JP4103566B2

JP4103566B2 - 車両用エンジン始動装置

Info

Publication number: JP4103566B2
Application number: JP2002351551A
Authority: JP
Inventors: 良介宇鷹
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: JP2004183560A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン始動および発電を行う電動発電機を有する車両用エンジン始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジン始動と、エンジン始動後の発電とを少なくとも行う電動発電機を装備する車両用エンジン始動装置が公知である。また、エンジンと電動発電機とをクラッチ機構を通じて連結し、電動発電機に補機（たとえばエアコン用コンプレッサ）を連結し、エンジン運転中は発電を行い、エンジン停止状態にて補機を駆動する技術（エンジン停止時補機駆動技術ともいう）も提案されている。
【０００３】
上記したエンジン始動と発電とを一つの交流回転電機で行う技術は、直流モータと発電専用の交流回転電機とを用いる従来の車両用電機系に比較して、回転電機の個数を低減できるとともに、整流子摩耗の心配がないため頻繁なエンジン始動が要求されるアイドルストップ車の信頼性を向上できる。
【０００４】
しかしながら、上記したエンジン始動・発電兼用の交流回転電機（通常同期機）には、エンジン始動に要求される大トルク発生のために、体格重量が従来の発電専用交流回転電機に比較して格段に増大するという問題があった。
【０００５】
これに対して、下記の特許文献１は、エンジン始動に際してクラッチ機構を切り離して電動発電機をある回転数まで回転させてからクラッチ機構を継合してエンジン始動に電動発電機の慣性エネルギーを利用することにより電動発電機の必要トルクを低減し、その小型軽量化を図ることを提案している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−８９４１７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公報のエンジン始動法（以下、慣性始動法とも呼ぶものとする）では、電動発電機の回転数立上げ時間の分だけエンジン始動に要する時間が延長されるため、迅速なエンジン始動を行えないという欠点の他、回転軸対をそれらの静止状態でクラッチ機構を継合できないためクラッチ機構の消耗も問題となるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、エンジン始動に要する時間の延長やクラッチ機構の消耗を抑止しつつ、電動発電機の小型軽量化を実現可能な車両用エンジン始動装置を提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両用エンジン始動装置は、いわゆるアイドルストップ車に好適に適用されるものであり、ロータの回転角を検出する回転角センサを有するとともにエンジンにクラッチ機構を介して双方向動力伝達可能に連結される同期機からなる電動発電機と、直流電源および電気負荷と前記電動発電機との間に配置されて双方向直交電力変換を行うとともに前記電動発電機の電動動作時に前記電動発電機にパルス電圧又は段階的に変化するステップ電圧を印加するインバータ回路と、エンジン始動指令入力時に前記回転角に基づいて前記インバータ回路を制御することにより前記電動発電機の発生トルクを前記クラッチ機構を通じて前記エンジンに伝達して前記エンジンを始動させるエンジン始動動作を行うコントローラとを備える車両用エンジン始動装置において、
前記コントローラが、前記エンジンの始動に際して、予め前記クラッチ機構が切り離された状態で前記ロータを発生トルク最大位置近傍へ回動させておくロータ予備回動動作を前記エンジン始動のための前記クラッチの接続を行う前に実施することを特徴としている。これにより、エンジン始動および発電を行う電動発電機を用いてエンジン始動場合においてエンジン始動に要する時間の延長を防止し、クラッチ機構の消耗を抑止しつつ、電動発電機の小型軽量化を実現することができる。
【００１０】
すなわち、前記電動発電機にパルス電圧又は段階的に変化するステップ電圧を印加する場合、電動トルクの大きさは、ロータの回転角、正確にはロータ磁極位置の変化により周期的に変化することが知られている。たとえば三相同期機では、電気角π／３ごとに発生トルク最大位置点が生じる。
【００１１】
本発明者は、電動発電機がエンジンにクラッチ機構を通じて連結される装置構成においては、エンジン停止状態にてクラッチ機構を切り離して電動発電機を自由に回動できることと、上記電動発電機の周期的なトルク変動現象との組み合わせに着目したものであり、電動発電機の自由回動機能を利用してエンジン始動前に電動発電機を上記周期的変動における発生トルク最大位置に予め回動しておくことにより、その後のエンジン始動に際して電動発電機のトルクすなわちエンジン始動トルクを最大とすることができるのでその分だけ電動発電機を小型化でき、更に上記慣性始動を行わないためクラッチ機構の摩耗も低減することができる。
【００１２】
好適態様において、前記電動発電機は、前記クラッチ機構を介さずに所定の補機に連結され、前記コントローラは、前記エンジン始動指令入力時に前記電動発電機が前記補機を駆動している場合に前記ロータ予備回動動作を実施することなく前記エンジン始動動作を実施することを特徴としている。
【００１３】
これにより、たとえばエンジン停止時に補機（通常はエアコン用コンプレッサ）駆動を行うアイドルストップ車用のエンジン始動・発電・独立補機駆動機能をもつ電動発電機装置において、電動発電機が補機駆動している場合にはロータ予備回動動作を行うことなく自己の慣性エネルギーを利用してただちにエンジン始動を行うことができ、エンジン始動指令入力後にわざわざロータ予備回動動作を行うことによりエンジン始動に要する時間が長くなるという不具合を解消することができ、結局、電動発電機が停止している場合も補機駆動している場合も小型の電動発電機により速やかなエンジン始動を実現することができる。
【００１７】
好適態様において、前記コントローラは、前記予備回動により、前記電動発電機のロータを最大トルク位置ー１０度〜最大トルク位置＋１０度の範囲に回動させる。これにより、電動発電機が発生するエンジン始動トルクを良好に増大させることができる。
【００１８】
好適態様において、前記電動発電機は、三相同期機からなり、前記エンジン始動の少なくとも初期に前記インバータ回路を１２０度通電制御し、前記エンジン回転数が所定値を超えれば前記インバータ回路を１８０度通電制御する。
【００１９】
同期機は、１２０度通電制御される場合に起動トルクが最大となるが、高速時のトルクは１８０度通電もしくは正弦波通電により制制御される場合の方が大きい。したがって、この態様によれば、エンジン始動開始時点のトルクすなわち起動トルクを向上するとともに、エンジン始動によりエンジン回転数が上昇した後のエンジン回転数の増加を速やかとして（吹き上がりを改善して）、エンジン始動に要する時間を一層短縮することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の車両用エンジン始動装置の好適実施態様を図１に示すブロック図を参照して以下に説明する。
【００２１】
（全体構成の説明）
図１において、１はエンジン、２は電動発電機、３は回転角センサ、４はバッテリ、５は電気負荷、６はインバータ回路、７はクラッチ機構、８はコントローラ、９はベルト、１０はエアコン用コンプレッサ（補機）である。
【００２２】
エンジン１は、エンジンプーリに内蔵されるクラッチ機構７を通じてエンジンプーリに連結され、エンジンプーリは、電動発電機２およびエアコン用コンプレッサ（補機）１０の回転軸にそれぞれ固定されたプーリとベルト９により連結されている。
【００２３】
電動発電機２は、三相同期機からなり、インバータ回路６を通じてバッテリ４と電力を授受するとともに電動発電機２に給電している。
【００２４】
インバータ回路６は、電動発電機２とバッテリ４とを双方向直交電力変換可能に接続し、電動発電機２の電動動作においてバッテリ４から給電される直流電力を三相交流電力に変換して電動発電機２に給電し、電動発電機２の発電動作において電動発電機２が発電した三相交流電力を三相全波整流してバッテリ４および電気負荷５に供給する。なお、この実施例では、インバータ回路６は、三相インバータ回路であって、３つの上アームと３つの下アームを有し、各アームはスイッチング素子およびそれと逆並列接続されたダイオードからなる。MOSトランジスタを用いる場合にはスイッチング素子はダイオードを兼ねることができるｔｈコントローラ８は、電動発電機２の電動動作時に回転角センサ３が出力する回転角信号に基づいてインバータ回路６の各アームを構成するスイッチング素子を断続制御するとともに、クラッチ機構７を構成する電磁クラッチの離合を制御する。
【００２５】
上記した車両用エンジン始動装置は周知の構成であり、これ以上の詳細説明は省略する。
【００２６】
図１に示す車両用エンジン始動装置の電気回路系を図２に示す。図２において、２ａは電動発電機２のロータ、２ｂは電動発電機２のステータコイルを構成する３つの相コイルである。
【００２７】
電動発電機２のトルク変動現象を図３に図示する。電動発電機２の三相のステータコイルに正弦波を通電する正弦波通電制御（図４参照）を行う場合には、電動トルクの周期変動はほとんど生じないが、１２０度通電制御（図６参照）や１８０度通電制御（図５参照）を行う場合には、電気角６０度周期でトルクリップルが生じる。このトルクリップルの原因は、これら１２０度通電制御や１８０度通電制御では印加電圧波形が正弦波から相当に歪んでいるために、この歪みに対応してトルクが変動するためである。
【００２８】
（同期電動機のトルク脈動の説明）
次に、各通電制御方式の違いによるモータ起動時の起動トルクの違いについて図７〜図１２を参照して以下に説明する。なお、図７〜図１２は、U相ベクトル電圧を紙面上下方向としたU、V、W座標系における各相のベクトル電圧およびそれらの合成ベクトル電圧を示す。U、V、W座標軸上の矢印記号と同じ向きのベクトル電圧を正方向の電圧値をもつとし、逆向きのベクトル電圧は負方向の電圧値をもつものとする。各ベクトル電圧の長さは電圧の大きさを示し、各ベクトル電圧近傍に記載する数字はそのベクトル電圧の大きさを示し、太字で記載する数字は三相合成ベクトル電圧の大きさを示す。
【００２９】
図７〜図９はそれぞれ、左から順にロータが電気角度０度、３０度、６０度、９０度の位置にある場合の各相のベクトル電圧およびそれらの合成ベクトル電圧を示し、図１０〜図１２はそれぞれ、左から順にロータが電気角度０度、１５度、３０度の位置にある場合の合成ベクトル電圧(実線で示す)およびこの合成ベクトル電圧を所定位相の軸線に投影した投影ベクトル電圧(破線で示す)を示す。
【００３０】
この所定位相の軸線とは、電動機の発生トルクが最大となるような通電位相をもつ軸線であり、図中では一点鎖線で示す。実際には、この通電位相は電流や回転子仕様等の条件により多少変化するが、ここでは簡単に回転子の主磁束よりも電気角度９０度進んだ位相であると仮定する。
【００３１】
図７は、正弦波通電制御を行う場合における相ベクトル電圧および合成ベクトル電圧を示す。正弦波通電制御では、合成ベクトル電圧は常に同じ大きさで連続的に回転子位置に追従して回転する。
【００３２】
図８は、１８０度通電制御を行う場合における相ベクトル電圧および合成ベクトル電圧を示す。１８０度通電制御では、正弦波通電制御のそれと等しい大きさの合成ベクトル電圧が電気角６０度間隔で断続的に回転子位置に追従して回転する（切り替わる）。
【００３３】
図９は、１２０度通電制御を行う場合における相ベクトル電圧および合成ベクトル電圧の変化を示す。１２０度通電制御では、正弦波通電制御や１８０度通電制御よりも合成ベクトル電圧の大きさは大きくなるが、その位相は１８０度通電と同様に６０度間隔で断続的に回転子位置に追従して回転する（切り替わる）。
【００３４】
図１０は、正弦波通電制御における合成ベクトル電圧とロータとの位相関係を示す。ロータは合成ベクトル電圧に対して常に同期回転しているため、回転子の位相(回転位置)に関わらず常に一定のトルクが発生する。
【００３５】
図１１は、１８０度通電制御における合成ベクトル電圧とロータとの位相関係を示す。上述したように１８０度通電制御では合成ベクトル電圧の位相が段階的に切り替わるために、たとえば電気角０度や１５度では、合成ベクトル電圧位相とロータ位相とがずれてしまい、合成ベクトル電圧のうち一点鎖線上に投影したベクトル成分（トルク発生する電圧成分）は、小さくなり、結局、トルクはロータの回転に応じて電気角６０度周期で変動する。
【００３６】
図１２は、１２０度通電制御における合成ベクトル電圧とロータとの位相関係を示す。上述したように１２０度通電制御でも合成ベクトル電圧の位相が段階的に切り替わるために、たとえば電気角１５度や３０度では、合成ベクトル電圧位相とロータ位相とがずれてしまい、合成ベクトル電圧のうち一点鎖線上に投影したベクトル成分（トルク発生する電圧成分）は、小さくなり、結局、トルクはロータの回転に応じて電気角６０度周期で変動する。
【００３７】
なお、図３に示すように、１２０度通電制御における最大トルクは１８０度通電制御における最大トルクよりも約１５％大きくなる。したがって、エンジン始動開始時点では、１２０度通電制御を採用することが好ましい。ただし、これにもかかわらず、１８０度通電制御が通常採用されているのは、１８０度通電制御は１２０度通電制御よりも有効平均電圧が高くなるためである。
【００３８】
（エンジン始動制御の説明）
次に、上記説明したこの実施例の車両用エンジン始動装置の制御例を図１３に示すフローチャートを参照して以下に説明する。
【００３９】
まず、回転角センサ３からの入力信号により電動発電機２が回転中かどうかを判定し（S１００）、回転中であればクラッチ機構７に継合を指令し（S１０２）、通常の通電制御方法により電動発電機２を電流制御駆動してエンジン１を始動し（S１０４）、エンジン回転数又は電動発電機２の回転数が所定値に達したらエンジン始動完了と判定して（S１０５）、このエンジン始動制御を終了する。電動発電機２が回転中であるということは、通常、電動発電機２がエアコン用コンプレッサ（補機）１０を駆動中であることを意味している。この場合には、電動発電機２は、自己の慣性エネルギー（運動エネルギー）も用いてエンジン始動を行うため、たとえ発生トルクが多少小さくても問題なくエンジンを始動することができる。
【００４０】
次に、ステップS１００においてエンジン１が停止中と判定した場合には、回転角センサ３からの入力信号に基づいてロータ回転位置が予め記憶する最大トルク発生位置近傍（その前後に電気角で＋／ー１０度の範囲内）かどうかを判定し（S１０６）、そうでなければ現在のロータ回転位置を読み込み（S１０８）、この現在のロータ回転位置に最も近い（又は所定の）最大トルク発生位置との間の位相差を算出し（S１１０）、この位相差を減らす方向へロータを回動させるべく、電動発電機２のステータコイルに所定時間通電を行い（S１１２）、ステップS１０６にリターンするルーチンを繰り返して、ロータ回転位置を上記最大トルク発生位置近傍とする。
【００４１】
ステップS１０６において、ロータ回転位置が予め記憶する最大トルク発生位置近傍となったら、ステップS１１４に進んでクラッチ機構７に継合を指令し（S１１４）、ロータ回転数が所定値を超えたかどうかを判定し（S１１６）、超えていなければ１２０度通電制御により電動発電機２を起動し（S１１８）、ステップS１１６にリターンする。ステップS１１６において、ロータ回転数が所定値を超えれば、１８０度通電制御に切り替えて電動発電機２を駆動し（S１２０）、ステップS１０５に進む。
【００４２】
（変形態様）
上記実施例の変形態様を図１４に示す。
【００４３】
この変形態様では、クラッチ機構７は、電動発電機２のプーリに内蔵される。この場合においても上記と同様の作用効果を奏することができる。
【００４４】
（変形態様）
上記実施例の変形態様を図１５に示す。
【００４５】
この変形態様では、クラッチ機構７は、電動発電機２のプーリに内蔵され（もしくは電動発電機プーリと電動発電機２の回転軸との間に配置され）、かつ、補機１０が省略されている。この場合においても上記と同様の作用効果を奏することができる。なお、この変形態様において、電動発電機２の回転軸に補機を直結することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用エンジン始動装置の好適実施態様を示すブロック図である。
【図２】図１に示す車両用エンジン始動装置の電気回路の要部を示す回路図である。
【図３】電動発電機のトルク変動現象示すタイミングチャートである。
【図４】電動発電機の三相のステータコイルに正弦波を通電する正弦波通電制御を示すタイミングチャートである。
【図５】電動発電機を１２０度通電制御する場合の各相電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図６】電動発電機を１８０度通電制御する場合の各相電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図７】正弦波通電制御における各相のベクトル電圧およびそれらの合成ベクトル電圧を示すベクトル図である。
【図８】１８０度通電制御における各相のベクトル電圧およびそれらの合成ベクトル電圧を示すベクトル図である。
【図９】１２０度通電制御における各相のベクトル電圧およびそれらの合成ベクトル電圧を示すベクトル図である。
【図１０】正弦波通電制御における合成ベクトル電圧とロータとの位相関係を示すベクトル図である。
【図１１】１８０度通電制御における合成ベクトル電圧とロータとの位相関係を示すベクトル図である。
【図１２】１２０度通電制御における合成ベクトル電圧とロータとの位相関係を示すベクトル図である。
【図１３】この実施例におけるエンジン始動制御動作を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の車両用エンジン始動装置の変形態様を示すブロック図である。
【図１５】本発明の車両用エンジン始動装置の変形態様を示すブロック図である。
【符合の説明】
１エンジン
２電動発電機
３回転角センサ
４バッテリ
５電気負荷
６インバータ回路
７クラッチ機構
８コントローラ
９ベルト
１０エアコン用コンプレッサ（補機）

Claims

ロータの回転角を検出する回転角センサを有するとともにエンジンにクラッチ機構を介して双方向動力伝達可能に連結される同期機からなる電動発電機と、
直流電源および電気負荷と前記電動発電機との間に配置されて双方向直交電力変換を行うとともに前記電動発電機の電動動作時に前記電動発電機にパルス電圧又は段階的に変化するステップ電圧を印加するインバータ回路と、
エンジン始動指令入力時に前記回転角に基づいて前記インバータ回路を制御することにより前記電動発電機の発生トルクを前記クラッチ機構を通じて前記エンジンに伝達して前記エンジンを始動させるエンジン始動動作を行うコントローラと、
を備える車両用エンジン始動装置において、
前記コントローラは、
前記エンジンの始動に際して、予め前記クラッチ機構が切り離された状態で前記ロータを発生トルク最大位置近傍へ回動させておくロータ予備回動動作を前記エンジン始動のための前記クラッチの接続を行う前に実施することを特徴とする車両用エンジン始動装置。
請求項１記載の車両用エンジン始動装置において、
前記電動発電機は、前記クラッチ機構を介さずに所定の補機に連結され、
前記コントローラは、
前記エンジン始動指令入力時に前記電動発電機が前記補機を駆動している場合に前記ロータ予備回動動作を実施することなく前記エンジン始動動作を実施することを特徴とする車両用エンジン始動装置。
請求項１記載の車両用エンジン始動装置において、
前記コントローラは、
前記予備回動により、前記電動発電機のロータを発生トルク最大位置ー１０度〜発生トルク最大位置＋１０度の範囲に回動させる車両用エンジン始動装置。
請求項１乃至３のいずれか記載の車両用エンジン始動装置において、
前記電動発電機は、三相同期機からなり、
前記コントローラは、
前記エンジン始動の少なくとも初期に前記インバータ回路を１２０度通電制御し、前記エンジン回転数が所定値を超えれば前記インバータ回路を１８０度通電もしくは正弦波通電により制御する車両用エンジン始動装置。