JP5962468B2

JP5962468B2 - 車両用発電機

Info

Publication number: JP5962468B2
Application number: JP2012262296A
Authority: JP
Inventors: 青山　徹; 徹青山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: JP2014110645A

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機に関する。

車両用発電機は、界磁巻線に流れる電流（界磁電流）を調節して供給電力を制御している。このため、界磁巻線は、ブラシを介して直列にスイッチが接続されて電源（バッテリ）につながっている。このスイッチには、半導体素子が用いられ、制御回路とともにＩＣレギュレータ（発電制御装置）に内蔵されている。このようなＩＣレギュレータにおいては、界磁巻線の両端が電気的に短絡故障を起こした場合に、ＩＣレギュレータ自身を保護するために、短絡保護の対策がなされている。

短絡保護の従来技術としては様々な手法が知られている。例えば、スイッチに流れる電流が正常時より多い所定値を越えたときに一定時間スイッチをオフすることにより、過電流を制限する「充電発電機の界磁コイル短絡保護回路」が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、この充電発電機は、固定子巻線に誘導される電圧を利用してチャージランプを消灯させる発電検出部を有している。界磁巻線の短絡故障が起きると界磁電流が流れなくなることから、エンジンによって回転子が回転駆動されても車両用発電機は発電せず、発電検出部がチャージランプを消灯させることができなくなり、発電異常を運転者に知らせることが可能となる。

このように、ＩＣレギュレータは、正常な発電状態を維持するために必要な電圧制御機能のみならず、保護や警報の機能を内蔵し、高機能化がすすめられている。また、デジタル技術を使って機能を集積化し、低コスト化を図っている。

特開昭５９−１７５３３４号公報

ところで、特許文献１に開示された充電発電機では、短絡保護回路による保護動作中に、チャージランプの表示（点灯）状態が安定しなくなるという問題があった。その原因の一つに、短絡保護動作中におけるスイッチのオンオフで車両用発電機の出力端子に現れるスイッチングノイズが、発電検出部の入力段に電気的な干渉を及ぼすことにあることが、本出願の発明者による研究でわかってきた。

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、短絡保護動作中に現れるスイッチングノイズの影響を回避することができ、デジタル化に適した警報動作を行うことができる車両用発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電機は、界磁巻線、固定子巻線、整流器、発電制御装置を備える。界磁巻線は、回転子の界磁極に巻装されている。固定子巻線は、固定子の固定子鉄心に巻装されている。整流器は、固定子巻線に誘起された起電力を直流に変換するとともに両端が充電線を介してバッテリに接続されている。発電制御装
置は、整流器の両端から界磁巻線を接続する端子間に供給される電流をスイッチ手段を断続することにより調節する。また、発電制御装置は、界磁巻線を接続する端子間に短絡故障が生じたときに界磁巻線に流れる電流よりも大きな過電流を検知した後に、界磁巻線に直列接続されたスイッチ手段を遮断するフィードバック制御を行う短絡保護手段と、短絡保護手段によるフィードバック制御を開始してから所定時間後に警告を行う警報手段とを有する。

過電流を制限していないときのフィードバック制御のない定常状態から、過電流を制限しているフィードバック制御のある定常状態へ移る制御状態の遷移を利用し、安定した状態に移り変わったことを見極めるための所定時間を設けることで、フィードバック制御の状態遷移を容易に判定でき、短絡保護動作中に現れるスイッチングノイズの影響を回避しながら、界磁巻線が接続された端子間に生じた短絡故障について直接的に警報することが可能となる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。短絡故障発生前後の動作タイミング図である。短絡故障発生時の動作タイミング図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、一実施形態の車両用発電機１は、界磁巻線１１、固定子巻線１２、整流器１３、発電制御装置２、コンデンサ３を含んで構成されている。

界磁巻線１１は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成し、後述する界磁制御回路２０からＦ端子を介して通電されて磁界を発生する。

固定子巻線１２は、多相巻線（例えば、三相巻線）であって、固定子鉄心（図示せず）に巻装されて固定子を構成している。この固定子巻線１２は、界磁巻線１１の発生する磁界の変化によって起電力を発生する。固定子巻線１２に誘起される交流出力が整流器１３に供給される。また、固定子巻線１２の一相の交流出力が、Ｐ端子を介して後述する警報回路２２に入力される。

整流器１３は、固定子巻線１２に誘起された起電力（交流電力）を全波整流して直流に変換する。この整流器１３の出力が車両用発電機１の出力として外部に取り出され、バッテリ４や電気負荷（図示せず）に充電線５（インダクタンスを含む特性インピーダンスを有する）を介して接続される。コンデンサ３は、整流器１３の両端に接続される。

車両用発電機１の出力は、エンジン（図示せず）によって駆動される回転子の回転数や出力電圧あるいは界磁巻線１１に流れる界磁電流に応じて変化する。この出力電圧や界磁電流は、発電制御装置２によって制御される。

発電制御装置２は、界磁制御回路２０、警報回路２２を含んで構成されているとともに、整流器１３の両端から界磁巻線１１に供給される電流をスイッチ素子２１２を断続することにより調節する。

界磁制御回路２０は、スイッチ駆動回路２１１、スイッチ素子２１２、過電流制限回路２１３を有する短絡保護回路２１と還流素子２１４とを含んで構成されている。スイッチ駆動回路２１１は、制御信号Ｖ₁（例えば、車両用発電機１の出力電圧を調整する信号）が入力され、スイッチ素子２１２のゲートを駆動するための信号を出力する。

スイッチ素子２１２は、例えば電流検出機能付きのパワーＭＯＳＦＥＴを用いて構成されており、ゲート（Ｇ）がスイッチ駆動回路２１１の出力端に接続され、ドレイン（Ｄ）が車両用発電機１の出力端子（Ｂ端子）に接続されている。また、一方のソース（Ｓ１）が還流素子２１４を介して車両用発電機１の出力端子（Ｅ端子）を介してエンジンブロック（図示せず）に接続されている。他方のソース（Ｓ２）が過電流制限回路２１３の入力端に接続されている。さらに、スイッチ素子２１２のソース（Ｓ１）と還流素子２１４との接続部は、Ｆ端子を介して界磁巻線１１に接続され、スイッチ素子２１２がオンされると界磁巻線１１に電流が供給され、オフされるとこの電流の供給が停止される。また、ソース（Ｓ１）に流れる電流Ｉ₁の大きさは、ソース（Ｓ２）に流れる電流Ｉ₂の大きさをｍ倍した値となる。

過電流制限回路２１３は、電流Ｉ₂（＝Ｉ₁／ｍ）が入力され、制限信号Ｖａをスイッチ駆動回路２１１へ出力する。還流素子２１４は、界磁巻線１１と並列に接続されており、スイッチ素子２１２がオフされたときに、界磁巻線１１に流れる電流を還流させる。

警報回路２２は、短絡監視回路２２１、オア回路２２２、警報出力回路２２３、発電検出回路２２５を含んで構成されている。短絡監視回路２２１は、入力端が過電流制限回路２１３の出力端に接続され、出力端がオア回路２２２の一方の入力端に接続されている。短絡監視回路２２１は、ＬＰＦ２２１１、遅延器２２１２を有する。ＬＰＦ２２１１は、ＲＣ回路によって構成され、入力信号の低域成分を通過させる。また、遅延器２２１２は、ＲＣ遅延回路またはデジタル遅延回路で構成され、入力信号を遅延させて出力する。

オア回路２２２の２つの入力端の一方には短絡監視回路２２１の出力端が、他方には発電検出回路２２５の出力端がそれぞれ接続され、出力端が警報出力回路２２３の入力端に接続されている。

警報出力回路２２３は、警告灯２２４（例えば、チャージランプ）に接続されている。発電検出回路２２５は、固定子巻線１２と整流器１３に接続されており、エンジンによって回転駆動された回転子の動きにより固定子巻線１２に誘導される起電力の大きさ、または、周波数（周期）を検出する。発電検出回路２２５は、検出した起電力の大きさ等と所定の大きさまたは周波数（周期）との比較結果に基づいて、起電力の発生がないときにＨ信号（ハイレベルの信号）を、起電力の発生が正常になされたときにＬ信号（ローレベルの信号）を、オア回路２２２の一方の入力端に入力する。

上述したスイッチ素子２１２がスイッチ手段に、短絡保護回路２１が短絡保護手段に、警報回路２２が警報手段に、過電流制限回路２１３が過電流制限手段に、短絡監視回路２２１が短絡監視手段に、遅延器２２１２が遅延手段に、発電検出回路２２５が発電検出手段に、警報出力回路２２３が警報出力手段に、オア回路２２２が論理和回路にそれぞれ対応する。

本実施形態の車両用発電機１はこのような構成を有しており、次に、発電制御装置２の動作を説明する。

（ａ）Ｆ端子とＥ端子の間に短絡故障がない正常な場合（図２（ａ））
スイッチ素子２１２がオンされると、バッテリ４によるバイアス電圧（例えば、１２Ｖ）が充電線５を介して界磁巻線１１に印加され、界磁電流Ｉｆが流れる。例えば、界磁巻線１１のインピーダンスが３Ω程度の場合には、界磁電流Ｉｆは４Ａ程度流れる。

過電流制限回路２１３の制限電流Ｉｒを、界磁巻線１１に流し得る電流Ｉｆｍａｘよりも高い値（例えば、１０Ａ程度）に設定しておけば、過電流制限回路２１３は、制限信号ＶａをＬ信号としてスイッチ駆動回路２１１に入力する。このとき、スイッチ駆動回路２１１は、制御信号Ｖ₁を優先してスイッチ素子２１２のゲート電圧Ｖ_Gを制御する。

ここで、スイッチ素子２１２のデューティ比Ｄ_SWが１００％の場合を例にとって説明すると、以下のようになる。制限信号ＶａとしてのＬ信号は、ＬＰＦ２２１１を通過してその出力ＶｂがＬ信号になる。この出力ＶｂがＬ信号の状態を維持すると、遅延器２２１２の出力ＶｃもＬ信号となる。したがって、警報出力回路２２３は、発電検出回路２２５の出力に基づいて動作する。具体的には、回転子の回転がなければ、発電検出回路２２５はＨ信号を出力して警告灯２２４を点灯させる。一方、回転子の回転によって起電力の発生が正常になされれば、発電検出回路２２５はＨ信号を解除してＬ信号を出力して警告灯２２４を消灯させる。

（ｂ）Ｆ端子とＥ端子の間に短絡故障が生じた場合
以下では、Ｆ端子−Ｅ端子間の短絡状態として、抵抗損失を持たない例（図２（ｂ）、図３）について説明を行うものとする。

Ｆ端子とＥ端子の間（界磁巻線１１の両端）に短絡故障が起きた場合にスイッチ素子２１２をオンすると、界磁巻線１１に流し得る電流Ｉｆｍａｘよりも大きい電流（過電流）が流れる。あらかじめ設定された制限電流Ｉｒよりも大きな過電流を検知したときに、スイッチ素子２１２を過電流から保護するために、以下の制御が行われる（図３）。

過電流を検知するまでは、スイッチ素子２１２がオンされる（通電時間Ｔ_ON）。また、過電流を検知した後に、スイッチ素子２１２がオフされる（遮断時間Ｔ_OFF）。具体例として、過電流検出の周期Ｔ＝１０ｍｓ、Ｔ_ON＝０．１ｍｓ（Ｔ_OFF＝９．９ｍｓ）の場合を例に説明すると、スイッチ素子２１２がオンされると電流Ｉ₁が流れる。電流Ｉ₁が小さい場合には過電流制限回路２１３から出力される制限信号ＶａはＬ信号であり、スイッチ駆動回路２１１は、ゲート電圧Ｖ_GをＨ信号とする。これにより、スイッチ素子２１２のオン制御が維持される。その後、スイッチ素子２１２に流れる電流Ｉ₁が制限電流Ｉｒよりも大きくなると、過電流制限回路２１３から出力される制限信号ＶａがＨ信号になる。このため、スイッチ駆動回路２１１は、ゲート信号Ｖ_GをＬ信号とし、スイッチ素子２１２がオフ制御される。このようなオン制御とオフ制御とを繰り返して、過電流制限を行うフィードバック制御が実施される。

スイッチ素子２１２は０．１ｍｓオンされ、その後オフされる。そして、１０ｍｓ経過した後に、スイッチ素子２１２のオフ状態が解除される。この解除を周期的に行うようにすることで、スイッチ素子２１２のデューティ比Ｄ_SWを１％（＝０．１ｍｓ／１０ｍｓ）と小さくすることができる。

次に、図２に示す短絡故障時について、この短絡故障を警報するしくみについて説明する。短絡故障が起こると、スイッチ素子２１２のデューティ比Ｄ_SWの値が１００％から１％へ状態遷移する。

短絡監視回路２２１内のＬＰＦ２２１１は、過電流制限回路２１３から出力される制限信号Ｖａ（短絡故障時にはＬ信号よりもＨ信号の時間比率が大きい）を波形整形して出力ＶｂとしてＨ信号を出力する。出力ＶｂがＬ信号（正常時）からＨ信号（短絡故障時）に変わったことを受けて、遅延器２２１２は、所定時間後（例えば１ｓ後）に出力ＶｃをＬ信号（警告灯２２４消灯）からＨ信号（警告灯点灯）に切り替える。つまり、短絡監視回路２２１は、過電流制限によるフィードバック制御を開始してから所定時間後にそのフィードバック制御の有無を判別している。この所定時間としては、警報出力の安定化を考慮した遅延時間が設定されている。なお、上述した例では、所定時間（遅延時間）を１ｓとしたが、遅延時間は１ｓに限定されるものではなく、安定動作に適した時間を適宜選定すればよい。

次に、コンデンサ３の作用について説明する。界磁巻線１１とこれに接続された還流ダイオード２１４やスイッチ素子２１２で構成された界磁回路において、スイッチ素子２１２のターンオン、ターンオフの際にスイッチングノイズがＢ端子に重畳する。また、整流器１３の整流作用により車両用発電機１の回転数に同期した転流ノイズもＢ端子に重畳する。これらのノイズを減衰させるために、Ｂ端子とＥ端子の間にコンデンサ３が挿入されている。

これにより、時間経過とともに振動しながら減衰していく特性（数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度の減衰する電圧振動として現れる）となる。ところが、Ｆ端子とＥ端子の間で短絡故障を起こしている場合には、スイッチ素子２１２をオンした際に、界磁巻線１１のインピーダンスがあるときよりも過大な電流が流れる。このため、スイッチ素子２１２のオンオフ制御によって生じるスイッチングノイズをコンデンサ３では十分に吸収しきれずに、正常時よりも大きなノイズがＢ端子に現れてしまうことがある。

この吸収しきれないノイズが、Ｐ端子を経由して発電制御装置２内に伝搬し、発電検出回路２２５の出力内容を誤らせるおそれがある。例えば、回転子の回転運動による起電力の発生がないにもかかわらず、発電検出回路２２５からＬ信号を出力し、警告灯２２４の消灯状態を続けてしまい、点灯状態に切り替えない現象が起こりうる。このような事態を回避するために、警報出力回路２２２の前段にオア回路２２２が接続されている。

次に、オア回路２２２の作用について説明する。オア回路２２２は、正常時（上述した吸収しきれないスイッチングノイズがない場合）には、発電検出回路２２５の出力を警報出力回路２２３に向けて出力する。したがって、起電力の発生がなく発電検出回路２２５の出力がＨ信号のときに、警報出力回路２２３は警告灯２２４を点灯させる。

一方、短絡故障時（上述した吸収しきれないスイッチングノイズがある場合）には、短絡監視回路２２１の出力ＶｃがＨ信号になるため、オア回路２２２は、発電検出回路２２５の出力にかかわらず、一方の入力端に入力される短絡監視回路２２１の出力Ｖｃ（Ｈ信号）を警報出力回路２２３に向けて出力する。したがって、警報出力回路２２３は警告灯２２４を点灯させることができる。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、過電流を制限していないときのフィードバック制御のない定常状態から、過電流を制限しているフィードバック制御のある定常状態へ移る制御状態の遷移を利用し、安定した状態に移り変わったことを見極めるための所定時間を設けることで、フィードバック制御の状態遷移を容易に判定でき、短絡保護動作中に現れるスイッチングノイズの影響を回避しながら、界磁巻線１１が接続された端子間に生じた短絡故障について直接的に警報することが可能となる。

また、過電流制限回路２１３により過電流が制限されるため、界磁巻線１１の両端に短絡故障を起こしたときにスイッチ素子２１２を保護するとともに、スイッチ素子２１２のオンオフ状況（短絡保護動作状況）から界磁巻線１１の短絡状態を容易に判別することが可能となる。

また、過電流制限回路２１３によるスイッチ素子２１２の遮断時間（オフ時間）は通電時間（オン時間）よりも長く設定されているため、過電流で生じるスイッチ素子２１２による損失を小さくしつつ、オンオフ状況に応じて行われるフィードバック制御を安定させることができる。

また、遅延器２２１２を設けることにより、フィードバック制御で生成される周期信号の断続状態を安定した信号として出力することができる。また、デジタル技術を応用したデジタル遅延回路によって遅延器２２１２を実現した場合には、容易に所定時間を設定することができ、経済性を損なうことなく動作の安定化を図ることができ、デジタル化に適した警報動作を行うことが可能となる。

また、オア回路２２２を用いることで、短絡故障時（吸収しきれないスイッチングノイズがある場合）には、発電検出回路２２５の出力内容にかかわらず短絡監視回路２２１の出力内容に基づいて警報を行うことができる。一方、短絡故障のない正常時であれば、発電検出回路２２５の出力内容に基づく警報を行うことができる。

また、スイッチングノイズの吸収に従来と同一容量のコンデンサ３を利用することができ、コスト上昇なしにノイズ耐性を上げることができる。また、スイッチ素子２１２のオン時にコンデンサ３から放電されるエネルギーが増加しないため、スイッチ素子２１２のオフ時に現れるスイッチングノイズが大きくなることを防止することができる。

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種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、界磁巻線１１に対してスイッチ素子２１２が高電位側に接続されるハイサイド・スイッチの場合について説明したが、界磁巻線１１に対してスイッチ素子２１２が低電位側に接続されるローサイド・スイッチの場合についても本発明を適用することができる。この場合、短絡する区間はＢ端子とＦ端子の間となる。

また、上述した実施形態では、スイッチ素子２１２として電流検出機能付きのパワーＭＯＳＦＥＴを用いたが、バイポーラトランジスタを用いるようにしてもよい。また、電流検出を行う代わりに、トランジスタの飽和領域におけるコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CEに基づいて電流検出を行うようにしてもよい。また、スイッチ素子２１２自体で電流検出を行うのではなく、スイッチ素子に直列に電流検出用抵抗を挿入してその両端電圧に基づいて電流検出を行うようにしてもよい。

本発明によれば、過電流を制限していないときのフィードバック制御のない定常状態から、過電流を制限しているフィードバック制御のある定常状態へ移る制御状態の遷移を利用し、安定した状態に移り変わったことを見極めるための所定時間を設けることで、フィードバック制御の状態遷移を容易に判定でき、短絡保護動作中に現れるスイッチングノイズの影響を回避しながら、界磁巻線が接続された端子間に生じた短絡故障について直接的に警報することが可能となる。

２発電制御装置
３コンデンサ
１１界磁巻線
１２固定子巻線
１３整流器
２１短絡保護回路
２２警報回路
２１３過電流制限回路
２２１短絡監視回路

Claims

回転子の界磁極に巻装された界磁巻線（１１）と、
固定子の固定子鉄心に巻装された固定子巻線（１２）と、
前記固定子巻線に誘起された起電力を直流に変換するとともに両端が充電線（５）を介してバッテリ（４）に接続される整流器（１３）と、
前記界磁巻線を接続する端子間に短絡故障が生じたときに前記界磁巻線に流れる電流よりも大きな過電流を検知した後に、前記界磁巻線に直列接続されたスイッチ手段（２１２）を遮断するフィードバック制御を行う短絡保護手段（２１）と、前記短絡保護手段によるフィードバック制御を開始してから所定時間後に警告を行う警報手段（２２）とを有するとともに、前記整流器の両端から前記界磁巻線を接続する端子間に供給される電流を前記スイッチ手段を断続することにより調節する発電制御装置（２）と、
を備えることを特徴とする車両用発電機。
請求項１において、
前記短絡保護手段は、前記スイッチ手段の遮断を周期的に解除し、前記過電流を検知するまでの前記スイッチ手段の通電制御と前記過電流を検知した後の前記スイッチ手段の遮断制御を繰り返して、前記スイッチ手段に流す電流を制限することにより、前記フィードバック制御を行う過電流制限手段（２１３）を有し、
前記警報手段は、前記過電流制限手段による前記フィードバック制御が安定した遷移状態に移り変わったことを監視する短絡監視手段（２２１）を有することを特徴とする車両用発電機。
請求項２において、
前記過電流制限手段による前記スイッチ手段の前記遮断制御の時間は前記通電制御の時間よりも長いことを特徴とする車両用発電機。
請求項３において、
前記短絡監視手段は、前記過電流制限手段による前記フィードバック制御を開始してから所定時間後に、前記フィードバック制御が安定した遷移状態に移り変わったことを示す信号を出力する遅延手段（２２１２）を有することを特徴とする車両用発電機。
請求項４において、
前記警報手段は、
前記固定子巻線と前記整流器に接続され、エンジンによって回転される回転子の動きにより前記固定子巻線の誘起される起電力の大きさまたは周波数または周期に基づいて前記起電力の発生がないときに警告し、前記起電力の発生が正常になわれたときに警告を解除することにより発電状況を出力する発電検出手段（２２５）と、
複数の警報状況をまとめて出力する警報出力手段（２２３）と、
少なくとも前記発電検出手段と前記短絡監視手段のそれぞれからの出力に対して論理和を求めて前記警報出力手段に入力する論理和回路（２２２）と、
を有することを特徴とする車両用発電機。
請求項５において、
前記整流器の両端に接続されたコンデンサ（３）を備えることを特徴とする車両用発電機。