燃費向上を実現する自動車用発電制御システム

特集

環境との調和を目指したカーエレクトロニクス技術

燃費向上を実現する自動車用発電籠

御システム

Automotive

Generating

ControISystem

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バッテリ バッテリ電圧 運転状況 の検出 発電制御 燃費向上

甲

エンジン コントロール C端子 ユニット B端子 ￣￣￣●-(出力端子) 自動車用発電制御システム 発電機はカーエレクトロニクスに必要不可欠なパワーソースであるが,その大容量化とともにエンジンヘの負担が増えている｡そこで,実用 燃費向上を図った発電制御システムを開発した｡

自動車の乗り心地や安全性向上のため,電気･電

子機器などの電気負荷が増加している｡このため,

発電機を駆動するトルクは増大し,燃菅への影響が

無視できなくなっている｡さらに,燃費向上のため

エンジンのアイドル回転数が低く設定され,電気負

荷の突入電流による過渡トルクによってエンジン停

止などが発生しやすくなる｡そこで,運転状態およ

び電気負荷･バッテリの状態に応じて発電制御を行

い,燃費向上に有効なシステムが必要となっている｡

日立製作所は,このようなニーズに対人bする自動

車用発電制御システムの検討を行い,ハード面では

発電機に内戚するICレギュレータに高集積パワー

LSIを搭載し,高度な制御仕様に対応できるシステ

ムを開発した｡またソフト面では,エンジン制御シ

ステムとの連携により,実用燃費を少なくとも0.5%

以上(当社従来比)向上する技術を確立した｡さらに,

車両の走行条件を入力して,燃費効果や充電性能な

どを計算できるシミュレーションプログラムを開発

し,車両の開発工数の低減に役立つようにした｡

*Ⅰ】打製作所臼重力車機器事業部 **口寸二製作所半導体事業部 ***｢卜立製作所ト1立研究所 39

172 日立評論 VO+.77 _{No.2(1995--2)}

n

はじめに 自動車の低燃雪化のために,カーメーカーではエンジ ンの燃焼効率向上技術のほか,車両質量の低減に力を注

いでいる｡スタータモータ･自動車用発電機(以下,オル

タネ一夕と言う｡)に代表される電装品も軽量化技術によ って低燃￣馴ヒに寄与している｡電装品の出力1kW当た

りの質量の推移を図1に示す｡20年前と比較して半分以

下の重さにまで軽くなった｡これは,磁気1!jl路の改良, 冷却性能の向上といったハード面での技術開発によると

ころが大きい｡一方,近年低燃費化に関して,発電制御

技術についても注目されるようになってきた｡

卜一抹製作所は電力･制御(コンピュータ)･半導体分野

での技術蓄積を背景に,これらの技術を応月=/た自動車 川発電制御システムを開発したので,ここではその概要 について述べる｡

囚

自動車用発電制御システムの概要

2.1電力マネージメント

オルタネータにはさまぎまな電気･電子装置に給電す

るパワーソースとしての役割があるが,近年の高山ノJ化

とともに駆動トルクが増大し,エンジンにとって重荷に

なってきている｡特に,リーンバーン,アイドルの低回 転化といった低燃貿化を指向するエンジンでは,低速担l 転時のエンジントルクが小さくなる傾向,いわゆる｢ね ばり+がない状態にある｡さらに,将来はEIiC(Electri-cal】yIleated Catalyst:電熱触媒)などの環境保全のた

めの新たな電気負荷も見込まれている｡このような電ノJ

需要の増加は,燃貿の悪化をもたらす｡これらの問題を 解決するために,自動車用発電機の電力マネジメント技 術を確立し,オルタネータに適用した｡ 2,2 オルタネ一夕の発電制御 オルタネータの構造を図2に示す｡オルタネータはロ

ータコイル(同l潔l④)によって発生する匝￣l転磁界をステ一

夕コイル(同図⑦)でピックアップし,手話られた交流電仁i

をダイオード(同凶⑤)で直流に変換する｡ICレギュレ一

夕(剛ぎ】⑧)はロータコイルに流れる界磁電流をデューテ

ィ制御して,出力電帖を一定に保つ動作を行う｡オルタ

ネ一夕は現在では14V,100Aが一般的であり,駆動力は

定格山車云数(5,000r/min)で2.8kW(約4馬力)を必要と

するので,アイドル運転時や加速時には,燃菅や加速件 に景壬響をり一える1)｡

そこで今卜Jlのヲ芭電制御システムでは,自動車の運転状

40 0 8 6 4 つ+ (きミ空こ仙糾Gミト邪市召せヰ スタータモータ オルタネ一夕 1970年 1980年 西暦年 1990年 1995年 図l主要電装品の軽量化推移 20年前と比較して,同一出力当たりの質量は半分以下になった｡ 況･エンジンの状態や電気負荷に応じて発電量を制御す ることにより,エネルギーの有効活用を図ることにした｡ 例えば,加速するときに発電量を弱め,減速するときに 発電最を強めれば,従来減速時にブレーキパッドの発熱 として消費される運動エネルギーをw一時的にバッテリに

蓄えることができる(同年制動)｡この蓄積エネルギーは,

加速などのエンジンパワーが必要とされるときに電力と して供給される｡以上の原理によってむだなエネルギー

消雪がなくなり,燃費が向_卜する｡エンジン

コントロー

ルユニットが自動車の運転状況と電力需要から供給す

べき電力を計算し,ICレギュレータに発電指令を送るこ とにより,電力の過不足をなくすことが可能になった｡

同

インテリジェントICレギュレータ

オルタネータは要求される電力を単に供給するだけで なく,下記の要件を備える必要がある｡ (1)エンジンの発生トルクに応じた最大発電量の制限

(2)信号線の断線などに対するフェイルセイフ機能

(3)異常診断および遷幸云者への警報 このため,ICレギュレータの可1にマイコン(マイクロ コンピュータ)並みの判断機能を持つ制御川路を内蔵す

る必要が生じた｡さらに,オルタネータへの装着条件と

温度条件(周開温度1000c)を考慮して,専用LSIを開発 した｡

このLSIの開発にあたっては日立製作所の半導体分野

ですでに確立しているアナログ･ディジタル･パワーの 混成回路を1チップに集約したLSI技術(IPIC:Intelli-gentPowerIC)を応用し,図3に示すチップを開発した2)｡

燃費向上を実現する自動車用発電制御システム173

Iい

Ill

No. _{名 称} No. 名 称 任) プーリ _⑤ ダイオード (む フアン ⑥ _{ステ一夕コア} ③ ロータコア ⑦ ステ一夕コイル (郵 ロータコイル ⑧ lCレギュレ一夕 図2 オルタネ一夕の構造 半導体部品が発電機に一体化され,エンジン取付性が容易で ある｡ このLSIでは,アナログ700素子･ディジタル1,200ゲ ートおよび1.4Aパワー素子を1チップに収めた｡ICレ ギュレータの制御ブロック凶を図3(b)に示す｡このLSI

は500kHzの内部クロック信号によって全回路が軌作

し,界磁制御用パワーMOSトランジスタ(Tr.1)と診断 警報用パワーMOSトランジスタ(Tr.2)にⅠ)WM(パル ス幅変調)制御信号を送る｡IPIC製造プロセスでは,アナ ログ回路とディジタル回路の両方の長所を乍三かした設計 が可能となる｡例えば,診断警報用のチャージランプは 突入電流によって定常時の4倍もの電流が流れる｡この ため,パワー素子の容量は4倍の定格で設計しなければ ならないが,ディジタル回路によって過電流発生時に竜 i充制限をかけるr白l路を追加したことにより,パワー部の

面積を÷に低減できた｡さらに,リプル電圧や匝l転脈動

などの自動車特有の環境下でも,ディジタル回路を配置

することによってノイズ信号が識別できるので,誤動作

の排除や動作マージンの向上が可能となった｡さらに, 診断警報(過電圧発生時や,端子外れなどで充電が正常に 行われていないときに警報する｡)でもディジタル回路が 使われている｡ (a)+Slチッ70 ｢ ▲ オルタネータ ￣￣｢:言｢￣￣￣￣￣￣￣｢ 電 源 電圧制御 外部 コントロール 制御 回転検出 切換回路 内部 コントロール 制御 (.'1…-=(二れ クロック回路 バッテリ 電圧積出 PWM 制御 警報保護 回路 サーマル ノ/ヤ∵ノト_ダウン ゲート ドライ 電流検出 ゲート ドライブ Tr2 ブ エンシ/ コントロ【ル ユニット ≒

』

(b)lCレギュレータの制御ブロック図 図31Cレギュレータ戸別PICチップ マイコンと同等の制御機能をパワーICに内蔵した｡ (×8倍) 負叶何 バ‥ソテリ キー スイッチ 叫”

巴

_{燃費効果シミュレーション技術}

バッテリを含む充電系は,バッテリの化学的挙動の数

値解析が困難であるため,机上でのシミュレーションが 難しい｡今回新しい充電システムを開発するにあたり, 蓄積された実車での試験データをベースにしたシミュレ ーションプログラムを開発した3)｡ このプログラムは次のパラメータを人ノJし,発電畏･ 燃費効果を計算するものである｡ (1)走行パターン(例えば,10･15,LA4モード)

(2)電気負荷および使用頻度

(3)車両諸元(変速比･タイヤ径など) (4)オルタネータ･バッテリ仕様

(5)エンジンの燃料1肖雪特性

(6)ICレギュレータの制御仕様

従来,燃賀効果の算出のためには実車試験を行う必要

があり,多大な労力を要した｡しかし,コンピュータに 41

174 _日立評論 VOL.77 _No.2(1995-Z) における レ}ショ ノトーーーー…--研-"-山2345戊リ ルタンンンンンン ■､ヽ やl■--】 3.823 簸【=-in】 6的 ;】 15∈;8 【m】 .3■1 トルク【kg-1n】￣3,d. 【co′′5eC】 .219 設定】-(加速･減速 【4.d 川..414.414.d 42切にリ5 .皿｢5へJ35 爪U5戊U85 つ)つし.ウ)(∂つL ￣13.a13,8 13.51月.4 13.8 ■1上l.d 13.813.,8 ■l:∋.8川,4 †七至ユノ㌧互∠ヒタ皐｢タの設定≫ 36 鵠 125A 2.月3 8

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生制動のほかに学習制御などの制御要素を織り込み,従

来の一定電圧制御に対し1%の燃費向上が実現できた｡ 車両の運転パターンや制御パラメータを変更すると,さ らに燃雪が良くなる｡ただし,渋滞路での走行や運転者

によるギヤシフトの癖などを考慮すると,充電不足を誘

発しやすくなり,一概に燃曹を最優先した制御を行うこ

とが得策とは言えない｡したがって,燃賀効果を0.5%程 度に抑え,従来と同等の充電性能を確保する制御パター ンが実用的である｡ このシミュレーションプログラムでは,先に述べたパ ラメータを容易に変えることができるので,車両の特性 に応じた最適パラメータを選択することができるように なった｡ (b)シミュレーション結果

8

_{発電制御システムの今後の唇関}

白勅車用発電制御システムは以上に述べた技術以外 に,近い将来次のようなバリエーションを持つことにな ると思われる｡ (1)高電圧化:送電効率の良い24Vまたは48Vへの移行 (2)環境保全対応:EHCなど急速加熱時の高電仁Eが必要4) (3)レギュレータのAI化:AIによる燃費と充電性能の両立化

田

おわりに

ここでは,口立製作所が開発した自動車用発電制御シ

ステムについて述べた｡ オルタネータをいっそう′J､型化するために,ICレギュ レータに対しても低損失･界磁電流アップが要求されて

いる｡このために,低損失パワーMOSなどの半導体技術

が重要な役割を演じると思われる｡H克製作所はさまざ まな分野での技術蓄積を清川し,次世代の発電制御シス テムの開発に取り組んでいる｡ 参考文献 1)直井,外:電圧レギュレータ,カーエレクトロニクス/サ ブシステム,161∼169,l￣い目社(平5-4改訂版)

2)Nunogawa,et _{al∴Intelligent} PowerIC,Hitachi

Review,Vol.38,No.4(1989)

42

3)国分,外:自動車の充電制御における燃軌乙止効果,H本

機械学会,茨城講演会論文集,No.103(1994)

4)Laing:"Development _of an Alternator-Powered

Electrica11y-Heated Catalyst System”,SAE Techni-CalPaper No.941042(1994)