JP2007300767A

JP2007300767A - 自動車用交流発電電動機駆動システム

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Publication number: JP2007300767A
Application number: JP2006128772A
Authority: JP
Inventors: Tsunenori Yamamoto; 恒宣山本; Yoshito Asao; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】スイッチング素子に流れる電流を当該素子の許容値以下に抑制することができ、電圧利用効率の良い１８０度通電角制御方式のみでエンジン始動を行うことが可能な自動車用交流発電電動機駆動システムを提供する。
【解決手段】エンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動する通電制御方式を採用するとともに、交流発電電動機１の周辺のシステム関連温度を検出する温度センサ６と、この温度センサ６で検出される温度が予め設定された基準温度以下の場合にはエンジン始動前にスイッチング素子５を最大電流が所定値を越えない範囲でスイッチングしてプレヒートするプレヒート制御手段４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流交流変換用のインバータにより通電されてトルクを発生する自動車用交流発電電動機の駆動システムに関する。

従来、例えば自動車用の３相交流発電電動機の駆動システムにおいては、インバータから電動機の電機子コイルに流れる電流を検出し、当該コイルに所定電流以上流れないようにスイッチング素子をＰＷＭ制御し、始動動作中の極低回転時においても過電流によりスイッチング素子が過熱して破壊することから防止するようにしたものがある。しかしながら、このシステムでは、インバータの出力電流を検出するとともに、この検出した電流を一定値に制御する必要があるため、コストが高くなるという課題があった。

これに対し、従来技術では、インバータを構成するスイッチング素子を電気角で略１８０度区間通電駆動する１８０度通電角制御方式、および電気角で略１２０度区間通電駆動する１２０度通電角制御方式の２つの制御方式を併用するとともに、エンジン始動時には、スイッチング素子に流れる電流を推定する電流推定手段を設け、この電流推定手段により、エンジン始動中の３相発電電動機通電電流を推定し、その推定した電流値が所定値より大きく流れると判断したときには１２０度通電角制御方式を選択し、推定した電流値が所定値より小さく流れると判断したときには１８０度通電角制御方式を選択するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３２０８６１号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されている従来技術においては、１２０度通電角制御方式で駆動した場合、１８０度通電角制御方式に比べてトルクリプルが大きくなるという課題がある。

また、１２０度通電角制御方式と１８０度通電角制御方式との切り替えを、スイッチング素子に流れる電流の値に基づいて推定する場合には、エンジン始動時の回転速度変化とトルク変化が非常に大きいところ、つまり電流変化が非常に大きいところで電流を推定することになり、その検出精度に問題がある。

その際、検出誤差によって切り替えの判断を誤って所定の切り替えタイミングよりも早く１８０度通電角制御方式に切り替えた場合には、過電流によりスイッチング素子を破壊する恐れがある。また、切り替え時のトルク変動が大きくなるという課題も併せ持っている。

本発明は、上記の課題を解決し、エンジン始動時にＰＷＭ駆動による電流制御を行う高価な制御や、１２０度通電角制御方式を併用して始動途中の変動の大きい回転速度、電圧、電流値等に基づいて１８０度通電角制御方式への切り替えを判断するなどの不安定な制御を行わずとも、スイッチング素子に流れる電流をスイッチング素子の許容値以下に抑制することができて、電圧利用効率の良い１８０度通電角制御方式のみでエンジン始動を行うことのできる自動車用交流発電電動機駆動システムを提供することを目的とする。

ここでは課題を解決するための具体的手段について言及する前に、まず、エンジン始動時における１８０度通電角制御時の始動電流の大きさとその抑制の仕方について説明する。

１８０度通電角制御方式は、電圧利用率が高く、低電圧のバッテリ駆動である自動車用交流発電電動機の駆動システムとして優れた特性をもっている。この１８０度通電角制御方式においては、交流発電電動機が停止している状態において、いま、バッテリに負荷が接続されていない状態におけるバッテリ開放電圧をＶｂｏ、バッテリ内部抵抗をＲｂ、ＤＣ配線抵抗をＲｗｄ／本、インバータユニットのスイッチング素子のオン抵抗をＲｉ／個、インバータユニットと交流発電電動機とを結ぶ交流配線抵抗をＲｗａ／相、交流発電電動機の相抵抗をＲｍとすると、スイッチング素子に流れる電流の最大値は、次式で示される。
Ｉ＝Ｖｂｏ／｛Ｒｂ＋２・Ｒｗｄ＋３／２・（Ｒｉ＋Ｒｗａ＋Ｒｍ）｝（１）

交流発電電動機の始動時において、スイッチング素子はこの（１）式で示される電流を許容し得る電流容量を持つ必要がある。（１）式より明らかなように、スイッチング素子を流れる電流は、バッテリ開放電圧Ｖｂｏと（１）式の分母として与えられるシステム抵抗により決まる。この内、バッテリ抵抗Ｒｂは温度が上昇すると減少する傾向を持つが、他の抵抗Ｒｗｄ，Ｒｉ，Ｒｗａ，Ｒｍは温度上昇により増加し、温度上昇時には全体としてシステム抵抗が増加してスイッチング素子に流れる通電電流を抑制することができる。

したがって、自動車用交流発電電動機駆動システムにおいて、システム抵抗となる上記の各抵抗Ｒｗｄ，Ｒｉ，Ｒｗａ，Ｒｍの内の適切なものをプレヒートすることができれば、スイッチング素子に流れる電流を抑制することができる。そして、このプレヒートの要否判断、およびプレヒート電流とプレヒート時間の設定を始動前の交流発電電動機周辺のシステム関連温度に基づいて決定することができれば、外乱の影響を受けにくく安定した制御が可能となる。

すなわち、いま、このときバッテリの出力電圧をＶｂ、インバータユニットへの入力電圧をＶｉｎｖ、バッテリからインバータユニットに供給される直流電流をＩｄｃとすると、次式の関係がある。
Ｖｂ＝Ｖｂｏ−Ｉｄｃ・ｒｂ（２）
Ｖｉｎｖ＝Ｖｂｏ−Ｉｄｃ・（ｒｂ＋ｒｗｄ）（３）

上記（２），（３）式より明らかなように、バッテリからインバータユニットに供給される電流Ｉｄｃを抑制できれば、バッテリの出力電圧Ｖｂおよびインバータユニットの入力電圧Ｖｉｎｖを高くとることができる。この結果、バッテリに接続された他の車載機器の電圧低下を抑制でき、安定した動作を可能とするとともに、インバータユニットへの入力電圧Ｖｉｎｖを高くとることができるため、交流発電電動機の出力向上を図ることができる効果を合わせ持っている。

プレヒートの仕方としては、例えば、エンジン始動前の交流発電電動機の停止中に、スイッチング素子をオンさせて所定の電機子コイルに電流を流すと、この電流によるジュール熱により各部の温度を上昇させることができる。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、エンジンと動力を授受する交流発電電動機、および上記交流発電電動機とバッテリとの間の電流をスイッチング制御する複数のスイッチング素子を有するインバータユニットを備え、エンジン始動時に上記スイッチング素子を電気角で略１８０度区間通電することにより上記交流発電電動機を駆動する通電制御方式を採用したものであって、上記交流発電電動機周辺のシステム関連温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出される温度が予め設定された基準温度よりも低い場合にはエンジン始動前に上記スイッチング素子を最大電流が所定値を越えない範囲でスイッチングしてプレヒートするプレヒート制御手段と、を備えることを特徴としている。

本発明の自動車用発電電動機駆動システムによれば、システム関連温度が基準温度よりも低い場合に、エンジン始動前の通電によるプレヒートを行うので、システム関連温度が上昇して始動電流を抑制することができる。すなわち、エンジン始動時においてシステム温度が基準温度よりも低いときにはスイッチング素子のオン抵抗や電機子コイルの抵抗を含む回路抵抗が小さく大きな電流が流れるため、従来はスイッチング素子が過電流で破壊されるのを防止するために電流容量を大きくするなどの必要性があったが、本発明はエンジン始動前にプレヒートしてシステム関連温度を予め高めて始動電流を抑制することができるため、電圧利用効率の良い１８０度通電角制御方式の利点を生かしつつ、スイッチング素子の電流容量を大きくするなどの必要性がなくなる。

また、従来は、エンジン始動時に大電流が流れることにより、バッテリおよびＤＣ側配線抵抗の電圧降下が大きくなってスイッチング素子の入力電圧の低下が著しくなり、交流発電電動機が、この低電圧でも所定の出力を発生できるように誘起電圧係数および巻線抵抗を低くなるよう設計する必要があったが、本発明では、エンジン始動前にプレヒートしてシステム関連温度を予め高めて始動電流を抑制することができるため、スイッチング素子の入力電圧の低下も抑制できる効果が得られる。さらにまた、低温始動時においてシステムをプレヒートすることにより、軸受グリースの潤滑が良くなるという副次的な効果も得られる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における自動車用発電電動機駆動システムの全体を示す構成図である。

この実施の形態１の自動車用発電電動機駆動システムは、エンジンと動力を授受する交流発電電動機１、この交流発電電動機１とバッテリ２との間の電流をスイッチング制御する複数のスイッチング素子５を有するインバータユニット３、およびインバータユニット３の各スイッチング素子５の動作を制御する制御回路４を備えている。本発明は、界磁電流制御有無にかかわらず成立する為、図１において界磁電流制御回路は省略している。

上記の交流発電電動機１は本例では３相のもので、固定子側に３つの電機子コイル１３が配置され、また、回転子側は回転子鉄心１５に界磁コイル１６が巻装されている。そして、交流発電電動機１の電機子コイル１３の近傍には、当該コイル温度をシステム関連温度として検出する温度検出手段としての温度センサ６が配設されており、この温度センサ６の検出出力が制御回路４に取り込まれるようになっている。また、制御回路４は制御基板７上に搭載されている。なお、８は回転子の位置を検出する回転位置検出センサである。

上記の制御回路４は、エンジン始動時に各スイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動するとともに、温度センサ６で検出される温度が予め設定された所定の基準温度Ｔｃ１よりも低い場合にはエンジン始動前に所定のスイッチング素子５を最大電流が所定値を越えない範囲でスイッチングしてプレヒートするように構成されている。

すなわち、この制御回路４は、スイッチング素子５の許容電流を越えないように、バッテリ２、配線、インバータユニット３、および交流発電電動機１のシステム回路に応じて当該素子をスイッチングする通電パルス幅Ｔ０を予め設定し、この通電パルス幅Ｔ０でスイッチング素子５をスイッチングするように予めプログラムされている。したがって、この制御回路４が特許請求の範囲におけるプレヒート制御手段に対応している。

次に、上記構成の自動車用発電電動機駆動システムにおけるエンジン始動前のプレヒート動作について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。なお、以下において、符号Ｓは各処理ステップを意味する。

制御回路４は、温度センサ６がシステム関連温度として交流発電電動機１の電機子コイル１３近傍の温度Ｔｃを検出すると、その検出温度Ｔｃが予め設定された基準温度Ｔｃ１よりも低いか否かを判断する（Ｓ１１）。そして、検出温度Ｔｃが基準温度Ｔｃ１よりも低い場合には、予めシステムの電気回路および使用スイッチング素子５の電流容量に応じて設定している通電パルス幅Ｔ０でもって、スイッチング素子５を一定時間、例えばｔ１に渡って順次スイッチング駆動する（Ｓ１２）。

図３はＵ相の上部のスイッチング素子５とＶ相の下部のスイッチング素子５をオン、Ｗ相のスイッチング素子５をオフにした２相通電の状態を示している。このとき、電流は、プラス側端子からＵ相上部のスイッチング素子→Ｕ相配線→Ｕ相電機子コイル→Ｖ相電機子コイル→Ｖ相配線→Ｖ相下部のスイッチング素子→マイナス側端子へと流れる。これに続くタイミングでは、Ｕ相上部のスイッチング素子とＷ相下部のスイッチング素子をオン、Ｖ相のスイッチング素子をオフにする。このようにして、オン／オフするスイッチング素子５を順次切り替えていくと各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは図４に示すようになる。

すなわち、２相通電において、電気回路の時定数より十分短い通電パルス幅Ｔ０だけ２つのスイッチング素子５がオンされたとし、その時に流れる電流が各スイッチング素子５の許容電流以下の電流Ｉ_０に達し、続くスイッチング素子５のオフ時には通電電流が零となるように設定できたとすれば、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは図４に示すような三角波となる。そして、これらの各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗにより電機子コイル１３、スイッチング素子５、ＡＣおよびＤＣ配線がジュール熱により発熱して各部抵抗が増加する。

したがって、次のエンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電する場合でも（Ｓ１３）、各スイッチング素子５に流れる電流をプレヒートしない場合に比べて抑制することができるため、過電流によりスイッチング素子５が破壊するのを防ぐためにスイッチング素子５の電流容量を大きくするといった必要性が無くなる。

なお、Ｓ１１において温度センサ６で検出される温度Ｔｃが予め設定された基準温度Ｔｃ１よりも高い場合には、プレヒートは行わず、エンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動する（Ｓ１３）。

具体例として、各回路定数、通電時間等に数値を入れて説明する。例えば、ｔ１時間の断続通電で各部温度が６０Ｋ程度上がるように当該時間ｔ１を設定する。いま、０℃での各部抵抗を、直流側配線抵抗ｒｗｄ＝１ｍΩ、交流側配線抵抗ｒｗａ＝１ｍΩ、スイッチング素子５のオン抵抗２ｍΩ、交流発電電動機１の相抵抗６ｍΩと仮定し、また、０℃でのバッテリ２の開放電圧を１１．５Ｖ、６０℃でのバッテリ２の開放電圧を１２Ｖと仮定し、さらに、バッテリ２の内部抵抗を１０ｍΩとした場合、０℃および６０℃で素子に流れる最大電流Ｉａ_０，Ｉａ_６０、およびそのときのバッテリ２の出力電圧Ｖｂ_０，Ｖｂａ_６０、インバータユニット３への入力電圧Ｖｉｎｖ_０，Ｖｉｎｖ_６０は、前述の（１）〜（３）式により以下のようになる。

Ｉａ_０＝１１.５/(１０＋２・１＋１.５・(１＋２＋６))・１０００＝４５１(Ａ)
Ｉａ_６０＝１２／(１０＋(２・１＋１.５・(１＋２＋６))・
２９５/２３５)・１０００＝４０７(Ａ)
となり、スイッチング素子５の通電電流を１０％程度下げることができる。

また、このときバッテリ２の出力電圧と、インバータユニット３への入力電圧は各々下記の値となる。
Ｖｂ_０＝１１.５−４５１・１０/１０００＝７.０(Ｖ)
Ｖｂ_６０＝１２−４０７・１０/１０００＝７.９(Ｖ)
Ｖｉｎｖ_０＝１１.５−４５１・１２/１０００＝６.１(Ｖ)
Ｖｉｎｖ_６０＝１２−４０７・(１０＋２・２９５/２３５)/１０００＝６.９(Ｖ)
したがって、バッテリ２に接続される電気品への給電電圧、自動車用交流発電電動機システムへの給電電圧は共に約１３％程度改善されている。

なお、上記の具体例では周囲温度が０℃の状態から、６０Ｋ温度上昇させた場合を示したが、周囲温度の状態、バッテリ２、交流発電電動機１、および各種配線抵抗の組合せにより、それぞれ目標温度上昇を変え、通電パルス幅、通電時間を変えることにより、それぞれの組合せにおいて最適な選定ができることはいうまでもない。

また、上記の例では、スイッチング素子５をいわゆる２相通電によって順次オン／オフする場合について説明したが、これに限らず、例えばＵ相上部のスイッチング素子５をオンしたときに、下部側のＶ相およびＷ相のスイッチング素子５を共にオンするといったような３相通電を行ってもよい。そのときの各相の通電電流波形は図６に示すようになる。

さらにまた、図７に示すように、各スイッチング素子５を短時間の通電パルス幅Ｔ０’でオン／オフをｎ回（本例では３回）繰り返し、そのときの最大通電電流がスイッチング素子５の許容電流より低いある値Ｉ_０となるように各相のスイッチング素子５のオン／オフのタイミングを設定してもよい。

以上のように、この実施の形態１では、温度センサ６で検出されるシステム関連温度が予め設定された基準温度Ｔｃ１よりも低い場合には、エンジン始動前にプレヒートを行うので、システム関連温度が上昇し、始動電流を抑制することができる。その結果、電圧利用効率の良い１８０度通電角制御方式を生かしつつ、スイッチング素子５の電流容量を過剰に大きくする必要が無くなるとともに、スイッチング素子５の入力電圧の低下も抑制できる効果が得られる。

特にこの実施の形態１のように、スイッチング素子５をスイッチング制御する際に、当該素子５に流れ得る電流が許容電流以下となるように通電パルス幅Ｔ０を予め設定しておけば、始動前や始動中の制御上の判断が不要となるので、単純な制御で所要のプレヒートを行うことができる。また、低温始動時においてシステムをプレヒートすることにより、軸受グリースの潤滑が良くなるという副次的な効果も得られる。

実施の形態２．
この実施の形態２における自動車用発電電動機駆動システムの構成は、図１に示したものと基本的に同じであるが、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒート制御が実施の形態１の場合と幾分相違している。

すなわち、この実施の形態２において、制御回路４にはスイッチング素子５の許容電流を越えないようにシステム関連温度に応じた複数の基準温度Ｔｃ１，Ｔｃ２（ただし、Ｔｃ１＞Ｔｃ２）が予め設定されており、制御回路４は、これらの各基準温度Ｔｃ１，Ｔｃ２に対して温度センサ６で検出される温度Ｔｃの高低に応じて通電パルス幅Ｔ１，Ｔ２（ただし、Ｔ１＜Ｔ２）を変更するように構成されている。

以下、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒート制御動作を、図８に示すフローチャートを参照して説明する。

システム関連温度の高低によって、プレヒート時のスイッチング素子５や交流発電電動機１の許容温度が変化する。特に熱容量の小さいスイッチング素子５によって短時間に通電し得る最大電流が制限される。

そこで、この実施の形態２においては、温度センサ６がシステム関連温度として交流発電電動機１の電機子コイル１３近傍の温度Ｔｃを検出すると、制御回路４は、その検出温度Ｔｃを予め設定された基準温度Ｔｃ１、およびそれより低く設定された基準温度Ｔｃ２と比較する（Ｓ２１，Ｓ２２）。

そして、検出温度Ｔｃが基準温度Ｔｃ２よりも低い場合には、スイッチング素子５を予めシステムの電気回路および使用するスイッチング素子５の電流容量に応じて予め設定されている通電パルス幅Ｔ２を決定し（Ｓ２３）、この通電パルス幅Ｔ２でもって所定時間に渡って順次スイッチングしてプレヒートする（Ｓ２５）。

また、検出温度Ｔｃが両基準温度Ｔｃ１，Ｔｃ２の間にある場合には、上記通電パルス幅Ｔ２より狭い通電パルス幅Ｔ１を決定し（Ｓ２４）、この通電パルス幅Ｔ１でもって各相スイッチング素子５を所定時間に渡って順次スイッチングしてプレヒートする（Ｓ２５）。

Ｓ２５のプレヒート後、あるいはＳ２１で温度センサ６で検出される温度が基準温度Ｔｃ１よりも高い場合には、エンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動する（Ｓ２６）。

図９には通電パルス幅Ｔ１、Ｔ２（ただし、Ｔ１＜Ｔ２）と通電最大電流Ｉ_０１、Ｉ_０２との関係を示している。システム関連温度が基準温度Ｔｃ２によりも低い場合には通電パルス幅をＴ２とすることにより、このときの通電電流の実効値をパルス幅Ｔ１の場合と比べ大きくすることができ、その結果、所定温度までプレヒートするために要する通電時間を短縮化することができる。

このように、この実施の形態２では、スイッチング素子５や交流発電電動機１が過熱することなく、かつ、検出したシステム関連温度Ｔｃの高低に適応した通電パルス幅でもって各スイッチング素子５をスイッチングすることにより、システム関連温度が基準温度Ｔｃ２以下の低温においても短時間で所定温度までプレヒートすることができる。

実施の形態３．
この実施の形態３における自動車用発電電動機駆動システムの構成は、図１に示したものと基本的に同じであるが、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒート制御が実施の形態１，２の場合と若干相違している。

すなわち、上記の実施の形態２では、各基準温度Ｔｃ１，Ｔｃ２（ただし、Ｔｃ１＞Ｔｃ２）に対して温度センサ６で検出される温度Ｔｃの高低に応じて通電パルス幅Ｔ１，Ｔ２を変更するようにしているが、この実施の形態３では、各基準温度Ｔｃ１，Ｔｃ２（ただし、Ｔｃ１＞Ｔｃ２）に対して温度センサ６で検出される温度Ｔｃの高低に応じてプレヒート時間ｔ１，ｔ２（ただし、ｔ１＜ｔ２）を変更するようにしている。

以下、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒート制御動作を、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。

この実施の形態３においては、温度センサ６がシステム関連温度として交流発電電動機１の電機子コイル１３近傍の温度Ｔｃを検出すると、その検出温度Ｔｃが予め設定された基準温度Ｔｃ１、およびそれより低く設定された基準温度Ｔｃ２と比較する（Ｓ３１，Ｓ３２）。

そして、検出温度Ｔｃが基準温度Ｔｃ２よりも低い場合には、スイッチング素子５を予めシステムの電気回路および使用するスイッチング素子５の電流容量に応じて設定している一定の通電パルス幅Ｔ０と通電時間ｔ２とを共に決定し（Ｓ３３）、例えば、図４に示すように、この通電パルス幅Ｔ０でもって所定の通電時間ｔ２に渡って順次スイッチングしてプレヒートする（Ｓ３５）。

また、検出温度Ｔｃが両基準温度Ｔｃ１，Ｔｃ２の間にある場合には、通電パルス幅Ｔ０は変わらないが、上記通電時間ｔ２より短い通電時間ｔ１（＜ｔ２）を決定し（Ｓ３４）、この通電パルス幅Ｔ０でもって各相スイッチング素子５を所定時間ｔ１に渡って順次スイッチングしてプレヒートする（Ｓ３５）。

Ｓ３５のプレヒート後、あるいはＳ３１で温度センサ６で検出される温度が基準温度Ｔｃ１よりも高い場合には、エンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動する（Ｓ３６）。

このように、この実施の形態３では、検知したシステム関連温度Ｔｃの高低に応じて、プレヒート時間ｔ１，ｔ２を変更するので、通電パルス幅Ｔ０を制御する必要はなく、システム関連温度を所定範囲に上昇させることができる。

実施の形態４．
上記の実施の形態１〜３では、交流発電電動機１の電機子コイル１３の近傍に温度センサ６を設け、この温度センサ６の検出出力をシステム関連温度として制御回路４に取り込むようにしているが、この実施の形態４では、温度センサ６を省略し、その代わりに、界磁コイル１６の端子電圧と界磁電流を制御回路４に取り込むように構成し、これらの両検出値に基づいて界磁コイル１６の温度を推定し、この推定した界磁コイル１６の温度をシステム関連温度として検出するようにしている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるからこでは詳しい説明は省略する。

以下、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒート制御動作を、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。

交流発電電動機１の始動性を高めるために、従来より起動準備モードにおいて界磁電流を通電する方式が知られている。そこで、この実施の形態４では、この起動準備モードにおける界磁コイル１６の端子電圧Ｖｆと界磁電流Ｉｆを検出する（Ｓ４１）。そして、その商（Ｖｆ／Ｉｆ）から抵抗値Ｒｆが求まるので、この抵抗値Ｒｆでもって界磁コイル１６の温度を推定する（Ｓ４２）。

そして、この推定した界磁コイル１６の温度が予め設定した基準値Ｔｆ１未満の場合には、主回路のスイッチング素子５を順次所定の通電パルス幅でもってスイッチングすることによりプレヒーティングを行う（Ｓ４４）。このとき、界磁電流を通電したままで主回路のスイッチング素子５のスイッチングを行えば、界磁コイル１６の発熱によりシステム関連温度の上昇が速くなり、プレヒーティング時間の短縮化が図れる。

Ｓ４４のプレヒート後、あるいはＳ４３で推定した界磁コイル１６の温度が基準値Ｔｆ１よりも大きい場合には、エンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動する（Ｓ４５）。

以上のように、この実施の形態４では、システムに温度センサ６を設けなくても、界磁コイル１６の端子電圧と界磁電流とからシステム関連温度を検出してプレヒーティングの要否、プレヒーティング条件を設定することができるので、安価なシステムを構築することができる。また、駆動準備モード時にプレヒートの要否が判断でき、かつ、界磁コイル１６への通電による発熱を利用するため、プレヒート時間の短縮化を図ることができる。

なお、上記の実施の形態４では、界磁コイル１６の温度推定後も界磁電流を通電したままの状態にしてスイッチング素子５をスイッチング制御しているが、これに限らず、例えば、界磁コイル１６の温度推定後は、界磁コイル１６への通電を中止した上で、スイッチング素子５をスイッチング制御すれば、交流発電電動機１の脈動トルクを抑制することができ、トルク伝達系、例えばベルトの伸縮や寿命に対する影響を抑制することができる。

実施の形態５．
上記の実施の形態４では、界磁コイル１６の端子電圧と界磁電流を制御回路４に取り込むように構成し、これらの両検出値に基づいて界磁コイル１６温度を推定し、この推定した界磁コイル１６温度をシステム関連温度として検出するようにしているが、この実施の形態５では、さらにプレヒート制御処理を簡素化するために、起動準備モードにおいて界磁コイル１６に通電する際に、界磁コイル１６の端子電圧を検出するのみでシステム関連温度が所定値以下かどうかの判定を行うようにしている。

以下、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒート制御動作を、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。

起動準備モードにおける界磁コイル１６に通電して、そのときの端子電圧Ｖｆを検出する（Ｓ５１）。そして、この検出した端子電圧Ｖｆが予め設定した基準値Ｖｆ１未満の場合には、主回路のスイッチング素子５を順次所定の通電パルス幅でもってスイッチングすることによりプレヒーティングを行う（Ｓ５３）。このとき、界磁電流を通電したままで主回路のスイッチング素子５のスイッチングを行えば、界磁コイル１６の発熱によりシステム関連温度の上昇が速くなり、プレヒーティング時間の短縮化が図れる。

Ｓ５３のプレヒート後、あるいはＳ５２で界磁コイル１６の端子電圧Ｖｆ１が基準値Ｖｆ１よりも大きい場合には、エンジン始動時にスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動する（Ｓ５４）。

以上のように、この実施の形態５では、起動準備モードにおいて界磁コイル１６に通電する際に、界磁コイル１６の端子電圧を検出するのみでシステム関連温度が所定値以下かどうかの判定を行うようにしているので、実施の形態４に比べてシステム関連温度の検出精度は幾分低下するものの、プレヒート制御処理を簡素化することができる。

なお、上記の実施の形態５では、界磁コイル１６の温度推定後も界磁電流を通電したままの状態にしてスイッチング素子５をスイッチング制御しているが、これに限らず、例えば、界磁コイル１６の温度推定後は、界磁コイル１６への通電を中止した上で、スイッチング素子５をスイッチング制御すれば、交流発電電動機１の脈動トルクを抑制することができ、トルク伝達系、例えばベルトの伸縮や寿命に対する影響を抑制することができる。

実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６において、交流発電電動機にインバータユニットおよび制御回路を装荷した駆動回路一体型の交流発電電動機の構成を示す断面図であり、図１に示した構成と対応する部分には同一の符号を付す。

この実施の形態６における自動車用発電電動機駆動システムの全体構成は、図１に示したものと基本的に同じであるが、この実施の形態６の特徴として、交流発電電動機１にインバータユニット３および制御回路４を搭載した制御基板７が共に装荷されている。そして、この制御基板７には、当該基板７の温度をシステム関連温度として検出する温度検出手段としての温度センサ６が配設されており、この温度センサ６の検出出力が制御回路４に取り込まれるようになっている。

交流発電電動機１に装荷した制御基板７は、交流発電電動機１やインバータユニット３と近接しており、この制御基板７の温度はシステム関連温度との相関が高く、プレヒート可否判断に適している。したがって、制御基板７に温度センサ６を取り付けてその温度を検出することによりシステム関連温度とすることができる。そして、制御回路４は、制御基板７の検出温度が所定値以下の場合にプレヒート制御処理を行う。また、このプレヒート制御処理時において、制御基板７に設けた温度センサ６と制御回路４とは互いに近接しているために外乱ノイズの影響を受けにくくなるという利点も得られる。

なお、図１３において、１は交流発電電動機、１１は固定子、１２は固定子鉄心、１３は電機子コイル、１４は回転子、１５は回転子鉄心、１６は界磁コイル、１７は主軸、１８はプーリである。また、５はインバータユニット３を構成するスイッチング素子である。

以上のように、この実施の形態６では、エンジン始動前の通電によるプレヒートによりシステム関連温度が上昇して始動電流を抑制することが可能となり、その結果、スイッチング素子５を必要以上に大きくする必要が無いこと、また電流検出回路や電流制御回路が不要になることから、スイッチング素子５を含むインバータユニット３がコンパクトになり、交流発電電動機１と一体化し易くなる。さらに、一体化することでプレヒート時の発熱部の集中により各部温度上昇が速やかになり、短時間でプレヒート効果が得られるようになる。

なお、この実施の形態６では、制御基板７に温度センサ６を設けているが、その代わりに、前述の実施の形態４，５のように、界磁コイル１６の端子電圧と界磁電流を検出することにより推定した界磁コイル１６の温度、あるいは界磁コイル１６の端子電圧を検出することにより、プレヒーティングの要否判断を行うようにすることも可能である。

実施の形態７．
この実施の形態７における自動車用発電電動機駆動システムの構成は、図１に示したものと基本的に同じであるが、この実施の形態７の特徴として、制御回路４によるエンジン始動前のプレヒートの要否判断の前提として、初期にキーオンされる場合にのみプレヒートの要否を判断するように構成されていることである。そして、プレヒートが必要と判断した場合には、実施の形態１〜５で示したいずれかの制御処理によってプレヒートを行う。

すなわち、アイドリングストップシステムにおいては、キーオンのままエンジン停止を行うが、この場合、各電気回路部品は十分に温まっており、したがって、再始動時にシステム関連温度を検出してプレヒートの要否を判断せずに１８０度通電制御方式による駆動を行ってもスイッチング素子５を流れる電流は許容値以下に抑制することができる。

そこで、図１４のフローチャートに示すように、制御回路４は、まず、初期にキーオンされたか否かを判断し（Ｓ７１）、初期にキーオンされた場合にのみ、エンジン始動前のプレヒートの要否を判断する（Ｓ７３）。そして、プレヒートが必要と判断した場合には、実施の形態１〜５で示したいずれかの内容によってプレヒーティングを行う。

これに対して、Ｓ７１でアイドリングストップ等によるキーオン状態の場合は、プレヒートの要否判断を行わずに直ちにスイッチング素子５を電気角で略１８０度区間通電することにより交流発電電動機１を駆動してエンジン始動を行う（Ｓ７２）。これにより、速やかにアイドリングストップ後の始動を行うことができる。

本発明の実施の形態１における自動車用発電電動機駆動システムの全体を示す構成図である。同システムにおいてエンジン始動前のプレヒート動作の説明に供するフローチャートである。同システムにおいて２相通電によりプレヒートする場合の電流の流れの一例を示す回路図である。同システムにおいて２相通電によりプレヒートする場合の２相通電電流の一例を示す波形図である。同システムにおいて３相通電によりプレヒートを行う場合の電流の流れの一例を示す回路図である。同システムにおいて３相通電によりプレヒートを行う場合の３相通電電流の一例を示す波形図である。同システムにおいて２相通電によりプレヒートを行う場合のその他の２相通電電流の一例を示す波形図である。本発明の実施の形態２におけるエンジン始動前のプレヒート動作の説明に供するフローチャートである。図８に示すフローチャートに基づいて通電パルス幅を変更してプレヒートを行う場合の２相通電電流の一例を示す波形図である。本発明の実施形態３におけるエンジン始動前のプレヒート動作の説明に供するフローチャートである。本発明の実施形態４におけるエンジン始動前のプレヒート動作の説明に供するフローチャートである。本発明の実施形態５におけるエンジン始動前のプレヒート動作の説明に供するフローチャートである。本発明の実施形態６において、交流発電電動機にインバータユニットおよび制御回路を装荷した場合の駆動回路一体型交流発電電動機の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態７において制御回路の初期キーオンの有無による処理判断を示すフローチャートである。

符号の説明

１交流発電電動機、２バッテリ、３インバータユニット、
４制御回路（プレヒート制御手段）、５スイッチング素子、
６温度センサ（温度検出手段）、７制御基板、１３電機子コイル、
１６界磁コイル。

Claims

エンジンと動力を授受する交流発電電動機と、上記交流発電電動機とバッテリとの間の電流をスイッチング制御する複数のスイッチング素子を有するインバータユニットを備え、エンジン始動時に上記スイッチング素子を電気角で略１８０度区間通電することにより上記交流発電電動機を駆動する通電制御方式を採用したシステムであって、上記交流発電電動機周辺のシステム関連温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出される温度が予め設定された基準温度よりも低い場合にはエンジン始動前に上記スイッチング素子を最大電流が所定値を越えない範囲でスイッチングしてプレヒートするプレヒート制御手段と、を備えることを特徴とする自動車用交流発電電動機駆動システム。
上記プレヒート制御手段は、上記スイッチング素子の許容電流を越えないように、バッテリ、配線、インバータユニット、および交流発電電動機のシステム回路に応じて当該素子をスイッチングする通電パルス幅を予め設定し、この通電パルス幅でスイッチング素子をスイッチングするものであることを特徴とする請求項１記載の自動車用交流発電電動機駆動システム。
上記プレヒート制御手段は、上記スイッチング素子の許容電流を越えないように上記システム関連温度に応じた複数の基準温度が予め設定されており、これらの各基準温度に対して上記温度検出手段で検出される温度の高低に応じて通電パルス幅を変更するものであることを特徴とする請求項２記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記温度検出手段で検出される温度の高低に応じて通電パルス幅を変更する代わりに、検出温度の値によって上記プレヒート時間を変更するものであることを特徴とする請求項３記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記温度検出手段は、界磁コイルの端子電圧と界磁電流の両検出値に基づいて推定した界磁コイル温度をシステム関連温度として検出するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記温度検出手段は、界磁コイルの通電時の端子電圧に基づいて推定した界磁コイル温度をシステム関連温度として検出するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記プレヒート手段は、上記温度検出手段で検出される上記システム関連温度が予め設定された基準値よりも小さい場合には、上記界磁コイルへの通電を継続したまま、上記スイッチング素子をスイッチングしてプレヒートするものであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記プレヒート手段は、上記温度検出手段で検出される上記システム関連温度が予め設定された基準値よりも小さい場合には、上記界磁コイルへの通電を停止した後、上記スイッチング素子をスイッチングしてプレヒートするものであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記交流発電電動機には、上記インバータユニットおよびその制御回路が装荷されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記温度検出手段は、上記制御基板の温度をシステム関連温度として検出するものであることを特徴とする請求項９記載の自動車用発電電動機駆動システム。
上記プレヒート手段は、初期キーオンされる場合にのみ、エンジン始動前にプレヒートの要否を判断するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の自動車用交流発電電動機駆動システム。