JP5553677B2

JP5553677B2 - ハイブリッド式発動発電機の出力制御装置

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Publication number: JP5553677B2
Application number: JP2010106350A
Authority: JP
Inventors: 政則上野; 誠小川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: US8648574B2; EP2429059A1; EP2429059B1; CN102237707A; JP2011239493A; US20110273148A1; CN102237707B

Description

本発明は、ハイブリッド式発動発電機の出力制御装置に関するものであり、特に、発動機（つまり、エンジン）で駆動されるオルタネータ（交流機）による発電電圧よりも補助電源であるバッテリの出力電圧の方が低い場合でも、バッテリ電圧で交流機の発電電力を補助することができるハイブリッド式発動発電機の出力制御装置に関する。

従来のエンジン駆動型インバータ式発電機では、エンジンの出力と、交流機およびインバータの効率とによって発電機出力が決定される。すなわち、負荷に供給される発電機出力はエンジンの出力によって制限される。そこで、補助電源としてバッテリを備え、バッテリの出力電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して交流機の出力電圧に加算することによってエンジンの出力（動力）以上の発電機出力を負荷に供給できるようにしたハイブリッド式発動発電機が知られている（特許文献１参照）。このハイブリッド式発動発電機では、過負荷状態によりエンジン回転数が低下して交流機の発電出力が低減した際に、バッテリ電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して、その電圧で交流機の出力補助を行う。

特許第３９４１９２７号公報

エンジン駆動型発電機の発電体である交流機は、その出力電圧が負荷電流の増大に対応して低下する垂下特性を有している。図９は、負荷電流と交流機の出力電圧（整流後）との関係を示す特性図である。図９に示すように、交流機の出力電圧は定格点以上の負荷電流ＩＬが流れると、定格以上の電圧を出力できない。したがって、負荷が増大して交流機の出力電圧Ｖａｌｔがバッテリ電圧Ｖｂａｔｔよりも低くなった場合には（定格点以上の領域Ｚでは）バッテリによる出力補助ができない。バッテリ電圧ＶｂａｔｔをＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して高電圧Ｖｂａｔｔ＿ｃｏｎにした場合でも、高負荷時には、交流機の出力電圧Ｖａｌｔの低下が著しいので、バッテリによる十分な出力補助が困難である。また、出力補助ができなくなるまで交流機の出力電圧Ｖａｌｔが低下しない場合でも、出力補助量は交流機の出力電圧ＶａｌｔとＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｂａｔｔ＿ｃｏｎとの差によって決まってしまうので、望み通りの出力補助量が得られないという課題があった。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｂａｔｔ＿ｃｏｎが交流機の出力電圧Ｖａｌｔよりも極端に高い場合、つまり交流機が実質的に電力を出力していない場合は、発電機の最大発電電力をＤＣ−ＤＣコンバータでまかなわなくてはならない。そのような場合を想定して、例えば、最大発電出力が３キロワットの場合、ＤＣ−ＤＣコンバータも３キロワットの出力に対応するように選定しておかなければならない。

本発明の目的は、上記出力補助の動作に関連する種々の課題を解決し、バッテリ電圧と交流機の出力電圧との関係に依らず、的確にバッテリ電圧で交流機の出力を補助することができるハイブリッド式発動発電機の出力制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、バッテリとエンジンで駆動される交流機とを有し、前記バッテリの出力電力によって前記交流機の発電電力を補助するハイブリッド式発動発電機の出力制御装置において、前記交流機の出力を整流する整流回路の出力側に接続されるインバータ回路と、前記バッテリに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータ回路の入力側との間に設けられた定電力レギュレータとを備える点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記整流回路の出力電圧を監視する手段と、前記バッテリの出力電圧を監視する手段と、前記整流回路の出力電圧が定格電圧以下になったときに前記ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動して補助電力の出力を開始するとともに、前記バッテリ残容量に対応した補助電力値を決定する手段とを備え、前記決定された補助電力値を前記定電力レギュレータの電力目標値とする点に第２の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が整流後の交流機出力電圧より低いか否かにかかわらず、一定の電力をインバータ回路に入力でき、交流出力電力に重畳した発電機出力を負荷に供給することができる。したがって、バッテリ電圧の変動があっても整流回路から出力される交流機出力よりも高い電圧を形成して常時補助電力を供給するようにできる。

第２の特徴を有する本発明によれば、負荷電流の増大に伴って低下する交流機の出力を補助するように補助電力値を定電力レギュレータの目標電力値としたので、交流機出力が低下する過負荷時に有効に電力補助を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る出力制御装置を含む発電機のシステム構成を示すブロック図である。整流回路の具体例を示す回路図である。インバータ回路の具体例を示す回路図である。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。定電力レギュレータの具体的例を示す回路図である。出力制御装置の要部機能を示すブロック図である。第２実施形態に係る発電機のシステム構成を示すブロック図である。出力制御装置のより具体的な適用例に係る発電機のシステム構成を示すブロック図である。交流機の出力電圧特性を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る出力制御装置を含むハイブリッド式発動発電機のシステム構成図である。図１において、ハイブリッド式発動発電機１は、第１の電源としてエンジン２に連結される交流機（オルタネータ）３と、第２の電源としてのバッテリ４とを備える。バッテリ４の出力側は絶縁双方向型ＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、「絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ」という）９の一次側に接続され、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９はバッテリ４の出力電圧を昇圧して出力する。交流機３の出力と昇圧されたバッテリ４の出力は、出力制御装置２０で合算されて発電機出力となる。

出力制御装置２０は、整流回路５１、インバータ回路５２、および波形成形回路５３を有する。波形成形回路５３の出力（発電機出力）は出力端子（コンセント）６から負荷７に取り出すことができる。なお、整流回路５１の出力側には平滑用コンデンサＣ１が接続される。

さらに、本実施形態では、定電力レギュレータ２１を有する。定電力レギュレータ２１の入力側は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の二次側に接続され、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の入力電力を所定の値（目標電力値）に制御してインバータ回路５２に入力する。ＣＰＵ３０はインバータ回路５２の入力側で電流および電圧を検出して電力を算出し、この検出電力が目標電力値になるように、定電力レギュレータ２１に入力するＰＷＭ信号のデューティ（オン時間比）を増減させる。

図２は、整流回路５１の具体的な構成を示す回路図である。整流回路５１はブリッジ接続されたダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３と、スイッチング素子（以下、「ＦＥＴ」として説明する）Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３とを有する混合ブリッジ整流回路である。交流機３の３相巻線３ＵはダイオードＤ１とＦＥＴＱ１との結合部に、３相巻線３ＶはダイオードＤ２とＦＥＴＱ２との結合点、３相巻線３ＷはダイオードＤ３とＦＥＴＱ３との結合部にそれぞれ接続される。

このように構成された整流回路５１は、交流機３の出力を整流してインバータ回路５２に供給するとともに、ＦＥＴＱ１〜Ｑ３のオン、オフ制御により、バッテリ４の直流出力電圧を３相の交流電圧に変換して交流機３に印加する駆動用インバータとしても機能する。

図３は、インバータ回路５２の具体的な構成を示す回路図である。インバータ回路５２は、４つのＦＥＴＱ５、Ｑ６、Ｑ７およびＱ８をブリッジ接続してなる。インバータ回路５２の出力は、コイルＬ１、Ｌ２とコンデンサＣ３とからなる波形成形回路５３に接続される。

図４は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の構成例を示す回路図である。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、一次側の低圧側巻線１０−１と二次側の高圧側巻線１０−２とを備えるトランス１０を含む。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の昇圧比は、低圧側巻線１０−１と高圧側巻線１０−２の巻線比により決定される。

低圧側スイッチング部１１は、低圧側巻線１０−１側に挿入され、高圧側スイッチング部１２は、高圧側巻線１０−２側に挿入される。低圧側スイッチング部１１は、例えば、４つのＦＥＴＱ９、Ｑ１０、Ｑ１１およびＱ１２をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部１２も同様に４つのＦＥＴＱ１３、Ｑ１４、Ｑ１５およびＱ１６をブリッジ接続して構成される。

低圧側スイッチング部１１および高圧側スイッチング部１２のＦＥＴＱ９〜Ｑ１６にはダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１０、ならびにＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４がそれぞれ並列接続される。これらはＦＥＴの寄生ダイオードであってもよいし、別途接続したダイオードであってもよい。並列接続された整流素子Ｄ７〜Ｄ１４を合わせれば、低圧側スイッチング部１１および高圧側スイッチング部１２はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。

トランス１０の高圧側巻線１０−２側にはＬＣ共振回路１３が挿入される。ＬＣ共振回路１３は、低圧側スイッチング部１１および高圧側スイッチング部１２の少なくとも一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるＦＥＴ破壊を招かないように機能する。正弦波状の電流の零クロス点付近でＦＥＴをオン、オフさせることができるからである。なお、ＬＣ共振回路１３は、二次側ではなく一次側に設けてもよい。

低圧側スイッチング部１１のＦＥＴＱ９〜Ｑ１２ならびに高圧側スイッチング部１２のＦＥＴＱ１３〜Ｑ１６は、ＣＰＵ３０によってスイッチング制御される。一次側および二次側に接続されているコンデンサ１４、１５は、出力平滑用コンデンサである。

動作時、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９が自動的に双方向で電力変換を行うように、その低圧側スイッチング部１１と高圧側スイッチング部１２とを同一の信号で駆動して完全同期させる。この駆動は、周知のように、低圧側スイッチング部１１においてはＦＥＴＱ９とＱ１２のペア、ＦＥＴＱ１０とＱ１１のペアを交互にオン、オフし、高圧側スイッチング部１２においてはＦＥＴＱ１３とＱ１６のペア、ＦＥＴＱ１４とＱ１５のペアを交互にオン、オフすることで行われる。

図５は定電力レギュレータ２１の具体的な構成を示す回路図である。図５において、定電力レギュレータ２１は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の二次側に接続されたチョークコイルＬ５、ダイオードＤ１５、コンデンサＣ２２、およびＦＥＴＱ１６からなる。チョークコイルＬ５とダイオードＤ１５は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の二次側プラスラインに直列に接続され、コンデンサＣ２２およびＦＥＴＱ１６は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の二次側に並列接続される。ＦＥＴＱ１６のドレインはチョークコイルＬ５とダイオードＤ１５のアノードとの結合部に接続される。

この定電力レギュレータ２１は、昇圧型コンバータを構成する。つまり、ＦＥＴＱ１６がオンの期間は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９から入力される電圧でチョークコイルＬ５とコンデンサ２２に電荷が蓄積される。そして、ＦＥＴＱ１６がオフの期間では蓄積された電荷が放出され、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９から入力される電圧に重畳される。その結果、定電力レギュレータ２１からは、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９から入力される電圧よりも高い電圧が出力される。そして、この電圧は、定電力レギュレータ２１の出力が所定の目標電力値となるように制御される。

図６は、第１の実施形態に係る出力制御装置２０に設けられるＣＰＵ３０の要部機能を示すブロック図である。図６において、電力算出部３１は、定電圧レギュレータ２１の出力電流値Ｉｒｅｇと出力電圧値Ｖｒｅｇとが入力され、電力値Ｐｒｅｇが算出される（Ｐｒｅｇ＝Ｉｒｅｇ×Ｖｒｅｇ）。電力比較部３２は電力値Ｐｒｅｇと目標電力値Ｐｔｇｔとを比較し、電力値Ｐｒｅｇが目標電力値Ｐｔｇｔより大きいときは、デューティ低減信号Ｄｄｅｃを、電力値Ｐｒｅｇが目標電力値Ｐｔｇｔより小さいときは、デューティ増大信号Ｄｉｎｃを出力する。デューティ決定部３３は、デューティ初期値を、前記デューティ増大信号Ｄｉｎｃまたはデューティ低減信号Ｄｄｅｃに応答して増減させる。デューティ決定部３３で決定されたデューティＤはドライバ３４に入力され、ドライバ３４は、入力されたデューティＤを有するＰＷＭ信号（パルス）を定電力レギュレータ２１に入力する。定電力レギュレータ２１は、このＰＷＭ信号によって前記ＦＥＴＱ１６を駆動し、デューティに応じて決定される電圧Ｖｒｅｇを出力する。

上述の実施形態では、定電力レギュレータ２１を出力制御装置２０の各構成要素と共通する基板に実装している。したがって、制御電源を交流機３の出力から得るようにして、定電力レギュレータ２１と整流回路５１の出力系統との絶縁が不要である。

本発明は、このような単一の制御系統に定電力レギュレータ２１を含めるのに限らず、次に説明するように、整流器５１の出力系統とは別個の制御系統に定電力レギュレータ２１を設けてもよい。

図７は、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド式発動発電機のシステム構成を示すブロック図であり、図１と同符号は同一または同等部分を示す。第２実施形態では、出力制御装置２０のうち、定電力レギュレータ２１の制御に専用のＣＰＵ３０を設けて、出力制御装置２０を２つの制御系統に分けた。ＣＰＵ３０は定電力レギュレータ２１の制御用でありＣＰＵ２５は整流回路５１の出力系統の制御用である。ＣＰＵ２５、３０には、交流機３およびバッテリ４のそれぞれから個別に動作電力を供給する。図７において、第１の制御ブロック１００は、整流回路５１、インバータ５２および波形成形回路５３と平滑コンデンサＣ１およびＣＰＵ２５からなる。

ＣＰＵ２５は、整流回路５１を交流機３の駆動用インバータとして動作させる際に、整流回路５１のＦＥＴＱ１〜Ｑ３を制御する。また、ＣＰＵ２５は、インバータ５２のＦＥＴＱ５〜Ｑ８を制御して直流−交流変換する。このＣＰＵ２５による動作は周知である。

また、第２の制御ブロック２００は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９、定電力レギュレータ２１、ＣＰＵ３０および検出された電流値と電圧値をＣＰＵ３０にそれぞれ入力する絶縁素子２６、２７からなる。ＣＰＵ３０は図１に関して説明したように定電力レギュレータ２１を制御するとともに、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９によるバッテリ出力電圧の昇圧作用のための制御を行う。

絶縁素子２６、２７は、発光素子と受光素子とからなるフォトカプラである。発光素子は発光ダイオードであり、受光素子は発光ダイオードからの光を受光して、その光量に応じた電流を発生するフォトトランジスタである。絶縁素子２６、２７は、検出電流および検出電圧を示す電圧をＣＰＵ３０に入力する。

ＣＰＵ２５は整流回路５１から電力が供給され、ＣＰＵ３０はバッテリ４から電力が供給されるように構成する。この第２実施形態によれば、２つの制御ブロック１００、２００間において、基準電位つまり接地電位を意識せずに回路構成できるうえで好都合である。

上述のように、各実施形態によれば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力電圧にかかわらず、定電力レギュレータ２１から一定電力をインバータ回路５２に供給して交流機３による発電出力の不足を補うことができる。

なお、定電力レギュレータ２１の制御は、バッテリ４の残容量等、バッテリ４の状態に応じて、バッテリ４の出力による交流機３の出力の補助量を制御することができる。このような補助量つまり補助電力の制御により、バッテリ電圧不足時に急激な補助電力が出力されてバッテリ４が過放電状態となるのを防止することができる。

図８は、バッテリ４の状態によって補助電力を決定する出力制御装置２０のシステム構成図であり、図１と同符号は同一または同等部分を示す。ＣＰＵ３０は、絶縁通信部２８を介してＣＰＵ２９との間で通信を行う。絶縁通信部２８は双方向のフォトカプラからなることができる。

図８において、過負荷状態になるとエンジン２の回転数が低下して交流機３の発電電力が低下するので、整流回路５１の出力電圧も低下する。ＣＰＵ３０は、整流回路５１の出力電圧が定格電圧以下になったときに検出信号を出力する電圧監視手段３０ａを有しており、絶縁通信部２８を通じてＣＰＵ２９に電圧低下を示すデジタルデータ（補助電力開始命令）を伝達する。ＣＰＵ２９は、補助電力開始命令が伝達されると、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９を駆動して補助電力の出力を開始する。

また、ＣＰＵ２９は、常にバッテリ４の状態を監視している。ＣＰＵ２９は、補助電力開始命令を伝達されると、バッテリ４の電圧を読み込んで、バッテリ残容量に応じた補助電力値を決定する。バッテリ電圧を監視する機能（バッテリ監視手段）２９ａは周知のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）に含められる。補助電力値は、バッテリ残容量が所定値より多い場合に、バッテリ残容量が所定値より少ない場合より大きくなるようにバッテリ残容量に対応して、例えばマップとして予め設定しておくことができる。決定された補助電力値は、絶縁通信部２８を通じてＣＰＵ３０に伝達され、図６に示した電力比較部３２に目標電力値Ｐｔｇｔとして入力される。こうして、定電力レギュレータ２１は、バッテリ４の状態に応じた補助電力値をインバータ回路５２に入力することができる。

従来技術では、ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧されたバッテリの電圧Ｖｂａｔｔ＿ｃｏｎが整流器から出力される交流機電圧Ｖａｌｔより大きい場合、発電機最大出力をバッテリから補うために突入電流が流れるので、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９をその突入電流に対応して発電機最大出力に見合うものとしなければならない。しかし、本実施形態によれば、バッテリ４から供給される電力を目標電力値Ｐｔｇｔに収斂させるので、バッテリ４の過放電が防止できるし、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、発電機最大出力に見合うものとしなくてもよい。

従来技術では、ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧された電圧Ｖｂａｔｔ＿ｃｏｎが、整流回路で整流された交流機の出力電圧Ｖａｌｔより高い場合にのみ、これらの電圧の差に対して一義的に決定される補助電力量で交流機出力の補助が可能であった。一方、本実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を定電力レギュレータでさらに昇圧して一定電力を供給できるようにした。したがって、バッテリ電圧の変動があっても整流器から出力される交流機出力よりも高い電圧を形成して常時補助電力を供給するようにできる。

本発明を、実施例に従って説明したが、本発明はこの実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載した事項と周知技術に基づいて変形が可能である。

１…ハイブリッド式発動発電機、２…エンジン、３…交流機、４…バッテリ、９…絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、２１…定電力レギュレータ、２６、２７…絶縁素子、３０…ＣＰＵ、３１…電力算出部、３２…電力比較部、３３…デューティ決定部、３４…ドライバ、５１…整流回路、５２…インバータ回路

Claims

バッテリ（４）と、エンジン（２）で駆動される交流機（３）とを有し、前記バッテリ（４）の出力電力によって前記交流機（３）の発電電力を補助するハイブリッド式発動発電機の出力制御装置（２０）において、
前記交流機（３）の出力を整流する整流回路（５１）の出力側に接続されるインバータ回路（５２）と、
前記バッテリ（４）に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ（９）と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（９）と前記インバータ回路（５２）の入力側との間に設けられた定電力レギュレータ（２１）とを備え、
前記整流回路（５１）の出力電圧を監視する手段（３０ａ）と、
前記バッテリ（４）の出力電圧を監視する手段（２９ａ）と、
前記整流回路（５１）の出力電圧が定格電圧以下になったときに前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（９）を駆動して補助電力の出力を開始するとともに、前記バッテリ（４）残容量に対応した補助電力値を決定する手段（２９）とを備え、
前記決定された補助電力値を前記定電力レギュレータ（２１）の電力目標値とすることを特徴とするハイブリッド式発動発電機の出力制御装置。