数領域で発電動作する（ステップＳ１８）。

このようにして車両の走行状態とバッテリ５０の充電状態に基づいてプロファイルＡ、Ｂのいずれかの選択、回転数可変装置３０の増速比設定およびこの設定された増速比での車両用発電機２０の発電動作が行われた後、再びステップＳ１０に戻って同じ動作が繰り返される。

このように、車両用発電機２０の回転数を第１の回転数領域あるいは第２の回転数領域に制御することでバッテリ５０を過不足無く充電することができるとともに、車両用発電機２０の上限回転数を従来よりも低くすることができる。したがって、回転耐久性の向上と冷却ファンの風きり音低減が可能になるとともに、車両の減速時の運動エネルギーを効果的に電気エネルギーに変換して回収することが可能となり、排出ガス低減や消費燃料の低減を効果的に達成することができる。

〔第２の実施形態〕
一般に、車両用発電機２０は、電機子巻線の直列導体数、いわゆる巻き数を少なくすると電機子巻線に誘起する起電圧が低下するため、立ち上がり回転数が高くなる。例えば、巻き数が４の場合と２の場合を比べると、巻き数を２にすることにより立ち上がり回転数が巻き数が４の場合に比べて約２倍と高くなる。その反面、電機子巻線のインピーダンス（直流抵抗値やインダクタンス）が低くなるため、インピーダンスドロップや損失を低減することができ、高回転域での実質的な出力電流は増加する。電機子に含まれる電機子鉄心のスロット面積が一定である場合には、電機子巻線の抵抗値、インダクタンスともに巻き数の２乗に比例するので、巻き数を４から２に変更すると、電機子巻線の抵抗値、インダクタンスはそれぞれ１／４まで低減可能になり、大幅な発電出力の向上が可能になる。

図７は、車両用発電機２０の電機子巻線の各相当たりの直列導体数を少なくした場合の効率マップを表す特性図である。例えば、第１の実施形態の車両用発電機の電機子巻線の各相当たりの直列導体数を４とし、本実施形態の車両用発電機２０ではこの直列導体数を半分の２に設定し、そのときの出力特性と効率マップが示されている。なお、比較のために、直列導体数が４の車両用発電機の出力特性が点線で示されている。

図８は、各相当たりの直列導体数が２の電機子の具体例を示す部分断面図である。また、図９は図８に示した電機子の部分的な斜視図である。図１０は、図８に示した電機子を用いた本実施形態の車両用発電機の結線図である。

本実施形態の電機子は、互いに位相が電気的に３０度ずれた２組の電機子巻線を備えている。一方の電機子巻線は、ｘ相、ｙ相、ｚ相の三相からなっており、これら各相の巻線の直列導体数は２である。同様に、他方の電機子巻線は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の三相からなっており、これら各相の巻線の直列導体数は２である。また、各電機子巻線は別々の全波整流回路に接続されており、各電機子巻線に誘起した電圧が個別に整流された後出力される。

このように、車両用発電機の電機子巻線の各相当たりの直列導体数を少なくするとともに、第１の実施形態と同様に効率優先の第２の回転数領域と発電出力優先の第１の回転数領域を切り替えて車両用発電機を高効率、高出力に動作させることにより、減速時の回生量の増強や車両用発電機の小型化を容易に実現することができる。

〔第３の実施形態〕
上述した各実施形態の構成に含まれる車両用発電機２０は単に発電動作を行っていたが、所定のタイミングで電機子巻線に三相交流を印加することにより回転磁界を発生して回転子を回転駆動する電動動作を行わせるようにしてもよい。

図１１は、第３の実施形態の車両用発電システムの全体構成を示す図である。図１１に示す車両用発電システムは、図１に示した車両用発電システムに対して、車両用発電機２０を車両用発電機２０Ａに変更するとともに３相インバータ（ＩＮＶ）７０を追加した点が異なっている。車両用発電機２０Ａは、発電機能のみを有する車両用発電機２０から整流回路を取り除いた構成を有しており、この整流回路の代わりに３相インバータ７０が接続されている。３相インバータ７０は、例えば３相ブリッジ接続された６個のパワーＭＯＳＦＥＴを含んで構成されており、各パワーＭＯＳＦＥＴのオンオフタイミングを制御することにより、バッテリ５０から印加される直流電圧を所定周波数の３相交流に変換して車両用発電機２０Ａの電機子巻線に印加する。これにより、車両用発電機２０Ａによる電動機能が実現される。また、このオンオフタイミングを変更することにより、車両用発電機２０Ａで発生した３相交流電圧を３相インバータ７０を用いて整流することもできる。なお、３相インバータ７０は、車両用発電機２０Ａに内蔵するようにしてもよい。

図１２は、電動機能を備えた車両用発電機２０Ａの軸出力特性を示す図である。電動動作時の車両用発電機２０Ａの軸トルク出力は回転上昇とともに減少するが、軸出力は、（軸トルク）×（回転数）で表すことができるので、回転数が所定値以上になるとほぼ一定になる特性を示す。

いま、電動動作時の車両用発電機２０Ａを、第１の回転数領域よりも高い回転数の第３の回転数領域で稼働させるものとする。例えば、軸出力をＰ３、回転数をＮ３、軸トルクをＴ３とすると、
Ｐ３＝（２π／６０）×Ｎ３×Ｔ３
の関係が成立する。この軸出力Ｐ３が、回転数可変装置３０の発電機側ディスク（図２、図３に示す構成では出力ディスク３５）に入力される。このとき、回転数可変装置３０の増速比をｋ３とすると、エンジン側の入力ディスク３４の回転数はＮ３／ｋ３に、軸トルクはＴ３×ｋ３になる。

このように車両用発電機２０Ａを第３の回転数領域で電動動作させることにより、特に冷間季におけるエンジン始動に回転数が低く高トルクが要求される用途に適しており、この車両用発電機２０Ａを用いることによりエンジン始動専用のスタータを廃止することができ、エンジン回りの構造を簡素化することができる。

第１の実施形態の車両用発電システムの全体構成を示す図である。トロイダルＣＶＴ方式を採用した回転数可変装置の構成および動作の概要を示す図である。トロイダルＣＶＴ方式を採用した回転数可変装置の構成および動作の概要を示す図である。車両用発電機の効率マップを表す特性図である。車両用発電機の回転数を第１の回転数領域あるいは第２の回転数領域に含まれるように制御する増速比のプロファイルを示す特性図である。本実施形態の車両用発電システムにおいて走行状態等に応じて車両用発電機の回転数領域の切り替えを行うＥＣＵの動作手順を示す流れ図である。第２の実施形態において車両用発電機の電機子巻線の各相当たりの直列導体数を少なくした場合の効率マップを表す特性図である。各相当たりの直列導体数が２の電機子の具体例を示す部分断面図である。図８に示した電機子の部分的な斜視図である。図８に示した電機子を用いた本実施形態の車両用発電機の結線図である。第３の実施形態の車両用発電システムの全体構成を示す図である。電動機能を備えた車両用発電機の軸出力特性を示す図である。

符号の説明

１０エンジン
２０、２０Ａ車両用発電機
３０回転数可変装置
３４入力ディスク
３５出力ディスク
３６ローラ
４０ベルト
５０バッテリ
６０ＥＣＵ（エンジン制御装置）
７０３相インバータ

Claims

エンジンによって回転駆動される車両用発電機と、
前記車両用発電機の回転数が相対的に高い第１の回転数領域と相対的に低い第２の回転数領域のいずれかになるように、前記エンジンによって発生した回転力を前記車両用発電機に伝達する回転数可変装置と、
を備えることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１において、
車両が減速状態にあるときに、前記回転数可変装置によって前記車両用発電機の回転数が前記第１の回転数領域に設定されることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１または２において、
車両が加速状態にあるときに、前記回転数可変装置によって前記車両用発電機の回転数が前記第２の回転数領域に設定されることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１において、
前記車両用発電機によって充電される蓄電装置と、前記蓄電装置の充電状態量を検出する充電検出装置とをさらに備え、
前記充電検出装置によって検出される前記充電状態量が所定値以下のときに、前記回転可変装置によって前記車両用発電機の回転数が前記第１の回転数領域に設定され、所定値以上のときに、前記回転可変装置によって前記車両用発電機の回転数が前記第２の回転数領域に設定されることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記車両用発電機に備わった電機子巻線の各相巻線の直列導体数は２以下であることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記車両用発電機は電動機能を備えており、
前記回転数可変装置は、電動動作時に前記車両用発電機の回転数が前記第１の回転数領域よりも高い第３の回転数領域となるように、前記車両用発電機によって発生した回転力を前記エンジン側に伝達することを特徴とする車両用発電システム。
請求項６において、
前記電動動作時に前記第３の回転数領域に設定される期間は、前記エンジンを始動する期間であることを特徴とする車両用発電システム。
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記回転数可変装置は、トロイダルＣＶＴであることを特徴とする車両用発電システム。