JP4182954B2 - 車両用発電制御装置 - Google Patents

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の発電状態を制御する車両用発電制御装置に関する。

車両用の制御ユニットが、発電機から送られてくる発電率に関する情報を利用して、各種制御を行うことは多々ある。例えば、エンジン制御装置等が発電機の発電率をアイドリング回転の安定化のために利用する制御方法は一般になりつつある。具体的には、車両用発電機の電圧制御装置と外部制御装置を専用配線で接続してその配線を介して車両用発電機の発電率情報を電圧制御装置から外部制御装置に送る手法（例えば、特許文献１参照。）や、車両用発電機の電圧制御装置と外部制御装置をデジタル通信手段で接続して車両用発電機の発電率情報をデジタル信号化して伝達する手法（例えば、特許文献２参照。）などが知られている。これらの信号伝達手段を用いることにより、外部制御装置において車両用発電機の発電率を知ることができるため、車両用発電機の機械トルク等を推定してアイドルスピードバルブの開閉を制御することによってエンジンのアイドリング回転の安定化を図ることが可能になる。
特開２００３−７９１９６号公報（第３−５頁、図１−５） 特開２００２―２８１７９２号公報（第４−８頁、図１−１０）

ところで、最近では、エンジン制御を行うために必要な情報は多くなっており、車両用発電機の発電状態のみならず車両用発電機の異常状態をエンジン制御装置等の外部制御装置に対して送ったり、外部制御装置から車両用発電機に調整電圧指令値等の制御指令値を送る必要が生じている。このため、特許文献１に開示された車両用発電制御装置では、必要な情報の数だけ配線が必要になり、配線の複雑化を招くという問題があった。配線数が多くなればそれだけ配線の引き回しが複雑になるとともに断線や短絡の可能性が高まるため、配線数を増加させることは好ましくない。

また、特許文献２に開示された車両用発電制御装置では、１本の通信線で複数の情報を多重化して双方向の伝達をすることができるため、配線の複雑化を招くことはない。しかし、この場合には、１本の配線を複数の情報が共有するため、車両用発電機の発電状態は常時モニタすることができず、通信間隔毎のタイミングで外部制御装置に送ることになる。したがって、発電状態が大きく変動している場合には、外部制御装置に対して発電状態を正しく伝達できないという問題があった。

図５は、従来の車両用発電制御装置を用いて周期的に発電率を送信する場合の具体例を示す図である。図５において、下向きの矢印（↓）が送信タイミングを、バツ印（×）が送信される発電率をそれぞれ示している。車両用発電機の発電率（Ｆ−Ｄｕｔｙ）が図５に示すように変動しており、デジタル通信で発電率情報を外部制御装置に伝達する場合、通信信号には発電率情報以外の信号も載せるため、この発電率情報をリアルタイムで出力することができない。そこで、図５に示す発電率情報をある適当な周期でサンプリングして、出力することになる。ここで、図５に示す矢印のタイミングでサンプリングして出力するものとすると、外部制御装置には変動幅の下限値付近の値のみが伝達されることになり、車両用発電機の正しい状態を伝達することができない。

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、配線の簡素化が可能であって外部制御装置に発電状態を正しく伝達することができる車両用発電制御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、本発明の車両用発電制御装置は、外部制御装置に対して車両用発電機の発電状態に関する信号を送信しており、発電状態を示す状態変数を検出する状態変数検出手段と、状態変数検出手段によって検出した状態変数をデジタル信号化するデジタル信号変換手段と、デジタル信号変換手段から出力されるデジタル信号を平滑化するフィルタ手段と、フィルタ手段で平滑化した信号を外部制御装置に向けて送信する通信手段とを備えている。車両用発電機の発電状態を示す状態変数を平滑化して送信しているため、状態変数の変動が大きい場合であっても車両用発電機の発電状態を外部制御装置に対して正しく伝達することが可能となる。また、信号の送信タイミングに関係なく車両用発電機の発電状態を正しく伝達することができるため、発電状態以外の情報を同じ配線を介して異なるタイミングで送信することができ、複数種類の信号を別々の配線を介して送信する場合に比べて配線の簡素化が可能となる。

また、上述したフィルタ手段の時定数を、通信手段から信号を送信する間隔に応じて切り替えることが望ましい。これにより、車両用発電制御装置と外部制御装置とが接続された通信線にさらに他の機器が接続されて車両用発電制御装置から外部制御装置に向けて送信される信号の通信間隔が変化する場合であっても車両用発電機の発電状態を正しく伝達することが可能となる。

また、上述した通信手段から信号を送信する間隔が所定値を超えたときに、フィルタ手段の時定数を一定値に固定することが望ましい。通信間隔が所定値を超えて長くなったときにフィルタ手段の時定数を制限することにより、フィルタ手段の構成が必要以上に複雑になることを防止することができる。

また、上述したフィルタ手段は、デジタル信号変換手段から出力されるデジタル信号について、通信手段による前回の信号送信時から次回の信号送信時までの平均値を算出して出力することが望ましい。これにより、通信間隔が変化する場合であっても各通信間隔毎に車両用発電機の発電状態を示す状態変数を正確に平均化することができ、車両用発電機の発電状態を正しく伝達することができる。

また、上述したフィルタ手段は、デジタル信号変換手段からデジタル信号が入力される度に、新たに入力されるデジタル信号とそれまでの平均値との間で新たな平均値を算出して平均値の更新を行うことが望ましい。これにより、平均値算出のために保持しておくデジタル信号や演算対象となるデジタル信号の数を減らすことができ、処理や回路構成の簡略化が可能になる。

また、上述した状態変数は、車両用発電機の界磁巻線の通電状態に対応した発電率であることが望ましい。これにより、外部制御装置によって車両用発電機の発電率を知ることができるため、アイドルスピードバルブの開閉制御を行ってエンジンのアイドリング回転の安定化を図ることが可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電制御装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。図１において、本実施形態の車両用発電機１は、発電制御装置６、電機子巻線７、界磁巻線８、三相全波整流器９を含んで構成されており、バッテリ２を充電するとともに、負荷スイッチ４を介してランプ等の電気負荷３に電力を供給する。また、発電制御装置６は通信端子（Ｃ端子）を介して外部制御装置としてのＥＣＵ（電子制御装置）５と接続されており、発電制御装置６からＥＣＵ５に対して車両用発電機１の発電状態に関する信号が送信され、反対に、ＥＣＵ５から発電制御装置６に対して車両用発電機１の発電状態を制御する制御定数が送信される。

電機子巻線７は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、固定子鉄心に巻装されて固定子を構成している。電機子巻線７に誘起される交流出力が三相全波整流器９に供給される。界磁巻線８は、電機子巻線７に電圧を誘起させるために必要な鎖交磁束を発生する。この界磁巻線８は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。三相全波整流器９は、電機子巻線７の交流出力を直流出力に整流するものであり、電機子巻線７の各相に対応する整流素子として例えばツェナーダイオードが用いられる。三相全波整流器９は、高位側直流端子が車両用発電機１の出力端子（Ｂ端子）を介してバッテリ２の高位側端子に接続されており、低位側直流端子が接地されている。

発電制御装置６は、界磁巻線８に対する励磁電流の供給を断続制御することにより車両用発電機１の出力電圧が所定の調整電圧になるように制御する。このために、発電制御装置６は、スイッチング素子６１、環流ダイオード６２、電圧比較器６３、抵抗分圧回路６４、調整電圧発生回路６５、デューティ検出回路６６、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換回路６７、平滑回路６８、通信信号処理回路６９を備えている。

スイッチング素子６１は、Ｆ端子を介して界磁巻線８の一方端に直列に接続されている。界磁巻線８の他方端はＢ端子を介してバッテリ２の高電位側端子に接続されている。したがって、スイッチング素子６１がオンされたときに励磁電流が界磁巻線８に供給され、オフされたときに界磁巻線８への励磁電流の供給が遮断される。環流ダイオード６２は、Ｆ端子およびＢ端子のそれぞれを介して界磁巻線８に並列に接続されており、スイッチング素子６１がオフされたときに界磁巻線８に流れる励磁電流を環流させる。

抵抗分圧回路６４は、Ｂ端子に現れる車両用発電機１の出力電圧を分圧して、電圧比較器６３の正側入力端子に印加する。調整電圧発生回路６５は、ＥＣＵ５から通信端子Ｃを介して受信した制御定数によって指定される調整電圧指令値に対応する調整電圧を発生し、電圧比較器６３の負側入力端子に印加する。電圧比較器６３は、正側入力端子に印加された分圧電圧と負側入力端子に印加された調整電圧とを比較し、調整電圧の方が高いときにローレベルの内部制御信号をスイッチング素子６１に入力し、反対に調整電圧の方が低いときにハイレベルの内部制御信号をスイッチング素子６１に入力する。スイッチング素子６１は、内部制御信号がローレベルのときにオフし、ハイレベルのときにオンする。

デューティ検出回路６６は、電圧比較器６３からスイッチング素子６１に入力される内部制御信号のデューティを検出し、このデューティに対応する電圧（デューティ検出電圧）を生成する。このデューティが発電状態を示す状態変数に相当し、界磁巻線８の通電状態に対応した発電率を示している。ＡＤ変換回路６７は、デューティ検出電圧（アナログ信号）をデジタル信号化してデューティ検出データ（デジタル信号）を生成する。平滑回路６８は、ＡＤ変換回路６７から出力されるデューティ検出データを平滑化する。具体的には、平滑回路６８は、ＡＤ変換回路６７から出力されるデューティ検出データについて、通信信号処理回路６９による前回の送信時から次回の送信時までの平均値を算出して出力する。通信信号処理回路６９は、平滑回路６８によって平滑化された信号を通信端子Ｃを介してＥＣＵ５に向けて送信するとともに、ＥＣＵ５から送られてくる制御定数（調整電圧指令値信号）を通信端子Ｃを介して受信する。

上述したデューティ検出回路６６が状態変数検出手段に、ＡＤ変換回路６７がデジタル信号変換手段に、平滑回路６８がフィルタ手段に、通信信号処理回路６９が通信手段にそれぞれ対応する。

本実施形態の車両用発電機１およびこれに内蔵される発電制御装置６はこのような構造を有しており、次に、発電制御装置６からＥＣＵ５に向けて発電状態に関する信号を送信する際の平滑回路６８の動作について説明する。

図２は、本実施形態の発電制御装置６に含まれる平滑回路６８の動作内容を示す動作タイミング図である。図２において、横軸の「時間」は経過時間を示している。縦軸の「Ｆデューティ」はデューティ検出回路６６によって検出されるデューティの値を示している。また、下向きの矢印（↓）は通信信号処理回路６９から信号が送信されるタイミングを示している。バツ印（×）は平滑回路６８によって平滑化された信号の内容（平滑化されたデューティ）を示している。

デューティ検出回路６６によってスイッチング素子６１に入力される内部制御信号のデューティが検出され、検出されたデューティに対応するデューティ検出電圧が出力されると、ＡＤ変換回路６７は、所定の時間間隔でこのデューティ検出電圧をデジタル信号化し、対応するデューティ検出データを出力する。平滑回路６８は、ＡＤ変換回路６７から入力されるデューティ検出データを平滑化する処理、すなわち入力されるデューティ検出データを平均化する処理を行う。この平均化処理の対象となるデューティ検出データの範囲は、通信信号処理回路６９から信号を送信する周期に応じて設定される。

例えば、図２では、ＡＤ変換回路６７からデューティ検出データが３回出力される毎に１回の割合で通信信号処理回路６９から信号が送信される場合の具体例が示されている。この場合には、平滑回路６８は、前回の送信タイミングが経過した後にＡＤ変換回路６７から出力される３回分のデューティ検出データに対して平均化処理を行う。通信信号処理回路６９は、このようにして平滑回路６８によって平均化処理されたデューティ検出データを示す信号をＥＣＵ５に向けて送信する。なお、通信信号処理回路６９から信号が送信されるタイミングがあらかじめわかっている場合にはこの送信タイミングに合わせて平滑回路６８による平均化処理を行うことができる。また、通信信号処理回路６９から信号が送信されるタイミングがあらかじめわかっていない場合には、通信信号処理回路６９から平滑回路６８に平均化されたデューティ検出データの読み込みを指示したとき、あるいは信号送信が終了した旨の通知を通信信号処理回路６９から受け取ったときに、平滑回路６８による平均化処理をリセットし、それ以後にＡＤ変換回路６７から入力されるデューティ検出データを用いて平均化処理を行うようにすれば、通信信号処理回路６９による信号の送信タイミング、すなわち通信周期に合わせて平滑回路６８による平均化処理を行うことが可能になる。

このように、車両用発電機１の発電状態を示す状態変数（デューティ）を平滑化して送信しているため、状態変数の変動が大きい場合であっても車両用発電機１の発電状態をＥＣＵ５に対して正しく伝達することが可能となる。また、信号の送信タイミングに関係なく車両用発電機１の発電状態を正しく伝達することができるため、発電状態以外の情報を同じ配線を介して異なるタイミングで送信することができ、複数種類の信号を別々の配線を介して送信する場合に比べて配線の簡素化が可能となる。

図３は、車両用発電機１に内蔵された発電制御装置６との接続形態の具体例を示す図である。図３に示す例では、ＥＣＵ５に対して発電制御装置６以外に３つの機器Ａ、Ｂ、Ｃが並列に接続されている。なお、図３では信号を送受信する相互の関係が示されており、ＥＣＵ５と発電制御装置６および機器Ａ、Ｂ、Ｃとの間の物理的な接続形態は、シリアルバス等を介してカスケード接続されていてもよい。図４は、図３に示すＥＣＵ５と発電制御装置６および機器Ａ、Ｂ、Ｃとの間で信号を送受信するタイミングを示す図である。図４に示すように、発電制御装置６からＥＣＵ５に信号を送信する間隔が一定でない場合であっても、この不均等な通信周期に応じて平滑回路６８による平均化処理が行われるため、発電制御装置６からＥＣＵ５に向けて車両用発電機１の発電状態を常に正しく伝達することができる。

このように、平滑回路６８は、ＡＤ変換回路６７から出力されるデジタル信号について、通信信号処理回路６９による前回の信号送信時から次回の信号送信時までの平均値を算出して出力しているため、通信間隔が変化する場合であっても各通信間隔毎に車両用発電機１の発電状態を示す状態変数を正確に平均化することができ、車両用発電機１の発電状態をＥＣＵ５に対して正しく伝達することができる。

次に、平滑回路６８によって行われる平滑化処理の具体例（変形例）について説明する。平滑回路６８では、以下に示す式を用いて出力値Ｂ_n が演算され、出力される。

Ｂ_n ＝Ａ＋（Ｂ_n-1 −Ａ）×Ｋ …（１）
ここで、Ａは実際の検出値（デューティ検出データの値）を、Ｂ_n は平滑回路６８の次回の出力値を、Ｂ_n-1 は前回の平滑回路６８の出力値を、Ｋはフィルタ定数であって出力値Ｂ_n の値を更新する時定数をそれぞれ示している。

例えば、発電制御装置６の各構成回路は一定周期（例えば５ｍｓｅｃ）で動作することが多く、車両用発電機１の発電率（デューティ検出データ）はこの一定周期毎に生成される。すなわち、（１）式に含まれるＡ、Ｂ_n-1 、Ｂ_n は、この周期毎に更新されることになる。

フィルタ定数Ｋの値を大きくすると平滑度が大きくなり、反対にフィルタ定数Ｋの値を小さくすると平滑度が小さくなる。発電率（デューティ）の変動が大きい場合にはフィルタ定数Ｋの値を大きくすることにより、平滑回路６８から出力される発電率の変動を抑えることができる。しかし、この場合には平滑回路６８から出力される発電率の応答性が悪くなる。

本実施形態の発電制御装置６では、以下の手順でフィルタ定数Ｋの値を切り替える設定が行われる。
（手順１）発電制御装置６からＥＣＵ５に向けて発電状態を示す信号を送信した直後は、平滑回路６８のフィルタ定数Ｋは０．９に設定される。
（手順２）以後、調整電圧制御毎に、すなわちＡＤ変換回路６７からデューティ検出データが出力される毎にフィルタ定数Ｋを０．１ずつ減少させる。フィルタ定数Ｋが０．３に達した後は、調整電圧制御の周期が進んでもフィルタ定数Ｋ（＝０．３）の値は変化させない。
（手順３）発電制御装置６からＥＣＵ５に向けて発電状態を示す信号が送信されると、（手順１）に戻って再びフィルタ定数Ｋの値が初期値である０．９に設定される。

このように、平滑回路６８のフィルタ定数Ｋ（時定数）を、通信信号処理回路６９から信号を送信する間隔に応じて切り替えることにより、発電制御装置６とＥＣＵ５とが接続された通信線にさらに他の機器が接続されて発電制御装置６からＥＣＵ５に向けて送信される信号の通信間隔が変化する場合であっても車両用発電機１の発電状態を正しく伝達することが可能となる。また、信号を送信する間隔が所定値を超えたときにフィルタ定数Ｋの値を一定値（０．３）に固定することにより、平滑回路６８の構成が必要以上に複雑になることを防止することができる。

また、平滑回路６８は、ＡＤ変換回路６７からデジタル信号が入力される度に、新たに入力されるデジタル信号（Ａ）とそれまでの平均値（Ｂ_n-1 ）との間で新たな平均値（Ｂ_n ）を算出して平均値の更新を行っているため、平均値算出のために保持しておくデジタル信号や演算対象となるデジタル信号の数を減らすことができ、処理や回路構成の簡略化が可能になる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 本実施形態の発電制御装置に含まれる平滑回路の動作内容を示す動作タイミング図である。 車両用発電機に内蔵された発電制御装置との接続形態の具体例を示す図である。 図３に示すＥＣＵと発電制御装置および３つの機器との間で信号を送受信するタイミングを示す図である。 従来の車両用発電制御装置を用いて周期的に発電率を送信する場合の具体例を示す図である。

符号の説明

１ 車両用発電機
２ バッテリ
３ 電気負荷
５ ＥＣＵ
６ 発電制御装置
７ 電機子巻線
８ 界磁巻線
９ 三相全波整流器
６１ スイッチング素子
６２ 環流ダイオード
６３ 電圧比較器
６４ 抵抗分圧回路
６５ 調整電圧発生回路
６６ デューティ検出回路
６７ ＡＤ変換回路
６８ 平滑回路
６９ 通信信号処理回路

Claims (5)

1. 外部制御装置に対して車両用発電機の発電状態に関する信号を送信する車両用発電制御装置において、
   前記発電状態を示す状態変数を検出する状態変数検出手段と、
   前記状態変数検出手段によって検出した状態変数をデジタル信号化するデジタル信号変換手段と、
   前記デジタル信号変換手段から出力されるデジタル信号を平滑化するフィルタ手段と、
   前記フィルタ手段で平滑化した信号を前記外部制御装置に向けて送信する通信手段と、
   を備え、前記フィルタ手段の時定数を、前記通信手段から信号を送信する間隔に応じて切り替えることを特徴とする車両用発電制御装置。
2. 請求項１において、
   前記通信手段から信号を送信する間隔が所定値を超えたときに、前記フィルタ手段の時定数を一定値に固定することを特徴とする車両用発電制御装置。
3. 請求項１において、
   前記フィルタ手段は、前記デジタル信号変換手段から出力されるデジタル信号について、前記通信手段による前回の信号送信時から次回の信号送信時までの平均値を算出して出力することを特徴とする車両用発電制御装置。
4. 請求項３において、
   前記フィルタ手段は、前記デジタル信号変換手段からデジタル信号が入力される度に、新たに入力されるデジタル信号とそれまでの平均値との間で新たな平均値を算出して平均値の更新を行うことを特徴とする車両用発電制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記状態変数は、前記車両用発電機の界磁巻線の通電状態に対応した発電率であることを特徴とする車両用発電制御装置。
   

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