JP2006316768A - エンジン始動システム、方法及びエンジン始動用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 省エネルギー性を高めるとともに、アイドルストップからのスムーズで確実なエンジンの再始動を実現するエンジン始動システムを提供する。
【解決手段】 ２つの電機子コイル３１，３２を持つモータ・ジェネレータ３を採用し、各電機子コイルを２つのインバータ５，７を介し第２，第１の蓄電池６，４に接続する。エンジン始動時、第１蓄電池４からスタータモータ２に給電する。アイドルストップからの再始動時には、２つの蓄電池６，４から２つのインバータ５，７を介して、２つの電機子コイル３１，３２に給電して２つの電機子形同期電動機でエンジンを再始動する。
エンジン運転中やブレーキ制御時には、２つのインバータ５，７をそれぞれ独立して制御し、両蓄電池４，６に充電（回生）制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両に搭載されるエンジンを始動させるエンジン始動システム、方法及びエンジン始動用回転電機などの改良に関する。

従来車両用エンジン、例えばガソリンエンジンにおいては、エンジンの始動時に、エンジンを所定の回転数以上にクランクさせる為の始動装置が設けられている。近年、走行中の車両停止時にも、アイドルストップを行い燃料消費を低減するシステムが広く採用されるようになってきた。

特許文献１及び２には、エンジン始動専用スタータモータのほかに、交流発電機とインバータ（可逆電力変換器）を組合わせてモータとしても機能させ、エンジン再始動時に用いること、並びに、蓄積エネルギー不足時に、互いにアシストする技術を開示している。

また、特許文献３は、２組の電機子コイルを持つ車両用交流発電機を開示している。

特許第３４１４３１０号公報（全体） 特開２００３−１５８８３０号公報（全体） 特開平６−１７８４７９号公報（全体）

特許文献１，２に開示された技術では、車両のブレーキ時のエネルギーを十分に回生できず、省エネルギー性を満足できない欠点があった。

また、アイドルストップからのスムーズで確実なエンジンの再始動性も不十分なきらいがあった。

本発明の目的は、車両のブレーキ時のエネルギーを十分に回生でき、省エネルギー性を高めたエンジン始動システム又はエンジン始動方法を提供することである。

本発明の他の目的は、アイドルストップからのスムーズで確実なエンジンの再始動が可能なエンジン始動システム又はエンジン始動方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、省エネルギー性を高めたエンジン始動システムを構成するためのエンジン始動用回転電機を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、省エネルギー性を高めたエンジン始動システムを構成するためのインバータモジュールを提供することである。

本発明の望ましい実施態様においては、２つの電機子コイルを有するモータ・ジェネレータを用い、その２つの電機子コイルと２つの蓄電池との間にそれぞれインバータを接続し、アイドルストップからエンジン再始動時には、少なくとも一方の蓄電池からインバータを介してモータ・ジェネレータの電機子コイルに給電し、回生時には、２つのインバータをそれぞれ順変換器（回生）制御して２つの蓄電池にそれぞれ独立して充電制御することを特徴とする。

また、本発明の望ましい実施態様においては、エンジンのアイドルストップからの再始動時には、２つの蓄電池から、それぞれインバータを介してモータ・ジェネレータの２つの電機子コイルに給電することにより、モータ・ジェネレータの２つの電機子コイルによるモータリングトルクによってエンジンを再始動するように構成したことを特徴とする。

さらに、本発明の望ましい実施態様においては、エンジン始動用回転電機として、２組の電機子コイルを備え、それぞれの電機子コイルを異なる２つのインバータに接続可能に構成したことを特徴とする。

さらにまた、本発明の望ましい実施態様においては、エンジン始動用インバータモジュールとして、スイッチングトランジスタを３相ブリッジ接続した２つのインバータ主回路と、これらのトランジスタ群にスイッチング信号を供給するゲートドライバとを内蔵し、２組の直流端子と、２組の交流端子とを備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、車両のブレーキエネルギーを十分に回生でき、省エネルギー性を高めたエンジン始動システム又は始動方法を提供することができる。

また、本発明の望ましい実施態様によれば、アイドルストップからのスムーズで確実なエンジンの再始動を得ることができる。

さらに、本発明の望ましい実施態様によれば、省エネルギー性を高めたエンジン始動システムを構成するためのエンジン始動用回転電機を提供することができる。

さらにまた、本発明の望ましい実施態様によれば、省エネルギー性を高めたエンジン始動システムを構成するためのインバータモジュールを提供することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

以下に、本発明の一実施形態によるエンジン始動システムについて、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるエンジン始動システムのブロック構成図である。エンジン１には、このエンジン１を主として初期始動するためのスタータモータ２と、主としてアイドルストップから再始動するためのモータ・ジェネレータ（ＭＧ）３とが付設されている。スタータモータ２は、第１の蓄電池４のエネルギーで駆動される。一方、モータ・ジェネレータ３としては、図２を参照して後述するように、２系統の三相交流出力を有する同期発電機を用いる。このモータ・ジェネレータ３は、界磁極を有する回転子と、２系統の電機子コイルを有する固定子とを備えている。このため、２つの３相電機子コイルに３相交流電流を流すと回転磁界が発生し、この回転磁界を回転子の回転位置及び回転速度に合わせて制御することにより、２つの同期電動機としての回転トルクが発生する。モータ・ジェネレータ３により発生する回転トルクは電流の大きさにほぼ比例し、モータ・ジェネレータ３の回転数は交流電流の周波数により制御される。

また、モータ・ジェネレータ３の第１の電機子コイルには、第１のインバータ５を介して第２の蓄電池６が接続され、さらに、第２の電機子コイルには、第２のインバータ７を介して前記第１の蓄電池４が接続されている。モータ・ジェネレータ３及び第１，第２のインバータ５，７ならびに第１，第２の蓄電池４，６には、各々の蓄電池の充電状態ＳＯＣ（ State Of Charge ）を検出するための蓄電池センサ８，９を介してコントローラ１０が接続されている。第１の蓄電池４の定格は通常１２［Ｖ］であり、第２の蓄電池６の定格は、１２［Ｖ］でもよいが例えば３６〜４８［Ｖ］程度の高電圧に設定される場合もある。第１，第２のインバータ５，７は、直流／交流間に可逆的に電力を変換する機能を有するとともに、交流側の周波数及び電流値を調整する機能をも有する。第１，第２の蓄電池４，６の少なくとも一方は、ＳＯＣ制御が楽で電圧垂下の少ない捲回鉛電池又はリチウム電池により構成することが望ましい。

モータ・ジェネレータ３の主軸１１には、プーリ１２が取り付けられている。また、クランクシャフト１３にはプーリ１５が、クラッチ１４を介して連結／開放自在に接続される。このエンジン側のプーリ１５と、前記モータ・ジェネレータ側のプーリ１２との間にベルト１６が巻き掛けられている。

一方、主として初期の始動に用いるスタータモータ２は、マグネチックシフト式、又はリダクションギヤ式などのように、公知の構造を有する直流モータである。そして、スタータモータ２の出力軸１７には、ピニオンギヤ（平歯車）１８が設けられている。この出力軸１７は、図示しない出没機構により、軸線方向に往復移動可能に構成されている。前記クランクシャフト１３のフライホイール１９には、リングギヤ（平歯車）２０が形成されている。

このエンジン始動システムは、初期スタータモータ２でエンジンを始動後、イグニッションスイッチの信号以外の条件に基いて、運転状態にあるエンジン１を自動停止すなわちアイドルストップさせる。一方、アイドルストップしているエンジン１を、アクセル踏込みなどに応答して運転状態に自動復帰させる。これを再始動と称する。ここで、エンジン１を自動停止させる条件の１つに、第１，第２の蓄電池４，６の充電量ＳＯＣが所定値以上であることが挙げられる。

図２は、本発明の一実施形態によるエンジン始動システムにおける回転電機、インバータモジュール、蓄電池及び電気負荷からなる電気系統図である。図において、モータ・ジェネレータ３は、第１，第２の３相電機子コイル３１，３２が同一ステータ（図示せず）に巻装されている。また、界磁コイル３３を巻装した回転子（図示せず）及びこの回転子の回転を検出する回転センサ３４を備えている。第１，第２の電機子コイル３１，３２の巻数は、通常、第１，第２の蓄電池４，６の定格がいずれも１２［Ｖ］の場合は同一巻数で、第２の蓄電池６の定格を３６〜４８［Ｖ］にする場合には、第１の電機子コイル３１の巻数をほぼ電圧に比例して増やす。また、第１，第２の蓄電池４，６の少なくとも一方には、捲回鉛電池又はリチウム電池を採用することが望ましい。

第１，第２のインバータ５，７は、各インバータを別体あるいは一体どちらで構成してもよいが、この実施形態では、制御回路２１を含め一体化し、インバータモジュール２０としている。２つのインバータは、図示するように、ＭＯＳトランジスタを３相ブリッジ接続している。このインバータモジュール２０内には、必ずしも制御回路２１の全てを一体化する必要はないが、少なくとも、２つのインバータのスイッチング素子を駆動するゲートドライバを含めることが望ましい。制御回路２１は、回転センサ３４からのモータ・ジェネレータ３の回転角信号、蓄電池センサ８，９からの第１，第２の蓄電池４，６のＳＯＣ検出信号、並びに車両の上位コントローラ１０からの指令によって制御動作を行う。すなわち、モータ・ジェネレータ３を、モータモード、発電機モード及びモード切替えに必要な制御を行うように構成され、この実施形態では、モータ・ジェネレータ３の界磁コイル３３の励磁制御も実行する。

電気負荷４０は、第１の蓄電池４から給電される複数の負荷をまとめて示したものであり、スタータモータ２をも含むものとする。電気負荷５０は、第２の蓄電池６により給電される複数の負荷をまとめたものである。通常、図１のスタータモータ２を含む負荷４０は、第１の蓄電池４から電力を供給され、他方、アイドルストップ時に必要な電力、すなわち、エンジン停止中でも必要な補機などは、負荷５０として、第２の蓄電池６から供給することが好ましい。

次に、本発明の一実施形態による電気車制御装置のエンジン始動システムの基本動作を説明する。コントローラ１０は、エンジン始動時に、図示しないキースイッチにより第１の蓄電池４から電気負荷４０内のスタータモータ２に給電し、これを駆動してエンジン１を始動する。

制御回路２１は、モータ・ジェネレータ３の回転センサ３４の回転信号や、コントローラ１０からの指令を受け、２つのインバータ５，７内のＭＯＳトランジスタを制御するとともに、モータ・ジェネレータ３の界磁コイル３３へ供給する励磁電流制御を行う。

エンジン１の運転中は、モータ・ジェネレータ３の第１，第２の電機子コイル３１，３２に発生した交流をそれぞれ第１，第２のインバータ５，７を独立して制御し、第２，第１の蓄電池６，４の充電制御を行う。この制御の中には、走行中減速、ブレーキング等が発生した場合の情報を得ての回生制御も含まれる。例えば、減速時、ブレーキング時は、第２の蓄電池６への充電電圧を上げて、エネルギーを回収するように制御する。

このように、それぞれ第１，第２のインバータ５，７を独立して制御し、第２，第１の蓄電池６，４の充電制御を行うことにより、車両のブレーキエネルギーを十分に回生でき、省エネルギー性を高めたエンジン始動システム又は始動方法を提供することができる。

アイドルで車両停止時、第１，第２の蓄電池４，６の充電状態が所定の範囲で、その他のエンジン停止判定条件を満たすとき、コントローラ１０のアイドルストップ指令によりエンジン１は停止する。第１，第２の蓄電池４，６の充電量が低い場合には、エンジン停止モードに移行しないようコントローラ１０が制御する。

コントローラ１０は、アイドルストップによるエンジン停止時に、図示しない補機を駆動する場合には、電磁クラッチ１４を開放し、モータ・ジェネレータ３をモータリングして、図示しない別のベルトを介して補機を駆動する。

また、図示しないアクセルペダルの操作時、コントローラ１０は、再始動指示を制御回路２１に指令し、モータ・ジェネレータ３によりエンジン１を再始動する。モータ・ジェネレータ３は、第２の蓄電池６から第１のインバータ５を介して第１の電機子コイル３１に給電され、エンジン１を再始動させる。このとき、第２の蓄電池６の蓄積容量が不足している場合には、第１の蓄電池４から第２のインバータ７を介して第２の電機子コイル３２に給電を受け駆動トルクを発生することができ、よりスムーズで、確実なエンジンの再始動を実現できる。

また、常時、２つのインバータを制御し、２つの蓄電池のエネルギーを用いて再始動するようにすれば、蓄電池１個当たりの電流負担が減り、蓄電池寿命を延長することができ、極めて好都合である。

蓄電池の少なくとも一方に、捲回鉛電池又はリチウム電池を使用すれば、従来の鉛蓄電池に比べ電圧垂下をさらに抑えられる。

再始動時、モータ・ジェネレータ３だけでなく、スタータモータ２によるアシストの制御を掛けてもよい。

本発明の一実施形態によるエンジン始動システムのブロック構成図。 本発明の一実施形態によるエンジン始動システムの電気系統図。

符号の説明

１…エンジン、２…スタータモータ、３…モータ・ジェネレータ、３１…第１の電機子コイル、３２…第２の電機子コイル、３３…界磁コイル、３４…回転センサ、４…第１の蓄電池、５…第１のインバータ、６…第２の蓄電池、７…第２のインバータ、８，９…蓄電池センサ、１０…コントローラ、２０…インバータモジュール、２１…制御回路、４０，５０…負荷。

Claims (9)

1. 第１及び第２の蓄電池を有し、このいずれかの蓄電池の貯蔵エネルギーによりエンジンを始動するエンジン始動システムにおいて、第１及び第２の電機子コイルを有するモータ・ジェネレータと、これら第１及び第２の電機子コイルと前記第１及び第２の蓄電池との間にそれぞれ接続された第１及び第２のインバータと、前記第１及び／又は第２の蓄電池から前記第１及び／又は第２のインバータを介して前記モータ・ジェネレータの第１及び／又は第２の電機子コイルに電力を供給して、アイドルストップした前記エンジンを再始動する再始動制御手段と、前記第１及び第２のインバータをそれぞれ順変換器制御して前記第１及び第２の蓄電池に充電する充電制御手段とを備えたことを特徴とするエンジン始動システム。
2. スタータモータに給電する第１の蓄電池と、モータ・ジェネレータに給電する第２の蓄電池と、これらスタータモータ及び／又はモータ・ジェネレータによりエンジンを始動するエンジン始動システムにおいて、前記モータ・ジェネレータに設けられた第１及び第２の電機子コイルと、前記モータ・ジェネレータの前記第１の電機子コイルと前記第２の蓄電池との間に接続された第１のインバータと、前記モータ・ジェネレータの前記第２の電機子コイルと前記第１の蓄電池との間に接続された第２のインバータと、前記第１の蓄電池から前記スタータモータへの給電及び／又は、前記第２の蓄電池から前記第１のインバータを介して前記モータ・ジェネレータの第１の電機子コイルへの給電によってエンジンを始動するエンジン始動制御手段と、前記第１及び第２のインバータをそれぞれ独立に制御して、前記第２及び第１の蓄電池を充電する充電制御手段とを備えたことを特徴とするエンジン始動システム。
3. 第１の蓄電池と、この蓄電池の電力により駆動されるスタータモータと、第２の蓄電池と、エンジンの回転軸と連結されるモータ・ジェネレータと、このモータ・ジェネレータの第１の電機子コイルと前記第２の蓄電池との間で電力の授受を行う第１のインバータと、エンジンの始動時に、前記第１及び／又は第２の蓄電池の電力によりそれぞれスタータモータ及び／又は前記モータ・ジェネレータを選択的に駆動する始動制御手段と、前記モータ・ジェネレータの前記第１の電機子コイルから前記第１のインバータを介して前記第２の蓄電池を充電する第２蓄電池充電制御手段とを備えたエンジン始動システムにおいて、前記モータ・ジェネレータに設けられた第２の電機子コイルと、この第２の電機子コイルと前記第１の蓄電池との間で電力の授受を行う第２のインバータと、前記モータ・ジェネレータの前記第２の電機子コイルから前記第２のインバータを介して前記第１の蓄電池を充電する第１蓄電池充電制御手段とを備えたことを特徴とするエンジン始動システム。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、エンジン始動時には、前記第１の蓄電池からスタータモータに給電するとともに、前記第２の蓄電池から前記モータ・ジェネレータの第１の電機子コイルに給電してアシストするように構成したことを特徴とするエンジン始動システム。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、エンジンのアイドルストップからの再始動時には、前記第２の蓄電池から前記第１のインバータを介して前記モータ・ジェネレータの第１の電機子コイルに給電するとともに、前記第１の蓄電池から前記第２のインバータを介して前記モータ・ジェネレータの第２の電機子コイルに給電するように構成したことを特徴とするエンジン始動システム。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記第１，第２の蓄電池の少なくとも一方は、捲回鉛電池又はリチュウム電池であることを特徴とするエンジン始動システム。
7. エンジンの回転軸に連結され、ステータに電機子コイルと、ロータに界磁極を備えた交流同期機であって、第１及び第２の２組の電機子コイルを備え、それぞれの電機子コイルが異なる第１及び第２のインバータに接続可能に構成したことを特徴とするエンジン始動用回転電機。
8. スイッチングトランジスタを３相ブリッジ接続した２つのインバータ主回路と、これらのトランジスタ群にスイッチング信号を供給するゲートドライバとを内蔵し、２組の直流端子と、２組の交流端子とを備えたことを特徴とするエンジン始動用インバータモジュール。
9. 第１及び第２の蓄電池の貯蔵エネルギーによりエンジンを始動するエンジン始動方法において、モータ・ジェネレータの第１及び第２の電機子コイルと前記第１及び第２の蓄電池との間にそれぞれ第１及び第２のインバータを接続するステップと、前記第１及び／又は第２の蓄電池から前記第１及び／又は第２のインバータを介して前記モータ・ジェネレータの第１及び／又は第２の電機子コイルに電力を供給して、アイドルストップした前記エンジンを再始動するステップと、前記第１及び第２のインバータをそれぞれ順変換器制御して前記第１及び第２の蓄電池に充電するステップとを備えたことを特徴とするエンジン始動方法。

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