(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電源を備えた車両の充電システムであって、
少なくとも２つの電源に対応して設けられた少なくとも２つの車両用交流発電機と、
少なくとも２つの電源間に設けられた電圧変換回路とを有しており、
前記車両用交流発電機は、
回転磁界を発生する回転子と、
該回転子と所定の間隔を隔てて配置され、前記回転子の磁化により交流電圧を発生させる固定子巻線を有する固定子と、
前記交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備えており、
前記車両用交流発電機の一方側にはバッテリーが並列に接続されており、
前記車両用交流発電機の他方側の出力端子には負荷回路が直接接続されており、
前記車両用交流発電機の他方側に供給される界磁電流は、前記車両用交流発電機の一方側に並列に接続されたバッテリーから供給されており、
前記電圧変換回路は、前記車両用交流発電機の一方側の出力電圧を電圧変換して、前記車両用交流発電機の他方側の出力端子に直接接続された負荷回路に供給するように、少なくとも２つの電源間に設けられていることを特徴とする複数台の車両用交流発電機を備えた充電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の複数台の車両用交流発電機を備えた充電システムにおいて、
前記車両用交流発電機の一方側は連続運転されるものであり、
前記車両用交流発電機の他方側は、負荷に応じて非連続的に動作するものであることを特徴とする複数台の車両用交流発電機を備えた充電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の複数台の車両用交流発電機を備えた充電システムにおいて、
前記車両用交流発電機の他方側はエンジンコントロールユニットからの信号で起動停止することを特徴とする複数台の車両用交流発電機を備えた充電システム。
【請求項４】
請求項１に記載の複数台の車両用交流発電機を備えた充電システムにおいて、
前記車両用交流発電機は、エンジンのクランクプーリに連動して回転するようにベルトで連結されており、
前記車両用交流発電機のそれぞれの出力電圧は異なっていることを特徴とする複数台の車両用交流発電機を備えた充電システム。
【請求項５】
請求項１に記載の複数台の車両用交流発電機を備えた充電システムにおいて、
前記車両用交流発電機の他方側は、
前記車両用交流発電機の一方側よりも出力電圧が高く、
かつそのプーリとエンジンのクランクプーリとの比が前記車両用交流発電機の一方側のプーリとエンジンのクランクプーリとの比よりも大きく、前記車両用交流発電機の一方側よりも高速回転で駆動されることを特徴とする複数台の車両用交流発電機を備えた充電システム。
【請求項６】
請求項１に記載の複数台の車両用交流発電機を備えた充電システムにおいて、
前記車両用交流発電機の他方側は、それに直接接続された負荷回路に電力の供給が必要な場合のみ、エンジンコントロールユニットからの運転指令により指示されて動作し、電力の供給が必要な場合には運転を中止することを特徴とする複数台の車両用交流発電機を備えた充電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用交流発電機を備えた充電システムに係り、特に自動車用発電装置として好適な車両用交流発電機の充電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用交流発電機には、以下の公知例がある。まず第１及び第２の公知例は、特開昭６１−１２５９６４号及び特開昭６１−１５５０５６号公報に記載されているように、第一の車両用交流発電機を１２Ｖ系の発電に用いて、第２の車両用交流発電機を電動パワステ用の電源に用いたものが開示されている。電動パワステ用の電源としては、第２の車両用交流発電機のみから電力は供給される構成で第２の車両用交流発電機用のバッテリーは設けられていない。第３及び第４の公知例としては、特開平２−９７２３６号及び特開平３−１８３３３１号公報に記載されている、低圧側の車両用交流発電機と高圧側の車両用交流発電機の２台を搭載した車両が開示されており、低圧側の電力が不足した場合には高圧側の車両用交流発電機から低圧側に電力を供給するものである。第５の公知例としては、特開平５−２１１７２７号公報に記載されているものは、車両用交流発電機は低圧用又は高圧用の１台で、高圧側負荷と低圧側負荷が接続されるバッテリーの双方を充電可能とした構成が開示されている。第６の公知例としては、特開平６−６２５３９号公報に記載のように一定速で回転するように構成された１台の車両用交流発電機の出力は、直流電圧出力と交流電圧の２種類の出力があり、交流電圧側出力は電圧変換回路を介して低圧側のバッテリーを充電する構成であり、直流電圧出力は直接高圧側に接続された構成が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、第１及び第２の公知例では２台の車両用交流発電機を低速側と高速側に分けて電力の供給を行うものであるが、相互に電力供給できる手段がないためにそれぞれの負荷に応じた車両用交流発電機が必要となり、個々の車両用交流発電機の体格増大につながる。また、第３及び第４の公知例では、高圧側から低圧側への電力供給が可能となっているが、高圧側の電力不足が生じた場合には対応できない構成である。第５の公知例では、１つの車両用交流発電機で２種類の電圧を充電するように構成されたもので、車両用交流発電機が１台となるために体格増大が考えられる。また、１台の車両用交流発電機が故障した場合にはどちらの電源も充電が止まってしまう問題点がある。第６の公知例では一定速で回転できるように構成された車両用交流発電機から第５の公知例と同様に低圧側電源と高圧側電源の２電源を作成するために一台の車両用交流発電機が故障した場合にはどちらの系統の電源も充電できなくなってしまい車両の走行不能が発生する。
【０００４】
本発明の目的は、低圧側電源と高圧側電源を必要とする車両システムに於いて、どちらかの電源からも他方の電源を充電できるようにして、電力の相互供給が可能なシステムを提案するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも２つの電源を備えた車両の充電システムであって、少なくとも２つの電源に対応して設けられた少なくとも２つの車両用交流発電機と、少なくとも２つの電源間に設けられた電圧変換回路とを有しており、車両用交流発電機は、回転磁界を発生する回転子と、この回転子と所定の間隔を隔てて配置され、回転子の磁化により交流電圧を発生させる固定子巻線を有する固定子と、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備えており、車両用交流発電機の一方側にはバッテリーが並列に接続されており、車両用交流発電機の他方側の出力端子には負荷回路が直接接続されており、車両用交流発電機の他方側に供給される界磁電流は、車両用交流発電機の一方側に並列に接続されたバッテリーから供給されており、電圧変換回路は、車両用交流発電機の一方側の出力電圧を電圧変換して、車両用交流発電機の他方側の出力端子に直接接続された負荷回路に供給するように、少なくとも２つの電源間に設けられていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１により説明する。図１は２台の車両用交流発電機を用いた車両の電源システムを示したものである。全体の構成について説明する。第一の車両用交流発電機１は低圧側の１２Ｖ用バッテリー３に並列に接続されており、１２Ｖ用の電気負荷５も同様に並列に接続されている。このとき、１２Ｖ用のバッテリー３のマイナス側は電子回路系のアース電位であると共に車両の車体に接続されている。次に、第二の車両用交流発電機２は３６Ｖ用のバッテリー４及び３６Ｖ用の負荷回路６と並列に接続されている。また、第一の車両用交流発電機の出力は直流電圧変換回路７を介して第二の車両用交流発電機２の出力と接続されている。また、第二の車両用交流発電機２の出力は直流電圧変換回路８を介して第一の車両用交流発電機１の出力に接続されている。図中の矢印は電力の移動方向を示している。
【０００７】
それぞれの直流電圧変換回路７及び８は、入力側の電圧を出力側の電圧に変換するものである。本実施例では、直流電圧変換回路７は昇圧回路に相当し、直流電圧変換回路８は降圧回路に相当する。よって、この２つの直流電圧変換回路のどちらか一方を動作するようにすれば、他方の電圧の異なる負荷に電力を供給することができる。また、直流電圧変換回路７若しくは直流電圧回路８はどちらか一方のみが動作するように制御されるため、１つの回路構成で昇降圧の変換ができる機能を有していればそれを用いても良い。
【０００８】
次に、車両用交流発電機を２台設けた構成にする理由について説明する。従来例にもあるように公知例では１台の車両用交流発電機を用いて、１電源を発電し、電圧変換回路を用いて第２の電圧を作成しなければならないために、１台の車両用交流発電機で２種類の電源を作成しなければならない。そのために車両用交流発電機の発電容量が大きくならざるを得ないために、車両用交流発電機の体格が増大する欠点がある。また、体格が大きいと車載性に欠けてしまう。また、本実施例では高圧側の３６Ｖ電源は電力の比較的大きいものに用いる電源を想定しており、電気触媒，補助動力用モータ等に用いるものである。例えば電気触媒を例にとって説明すると、電力の一番必要なときは、エンジンが始動した直後でエンジン回転数がアイドリング回転にほぼ近い回転数時である。従来型の車両用交流発電機はエンジン回転数に対してプーリ比が２．５  倍程度に設定されているため、アイドリング時の回転数を８００ｒ／ｍｉｎ  と想定して、２．５  倍を乗算すると２０００ｒ／ｍｉｎ  で最大電力を供給することが必要となっていた。そのために、体格の増大もやもを得なかった。
【０００９】
本発明では、必要電源に合わせて複数個の車両用交流発電機を単独で動作させ、車載性を考慮すると共に、それぞれの車両用発電機の出力を他の電源で使用できるように直流電圧変換回路を介して構成したものである。よって、個々の車両用交流発電機が小さくできることは言うまでもなく、エンジンとのプーリ比を別々に使用負荷に応じて設定できることで、負荷に応じて回転数を変えることができるものである。また、発電電圧毎に車両用交流発電機を設けたことで、１台の車両用交流発電機にトラブルが発生しても、残りの車両用交流発電機と昇降圧回路でバックアップが可能であり最悪の事態を回避することができるものである。
【００１０】
上記説明の低圧側１２Ｖ電源は、ランプ，電子回路等の負荷に供給される電源であり、高圧側の３６Ｖ電源は、電力の比較的大きいモータ駆動電源や電気触媒，溶融ガラス等の連続的に電力を必要とするものではなく、短い時間に大電力が消費されるものである。よって、高圧側の３６Ｖバッテリー４には常に電力を蓄えておき、電力が必要なときにバッテリー４と第２の車両用交流発電機２を動作させて電力の供給を行うものである。また、低圧側の１２Ｖ負荷による電力が足りなくなって車両用交流発電機１の発電でまかなえない場合には、直流電圧変換回路８を動作させて高圧側から低圧側に電力を供給させるようにする。直流電圧変換回路の動作については、供給側のバッテリー端子電圧を検出することで動作のオン，オフを決定する。具体的な動作を、低圧側の車両用交流発電機１側に高圧側から電流を供給する場合について説明する。車両用交流発電機１の発電電圧は無負荷の場合約１４．５Ｖ  であるが、電気負荷５に流れる電流が大きくなるとバッテリー３の端子電圧は低下してくる。電圧変換器８は、この供給側のバッテリー３の端子電圧が例えば１３．５Ｖ  以下になった場合に動作するように設定すれば、第１の車両用交流発電機１の発電不足が発生した場合、高圧側から電力を供給でき低圧側バッテリーの放電を防ぐことができる。また、その逆の高圧側のバッテリー端子電圧が４０．５Ｖ  以下となった場合に直流電圧変換回路７を動作するように設定すれば、第二の車両用交流発電機２の発電が不足した場合には低圧側から高圧側に電力の供給ができるものである。また、同時に低圧及び高圧の電圧が低下した場合には、エンジンを制御しているエンジンコントロールユニットの電源を供給している低圧側の電源を優先することで制御系の安定性を図るものである。
【００１１】
次に、第２の実施例を図２を用いて説明する。図２は、高圧側の負荷回路６に高圧側のバッテリーを省略した場合を示したものである。図２の全体構成について説明する。低圧側の第一の車両用交流発電機１には１２Ｖのバッテリー３と
１２Ｖ用の負荷５が並列に接続されている。バッテリー３のマイナス側は車体にアースされており電源の基準電位となっている。高圧側の電源回路は、第二の車両用交流発電機２の出力端子に高圧用の負荷回路６が接続されており、基準電位は先に説明した低圧側の基準電位と同電位である。直流電圧変換回路７は低圧側から高圧側へ電圧変換して充電ができるように昇圧回路７を配置した構成である。図の矢印に示すように電力の流れは低圧側から高圧側の一方向である。この理由は、高圧側で使用される負荷の特性から電力供給時間が短いためである。低圧側バッテリー３に多少負担をかけても、高圧側の車両用交流発電機２の小型化が可能となる。この場合、高圧側の車両用交流発電機２の界磁電流は、高圧側にはバッテリーが無いために低圧側のバッテリー３から電力を供給するようにしている。また、高圧側の車両用交流発電機２の動作を決定する信号は、エンジンコントロールユニット９（ＥＣＵ）からの信号１０で動作するようにしたものである。エンジンコントロールユニット９は高圧側の負荷要求を検出して高圧側の車両用交流発電機２をオン，オフ動作させる。また、エンジンコントロールユニット９は低圧側のバッテリー３が過放電状態にならないように１２Ｖバッテリー３の端子電圧を常に監視をしている（図示ぜず）。
【００１２】
図２に示したように、不連続的に動作する高圧用負荷６に電力を供給するときのみ第二の車両用交流発電機２を動作させるようにすることで、高圧側の電力需要がない場合には第二の車両用交流発電機２が発電しないようにエンジンコントロールユニット９からの信号１０により発電を停止させるように制御する。直流電圧変換回路７は、出力側の電圧を検出しており本実施例の場合には高圧側の電源を３６Ｖに想定しているために４０．５  Ｖ以下になった場合に直流電圧変換回路７をオンして高圧側へ低圧側から電力を供給する。
【００１３】
図３に第一の実施例において実際にエンジンに取り付けられた車両用交流発電機の構成について説明する。
【００１４】
図３は、図１で説明した２台の車両用交流発電機をエンジンのクランクプーリを介して接続した様子を示したものである。構成について説明する。第一の車両用交流発電機１のプーリ１２はエンジン１１のクランクプーリ１３とベルトを介して接続されている。第一の車両用交流発電機１は低電圧用に用いるために常に回転することから、プーリ比は２．５倍程度に設定されている。第二の車両用交流発電機２のプーリ１４はエンジン１１のクランクプーリ１５にベルトを介して接続されている。第二の車両用交流発電機２の動作としては、エンジン始動時のみの動作が想定されているためにプーリ比は、第一の車両用交流発電機１のプーリ比よりも大きい４倍程度で接続されており、エンジン１１がアイドリングで回転していても、出力が十分出せる回転数に設定している。先にも述べたように第一の車両用交流発電機１の負荷側には、低圧側の１２Ｖバッテリー３及び低圧側の負荷回路５が接続されている。第二の車両用交流発電機２の負荷側には高圧側の３６Ｖバッテリー４及び高圧側負荷回路６が接続されている。それぞれのバッテリー間には直流電圧変換回路７８が配置され、バッテリーの端子電圧に応じて昇圧回路若しくは降圧回路が動作するように設定されている。先にも述べたように低圧側と高圧側のバッテリー電圧がどちらも基準電圧よりも低くなった場合には、低圧側の充電を優先する。
【００１５】
図４に図３で説明した直流電圧変換回路７８の回路構成を示す。構成について説明する。低圧用１２Ｖバッテリー３の両端子間には平滑用のコンデンサ２２が並列に接続されている。コンデンサ２２のプラス側端子は、リアクトル２１が接続されその他方は昇圧用トランジスタ２３のコレクタに接続されている。また、このコレクタには昇圧用のダイオード２４のカソードと降圧用トランジスタのエミッタ及び降圧用のダイオード２６のアノードに接続されている。降圧用のトランジスタ２５のコレクタと前記降圧用ダイオード２６のカソード及び平滑コンデンサ２７のプラス側及び高圧用のバッテリー４のプラス端子に接続されている。バッテリー４のマイナス側はコンデンサ２７のマイナス側及び昇圧用ダイオード２４のアノード、昇圧用トランジスタ２３のエミッタ、コンデンサ２２のマイナス側及び低圧側バッテリー３のマイナス端子が接続されている。昇圧用トランジスタ２３のベースにはＡＮＤ回路２８の出力が接続され、前記ＡＮＤ回路２８の２つの入力には昇圧又は降圧を選択する昇圧／降圧選択信号Ｕ／Ｄ及び昇圧時のデューティ信号Ｕｄが接続されている。先に述べた、昇圧／降圧選択信号Ｕ／Ｄはインバータ回路３０の入力側にも接続されており、そのインバータ回路３０の出力はＡＮＤ回路２９の入力に接続されている。ＡＮＤ回路２９の他方の入力には降圧デューティ信号Ｄｄが接続されており、ＡＮＤ回路２９の出力信号は前記降圧側トランジスタ２５のベースに接続されている。
【００１６】
以上の構成に於いて動作について説明する。まず、低圧側のバッテリー３から高圧側のバッテリー４に昇圧する場合について説明する。この場合、高圧側のバッテリー４の端子電圧が４０．５Ｖ以下となったときに動作するもので、この電圧検出はエンジンコントロールユニット（図示せず）で行う。そして、先に述べた４０．５Ｖ  の値よりも小さくなった場合には、昇圧回路を動作させるために、昇圧／降圧選択信号Ｕ／ＤをＨレベルとする。そして、降圧用のバッテリー４の端子電圧が４０．５Ｖ  程度になるように昇圧用トランジスタ２３のベースに加わる昇圧デューティ信号Ｕｄのデューティを決定する。この場合ＡＮＤ回路２９の昇圧／降圧選択信号Ｕ／ＤはＬレベルとなっているために、高圧側のトランジスタ２５はオフの状態で動作しない。次に、降圧時の動作について説明する。降圧は、低圧側の車両用交流発電機１の発電量に対して低電圧側の負荷５の使用する電力が大きくなった場合に発生し、低圧側のバッテリー３の端子電圧が１３．５Ｖを割った場合に動作するものである。電圧検出は、昇圧と同様にエンジンコントロールユニット（図示せず）により低電圧側のバッテリー３の端子電圧を検出して、基準電圧以下（１３．５Ｖ）になった場合には昇圧／降圧選択信号Ｕ／ＤをＬレベル出力とする。よって、ＡＮＤ回路２８の出力はＬレベルとなり、また、
ＡＮＤ回路２９の出力信号はＨレベルとなる。また、エンジンコントロールユニットからは降圧デューティ信号Ｄｄを低電圧側バッテリー３の端子電圧が１３．５Ｖ程度になるように先のデューティを決定するものである。以上の説明では、昇降圧スイッチにトランジスタを用いて説明したがＭＯＳ−ＦＥＴ，ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で有れば同様な機能を果たす。また、昇圧回路及び降圧回路が動作する電圧検出レベルを低電圧の場合１３．５Ｖ、高圧側では１３．５Ｖの３倍の４０．５Ｖ  として説明したが、この電圧は多少前後しても差し支えない。また、電圧変換する変換電圧を低圧の場合１３．５Ｖ、高圧側の場合１３．５Ｖの３倍の４０．５Ｖ  として説明したが、この電圧値も多少大きくしてもかまわない。ただし、大きくした場合には動作電圧にヒステリシスを持たせる必要がある。
【００１７】
図５は、図２に示した低圧側の車両用交流発電機１のみにバッテリー４が接続され、高圧側の車両用交流発電機２には高圧側の電気負荷のみが接続された場合に、低圧側から高圧側へ電力の供給を行うための昇圧回路構成について示したものである。まず構成について説明する。低圧側バッテリー３のプラス側にはリアクトル２１の一方の端子が直列に接続されている。リアクトル２１の他方の端子には昇圧用のトランジスタ２３のコレクタ及びダイオード２４のカソード及びダイオード２６のアノードが接続され、ダイオード２６のカソード側には平滑コンデンサ２７のプラス側と高圧用のバッテリー４のプラス側端子が接続されている。低圧側のバッテリー３のマイナス側は前記トランジスタ２３のエミッタ，ダイオード２４のアノード，コンデンサ２７のマイナス側及び高圧側のバッテリー４のマイナス端子に接続されている。昇圧動作については先にも述べたが、エンジンコントロールユニット等の演算部を搭載したものや、アナログ回路で予め設定した基準電圧よりも検出電圧が小さくなったときのみデューティが出せるようなコンパレータ等を用いた比較回路により、トランジスタの昇圧デューティを決定する。
【００１８】
この昇降圧回路を設けた特徴は、高圧側の負荷の使用頻度が低いことを前提としたシステムに於いて、高圧側の車両用交流発電機２の小型化を狙ったもので、使用頻度の低い高圧側の負荷電流が足りない場合には低電圧側から電力の供給を行うことで達成しようとするものである。
【００１９】
以上の説明では、車両用交流発電機２台が１台のエンジンで駆動される場合について説明したが、２台のエンジンを搭載した車両の場合、低圧側の車両用交流発電機と高圧側の車両用交流発電機は別々のエンジンで駆動することもできる。例えば、エンジンを２台搭載した例としては、バス，キャンピングカーなどがある。
【００２０】
次に、図６を用いて低圧側と高圧側のバッテリー及び直流電圧変換回路を一体化構成して小型化を図った構造について説明する。まず、構成について説明する。ケース４０の内部には低圧側バッテリー３と高圧側バッテリー４が配置されている。そのバッテリーの間には両バッテリーの電圧を変換するために、直流電圧変換回路７８が配置されている。また、それぞれのバッテリーは配線４１によって接続されていると共に、両バッテリーの端子は低圧側の車両用交流発電機１及び高圧側車両用交流発電機２に接続されている。この図に示すように、バッテリーと直流電圧変換回路を一体化して構成することでコンパクトな配置を実現できる。図に示したようにケース４０は断熱材で構成されるプラスチック製の物でも良いが、スイッチングノイズを外部に出さないために金属製のケースでシールドすることも可能である。
【００２１】
また、本発明では低圧側と高圧側のグランドレベルを同一とした説明を行ったが、例えば高圧側の電圧が３６Ｖ電源以上の電圧に於いては、高圧側を絶縁した方が良い場合もある。その場合には、昇圧回路の部分に絶縁トランスを配置した構成で実現できる。
【００２２】
以上述べたように、本発明の目的は低電圧側及び高電圧側の電力共有を実現して、個々の車両用交流発電機の小型化、及びバッテリーサイズの小型化の効果がある。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば低圧側若しくは高圧側のどちらか一方の車両用交流発電機が故障した場合にも、片側の車両用交流発電機で低圧側及び高圧側の電力を供給できるので、最低限の機能を使用して修理工場まで車を安全に走行させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例を説明するために２台の車両用交流発電機を用いて２電源の電圧を充電するための構成図。
【図２】第２の実施形態を説明するシステム構成図。
【図３】エンジンと車両用交流発電機のレイアウト図。
【図４】第１の実施形態の昇降圧回路の説明図。
【図５】第２の実施形態の昇圧回路の説明図。
【図６】バッテリーと電圧変換回路を一体的にケース内に配置した構成図。
【符号の説明】
１…低圧側車両用交流発電機、２…高圧側車両用交流発電機、３…低圧側バッテリー、４…高圧側バッテリー、５…低圧側負荷、６…高圧側負荷、７…直流電圧変換回路（昇圧側）、８…直流電圧変換回路（降圧側）、９…エンジンコントロールユニット、１０…起動信号、１１…エンジン、１２，１４…プーリ、１３，１５…クランクプーリ、１６…励磁用電源、２１…リアクトル、２２，２７…コンデンサ、２３，２５…トランジスタ、２４，２６…ダイオード、２８，２９…ＡＮＤ回路、３０…インバータ回路、Ｕｄ…昇圧デューティ信号、Ｄｄ…降圧デューティ信号、Ｕ／Ｄ…昇圧／降圧選択信号、４０…ケース、４１…配線、
７８…昇降圧直流電圧変換回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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