JP4119492B2 - 発電機の制御の方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、主請求項の上位概念記載の発電機、例えば自動車において内燃機関によって駆動可能な三相発電機の制御の方法に関する。
【０００２】
従来技術
自動車で必要とされる電気的エネルギを発生するために今日では通常クロウポール発電機が使用される。このクロウポール発電機は三相発電機であり、この三相発電機の出力電流はダイオードブリッジによって整流され、車両の電気的負荷の給電のために又はバッテリの充電のために使用される。
【０００３】
このような三相発電機は界磁コイルを含み、この界磁コイルには界磁電流が流される。この界磁電流は、この発電機の出力電圧がこの発電機の回転数には依存せずにほぼ一定であるように電圧制御器によって制御される。周知のようにこの発電機の固定子巻線には回転数に依存する電圧が誘起され、この電圧からブリッジ整流器を介して電流を取り出す。この発電機の出力電流は発電機電圧とともにこの発電機により供給される出力を発生する。図１にはＵＧＮ＝１４Ｖを有するクロウポール発電機の発電機出力Ｐ［ｋＷ］と発電機回転数ｎ[1/min]との間の関係が様々な出力電圧Ｕｂにおいて示されている。発電機回転数に依存する最大送出出力はタンジェントラインＴに沿って経過する。このラインに沿ってこの発電機の効率Ｃ＝Ｐ/ｎは最大である。すなわち、回転数あたりの出力はこのタンジェントラインＴにおいて最大である。
【０００４】
印刷物”Bosch;Elektrische Motorausruestung von G.Henneberger; Vieweg-Verlag”の第５５頁から、発電機は非閉ループ制御電圧による動作（非閉ループ制御発電機動作）の場合には相応の終端抵抗において一定の１４Ｖ出力電圧での閉ループ制御された動作の場合よりも高い送出出力をもたらすことが周知である。しかし、非閉ループ制御発電機動作は簡単に可能ではない。というのも、この場合には自動車搭載用電源負荷をひどく損なうかもしれない発電機出力電圧が発生しうるからである。
【０００５】
本発明の利点
請求項１の特徴部分記載の構成を有する発電機の制御の方法は、発電機の出力領域が比較的良好に利用されるという利点を有する。
【０００６】
この利点は、発電機の励磁電流を低い発電機回転数領域において閉ループ制御せず、これによってこの発電機が非閉ループ制御動作で作動することによって得られる。所定の回転数より上では界磁電流が閉ループ制御され、このため許容できないほど高い発電機電圧は発生しない。
【０００７】
この場合とりわけ有利には、その回転数から励磁電圧の閉ループ制御が実施されるところの回転数は、発電機電圧がほぼ自動車用搭載電源電圧に相応する場合の回転数である。これによって、許容されないほど高い発電機電圧が可能になる前に界磁電流の閉ループ制御が開始されることが保障される。本発明のさらに別の利点は、従属請求項に記載の構成によって得られる。小さい回転数における非閉ループ制御発電機動作の際には動作はタンジェントラインに沿って可能であるので、出力の最大上昇レートは使用される発電機回転数に依存して得られる。発電機の出力電圧を自動車用搭載電源電圧に変換する直流電圧変換器を使用することによって、この発電機の所定の条件への適応が可能である。アップ設定器（Hochsetzsteller）としてもダウン設定器（Tiefsetzsteller）としても作動しうる直流電圧変換器が使用される場合には、使用できる発電機回転数に依存して発電機出力のさらなる増大が広い発電機回転数領域に亘って可能である。
【０００８】
図面
本発明を図面に示し、以下の記述において詳しく説明する。図１はすでに言及したように様々な自動車用搭載電源電圧Ｕｂに対する有効出力Ｐと回転数ｎとの間の関係を示している。図２は発電機出力Ｐと発電機回転数ｎとの間の関係を閉ループ制御されていない動作において（４０００ 1/minより下側）及び４０００ 1/minより上側の閉ループ制御された発電機動作において示している。図３には本発明の発電機システムの第１のブロック線図が示され、図５には本発明の発電機システムの第２のブロック線図が示されている。図４、６、７、８及び９にはそれぞれ様々な発電機動作方式に対する発電機回転数ｎと有効出力Ｐとの関係が示されている。
【０００９】
記述
図１には発電機電圧ＵＧＮ＝１４Ｖを有するクロウポール発電機の様々な自動車用搭載電源電圧Ｕｂに対する発電機の有効出力Ｐと発電機回転数ｎとの間の関係が示されている。さらにタンジェントラインＴが示されており、このタンジェントラインは理想的にはできるだけ勾配の大きい原点を通る直線であり、この原点を通る直線は発電機特性曲線Ｐ（ｎ）にタンジェント点ＴＰで接している。このタンジェントラインに沿ってこの発電機の効率Ｃ＝Ｐ/ｎは最大である。
【００１０】
交流電流発電機、例えばクロウポール発電機から送出される有効出力を高めるために、以下に図２〜９に基づいて記述される手段を講じる。とりわけこの発電機は始動領域で乃至は低い回転数領域で「非閉ループ制御」発電機動作で動作される。自動車用搭載電源電圧Ｕｂ、例えば４２Ｖの自動車用搭載電源電圧に到達した後で、閉ループ制御された動作への移行が行われる。この閉ループ制御された動作では発電機の励磁電流は閉ループ制御装置によって、発電機の出力電圧が発電機回転数に依存せずにコンスタントに４２Ｖであるように閉ループ制御される。この「非閉ループ制御」発電機動作領域では、すなわち発電機電圧が回転数に起因して自動車用搭載電源電圧乃至はバッテリ電圧より小さい領域では、図３及び図５に示された実施例において直流電圧変換器（ＤＣ/ＤＣ変換器）が４２Ｖの自動車用搭載電源に給電する。このような電圧変換器はアップ設定器とも呼ばれる。閉ループ制御された発電機動作ではこのＤＣ/ＤＣ変換器は動作しない。
【００１１】
図３にはＤＣ/ＤＣ変換器接続を含む第１の発電機動作方式のための変換回路のブロック線図が示されている。この場合、発電機は参照符号１０で示されている。この発電機には整流器ブリッジ１１が接続されており、この整流器ブリッジ１１の出力側はスイッチ１２を介してＤＣ/ＤＣ変換器１３に接続されている。このＤＣ/ＤＣ変換器１３の出力側では電圧Ｕｂが発生する。この電圧Ｕｂは例えば４２Ｖである。このＤＣ/ＤＣ変換器１３はスイッチ１４ならびに所属の線路を介して橋絡可能である。スイッチ１２及びスイッチ１４は制御器１５によって適当なやり方で作動される。この制御器１５は発電機１０のここには図示されていない界磁巻線に界磁電流ＩＦを供給する。さらにこの制御器１５はＤＣ/ＤＣ変換器１３に供給される電圧ＵＤＣを送出する。入力パラメータとしてこの制御器１５には発電機回転数ｎＧ、発電機電流ＩＧ、発電機電圧ＵＧならびに自動車用搭載電源電圧Ｕｂが供給される。この制御器１５によって本発明の第１の発電機動作方式が実現される。この本発明の第１の発電機動作方式は図２に図示された発電機出力Ｐと発電機回転数ｎとの間の関係をもたらす。この制御器１５はこのために発電機の界磁巻線に界磁電流ＩＦ及びＤＣ/ＤＣ変換器１３に目標電圧ＵＤＣを供給する。
【００１２】
図３に示された装置によって、既存の乃至は容易に修正（他の巻線方式）される直列クロウポール発電機の出力領域の比較的高い効率の利用が可能である。これによって、将来の車両の高まる出力要求に応えることができ、さらに場合によっては将来の自動車用エネルギ電源に要求されるより高い発電機電圧を供給できる。ＤＣ/ＤＣ変換器としてアップ設定器が使用される場合、発電機の低い回転数領域でも次のような出力が取り出される。すなわち、一定に閉ループ制御された４２Ｖ発電機の場合にははるかに高い発電機回転数になった時に初めて発生可能であるような出力が取り出される。図１から見て取れるように、従来のＰＫＷ発電機の場合にはＵｂ＝４２Ｖにおいて毎分２５００回転より下では実際には出力は取り出せない。これに対して、この発電機の出力電圧ＵＧがアップ設定器として動作するＤＣ/ＤＣ変換器によって高められる場合には、すでに１０００回転の発電機回転数でほぼ１ｋＷの発電機出力が取り出され、２３００回転ではすでに近似的に２ｋＷが発生する（図２参照）。
【００１３】
図２に実線で示されている発電機出力Ｐが回転数ｎに依存してＵｂ＝４２Ｖの場合に得られるように、毎分４０００回転より下の発電機回転数の場合にスイッチ１２をオンしてスイッチ１４をオフする。これによりアップ設定器１３が始動される。制御器１５が発電機回転数ｎＧは毎分４０００回転より下であると識別するやいなや、スイッチ１２及び１４の制御がこの制御器によって行われる。するとタンジェントラインによって定義される発電機出力のほんの少し下にある発電機出力が取り出される。このタンジェント直線には到達しない。というのも、このアップ設定器は例えばほぼ８５％の効率しか持たないからである。発電機が毎分４０００回転の回転数に到達した場合、この制御器１５はスイッチ１２をオフしスイッチ１４をオンする制御パルスを送出する。この結果、ＤＣ/ＤＣ変換器１３は橋絡される。次いで発電機の界磁電流が通常のやり方で制御される閉ループ制御された発電機動作への移行が行われる。この場合、発電機出力は回転数に依存して上昇する。
【００１４】
ＤＣ/ＤＣ変換器が一時的にしか動作しないような動作方式では、例えばアイドリング、始動領域及び低い回転数領域では、持続的に接続されるＤＣ/ＤＣ変換器を有するシステム構成に比べてシステム効率が高められる。持続的に接続されるＤＣ/ＤＣ変換器を有するシステムに比べてこのＤＣ/ＤＣ変換器がカバーしなくてはならない出力領域を限定することによって、より小さいシステムコストが得られる。
【００１５】
図４には４２Ｖの自動車用搭載電源電圧の場合に特別なＤＣ/ＤＣ変換器を非閉ループ制御発電機動作において使用する場合の発電機出力乃至は有効出力Ｐが回転数の関数として示されている。図５はこの発電機動作方式及びＤＣ/ＤＣ変換器接続の所属のブロック線図を示す。図５に図示されているパラメータはすでに図３において説明したパラメータに相応する。図３のスイッチ１２及び１４はもはや存在しない。制御器１５は電圧ＵＤＣをＤＣ/ＤＣ変換器１２の入力側に供給し、このＤＣ/ＤＣ変換器１２には発電機の可変出力電圧も供給される。
【００１６】
例えばクロウポール発電機として構成された交流電流発電機１０の送出出力が上昇するように、この交流電流発電機１０を自由な、すなわち閉ループ制御されていない発電機動作で動作させる。この閉ループ制御されていない動作ではこの発電機の出力側出力は発電機回転数ｎによって線形に上昇する。図４にはＵｂ＝４２Ｖの場合の出力特性曲線が実線の特性曲線として記入されている。このような非閉ループ制御発電機動作において自動車用搭載電源の使用できる電圧が回転数に依存せずに一定値４２Ｖを有するために、ＤＣ/ＤＣ変換器１２は、アップ設定器又はダウン設定器として作動できるように接続されなければならない。この電圧変換器はその入力側に供給される可変入力電圧を一定の自動車用搭載電源電圧４２Ｖに変換する。供給されてこのＤＣ/ＤＣ変換器１２の入力側に現れる電圧が４２Ｖより小さい場合、この電圧変換器はアップ設定器として作動されなければならない。この電圧が４２Ｖより大きい場合には、このＤＣ/ＤＣ変換器はダウン設定器として作動されなければならない。
【００１７】
使用可能な最大発電機出力は図１においてタンジェントラインＴとして示されている直線によって定められる。確かに実際にはこの送出出力には到達できない。というのも、このＤＣ/ＤＣ変換器は例えば８５％の変換器効率を有するからである。これによって、図４に実線で示された出力曲線が得られる。この出力曲線は、ほぼ毎分２８００回転より下の回転数及びほぼ毎分５１００回転より上の回転数の場合には、Ｕｂ＝４２Ｖを有するＰＫＷ発電機の従来の出力特性曲線より上にある。この発電機動作方式も従来の乃至は容易に修正される直列クロウポール発電機において使用される。アップ設定器乃至はダウン設定器としてＤＣ/ＤＣ変換器を使用することによって、この発電機のほぼ全回転数領域にわたって次のような出力が取り出される。すなわち、一定に閉ループ制御される４２Ｖ発電機の場合にはより高い発電機回転数になった時に初めて可能になるだろう出力が取り出される。全回転数領域において閉ループ制御されない発電機に接続されるこの動作方式では常に動作状態にあるＤＣ/ＤＣ変換器は、例えば大きな出力を高い回転数領域において必要とするシステムに対して高い回転数領域で非常に高い発電機出力を送出することができる。
【００１８】
交流電流発電機、例えばクロウポール発電機の送出出力が高められる他の発電機動作方式は、始動領域乃至は低い回転数領域においてこの発電機を非閉ループ制御発電機動作で動作させることである。アップ設定器として作動する後置接続されたＤＣ/ＤＣ変換器はこの動作領域において自動車用搭載電源に給電する。４２Ｖの自動車用搭載電源電圧に到達した後で、一定の出力電圧４２Ｖを有する閉ループ制御された発電機動作への移行が行われる。この閉ループ制御された動作は、図６から見て取れるように、ほぼ４０００回転と７５００回転との間に広がっている。ピーク出力が高い回転数領域において例えば電気的バルブ制御（ＥＶＳ）に対して必要とされる場合、この発電機は再び電圧制御器１５によって非閉ループ制御発電機動作に切り換えられる。図３の回路装置のスイッチ１２、１４の適当なオン乃至はオフによってこのような切り換えが行われる。
【００１９】
本発明のさらに別の実施例では同様にクロウポール発電機の送出出力が高められるシステムが示される。この場合、クロウポール発電機は他の巻線方式で動作される。このような他の巻線方式の４２Ｖクロウポール発電機は非閉ループ制御発電機動作で動作される。この発電機の出力電圧は通常の回転数領域ではすでに４２Ｖよりも高いので、後置接続されたＤＣ/ＤＣ変換器はダウン設定器として構成される。このダウン設定器はこのダウン設定器に供給される可変入力電圧を一定の自動車用搭載電源電圧４２Ｖに変換する。図７には、ＵＧＮ＝４２Ｖ（発電機電圧）を有するこの他の巻線方式のクロウポール発電機の発電機出力と発電機回転数との間の関係が様々な出力電圧において示されている。発電機回転数に依存する最大送出出力は従来の発電機のようにタンジェントラインＴに沿って経過する。このラインに沿ってこの発電機の効率Ｃ＝Ｐ/ｎは最大である。タンジェントラインに沿った非閉ループ制御発電機動作の場合、出力電圧は近似的に回転数に比例して変化する。発電機電流は近似的に一定のままである。４２Ｖの自動車用搭載電源電圧に対する可能な送出出力が得られるように、ほぼ１０００ 1/minより上でダウン設定器によって動作される。図８にはＵｂ＝４２Ｖに対する可能な発電機出力が実線として示されている。タンジェントラインＴはこの出力特性曲線のほんの少し上にある。この相違は例えば８５％の変換器効率に起因する。破線で記入されている閉ループ制御された動作の場合の発電機特性曲線と比較すれば、毎分２０００回転より上においてはるかに大きい有効出力が得られることが分かる。所属の変換回路は図５の回路に相応する。
【００２０】
交流電流発電機、例えばクロウポール発電機の送出出力を高めるさらに別の本発明の発電機動作方式では、このクロウポール発電機は別の巻線方式の４２Ｖクロウポール発電機として動作される。達成可能な有効出力と発電機回転数との間の関係は図９に図示されたものに相応する。始動領域乃至は低い回転数領域では閉ループ制御された発電機動作で動作され、４２Ｖの自動車用搭載電源電圧を発生する。例えば電気的バルブ制御ＥＶＳの場合にピーク出力が高い回転数領域で必要とされる場合、非閉ループ制御発電機動作への制御器１５によって作動される切り換えが行われる。この作動領域では、ダウン設定器として接続される後置接続されたＤＣ/ＤＣ変換器が自動車用搭載電源に給電する。所属の変換回路のブロック線図は図３のブロック線図に相応する。
【００２１】
この発電機動作方式に対する可能な送出出力は図９に示されている。実線は使用可能な発電機出力を示す。ほぼ毎分３０００回転までの閉ループ制御された動作においては、図７で示されたＵｂ＝４２Ｖの場合の閉ループ制御された動作に対する出力に相応する出力が供給される。毎分３０００回転より上では使用可能な出力が急激に上昇する。というのも、この発電機は「非閉ループ制御」動作で作動しているからである。この出力は、タンジェントラインで示されている最大出力とは例えば８５％の変換器効率のために失われる出力によって異なる。ＤＣ/ＤＣ変換器は、この発電機動作方式においてはただ一時的に、すなわちピーク出力を得るために高い回転数領域において動作されるだけである。システム効率は持続的に接続されるＤＣ/ＤＣ変換器を有するシステム構成に比べてより高い。
【００２２】
本発明の実施例を例として４２Ｖの自動車用搭載電源電圧の場合において記述した。原理的にはここに記述された動作方式は任意の自動車用搭載電源電圧に対して実現されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動車用搭載電源電圧Ｕｂに対する有効出力Ｐと回転数ｎとの間の関係を示錫である。
【図２】発電機出力Ｐと発電機回転数ｎとの間の関係を示す図である。
【図３】本発明の発電機システムの第１のブロック線図である。
【図４】発電機回転数ｎと有効出力Ｐとの関係を示す図である。
【図５】本発明の発電機システムの第２のブロック線図である。
【図６】発電機回転数ｎと有効出力Ｐとの関係を示す図である。
【図７】発電機回転数ｎと有効出力Ｐとの関係を示す図である。
【図８】発電機回転数ｎと有効出力Ｐとの関係を示す図である。
【図９】発電機回転数ｎと有効出力Ｐとの関係を示す図である。

Claims (7)

1. 発電機、例えば内燃機関によって駆動可能な三相発電機の制御の方法であって、
   励磁磁界を発生するための界磁コイルを有し、該界磁コイルには制御器によって閉ループ制御可能な界磁電流（ＩＦ）が流れ、さらに固定子コイルを有し、該固定子コイルに磁束変化によって交流電圧を誘起し、該交流電圧は電流を発生し、該電流は整流器を介して負荷に導かれる、
   発電機、例えば内燃機関によって駆動可能な三相発電機の制御の方法において、
   前記制御器（１５）は前記発電機の界磁巻線に界磁電流（ＩＦ）を供給し、該界磁電流（ＩＦ）は選択可能な発電機回転数領域において閉ループ制御されないままであり、このため前記発電機はこの場合非閉ループ制御動作で動作し、さらにこの場合電圧変換器が前記発電機から供給される非閉ループ制御電圧を所定の値に変換し、
   非閉ループ制御発電機動作に対する選択可能な発電機回転数領域を低い回転数によって限定し、該低い回転数は発電機電圧が自動車用搭載電源電圧に相応する場合の回転数に相応する
   ことを特徴とする
   発電機、例えば内燃機関によって駆動可能な三相発電機の制御の方法。
2. 閉ループ制御されない界磁電流による非閉ループ制御発電機動作から閉ループ制御された発電機動作への移行を制御器によって惹起し、該制御器に動作方式の選択のために必要な動作パラメータを供給し、前記制御器は必要とされる制御信号を送出することを特徴とする請求項１記載の発電機の制御の方法。
3. 制御は効率を最適化するように実施することを特徴とする請求項１または２記載の発電機の制御の方法。
4. 閉ループ制御された界磁電流による発電機動作の間には電圧変換器を橋絡することを特徴とする請求項１〜３までのうちの１項記載の発電機の制御の方法。
5. 発電機を小さい回転数の場合には非閉ループ制御動作で動作し、送出される電圧をアップ設定器として接続されたＤＣ/ＤＣ変換器において自動車用搭載電源電圧にまで高め、さらに比較的高い回転数の場合には閉ループ制御された動作に移行することを特徴とする請求項１〜４までのうちの１項記載の発電機の制御の方法。
6. 発電機を専ら非閉ループ制御発電機動作によって動作し、発電機出力電圧を低い回転数領域では上昇させ、高い回転数領域では低減し、電圧変換を電圧変換器によって行い、該電圧変換器はアップ設定器又はダウン設定器として動作することを特徴とする請求項１〜５までのうちの１項記載の発電機の制御の方法。
7. 異なる巻線方式の発電機を使用し、該異なる巻線方式の発電機の出力電圧は常に自動車用搭載電源よりも上にあり、前記発電機から供給される電圧を発電機回転数には依存せずにダウン設定器として作用する直流電圧変換器によって低減することを特徴とする請求項１〜６までのうちの１項記載の発電機の制御の方法。

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