JP2013243837A - 車両用発電装置およびその発電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電に消費される燃料量を低減できる車両の発電装置を得る。
【解決手段】内燃機関１０１により駆動されて発電を行う発電機１０２、発電機の発電電力により充電されるバッテリ１０５、内燃機関の発電に消費される燃料量を低減する発電制御装置１０３を備え、発電制御装置１０３は、内燃機関のトルク増加に消費される燃料量が少ない動作領域を設定する手段１０９と、発電機の回転数と発電電圧に応じて発電効率が高い電力を発電電力目標値に設定する手段１１０と、内燃機関の動作点が前記動作領域にある場合に発電機の発電量が目標値になるように制御する手段１１３を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用発電装置およびその発電制御方法に係り、特に、内燃機関の発電に消費される燃料量の低減に関するものである。

従来、車両には各種電気負荷への電力供給およびバッテリへの充電を行うために発電機が搭載されている。この発電機は内燃機関に駆動されて発電を行うため、内燃機関が稼動中はその発電のためにも燃料が消費されている。

これに対し、近年、環境問題により車両の燃費改善が望まれており、発電に消費される燃料量を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この従来技術では、発電による内燃機関の動力増加分を加算した燃料消費量マップに基づき、燃料消費量が少ない内燃機関の動作領域で発電を実施することにより、発電に消費される燃料量を低減するようになされている。

特許第４１５８６１５号公報

ところが、上記特許文献１に示される従来技術では、発電に消費される燃料量に発電機の効率（発電機を駆動する仕事に対し発電機が出力する電力の割合）および発電機の駆動時間が考慮されていない。そのため、発電機の効率が低い場合は高い場合に比べ、同じ電力量を得るために多く仕事量を要することで発電に消費される燃料量が増加することが懸念される。

この発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、発電を行う内燃機関の動作領域だけでなく、発電機の効率を考慮することで、内燃機関が稼動中の発電による電力量あたりの燃料消費量を低減できる車両用発電装置および車両用発電装置の発電制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係わる車両用発電装置は、内燃機関により駆動されて発電を行う発電機と、前記発電機の発電電力により充電されるバッテリと、前記内燃機関の発電に消費される燃料量を低減する発電制御装置とを備えた車両用発電装置であって、前記発電制御装置は、前記内燃機関のトルク増加に消費される燃料量が少ない動作領域を設定する手段と、前記発電機の回転数と発電電圧に応じて、発電効率が高い発電電流目標値を算出し、発電効率が高い電力を発電電力目標値に設定する発電電力設定手段と、前記内燃機関の動作点が前記動作領域にある場合に、前記発電機の発電量が前記発電電力目標値となるように制御する制御手段を備えたものである。

さらに、前記発電制御装置は、前記発電機の発電電力目標値に応じて前記発電機が発電効率の高い回転数領域にある場合に発電を行う手段を備えたものである。

また、この発明に係わる車両用発電装置の発電制御方法は、内燃機関により駆動されて発電を行う発電機と、前記発電機の発電電力により充電されるバッテリと、前記内燃機関の発電に消費される燃料量を低減する発電制御装置を備えた車両用発電装置の発電制御方法であって、回転数とトルク（またはトルク相当分）に基づいて内燃機関の動作点を検出する第１のステップと、前記検出された動作点が、発電に消費される燃料量が少ない動作領域である燃料発電実行動作領域にあるか否かを判定する第２のステップと、発電機の回転数と発電電圧に応じて発電効率が高い発電電流目標値を算出し、発電機を効率よく作動させる発電電力目標値を設定する第３のステップと、前記第３のステップで設定された発電電力目標値に応じて、発電機の回転数が発電効率の高い回転数領域にあるか否かを判定する第４のステップと、前記発電機の発電電流を算出する第５のステップと、前記第３のステップで算出した発電電流目標値と前記第５のステップで算出した発電電流との偏差に基づいて調整電圧を設定する第６のステップと、設定された調整電圧に基づいて発電機の発電量を制御する第７のステップを備えたものである。

この発明の車両用発電装置および車両用発電装置の発電制御方法によれば、発電に消費される燃料量が少ない内燃機関の動作領域で、発電機の動作点に応じて発電機を発電効率の高い電力で作動させることにより、内燃機関が稼動中の電力量あたりの燃料消費量を低減することができる。

また、この発明の車両の発電装置および車両用発電装置の発電制御方法によれば、発電電力の目標値に応じて発電機の効率が高い回転数領域で発電を行うことにより、発電機の回転数による発電効率の変化を抑え、常に高い発電効率で発電を行うことができる。これにより、内燃機関が稼働中の電力量あたりの燃料消費量を更に低減することができる。

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。

この発明の実施の形態１における車両の発電装置を搭載した内燃機関の概略構成図である。 この発明の実施の形態１における発電制御装置の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における内燃機関の燃料消費量マップである。 この発明の実施の形態１における発電機の効率マップである。 この発明の実施の形態１における発電機の最大効率を示すマップである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における車両用発電装置を搭載した内燃機関の概略構成図である。図１において、内燃機関１０１は、ドライブベルトを介して発電機１０２を駆動し、発電制御装置１０３は、発電電圧調整装置１０４の調整電圧を操作することにより発電機１０２の発電電力を制御する。尚、ここでは、より制御精度の高い形態として発電電圧調整装置１０４を備えた形態を示すが、安価なシステムとして、発電制御装置１０３はその内部に発電電圧調整装置１０４に代わる手段を備えることができ、その場合は、発電制御装置１０３は発電機１０２の発電電力を直接制御することができる。

発電機１０２で発電された電力は、バッテリ１０５に充電される電力と車両の電気負荷１０６で消費される電力に分配され、バッテリ１０５の充電電流は負極端子に取り付けられた電流センサ１０７により検出することができ、電気負荷１０６で消費される電流は同様に電流センサ１０８により検出することができる。発電機１０２の発電電流は、発電電圧制御装置１０３の発電電流算出手段１１２にて、バッテリ充電電流に車両の電気負荷電流を加算して算出することができる。尚、ここでは電流センサ１０７および１０８を備えた形態を示すが、発電機１０２の発電電流を直接検出する形態として発電機１０２とバッテリ１０５の正極端子の間に電流センサを備えてもよい。

また、安価なシステムとして電流センサ１０７を備えない場合は、発電機１０２がオルタネータであれば、回転数とＦＲデューティー出力（オルタネータ内部のフィールドコイル通電比率の出力値）から発電電流をマップ算出してもよい。また、発電制御装置１０３
に書き込まれた演算プログラム中にバッテリ１０５の充電状態を模擬する演算モデル（演算式または演算ブロック）を備えることで、充電電流を推定するようにしてもよい。
また、電流センサ１０８を備えない場合は、作動中の電気負荷の定格消費電力から車両の電気負荷電流を算出してもよい。

図２は、実施の形態１における発電制御装置１０３（図１参照）の処理を示すフローチャートであり、所定の演算周期（例えば１００ｍｓｅｃ）で実行される。
図２において、ステップ２００では、バッテリ１０５の負極端子に取り付けられた電流センサ１０７を用いてバッテリの充放電電流を検出し、ステップ２０１の処理へ進む。

ステップ２０１では、内燃機関の動作点として回転数とトルク（またはトルクに代わる吸気管圧または充填効率）を検出し、ステップ２０２へ進む。
ステップ２０２では、発電実行動作領域判定手段１０９により、内燃機関の動作点が燃焼発電実行動作領域、即ち発電に消費される燃料量が少ない内燃機関の動作領域（詳細は図３を用いて後述する）にあるか否かを判定し、動作領域内にあればステップ２０３へ進む。

ステップ２０３では、発電電力設定手段１１０により、発電機の回転数と発電電圧に応じて発電効率が高い発電電流目標値をマップ算出する（詳細は図５を用いて後述する）。即ち、発電機を効率良く作動させる発電電力は、発電電圧に発電電流目標値を乗算して設定される。ここで、発電機の回転数は内燃機関の回転数にプーリー比を乗算して、発電電圧はバッテリ電圧に発電機までの配線抵抗分を加算して算出することができる。
ステップ２０４では、発電実行回転数領域判定手段１１１により、ステップ２０３で設定された発電電力に応じて、発電機の回転数が発電効率の高い回転数領域（詳細は図５を用いて後述する）にあるか否かを判定し、発電効率の高い回転数領域内にあればステップ２０５へ進む。

ステップ２０５では、発電電流算出手段１１２により、バッテリ１０５の充電電流に車両の電気負荷電流を加算して発電機の発電電流瞬時値を算出し、ステップ２０６へ進む。
ステップ２０６では、発電電流制御手段１１３により、ステップ２０３でマップ算出した発電電流目標値とステップ２０５で算出した発電電流瞬時値の偏差に基づき発電電圧調整装置１０４へ指令する電圧設定値を出力し、ステップ２０９へ進む。

ステップ２０２で内燃機関の動作点が燃焼発電実行動作領域外にある場合、またはステップ２０４で発電機の回転数が発電効率の高い回転数領域外にある場合は、ステップ２０７へ進む。ステップ２０７では、燃焼発電を実行しない場合にバッテリが過剰に放電しないように放電許容電流を設定し、ステップ２０８へ進む。
ステップ２０８ではバッテリの放電許容電流と放電電流（充電電流の逆符号）の偏差に基づき発電電圧調整装置１０４へ指令する電圧設定値を出力し、ステップ２０９へ進む。

尚、ここではバッテリのＳＯＣ（充電状態）が使用範囲内にある場合の放電手法を示すが、この範囲を超えてＳＯＣが低下すれば、例えばバッテリ１０５が鉛バッテリの場合は放電性能の低下により始動不可となる恐れや劣化の進行が懸念されるため、ステップ２０７でバッテリ充電電流を設定することにより、続くステップで強制的にバッテリを充電してもよい。バッテリのＳＯＣはバッテリの充放電電流を積算して算出してもよいし、バッテリセンサを備えることで直接検出してもよい。

ステップ２０９では、ステップ２０６またはステップ２０８で設定された調整電圧を発電電圧調整装置１０４へ指令し、今回の処理を終了する。
以上の一連の処理により、燃焼発電を実行する場合は、発電に消費される燃料量が少ない内燃機関の動作領域で、発電機を発電効率の高い電力で作動させることができる。また、燃焼発電を実行しない場合は、バッテリを許容電流の範囲内で放電させることができる。尚、ここでは発電機側の制御処理のみを示すが、燃焼発電による車両の駆動トルク変化については、内燃機関側の制御処理として、発電量に応じたトルク分をスロットル開度や点火時期の変更により補うことでドライバーの違和感を防止できることは言うまでもない。

図３は、この発明の実施の形態１における内燃機関の燃料消費量マップである。内燃機関がガソリンエンジンの場合、その特性上、回転数毎に燃料消費率（Ｌ／ｋＷｈ）が最小となるエンジントルク（Ｎｍ）が存在する。そのため、燃料消費率（Ｌ／ｋＷｈ）にエンジン出力（ｋＷ）を乗算した燃料消費量（Ｌ／ｈ）の特性は、燃料消費率（Ｌ／ｋＷｈ）が最小となるエンジントルク（Ｎｍ）を変極点に、エンジントルク（Ｎｍ）が変極点を超えると燃料消費量（Ｌ／ｈ）が急激に増加する。即ち、燃焼発電はこの変極点を超えて実施すべきではない。

以上の燃料消費量（Ｌ／ｈ）の特性を考慮して、回転数毎に単位トルク（１Ｎｍ）増加に要する燃料消費量の増加ΔＦ（Ｌ／ｈ）が少ない動作領域を定めれば、領域３０１となる。よって、この動作領域３０１を燃焼発電実行動作領域に定めることにより、発電に消費される燃料量を少なく抑えることができる。

図４は、この発明の実施の形態１における発電機の効率マップである。発電機がオルタネータの場合、その特性上、電圧電流ともに一定の条件下で回転数を増加すると、発電に要する駆動力が増加するに連れて発電効率は低下する。機種によって構造の違いから最大効率を発生する動作点が異なるため、電圧一定条件下の発電効率特性を示す図４では、低回転域では３０Ａ、高回転域では６０Ａで発電効率が最大となる。

図５は、この発明の実施の形態１における発電機の最大効率を示すマップであり、５０１の曲線に示す発電電力において発電効率が最大となる。よって、この曲線上の電流値を回転数に応じて発電電流目標値に定めることにより、発電機を発電効率の高い電力で作動させることができる。また、発電効率が高い回転数領域として、例えば発電効率５５％以上で低回転域で発電効率が低下しない回転数領域を定めれば、５０２の領域となる。
よって、この回転数領域５０２で発電を行うことにより、発電機の回転数による効率の変化を所定の範囲内に抑え、常に高い発電効率で発電を行うことができる。

以上にて述べたように、この発明の実施の形態１によれば、以下のような特徴、作用効果を有する格別優れた車両用発電装置およびその発電制御方法を得ることができるものである。

（１）発電に消費される燃料量が少ない内燃機関の動作領域で、発電機の動作点に応じて発電機を発電効率の高い電力で作動させることにより、内燃機関が稼動中の電力量あたりの燃料消費量を低減することができる。

（２）発電電力の目標値に応じて発電機の効率が高い回転数領域で発電を行うことにより、発電機の回転数による発電効率の変化を抑え、常に高い発電効率で発電を行うことができる。これにより、内燃機関が稼働中の電力量あたりの燃料消費量を更に低減することができる。

（３）発電機の発電電流を発電機の制御にフィードバックすることで、より正確に発電機を発電効率の高い電力で作動させることができる。これにより、内燃機関が稼働中の電力量あたりの燃料消費量を更に低減することができる。

（４）発電機の発電電流に代わりバッテリの充電電流を発電機の制御にフィードバックすることで、バッテリの充電受入状態の変化を瞬時に検知して発電電流を制御することができる。これにより、発電機に発電電流検出装置を追加することなく、内燃機関が稼働中の電力量あたりの燃料消費量を更に低減することができる。

（５）バッテリの充電電流と車両の電気負荷消費電流を加算して発電機の発電電流を算出し、発電機の制御にフィードバックすることで、より正確に発電機を発電効率の高い電力で作動させることができる。これにより、発電機に発電電流検出装置を追加することなく、内燃機関が稼働中の電力量あたりの燃料消費量を更に低減することができる。

（６）発電電圧調整装置を介して発電電力を制御することで、発電機を制御する機能を発電制御装置から発電電圧調整装置に移管することができる。これにより、発電制御装置が担う機能の一部を簡略化できるとともに、発電電力の制御精度が向上することで、内燃機関が稼働中の電力量あたりの燃料消費量を更に低減することができる。

１０１ 内燃機関、１０２ 発電機、１０３ 発電制御装置、
１０４ 発電電圧調整装置、１０５ バッテリ、１０６ 車両の電気負荷、
１０７、１０８ 電流センサ、１０９ 発電実行動作領域判定手段、
１１０ 発電電力設定手段、１１１ 発電実行回転数領域判定手段、
１１２ 発電電流算出手段、１１３ 発電電流制御手段。

Claims (11)

1. 内燃機関により駆動されて発電を行う発電機と、前記発電機の発電電力により充電されるバッテリと、前記内燃機関の発電に消費される燃料量を低減する発電制御装置とを備えた車両用発電装置であって、前記発電制御装置は、
   前記内燃機関のトルク増加に消費される燃料量が少ない動作領域を設定する手段と、
   前記発電機の回転数と発電電圧に応じて、発電効率が高い発電電流目標値を算出し、発電効率が高い電力を発電電力目標値に設定する発電電力設定手段と、
   前記内燃機関の動作点が前記動作領域にある場合に、前記発電機の発電量が前記発電電力目標値となるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする車両用発電装置。
2. 前記発電制御装置は、前記発電機の発電電力目標値に応じて前記発電機が発電効率の高い回転数領域にある場合に発電を行う回転数領域判定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用発電装置。
3. 前記発電制御装置は、前記発電機の発電電流を検出する発電電流算出手段を備え、前記制御手段は、前記内燃機関の動作点が前記動作領域にある場合に、前記発電機の発電電流をフィードバックすることにより前記発電機の発電量が前記発電電力目標値となるように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用発電装置。
4. 前記バッテリの充電電流を検出する装置と、前記車両の電気負荷に消費される負荷電流を検出する装置を備え、前記発電電流算出手段は、前記各装置で検出されたバッテリの充電電流と車両負荷電流を加算して前記発電機の発電電流を算出するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の車両用発電装置。
5. 前記発電電流算出手段は、前記発電機がオルタネータの場合に、発電機の回転数とＦＲデューティー出力から発電電流をマップ算出するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の車両用発電装置。
6. 前記発電制御装置は、バッテリの充電電流を推定するための、バッテリの充電状態を模擬する演算モデルを備えたことを特徴とする請求項３に記載の車両用発電装置。
7. 前記発電電流算出手段は、作動中の電気負荷の定格消費電力から車両の電気負荷電流を算出するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の車両用発電装置。
8. 前記制御手段は、発電電力設定手段で算出される発電電流目標値と、前記発電電流算出手段で算出された発電電流との偏差に基づいて調整電圧を設定し、この調整電圧に基づいて発電機の発電量が前記発電電力目標値となるように制御することを特徴とする請求項３に記載の車両用発電装置。
9. 前記発電機の発電電圧を調整する発電電圧調整装置を備え、該発電電圧調整装置が前記制御手段で設定された調整電圧に基づいて、前記発電機の発電量が前記発電電力目標値となるように制御することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか1項に記載の車両用発電装置。
10. 内燃機関により駆動されて発電を行う発電機と、前記発電機の発電電力により充電されるバッテリと、前記内燃機関の発電に消費される燃料量を低減する発電制御装置を備えた車両用発電装置の発電制御方法であって、
    回転数とトルク（またはトルク相当分）に基づいて内燃機関の動作点を検出する第１のステップと、前記検出された動作点が、発電に消費される燃料量が少ない動作領域である燃焼発電実行動作領域にあるか否かを判定する第２のステップと、発電機の回転数と発電電圧に応じて発電効率が高い発電電流目標値を算出し、発電機を効率よく作動させる発電電力目標値を設定する第３のステップと、前記第３のステップで設定された発電電力目標値に応じて、発電機の回転数が発電効率の高い回転数領域にあるか否かを判定する第４のステップと、前記発電機の発電電流を算出する第５のステップと、前記第３のステップで算出した発電電流目標値と前記第５のステップで算出した発電電流との偏差に基づいて調整電圧を設定する第６のステップと、設定された調整電圧に基づいて発電機の発電量を制御する第７のステップ、を備えたことを特徴とする車両用発電装置の発電制御方法。
11. バッテリの充放電電流を検出するステップと、バッテリの放電許容電流を設定するステップと、バッテリの放電許容電流と放電電流との偏差に基づいて調整電圧を設定する電圧調整ステップを備え、内燃機関の動作点が燃焼発電実行動作領域外にある場合、または、発電機の回転数が発電効率の高い回転数領域外にある場合は、前記電圧調整ステップで設定された調整電圧値に基づいて発電機の発電量を制御するようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の車両用発電装置の発電制御方法。

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