CN101175917A - 发动机起动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发动机起动装置，所述发动机起动装置包括发电机(7)、由发电机(7)充电的电池(4)、起动器(1)以及双电层电容器(5)，双电层电容器(5)连接在起动器(1)和电池(4)之间，所述发动机起动装置还包括DC/DC转换器(6)，DC/DC转换器(6)的输入端子与电池(4)和双电层电容器(5)连接，DC/DC转换器(6)的输出端子与起动器(1)和双电层电容器(5)连接。能够根据电池(4)的电压、电池(4)的内部直流电阻或者双电层电容器(5)的内部直流电阻，使双电层电容器(5)的充电电压变化，使施加到起动电机(2)的电压变稳定，由此使发动机的起动性能变稳定。

Description

发动机起动装置
技术领域
本发明涉及对与发动机的机械驱动***连接的起动器提供电力而使发动机起动的发动机起动装置，尤其涉及14V系的普通结构车辆等的使用着单一电池的车辆中的无空转(idling stop)操作。
背景技术
近年来，在保护地球环境的趋势下，汽车产业的技术革新尤为显著，混合动力汽车已上市销售。而且，开发出的具有无空转功能的汽车也已上市销售，所述无空转功能是指，在汽车不行驶时，在具备一定条件下使发动机暂时停止，并自动地再次起动的功能。
具备无空转功能的车辆有各种方式，例如，有共同使用额定电压为36V的电池和12V的电池的42V***的车辆等，但***成本高。
因此，为了抑制***成本，对使用额定电压为12V电池的14V***的现有车辆那样的使用着单一电池的车辆中的无空转进行研究。
双电层电容器是支持此种技术的一个重要零件。一般来说，所述双电层电容器是与现有技术中使用的铅酸蓄电池一起使用。在日本专利第3400319号公报中公开记载了使用制动能量作为对双电层电容器充电的方法。
而且，在日本专利公开公报平2-259276号中公开记载了如下方法，将铅酸蓄电池与双电层电容器串联连接而驱动起动器以使发动机起动，由此来减轻铅酸蓄电池的负载，延长寿命。
但是，在所述现有的发动机起动装置中，由电池和双电层电容器的串联、并联电路构成用于驱动起动器所需要的大电流的电路，其中，由继电器对所述电池和双电层电容器的串联、并联电路进行切换。因此，施加到起动器的电压大致为电池电压的2倍，其变化量为电池电压变化量的2倍。
而且，电池和双电层电容器的内部电阻随着周围温度和使用环境而大幅变化。因此，施加到起动器的电压根据情形而大幅变化，这将有损起动的稳定性。
另外，并联连接双电层电容器时会流有短路电流，因此影响双电层电容器和继电器的可靠性。
而且，对于使用着额定电压为12V的电池的14V***的现有车辆的空转停止来说，车辆停在十字路口等而实行无空转时，在所述无空转期内发电机当然会由于发动机停止而无法提供电力。其结果是，音响设备或汽车导航设备等车载设备消耗的电力由电池提供，由于无空转期和车载设备的消耗电力，电池电压下降。
在不实行无空转的现有的车辆中，电池通过发电机一直保持充满电的状态。相对于此，在具有无空转功能的车辆中，如上所述，电池电压并不限于充满电的状态，因此，有时发生必须在电池电压改变的状态下进行发动机的再起动的情况。
发明内容
本发明用于同时解决所述现有的问题。即，本发明的一个目的在于，即使在电池电压变化了的情况下也可以通过对起动器施加稳定的电压，从而实现稳定的发动机起动。并且，本发明的另一目的在于，通过将高于现有电池电压的电压施加到起动器，从而提高起动电机的转矩以提高发动机的起动性能，或者容许电池电压下降某程度，由此延长无空转期。而且，处理大电流的继电器存在可靠性的问题，因此能够通过采用不使用继电器的***来提高可靠性。通过同时实现所述目的，能够提供高可靠性的发动机起动装置。
本发明的发动机起动装置包括，与发动机的机械驱动***连接的发电机、由发电机充电的电池、起动器、连接在起动器和电池之间的双电层电容器、以及DC/DC转换器。DC/DC转换器的输入端子与电池和双电层电容器连接，DC/DC转换器的输出端子与起动器和双电层电容器连接，DC/DC转换器能够将双电层电容器的充电电压设定为任意电压。
本发明的发动机起动装置将电池电压与双电层电容器的充电电压一并施加到起动器，因此能够使电压高于现有的仅使用电池电压的情形，从而能够提高起动器的起动转矩，因此提高发动机的起动性能。而且，双电层电容器根据起动器电流引起的电压下降而调整充电电压，因此能够使发动机稳定地起动。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的发动机起动装置的结构的电路图。
图2是表示使本发明实施方式1的发动机起动装置的起动电机工作时流入一般起动器的电流和电池电压的变化的特性图。
图3是表示本发明实施方式1的发动机起动装置的结构的第2电路图。
图4是表示本发明实施方式1的发动机起动装置的结构的第3电路图。
图5是表示本发明实施方式1的发动机起动装置的结构的第4电路图。
图6是表示本发明实施方式2的发动机起动装置的结构的电路图。
图7是本发明实施方式2的发动机起动装置的DC/DC转换器的详细电路图。
图8是表示本发明实施方式3的发动机起动装置的结构的电路图。
图9是表示本发明实施方式3的发动机起动装置的双电层电容器由于充电电压引起的容量降低的特性图。
附图标记
1：起动器
2：起动电机
3：起动继电器
4：电池
5：双电层电容器
6、61：DC/DC转换器
7：发电机
8：电流检测部件
9：电压检测部件
10：二极管
11：控制部
具体实施方式
(实施方式1)
以下，参照图1～图5，具体说明本发明的一实施方式。
图1是表示本发明的一实施方式的发动机起动装置的结构的电路图。在图1中，与发动机的机械驱动***连接的起动器1由起动电机2以及起动继电器3构成。发电机7与发动机的机械驱动***连接。电池4是额定电压为12V的铅酸蓄电池。在起动器1与电池4之间连接着双电层电容器5。DC/DC转换器6的输入端子与发电机7和电池4的连接部连接，输出端子与起动器1和双电层电容器5的连接部连接。
在如上所述而构成的本实施方式1的发动机起动装置中，对发动机的起动进行说明。
在发动机的初始起动之前，以电池4为输入源的DC/DC转换器6开始工作，对双电层电容器5充电。当双电层电容器5达到规定的电压后，接通起动继电器3，将电池4的电压与双电层电容器5的电压相加后的电压施加到起动电机2，发动机起动。
当无空转后进行再起动时，接通起动继电器3，将电池4的电压与双电层电容器5的电压相加后的电压施加到起动电机2，发动机起动。即，与现有的仅施加电池4的电压的情况相比，将更高的电压施加到起动电机2，由此可以缩短发动机的起动时间，从而提高起动性能。由此可以顺畅地发动车辆。
双电层电容器5的电荷由于起动电机2的驱动引起的放电而发生电压下降，但通过DC/DC转换器6被再充电。通过在匀速行驶时或制动时进行所述再充电，可以有效地应用再生电力。
起动电机2的起动时，有数百安的大电流在1秒左右的短时间内流过，但DC/DC转换器6经过十倍以上的时间进行充电便可，得到数十安的输出就足以。由此能够实现发动机起动装置的小型化。
图2是表示使起动电机工作时流入一般起动器的电流和电池电压的变化的特性图。
由图2可知，起动器在起动时有数百安的大电流急速流入，电池的电压由于该电流而下降。该电池的电压降是由于电池的内部直流电阻而产生的。
众所周知，电池的内部直流电阻随环境温度和电池的使用环境而产生变化。若电压降由于该内部直流电阻的增加而增大，则需要时间以至起动电机的转速增加，严重时会导致阻碍发动机的起动。
而且，在无空转时发动机为停止状态，因此发电机7也不工作，车载附件所消耗的电力是由电池4的放电所提供的。电池4的电压随着所述放电而下降，因此发动机起动时的电池电压进一步下降。在此，车载附件是与发动机的状态无关而需要一直工作的设备。例如，包括空调、汽车音响设备以及汽车导航设备。
在无空转后发动机再起动时，起动时间的变化也会给驾驶员带来不快，因此优选稳定的起动时间。而且，优选的是，起动所需的时间越快越好。
本实施方式的发动机起动装置可以对起动器1施加电池4与双电层电容器5相加的电压。除此之外，双电层电容器5的电压变成可以由DC/DC转换器6任意设定，因此，通过调整双电层电容器5的电压，能够使得施加到起动器1的电压稳定。
而且，如上所述，在无空转中，即使在车载附件所消耗的电力使电池4的电压下降的情况下，通过将该电压下降量作为双电层电容器5的充电电压而进行重叠，也可以使施加到起动器1的电压恒定，从而使发动机起动变稳定。进而，也能够通过使发动机起动变稳定来延长无空转的持续时间。
图3是表示本发明实施方式1的发动机起动装置的结构的第2电路图，对与图1相同的部分使用相同的标记，并省略详细说明，以下仅对不同的部分进行说明。
在图3中，电流检测部件8检测电池4的电流。电压检测部件9检测电池4的电压。所述电流检测部件8以及电压检测部件9与控制部11连接。另外，例如，能够使用霍尔IC作为电流检测部件8。而且，也能够利用电阻器与信号放大器(operational amplifier：运算放大器)以检测电压。进而，也能够组合采样保持电路以及AD转换器以检测电流。另一方面，作为电压检测部件9，例如，能够在控制部11内设置电压检测电路，从检测处引出配线与电压检测电路连接以检测电压。
通过测量从电池4流出电流后的电压变化，可以求出例如电池4的内部直流电阻，并由控制部11实行。而且，控制部11与DC/DC转换器6连接，根据电池4的内部直流电阻计算起动器起动时的电压降，根据所计算出的电压下降值，来调整双电层电容器5的充电电压。
例如，当由电流检测部件8以及电压检测部件9求出的电池4的内部电阻为10mΩ时，起动器电流为300A时的电池4的电压下降值为3V。因此，若将双电层电容器5的充电电压设为3V，则可以使起动器1在起动时被施加的电压为大致12V，此时没有考虑双电层电容器5的电压降。
而且，将起动器1的额定电压设为Vs时，首先，从电池4的电压(Vbat)中减去起动器电流以及电池4的内部直流电阻所引起的电压降(Vd)，并将由此所得的电压值从起动器1的额定电压Vs中减去，求出电压Vc。其次，通过用电压Vc对双电层电容器充电，能够使施加到起动器1的电压为额定电压范围内的最大值。另外，公式1表示电压Vi的计算式。
Vc＝{Vs-(Vbatt-Vd)}    (公式1)
如上所述，若对起动器1施加额定电压范围内的最大电压，则可以提高起动器1的起动转矩，因此能够提高发动机的起动性能。
图4是表示本发明的实施方式的发动机起动装置的结构的第3电路图，对与图1相同部分使用相同的标记，并省略详细说明，以下仅对不同的部分进行说明。
在图4中，使电流检测部件8、电压检测部件9与双电层电容器5的连接端子连接。
双电层电容器5中，也与电池4同样，具有内部直流电阻，且所述内部直流电阻随着环境温度以及使用环境而变化。因此，也可以同样地求出内部直流电阻。
若和电池相同地也考虑到双电层电容器5的内部直流电阻以及起动器1的电流所引起的电压降，则能够对起动器施加更高的电压。
图5是表示本发明实施方式的发动机起动装置的结构的第4电路图，对与图1相同部分使用相同的标记，并省略详细说明，以下仅对不同的部分进行说明。
图5表示将电压检测部件9与起动器1的连接端子连接的示例。也可以通过直接测定而检测起动器1的端子电压，从而求出电池4、双电层电容器5以及配线的总的直流电阻值，由此调整双电层电容器5的电压。
例如，也可以预先测定再起动时的电压降，以用作决定下次再起动时对双电层电容器5的充电电压的数据。
本实施方式中表示个别地设置检测部的示例，但也可以组合所述检测部而进行检测。
而且，在使发电机7停止的状态下以恒定电流驱动DC/DC转换器6，由此，也可以省略电流检测部件而求出电池4、双电层电容器5的内部直流电阻，此时，能够降低成本。
进而，即使在忘记关车灯等车载附件消耗电力或者长期不使用车辆而引起的暗电流放电导致电池4的充电状态(STATE OF CHARGE，SOC)下降而发动机无法起动时，本实施方式1的发动机起动装置也可以使发动机起动。即，能够将电池4的能量暂时充入双电层电容器5，并将所述电压与电池电压相加后所得的电压施加到起动器1，由此可以起动发动机。虽然也依存于电池1的SOC，但与通常的仅使用电池1的车辆相比，可以提高SOC下降时的发动机起动性能。
(实施方式2)
以下，使用图6、图7来说明本发明的实施方式2。
图6是表示本发明的实施方式2的发动机起动装置的结构的电路图。另外，对与图1相同的部分使用相同的标记，并省略详细说明。
在图6中，二极管10与双电层电容器5并联连接。另外，双电层电容器5的正极与二极管10的阴极连接。
针对如上所述而构成的本实施方式2的发动机起动装置，对发动机的起动进行说明。
在发动机初始起动时，双电层电容器5处于未充电或者充电量不足的状态。若在所述状态下接通起动继电器3，则电池4的电压通过二极管10施加到起动电机2而提供电流。由此，可以防止对双电层电容器5施加反向偏压。
与实施方式1不同，利用所述通过二极管10的动作，不需要初期对双电层电容器5的充电时间，也能起动发动机。由此，能够加快初期的起动时间。
发动机起动后发电机7工作而开始对电池4充电。而且，此时DC/DC转换器6开始工作，双电层电容器5被充电。当双电层电容器5达到规定的电压时，停止工作。
在无空转后的再起动之后，进行与实施方式1相同的工作，其效果也相同。
另外，本实施方式2的发动机起动装置，在检测到忘记关灯等车载附件消耗电力或者长期不使用车辆而引起的暗电流放电导致电池4的充电状态(SOC)下降时，能够提高发动机的起动性能。即，检测到发动机起动时的所述电池电压低于规定电压时，能够通过由DC/DC转换器6对双电层电容器5进行充电来提高发动机的起动性能。
而且，一旦发动机起动的尝试失败，也能够提高发动机的起动性能。此时，在再次尝试起动起动器1之前，可以通过由DC/DC转换器6对双电层电容器5充电来提高发动机的起动性能。
图7是更具体地表示DC/DC转换器6的电路图，且表示将逆变型斩波电路作为DC/DC转换器6的一例。DC/DC转换器6包括：第2二极管12、扼流线圈13、开关元件14、以及控制电路15。开关元件14由控制电路15接通断开。开关元件14接通时在扼流线圈13中储存能量，开关元件14断开时，储存在扼流线圈13中的能量通过第2二极管12而输出。
将开关元件14的接通时间设为Ton、断开时间设为Toff、电池4的电压设为Vb，则扼流线圈13的电流连续时，双电层电容器5的电压Vc以公式2表示。
Vc＝Ton×Vb/Toff    (公式2)
如上所述，通过控制开关元件14的接通断开时间，能够控制双电层电容器5的电压Vc。
实施方式2所说明的电路中，若使发动机在双电层电容器5未充电的状态下起动，则还存在起动电流流过扼流线圈13、第2二极管12的路径。然而，如上所述，由于数百安的电流流入起动电机2，故若存在数毫欧的直流电阻则会产生数伏的电压降，或者，扼流线圈13会起到阻止流入起动电机2的涌入电流的作用，因此对起动器1的起动也有不良影响。因此，为了使提供给起动电机2的大电流从旁路流过并减小电压降，二极管10较重要。此处，作为DC/DC转换器6的一例，利用逆变型斩波电路进行了说明，但并不限于所述电路，也可以使用升压型转换器或绝缘型转换器等的转换器。
(实施方式3)
以下，利用图8、图9来对本发明的实施方式3进行说明。
本实施方式3的不同点在于，所述实施方式1以及2中说明的DC/DC转换器6为双向型，其它结构与实施方式1、2相同，因此对相同部分使用相同的标记，并省略其详细说明，以下仅对不同部分进行说明。
图8是表示本发明的实施方式3的发动机起动装置的结构的电路图，与实施方式2的不同点在于，DC/DC转换器6的电路结构为双向型。因此，可以执行与实施方式2相同的工作，从而能够提高发动机的起动性能。
进而，在本实施方式3中，使DC/DC转换器61为双向型，由此，能够获得下述优点。
作为双向型转换器的一例，图8表示同步整流方式的逆变型斩波电路。开关元件14与第2开关元件16被串联连接，利用控制电路15设定规定的空转时间(dead time)，进行控制从而交替地接通断开开关元件14与第2开关元件16。
输入输出电压的关系式与逆变型斩波电路相同，但通过增加了第2开关元件16，能够双向提供电力。
另一方面，图9表示双电层电容器5的充电电压引起的电容降低、即所谓寿命缩减的关系，是对额定电压为2.5V的双电层电容器5进行1.8V(72％)～0.6V(24％)的连续通电负载测试后的电容变化率进行测定所得的结果。将蓄电量控制为0.6V(24％)与0.9V(36％)时，7000小时后也不会发现电容下降，但将蓄电量控制为1.2V(48％)时，7000小时后发现约6％的电容下降，由此可知，使双电层电容器5处于极度放电了的状态对可靠性有效。
因此，如本实施方式3所述，通过使DC/DC转换器61为双向型，在运转结束时等使用DC/DC转换器61的双向性来使双电层电容器5的电荷在电池4侧再生(regeneration)，由此可以提高双电层电容器5的可靠性并且能够实现节能。
而且，单向转换器无法放出已充入到双电层电容器5的电荷，但双向转换器可以进行充电以及放电。
在电池4的电压下降时对双电层电容器5充电后使电池4的电压恢复后，单向转换器无法使双电层电容器5的电压下降，但双向转换器可以控制电压使之下降。
另外，此处将逆变型斩波电路作为一例，但并不限于该电路，也可以使用升压型转换器或绝缘型转换器等双向转换器。
通过使DC/DC转换器6为双向型，可以进一步进行下述工作。即，在使汽车停止时会产生制动能量，在使所述制动能量再生的***中，所产生的再生电力超过电池4的充电量时，可以暂时先由DC/DC转换器6将所述再生电力充入双电层电容器5，此后传至电池4进行再生。
另外，本发明的发动机起动装置用于14V***的车辆，可以是单电源的车辆***，也同样可以用于卡车等双电压驱动的车辆。
而且，当发动机为起动负载较大的柴油发动机时，能够提高施加到起动器1的电压，因此，能够实现电池4的小型化等的优点。
如上述说明，通常，在单一电池***车辆处于无空转时，电池电压根据无空转时期内消耗的电力而改变，但本发明的发动机起动装置在这样的情况下也可以稳定发动机的起动性能。
而且，本发明的发动机起动装置，在如发动机初始起动那样，双电层电容器未充电时、或发动机频繁起动而双电层电容器的充电量不足时，可以通过二极管由电池直接向起动器提供电流，因此可以一如既往地起动。而且，在行驶一定时间后由无空转再起动发动机时，可以将电池电压和双电层电容器电压相加后的电压施加到起动装置，因此能够提高发动机的再起动性能。进而，对起动器提供大电流的电路上无需配置新的继电器电路即可实现所述效果，因此可靠性优异。
工业利用可能性
本发明的发动机起动装置能够同时提高发动机的起动性能、延长无空转期以及实现高可靠性，因此可用于混合动力汽车或具有无空转功能的汽车等。进而，本发明的发动机起动装置可以容易地搭载于现有的14V***的车辆。

Claims (12)

1.一种发动机起动装置，包括：
与发动机的机械驱动***连接的发电机和起动器；
由所述发电机充电的电池；
连接在所述起动器和所述电池之间的双电层电容器；和
DC/DC转换器，其中，
所述DC/DC转换器具有输入端子与输出端子，
所述输入端子与所述电池和所述双电层电容器的连接部连接，
所述输出端子与所述起动装置和所述双电层电容器的连接部连接。
2.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，
还包括连接在所述起动器和所述电池之间的二极管，
所述二极管与所述双电层电容器并联连接。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的发动机起动装置，其中，
所述DC/DC转换器是双向转换器。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的发动机起动装置，其中，
还包括与所述DC/DC转换器连接的控制部，
所述控制部控制从所述DC/DC转换器向所述双电层电容器充电的电压，以使施加到所述起动器的电压恒定。
5.根据权利要求4所述的发动机起动装置，其中，
所述控制部，根据从所述电池的电压、所述电池的内部直流电阻、所述双电层电容器的内部直流电阻中选择的至少一个检测值计算电压降，并决定所述双电层电容器的充电电压。
6.根据权利要求4所述的发动机起动装置，其中，
所述控制部控制从所述DC/DC转换器向所述双电层电容器充电的电压，以使所述起动器工作时的施加电压恒定。
7.根据权利要求5所述的发动机起动装置，其中，
还包括用来检测所述电池或者所述双电层电容器的所述内部串联电阻的电流检测部件和电压检测部件。
8.根据权利要求5所述的发动机起动装置，其中，
所述电池的所述内部串联电阻或者所述双电层电容器的所述内部串联电阻，
是根据由电压检测部件检测到的所述电池的电压值或者所述双电层电容器的电压值；和
所述DC/DC转换器在恒定电流驱动时的电流值而求出的。
9.根据权利要求6所述的发动机起动装置，其中，
检测伴随所述起动器的工作的所述起动器的电压，并根据所述检测电压决定所述双电层电容器的充电电压。
10.根据权利要求3所述的发动机起动装置，其中，
当发动机的运转结束时，所述双向转换器能够将所述双电层电容器的电荷提供给所述电池侧。
11.根据权利要求2所述的发动机起动装置，其中，
当所述电池电压在发动机初始起动时低于规定电压时，所述DC/DC转换器能够在所述发动机的初始起动前对所述双电层电容器充电。
12.根据权利要求2所述的发动机起动装置，其特征在于：
当发动机的初始起动失败时，所述DC/DC转换器能够在所述发动机的下一次起动之前对所述双电层电容器充电。
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