JP2005130630A

JP2005130630A - 発電装置およびこれを備える自動車

Info

Publication number: JP2005130630A
Application number: JP2003364334A
Authority: JP
Inventors: Yohei Watanabe; 洋平渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】発電装置の効率を向上させると共に耐久性を向上させる。
【解決手段】エンジンの異なる回転数領域で効率よく発電する二つのオルタネータをエンジンのクランクシャフトに取り付け、その効率が交差する回転数で効率のよい方のオルタネータによりバッテリや補機に電力が供給されるよう二つのオルタネータの調整電圧を切り替える。これにより、発電装置の効率を向上させることができると共に電磁クラッチなどによりオルタネータを切り替えるものに比して装置の耐久性を向上させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、発電装置およびこれを備える自動車に関し、詳しくは、内燃機関からの動力を用いて発電する発電装置およびこれを備える自動車に関する。

従来、この種の発電装置としては、低回転高トルク型の第１オルタネータをエンジンの出力軸に電磁クラッチを介して取り付けると共に高回転低トルク型の第２オルタネータをエンジンの出力軸に電磁クラッチなしに取り付け、エンジンが所定の回転数に至ったときに電磁クラッチにより第１オルタネータを切り離すものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、エンジンが所定の回転数に至るまでは第１オルタネータと第２オルタネータとにより発電し、エンジンが所定の回転数を超えたときには第２オルタネータだけによって発電することにより、エンジンの広範囲な回転数領域で十分な発電量を得るものとしている。
特開平５−９５６３７

しかしながら、上述の発電装置では、十分な発電量を確保することができるものの、オルタネータ自体の効率や装置全体の効率については考慮されていないため、発電効率が低い領域でオルタネータを運転する場合もあり、資源の有効利用という観点から好ましくない場合も生じる。また、上述の発電装置では、電磁クラッチを用いて第１オルタネータの切り離しを行なっているから、クラッチの摩耗なども考慮する必要がある。

本発明の発電装置およびこれを備える自動車は、装置のエネルギ効率を向上させることを目的の一つとする。また、本発明の発電装置およびこれを備える自動車は、発電装置の耐久性の向上を図ることを目的の一つとする。

本発明の発電装置およびこれを備える自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の発電装置は、
内燃機関からの動力を用いて発電する発電装置であって、
前記内燃機関の出力軸に接続され、該内燃機関の複数の異なる回転数領域において効率よく発電するよう調整された複数の発電手段と、
該複数の発電手段のうち効率よく発電している発電手段による発電量が多くなるよう該複数の発電手段を制御する発電制御手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の発電装置では、内燃機関の複数の異なる回転数領域において効率よく発電するよう調整された複数の発電手段のうち効率よく発電している発電手段による発電量が多くなるよう制御するから、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。しかも、こうした制御を内燃機関の回転数に応じて行なうことができる。

こうした本発明の発電装置において、前記発電制御手段は、前記複数の異なる回転数領域の境界を移行するときに前記複数の発電手段のうち移行後の回転数領域で効率よく発電する発電手段により発電されるよう切替制御を行なう手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の発電装置において、前記複数の発電手段は、発電電圧を調整可能な電圧調整手段を介して並列に接続されてなり、前記発電制御手段は、効率よく発電する発電手段の発電電圧が他の発電手段の発電電圧より高くなるよう前記電圧調整手段を制御することにより前記切替制御を行なう手段であるものとすることもできる。こうすれば、電圧調整手段を制御することにより切替制御を行なうから、電磁クラッチを用いて切替制御を行なうものに比して発電装置の耐久性の向上を図ることができる。

また、本発明の発電装置において、前記複数の発電手段は、固定子に巻回されるコイルの巻数が異なる複数の発電機を各々備える手段であるものとすることもできる。こうすれば、コイルの巻数を変えることにより複数の発電手段の効率よく発電する回転数領域を変えることができる。この態様の本発明の発電装置において、前記複数の発電手段は、前記コイルの巻数が第１の巻数の発電機を備える第１発電手段と、前記コイルの巻数が前記第１の巻数より大きな第２の巻数の発電機を備える第２発電手段と、からなる手段であるものとすることもできる。この場合、前記第２の巻数は、前記第１の巻数の２倍であるものとすることもできる。

さらに、本発明の発電装置において、前記複数の発電手段は、前記内燃機関の回転数領域のうち所定の回転数以下の低回転領域で効率よく発電するよう調整された第１の発電手段と、前記内燃機関の回転数領域のうち所定の回転数以上の高回転領域で効率よく発電するよう調整された第２の発電手段とからなるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関の回転数に拘わらず第１の発電手段と第２の発電手段のうちの効率良く発電する発電手段により発電を行なうことができる。

本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の発電装置、即ち、基本的には、内燃機関からの動力を用いて発電する発電装置であって、前記内燃機関の出力軸に接続され、該内燃機関の複数の異なる回転数領域において効率よく発電するよう調整された複数の発電手段と、該複数の発電手段のうち効率よく発電している発電手段による発電量が多くなるよう該複数の発電手段を制御する発電制御手段と、を備える発電装置を搭載することを要旨とする。

この本発明の自動車では、上述のいずれかの態様の本発明の駆動装置用の発電装置を搭載するから、本発明の発電装置が奏する効果、例えば、装置全体のエネルギ効率を向上させる効果などと同様の効果を奏することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例として自動車に搭載されたエンジン１０に接続された発電装置２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は実施例の発電装置２０の電気回路の概略を示す回路図である。実施例の発電装置２０は、図１に示すように、自動車に搭載されたエンジン１０からの動力を用いて発電する二つのオルタネータＧ１，Ｇ２を備える。このオルタネータＧ１，Ｇ２の回転軸に取り付けられたプーリ１５，１６は、エンジン１０のクランクシャフトに取り付けられたプーリ１１にベルト１２により接続されている。また、実施例の発電装置２０は、図２に示すように、オルタネータＧ１，Ｇ２の他に、オルタネータＧ１，Ｇ２の発電電圧を調整する電圧調整回路３０，４０と、オルタネータＧ１，Ｇ２の調整電圧を切り替える信号を出力する信号出力回路５０とを備える。

オルタネータＧ１，Ｇ２は、周知の三相交流発電機として構成された同期発電機２１，２５と、同期発電機２１，２５の各出力端子に接続され同期発電機２１，２５からの三相交流電圧を直流電圧に変換する全波整流回路２２，２６とから構成されている。

電圧調整回路３０は、コレクタが並列接続されたフィールドコイル３１およびダイオード３２を介してオルタネータＧ１の出力端子やこのオルタネータＧ１の出力端子に順方向のダイオード３６を介して接続されたバッテリ６０の正極に接続されたトランジスタＴｒ１と、このトランジスタＴｒ１のベースに出力端子が接続されると共にバッテリ６０の正極に比較電圧の入力端子が接続されたコンパレータ３３と、コンパレータ３３の基準電圧の入力端子に入力される調整電圧を１３．２Ｖと１３．５Ｖとに切り替えるスイッチ回路３４とを備える。なお、トランジスタＴｒ１のエミッタは接地されている。また、スイッチ回路３４には、信号出力回路５０からのスイッチング用の信号が入力されている。信号出力回路５０からの信号に基づいてスイッチ回路３４によりコンパレータ３３に入力される基準電圧が１３．５Ｖに設定された場合を考える。コンパレータ３３は、バッテリ６０の正極の電圧が１３．５Ｖより低い電圧のときにはオン信号を出力し、１３．５Ｖより高いときにはオフ信号を出力する。コンパレータ３３がオン信号を出力すると、これに伴ってトランジスタＴｒ１はオンする。このとき、フィールドコイル３１には電流が流れ、この電流によりフィールドコイル３１が励磁されて起電力を生じ、その結果、オルタネータＧ１の発電電圧が上昇し、バッテリ６０の正極の電圧も上昇する。バッテリ６０の正極の電圧が１３．５Ｖを超えると、コンパレータ３３はオフ出力するから、トランジスタＴｒ１はオフされる。すると、フィールドコイル３１に電流が流れなくなるから、オルタネータＧ１の発電電圧は低下する。これにより、バッテリ６０の正極の電圧も低下する。このようにして、バッテリ６０の正極の電圧は１３．５Ｖとなるよう調整される。次に、信号出力回路５０からの信号に伴ってスイッチ回路３４によりコンパレータ３３に入力される基準電圧が１３．２Ｖに設定された場合を考える。このときには、基準電圧が１３．５Ｖに設定された場合と同様にバッテリ６０の正極の電圧が１３．２Ｖとなるよう調整される。即ち、信号出力回路５０からの信号に基づいてコンパレータ３３の基準電圧を１３．２Ｖや１３．５Ｖに切り替えることにより、バッテリ６０の正極の電圧を１３．２Ｖあるいは１３．５Ｖに調整することができる。

電圧調整回路４０は、信号出力回路５０からの信号をインバータ４５を介してスイッチ回路４４に入力する点を除いて電圧調整回路３０と同様である。電圧調整回路４０は、信号出力回路５０からの信号がインバータ４５によって反転されて入力されるから、電圧調整回路３０の動作とは反転した動作となる。即ち、信号出力回路５０からの信号に伴って電圧調整回路３０のスイッチ回路３４によりコンパレータ３３の基準電圧が１３．５Ｖに設定されるときには電圧調整回路４０のスイッチ回路４４によりコンパレータ４３の基準電圧は１３．２Ｖに設定され、逆に、信号出力回路５０の信号に伴ってスイッチ回路３４によりコンパレータ３３の基準電圧が１３．２Ｖに設定されるときにはスイッチ回路４４によりコンパレータ４３の基準電圧は１３．５Ｖに設定されるのである。コンパレータ３３の基準電圧が１３．５Ｖに設定され、コンパレータ４３の基準電圧が１３．２Ｖに設定されたときを考える。このとき、バッテリ６０の正極の電圧は、電圧調整回路３０により１３．５Ｖに調整されようとすると共に電圧調整回路４０により１３．２Ｖに調整されようとするが、ダイオード３６，４６によりバッテリ６０の正極の電圧は高い方の電圧１３．５Ｖに調整される。このため、バッテリ６０の正極の電圧は常に電圧調整回路４０の基準電圧１３．２Ｖより高い電圧となるので、トランジスタＴｒ２はコンパレータ４３により常にオフにされる。この結果、調整電圧が１３．５Ｖに調整されたオルタネータＧ１によりバッテリ６０や補機７０に電力が供給される。次に、コンパレータ３３の基準電圧が１３．２Ｖに設定され、コンパレータ４３の基準電圧が１３．５Ｖに設定されたときを考える。このとき、上述の場合と同様の現象が生じるから、この同様の現象により調整電圧が１３．５Ｖに調整されたオルタネータＧ２によりバッテリ６０や補機７０に電力が供給される。即ち、コンパレータ３３，４３のうち基準電圧が１３．５Ｖに設定された側のオルタネータによりバッテリ６０や補機７０に電力が供給されるのである。

信号出力回路５０は、オルタネータＧ２の同期発電機２５に取り付けられた回転数センサ５１からの信号に基づく回転数Ｎｇを電圧Ｖｔｍｐに変換する電圧変換回路５３と、この電圧変換回路５３からの出力と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較することにより電圧調整回路３０，４０に信号を出力するコンパレータ５４とから構成されている。ここで、コンパレータ５４に入力する基準電圧Ｖｒｅｆは、電圧変換回路５３により回転数Ｎｇが所定回転数Ｎｇｒｅｆのときに出力される電圧となるよう調整されている。この基準電圧Ｖｒｅｆの意味については後述する。コンパレータ５４は、このオルタネータＧ２の回転数Ｎｇが所定回転数Ｎｇｒｅｆより小さいときにスイッチ回路３４によりコンパレータ３３の基準電圧が１３．２Ｖに設定されると共にスイッチ回路４４によりコンパレータ４３の基準電圧が１３．５Ｖに設定される信号（オフ信号）を出力し、オルタネータＧ２の回転数Ｎｇが所定回転数Ｎｇｒｅｆより大きいときにその逆、即ちスイッチ回路３４によりコンパレータ３３の基準電圧が１３．５Ｖに設定されると共にスイッチ回路４４によりコンパレータ４３ｎ基準電圧が１３．２Ｖに設定される信号（オン信号）を出力する。前述した電圧調整回路３０，４０の動作と併せて考えると、オルタネータＧ２の回転数Ｎｇが所定回転数Ｎｇｒｅｆより小さいときにはスイッチ回路４４によりコンパレータ４３の基準電圧が１３．５Ｖに設定された側のオルタネータＧ２によりバッテリ６０や補機７０に電力が供給され、オルタネータＧ２の回転数Ｎｇが所定回転数Ｎｇｒｅｆより大きいときにはスイッチ回路３４によりコンパレータ３３の基準電圧が１３．２Ｖに設定された側のオルタネータＧ１によりバッテリ６０や補機７０に電力が供給されることになる。

次に、オルタネータＧ１，Ｇ２を構成する同期発電機２１，２５の構成について説明する。同期発電機２１および同期発電機２５は同じロータと同じステータとから構成され、ステータに巻回されたコイルの巻数のみが異なっている。図３にコイルの巻数による同期発電機の発電効率と回転数との関係を示す。図中、２Ｔ，３Ｔ，４Ｔ，６Ｔ，８Ｔはコイルの巻数を示している。図示するように、同期発電機は、コイルの巻数により効率よく発電する回転数が異なる。図３の例では、コイルの巻数が少なくなるほど大きな回転数領域で発電効率がよくなる傾向がある。実施例では、オルタネータＧ１の同期発電機２１としては４Ｔとなる巻数のものを用い、オルタネータＧ２の同期発電機２５としては８Ｔとなる巻数のものを用いた。そして、同期発電機２１，２５の効率が交差する回転数を前述した所定回転数Ｎｇｒｅｆとして用いた。信号出力回路５０におけるコンパレータ５４の基準電圧Ｖｒｅｆは、オルタネータＧ１，Ｇ２の回転数が所定回転数Ｎｇｒｅｆのときに電圧変換回路５３から出力される電圧となるように調整されているから、オルタネータＧ１，Ｇ２の効率が交差する所定回転数Ｎｇｒｅｆによってバッテリ６０や補機７０に電力供給するオルタネータを切り替えることになる。なお、図１に示すように、オルタネータＧ１，Ｇ２はエンジン１０のクランクシャフトの回転に伴って回転するから、オルタネータＧ１，Ｇ２の回転数はエンジン１０の回転数に置き換えることができる。

次に、こうして構成された発電装置２０の動作について説明する。図４は、オルタネータＧ１，Ｇ２の回転数に伴ってバッテリ６０や補機７０に電力を供給するオルタネータを切り替える様子をその効率と共に示す説明図である。エンジン１０が低回転で運転されてオルタネータＧ１，Ｇ２の回転数が所定回転数Ｎｇｒｅｆより低いときには、スイッチ回路４４によりコンパレータ４３の基準電圧が１３．５Ｖに設定された側のオルタネータＧ２、即ち、低回転側で効率のよい方のオルタネータＧ２によりバッテリ６０や補機７０に電力を供給し、エンジン１０が高回転で運転されてオルタネータＧ１，Ｇ２の回転数が所定回転数Ｎｇｒｅｆを超えるとスイッチ回路３４によりコンパレータ３３の基準電圧が１３．５Ｖに設定された側のオルタネータＧ１、即ち、高回転側で効率のよい方のオルタネータＧ１によりバッテリ６０や補機７０に電力を供給する。即ち、エンジン１０の回転数に基づいて効率よく発電しているオルタネータによりバッテリ６０や補機７０に電力を供給するのである。

以上説明した実施例の自動車に搭載された発電装置２０によれば、エンジン１０の異なる回転数領域において効率よく発電するよう調整された二つのオルタネータＧ１，Ｇ２のうち効率よく発電しているオルタネータによりバッテリ６０や補機７０に電力を供給することができる。この結果、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。また、電圧調整回路３０，４０によりオルタネータＧ１，Ｇ２のうち効率よく発電するオルタネータを切り替えるから、電磁クラッチを用いてオルタネータからの電力切替制御を行なうものに比して発電装置２０の耐久性の向上を図ることができる。

実施例の発電装置２０では、オルタネータＧ１としてコイルの巻数が４Ｔの同期発電機２１を用いると共にオルタネータＧ２としてコイルの巻数が８Ｔの同期発電機２５を用いるものとしたが、コイルの巻数が異なる同期発電機を用いればよいから、その巻数は如何なる巻数としてもよい。

実施例の発電装置２０では、コイルの巻数により低回転側で効率がよくなるオルタネータと高回転側で効率がよくなるオルタネータとを用いたが、コイルの巻数以外により低回転側で効率がよくなるオルタネータと高回転側で効率がよくなるオルタネータとを用いるものとしてもよい。

実施例の発電装置２０では、オルタネータＧ１，Ｇ２を切り替えるために１３．２Ｖと１３．５Ｖの電圧を調整電圧として切り替えるものとにしたが、調整電圧としてはバッテリ６０の定格電圧によって定めればよいから、切り替える電圧はこれらの電圧に限られるものではない。

実施例の発電装置２０では、２つのオルタネータＧ１，Ｇ２によりバッテリ６０や補機７０に電力を供給するものとしたが、エンジン１０の異なる回転数領域で効率がよくなる３つ以上のオルタネータを切り替えてバッテリ６０や補機７０に電力を供給するものとしてもよい。

実施例では、発電装置２０を自動車に搭載するものとしたが、この発電装置２０により電力を供給するものであれば、自動車以外の車両や船舶、航空機などに適用するものとしてもよい。また、建設機器用の駆動装置など据え置き型の装置に適用するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、自動車産業および機械産業に利用可能である。

本発明の一実施例として自動車に搭載されたエンジン１０に接続された発電装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の発電装置２０の電気回路の概略を示す回路図である。コイルの巻数による同期発電機の発電効率と回転数との関係を示す特性図である。オルタネータＧ１，Ｇ２の回転数に伴ってバッテリ６０や補機７０に電力を供給するオルタネータを切り替える様子をその効率と共に示す説明図である。

符号の説明

１０エンジン、１１，１５，１６プーリ、１２ベルト、２１，２５同期発電機、２２，２６全波整流回路、３０，４０電圧調整回路、３１，４１フィールドコイル、３２，３６ダイオード、３３，４３，５４コンパレータ、３４，４４スイッチ回路、４２，４６ダイオード、４５インバータ、５１回転数センサ、５３電圧変換回路、Ｇ１、Ｇ２オルタネータ、Ｔｒ１，Ｔｒ２トランジスタ。

Claims

内燃機関からの動力を用いて発電する発電装置であって、
前記内燃機関の出力軸に接続され、該内燃機関の複数の異なる回転数領域において効率よく発電するよう調整された複数の発電手段と、
該複数の発電手段のうち効率よく発電している発電手段による発電量が多くなるよう該複数の発電手段を制御する発電制御手段と、
を備える発電装置。
前記発電制御手段は、前記複数の異なる回転数領域の境界を移行するときに前記複数の発電手段のうち移行後の回転数領域で効率よく発電する発電手段により発電されるよう切替制御を行なう手段である請求項１記載の発電装置。
請求項２記載の発電装置であって、
前記複数の発電手段は、発電電圧を調整可能な電圧調整手段を介して並列に接続されてなり、
前記発電制御手段は、効率よく発電する発電手段の発電電圧が他の発電手段の発電電圧より高くなるよう前記電圧調整手段を制御することにより前記切替制御を行なう手段である
発電装置。
前記複数の発電手段は、固定子に巻回されるコイルの巻数が異なる複数の発電機を各々備える手段である請求項１ないし３いずれか記載の発電装置。
前記複数の発電手段は、前記コイルの巻数が第１の巻数の発電機を備える第１発電手段と、前記コイルの巻数が前記第１の巻数より大きな第２の巻数の発電機を備える第２発電手段と、からなる手段である請求項４記載の発電装置。
前記第２の巻数は、前記第１の巻数の２倍である請求項５記載の発電装置。
前記複数の発電手段は、前記内燃機関の回転数領域のうち所定の回転数以下の低回転領域で効率よく発電するよう調整された第１の発電手段と、前記内燃機関の回転数領域のうち所定の回転数以上の高回転領域で効率よく発電するよう調整された第２の発電手段とからなる請求項１ないし６いずれか記載の発電装置。
請求項１ないし７いずれか記載の発電装置を備える自動車。