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【発明の名称】 車両用発電装置及びその制御方法
【発明者】 【氏名】前田 裕司

【氏名】増野 敬一

【氏名】清水 尚也

【氏名】山本 立行

【氏名】深作 良範

【氏名】田島 進

【氏名】印南 敏之

【氏名】西館 圭介
【要約】 【課題】電動機で車輪を駆動するものにおいて、広い運転範囲にわたり機械式４ＷＤに対して遜色の無い十分な駆動力性能を確保できる、車両用発電装置及びその制御方法を供給する。

【解決手段】車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両駆動装置用の発電装置において、前記内燃機関により駆動され前記電動機を駆動するための第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、前記電動機は、前記第２発電機の出力でその駆動力を調節される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、前記電動機は、前記第２発電機の出力でその駆動力を調節されることを特徴とする車両用発電装置。
【請求項２】車両の内燃機関により駆動され低電圧系車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置とを備え、前記第２発電機は、前記低電圧系の電力に比べてより低電圧からより高い高電圧までの出力電力を前記電動機に供給可能に構成されており、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、該第２発電機から供給される電圧または電流で前記電動機の駆動力を調節することを特徴とする車両用発電装置。
【請求項３】車両の内燃機関により駆動され車載のバッテリーを充電する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置とを備え、前記第２発電機は、前記バッテリーの充電回路から分離され、該第２発電機の出力電力を直接前記電動機に供給するように構成されており、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、該第２発電機から供給される電圧または電流で前記電動機の駆動力を調節することを特徴とする車両用発電装置。
【請求項４】車両の内燃機関により駆動され定電圧系車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置とを備え、前記第２発電機は、低電圧から高電圧までの可変電圧の電力を前記電動機に供給可能に構成されており、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、該第２発電機から供給される電圧または電流で前記電動機の駆動力を調節することを特徴とする車両用発電装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の車両用発電装置において、前記制御装置による前記第２発電機の出力電圧の制御領域を、１Ｖ〜５０Ｖとしたことを特徴とする車両用発電装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の車両用発電装置において、前記第２発電機の界磁巻線は２系統の電流供給源を有し、該第２発電機から前記電動機への出力電圧を複数段もしくは所定電圧領域で連続に切替えられるようにしたことを特徴とする車両用発電装置。
【請求項７】請求項３に記載の車両用発電装置において、前記第２発電機の界磁電流は前記バッテリー側と前記第２発電機自らの双方を電流供給源とし、該両電流供給源をダイオードによるＯＲ結合で結線したことを特徴とする車両用発電装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載の車両用発電装置において、前記制御装置は、前記第２発電機が持つ制御装置以外の外部制御装置を含み、該外部制御装置から前記第２発電機の制御指令値を入力し、該発電機が持つ制御装置は該外部制御装置からの入力信号が異常と判定した時は発電を停止することを特徴とする車両用発電装置。
【請求項９】請求項項８に記載の車両用発電装置において、前記第２発電機が持つ制御装置は前記外部制御装置からの入力信号をＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹ比で判定し、規定周期以上のＯＮまたはＯＦＦが連続となった時に異常と判定し、その異常判定周期には不感帯を設けることを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１０】請求項項１ないし９のいずれかに記載の車両用発電装置において、前記第２発電機の出力端は切替えスイッチを介して前記電動機に接続されており、前記制御装置は、前記電動機に出力を供給しない時に、該第２発電機の発電量を自励分のみの最小になる様に減じることを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１１】請求項１０に記載の車両用発電装置において、前記制御装置は、前記電動機に電力を供給しない時には出力供給先を通常の車両電気負荷へ切替え、車両電気負荷量に応じて前記第２発電機側の制御電圧を前記第１発電機側の電圧より低くするか高くするか制御し、前記どちらかの発電機から電力供給するか決めることを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１２】請求項項１０に記載の車両用発電装置において、前記制御装置は、前記第２発電機が前記電動機に電力を供給しない時には、その出力を高電圧系の車両電気負荷へ供給するように切替えることを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１３】車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置とを備え、前記第２発電機は、出力電力を前記電動機に供給可能に構成されており、前記制御装置は、前記第２発電機が持つ制御装置以外の外部制御装置を含み、前記外部制御装置から、前記第２発電機の制御指令として該第２発電機の界磁電流のＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、該第２発電機の出力電圧または電流を任意に設定できるようにしたことを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１４】請求項１３に記載の車両用発電装置おいて、前記外部制御装置は、車両および電動機の状態と要求に応じて定まる前記第２発電機の出力要求値として、電圧フィードバック制御と電流フィードバック制御とを自由に切替えて出力可能としたことを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１５】請求項１３または１４に記載の車両用発電装置おいて、前記外部制御装置は、前記第２発電機から前記電動機へ電力を供給する手順を、前記電動機の界磁電流を流してから一定時間遅れ後に発電開始と同時に発電機出力である電機子電流が流れる様に制御することを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１６】請求項１３または１４に記載の車両用発電装置おいて、前記外部制御装置は、前記第２発電機から前記電動機への電力を遮断する手順を、前記第２発電機を停止させてから一定時間後に前記第２発電機からの電機子電流を遮断する様に遅れ時間を持たせる様に制御することを特徴とする車両用発電装置。
【請求項１７】車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機と、前記内燃機関により駆動される第２発電機を備えた車両用発電装置の制御方法であって、前記車両の運転状態に応じて前記第２発電機の制御指令を該第２発電機の界磁電流のＯＮ／ＯＦＦ信号として入力し、前記第２発電機の出力電力を前記電動機に供給することにより、前記電動機の出力を前記第２発電機から供給される電圧または電流で制御することを特徴とする車両用発電装置の制御方法。
【請求項１８】車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機と、前記内燃機関により駆動される第２発電機を備えた車両用発電装置の制御方法であって、前記第２発電機の界磁電流は、バッテリの出力と該第２発電機発電機自体の出力の双方を供給源としており、前記車両の運転状態に応じて、車両の発進時は前記バッテリの出力を界磁電流の供給源とし、車両の走行時は前記第２発電機自体の出力を界磁電流の供給源として入力し、前記第２発電機の出力電力を前記電動機に供給することを特徴とする車両用発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両用発電装置及びその制御方法に係り、特に、内燃機関で直接駆動されない車輪を電動機で駆動する全輪駆動車に用いるのに適した車両用発電装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関で直接駆動されない車輪を電動機で駆動する装置の従来技術として、駆動用電池を利用し、発信アシストが必要な低μ路のみ１４Ｖオルタネータと補機用１２Ｖバッテリを組み合わせて電動機を作動するものが特開平7−151514号公報に記載されている。また、特開平7−231508号公報に記載されたものは、１４Ｖホルタネータと補機用１２Ｖバッテリを組み合わせて電動機を駆動するシステムとなっている。
【０００３】さらに、実開平昭55−110328号公報には、走行中にスリップ現象の発生したときのみ全輪駆動とする前後輪駆動車両が開示されている。すなわち、この公報には、前輪もしくは後輪のいずれか一方を、エンジンの動力により駆動して走行する車両において、前輪もしくは後輪の残りの一方を補助的に駆動する補助駆動源（電動機及び発電機）を設け、上記前輪と後輪との両回転数の差を検出し上記補助駆動源を制御するコントローラを備えた前後輪駆動車両が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】１４Ｖ発電機や、１２Ｖの補機用バッテリを動力源に持つ低電圧系の発電システムにおいて、四輪駆動（４ＷＤ）車としての性能を十分発揮させるために必要な駆動力を発生するために電動機に十分な電力を供給しようとすると、大きな電流が必要となる。すなわち、これらの低電圧系の発電システムでは、制御される電圧が低いため、大きな電流が必要となり、システムの駆動手段の切替え手段において、大電流に耐えるスイッチ、電気回路、ハーネス等が必要となり、コストや大きさの面から現実的でない。
【０００５】一方、駆動できるトルクを低く設定すると、四輪駆動車として十分なアシスト性能が得られない。また電気回路全般に及んで低電圧高電流で、設計するため、発熱による効率悪化が著しい。
【０００６】また、１２Ｖ（通常の車両電気負荷用）バッテリは大きさの制限から持ち出せる電気エネルギーは小さく限定され、４ＷＤとして使える時間は、ごく限られたものとなり、高電力を長時間必要とする連続した登坂等では十分な性能が発揮できない。
【０００７】一方、一つの発電機を補機用バッテリ充電と、駆動モータ駆動用の二つの目的兼用で利用した場合、切替えスイッチのコストと信頼性の問題、異なる要求出力特性に対応するため、効率を悪化させ、また、前述の大電流に伴う電気ロス増加のため実際に駆動できるエネルギーが減少する問題等がある。
【０００８】また、駆動回路の中に、電池などの電圧源があるとその電圧源の特性により電圧値が決ってしまい、その時原動機に必要で最適な電圧で電力を供給することができなくなる問題がある。
【０００９】さらに、実開平昭55−110328号公報に記載の方式においては、駆動時常に前後輪の両回転数の差が発生する。この差は走行路面のμによって決まる。従って、この方式では、エンジンにより駆動される車輪の速度を常に追いかけるように、補助駆動源の発電機の出力が制御される。この方式は、スリップ現象の発生時のみ四輪駆動車として動作し、通常は２輪駆動車として機能するように構成されている。
【００１０】本発明の目的は、電動機で車輪を駆動するものにおいて、広い運転範囲にわたり機械式４ＷＤに対して遜色の無い十分な駆動力性能を確保できる、車両用発電装置及びその制御方法を供給することにある。
【００１１】本発明の他の目的は、構造が簡単でコストが安く、効率も良く、かつ十分な性能を持つ４ＷＤ駆動装置を可能にする車両用発電装置及びその制御方法を供給することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、前記電動機は、前記第２発電機の出力でその駆動力を調節されることにある。
【００１３】本発明の他の特徴は、車両の内燃機関により駆動され低電圧系車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置とを備え、前記第２発電機は、前記低電圧系の電力に比べてより低電圧からより高い高電圧までの出力電力を前記電動機に供給可能に構成されており、前記制御装置は、前記車両の要求駆動力に応じて前記第２発電機の出力を制御し、該第２発電機から供給される電圧または電流で前記電動機の駆動力を調節することにある。
【００１４】本発明の他の特徴は、前記第２発電機の界磁巻線は２系統の電流供給源を有し、該第２発電機から前記電動機への出力電圧を複数段もしくは所定電圧領域で連続に切替えられるようにしたことにある。
【００１５】本発明の他の特徴は、車両の内燃機関により駆動され車両電気負荷へ電力を供給する第１発電機と、前記車両の前後輪のうち前記内燃機関により駆動されない車輪を駆動する電動機とを備えた車両用発電装置において、前記内燃機関により駆動される第２発電機と、前記第２発電機及び前記電動機を制御する制御装置とを備え、前記第２発電機は、出力電力を前記電動機に供給可能に構成されており、前記制御装置は、前記第２発電機が持つ制御装置以外の外部制御装置を含み、前記外部制御装置から、前記第２発電機の制御指令として該第２発電機の界磁電流のＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、該第２発電機の出力電圧または電流を任意に設定できるようにしたことにある。
【００１６】本発明によれば、専用の発電機すなわち第２発電機の出力で車輪駆動用の電動機の駆動力を調節することにより十分な駆動力が確保できる。そのため、車両の発進時から高速登坂運転までの広い運転範囲にわたり、いわゆる機械式４ＷＤに対して遜色の無い駆動力性能を確保できる、車両用発電装置及びその運転方法を供給することができる。
【００１７】また、本来の電動式４ＷＤの利点（プロペラシャフト不要、車両のフロア形状がフラットにできる等）も持ち、さらに高電圧バッテリが不要となるため、コストが安く、車両におけるレイアウトも有利、高電圧バッテリの保守メンテ交換も不要となるなど、シンプルで効率も良く、かつ十分な性能を持つ駆動装置を可能にする、車両用発電装置及びその運転方法を供給することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の車両用発電装置を４輪駆動車両の駆動装置に適用した実施例について、図面に沿って説明する。図１は、本発明を適用した４輪駆動車両の全体構成を示すブロック図である。図２は、図１における車両用発電装置の全体構成を示すブロック図である。
【００１９】４輪駆動車両１の前輪３はエンジン２により、後輪４は直流電動機５により、夫々駆動される。エンジン２はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１９により制御される。エンジン２の出力はミッション１６およびドライブシャフト１３Ａを介して前輪３へ駆動力を伝える。エンジンルーム内には通常の車両電気負荷へ電力供給を行う補機用の第１発電機７が設けられている。第１発電機７は、エンジン２によりベルト駆動され、第１発電機７の出力の一部が補機バッテリー８に蓄積される。
【００２０】本実施例では更に、エンジンルーム内の第１発電機７の近傍に、エンジン２によりベルト駆動される後輪駆動用の高出力の発電機、すなわち第２発電機９が配設されている。第２発電機９は、後輪駆動用の直流電動機５と接続されている。直流電動機５はデファレンシャルギヤ１２及びクラッチ１１を介して後輪４のドライブシャフト１３Ｂに連結されている。デファレンシャルギヤ１２とクラッチ１１が連結されると、直流電動機５の出力シャフトがクラッチ１１を介してデファレンシャルギヤ１２に接続される。クラッチ１１が外れると、直流電動機５は後輪４側から切り離される。
【００２１】１４は発電装置コントロールユニットであり、４輪駆動車両の回転電機すなわち、直流電動機５、第１発電機７、第２発電機９を統括制御する。また、前輪３及び後輪４の各車輪には、回転速度及び回転方向を検出する車輪センサ１５が設けられている。なお、この実施例では、発電装置コントロールユニットは、外部すなわち、直流電動機５や第２発電機９の本体の外に設けられており、このコントロールユニットと直流電動機５や第２発電機９の本体に設けられたレギュレータなどの制御部とで、車両用発電装置全体の制御装置を構成する。発電装置コントロールユニット１４は、各車輪センサ１５からの信号２０３，２０４を受けて直流電動機５と第２発電機９とに対して制御指令２１０、２０１（２０８）を出す。ここでは、発電装置コントロールユニット１４の第１発電機７に関する制御については説明を省略する。
【００２２】補機用第１発電機７は、例えば、１２Ｖ、２ｋＷ程度の出力の得られる一般的な発電機である。一方、第２発電機９は、第１発電機７に比べて高出力が得られる発電機であり、例えば、３６Ｖ、６ｋＷ程度の出力の得られる発電機である。
【００２３】なお、直流電動機５は、正転逆転の切替えが容易な直流分巻電動機、または他励直流電動機とするのが望ましい。また、本発明はトラックのような６輪以上の車両、トレーラのような、牽引車両の各車輪を電動機で個別に駆動する場合にも適用可能である。また、用途によっては、直流電動機に代えて交流電動機を用いても良い。
【００２４】発電装置コントロールユニット１４は、各種センサ信号を取込みマイクロコンピュータを有する演算部１４４で演算処理をして直流電動機５の界磁電流と第２発電機９の界磁電流をドライブするドライバー部を備えている。また、発電装置コントロールユニット１４は、エンジン回転２３、ギヤ位置センサ２４、車速センサ１５、アクセル開度センサ２５、前後輪の車輪速センサの信号を受け、その時の運転状態に応じて第２発電機９の界磁電流を制御したり直流電動機５の界磁電流値を制御する。
【００２５】なお、コントロールユニット１４は発電装置のみならずＥＣＵ１９を含む車両全体の制御を統括するユニットとして構成しても良い。その場合、コントロールユニット１４は、エンジンのスロットルをコントロールする制御指令や直流電動機５とデファレンシャルギヤ１２を切り離すクラッチ１１へも制御指令を出力する。以下では、コントロールユニット１４がもっぱら発電装置を制御するものとして、説明する。
【００２６】なお、前輪３及び後４の各車輪に設けられたブレーキ１７には、アンチロックブレーキ（ＡＢＳ）コントロールユニット（図示略）によって制御されるアンチロックブレーキ（ＡＢＳ）アクチュエータが設けられている。ここでは公知のＡＢＳコントロールユニットを採用するものとして、詳細な説明を省略する。
【００２７】エンジン２の出力は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１９からの指令により駆動される電子制御スロットル１８により制御される。電子制御スロットル１８には、アクセル開度センサが設けられており、アクセル開度を検出する。なお、電子制御スロットルの代わりにメカリンクのアクセルペダル及びスロットルを用いる場合には、アクセルペダルにアクセル開度センサを設けることができる。また、ＥＣＵ１９は、トランスミッション１６を制御する。トランスミッション１６は、オートマチックトランスミッションであり、レクトレバーによって選択されたギヤ比となるように自動制御される。セレクトレバーのポジションは、ギヤ位置検出センサによって検出される。なお、トランスミッションとしては、マニュアルトランスミッションを用いるものであってもよいものである。
【００２８】図２に、車両用発電装置すなわち発電装置のコントロールユニット１４の詳細構成を示す。この車両用発電装置は、車載のバッテリー８と、直流電動機５や第１発電機７、第２発電機９及びそれらのドライバー部であるコントローラ１４６とを含んでいる。各種の演算処理を行うコントローラ１４６は、Ｉ／Ｏ回路と、Ａ／Ｄ変換器と、演算処理用のＣＰＵ１４７と、モータードライバ１４８とを備えている。コントローラ１４６は、さらに、電動機制御用のプログラムやデータを保持するメモリを備えており、入力した情報に基づいて、車速を算出し、第２発電機９（ＡＬＴ２）の出力電圧値を算出し、Ｉ／Ｏ回路から第２発電機９に供給され、発生する出力電圧値を制御する。なお、第１発電機７の制御に関しては、ここでは公知の技術を採用するものとして、詳細な説明を省略する。
【００２９】バッテリー８は１２Ｖ用バッテリーであり、このバッテリー８と充電用の第１発電機７とで、既存の車両電気負荷８３へ電力供給する低電圧系、換言すると１２Ｖ等の定電圧系、の充電発電システムを構成している。なお、バッテリー８は、エンジン停止時に電力を供給するとともに、エンジン起動後は第１発電機７から充電される。そして、第１発電機７が発電している限り、通常の車両電気負荷への電力供給は第１発電機７から行われる。
【００３０】第２発電機９の界磁コイル３３は、レギュレータ１６０内のダイオード３１を介して低電圧側電流源としての充電発電機７及びバッテリー８に接続されている。ステータ３４に誘起された電力が整流ダイオード３５を通して負荷である直流電動機５に供給される。整流ダイオード３５の出力側は、第２発電機９に設けられたダイオード３２を介して、界磁コイル３３およびバッテリー８に接続されている。このように、第２発電機９の界磁コイル３３は、界磁電流源切換ダイオード３１、３２を介して電源に接続されている。すなわち、他励電流源としての充電発電機７及びバッテリー８に接続されるとともに、ダイオード３２を介して自他電流源すなわち整流ダイオード３５の出力側に接続されている。
【００３１】第２発電機９は、直流電動機５へ低電圧から高い電圧間での広範囲の電力を供給する可変電圧（高電圧系）発電システムを構成している。第２発電機９の出力は、駆動源でリンクしているエンジンの回転数と界磁コイル３３に流れる界磁電流によって決る。すなわち、コントローラ１４６のＣＰＵ１４７から与えられる電圧指令２０３に応じてレギュレータ１６０のトランジスタ３６で界磁電流を制御することにより、第２発電機９から所定の出力電圧が得られる。本実施形態では、高電圧の電気漏洩と第２発電機９の耐熱性を考慮して、この出力電圧を５０Ｖ以下に設定している。
【００３２】コントローラ１４６のＣＰＵ１４７は、制御に必要な各センサ信号を、車載されている他の制御ユニット１７０（例えば、ＥＣＵ１９やＡＢＳコントロールユニット）から車内ＬＡＮ（ＣＡＮ）バス１７１経由で入手する。すなわち、ＣＰＵ１４７には、車輪の回転速度及び回転方向の情報，アクセル開度の情報，及びギヤ位置の情報等が、ＥＣＵなどから車内ＬＡＮを介して入力される。
【００３３】コントローラ１４６のＣＰＵ１４７は、これらの情報に基づいて車両運転状態および駆動要求量を算出し、直流電動機５が必要トルク、及び回転数を得ることができる様に、第２発電機９に対して出力電圧の指令値２０６を出力し、要求出力を発電させる。このようにＣＰＵ１４７は、第２発電機９４の出力電圧を制御することにより、他励式直流電動機５を制御する。
【００３４】さらに、ＣＰＵ１４７は、直流電動機５の界磁巻線６に流す界磁電流を制御する。すなわち、バッテリー８と界磁巻線６間に接続されたモータードライバ１４８を、ＣＰＵ１４７からの界磁指令２１０に基づき制御することにより、直流電動機５の界磁巻線６の電流が決定される。これにより、ＣＰＵ１４７が直流電動機６を直接制御可能にしており、第２発電機９の出力により直流電動機５を制御することによるレスポンスの低下を改善するようにしている。
【００３５】他励式直流電動機５への入力回路は、電機子巻線５Ａ用の回路と界磁巻線６用の回路の並列の回路によって構成され、電機子巻線５Ａ用は、スイッチ１５０を介して第２発電機９と直接結線されている。一方、界磁巻線６はモータードライバ１４８からの信号線を介して１２Ｖ用バッテリ８から電力が供給される。ＣＰＵ１４７は、直流電動機５の特性が要求値に適合するように、モータードライバ１４８を介して、直流電動機５の界磁巻線６に流す界磁電流を調整する。また、電動機５の電機子巻線５Ａには、第２発電機９から配線路および切り替えスイッチ１５０を介して直接的に、エンジン回転数に比例した低電圧から高電圧までの電力が最適効率で供給される。なお、２１は電流計である。
【００３６】なお、車両が後退する時には、モータードライバ１４８により、正転とは逆向きに界磁電流を流すことで、車両前進の時と同様の後退駆動力が得られる。さらに、ＣＰＵ１４７は、クラッチの断続信号を生成して、Ｉ／Ｏ回路からクラッチ１１に供給する。
【００３７】以上のように、直流電動機５のへの入力回路として並列回路を採用し、かつ、電機子巻線及び界磁巻線の径や巻数を変えることにより、直流電動機５の電機子巻線への入力電流を大きくし、界磁巻線への入力電流を小さく設定することができる。例えば、電機子電流を最大で２５０Ａ程度とし、界磁電流は最大で２０Ａ程度もしくはそれ以下になるように設定される。
【００３８】また、ＣＰＵ１４７は、発電電圧が低電圧側で制御し難くなった時は直流電動機５の特性が要求値に適合する様、直流電動機５の界磁巻線６の電流を調整する。この場合、フィードバック制御するものを発電電圧か電動機界磁電流かいずれか一方のみとし、不安定動作になるのを防止する。車両を後退させたい時には正転とは逆向きに界磁電流を流すことで、直流電動機５を逆回転させて車両前進の時と逆向きの駆動力を得る。
【００３９】次に、図３を用いて、直流電動機５の構成について説明する。図３は、本発明の一実施形態になる直流電動機の縦断面図である。この電動機５は、直流分巻電動機である。電機子巻線５Ａには第２発電機９から５０Ｖ以下の電力が供給され、界磁巻線６には１２Ｖの電力が供給される。なお、電機子巻線への入力電流は大きく、界磁巻線への入力電流は小さく設定されている。電機子巻線５Ａには比較的高電圧、大電流の電力が供給されるので、巻数を少なくし、電機子コア５Ｃを小型化、すなわち，半径を小さくすることができる。一方、界磁巻線６には、より低電圧，小電流の電力が供給されるので、その巻数を多くしている。
【００４０】そして、電機子巻線５Ａと界磁巻線６に２つの電源から異なる大きさの電力を供給し、分巻電動機５の電機子コア５Ｃの半径１／２Ｄと、界磁巻線６の半径方向の厚みＬとを、一般的な電動機では、Ｌ＜１／２Ｄなる関係としているが、Ｌをできる限り長くとり、１／２Ｄに近い値としている。
【００４１】このため、電機子コア５Ｃの半径は小さくなるため、整流子５Ｄの半径も小さくなり、ブラシ５Ｅの半径方向長さを十分に長くし、ブラシ５Ｅの長寿命化を図ることができる。車両床下への取付スペースを考慮した場合、電動機５のブラシ５Ｅが収納される部分の外径寸法を最大でディファレンシャルギア１２の外径に対応する大きさとすることにより、ブラシ５Ｅの長さを十分に長くすることができる。
【００４２】このように、電機子巻線５Ａと界磁巻線６Ｂに２つの電源から異なる大きさの電力を供給することで、上述したＬ＜１／２Ｄなる関係内でブラシ長を最大限確保しながら、外形寸法を、ディファレンシャルギア１２の外形寸法と同等以下、例えば，２００ｍｍ以下にすることができる。
【００４３】次に、図４を用いて、本発明の一実施形態の車両駆動装置に用いる第２発電機９の構成について説明する。図４は、第２発電機９の縦断面図である。
【００４４】第２発電機９は、換気窓の無いブラケット９４により発電機の回転子３４，固定子３５等を保持し、かつエンジンに搭載されている。また、冷却媒体供給口９５Ａからエンジンの冷却媒体を受け取り、発電時の自己発熱を冷却水を適切に発電機内を循環させることにより冷却後、冷却媒体排出口９５Ｂからエンジン側に戻し、エンジンに付属しているラジエターで冷却後、再循環している。
【００４５】図４に示すような構成の第２発電機９を、比較的地面に近い場所に配置する場合、冷却ファンと換気窓が無いため、冷却ファンが外気を換気窓から吸入，排出する必要が無いものである。従って、錆を促進するような物質や故障の一因となる様な異物を吸い込むことが無く、特に、車両走行中に発電機が冠水した場合でも発電機に水等の異物が進入することは殆ど無くなる。
【００４６】次に、図５で、コントローラ１４６のＣＰＵ１４７を中心とした演算処理を説明する。
【００４７】まず、ＣＰＵ１４７の演算処理ステップ１４４ａでは、前後車輪速２０３、２０４（各々２個で計４個）を入力し低速度側を車速とするなどの処理をして車速を算出する。次にステップ１４４ｂでは、ステップ１４４ａで算出した車速に対応して必要となる電動機駆動トルク２０２を算出する。ステップ１４４ｃでは電動機回転数を考慮し目標トルク２０２が出るための電動機入力電圧２０６を算出する。モータ回転数は車輪速から推定する。次にステップ１４４ｄの処理では、この必要電圧が出力される様に第２発電機９への界磁電流指令値を算出する。一方、電圧フィードバック制御の処理ステップ１４４ｅで第２発電機９の出力電圧２０１を取り込み、ステップ１４４ｆで電圧／電流変換し、これをステップ１４４ｄで得られた界磁電流指令値と比較し、差分に相当する指令値２０６を第２発電機９へ出力する。
【００４８】また、ステップ１４４ｇでは、ステップ１４４ｃで算出された電動機入力電圧が直流電動機５で出力される様にモータ界磁部６への界磁電流指令値２１０を算出する。
【００４９】第２発電機９は、自分の出力電圧が指令値２０６になるように内部でフィードバック制御を行い、出力電圧２０１を直流電動機５へ出力する。この電圧Ｖを受けて直流電動機５の実トルクＴが後輪４に入力され、実際の車輪速２０３が出る形となりシステム全体のフィードバック制御が行われる。
【００５０】なお、図５の制御システム構成に代えて、図６に示したように、電流モードで動作させるようにしても良い。すなわち、コントローラ１４６は、電流フィードバック制御１４４ｈで第２発電機９の出力電流２０８を取り込み、フィードバック制御を行う。
【００５１】図７は、コントローラ１４６のＣＰＵ１４７による第２発電機９と直流電動機５の起動停止処理のタイミングを示した図である。ＣＰＵ１４７は、分巻式の電動機の界磁電流７１をまず投入してから一定時間７５後に発電機の界磁電流７３を流し始め同時に発電電流７２が電動機の電機子へ流れる様に発電機の界磁電流制御信号７４を投入する。この一定時間７５は電動機の界磁電流の応答時間以上で最短に設定する。また、停止する場合は、まず発電機９の界磁電流７３が流れなくなるように発電機の界磁電流制御信号７４を停止させて一定時間７６経過後に電動機の界磁電流７１を止める。この一定時間７６は発電機の出力が一定レベル以下になるまでの時間で設定する。
【００５２】図８は、本発明の第２発電機９の出力特性の一例を示す図である。第２発電機の界磁電流は、バッテリーと第２発電機自らの双方を電流供給源としており、車両の発進時即ち第２発電機の起動時あるいは低速回転時は、バッテリー８の電力による他励方式となり、図に示したような左下がりの出力特性となる。また、車両の発進後の走行時は、第２発電機自ら出力を電流供給源とする励方式となり、第２発電機の出力はエンジン回転数に比例し、発電機の出力範囲は端子電圧，電流共に放物線状に拡大している。第２発電機９の出力電圧Ｖは、配線抵抗分を除けば、直流電動機５の入力電圧として考えることができる。従って、第２発電機の界磁電流制御により、電動機５への出力電圧を複数段切替えにしたり、所定電圧領域で連続に切替えることもできる。
【００５３】図９は第２発電機の出力特性に対する電動機５の要求する入力特性を示した図である。電動機５は回転速度に比例した高電圧が必要であり、その時に出せるトルクは電流に比例するが基本的な車両特性から要求トルクが下がってくるので電流も下げることになる。具体的に説明すると発進時は低速で大きなトルクを必要とするのでＡ領域に動作点が来るように発電機の電圧と電流を制御する。この時トルクが出る様にモータ界磁電流値も高目に設定する。車速が上がるにつれてＢ領域を経過して高電圧制御領域Ｃに到達する。坂道などはある程度速度が出たところで駆動トルクとバランスがとれるので一定時間連続で運転することになる。車速が更に出てエンジン回転速度も上昇してくると発電機の発生できる電力が増加するのでＤ領域のように更に高電圧に出来るがその分トルクは低下する。電圧に関しては最高電圧値に制限があることから界磁電流を下げてモータの要求電圧を抑える制御を行う。図９のＡは車両の発進時の動作領域を示している。また、Ｂは車両の低速走行時の動作領域、Ｃは２０Ｋｍ／Ｈ程度の中速登坂運転時の動作領域、Ｄは３０Ｋｍ／Ｈ程度の高速走行時の動作領域を示している。
【００５４】図８、図９において、例えば、車両始動時や轍からの脱出時など、必要トルクが高く車速が低い時は直流電動機５への電流値高く、電圧値が比較的低い領域、すなわち、図８のＶ3、またはＶ2 、Ｉ2 のポイントあるいは図９のＡ、Ｂの動作領域を使用する様に第２発電機９の出力を制御する。また車速の低い所、例えば１５〜２０ｋｍ／ｈでは、後輪４にある程度のトルクを伝え、また直流電動機５が後輪４の回転数と減速機を介して同期するため、直流電動機５に電動機への電流値が比較的低く、電圧値が比較的高い領域、すなわち、図８のＶ1 、Ｉ1 のポイント、あるいは図９のＣ、Ｄの動作領域を使用する様に第２発電機９の出力を制御する。
【００５５】また、より高い電力の要求値がある時には、第２発電機９及び直流電動機５、さらに、バッテリー８の許容範囲内にて、第２発電機９及び直流電動機５の界磁電流を制御することで、更なる高出力及び低出力の範囲で直流電動機５を駆動することが可能である。すなわち、電源系を２系統設けたことにより、第２発電機９の界磁電流を制御する方法と、直流電動機５の界磁電流を制御する方法の２通りの方法で制御可能である。例えば、車両始動時等の電動機の必要回転数が低く、必要トルクが高い時には、第２発電機９の出力を低電圧で電流値が大きくなる値に設定することで、電動機は低回転、高トルクの出力となる。また、車両走行時においては、電動機の必要回転数が高く、必要トルクが低いとすると、第２発電機９の出力電圧の高くなる値に設定することで対応可能となる。さらに、直流電動機５の界磁電流を下げることにより、トルクを絞りながら誘起電圧の上昇を抑えることが出来るので、電動機の回転数を高くすることができる。また、トルク配分要求値が前輪３の方が後輪４よりも高い時などは、第２発電機９の界磁電流値を下げ、前輪３と後輪４のトルク配分を可変にできる。
【００５６】このように、本発明では、前記した電動機及び発電機の構造的な特徴と、直流電動機の弱め界磁制御の組み合わせにより、発電機出力を５０Ｖ以下にするという制約の中で、低電圧に抑えて車輪駆動に要求されるトルクを出すことを可能にしている。
【００５７】図１０は、電動機の出力トルクと車速の関係を示す図である。Ａはエンジンの駆動トルクに相当する電動機５に対する要求特性、Ｂは本発明の直流電動機５の出力特性、Ｃは従来の充電始動システムに組み合わされた直流電動機５の出力特性を示している。従来の充電始動システムでは専用の発電機を設けていないので、いったん１２Ｖのバッテリーを介して負荷に接続される。そのため、Ｃのように、端子電圧，出力電流ともエンジン回転数と発電機の発電効率に関係なく制限された低い値の一定域での制御しか選択できず、この制限された範囲でしか、駆動電動機の入力を与えることができなかった。それに対して、本実施形態では、他励方式の採用により、車両の発進時から高速時まで広範囲に十分な駆動パワーが得られる。そのため、Ｂで示す広範囲の領域内で駆動電動機の制御が可能となり、４輪駆動車両として具備すべき走行モードを自由に選択可能な制御とすることができる。
【００５８】なお、本発明の一実施形態によれば、直流電動機５は、エンジン２とは切り離して独立に制御される。すなわち、車両の始動時（車速がゼロの状態）から所定値（例えば２０Km／h）以下の範囲の前進走行及び後退時に限定して、クラッチ１１をオンにして車両の後輪を駆動し、車速が２０Km／h以上になったらクラッチ１１をオフにしてエンジン２のみで走行する。エンジンからプロペラシャフトを介して車両の後輪を駆動するものに比べると、エンジンからの変速機構やプロペラシャフトが不要となり、４輪駆動機構が、小型，軽量化されると同時に、所定値以上では後輪側が前輪側から切り離されるので燃費向上にも寄与する。また、起動時、すなわち，車速がゼロの状態から発進アシストが得られるために、発進加速性に優れている。
【００５９】なお、クラッチ１１の電源ラインは、補機用バッテリー８に接続されており、クラッチ１１の断続をコントローラ１４により制御することにより、第２発電機９の発電力に依存することなく、４輪駆動機能が必要無い時には、強制的に後輪４と直流電動機５との機械的連結を切り離すことができる。例えば、車速が２０ｋｍ／ｈになったらクラッチ１１をＯＦＦにして、前輪のみの駆動系とすることにより、全車速領域で動作するシステムに比べ、直流電動機５のブラシ摩耗量を低減できる。また、クラッチ１１を切り離した状態では、直流電動機５を使用しないため、第２発電機９をスイッチで切り替え、充電装置や他の補機の電源として流用することも可能である。
【００６０】図２の実施例において、第２発電機９の界磁入力部は、第２発電機９の本体に設けられたダイオード３２と、レギュレータ１６０に設けられたダイオード３１を含んでいる。ダイオード３１、３２の配置をこのようにすることで、コントロールユニット１４のパワー部が減り、標準化が図れる。また、第２発電機９の周辺のパワーラインが減少する。さらに、第２発電機９内のパワー部を分散配置できるので、放熱的に有利となる。
【００６１】図１１は、本発明の他の実施形態による発電装置のコントロールユニット１４の詳細構成を示す図である。図２の実施例との相違点は、第２発電機９の界磁入力部の位置を変更したことにある。すなわち、ダイオード３１、３２を含む界磁入力部の全体が第２発電機９に設けられている。ダイオード３１、３２の配置をこのようにすることで、コントロールユニット１４パワー部が減り、標準化が図れる。また、第２発電機９の周辺のパワーラインが減少する。
【００６２】なお、ダイオード３１、３２を含む第２発電機９の界磁入力部全体を、コントロールユニット１４に設けても良い。磁入力部をこのように構成することで、第２発電機９の回路の標準化、簡略化を図ることができる。
【００６３】また、第２発電機９の界磁入力部全体を、レギュレータ１６０に設けても良い。界磁入力部をこのように構成することで、コントロールユニット１４のパワー部が減り、標準化が図れる。また、第２発電機９の周辺のパワーラインが減少する。さらに、第２発電機９の回路の標準化を図ることができる。
【００６４】図１２は、本発明の発電装置のコントロールユニット１４のより詳細な構成例を示す図である。すなわち、電動機コントロールユニットのコントローラ１４５およびレギュレータ３１６を中心とした電源システム構成図である。
【００６５】第２発電機９の出力は駆動源でリンクしているエンジンの回転数と界磁コイル３３に流れる界磁電流によって決り、ステータ３４に誘起された電力が整流ダイオード３５を通して負荷である電動機（例えばＤＣモータ）５に供給される。
【００６６】なおステータ３４の結線方法としては一般的に本実施例の様なスター結線とデルタ結線の２通りあるがどちらの結線方法でも構わない。ただし、発明者の実験によれば、デルタ結線の方がリップルが少なくより高電圧高出力まで制御出来る。
【００６７】コントローラ１４５は直接制御したい発電機の出力電圧または負荷である直流電動機５へ印加されている電圧をＳ端子３１３で検出して要求指令電圧より高いか低いかで界磁電流制御用トランジスタ３６のＯＮ時間を決定する。コントローラ１４５が直接界磁電流制御用トランジスタ３６を制御することで０Ｖに近い低電圧から高電圧領域まで自由にかつ速く制御可能となる。しかし第２発電機９の出力を更に速く制御する場合や駆動トルクをより精度良く制御する場合は電流を直接フィードバック制御する方が良い。第２発電機９の電流も直流電動機５のアーマチャに入力される電流と界磁制御用電流の２種類あるがどちらでも電圧制御よりは応答性が速くなる。安定性の問題があるので運転条件により電圧制御モードと電流制御モードを切替える。
【００６８】次に、図１３は、本発明を適用した４輪駆動車両の他の実施例の全体構成を示すブロック図である。また、図１４は、図１３の第２発電機９の制御装置の構成を示す図である。この実施例では、第２発電機９に一体的に設けられたコントローラ１４およびレギュレータにより、発電制御システムが構成されている。
【００６９】図１３において、１４はマイクロコンピュータを備えたコントローラであり、第２発電機９に一体に設けられている。コントローラ１４はマイクロプロセッサを備えており、車速センサー及びアクセル開度センサーの信号を受け、第２発電機９の出力及び直流電動機５の界磁電流値、及びクラッチ１１のそれぞれの信号を生成する。２０はアンチロックブレーキ（ＡＢＳ）コントロールユニットである。その他の構成は、図１の実施例と同じなので、説明を省略する。
【００７０】図１４において、第２発電機９の出力は駆動源でリンクしているエンジンの回転数と界磁コイル３３に流れる界磁電流によって決り、ステータ３４に誘起された電力が整流ダイオード３５を通して負荷である電動機（例えばＤＣモータ）５に供給される。レギュレータ回路３１６では、発電機の出力電圧をＳ端子３１３で検出して要求指令電圧より高いか低いかで界磁電流制御用トランジスタ３６のＯＮ時間を決定する。要求指令電圧は外部の制御装置１４よりＯＮ／ＯＦＦのＤｕｔｙ指令値が入力されるとコンパレータ３１１とその基準電圧３１２で波形整形されＤｕｔｙ−電圧変換機３１０を通して電圧指令となり切換スイッチ３８を介してコンパレータ３７の基準電圧として入力される。
【００７１】図１５に、図１４の実施例におけるＤｕｔｙ値と制御電圧の関係を示す。図に示すように、下限不感帯４１と上限不感帯４２の間の制御範囲では、Ｄｕｔｙ値に比例して１２Ｖ以下の低電圧領域から４２Ｖ以上の高電圧領域まで電圧制御可能となっている。制御信号が来ない又はＯＮかＯＦＦ信号が規定周期以上連続した場合は、基準電圧Ｖｒｅｆ２(３９)に切替える。
【００７２】なお、本制御システムにおいて、負荷が電動機のみの場合は、安全性の面から不必要なトルクを発生させない様に発電機の出力電圧が０に近くなるように設定する。図１５の例では下限側４３と上限側４４の様に示される。
【００７３】界磁電流は１４Ｖバッテリ８と発電機（オルタネータ）９自らの出力の双方を供給源としておりダイオードのＯＲ結合で結線されている。こうすることで発電機が低回転で十分な発電能力を出せない場合や制御指令値がバッテリ電圧以下になった時に界磁電流をバッテリ側から供給するが可能になり制御応答性が改善される。発電機９の出力がバッテリ電圧以上の時は発電機９自らの出力から供給されるので界磁電流ＵＰが可能となり高出力を発生させることが可能となる。
【００７４】なお、コントローラ１４およびレギュレータの設置位置としては、図１や図１３の例に限られることは無く、例えば、エンジンルーム内の他の箇所、例えば直流電動機５の近傍でも良い。
【００７５】次に、図１６から図１８は、１４Ｖ系第1発電機7と、駆動モータ５の電源として使われる出力電圧可変の第２発電機９との車両電気負荷への電力分配構成例を示す。
【００７６】図１６の構成では、第２電機９と通常の１４Ｖ系車両電気負荷８３およびバッテリ８へ電力を供給する第１発電機７とは別の専用発電機としている。そして、電動機５に電力を供給しない時には、スイッチ８１及びダイオード８２を介して第２電機９の出力を通常の１４Ｖ系車両電気負荷８３へ切替えるものとする。なお、ダイオード８２は、電流回り込み防止するために、第２発電機９の出力電圧を通常の車両電気負荷８３へ電力供力するラインに設ける。
【００７７】この場合、電動機５に電力を供給しない時にスイッチ８１を操作して出力を通常の１４Ｖ系車両電気負荷８３へ切替える方法としては、車両電気負荷量に応じて第２発電機９側の制御電圧を通常の車両電気負荷へ電力供給する充電発電機７の電圧より低くするか高くするか制御する。そして、どちらか発電効率の良い方の発電機から電力供給するなどその時の条件から適切な方を選択するようにする。例えば第２発電機９の出力電圧を通常の車両電気負荷へ電力供給する第１発電機７の電圧より低く制御すれば発電機の電圧レギュレートのフィードバック制御は第１発電機７のみ働き、第２発電機９側は発電停止状態となる。
【００７８】図１７の構成では、第２発電機９を通常の１４Ｖ系低電圧系車両電気負荷８３およびバッテリ８へ電力を供給する第１発電機７とは別の発電機とする。そして、電動機５に電力を供給しない時には、第２発電機９の出力を発信時に一時的に電力供給が途切れても問題の出難いと考えられるクイッククリヤやＥＨＣなどの高電圧大電力を必要とする車両電気負荷８５へ供給する様に切換スイッチ８４を介して切替える。
【００７９】さらに、図１８の構成では発電機９を通常の１４Ｖ系車両電気負荷７３およびバッテリ８へ電力を供給する第１発電機７とは別の専用発電機（第２発電機）とし、車輪駆動力の電動機５に電力を供給しない時には、発電量を自励分のみの最小になる様にする。そのため、第２発電機９の界磁電流に電流が流れない様にする。この場合は自励による発電量で電動機５が動かなければ接続していても問題無いが、自励による発電量で電動機５が動く可能性がある場合には切替えスイッチ８１により切り離し、自励の発電電圧で第２発電機９が破壊しない様に耐圧設計する。
【００８０】
【発明の効果】本発明によれば、専用の発電機すなわち第２発電機で車輪駆動用の電動機を直接的に駆動する、すなわち第２発電機の出力で電動機の駆動力を調節することにより十分な駆動力が確保できる。そのため、車両の発進時から高速登坂運転までの広い運転範囲にわたり、いわゆる機械式４ＷＤに対して遜色の無い駆動力性能を確保できる、車両用発電装置及びその運転方法を供給することができる。
【００８１】また、本来の電動式４ＷＤの利点（プロペラシャフト不要、車両のフロア形状がフラットにできる等）も持ち、さらに高電圧バッテリが不要となるため、コストが安く、車両におけるレイアウトも有利、高電圧バッテリの保守メンテ交換も不要となるなど、シンプルで効率も良く、かつ十分な性能を持つ駆動装置を可能にする、車両用発電装置及びその運転方法を供給することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１２年１２月１３日（２０００．１２．１３）
【代理人】 【識別番号】１０００７４６３１
【弁理士】
【氏名又は名称】高田 幸彦 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−３３３５０７（Ｐ２００１−３３３５０７Ａ）
【公開日】 平成１３年１１月３０日（２００１．１１．３０）
【出願番号】 特願２０００−３７９３５０（Ｐ２０００−３７９３５０）