JP6095428B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電しバッテリを充電する発電機を制御する制御装置に関する。

一般に、内燃機関を搭載した車両においては、内燃機関の出力トルクの一部を発電機に供給して発電を行い、その発電した電力を車両の電装系に供給し、また車載のバッテリに充電している。

発電機に付随するＩＣレギュレータは、バッテリの端子電圧を指令された目標電圧に追従させるべく、発電機の出力を調整する（例えば、下記特許文献を参照）。具体的には、バッテリ電圧が目標電圧よりも低いときに発電機のフィールドコイルに通電して励磁し、逆にバッテリ電圧が目標電圧よりも高いときには同コイルへの通電を遮断して励磁を止める。発電機は、フィールドコイルに通電されている間発電を行い、フィールドコイルへの通電が遮断されている間は発電を停止する。目標電圧は、内燃機関及び発電機の制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）から指令される。

内燃機関及びこれに従動する発電機の回転数が低い領域では、回転数が高い領域と比較して発電機による発電量が少なくなる。そのような状況の下で、各種電気負荷が要求する電力が大きかったり、バッテリが劣化していたりすると、図６に示すように、バッテリ電圧が比較的低い周波数（約１０Ｈｚ以下）で、目標電圧を跨いで上下に揺動する状態に陥る。

さすれば、発電機のフィールドコイルに対する通電／遮断の切り替わりの周期、つまりは発電機の負荷運転（発電する）／無負荷運転（発電せず）の切り替わりの周期が長くなる。結果、内燃機関から車軸に伝達されるトルクの変動が車両の搭乗者に感じられるようになって、ドライブフィーリングを損ねることがあった。

特開２０１２−００２０６８号公報

本発明は、レギュレータによる発電機のコイルへの通電／遮断の切り替わりの周期を短く保ち、搭乗者に感知されるようなトルク変動の発生を抑止することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電しバッテリを充電する発電機を制御する制御装置であって、バッテリ電圧が指令された電圧よりも低いときに発電機のコイルに通電して励磁し、バッテリ電圧が指令された電圧よりも高いときに同コイルへの通電を遮断して励磁を止めるレギュレータを介して発電機の出力を調整するものとし、通常は所要の目標電圧を前記レギュレータに指令する一方、観測される前記コイルへの通電と遮断との切り替わりの周期が所定よりも長くなる場合には、前記目標電圧よりも高い高位電圧と当該目標電圧よりも低い低位電圧とを交互に前記レギュレータに指令し、かつその高位電圧と低位電圧との切り替わりの周期を所定よりも短くすることを特徴とする制御装置を構成した。

コイルへの通電と遮断との切り替わりの周期が所定よりも長くなる場合において、バッテリ電圧が前記目標電圧よりも低いならば、前記高位電圧を指令する期間の割合を大きくする。翻って、バッテリ電圧が当該目標電圧よりも高いならば、前記低位電圧を指令する期間の割合を大きくする。その上で、バッテリ電圧を反復的に計測し、その実測のバッテリ電圧と目標電圧との偏差に応じて、前記レギュレータに高位電圧を指令する期間と低位電圧を指令する期間との割合を随時変更することが好ましい。

本発明によれば、レギュレータによる発電機のコイルへの通電／遮断の切り替わりの周期を短く保ち、搭乗者に感知されるようなトルク変動の発生を抑止することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における発電システムを示す回路図。 同実施形態の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。 従来の制御装置が実行する制御の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

車両に搭載されている発電システムに関して述べる。発電機（オルタネータまたはモータジェネレータ）１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関のクランクシャフトに接続しており、クランクシャフトの回転に従動して回転し、発電した電力を車載バッテリ１２０に充電し、または車両に実装されている各種の電気負荷（照明灯、電動パワーステアリング装置、ラジエータファン、送風用ブロワ、デフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム等。図示せず）に給電する。

図２に、発電システムの等価回路を示す。発電機１１０は、ステータに巻回されたステータコイル１１１と、ステータの内側に配置され回転するロータに巻回されたフィールドコイル１１２とを有する。ステータコイル１１１は三相コイルであり、三相交流の誘起電流を発電する。この誘起電流は、ダイオードを用いてなる整流器１１３によって直流電流とした上でバッテリ１２０に蓄電する。

レギュレータ１３０は、発電機１１０に付随し、発電機１１０が発電して出力する電圧の大きさを制御するＩＣ式のものである。レギュレータ１３０は、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイス（電力用半導体素子）を用いた切替回路１３１を介してフィールドコイル１１２に通電する。

レギュレータ１３０の電圧制御回路１３２は、制御装置たるＥＣＵ０から発電機１１０の目標電圧を指令する信号ｌを受け付け、バッテリ１２０の端子電圧をその指令された目標電圧に追従させるべく、パワーデバイス１３１をスイッチ動作させる。即ち、図３に示しているように、バッテリ電圧が目標電圧よりも低いときにフィールドコイル１１２に通電して励磁し、バッテリ電圧が目標電圧よりも高いときに同コイル１１２への通電を遮断して励磁を止める。

発電機１１０は、内燃機関から見れば機械的な負荷となる。フィールドコイル１１２にフィールド電流が通電されると、発電機１１０が内燃機関のクランクシャフトの回転のエネルギを費やして電気エネルギを生成する仕事をする。その分、内燃機関のクランクシャフトから車両の駆動系ひいては車軸に供給されるトルクが減少する。

フィールドコイル１１２へのフィールド電流の通電が遮断されると、発電機１１０がクランクシャフトの回転のエネルギを費やして電気エネルギを生成する仕事をしなくなる。その分、内燃機関のクランクシャフトから駆動系及び車軸に供給されるトルクが増大する。

内燃機関及び発電機の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｆ、バッテリ１２０に対して流出入する電流及びバッテリ１２０の端子電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電流・電圧信号ｇ、レギュレータ１３０の内蔵回路１３３から出力されるフィールド電流の通電／遮断（パワーデバイス１３１の点弧／消弧）の波形を示す信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、発電機６３の出力電圧を制御する電圧レギュレータ６５に対して電圧指令信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、発電機６３の出力電圧等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

各種電気負荷への電力供給を安定させ、かつバッテリ１２０の寿命を延ばすために、バッテリ電圧は所要の目標電圧、例えば１４．５Ｖに維持することが求められる。因みに、１４．５Ｖの値は、普遍的な車載バッテリ１２０が満充電に近い状態にあるときの端子電圧である。

通常、ＥＣＵ０は、この目標電圧１４．５Ｖをレギュレータ１３０に指令ｌとして与える。これを受けたレギュレータ１３０は、バッテリ電圧が１４．５Ｖ未満であるときにフィールドコイル１１２に通電し、バッテリ電圧が１４．５Ｖ以上であるときにフィールドコイル１１２への通電を遮断する、フィードバック制御を実施する。

内燃機関及びこれに従動する発電機１１０の回転数が比較的高い領域では、発電機１１０が発電可能な電力が大きく、バッテリ電圧が目標電圧を下回ったとしても、急速に当該バッテリ１２０を充電してその電圧を回復させることができる。よって、図３に示しているように、バッテリ電圧は目標電圧から殆ど乖離せず、比較的高い周波数で小さく振動するに止まる。この場合、レギュレータ１３０がスイッチングするフィールド電流の通電／遮断の切り替わりの周期も十分に短くなるので、発電機１１０の負荷運転／無負荷運転の切り替わりに起因するトルク変動が車両の搭乗者に体感されにくい。

これに対し、内燃機関及び発電機１１０の回転数が比較的低い領域では、発電機１１０が発電可能な電力が小さくなる。さらに、電気負荷が大電力を消費していたり、バッテリ１２０の性能が経年劣化していたりすると、バッテリ電圧が目標電圧を下回ったときにこれを速やかに目標電圧まで回復させることが難しくなる。そのため、図６に示すように、バッテリ１２０が目標電圧から大きく乖離し、比較的低い周波数で揺動する様相を呈するようになる。この場合、レギュレータ１３０がスイッチングするフィールド電流の通電／遮断の切り替わりの周期が長くなる。特に、周波数が１０Ｈｚ程度にまで低下すると、発電機１１０の負荷運転／無負荷運転の切り替わりに起因したトルク変動が車両の搭乗者に体感されるようになり、ドライブフィーリングを損ねてしまう。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、発電機１１０のフィールド電流の通電／遮断の切り替わりの周期が所定よりも長くなる状況では、目標電圧１４．５Ｖ自体をレギュレータ１３０に指令することに代えて、当該目標電圧よりも高い高位電圧と、当該目標電圧よりも低い低位電圧とを交互にレギュレータ１３０に指令し、以てフィールド電流の通電／遮断の切り替わりの周期を強制的に短くする。

低位電圧は、平時にバッテリ１２０の端子電圧がとり得る電圧値よりも十分に低く設定する必要がある。本実施形態では、低位電圧を１２．５Ｖとする。ＥＣＵ０からレギュレータ１３０に指令ｌとして低位電圧１２．５Ｖを与えると、この１２．５Ｖは現状のバッテリ電圧を下回ることから、レギュレータ１３０がフィールドコイル１１２にフィールド電流を通電する。即ち、発電機１１０が発電を行う負荷運転状態が必ず具現される。

他方、高位電圧は、平時にバッテリ１２０の端子電圧がとり得る電圧値よりも十分に高く設定する必要がある。本実施形態では、高位電圧を１６．５Ｖとする。ＥＣＵ０からレギュレータ１３０に指令ｌとして高位電圧１６．５Ｖを与えると、この１６．５Ｖは現状のバッテリ電圧を上回ることから、レギュレータ１３０はフィールドコイル１１２へのフィールド電流の通電を遮断する。即ち、発電機１１０が発電を行わない無負荷運転状態が必ず具現される。

従って、ＥＣＵ０がレギュレータ１３０に対して高位電圧と低位電圧とを交互に指令し、かつその高位電圧と低位電圧との切り替わりの周期を十分に短くすれば、図４及び図５に示すように、レギュレータ１３０がスイッチングするフィールド電流の通電／遮断の切り替わりの周期も短くなる。結果、発電機１１０の負荷運転／無負荷運転の切り替わりに起因したトルク変動の周期が短くなり、その変動が車両の搭乗者に体感されなくなる。

尤も、バッテリ１２０の端子電圧の本来の目標は１４．５Ｖであり、高位電圧１６．５Ｖでも低位電圧１２．５Ｖでもない。バッテリ電圧を目標電圧に収束させるためには、ＥＣＵ０がバッテリ１２０の端子電圧を反復的に計測し、その実測のバッテリ電圧と目標電圧との偏差に応じて、レギュレータ１３０に高位電圧を指令する期間と低位電圧を指令する期間との割合を随時変更するフィードバック制御を実施することが望ましい。

実測のバッテリ電圧が目標電圧よりも低い間は、図４に示すように、ＥＣＵ０からレギュレータ１３０に与える電圧指令信号ｌにおいて、高位電圧を指令する期間をより長くし、低位電圧を指令する期間をより短くする。これにより、発電機１１０のステータコイル１１１に誘導される出力電圧が徐々に増大し、バッテリ電圧を目標電圧に向けて引き上げてゆくことが可能となる。

翻って、実測のバッテリ電圧が目標電圧よりも高い間は、図５に示すように、ＥＣＵ０からレギュレータ１３０に与える電圧指令信号ｌにおいて、高位電圧を指令する期間をより短くし、低位電圧を指令する期間をより長くする。これにより、発電機１１０のステータコイル１１１に誘導される出力電圧が徐々に低減し、バッテリ電圧を目標電圧に向けて引き下げてゆくことが可能となる。

ＥＣＵ０がレギュレータ１３０に対して高位電圧と低位電圧とを交互に指令する制御は、内燃機関及び発電機の回転数が比較的低い運転領域に限定して実施すればよい。内燃機関の回転が加速し、エンジン回転数が所定の閾値を上回ったならば、目標電圧そのものをレギュレータ１３０に指令する通常の制御に復帰してよい。その後、再び内燃機関の回転が減速して、エンジン回転数が所定の閾値を下回った、及び／または、レギュレータ１３０を介して観測されるフィールド電流信号ｈの通電／遮断の切り替わりの周期が所定よりも長くなったときに、高位電圧と低位電圧とを交互に指令する制御へと移行する。

本実施形態では、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電しバッテリ１２０を充電する発電機１１０を制御するものであって、バッテリ電圧が指令された電圧よりも低いときに発電機１１０のコイル１１２に通電して励磁し、バッテリ電圧が指令された電圧よりも高いときに同コイル１１２への通電を遮断して励磁を止めるレギュレータ１３０を介して発電機１１０の出力を調整するものとし、通常は所要の目標電圧を前記レギュレータ１３０に指令する一方、前記コイル１１２への通電と遮断との切り替わりの周期が所定よりも長くなる（例えば、１０Ｈｚ以下の低周波数となる）場合には、前記目標電圧よりも高い高位電圧と当該目標電圧よりも低い低位電圧とを交互に前記レギュレータ１３０に指令し、かつその高位電圧と低位電圧との切り替わりの周期を所定よりも短くする（例えば、１０Ｈｚよりも高い周波数とする）ことを特徴とする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、レギュレータ１３０による発電機１１０のコイル１１２への通電／遮断の切り替わりの周期を短く保つことができる。従って、搭乗者に感知されるような低周波数のトルク変動の発生を好適に抑止することが可能となる。並びに、バッテリ電圧の揺動の振幅を縮小して、バッテリ電圧を安定させることができる。

加えて、バッテリ電圧が前記目標電圧よりも低いならば前記高位電圧を指令する期間の割合を大きくし、バッテリ電圧が当該目標電圧よりも高いならば前記低位電圧を指令する期間の割合を大きくするようにしているので、バッテリ電圧を目標電圧近傍に確実に収束でき、バッテリ１２０を適切に保護してその寿命の延命に寄与し得る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、バッテリ１２０の目標電圧、高位電圧及び低位電圧の具体的な数値は、上記実施形態におけるものには限定されない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関に付帯した発電機の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１１０…発電機
１１２…コイル（フィールドコイル）
１２０…バッテリ
１３０…レギュレータ

Claims (2)

1. 内燃機関から回転トルクの伝達を受けて発電しバッテリを充電する発電機を制御する制御装置であって、
   バッテリ電圧が指令された電圧よりも低いときに発電機のコイルに通電して励磁し、バッテリ電圧が指令された電圧よりも高いときに同コイルへの通電を遮断して励磁を止めるレギュレータを介して発電機の出力を調整するものとし、
   通常は所要の目標電圧を前記レギュレータに指令する一方、
   観測される前記コイルへの通電と遮断との切り替わりの周期が所定よりも長くなる場合には、前記目標電圧よりも高い高位電圧と当該目標電圧よりも低い低位電圧とを交互に前記レギュレータに指令し、かつその高位電圧と低位電圧との切り替わりの周期を所定よりも短くすることを特徴とする制御装置。
2. バッテリ電圧が前記目標電圧よりも低いならば前記高位電圧を指令する期間の割合を大きくし、バッテリ電圧が当該目標電圧よりも高いならば前記低位電圧を指令する期間の割合を大きくするものであり、
   バッテリ電圧を反復的に計測し、その実測のバッテリ電圧と目標電圧との偏差に応じて、前記レギュレータに高位電圧を指令する期間と低位電圧を指令する期間との割合を随時変更する請求項１記載の制御装置。

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