(57)【要約】【課題】発電機の出力端子に接続されたキャパシタの充電量に関係なく安定して界磁電流を供給することができる自動車の電源システムを得る。【解決手段】界磁コイル２を有する回転子と、電機子コイル３を有する固定子を備えた発電機１と、電機子コイルに発生する交流電力を整流する整流器４と、界磁コイルに印加する電圧を制御する励磁制御回路６と、整流器の直流側に接続されて電力の授受を行うキャパシタ７と、負荷に接続されたバッテリ８と、キャパシタとバッテリの間に接続され、一方向または双方向へ入力された直流電圧を任意の電圧に変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータ５と、励磁制御回路の電力供給源として、キャパシタ７またはバッテリ８のいずれかを選択可能な切替スイッチ９を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁コイルを有しエンジンに接続されて回転する回転子と、電機子コイルを有する固定子とを備えた発電機と、前記電機子コイルに発生する交流電力を整流し直流に変換する整流器と、前記界磁コイルに印加する電圧を制御する励磁制御回路と、前記整流器の直流側に接続されて電力の授受を行うキャパシタと、車両の電気負荷に接続されたバッテリと、前記キャパシタと前記バッテリの間に接続され、一方向または双方向へ入力された直流電圧を任意の電圧に変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータと、前記励磁制御回路の電力供給源として、前記キャパシタまたは前記バッテリのいずれかを選択可能な切替スイッチとを備えたことを特徴とする自動車の電源システム。
【請求項２】
前記励磁制御回路に入力される電圧がより高い電圧となるように前記切替スイッチの切替え選択を制御するスイッチ制御回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の自動車の電源システム。
【請求項３】
前記スイッチ制御回路によって開閉が制御され、前記界磁コイルへの励磁回路を導通または不通とする駆動スイッチを備え、前記スイッチ制御回路は、システム停止要求があった場合、前記駆動スイッチを開放するように制御することを特徴とする請求項２に記載の自動車の電源システム。
【請求項４】
前記スイッチ制御回路は、キャパシタ取り外し要求があった場合、前記切替スイッチを前記キャパシタ側に接続して界磁コイルに通電し、前記キャパシタを放電させることを特徴とする請求項２に記載の自動車の電源システム。
【請求項５】
前記切替スイッチに代えて、前記キャパシタと前記励磁制御回路の間と、前記バッテリと前記励磁回路の間それぞれにダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載の自動車の電源システム。
【請求項６】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力と前記ダイオードの間に電流制限用の抵抗を備えることを特徴とする請求項５に記載の自動車の電源システム。
【請求項７】
前記発電機は発電電動機であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の自動車の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車に搭載されてバッテリやキャパシタの充電に用いられる自動車の電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の自動車の電源システムとしての車両用交流発電機として、発電機の出力をＤＣ−ＤＣコンバータで降圧し、車載のバッテリへ充電するシステムがある（例えば、特許文献１参照。）。このシステムにおいて、界磁コイルに印加される電力は、高電圧出力よりも低い低電圧出力端子から得られるように構成されている。
【０００３】
また、他の従来例として、車両の運動エネルギを電力エネルギに変換し、電力回生を行うために電気二重層キャパシタを用いたシステムがある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９５１７７号公報
【特許文献２】特許第３６０６７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
車両が減速する時は、エンジンを回転させるための燃料が必要ない。このとき、タイヤからの回転力は動力伝達経路を介し、エンジンの回転力となる。この回転力を発電機によって電気エネルギとして蓄えることで、加速時や定常走行時など燃料を噴射して発電をする領域において、発電のために消費される燃料量を削減することが可能となる。
我々は、特許文献１に記載の従来の車両用交流発電機の高電圧出力端子に、特許文献２に記載の電気二重層キャパシタを接続して蓄電を行い、燃料消費量を削減可能なシステムを考えた。このとき、従来の車両用交流発電機は、界磁コイルに印加可能な電力として高電圧出力端子があるにも関わらず、界磁コイルに印加する電力を低電圧出力端子より得る構成としているため、界磁コイルに十分な電流を流すことができず、車両の減速領域において十分に回生することができないという問題点があった。
【０００６】
また、低電圧出力端子から界磁電流を流すための電力を定常的にとる必要があるため、降圧回路出力端に設置されたコネクタ部分に常時電流が流れ、接触抵抗によるコネクタ部分の発熱が問題となり、信頼性の低下を招いた。コネクタを大型化して接触抵抗を低減することで対策したが、これにより装置自体も大型化し、コストアップにつながった。
【０００７】
一方、上記の問題を解決するために、高電圧出力端子に接続されたキャパシタから界磁電流を流すための電力を得るように構成した場合、界磁コイルの印加電圧を低電圧出力端子に接続されたバッテリから得るようにした場合に比べて、印加可能な最高電圧を引き上げることは可能となったが、キャパシタはバッテリに比べて自己放電が大きい上、充電量に応じた電圧の変化が小さいバッテリと異なり、充電量の増加に応じて電圧が上昇するという特性を持っていることから、長時間放置して放電が進行した場合や、メンテナンス時に充電量がゼロのキャパシタに交換した場合など、キャパシタ電圧が極端に低下している場合は、発電に必要な界磁電流を発生させることができず、キャパシタ自身を充電することができなかった。
【０００８】
さらに、キャパシタ電圧が極端に小さくないまでも、バッテリ電圧より低下している場
合、界磁コイルの電力をバッテリから得た場合に比べ界磁電流を多く流すことができないため、減速時に十分な回生量を得ることができず、燃料を消費せずに回生できる機会を逸してしまうなどの問題があった。
【０００９】
そこで、このようなキャパシタ電圧が低下しているときに充電できない問題を解決するため、キャパシタからバッテリへ、またはその逆方向に電力を双方向へ変換可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを用いてバッテリからキャパシタに充電する方法を考えた。
しかしながら、バッテリは充電量が著しく低下すると、寿命が極端に短くなるという特性をもっており、キャパシタを充電するためには多くの電力量が必要であるため、バッテリの充電量が大幅に低下し、結果的にバッテリの寿命が短くなるなどの弊害があった。
【００１０】
一方、界磁コイルのコネクタ部分や半田部分は異種金属が接触している。発電機はエンジンルーム内にあるため、外気温の変化によって結露したり、路面の水はねなどにより被水したりして、水分の多い環境にある。異種金属が接触している部分に水分が付着した状態で、金属部分に電流が長時間流れると、電食により金属部分が腐食してしまう。
従来装置における界磁コイルは、励磁制御回路を挟んでバッテリに常時接続された状態にあり、励磁制御回路で界磁コイルに流れる電流を遮断した場合でも、微小な漏れ電流により電食が発生した。
【００１１】
また、発電機によって充電されたキャパシタは蓄電した状態にあるため、車両のメンテナンス時など回路からキャパシタを切断する際には、活線作業を行わなければならないという問題も発生した。
【００１２】
更に我々は、発電機を発電電動機として動作させエンジンを始動させることを考えた。発電電動機は、電機子コイルと界磁コイルの両方に通電して磁束を発生させ、磁束の反発力によって回転力を発生させるが、キャパシタ電圧低下時は、界磁コイルに電流を流すことができないため、発電電動機として動作させることができないという問題があった。
【００１３】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、界磁コイルに印加する電力を低電圧出力端子に接続されたバッテリから得た場合に比べて同等以上の回生能力を持つことができ、コネクタ部の過熱対策のため、装置の大型化やコストアップを招くことがない上、高電圧出力端子に接続されたキャパシタの電圧に関係なくキャパシタを充電することができる自動車の電源システムを得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係わる自動車の電源システムは、界磁コイルを有しエンジンに接続されて回転する回転子と、電機子コイルを有する固定子とを備えた発電機と、前記電機子コイルに発生する交流電力を整流し直流に変換する整流器と、前記界磁コイルに印加する電圧を制御する励磁制御回路と、前記整流器の直流側に接続されて電力の授受を行うキャパシタと、車両の電気負荷に接続されたバッテリと、前記キャパシタと前記バッテリの間に接続され、一方向または双方向へ入力された直流電圧を任意の電圧に変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータと、前記励磁制御回路の電力供給源として、前記キャパシタまたは前記バッテリのいずれかを選択可能な切替スイッチとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の自動車の電源システムによれば、界磁コイルに印加する電力を低電圧出力端子からのみ得た場合に比べて、同等以上の回生能力を持たせることができ、また、コネクタ部の過熱対策のため、装置の大型化やコストアップを招くことがない上、高電圧出力端子に接続されたキャパシタの電圧に関係なくキャパシタを充電することができる効果がある。
【００１６】
上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１における自動車の電源システムのシステム構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作フローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２における自動車の電源システムのシステム構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるスイッチ制御回路の動作フローチャートである。
【図５】この発明の実施の形態３における自動車の電源システムのシステム構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４における自動車の電源システムのシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下この発明の実施の形態について、図面を参照して詳述する。なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の自動車の電源システムのシステム構成図である。
図１において、発電機１は図示しないエンジンによって回転され、運動エネルギを電気エネルギに変換する。２は発電機１内部の回転子に固定された界磁コイルで、発電機１の外部から得られる電力によって磁束を発生させる。３は発電機１内部の電機子コイルで、図示しない固定子に固定されている。界磁コイル２に電圧が印加された状態でエンジンによって界磁コイル２が回転させられることで、界磁コイル２の磁束が三相の電機子コイル３を横切るため、電機子コイル３に三相の交流電力が発生する。
４は整流器で、電機子コイル３に発生した三相交流電力を直流電力に変換する三相の全波整流回路である。７は整流器４で直流に変換された電力を蓄電可能なキャパシタである。
【００１９】
５はキャパシタ７に接続された降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、入力された直流電圧を任意の直流電圧に変換する回路である。
例えば、このＤＣ−ＤＣコンバータ５は、入力電圧としてキャパシタ７の電圧が１００［Ｖ］であった場合、デューティ比が１４［％］のＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行うスイッチング回路であり、このＰＷＭ制御によってキャパシタ電圧を１４［Ｖ］に降圧することが可能となる。このＤＣ−ＤＣコンバータ５は、入力電圧を検出する機能を備え、出力電圧が１４［Ｖ］一定となるよう、デューティ比＝１４［Ｖ］／入力電圧、の関係が成立するように、デューティ比を連続的に算出および制御する機能を備える。
【００２０】
６は励磁制御回路であり、界磁コイル２に流れる電流を制御するためのものである。
具体的には、入力電圧を検出する機能と、車速やエンジン回転数などの情報から、車両が減速中かを判断し、減速中であれば最大電力となるように目標界磁電流を設定し、減速以外の領域では最大値の半分の発電量となるように目標界磁電流を設定する、目標界磁電流設定機能と、目標界磁電流から目標印加電圧を設定する機能と、入力電圧と目標印加電圧を比較する機能と、比較結果に応じて界磁コイル２に印加する電圧のデューティ比を制御する機能を備える。
【００２１】
８は蓄電するためのバッテリであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ５によって降圧された電力
を蓄電したり、蓄電した電力を車両の電気負荷Ｌを駆動するために使用したりする。
【００２２】
９は、界磁コイル２に印加される電力をキャパシタ７またはバッテリ８のいずれかから得るように切替えるための切替スイッチである。前述のとおり、キャパシタ７は自己放電作用により時間の経過とともに電圧が低下していくため、キャパシタ７の電圧がバッテリ８の電圧よりも低い場合、バッテリ８から界磁コイル２の電力を得るように切替スイッチ９をバッテリ８側に切替える。さらに、キャパシタ７の電圧がバッテリ８の電圧以上である場合、キャパシタ７から界磁コイル２の電力を得るように切替スイッチ９をキャパシタ７側へ切替える。これにより、界磁コイル２に、より高い電圧を印加することができるため、十分な界磁電流を流すことができ、充電電力を大きくとることが可能となる。
【００２３】
１０は、還流ダイオードであり、界磁コイル２に印加した電圧を急激に遮断した場合でも、界磁コイル２に電流を流し続けるようにすることで、界磁コイル２に高電圧が発生することを防止するものである。
【００２４】
図２は上述したこの発明の実施の形態１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を表すフローチャートである。図２のステップＳ２０１において、入力電圧を検出する。
ステップＳ２０２において、デューティ比＝１４［Ｖ］／入力電圧、の関係が成立するように、デューティ比を連続的に算出する。
ステップＳ２０３において、算出したデューティ比となるようスイッチング回路を制御して、ルーチンを終了する。
【００２５】
以上のように、この発明の実施の形態１の自動車の電源システムによれば、界磁コイルに印加する電力を低電圧出力端子と高電圧出力端子の両方から得るように構成したので、界磁コイルに印加する電力を低電圧出力端子からのみ得た場合に比べて同等以上の回生能力を持たせることができる。また、降圧回路出力端のコネクタ部の過熱対策のため、装置の大型化やコストアップを招くことがない上、高電圧出力端子に接続されたキャパシタの電圧に関係なくキャパシタを充電することができる等、多大の効果を奏するものである。
【００２６】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２の自動車の電源システムのシステム構成図である。
この実施の形態２では、主として図３に記載の切替スイッチ９、駆動スイッチ１４およびスイッチ制御回路１３の動作について説明する。切替スイッチ９、駆動スイッチ１４およびスイッチ制御回路１３以外のシステム構成については、図１に記載の実施の形態１におけるシステム構成と同一である。
図３において、切替スイッチ９は単極双投タイプのリレーであり、通電状態によって通電経路を選択可能としている。切替スイッチ９は、スイッチ制御回路１３によってＯＮ状態またはＯＦＦ状態とされる。切替スイッチ９は、ＯＦＦ時にキャパシタ７に接続され、ＯＮ時にはバッテリ８に接続される。
【００２７】
スイッチ制御回路１３は、キャパシタ７に接続された第１の入力電圧と、バッテリ８に接続された第２の入力電圧のそれぞれを検出する機能と、励磁制御回路６に入力される電圧がより高い電圧となるように、キャパシタ７の電圧がバッテリ８の電圧よりも低い場合はバッテリ８側へ接続されるように切替スイッチ９をＯＮさせ、キャパシタ７の電圧がバッテリ８の電圧以上である場合は、キャパシタ７側へ接続されるように切替スイッチ９をＯＦＦさせる機能を有する。
【００２８】
駆動スイッチ１４は単極単投ノーマルオープンタイプのリレーであり、通電状態によって回路を導通または不通とすることが可能である。駆動スイッチ１４はスイッチ制御回路１３によって、ＯＮ状態またはＯＦＦ状態とされる。駆動スイッチ１４は車両運転時に回
路導通となるようにＯＮし、運転時以外は、回路不通となるようにＯＦＦすることで、使用時以外に漏れ電流が流れることを防ぎ、電食防止機能を有する。
また、メンテナンス時ユーザがスイッチ制御回路１３に対し、図示しないスイッチ制御回路１３に接続されたボタンを押して、キャパシタ７の取り外し要求を出した場合、スイッチ制御回路１３は、切替スイッチ９をＯＦＦ状態としてキャパシタ７に接続し、さらに、駆動スイッチ１４をＯＮして回路導通とすることで、キャパシタ７の電力を界磁コイル２で消費させ、活線作業をすることなくキャパシタ７を取り外すことができるようなメンテナンス機能を有する。
【００２９】
図４は実施の形態２のスイッチ制御回路１３の動作を表すフローチャートである。
図４のステップＳ４０１において、車両の運転状態を判定する。
車両が運転状態であった場合、ステップＳ４０２に進み、車両が停止状態であった場合、ステップＳ４０７に進む。
ステップＳ４０２において、駆動スイッチ１４をＯＮして回路導通状態とし、ステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３において、キャパシタ７に接続されている第１の入力電圧値を検出し、ステップＳ４０４に進む。
ステップＳ４０４において、バッテリ８に接続されている第２の入力電圧値を検出し、ステップＳ４０５に進む。
ステップＳ４０５において、検出した第１の入力電圧値と第２の入力電圧値を比較する。
【００３０】
第１の入力電圧であるキャパシタ７の電圧が、第２の入力電圧であるバッテリ８の電圧以上であった場合は、ステップＳ４１０に進み、第１の入力電圧であるキャパシタ７の電圧が、第２の入力電圧であるバッテリ８の電圧未満であった場合は、ステップＳ４０６に進む。ステップＳ４０６において、切替スイッチ９をＯＮとしバッテリ８側を選択して、ルーチンを終了する。
【００３１】
ステップＳ４０７において、キャパシタ７の取り外し要求があるかどうかを判定する。キャパシタ７の取り外し要求がある場合、ステップＳ４０８に進み、駆動スイッチ１４をＯＮして回路導通状態として、ステップＳ４１０に進む。
キャパシタ７の取り外し要求がない場合、ステップＳ４０９に進み、駆動スイッチ１４をＯＦＦして回路不通状態とし、ステップＳ４１０に進む。
ステップＳ４１０において、切替スイッチ９をＯＦＦとし、キャパシタ７側を選択して、ルーチンを終了する。
【００３２】
以上のように、この発明の実施の形態２の自動車の電源システムによれば、励磁制御回路６に入力される電圧がより高い電圧となるように、切替えスイッチ９の切替えを選択制御するスイッチ制御回路１３を備えるよう構成したので、これにより、スイッチの切替が自動で行われるため、切替作業が不要となる。
また、スイッチ制御回路１３は、システム停止要求があった場合、駆動スイッチ１４を開放するように制御するため、界磁コイル２に流れる漏れ電流を低減することが可能となり、電食の発生を抑制することができる。
さらに、スイッチ制御回路１３は、ユーザよりキャパシタ７の取り外し要求があった場合、切替スイッチ９をキャパシタ７側に接続して界磁コイルに通電し、キャパシタを放電させるように構成しているので、キャパシタ７が充電された状態でメンテナンス作業をする必要があった場合でも、キャパシタを放電させることができるため、活線作業をしないですませることが可能となる。
【００３３】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３におけるシステム構成図である。
この実施の形態３では、主として図５に記載の電力選択用ダイオード１１について説明す
る。電力選択用ダイオード１１以外のシステム構成については、図１に記載の実施の形態１におけるシステム構成と同一である。
この実施の形態３は、実施の形態１における切替スイッチ９に代えて、電力選択用ダイオード１１を備える構成としたものである。
図５に示すように、励磁制御回路６とキャパシタ７の間、および励磁制御回路６とバッテリ８の間に電力選択用ダイオード１１を接続することにより、バッテリ８の電圧がキャパシタ７の電圧より高い場合は、第１の電力選択ダイオード１１ａがＯＮ状態となり、バッテリ８の電力が界磁コイル２に供給される。また、キャパシタ７の電圧がバッテリ８の電圧より高い場合は、第２の電力選択ダイオード１１ｂがＯＮ状態となり、キャパシタ７の電力が界磁コイル２に供給される。
【００３４】
この実施の形態３によれば、電力選択用ダイオード１１によりスイッチの切替が自動で行われるため、切替作業が不要となるうえ、スイッチ制御回路が不要となるため、安価に製作することが可能となる。
【００３５】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４におけるシステム構成図である。
この実施の形態４では、主として図６に記載の電流制限用抵抗１２について説明する。
電流制限用抵抗１２以外のシステム構成については、図５に記載の実施の形態３におけるシステム構成と同一である。
図６において、１２は電流制限用の抵抗であり、バッテリ８と第１の電力選択ダイオード１１ａの間に接続されて、バッテリ８と界磁コイル２を結ぶ経路に流れる電流を制限するためのものである。バッテリ８の電圧がキャパシタ７の電圧より高い場合、第１の電力選択ダイオード１１ａがＯＮ状態となり、バッテリ８の電力が界磁コイル２に供給されることとなるが、このとき電流制限用抵抗１２で電力が消費されるため、閉回路内を流れる電流を制限することができる。
【００３６】
従って、この実施の形態４によれば、バッテリから界磁コイルの電力を得るようにスイッチを切替えた場合でも、コネクタ部に大きな電流が流れることなく、キャパシタを充電することが可能となる。
【００３７】
実施の形態５．
上述の実施の形態１〜４においては、発電機１とこの発電機の出力を全波整流する整流器４を備えたシステムについて説明したが、この実施の形態５では、図１、図３、図５および図６に記載の発電機１を発電電動機で構成するようにしたものである。
この実施の形態５において、発電機１および整流器４以外のシステム構成については、図１、図３、図５および図６に記載の実施の形態１〜実施の形態４におけるシステム構成と同一であるので、ここでは、主として発電電動機１と整流器４の動作について説明する。
【００３８】
図１、図３、図５および図６において、発電機１は発電電動機であり、外部からの回転力により発電機として動作したり、外部からの電力により電動機として動作したりすることが可能である。整流器４は、トランジスタで構成され、発電電動機１が発電動作しているときには、発電電動機機１で発生する三相交流電力を整流する三相全波整流器として動作させ、逆に、発電電動機機１が電動機として動作する場合は、トランジスタに接続された図示しないトランジスタ駆動回路により整流器４をインバータ回路として動作させる。
【００３９】
発電電動機１を電動機として動作させる場合、電動機が出力するトルクは界磁コイル２に発生する磁束と電機子コイル３に発生する磁束によって決まり、それぞれのコイルに発生する磁束の大きさはコイルを流れる電流の大きさに比例するため、より高い電圧を印加するとより大きな電流を流すことが可能となる。前述のとおり、この発明の実施の形態１
〜実施の形態４における励磁制御回路６は、界磁コイル２に、より高い電圧を印加可能であるように構成されているため、この実施の形態５における発電電動機は、大きなトルクを発生できるうえ、キャパシタ７の電圧が低下している場合でも、駆動可能であるように構成することができ、良好な始動性能が得られるものである。
【００４０】
なお、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ５には種々の回路があり、入力された直流電圧を任意の直流電圧に変換する回路であれば良く、上述したこの発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００４１】
また、本発明に係る切替スイッチ９にも種々の形態があり、界磁コイル２に印加する電圧を高電圧出力端子または低電圧出力端子のいずれかより得る構成であれば良く、上述したこの発明の実施の形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１  発電機（発電電動機）
２  界磁コイル
３  電機子コイル
４  整流器
５  ＤＣ−ＤＣコンバータ
６  励磁制御回路
７  キャパシタ
８  バッテリ
９  切替スイッチ
１０  還流ダイオード
１１  電力選択用ダイオード
１２  電流制限用抵抗
１３  スイッチ制御回路
１４  駆動スイッチ
【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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