JP4433064B2

JP4433064B2 - 異常検出装置

Info

Publication number: JP4433064B2
Application number: JP2008051803A
Authority: JP
Inventors: 忠万永田; 敏典丸山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: US8054051B2; JP2009213217A; US20090218992A1

Description

本発明は、車両用発電機の異常を検出して警報を出力する異常検出装置に関する。

従来から、車両用交流発電機の整流器の出力電圧に含まれるリップルを検出し、その個数に基づいて異常の有無を判定する車両用交流発電機の異常検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−６１２６０公報（第５−１０頁、図１−１７）

ところで、特許文献１に開示された異常検出装置では、リップルの個数に基づいて異常の有無を検出しているが、リップルの大きさは、車両用発電機の出力電流、回転数やバッテリの状態に応じて変化するものであり、リップルの個数だけで異常の有無を正確に判断することは難しいという問題があった。また、周期的に接続と切断が繰り返される電気負荷があると車両用発電機の出力電圧変化が生じるため、リップルの個数の測定誤差が大きくなり、異常の有無の正確な判断がさらに難しくなる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、電気負荷の接続状態やバッテリ状態が変化しても車両用交流発電機の異常の有無を正確に判断することができる異常検出装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の異常検出装置は、多相の電機子巻線とこの電機子巻線の多相出力を整流する整流装置とを備える車両用発電機の出力電圧の周期Ｔｂを検出する第１の周期検出手段と、電機子巻線のいずれかの相巻線に現れる電圧の周期Ｔｐを検出する第２の周期検出手段と、第１および第２の周期検出手段によって検出された２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐを比較することにより車両用発電機の異常の有無を判定する異常判定手段とを備えている。具体的には、上述した異常判定手段によって判定される車両用発電機の異常は整流装置の異常である。車両用発電機の出力電圧と相巻線に現れる電圧の各周期を比較することで異常の有無を判定しているため、電気負荷の接続状態やバッテリ状態が変化してリップルの個数などが変化しても正確に異常の有無を判定することができる。

また、上述した第１の周期検出手段は、出力電圧の波形と、この波形を遅延させた波形との自己相関を計算し、この相関値が最大となる遅延時間を周期Ｔｂとして検出することが望ましい。これにより、異常発生時に出力波形が複雑に変化してもその周期Ｔｂを正確に検出することができる。

また、上述した異常判定手段は、第１および第２の周期検出手段によって検出された２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐが一致している場合に異常が発生した旨の判定を行うことが望ましい。正常時には、２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐの比は電機子巻線の相数に対応した値となる。しかし、整流装置の整流素子に異常が発生してオープン故障やショート故障が生じると、異常が発生した整流素子を通して流れる電流が他の整流素子を通して流れる電流と異なるため車両用発電機の出力電圧の波形が乱れる。このため、出力電圧の周期Ｔｂが相巻線に現れる電圧の周期Ｔｐと一致するようになる。したがって、２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐが一致しているか否かを調べることにより、異常の有無を容易かつ正確に判定することができる。

以下、本発明の異常検出装置を適用した一実施形態の車両用発電機および車両用発電制御装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機と車両用発電制御装置の構成を示す図であり、あわせてこの車両用発電制御装置とエンジンＥＣＵ（電子制御装置）やバッテリ等との接続状態が示されている。

図１において、車両用発電制御装置２は、車両用発電機１の出力端子（Ｂ端子）の電圧が所定の調整電圧になるように発電状態を制御するためのものである。車両用発電機１は、固定子に含まれる三相の電機子巻線１０１と、回転子に含まれる励磁巻線１０２と、電機子巻線１０１の三相出力を全波整流するために設けられた整流装置１０３とを含んで構成されている。この車両用発電機１の出力電圧の制御は、キースイッチ５がオンされて車両用発電制御装置２の動作が開始された後、励磁巻線１０２に対する通電を車両用発電制御装置２によって適宜断続制御することにより行われる。車両用発電機１のＢ端子はバッテリ３と電気負荷４に接続されており、出力端子からバッテリ３や電気負荷４に充電電流や動作電流が供給される。また、車両用発電制御装置２は、通信端子Ｃを介してエンジンＥＣＵ６に接続されている。エンジンＥＣＵ６は、車両用発電制御装置２から異常検出信号が送られてきたときに、異常発生を知らせる警報をインフォメーションパネル７を用いて行う。例えば、インフォメーションパネル７に含まれるインジケータを点灯させることによりこの警報が行われる。

次に、車両用発電制御装置２の詳細構成および動作について説明する。図１に示すように、車両用発電制御装置２は、環流ダイオード２０１、励磁駆動トランジスタ２０２、ドライバ２０３、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２０４、２０５、マイクロコンピュータ２０６、通信インタフェース２０７を備えている。

励磁駆動トランジスタ２０２は、励磁巻線１０２に直列に接続されており、入力される駆動信号によってオン状態になったときに励磁巻線１０２に励磁電流を供給するスイッチング素子である。環流ダイオード２０１は、励磁巻線１０２に並列に接続されており、励磁駆動トランジスタ２０２がオフ状態のときに励磁電流を環流させる。ドライバ２０３は、駆動信号を入力して励磁駆動トランジスタ２０２をオンオフ制御する。

アナログ−デジタル変換器２０４は、車両用発電機１のＢ端子に接続されており、車両用発電機１（整流装置１０３）の出力電圧（Ｂ端子電圧）をデジタルデータ（Ｂ端子電圧データ）に変換する。アナログ−デジタル変換器２０５は、三相の電機子巻線１０１のいずれかの相巻線（Ｐ端子）に接続されており、この相巻線に現れる相電圧（Ｐ端子電圧）をデジタルデータ（Ｐ端子電圧データ)に変換する。

マイクロコンピュータ２０６は、メモリ（図示せず）に格納された異常検出プログラムを実行することにより車両用発電機１（特に整流装置１０３）の異常の有無を検出する動作を行う。具体的には、マイクロコンピュータ２０６は、２つのアナログ−デジタル変換器２０４、２０５から出力されるＢ端子電圧データ、Ｐ端子電圧データに基づいて異常の有無を判断し、異常を検出した場合には異常検出信号を出力する。通信インタフェース２０７は、マイクロコンピュータ２０６から出力された異常検出信号を通信端子Ｃを介してエンジンＥＣＵ６に向けて送信する。

上述したアナログ−デジタル変換器２０４、マイクロコンピュータ２０６が第１の周期検出手段に、アナログ−デジタル変換器２０５、マイクロコンピュータ２０６が第２の周期検出手段に、マイクロコンピュータ２０６が異常判定手段にそれぞれ対応する。

本実施形態の車両用発電制御装置２等はこのような構成を有しており、次に、異常検出および警報出力に関する動作を説明する。図２は、異常検出および警報出力に関する動作手順を示す流れ図である。

マイクロコンピュータ２０６は、アナログ−デジタル変換器２０５から出力されるＰ端子電圧データに基づいて、Ｐ端子電圧の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間を計測し、周期Ｔｐを計算する（ステップ１００）。また、マイクロコンピュータ２０６は、アナログ−デジタル変換器２０４から出力されるＢ端子電圧データに基づいて、Ｂ端子電圧の波形の周期性を探し、その周期Ｔｂを計算する（ステップ１０１）。ステップ１００、１０１の処理は、順番を入れ替えてもよいし、並行して行うようにしてもよい。

次に、マイクロコンピュータ２０６は、ステップ１００で計算した周期Ｔｐとステップ１０１で計算した周期Ｔｂとが等しいか否かを判定する（ステップ１０２）。等しくない場合には否定判断が行われ、ステップ１００に戻って周期Ｔｐの計算以降の処理が繰り返される。例えば、三相の電機子巻線１０１の出力電圧を整流装置１０３を用いて全波整流する場合には、車両用発電機１の正常動作時には、周期Ｔｐは周期Ｔｂの６倍となり（後述する図５参照）、これらの周期が一致しない。なお、一致の範囲をどの程度許容するかは適宜決めることができる。

一方、周期Ｔｐと周期Ｔｂとが同じの場合にはステップ１０２の判定において肯定判断が行われる。この場合には、マイクロコンピュータ２０６からは整流装置１０３が故障したことを示す異常検出信号が出力され、エンジンＥＣＵ６による警報動作が行われる（ステップ１０３）。

図３は、図２のステップ１００で行われる周期Ｔｐの計算処理の動作手順を示す流れ図である。マイクロコンピュータ２０６は、アナログ−デジタル変換器２０５から出力されるＰ端子電圧データに基づいて、Ｐ端子電圧の立ち上がっている部分を検出する（ステップ２００）。これにより、時間経過にしたがって複数現れる立ち上がり部分が検出される。次に、マイクロコンピュータ２０６は、立ち上がり部分の間の時間（時間軸上で隣接する２つの立ち上がり部分の間の時間間隔）を計算する（ステップ２０１）。この計算結果が周期Ｔｐとなる。

図４は、図２のステップ１０１で行われる周期Ｔｂの計算処理の動作手順を示す流れ図である。マイクロコンピュータ２０６は、アナログ−デジタル変換器２０４から出力されるＢ端子電圧データに基づいて、Ｂ端子電圧の平均値を計算する（ステップ３００）。例えば、周期Ｔｐの整数倍分のＢ端子電圧データに対して平均値が計算される。次に、マイクロコンピュータ２０６は、それぞれのＢ端子電圧データからこの計算した平均値を減算する（ステップ３０１）。そして、マイクロコンピュータ２０６は、平均値を減算した後の各データを用いて自己相関関数を計算し（ステップ３０２）、関数値（相関値）が最大（極大値）を検出し、この極大値に対応する時間のずれを周期Ｔｂとする（ステップ３０３）。なお、実際の相関演算は、平均値を減算したＢ端子電圧の波形と、この波形を遅延させた波形との自己相関を計算し、この相関値が最大となる遅延時間を周期Ｔｂとして検出している。また、このとき、最大値を検出する範囲は、自己相関関数の値が最初に０より下となる遅延時間以降を範囲として用いている。

図５は、整流装置１０３に故障がなく車両用発電機１が正常状態にある場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図であり、各波形を実際に観察した結果が示されている。横軸は時間軸であり、５００μｓ／ｄｉｖに設定されている。縦軸は電圧レベルを示しており、Ｂ端子電圧については１Ｖ／ｄｉｖに、Ｐ端子電圧については１０Ｖ／ｄｉｖに設定されている。また、車両用発電機１の運転条件は、負荷電流が２０Ａ、回転数が５０００ｒｐｍとなっている。これらについては、後述する図６から図８までの各図についても同様である。また、図５から図８までの各図において、ＢはＢ端子電圧の波形を、ＰはＰ端子電圧の波形をそれぞれ示している。図５に示すように、整流装置１０３に故障がない場合には、周期Ｔｐは周期Ｔｂの６倍となり、これらが一致しない。

図６は、整流装置１０３に負極側の整流素子が短絡するショート故障が生じた場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。図７は、整流装置１０３に正極側の整流素子が非導通（開放）状態になるオープン故障が生じた場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。図８は、整流装置１０３に負極側の整流素子が非導通状態になるオープン故障が生じた場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。これらの図に示すように、整流装置１０３に含まれる整流素子が故障すると、Ｂ端子電圧の波形が正常時に対して乱れるためその周期性が変化し、Ｐ端子電圧波形と同じ周期になる。この現象を利用し、本実施形態では周期Ｔｐと周期Ｔｂとが一致したときに、整流装置１０３に故障が生じたものと判断している。

このように、本実施形態の異常検出装置としての車両用発電制御装置２では、車両用発電機１の出力電圧と相巻線に現れる電圧の各周期を比較することで異常の有無を判定しているため、電気負荷４の接続状態やバッテリ３の状態が変化して出力電圧に含まれるリップルの個数などが変化しても正確に異常の有無を判定することができる。特に、出力電圧の波形の自己相関を計算してその周期Ｔｂを検出することにより、異常発生時に出力波形が複雑に変化してもその周期Ｔｂを正確に検出することができる。

また、正常時には、２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐの比は電機子巻線の相数に対応した値となる。しかし、整流装置１０３の整流素子に異常が発生してオープン故障やショート故障が生じると、異常が発生した整流素子を通して流れる電流が他の整流素子を通して流れる電流と異なるため車両用発電機１の出力電圧の波形が乱れる。このため、出力電圧の周期Ｔｂが相巻線に現れる電圧の周期Ｔｐと一致するようになる。したがって、２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐが一致しているか否かを調べることにより、異常の有無を容易かつ正確に判定することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐを比較して故障の有無を判定したが、周期検出を行う処理負担を軽減するために、予備判定の手順を追加してもよい。例えば、正常時にＢ端子電圧に現れるリップルの周期でＢ端子電圧データあるいはその平均値を測定して記憶し、前回記憶したこれらのデータとの偏差が所定値を超えた場合に限って図２に示す動作手順を実施するようにしてもよい。これらの処理は、マイクロコンピュータ２０６によって行われる。これにより、マイクロコンピュータ２０６の処理負担を軽減することができる。

また、上述した実施形態では、マイクロコンピュータ２０６を用いて図２から図４に示した動作手順を実施したが、同じ動作手順をロジック回路等を組み合わせたハードウエアで実施するようにしてもよい。

一実施形態の車両用発電機と車両用発電制御装置の構成を示す図である。異常検出および警報出力に関する動作手順を示す流れ図である。図２のステップ１００で行われる周期Ｔｐの計算処理の動作手順を示す流れ図である。図２のステップ１０１で行われる周期Ｔｂの計算処理の動作手順を示す流れ図である。整流装置に故障がなく車両用発電機が正常状態にある場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。整流装置に負極側の整流素子が短絡するショート故障が生じた場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。整流装置に正極側の整流素子が非導通状態になるオープン故障が生じた場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。整流装置に負極側の整流素子が非導通状態になるオープン故障が生じた場合のＰ端子電圧波形とＢ端子電圧波形を示す図である。

符号の説明

１車両用発電機
２車両用発電制御装置
３バッテリ
４電気負荷
６エンジンＥＣＵ
７インフォメーションパネル
１０１電機子巻線
１０２励磁巻線
１０３整流装置
２０１環流ダイオード
２０２励磁駆動トランジスタ
２０３ドライバ
２０４、２０５アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）
２０６マイクロコンピュータ
２０７通信インタフェース

Claims

多相の電機子巻線とこの電機子巻線の多相出力を整流する整流装置とを備える車両用発電機の出力電圧の周期Ｔｂを検出する第１の周期検出手段と、
前記電機子巻線のいずれかの相巻線に現れる電圧の周期Ｔｐを検出する第２の周期検出手段と、
前記第１および第２の周期検出手段によって検出された２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐを比較することにより前記車両用発電機の異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする異常検出装置。
請求項１において、
前記異常判定手段によって判定される前記車両用発電機の異常は、前記整流装置の異常であることを特徴とする異常検出装置。
請求項１または２において、
前記第１の周期検出手段は、前記出力電圧の波形と、この波形を遅延させた波形との自己相関を計算し、この相関値が最大となる遅延時間を前記周期Ｔｂとして検出することを特徴とする異常検出装置。
請求項１または２において、
前記異常判定手段は、前記第１および第２の周期検出手段によって検出された２種類の周期Ｔｂ、Ｔｐが一致している場合に異常が発生した旨の判定を行うことを特徴とする異常検出装置。