JP4570982B2 - 発電制御装置及び発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電制御装置及び発電装置に係り、特に、制御基板一体形のものに用いるに好適な発電制御装置及び発電装置に関する。

ロードダンプサージは、発電装置に接続されたバッテリーや電気負荷が急に開放されて無負荷に近い状態になった場合に、発電動作を継続することで発生する異常高電圧を指す。この異常高電圧は、放って置くと発電装置に接続されている他の電装品を壊す恐れがある。そこで、例えば、特開平２−１９７２９９号公報，特開平２−１９７３００号公報，特開２００３−７９１９５号公報に記載のように、発電装置の両電極間にツェナーダイオードを接続して高電圧をクランプするものが知られている。

特開平２−１９７２９９号公報 特開平２−１９７３００号公報 特開２００３−７９１９５号公報

ロードダンプサージの対策用として発電装置両極間に備えるツェナーダイオードは、クランプ電圧とツェナーダイオードに流れる電流、ロードダンプサージ発生期間の積で求められるエネルギーを吸収しなければならないため熱容量の大きなものを用いる必要があった。

近年、発電機と、この発電機を制御する制御基板とを一体化する試みがなされている。一体化するためには、制御基板を小型化する必要がある。

発電装置両極間に設けたツェナーダイオードは、高電圧をクランプすることはできても高電圧の発生期間を短くすることはできないため、ツェナーダイオードを熱容量の小さいものに置き換えることが困難であり、この点が制御基板を小型化する上で問題となっていた。

なお、発電機と同様に界磁コイルを有する電動機を制御する電動機制御装置でも、電動機が負荷側から回されて発電機動作となった場合に、直流電圧を上昇させることとなり、そのため、機器の破壊を防止するためにインバータを停止させるが、そのとき、界磁電流の減衰が緩やかになるため、発電機動作が継続するという問題があった。

また、電動発電機（Ｍ／Ｇ）をモータ（スタータ）として駆動してエンジンを始動した後、Ｍ／Ｇを発電機として用いるシステムが知られているが、このように、モータ駆動モードから発電機モードに切り替えた際に、発電機の回転数が落ち込むという問題があった。発電機の回転数の落ち込みは、エンジンの回転数の落ち込みともなるため、運転者に違和感を与えるという問題となる。

本発明の目的は、ロードダンプサージ発生期間を短くして、熱容量の小さいツェナーダイオードを用いて制御基板を小型化できる発電制御装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、Ｍ／Ｇをモーター駆動モードから発電モードへの移行時の発電機の回転数の落ち込みを抑えることができる発電装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、発電機に備えられた界磁コイルに流す界磁電流を制御する発電制御装置であって、前記界磁コイルと電源の間に接続された第１のスイッチと、前記界磁コイルと接地電位の間に接続された第２のスイッチと、前記界磁コイルと電気的に直列に接続されるとともに、前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチのいずれか一方と電気的に並列に接続される抵抗手段と、前記界磁コイルに蓄積された電流を前記抵抗手段から熱として放出するように制御するための界磁電流急速減衰手段と、を備え、前記抵抗手段は、前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチのいずれか一方と前記界磁コイルと通って形成される第１閉ループ経路の抵抗値よりも大きい抵抗値となる抵抗手段により構成され、前記界磁電流急速減衰手段は、前記界磁電流が前記閉ループ経路を流れるように、前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチのいずれか一方のうち前記抵抗手段と電気的に並列に接続されたスイッチをオンし、かつ前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチの他方側のスイッチをオフするように制御する第１界磁電流制御モードと、前記界磁電流が前記抵抗手段と前記界磁コイルと通って形成される第２閉ループ経路を流れるように、前記第１のスイッチと前記第２スイッチのいずれもオフするように制御する第２界磁電流制御モードと、を有し、前記発電機のプラス側電極の電位が一定電圧以上に上昇した場合、前記第１界磁電流制御モードから前記第２界磁電流制御モードに切替えるとともに、前記抵抗手段は、電圧クランプ機能を有しており、さらに、前記発電機のプラス電極と接地電極間に備えたツェナーダイオードを備え、前記抵抗手段のクランプ電圧を、前記ツェナーダイオードのクランプ電圧より高くしたものである。
かかる構成により、ロードダンプサージ発生期間を短くして、熱容量の小さいツェナーダイオードを用いて制御基板を小型化できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記界磁電流急速減衰手段は、前記第１のスイッチをオフすると同時に、若しくは、前記第１のスイッチをオフした後、前記第２のスイッチをオフするようにしたものである。

（３）また、上記他の目的を達成するために、本発明は、界磁コイルを有する発電機と、前記界磁コイルに流す界磁電流を制御する制御手段を有する発電装置であって、前記制御手段を制御可能な上位のコントローラと、前記上位のコントローラからの指示で、前記界磁コイルに流れる界磁電流を遮断し、前記界磁コイルの界磁電流を、抵抗手段を含む電流経路に誘導し、界磁発生用コイルに蓄積された電流を熱として放出する界磁電流急速減衰手段とを備え、前記発電機は、電動発電機であり、前記上位のコントローラは、前記電動発電機を電動機モードから発電機モードに切り替える際に、前記界磁電流急速減衰手段に界磁電流を急速に減衰させるための指示を送るようにしたものである。
かかる構成により、Ｍ／Ｇをモーター駆動モードから発電モードへの移行時の発電機の回転数の落ち込みを抑えることができる。

本発明によれば、ロードダンプサージ発生期間を短くして、熱容量の小さいツェナーダイオードを用いて制御基板を小型化できるものとなる。

また、本発明によれば、Ｍ／Ｇをモーター駆動モードから発電モードへの移行時の発電機の回転数の落ち込みを抑えることができる。

以下、図１を用いて、本発明の第１の実施形態による発電装置の構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による発電装置の構成を示すブロック図である。

プラス側電位ＶＢと、接地電位ＧＮＤの間には、第１のスイッチＳＷ１と、発電機の界磁コイルＬと、第２のスイッチＳＷ２の直列回路が接続されている。界磁コイルＬと並列にフリーホイールダイオードＤが接続されている。また、第２のスイッチＳＷ２と並列に抵抗手段１が接続されている。第１のスイッチＳＷ１は、ＳＷ１制御回路２によってオン／オフ制御される。第２のスイッチＳＷ２は、ＳＷ２制御回路４によってオン／オフ制御される。界磁電流急速減衰判定回路３は、界磁電流を急速に減衰させる必要があるか否かを判定し、ＳＷ１制御回路２及びＳＷ２制御回路４による第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２のオン／オフ状態を制御する。界磁電流急速減衰判定回路３による動作については、後述する。界磁電流を急速に減衰させる必要がある場合とは、発電装置に接続されたバッテリーや電気負荷が急に開放されて無負荷に近い状態になり、ロードダンプサージが発生する場合である。

次に、本実施形態の発電装置の動作について説明する。通常動作では、ＳＷ１制御回路２は、スイッチ１（ＳＷ１）をオン／オフ制御することで界磁コイルＬに流れる界磁電流Ｉを制御している。この時、ＳＷ２制御回路４は、スイッチ２（ＳＷ２）を常時オン状態としている。

この通常動作時に、スイッチ１（ＳＷ１）がオンしている期間は、界磁電流Ｉは、プラス側電極ＶＢからスイッチ１（ＳＷ１）−コイルＬ−スイッチ２（ＳＷ２）を介し接地電位ＧＮＤへ流れる。スイッチ１（ＳＷ１）がオフしている期間は、界磁電流は、フリーホイールダイオードＤを介してＬｏｏｐ１の閉ループの経路を通して流れる。（厳密には、スイッチ２（ＳＷ２）のオン抵抗と抵抗手段１の抵抗比で抵抗手段１へも若干電流が流れるが、スイッチ２（ＳＷ２）の方のオン抵抗を充分小さく設定することから、以降の説明では無視する。）
この様にして、スイッチ１（ＳＷ１）により界磁コイルＬに流れる電流量Ｉが制御される。この時のＬｏｏｐ１の経路の抵抗をＲ１とすると、抵抗Ｒ１は小さいほうが界磁電流の減衰が小さくなり、電流Ｉを長時間維持することができる。

次に、界磁電流を急速に減衰させる場合の動作について説明する。界磁電流急速減衰判定回路３は界磁急速減衰の要否を判定し、界磁急速減衰を要と判定すると、ＳＷ１制御回路２とＳＷ２制御回路４に制御信号を送信し、ＳＷ１制御回路２はスイッチ１（ＳＷ１）をオフとする。また、ＳＷ２制御回路４は、スイッチ２（ＳＷ２）もオフとする。この結果、界磁電流Ｉは、抵抗手段１を介するＬｏｏｐ２の閉ループの経路で電流が流れる。Ｌｏｏｐ２の経路の抵抗Ｒ２は、抵抗手段１により、Ｌｏｏｐ１の経路の抵抗Ｒ１に比較して大きく設定されている。この抵抗手段１の効果により、コイルＬに流れる界磁電流Ｉは熱に変換され、急速に減衰する。

Ｌｏｏｐ１において、第１のスイッチＳＷ１のオン抵抗値と、第２のスイッチＳＷ２のオン抵抗値と、フリーホイールダイオードＤのオン抵抗値とは、コイルＬの抵抗値（例えば、２Ω）に比べて小さく、例えば、数ｍΩ程度であるため無視することができるため、Ｌｏｏｐ１の抵抗値は例えば２Ωである。一方、Ｌｏｏｐ２において、抵抗手段１の抵抗値を１０Ωとすると、コイルＬの抵抗値（例えば、２Ω）との合成抵抗は１２Ωとなる。従来、界磁電流の減衰に要する時間を数百ｍｓとすると、本実施形態のように、抵抗手段１を介して界磁電流を急速に減衰した場合には、減衰に要する時間を１／３〜１／２とすることができる。例えば、発電装置両極間に備えるツェナーダイオードとして、クランプ電圧４０Ｖで、ロードダンプサージ発生期間が数百ｍｓの場合、この積で求められるエネルギーを吸収できる熱容量を有するツェナーダイオードの大きさは、φ２１程度の大きさが必要であり、発電機の制御基板を小型化する場合に問題となっていた。それに対して、本実施形態のように、ロードダンプサージ発生期間が従来の数百ｍｓに対して１／３にできる場合、エネルギーを吸収できる熱容量を有するツェナーダイオードの大きさは、φ１２程度と小型化できる。従って、発電機の制御基板を、発電機のフロントブラケット内に組み込んで、発電機と制御基板を一体化した発電装置を構成することも可能となる。

なお、スイッチ２（ＳＷ２）をオフとするタイミングは、スイッチ１（ＳＷ１）をオフとするタイミングと同時、若しくは、スイッチ１（ＳＷ１）をオフとした後とする。

本実施形態によれば、コイルＬに流れる界磁電流Ｉを急速に減衰させることができる。したがって、制御基板一体形発電装置を構成することが可能となる。

次に、図２を用いて、本発明の第２の実施形態による発電装置の構成及び動作について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態による発電装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

プラス側電位ＶＢと、接地電位ＧＮＤの間には、第２のスイッチＳＷ２と、発電機の界磁コイルＬと、第１のスイッチＳＷ１の直列回路が接続されている。界磁コイルＬと並列にフリーホイールダイオードＤが接続されている。また、第２のスイッチＳＷ２と並列に抵抗手段１が接続されている。第１のスイッチＳＷ１は、ＳＷ１制御回路２によってオン／オフ制御される。第２のスイッチＳＷ２は、ＳＷ２制御回路４によってオン／オフ制御される。界磁電流急速減衰判定回路３は、界磁電流を急速に減衰させる必要があるか否かを判定し、ＳＷ１制御回路２及びＳＷ２制御回路４による第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２のオン／オフ状態を制御する。

本実施形態による界磁電流急速減衰判定回路３の動作は、図１の場合と同様であり、界磁急速減衰を要の場合には、界磁電流Ｉは、抵抗手段１を介するＬｏｏｐ２の経路で電流が流れる。したがって、抵抗手段１の効果により、コイルＬに流れる界磁電流Ｉは熱に変換され、急速に減衰する。その結果、ツェナーダイオードの大きさを小型化でき、発電機の制御基板を、発電機のフロントブラケット内に組み込んで、発電機と制御基板を一体化した発電装置を構成することも可能となる。

本実施形態によれば、コイルＬに流れる界磁電流Ｉを急速に減衰させることができる。したがって、制御基板一体形発電装置を構成することが可能となる。

次に、図３を用いて、本発明の第１の実施形態による発電装置の具体的構成及び動作について説明する。この例は、図１の界磁電流急速減衰回路を自動車用発電装置に適用した例である。
図３は、本発明の第１の実施形態による発電装置の具体的構成を示すブロック図である。

発電装置の制御回路（ＡＳＩＣ）１１は、パワーモジュール１２を制御して、モータジェネレータＭ／ＧのステータコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３に流す電機子電流を制御し、また、界磁コイル（ロータコイル）Ｌｆに流れる界磁電流Ｉｆを制御する。モータジェネレータＭ／Ｇには、車の電装品等の電気負荷１３が接続され、また、フューズ１５を介して、バッテリー１４が接続されている。

モータジェネレータＭ／Ｇが発電装置として動作する場合は、エンジンの力で界磁コイルＬｆが回転し、Ｕ、Ｖ、Ｗ端子に誘起電圧が発生し、コンバータ／インバータ１６により整流され、バッテリー１４を充電する。逆に、モータジェネレータＭ／Ｇがモーター（スタータ）として動作する場合は、コンバータ／インバータ１６によりバッテリー１４の直流電圧が３相交流のＵ、Ｖ、Ｗ電圧となりステータコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３に電流を流す。これにより界磁コイルＬｆが回転し、エンジンを回転させる。

ＡＳＩＣ１１は、ＰＷＭ発生回路１８と、コンバータ／インバータ制御回路２０と、ＳＷ２制御回路４と、界磁電流測定回路２２と、ロードダンプサージ検知回路２３とを備えている。ＰＷＭ発生回路１８は、図１の ＳＷ１制御回路２に相当するものであり、ＰＷＭ信号を発生し、スイッチ１（ＳＷ１）を制御することで界磁電流Ｉｆを制御する。ＰＷＭ発生回路１８は、プラス側電位ＶＢと目標電圧Ｖｔを比較し、プラス側電位ＶＢが目標電圧Ｖｔより低い場合は、ＰＷＭ発生回路１８の出力信号のＤｕｔｙを高く設定し、界磁電流Ｉｆを増加させ、発電電流を増加させる。逆に、プラス側電位ＶＢが目標電圧Ｖｔより高い場合は、ＰＷＭ発生回路１８の出力信号のＤｕｔｙを低くし、界磁電流Ｉｆを減少させ、発電電流を減少させる。この様にしてプラス側電位ＶＢが目標電圧Ｖｔに一致するようにフィードバック制御されている。この時、ＳＷ２制御回路４は、スイッチ２（ＳＷ２）をオンさせるように信号を出力している。従って、界磁電流Ｉｆはスイッチ２（ＳＷ２）とシャント抵抗Ｒを介して接地電位ＧＮＤに流れる。この電流は、スイッチ１（ＳＷ１）がオフしている期間は、フリーホイールダイオードＤを介して界磁コイルＬｆに戻る。

コンバータ／インバータ制御回路２０は、コンバータ／インバータ１６を制御し、整流動作やモーター駆動時のインバータ動作を行なっている。界磁電流測定回路２２は、シャント抵抗Ｒの電位から界磁電流を測定するものである。パワーモジュール１２のツェナーダイオード１７は、プラス側電位が一定電圧以上に上昇した場合にＡＳＩＣ１１やパワーモジュール１２の内部素子が破壊しないように保護している。

ロードダンプサージ検知回路２３は、図１の界磁電流急速減衰判定回路３に相当するものであり、プラス側電位ＶＢが一定電圧以上になったかを検知する回路である。発電動作中にバッテリー１４等の負荷が急に開放された場合、プラス側電位ＶＢは一定電圧以上の異常な高電圧（ロードダンプサージ）となる。このロードダンプサージは、負荷が軽い状態で発電を継続することから、発電を停止するまでのあいだ高電圧状態を維持する。ロードダンプサージが継続している期間は、発電電流はツェナーダイオード１７が消費することになり熱的に厳しいものとなる。このため、ツェナーダイオード１７は熱容量の大きな素子が使用され、発電装置の小型化や低価格化の障害となっている。このロードダンプサージ時の発電電流を小さくするためには、発電をやめれば良く、エンジンが回転している状態で発電を止めるためには、界磁電流をゼロにして界磁の発生を止めるために、ロードダンプサージ検知回路２３を用いている。

ロードダンプサージ検知回路２３は、ロードダンプサージを検知して、界磁急速減衰を要と判定すると、ＰＷＭ発生回路１８とＳＷ２制御回路４に制御信号を送信し、ＰＷＭ発生回路１８はスイッチ１（ＳＷ１）をオフとする。また、ＳＷ２制御回路４は、スイッチ２（ＳＷ２）もオフとする。この結果、界磁電流Ｉは、抵抗手段１を介して流れるため、界磁電流Ｉは急速に減衰する。

界磁電流Ｉｆが減衰してくると発電電流が減り、プラス側電位ＶＢは徐々に正常電位に復帰してくる。プラス側電位ＶＢが正常電位に復帰した時点でロードダンプサージ検知回路２３の出力信号も元の信号に復帰する。これによりＰＷＭ発生回路１８やＳＷ２制御回路４も正常に復帰し、スイッチ１（ＳＷ１）はＰＷＭ制御されスイッチ２（ＳＷ２）は常時オン状態となる。

本実施形態によれば、自動車用発電装置のプラス側電位に一定電圧以上の高電圧（ロードダンプサージ）が発生した場合、界磁電流Ｉｆを急速に減衰させることができる。これにより、ロードダンプサージのエネルギーを吸収するツェナーダイオードの熱容量が小さくでき自動車用発電装置の小型化、低価格化を実現することができる。また、制御基板と発電機を一体化した発電装置を実現できる。

次に、図４を用いて、本発明の第１の実施形態による発電装置のさらに具体的構成及び動作について説明する。この例は、図３の装置をさらに具体的にしたものである。
図４は、本発明の第１の実施形態による発電装置のさらに具体的構成を示すブロック図である。

ＰＭＯＳで構成した上アームＭＯＳ３０と、ＮＭＯＳで構成した下アームＭＯＳ３１は、整流動作やインバータ動作を行うものであり、図３のコンバータ／インバータ１６に対応する。界磁電流を制御するためのフィールドＭＯＳ３２は、図３の第１のスイッチＳＷ１に対応する。界磁電流減衰時にオフするＱＦＣＭＯＳ３３は、図３の第２のスイッチＳＷ２に対応する。ツェナーダイオード３４は、ロードダンプサージが発生し、ＱＦＣＭＯＳ３３がオフになった場合に、図３の抵抗手段１として動作する。

なお、ツェナーダイオード３４の替わりに抵抗を使用することもできるが、抵抗手段１を純粋な抵抗で構成した場合は、その抵抗値によって界磁コイル両端に発生する電圧（ＶＬ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）と発生時間（τ＝Ｌｆ／Ｒｆ）が決まる。抵抗値が大きい場合は、急に電流が変化するため電圧（ＶＬ）が大きくなるが発生時間（τ）は逆に短くなる。抵抗値を大きく設定すると、発生電圧（ＶＬ）が大きくなり、ＱＦＣＭＯＳ３３のドレイン電圧が高くなり、接続されている素子の耐圧を超え実使用上扱いづらく、抵抗値をむやみに高くできない。しかし、抵抗手段１をツェナーダイオード等のクランプ素子で実現すると減衰時間と発生電圧の点で制御しやすくなる。

そこで、本実施例では、抵抗手段１にツェナーダイオード３４を用いている。こうすることにより、ＱＦＣＭＯＳ３３のドレイン電圧はツェナーダイオード３４によりクランプされると同時に、ツェナーダイオード３４が抵抗手段として働き、界磁電流Ｉｆを急速に減衰させることができる。ツェナーダイオード３４のクランプ電圧を上げると抵抗としては大きく見えることから、界磁電流の減衰時間は短くなる。しかし、ＱＦＣＭＯＳ３３の素子耐圧も上げなければならないため、トレードオフを考慮して問題とならないレベルに抵抗手段のクランプ電圧を設定することで設計が容易となる。

本実施形態によれば、抵抗手段をツェナーダイオード３４で構成することにより、界磁電流を急速減衰させる効果がある。さらに、ＱＦＣＭＯＳ３３等の素子耐圧をツェナーダイオード３４のクランプ電圧より少し高い設定とすることができ、設計しやすくなる。プラス側電位と接地電位間に備えるツェナーダイオード１７は、ＡＳＩＣ１１やパワーモジュール１２内の素子が破壊しない様にクランプ電圧を設定しなければならないが、抵抗手段として使用するツェナーダイオード３４のクランプ電位は、直接ＡＳＩＣ１１へは接続されていないため、ＱＦＣＭＯＳが破壊しない程度にクランプ電圧を高く設定することができる。これにより界磁電流減衰をより急速に行うことができる。

本実施例では、界磁電流急速減衰用の抵抗手段をツェナーダイオードで構成しているが、先にも述べたように純抵抗で実現することもできる。また、クランプ機能を備えた素子で実現することもできる。

次に、図５を用いて、本発明の第１の実施形態による発電装置の他の具体的構成及び動作について説明する。この例は、図４の装置を変形したものである。
図５は、本発明の第１の実施形態による発電装置の他の具体的構成を示すブロック図である。

図４と異なる点は、パワーモジュール１２内の上アームＭＯＳ３５とフィールドＭＯＳ３６をＮＭＯＳで構成した点である。このため、ＰＷＭ発生回路１８内に、ＮＭＯＳのゲート電位を発生するためのチャージポンプ回路２８を設けている。ＮＭＯＳをハイサイドに配置した場合は、ＮＭＯＳのソース電位を基準にしてゲート電位を与えなければならないため、チャージポンプ等のフローティング電源が必要となる。同様に上アームＭＯＳ３５のゲートを駆動するために上アームＭＯＳ制御回路２６内にもチャージポンプ回路２９を設けている。

本実施形態によれば、ＡＳＩＣ１１内にチャージポンプ回路が必要となるが、パワーモジュール１２内を、ＰＭＯＳに比較して価格が安く種類も豊富なＮＭＯＳだけで構成することができ、発電装置の低価格化を実現できる。また、設計の柔軟性を増す効果もある。

次に、図６〜図８を用いて、図４に示した本発明の第１の実施形態による発電装置の動作について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による発電装置のロードダンプサージ保護に移行する場合のフローチャートである。図７は、本発明の第１の実施形態による発電装置のロードダンプサージ保護の状態から正常動作への復帰する場合のフローチャートである。図８は、本発明の第１の実施形態による発電装置のタイミングチャートである。図８において、図８（Ａ）は電圧ＶＢを示し、図８（Ｂ）はロードダンプサージフラグを示している。図８（Ｃ）はフィールドＭＯＳのゲート信号を示し、図８（Ｄ）はＱＦＣＭＯＳのゲート信号を示し、図８（Ｅ）は界磁電流ＩＦを示している。

図６のステップＳ１０において、ロードダンプサージ検知回路２３は、発電中に、図８（Ａ）に示すように、プラス側電位ＶＢがＶＤ１以上でＴ１期間継続するとロードダンプサージ発生と判断し、図８（Ｂ）に示すように、ロードダンプサージフラグをハイレベルに変化させる。ここで、Ｔ１時間を設けた理由は、イグニッションノイズなどによりプラス側電位ＶＢにノイズが重畳する場合があり、これらのノイズの影響を避けるためである。

そして、ステップＳ２０において、ロードダンプサージ検知回路２３は、ＰＷＭ発生回路１８にフィールドＭＯＳ３２のオフ指令を送り、ＰＷＭ発生回路１８は、図８（Ｃ）に示すように、フィールドＭＯＳ３２をオフさせる。

また、ステップＳ３０において、ロードダンプサージ検知回路２３は、ＳＷ２制御回路４にＱＦＣＭＯＳ３３のオフ指令を送り、ＳＷ２制御回路４は、図８（Ｄ）に示すように、ＱＦＣＭＯＳ３３をオフさせる。

これにより、図８（Ｅ）に示すように、界磁電流Ｉｆを急速に減衰させると共に発電動作が徐々に停止し、プラス側電位ＶＢを立ち下げる方向に働く。なお、プラス側電位ＶＢがＶＤ１より低ければ正常発電動作を継続する。

次に、図７のステップＳ１１０において、ロードダンプサージ検知回路２３は、プラス側電位ＶＢをモニターしておき、図８（Ａ）に示すように、ＶＢがＶＤ２以下になったら、正常発電への復帰と判断する。

そして、ステップＳ１２０において、ロードダンプサージ検知回路２３は、ＳＷ２制御回路４にＱＦＣＭＯＳ３３のオン指令を送り、ＳＷ２制御回路４は、図８（Ｄ）に示すように、ＱＦＣＭＯＳ３３をオンさせて、正常発電へ復帰する。

また、ステップＳ１３０において、ロードダンプサージ検知回路２３は、ＰＷＭ発生回路１８にフィールドＭＯＳ３２のオン指令を送り、ＰＷＭ発生回路１８は、図８（Ｃ）に示すように、フィールドＭＯＳ３２をオンさせ、ＰＷＭ制御を開始する。

但し、バッテリーが外れている場合は、バッテリーレス発電となるため、バッテリーによる電圧の平滑化が行なわれないためプラス側電位ＶＢはリップル電圧が大きくなる傾向となる。また、プラス側電位ＶＢがＶＤ２より大きい場合は、まだロードダンプサージが継続中と判断し、フィールドＭＯＳとＱＦＣＭＯＳをオフさせたままの界磁電流急速減衰回路動作が働いた状態を維持する。

ロードダンプサージの継続時間は、システムにより変わってくるが、概略数百ｍｓ持続することが知られている。本実施形態によって、界磁電流を急速減衰することにより、概略１／２から１／３程度以下まで発生時間を短縮することができる。すなわち、ロードダンプサージ発生エネルギーを１／２から１／３程度以下に下げることができ、プラス側電位ＶＢのクランプ用ツェナーダイオードの熱容量も小さく設定することができる。これにより、発電装置の小型化、低価格化を実現することができる。

なお、図８は、フィールドＭＯＳがＰＭＯＳ、ＱＦＣＭＯＳがＮＭＯＳの場合の例である。ＰＭＯＳとＮＭＯＳのどちらを使用するかで信号波形の極性が反転する。また、これらロードダンプサージの検知、復帰条件は、乗用車で多く使われている１４Ｖバッテリーシステムの場合、ＶＤ１＝２６Ｖ、Ｔ１＝２００ｕｓ、ＶＤ２＝１６．５Ｖ等の設定値が考えられる。ここで、界磁電流急速減衰回路が作動する発電装置のプラス側電極の電位ＶＤ１は、搭載しているバッテリーの定格電圧（１４Ｖバッテリーでは、１２Ｖ）の２倍以上に設定している。これは自車両のバッテリが上がった場合などに、他車両のバッテリを直列に接続して自車両のエンジンを始動させるジャンプスタートなどが行われた場合に界磁電流急速減衰回路が誤動作するのを防止するためである。

次に、図９及び図１０を用いて、本発明の第３の実施形態による発電装置の構成及び動作について説明する。この例は、図４の装置に対して、さらに上位コントローラにより界磁電流を急速減衰させるようにしたものである。
図９は、本発明の第１の実施形態による発電装置の構成を示すブロック図である。図１０は、本発明の第１の実施形態による発電装置の動作説明図である。図１０（Ａ）は界磁電流Ｉｆを示し、図１０（Ｂ）は発電機回転数を示している。なお、図９において、図４と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図４の実施形態にくわえて、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）等の上位のコントローラ４０と、ＣＡＮやＬＩＮ或いは専用線などの通信線４１と、通信インターフェース４２、マイコン４３と、ＲＡＭ４４と、ＲＯＭ４５と、マイコン４３からの信号をＰＷＭ発生回路１８やＳＷ２制御回路４へインターフェースするためのマイコンインターフェース４６とを備えている。

本実施形態では、ロードダンプサージ検知回路２３の出力信号とマイコンインターフェース４６の出力信号をオア回路４７でオアし、その出力信号をＰＷＭ発生回路１８とＳＷ２制御回路４に供給している。こうすることにより、界磁電流急速減衰回路の動作がロードダンプサージを検知した場合のほかに、マイコンからの指示で動作させることが可能となる。これにより、上位コントローラ４０からの指示をマイコンが解釈し、界磁電流急速減衰回路を作動させることができる。

この上位コントローラが界磁電流急速減衰命令を出す例としては、モータジェネレータＭ／Ｇをモーター駆動から発電動作へ切り替える場合が考えられる。モーター駆動はエンジンを始動させる場合に行なうものであるが、エンジンが回転してくると発電動作も同時に開始する。この時、界磁電流Ｉｆが大きいと発電量が大きくなり、モーター駆動側から見ると発電を開始した時点で負荷が大きくなりモーターの回転数が低くなる現象が発生する。これは、運転者の違和感を誘発するため、この現象を極力小さくする必要が有る。この場合に上位コントローラが発電装置側に界磁電流急速減衰命令を出し、発電動作を抑えることでモーター回転数の落ち込みを小さくすることができる。

図１０（Ａ）に示すように、モータジェネレータＭ／Ｇをモータ（スタータ）として用いてエンジンをアイドルストップ後に再始動する際には、Ｍ／Ｇの界磁電流Ｉｆを電流Ｉ１（例えば、６Ａ）とする。それによって、Ｍ／Ｇはモータとして動作し、図１０（Ｂ）に示すように、次第に回転数が増加する。Ｍ／Ｇの回転数がＮ１（発電機の回転数としては例えば１０００ｒｐｍであり、エンジンとＭ／Ｇの間の減速比を２．５とすると、エンジン回転数が４００ｒｐｍ）のとき、Ｍ／Ｇをモータ駆動モードから発電モードに切り替える。すなわち、図１０（Ａ）に破線で示すように、界磁電流Ｉｆを、電流Ｉ１から電流Ｉ２（例えば、３Ａ）に切り替える。ただし、このとき、従来の方式では、界磁電流Ｉｆは急激に減少できないため、図１０（Ａ）に一点鎖線Ｙ１で示すように、ゆっくりと減少する。

一方、Ｍ／Ｇによって駆動されたエンジンが始動し、アイドル回転数で回転するまで、エンジンに機械的に結合されたＭ／Ｇの回転数も、図１０（Ｂ）に示すように上昇する。それに対して、界磁電流Ｉｆは、従来の方式では、図１０（Ａ）に示すようにゆっくりと減少するため、Ｍ／Ｇは発電モードになっていながら、界磁電流Ｉｆは大きいままであり、発電量が大きくなり、モーター駆動側から見ると発電を開始した時点で負荷が大きくなり、図１０（Ｂ）に一点鎖線Ｙ２で示すように、モーターの回転数が低くなる落ち込み現象が発生する。

それに対して、本実施形態では、上位コントローラ４０がモータ駆動モードから発電モードに切り替える際に、界磁電流急速減衰命令を出すことで、マイコン４３は、ＰＷＭ発生回路１８をオフとし、また、ＳＷ２制御回路４をオフとすることで、界磁電流Ｉｆを図１０（Ａ）の実線Ｘ１で示すように、従来よりも急速に減少させ、発電動作を抑えることで、図１０（Ｂ）に実線Ｘ２で示すように、発電機回転数の落ち込みを小さくすることができる。

本実施例によれば、上位コントローラ４０からの指示でモータジェネレータＭ／Ｇの界磁電流を急速に減衰させることができる。これは、発電動作や、モーター駆動を上位コントローラの判断で急速に停止させることができる。

次に、図１１を用いて、本発明の第１の実施形態による電動機制御装置の構成について説明する。なお、界磁コイルＬｆと第１のスイッチＳＷ１，第２のスイッチＳＷ２及び抵抗手段１は、図１と同様の構成である。
図１１は、本発明の第１の実施形態による電動機制御装置の構成を示すブロック図である。

直流電源ＶＢは交流電源５１をコンバータ５２で整流することで得ており、平滑コンデンサ５３はリップル電圧を除去する程度の小さな容量となっている。インバータ５４は直流電源ＶＢから交流電圧を発生させて電動機を駆動しており、負荷５５は電動機の回転軸に接続された回転体である。

図１１の構成において、何らかの理由により負荷が外力によって回転されられた場合、電動機の誘起電圧がインバータの出力電圧よりも高くなり、発電機として動作する。コンバータ５２がダイオード整流のため、発電電圧は交流電源５１には戻らず平滑コンデンサを５３を充電し、直流電圧ＶＢを上昇させる。そこで、過電圧検知回路５６は、直流電圧ＶＢの上昇から機器の破損を防止するため、インバータを停止させると同時にスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２もオフさせることにより、界磁電流Ｉｆを急速に減衰させ、発電動作が持続しないようにしている。

なお、以上の説明では、主に自動車用発電装置の界磁電流を急速に減衰させる方法や回路について説明してきたが、本発明は図１１で説明したように界磁コイルを有する電動機についても同様であり、更には、コイルに流れる電流を急速に減衰させる用途全般に適用することができる。例えば、コイルに流す電流を制御してスイッチをオン／オフさせるソレノイドスイッチなどにも適用が可能である。

本発明の第１の実施形態による発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による発電装置の具体的構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による発電装置のさらに具体的構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による発電装置の他の具体的構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による発電装置のロードダンプサージ保護に移行する場合のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による発電装置のロードダンプサージ保護の状態から正常動作への復帰する場合のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による発電装置のタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態による発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による発電装置の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動機制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…抵抗手段
２…ＳＷ１制御回路
３…界磁電流急速減衰回路
４…ＳＷ２制御回路
１１…ＡＳＩＣ
１２…パワーモジュール
１３…負荷
１４…バッテリー
１５…フューズ
１６…コンバータ／インバータ
１７…ツェナーダイオード
１８…ＰＷＭ発生回路
２０…コンバータ／インバータ制御回路
２２…界磁電流測定回路
２３…ロードダンプサージ検知回路

Claims (3)

1. 発電機に備えられた界磁コイルに流す界磁電流を制御する発電制御装置であって、
   前記界磁コイルと電源の間に接続された第１のスイッチと、
   前記界磁コイルと接地電位の間に接続された第２のスイッチと、
   前記界磁コイルと電気的に直列に接続されるとともに、前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチのいずれか一方と電気的に並列に接続される抵抗手段と、
   前記界磁コイルに蓄積された電流を前記抵抗手段から熱として放出するように制御するための界磁電流急速減衰手段と、を備え、
   前記抵抗手段は、前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチのいずれか一方と前記界磁コイルと通って形成される第１閉ループ経路の抵抗値よりも大きい抵抗値となる抵抗手段により構成され、
   前記界磁電流急速減衰手段は、
   前記界磁電流が前記閉ループ経路を流れるように、前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチのいずれか一方のうち前記抵抗手段と電気的に並列に接続されたスイッチをオンし、かつ前記第１のスイッチまたは前記第２スイッチの他方側のスイッチをオフするように制御する第１界磁電流制御モードと、
   前記界磁電流が前記抵抗手段と前記界磁コイルと通って形成される第２閉ループ経路を流れるように、前記第１のスイッチと前記第２スイッチのいずれもオフするように制御する第２界磁電流制御モードと、を有し、
   前記発電機のプラス側電極の電位が一定電圧以上に上昇した場合、前記第１界磁電流制御モードから前記第２界磁電流制御モードに切替えるとともに、
   前記抵抗手段は、電圧クランプ機能を有しており、
   さらに、前記発電機のプラス電極と接地電極間に備えたツェナーダイオードを備え、
   前記抵抗手段のクランプ電圧を、前記ツェナーダイオードのクランプ電圧より高くしたことを特徴とする発電制御装置。
2. 請求項１に記載の発電制御装置において、
   前記界磁電流急速減衰手段は、前記第１のスイッチをオフすると同時に、若しくは、前記第１のスイッチをオフした後、前記第２のスイッチをオフすることを特徴とする発電制御装置。
3. 界磁コイルを有する発電機と、前記界磁コイルに流す界磁電流を制御する制御手段を有する発電装置であって、
   前記制御手段を制御可能な上位のコントローラと、
   前記上位のコントローラからの指示で、前記界磁コイルに流れる界磁電流を遮断し、前記界磁コイルの界磁電流を、抵抗手段を含む電流経路に誘導し、界磁発生用コイルに蓄積された電流を熱として放出する界磁電流急速減衰手段とを備え、
   前記発電機は、電動発電機であり、
   前記上位のコントローラは、前記電動発電機を電動機モードから発電機モードに切り替える際に、前記界磁電流急速減衰手段に界磁電流を急速に減衰させるための指示を送ることを特徴とする発電装置。

Images