(57)【要約】【課題】小型化、部品点数削減、構成およびその制御の簡単化に十分に応えることができるエンジン駆動式発電機を提供すること。【解決手段】エンジンに連結された発電機１の出力は、整流回路３、インバータ４を介して出力される。発電機１は電動機兼用発電機であり、駆動用インバータによりエンジン始動用電動機として駆動される。整流回路３は、駆動用インバータ回路の各スイッチング素子に並列に設けられた整流素子からなる。整流回路３の出力側とバッテリ６の出力端子との間にＤＣ−ＤＣコンバータ５を設ける。エンジンの始動時にはバッテリ６を電源として発電機１をエンジン始動用電動機として駆動する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに連結された発電機と、該発電機の出力を整流する整流回路と、該整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータとを備えるエンジン駆動式発電機において、
前記発電機は電動機兼用発電機であり、
該電動機兼用発電機をエンジン始動用電動機として駆動する駆動用インバータ回路を有し、
前記整流回路は、前記駆動用インバータ回路の各スイッチング素子に並列に設けられた整流素子からなり、
前記整流回路の出力側とバッテリの出力端子との間に、前記バッテリの出力端子側を低電圧の一次側直流電圧、前記整流回路の出力側を高電圧の二次側直流電圧に設定したＤＣ−ＤＣコンバータを有し、
前記エンジンの始動時に前記バッテリを電源として前記電動機兼用発電機をエンジン始動用電動機として駆動することを特徴とするエンジン駆動式発電機。
【請求項２】
前記整流回路の出力側に前記インバータへの入力電圧を制御するレギュレータを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側は前記整流回路と前記レギュレータとの間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動式発電機。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン駆動式発電機。
【請求項４】
前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
低圧側端子と、高圧側端子と、低圧側巻線と高圧側巻線を含むトランスと、前記低圧側端子と前記低圧側巻線の間に挿入された低圧側スイッチング素子と、前記高圧側端子と前記高圧側巻線との間に挿入された高圧側スイッチング素子と、前記低圧側スイッチング素子に並列接続された低圧側整流素子と、前記高圧側スイッチング素子に並列接続された高圧側整流素子と、前記低圧側スイッチング素子および前記高圧側スイッチング素子を制御する制御回路とを備えることを特徴とする請求項３に記載のエンジン駆動式発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン駆動式発電機に関し、特に、エンジンで駆動される発電機をエンジン始動用電動機としても使用するエンジン駆動式発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン駆動式発電機は、携帯用から非常用までさまざまな用途の電源装置として普及している。近年では、特に、小型化および部品点数削減の要求から、エンジン駆動式発電機をエンジン始動用電動機に兼用することも行われるようになってきた。
【０００３】
エンジン駆動式発電機をエンジン始動用電動機に兼用する場合、エンジン駆動式発電機の交流出力が、例えばＡＣ１００Ｖであるとすると、発電機自体としては波高値で１４０Ｖ以上を出力しなければならないものとなるため、この発電機をエンジン始動用電動機として駆動するには、１４０Ｖ程度の直流電源（高圧バッテリ）が必要となる。
【０００４】
また、発電機を、エンジン始動時に電動機として動作させ、エンジン始動後は発電機として動作させるために、発電機出力回路と電動機用始動回路とを別々に設け、発電機として動作させるときと電動機として動作させるときとでそれらの回路を切り替えて使用するのが一般的である。
【０００５】
電動機用始動回路に発電機出力回路を兼用したエンジン駆動式発電機も提案されている。例えば、特開平５−２９２７９９号公報には、エンジンに連結された交流発電機と、順変換部と逆変換部を有する電力変換装置と、エンジン始動用バッテリとを備え、エンジン始動時にバッテリを電源として順変換部をインバータ運転するとともに交流発電機を電動機運転するエンジン式発電装置において、順変換部をハーフブリッジ回路とすることにより順変換部にかかるコストを低減させるエンジン式発電装置が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のエンジン駆動式発電機では、発電機をエンジン始動用電動機として駆動させるために、前述のように、発電機出力以上の高圧のバッテリを必要とし、高圧バッテリは高価である。また、発電機出力回路と電動機用始動回路とを別々に設けたエンジン駆動式発電機は、小型化および部品点数削減の要求に応えたものになっていない。
【０００７】
前記公報で提案されているような、電動機用始動回路に発電機出力回路を兼用した従来のエンジン駆動式発電機では、部品点数を削減できるが、交流出力を取り出すためのインバータの一部やその出力側のリアクトルを昇圧用のコンバータとして使用しているため、電動機として動作させるとき（エンジンの始動時）と発電機として動作させるときとで配線接続の切り替えが必要になり、構成およびその制御が複雑になるという課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、前記の課題を解決し、小型化、部品点数削減、構成およびその制御の簡単化に十分に応えることができるエンジン駆動式発電機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために、本発明は、エンジンに連結された発電機と、該発電機の出力を整流する整流回路と、該整流回路の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータとを備えるエンジン駆動式発電機において、前記発電機は電動機兼用発電機であり、該電動機兼用発電機をエンジン始動用電動機として駆動する駆動用インバータ回路を有し、前記整流回路は、前記駆動用インバータ回路の各スイッチング素子に並列に設けられた整流素子からなり、前記整流回路の出力側とバッテリの出力端子との間に、前記バッテリの出力端子側を低電圧の一次側直流電圧、前記整流回路の出力側を高電圧の二次側直流電圧に設定したＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記エンジンの始動時に前記バッテリを電源として前記電動機兼用発電機をエンジン始動用電動機として駆動する点に第１の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、前記整流回路の出力側に前記インバータへの入力電圧を制御するレギュレータを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側は前記整流回路と前記レギュレータとの間に接続されている点に第２の特徴がある。
【００１１】
また、本発明は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである点に第３の特徴がある。
【００１２】
さらに、本発明は、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが、低圧側端子と、高圧側端子と、低圧側巻線と高圧側巻線を含むトランスと、前記低圧側端子と前記低圧側巻線の間に挿入された低圧側スイッチング素子と、前記高圧側端子と前記高圧側巻線の間に挿入された高圧側スイッチング素子と、前記低圧側スイッチング素子に並列接続された低圧側整流素子と、前記高圧側スイッチング素子に並列接続された高圧側整流素子と、前記低圧側スイッチング素子および前記高圧側スイッチング素子を制御する制御回路とを備える点に第４の特徴がある。
【００１３】
本発明の第１の特徴によれば、発電機出力回路と電動機始動用回路とを共用化することができ、発電機として動作させるときと電動機として動作させるときとで配線接続を切り替える必要がないので、回路構成を簡単にすることができるとともに、その制御が容易になる。
【００１４】
また、第２の特徴によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータから始動回路へ供給される高電圧がインバータへ印加されないようにすることができる。したがって、インバータの耐圧を大きくとる必要がないので、インバータが簡単な構成、安価なもので済む。
【００１５】
また、第３の特徴によれば、エンジン始動後の運転時には、整流回路の出力電圧に応じてバッテリを充電、あるいはバッテリから電力を引き出すことができる。これにより、負荷の一時的な増加により発電機出力が不足した場合でも、バッテリからの電力でその不足分を補充することが可能になる。
【００１６】
さらに、第４の特徴によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を簡素化することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係るエンジン駆動式発電機の概念を示すブロック図である。同図において、発電機１は、エンジン２に連結されている。発電機１は、例えば３相の多極磁石発電機からなり、電動機として動作することもできる電動機兼用発電機である。
【００１８】
整流回路３は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機１の出力を整流する。また、整流回路３の各整流素子にはＦＥＴなどのスイッチング素子が並列接続されており、これらのスイッチング素子は、そのオン、オフによりＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加する駆動用インバータを構成している。
【００１９】
なお、整流回路３を構成する整流素子は、ＦＥＴなどのスイッチング素子の寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。インバータ４は、整流回路３の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。
【００２０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、そのバッテリ側のスイッチング素子が駆動させることによりバッテリ６の電圧を昇圧し、昇圧した電圧を整流回路３の出力側に印加する。以下では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５のバッテリ側を一次側、整流回路３側を二次側と呼ぶことがある。バッテリ６は、例えば、セルスタータとして一般的に使用されている１２Ｖのバッテリである。
【００２１】
次に、図１の動作を説明する。まず、エンジン２の始動時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５をその一次側より二次側へ電力変換が行われるように駆動する。これは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一次側のスイッチング素子を駆動し、二次側に誘起された出力を整流することにより達成される。これによりバッテリ６のＤＣ電圧が昇圧されたＤＣ電圧が駆動用インバータ（整流回路）３に印加される。このＤＣ電圧は、エンジン２の始動指令によって駆動される駆動用インバータ３のスイッチング素子のオン、オフにより３相のＡＣ電圧に変換されて発電機１に印加される。これにより、発電機１はエンジン始動用電動機として起動される。
【００２２】
エンジン２が始動すると、発電機１はエンジン２により駆動され、駆動用インバータ３のスイッチング動作は停止される。発電機１の出力は、整流回路（インバータとしては不動作）３で整流され、インバータ４で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。
【００２３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５を整流回路３の出力側に接続しているため、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとすれば、整流回路３の出力でバッテリ６を充電することができる。すなわち、発電機１の出力が十分あり、バッテリ６の電圧が低下している時にＤＣ−ＤＣコンバータ６をその二次側より一次側へ電力変換が行われるように駆動すれば、これにより降圧された電圧でバッテリ６を充電することができる。
【００２４】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとし、その一次側と二次側とを完全同期で、すなわち同一駆動信号で駆動するようにすれば、トランスの巻線比による一次側と二次側の相対電圧差で自動的に電力のやり取りを行わせることができる。
【００２５】
図２は、本発明に係るエンジン駆動式発電機の一実施形態の具体的回路を示す回路図であり、図１と同じあるいは同等部分には同じ番号を付してある。３相の発電機１は、エンジン（図示せず）に連結される。発電機１の出力側は、駆動用インバータに接続される。この駆動用インバータは、例えば、ＦＥＴなどの６つのスイッチング素子（以下、ＦＥＴと記す。）３−１〜３−６をブリッジ接続して構成される。
【００２６】
ＦＥＴ３−１〜３−６のそれぞれには、ダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子は、ＦＥＴの寄生ダイオード、あるいは別途接続した接合ダイオードでもよく、これらの整流素子により整流回路３が構成される。
【００２７】
整流回路３の出力側は、レギュレータを含むことができる平滑・調整回路７を介してインバータ４に接続される。インバータ４は、例えば、４つのＦＥＴ４−１〜４−４をブリッジ接続して構成される。
【００２８】
整流回路３と平滑・調整回路７の接続点は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の二次側に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一次側は、例えば１２Ｖのバッテリ６に接続される。
【００２９】
本例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、バッテリ６と整流回路３の出力との間で双方向に電力を融通する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、一次側の低圧側巻線５−１−１と二次側の高圧側巻線５−１−２を備えるトランス５−１含む。このＤＣ−ＤＣコンバータ５の昇圧比は、低圧側巻線５−１−１と高圧側巻線５−１−２の巻線比により決定される。
【００３０】
低圧側スイッチング部５−２は、低圧側巻線５−１−１側に挿入され、高圧側スイッチング部５−３は、高圧側巻線５−１−２側に挿入される。低圧側スイッチング部５−２は、例えば、４つのＦＥＴ５−２−１〜５−２−４をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部５−３も同様に４つのＦＥＴ５−３−１〜５−３−４で構成される。
【００３１】
低圧側スイッチング部５−２および高圧側スイッチング部５−３の各ＦＥＴ５−２−１〜５−２−４、５−３−１〜５−３−４にはダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子もＦＥＴの寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。並列接続された整流素子を合わせれば、低圧側スイッチング部５−２および高圧側スイッチング部５−３はそれぞれ、スイッチング・整流部と考えることができる。
【００３２】
トランス３−１の高圧側巻線３−１−２側にはＬＣ共振回路５−４が挿入される。ＬＣ共振回路５−４は、低圧側スイッチング部５−２および高圧側スイッチング部５−３の少なくとの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。これは、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。
【００３３】
低圧側スイッチング部５−２のＦＥＴ５−２−１〜５−２−４および高圧側スイッチング部５−３のＦＥＴ５−３−１〜５−３−４は、ＣＰＵなどからなる制御回路（図示せず）によりスイッチング制御される。なお、一次側および二次側に接続されているコンデンサ７、８は、出力平滑用コンデンサである。
【００３４】
次に、図２の動作を説明する。まず、エンジンの始動時には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の低圧側スイッチング部５−２を駆動し、これにより昇圧したバッテリ６のＤＣ電圧を駆動用インバータ（整流回路）３に印加する。低圧側スイッチング部５−２の駆動の態様は、通常のＤＣ−ＤＣコンバータと同様であるので説明は省略する。駆動用インバータ３は、印加されたＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。
【００３５】
エンジンが始動すると、発電機１はエンジンにより駆動されて出力を発生し、駆動用インバータ３のスイッチング動作は停止する。発電機１の出力は、整流回路（駆動用インバータ）３で整流され、平滑・調整回路７で平滑・調整され、さらにインバータ４で所定周波数の交流電力に変換されて出力される。
【００３６】
バッテリ６の電圧が低下した時、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の高圧側スイッチング部５−３を駆動すれば、整流回路３の出力をＤＣ−ＤＣコンバータ５により降圧し、この電圧によりバッテリ６を充電することができる。
【００３７】
発電機１がエンジンで駆動されているときに、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の低圧側スイッチング部５−２と高圧側スイッチング部５−３とを完全同期で、すなわち同一駆動信号で駆動することもできる。このようにすれば、整流回路（駆動用インバータ）３側とバッテリ６側とでトランス巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に従い自動的に電力のやり取りを行わせることができる。
【００３８】
以上、実施形態について説明したが、本発明は、種々に変形可能である。例えば、エンジン始動時にバッテリ６を電源として発電機１を始動用電動機として駆動するには、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、一次側より二次側へ電力を変換できるものであれば十分である。また、平滑・調整回路７のレギュレータは必ずしも必要なものでないが、レギュレータを設ければ、ＤＣ−ＤＣコンバータ５からの高電圧がインバータ４に印加されないようにすることができ、その耐圧を大きくとる必要がなくなる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５のＬＣ共振回路５−４は、二次側ではなく一次側に設けることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に詳細に説明したように、本発明によれば、発電機出力回路と電動機始動用回路を共用化することができ、発電機としての動作時と電動機としての動作時とで配線接続を切り替える必要がないので、回路構成を簡単にすることができるとともに、その制御が容易になる。
【００４０】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータを双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとすることにより、エンジン始動後の運転開始時には、整流回路の出力電圧に応じてバッテリを充電、あるいはバッテリから電力を引き出すことができる。これにより、負荷の一時的な増加により発電機出力が不足した場合でも、バッテリからの電力でその不足分を補充することが可能になる。
【００４１】
さらに、高価な高圧バッテリを使用することなく一般車載用などで広く使用されているバッテリ（１２Ｖ）を電源としつつ、発電機出力回路と電動機始動用回路を共用化し、発電機とエンジン始動用電動機を共用化したエンジン駆動式発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジン駆動式発電機の概念を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るエンジン駆動式発電機の一実施形態の具体的回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１・・・発電機（電動機兼用発電機）、２・・・エンジン、３・・・整流回路（駆動用インバータ）、３−１〜３−６，４−１〜４−４，５−２−１〜５−２−４、５−３−１〜５−３−４・・・ＦＥＴ、４・・・インバータ、５・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、５−１・・・トランス、５−１−１・・・低圧側巻線、５−１−２・・・高圧側巻線、５−２・・・低圧側スイッチング部、５−３・・・高圧側スイッチング部、５−４・・・ＬＣ共振回路、６・・・バッテリ、７・・・平滑・調整回路、８，９・・・平滑用コンデンサ
【図１】
2004282826.tif 000003
【図２】
2004282826.tif 000004