CN103946537A - 发动机起动装置和起动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够在蓄电池电压下降的允许范围内最大限度地快速重新起动发动机的发动机起动装置和起动方法。旋转检测传感器(110)检测直流电动机(105)的转速。控制单元(109)对向直流电动机的通电进行PWM控制。控制单元(109)基于由旋转检测传感器(110)检测出的直流电动机的转速使PWM控制的通电比D连续地变化，以使得流过直流电动机的电流成为预先设定的固定值。由此，在从电动机通电开始到发动机起动完成的期间中使蓄电池电流为大致固定的设定电流值，蓄电池电压也被控制为在允许范围内且接近允许值的固定值。

Description

发动机起动装置和起动方法
技术领域
本发明涉及利用直流电动机起动发动机的发动机起动装置和起动方法，尤其是涉及适合于怠速停止***中重新起动发动机时的发动机起动装置和起动方法。
背景技术
近年来的汽车中以能量资源的节约和环保为目的而搭载有在驾驶中达到规定条件时临时停止发动机的怠速停止***。该怠速停止***例如在等待信号灯等驾驶者停止车辆等时自动停止发动机，之后在驾驶者发出重新起动请求时或者需要发动机运行时，自动地重新起动发动机。重新起动发动机时多使用下述方法，即利用所谓小齿轮推出式起动电动机，在起动时推出小齿轮(pinion)，使小齿轮啮合到与发动机轴直接连结的齿圈，并通过起动电动机带动的曲柄转动(转动动力输出轴)来起动发动机。
已知在起动发动机时由于对起动电动机通电而在蓄电池中电流流过，在蓄电池特性上电压与电流对应地下降。在驾驶中频繁重新起动发动机的怠速停止***中，电压下降时例如汽车导航***等电气部件重启。因此，以往搭载有怠速停止***的车辆利用辅助电源等来应对，但是关系到安装性的恶化和成本上升。
另一方面，以往已知有如下装置，通过在电路中增加电阻来降低浪涌电流，抑制发动机起动初期的蓄电池电压下降，之后通过将电阻短路使电流流过，确保启动转矩(例如参考专利文献1)。
此外，作为其它例子，已知有如下装置，在发动机重新起动时利用开关元件控制对发动机的通电，通过PWM控制逐渐增大占空比，使对电动机的施加电压上升，来防止通电开始后蓄电池电压下降(例如参考专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-308645号公报
专利文献2：日本特开2010-106825号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，专利文献1和专利文献2记载的装置中，由于以使蓄电池电流随时间降低的方式进行控制，存在起动电动机的输出转矩减小、发动机的启动不能充分进行、发动机重新起动耗时的担忧。
本发明的目的为提供能够在蓄电池电压下降的允许范围内最大限度地快速重新起动发动机的发动机起动装置和起动方法。
用于解决课题的技术方案
(1)为了达到上述目的，本发明为一种将直流电动机的旋转力传递到发动机来使发动机起动的发动机起动装置，其包括：检测上述直流电动机的转速的转速检测单元；和对上述直流电动机的通电进行PWM控制的控制单元，其中，上述控制单元基于上述转速检测单元检测出的上述直流电动机的转速，使上述PWM控制的通电比连续变化，以使得流过上述直流电动机的电流成为预先设定的固定值，由此，在从电动机通电开始到发动机起动完成的期间中使蓄电池电流为大致固定的设定电流值，蓄电池电压也被控制为在允许范围内且接近允许值的固定值。
通过这种结构，能够在蓄电池电压下降的允许范围内最大限度地快速重新起动发动机。
(2)在上述(1)中，上述控制单元优选利用流过上述直流电动机的电流与对直流电动机的通电进行PWM控制时的通电比的平方成正比的关系能够近似成立，来决定通电比。
(3)在上述(1)中，上述直流电动机的转速检测单元优选间接利用上述发动机的转速来检测上述直流电动机的转速。
(4)在上述(3)中，上述控制单元优选具有判断单元，该判断单元判断间接利用上述发动机的转速所检测出的上述直流电动机的转速是否与上述直流电动机的实际转速相异，上述控制单元优选在通过上述判断单元判断为间接利用上述发动机的转速所检测出的上述直流电动机的转速与上述直流电动机的实际转速相异的情况下，推测上述直流电动机的实际转速并用于决定上述PWM控制的通电比的计算中。
(5)在上述(1)中，上述控制单元优选基于上述直流电动机之外的以上述蓄电池为电源的电器中流过的电流，改变流过上述直流电动机的电流，并决定上述PWM控制的通电比，以使得担当上述车辆的电源的作用的蓄电池中流过的电流在总计上为固定值。
(6)此外，为了达到上述目的，本发明为一种将直流电动机的旋转力传递到发动机来使发动机起动的发动机起动方法，其中，基于转速检测单元检测出的直流电动机的转速，使上述PWM控制的通电比连续变化，以使得流过上述直流电动机的电流成为预先设定的固定值，在此，在从电动机通电开始到发动机起动完成的期间中使蓄电池电流为大致固定的设定电流值，蓄电池电压也被控制为在允许范围内且接近允许值的固定值。
通过这种方法，能够在蓄电池电压下降的允许范围内最大限度地快速重新起动发动机。
发明的效果
根据本发明，能够在蓄电池电压下降的允许范围内最大限度地快速重新起动发动机。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的发动机起动装置的结构图。
图2是本发明的一个实施方式的发动机起动装置中所用的PWM控制的通电信号的说明图。
图3是本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的通电比D的决定方法的说明图。
图4是表示本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的发动机起动方法的内容的流程图。
图5是表示本发明的一个实施方式的发动机起动装置中电动机转速的推测方法的内容的流程图。
图6是表示本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的控制状态的一个例子的波形图。
图7是本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的通电比D的其他决定方法的说明图。
具体实施方式
以下，使用图1～图7，针对本发明的一个实施方式的发动机起动装置的结构和动作进行说明。
首先使用图1针对本实施方式的发动机起动装置的结构进行说明。
图1是本发明的一个实施方式的发动机起动装置的结构图。
如图1所示，起动机101大致由电磁开关102、小齿轮103和电动机105构成。电动机105即所谓直流电动机，通过施加直流电压而产生旋转驱动力。在需要时通过电磁开关102拉动杠杆使小齿轮103在电动机旋转轴上移动，与直接连结发动机轴的齿圈(内齿轮)104啮合。在小齿轮103与齿圈104啮合的状态下，通过对电动机105通电，电动机105旋转，电动机105的旋转力通过小齿轮108传递到齿圈104，使发动机旋转。
控制装置109在通常的燃料喷射、点火、空气控制(电子控制油门)的基础上，根据刹车踏板状态、车速等各种信息控制怠速停止。
电动机旋转检测传感器110检测电动机的旋转。检测到的电动机转速信息被输入到控制装置109中。此外，代替直接利用传感器检测电动机的旋转，也可采用通过发动机旋转检测传感器110A利用发动机旋转间接地检测电动机的转速的结构。
电磁开关105经由开关106被控制装置109控制。开关106例如能够使用机械式继电器开关。此外，对电动机105的通电也由控制装置109经由开关元件107控制。开关元件107能够使用例如采用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应管)等半导体的开关元件。
接着，使用图2针对本实施方式的发动机起动装置中所用的PWM控制的通电信号进行说明。
图2是本发明的一个实施方式的发动机起动装置中所用的PWM控制的通电信号的示意图。
控制装置109将图2所示的PWM信号作为通电信号输出。
图2所示的T为PWM控制的一个周期的长度，例如将PWM控制的频率设定为10KHz的情况下，T为0.1ms。本实施方式中，以比电动机的电气时间常数足够快的方式决定PWM控制的频率。
图2所示的TON为一个周期中对电动机进行通电的区间。通电比D如下式(1)所示，定义为一个周期中进行通电的区间的比例。
【式1】
D = T ON T . . . . . . ( 1 )
在此，D为PWM控制中的通电比，TON为一个周期中对电动机进行通电的区间(s(秒))，T为一个周期的长度(s)。
通电比D为能够在0.0～1.0之间变化的变量。控制装置109通过改变通电比D来控制对电动机的通电量。
接着，使用图3针对本实施方式的发动机起动装置中的通电比D的决定方法进行说明。
图3是本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的通电比D的决定方法的说明图。
图3表示蓄电池与起动机的简易电路图。蓄电池301具有内部电阻Rb，令蓄电池的初始电压为V0时，蓄电池的输出电压Vb由下式(2)决定。
【式2】
Vb＝V0-Ib×Rb……  (2)
在此，Vb为蓄电池的输出电压(V)，V0为蓄电池的初始电压(没有流过电流时的电压)(V)，Ib为流过蓄电池的电流(A)，Rb为蓄电池的内部电阻(Ω)。
由式(2)可知，蓄电池单元由蓄电池电流决定，如果能够将电流控制在规定的值，则能够将蓄电池电压也控制在规定的值。图3的电动机部302也同样，将布线和电动机内部的电阻、开关元件的电阻等合并为电动机电阻Rm时，蓄电池电压Vb能够由下式(3)表示。
【式3】
Vb＝Ib×Rm+Ve＝Ib×Rm+ke×Nm……  (3)
在此，Vb为蓄电池的输出电压(V)，Ib为流过蓄电池的电流(A)，Rm为电动机的电阻(包括布线电阻、内部电阻、开关元件的电阻)(Ω)，Ve为电动机旋转产生的反电动势(V)，ke为电动机的反电动势系数(V/rpm)，Nm为电动机转速(rpm)。
在此，根据式(2)、式(3)得到下式(4)的关系。
【式4】
V0-Ib×Rb＝Ib×Rm+ke×Nm
I b = V 0 - k e × N m R m + R b . . . . . . ( 4 )
由式(4)可知，一般在直流电动机中转速Nm为0时即开始通电时流过电流最大，可知转速越高则电流越小。
在此，为了通过改变PWM控制的通电比D来将电流控制为一定，在发明者们的研究中发现电流相对于通电比能够由下式近似得出。
【式5】
I b = V 0 - k e × N m R m + R b × D 2 . . . . . . ( 5 )
由式(5)可知，本实施方式中在PWM控制中流过蓄电池的电流Ib与通电比D的平方成正比。并且，在图3所示的结构中，由于流过电动机302的电动机电流Im等于蓄电池电流Ib，因此流过电动机的电流Im与对直流电动机的通电进行PWM控制时的通电比D的平方成正比的关系能够近似成立。该关联性根据发明者们的研究在实验中观察到的基础上从理论上加以确定了。但是式(5)为仅在PWM的一个周期可认为相对于电动机的电气时间常数足够快的范围中成立的近似，表示蓄电池电流Ib由常数和电动机转速Nm、通电比D这两个变量决定。反过来利用该关系，为了决定通电比D以使得成为规定的蓄电池电流Ib，将式(5)变形为下式(6)。
【式6】
D = I b × ( R m + R b ) V 0 - k e × N m . . . . . . ( 6 )
根据式(6)，本实施方式中将蓄电池电流Ib设定为规定的值后，通过电动机转速Nm连续地决定通电比D。但是在根据式(6)计算的通电比D超过了1.0的情况下令通电比为1.0。装入实际***中时，首先基于蓄电池的压降允许值，利用式(2)事先决定允许的蓄电池电流。蓄电池的允许最低电压例如设定为10.5V。然后，例如在预先计测包括该蓄电池电流在内的式(6)中电动机转速Nm以外的变量后，预先保存到控制装置109中。
接着，利用图4针对本实施方式的发动机起动装置中的发动机起动方法进行说明。
图4是表示本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的发动机起动方法的内容的流程图。
如图4所示，发出发动机重新起动请求后，在步骤401中，图1所示的控制装置109使起动机与发动机连结。在小齿轮推出方式的情况下，推出图1的小齿轮103，与直接连结发动机的齿圈104啮合。在怠速停止中起动机与发动机为连结状态的怠速停止方式下，在发出了重新起动请求时起动机与发动机为连结状态的情况下，不需步骤401。
接着，在步骤402中，控制装置109利用预先保存的变量和电动机的转速Nm，通过式(6)计算PWM控制的通电比D，输出PWM控制的波形。通过PWM控制，电动机中开始流过电流，电动机的转矩被传递到发动机，开始旋转。
然后，控制装置109继续步骤402的计算，直到步骤403所示的发动机起动完成条件成立为止。步骤403的发动机起动完成条件，例如能够通过发动机旋转到了规定转速以上来判断发动机起动完成。到发动机起动完成为止，控制装置109以一定间隔(例如2ms)检测发动机转速，计算通电比D，并更新输出。通过这样，从电动机通电开始到发动机起动完成的期间，蓄电池电流大致固定并为设定的电流值，因此蓄电池电压也大致固定，被控制为在允许范围内且接近允许值的值。
此外，为了直到重新起动完成为止将电动机的旋转力传递到发动机，起动机与发动机为连结状态，因此也能够从发动机转速间接地获得电动机转速。
图4的步骤401之后，即如果起动机与发动机为连结状态，能够根据发动机的转速间接地计算电动机的转速。如图1所示，具有检测发动机转速的发动机旋转检测传感器110A。由于大多数汽车中具有发动机旋转检测传感器110A，所以通过根据检测的发动机转速间接地计算起动机的电动机的转速，不需要额外搭载电动机旋转检测传感器110，使得成本降低。根据发动机转速计算起动机的电动机的转速时，例如能够使用下式(7)。
【式7】
Nm＝Ne×g……  (7)
在此，Nm为电动机转速(rpm)，Ne为发动机转速(rpm)，g为转速转换系数。
式7中的转速转换系数g能够根据发动机与电动机的齿轮比得到。具体而言，不仅在通过齿圈与小齿轮连结的情况下能够得到由小齿轮与齿圈的齿数所决定的齿轮比，在起动机内部电动机与小齿轮之间设有减速机构的情况下根据减速机构的减速比还能够得到转速转换系数g。转速转换系数预先保存在控制装置109中，基于检测到的发动机转速Ne在控制装置109内部转换为电动机转速Nm。
大多数起动机为在从电动机向发动机传递旋转力的中间设有单向超越离合器、仅从起动机侧传递旋转力的结构。由于在发动机开始燃烧、转速比起动机带来的转速更快时离合器的连接被切断，此时根据发动机转速计算的起动机转速与实际的起动机转速不一致。
在此，针对在根据发动机转速间接地计算电动机转速的情况下推测发生了计算所得的值与实际电动机转速相异时的电动机转速的方法进行说明。
大多数起动机为在从电动机向发动机传递旋转力的中间设有单向超越离合器108、仅从起动机侧传递旋转力的结构。即，由于能够通过电动机的旋转力使发动机旋转而发动机不能使电动机旋转，所以存在根据发动机转速间接地计算的电动机转速表示为相比实际的电动机转速更高的值的情况。此时对电动机转速进行推测。
在此，使用图5针对本实施方式的发动机起动装置中电动机转速的推测方法进行说明。
图5是表示本发明的一个实施方式的发动机起动装置中电动机转速的推测方法的内容的流程图。
首先假定在发动机转速因燃烧而突增时离合器的连接被断开、变成几乎无负载状态的电动机其转速以固定斜率上升，对间接地检测出的电动机转速Nm，通过为每个控制周期的转速的上升设置上限来针对发动机转速的急速上升推测电动机转速。
在此，相对于检测出的电动机转速Nm，令推测的转速为Nm_out，使用Nm_out计算通电比D。将其在每个控制周期中重复，将一控制周期前的计算结果作为Nm_outt-1保存在控制装置内。此外，将每个控制周期的电动机转速上升的上限预先设定为ΔN。
然后，在步骤501中，图1的控制装置109在推测的电动机转速Nm_outt-1上加上上限值ΔN，作为新的推测的电动机转速Nm’。新的推测的电动机转速Nm’可认为是相对于一周期前的电动机转速Nm_outt-1在一个控制周期内可上升到的最大值。
接着，在步骤502中，控制装置109比较检测到的电动机转速Nm与Nm’，判断是否与实际的电动机转速相异。
在步骤502中，在图1的判断单元109A判定为不是Nm≥Nm’的情况下，判断为检测到的值没有与实际的电动机转速相异，在步骤504中控制装置109将检测到的转速Nm原样代入Nm_out来进行通电比D的计算。
在步骤502中，在Nm≥Nm’的情况下，判断为检测到的值与实际的电动机转速相异。这种情况下在步骤503中控制装置109将Nm’代入Nm_out来进行通电比D的计算。
通过这样，在根据发动机转速间接地求出电动机转速的情况下，即使与实际的电动机转速相异，也能够正确地计算通电比D。
接着，使用图6针对本实施方式的发动机起动装置中的控制状态的一个例子进行说明。
图6是表示本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的控制状态的一个例子的波形图。
图6表示实施本实施方式的发动机起动装置时的发动机转速、从控制***109输出的通电比D、此时的蓄电池电压和蓄电池电流的变化。
在本例中，仅使用发动机转速计算通电比。由于通过发动机转速间接地检测电动机转速，所以推测的电动机转速与实际相异，进行电动机转速的推测的区间以虚线表示为603。此外，该推测的电动机转速603表示通过电动机与发动机的齿轮比将电动机转速换算成发动机轴的转速后的值。通电时的蓄电池电流如605所示，大致从通电开始水平保持固定，大致为设定的蓄电池电流。可知通电时的蓄电池电压604也同样为水平，不低于允许最低电压就能够使发动机重新起动。
接着，使用图7针对本实施方式的发动机起动装置中的通电比D的其他决定方法进行说明。
图7是本发明的一个实施方式的发动机起动装置中的通电比D的其他决定方法的示意图。
在此，针对根据起动机的电动机之外的机器的电力需要适当地改变流过电动机的电流的方法进行说明。到此为止如图3的简易电路图所示，以从蓄电池流过的电流几乎全部流过电动机为前提进行了说明，但是实际的车辆中除了起动机的电动机之外还存在电流流过的电器。
图7表示存在起动机之外的电器的情况下的简易电路图。令流过蓄电池301的电流为Ib、流过起动机302的电动机的电流为Im、流过电动机之外的电器303的电流为Ie时，下式(8)所示的关系成立。
【式8】
Ib＝Im+Ie
Im＝Ib-Ie……  (8)
在此，Ib为流过蓄电池的电流，Im为流过电动机的电流，Ie为流过电动机之外的电器的电流的总计。
如式(8)所示，由于流过蓄电池的电流Ib为流过电动机的电流Im与流过电动机之外的电器的电流Ie之和，所以通过将从允许的蓄电池电流减去电动机之外的电器的电流Ie所得的值设定为电动机电流，总计上使蓄电池电流固定并保持在允许值。采用能够直接或间接地获得流过除电动机之外的电器的电流Ie的结构。例如，通过电流传感器直接计测流过电动机之外的电器的电流Ie，或者可采用以下结构，预先将电动机之外的各电器通常使用的电流分别保存在控制装置中，使用该电器时使所保存的电流流过来间接地计算流过电动机之外的电器的电流。此时使用对电动机的通电比D进行计算的下式(9)。
【式9】
D = I m × ( R m + R b ) V 0 - k e × N m . . . . . . ( 9 )
即使流过电动机之外的电器的电流Ie发生变化，通过利用式(8)决定流过电动机的电流Im，利用式(9)计算对电动机的通电比D，能够使蓄电池电流Ib保持固定，能够将蓄电池压降控制在允许范围内并且最大限度地快速重新起动发动机。
如上所述，根据本实施方式，通过基于电动机转速决定通电比，使电动机电流保持在任意的大致固定的值，能够使蓄电池电压也大致保持固定。通过这样，在发动机重新起动时具有蓄电池电压不低于允许值并且能够最大限度地快速重新起动发动机的效果。
此外，在根据发动机转速间接地计算电动机转速的情况下，由于不需要在起动机中安装旋转检测用的传感器，因此实现成本降低。
进而，在检测电动机之外的以蓄电池为电源的电器中流过的电流、以使蓄电池电流在总计上固定的方式控制电动机的情况下，即使电动机之外的机器流过大电流，也能够将蓄电池压降控制在允许范围内。
附图记号说明
101……起动机主体
102……电磁开关
103……小齿轮
104……齿圈
105……直流电动机
106……电磁开关通电用开关
107……电动机通电用开关元件
108……单向超越离合器
109、109A……控制装置
110、110A……旋转检测传感器

Claims (6)

1.一种发动机起动装置，其将直流电动机的旋转力传递到发动机使发动机起动，所述发动机起动装置的特征在于，包括：
检测所述直流电动机的转速的转速检测单元；和
对所述直流电动机的通电进行PWM控制的控制单元，其中，
所述控制单元基于所述转速检测单元检测出的所述直流电动机的转速，使所述PWM控制的通电比连续地变化，以使得流过所述直流电动机的电流成为预先设定的固定值，
由此，在从电动机通电开始到发动机起动完成的期间中使蓄电池电流为大致固定的设定电流值，蓄电池电压也被控制为在允许范围内且接近允许值的固定值。
2.如权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于：
所述控制单元利用流过所述直流电动机的电流与对直流电动机的通电进行PWM控制时的通电比的平方成正比的关系能够近似成立，来决定通电比。
3.如权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于：
所述直流电动机的转速检测单元间接地利用所述发动机的转速来检测所述直流电动机的转速。
4.如权利要求3所述的发动机起动装置，其特征在于：
所述控制单元具有判断单元，所述判断单元判断间接利用所述发动机的转速所检测出的所述直流电动机的转速是否与所述直流电动机的实际转速相异，
所述控制单元在通过所述判断单元判断为间接利用所述发动机的转速所检测出的所述直流电动机的转速与所述直流电动机的实际转速相异的情况下，推测所述直流电动机的实际转速并用于决定所述PWM控制的通电比的计算中。
5.如权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于：
所述控制单元基于所述直流电动机之外的以所述蓄电池为电源的电器中流过的电流，改变流过所述直流电动机的电流，并决定所述PWM控制的通电比，以使得担当所述车辆的电源的作用的蓄电池中流过的电流在总计上为固定值。
6.一种发动机起动方法，将直流电动机的旋转力传递到发动机使发动机起动，所述发动机起动方法的特征在于：
基于转速检测单元检测出的直流电动机的转速，使所述PWM控制的通电比连续变化，以使得流过所述直流电动机的电流成为预先设定的固定值，
在此，在从电动机通电开始到发动机起动完成的期间中使蓄电池电流为大致固定的设定电流值，蓄电池电压也被控制为在允许范围内且接近允许值的固定值。
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