JPH11510584A - 内燃機関の始動の信頼性を増大させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の対象は、搭載電源内に配置された充電可能なスタータ電池を有する内燃機関の始動の信頼性を増大させるための方法である。更なる蓄積電池（５）から充電電流がスタータ電池（１）内に供給されるようにし、当該の充電電流の供給は、少なくとも内燃機関（４）のスタートに必要なチャージが蓄積されるまでなされるようにしたのである。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関の始動の信頼性を増大させる方法及び装置 本発明はメインクレームの上位概念による充電可能なスタータ電池を有する内 燃機関の始動の信頼性を増大させる方法及び装置に関する。 自動車（又は１次的に内燃機関からエネルギの供給を受ける他のシステム）で は、内燃機関のスタータ電池は、動作性能の信頼性確保のための最重要な前提条 件の１つである。通常内燃機関は、電気スタータにより、スタートされ、該電気 スタータは、スタータ電池からスタート過程に対するエネルギを取得する。スタ ータは、所定の最小回転数のもとで内燃機関を回転させ得るトルクを短時間生じ させなければならない。このために、スタータを通って、十分な大きな電流が流 れ、十分高い電圧が現れなければならない。スタータ電池が著しくコールド状態 にあり、部分的に放電又は著しく老化した場合、電池の内部抵抗が次のような高 さになり得る、即ち、電流と、電圧がスタート過程を確保するのに十分な程度に は得られない程の高さになる得る。 内燃機関のスタートに使用する電池、以下、スタータ電池と称する、は、でき るだけ高いスタート性能を確保するためわずかな内部抵抗（即ち、高い出力、電 力密度と同義）に設計される。内部抵抗と、電池温度、電池の充電状態、電池の 老化状態との関係が図１〜図３に示してある。電池の設計は、通常、次のように 行われる、即ち、完全充電された電池が、所定の下限の温度まで、スタート性能 を有するように電池の設計は行われる。このことは、先ず、第１に、当該の温度 のもとでの最大許容内部抵抗に相応する。図１〜図３から明らかなように、電池 の放電又は老化により内部抵抗が高められる、換言すれば、スタート性能は、比 較的低くない温度までしか確保されない。 （電池を有する）従来搭載電源において、同時に電池により給電される他の負 荷の作動条件により、スタータ電池の部分的な放電を原則的に回避できない。亦 、電池老化−これは、（殊にエネルギ密度ないし耐用寿命向けでなく、電力密度 向けに設計された電池の場合）電池の放電／充電サイクルにより加速される−も 不可避である。電池の当該の特性に基づき、内燃機関のスタートが所定の条件下 ではもはや可能でない。更に内燃機関は、低温度下では、スタータにより送出さ れるべきトルク及び回転数に対して一層より高い要求を課するので、著しく温度 の低下する季節ではスタート過程は、屡々予想外に失敗する。 電流送出を改善するため低温度のもとでスタータ電池を加熱することが公知で ある（ＷＯ９３／１３５６８）。成る程、電池の内部抵抗を低下させることがで きることはできるが、電池のチャージが過度に小である場合、内燃機関をもはや スタートできない。電池加熱のための電流は自らそれ自体から取出されるので加 熱により達成される改善された電流送出は、加熱電流の取出の際の電池放電によ り部分的に再びキャンセルされる。 搭載電源にて、本来のスタータ電池のほかに、さらなる電池、以下蓄積電池と 称されるものを設け、該電池は、わずかな内部抵抗向けに設計されるのではなく 、高いエネルギ密度ないし長い耐用寿命向けに設計するのが好ましい、好適であ る。スタータ電池には有利には次のような負荷が接続される、即ち、短時間高い 電流を必要とする（大出力の短時間負荷）が必ずしも電池から大きいエネルギを 取出すことのない負荷が接続される。蓄積電池には、有利には次のような負荷を 接続すべきである、即ち寧ろ、安定した電圧を必要とする（制御機器、情報電子 回路）又は比較的長い時間に亘って、寧ろわずかな電流（内燃機関により駆動さ れるゼネレータの作動なしで）を供給されるべき負荷を接続すべきである。 そのような搭載電源では、有利に、スタート過程中２つの電池が実質的に相互 に減結合されており、一方ではスタータにスタータ電池の完全な電流送出性能を 付与し、他方では、その際生じるスタータ電池の電圧ディップを、蓄積電池に接 続された制御機器及び補助 電圧給電部に起こさせないものである。従って、老化した、又は、深く、ないし 、低く放電された電池の場合、内燃機関の可能性のあるスタート失敗に対して、 ただ１つの電池を有する搭載電池におけると同じことが成立ち、このことは、ス タータ電池の放電が負荷−マネージメントを用いて他の負荷により部分的に回避 され得る場合でも成立つ。 ＤＥ−Ｃ１４１３８９４３にて開示されている装置では、１つのスタータ電池 が１つの蓄積電池から充電電流を供給され、その結果スタータ電池における内燃 機関のスタートに必要なチャージが取得可能である。ここで、スタータ電池は蓄 積電池により永久的に高いチャージレベルに保持される。 本発明の基礎をなす課題とするところは、低温度のもとでも、充電可能なスタ ータ電池を以て内燃機関のスタートにとって十分なエネルギないし能率の取得、 生成を行うための方法及び装置を提供することにある。能率は、スタータ電流の 送出中スタートに対する十分高い電圧レベルで表される。 前記課題は、本発明によれば冒頭に述べた形式の方法において次のようにして 解決される、即ち、スタート過程失敗後、前記蓄積電池は、充電電流をスタータ 電池内に供給し、当該の充電電流の供給は、少なくとも内燃機関のスタートに必 要なチャージが現われ、存在するまでなされるように構成されているのである。 無駄なスタート試行の後、スタータ電池、バッテリーが内燃機関のスタートに必 要なチャージに達すると初めて、内燃機関は、スタータを用いてスタートされる 。チャージの大きさは、内燃機関ごとに異なる。 有利には、スタータ電池は、スタータにより必要とされる電流に比して小さな 電流で充電される。そのようにして、スタータ電池及び更なる電池、即ち、蓄積 電池は損傷されないように保護される、それというのは殊に、蓄積電池は、当然 高いスタータ電流向きには設計されていないからである。 蓄積電池からのスタータ電池の充電後、スタータ電池は、前より遥かに低い内 部抵抗を呈する。スタータ電池は、通常はスタート過程を首尾良く実施できる。 それでも、内燃機関がスタートしない場合には、蓄積電池には、第２のスタート 試行の前に回復ポーズ、休止期間、例えば、２０ｓｅｃが付与される。蓄積電池 による２回の充電の後のそのようなスタート試行の必要性は、蓄積電池の明らか な老化を示唆するものであり、そして、スタータ電池を新しいものと交換しなけ ればならないことを指示する、例えば、運転者への指示信号により行う。 前記課題を解決する本発明の装置によれば、搭載電源にて、蓄積電池及びスタ ータ電池と接続可能な電力変換器が設けられており、該電力変換器は、蓄積電池 の電圧をスタータ電池の充電電圧へ変換する。殊に、 被制御充電電流をスタータ電池内に供給する電力変換器は、所定の時間中わずか な電流での充電を行わせる。殊に、一定のチャージ電流のもとでのスタータ電池 のチャージ時間が設定される。蓄積電池のチャージ電流及び容量は次のように選 定されている、即ち、蓄積電池がチャージをそれの他の役割を損なうことなく、 スタータ電池に送出し得るように選定されている。 次に図示の実施例に即して本発明を詳述し、これから更なる詳細及び利点が明 らかにされる。 図は次の通りである。 図１は、電池、バッテリー温度をパラメータとしたときの放電度に依存した、 充電可能な電池に典型的な内部抵抗の変化の様子を示す特性図である。 図２は、電池年齢の関数としての電池の交流抵抗の時間変化を示す特性図であ る。 図３は、新しい、及び老化した電池における放電度の関数としての車両用バッ テリの内部抵抗の特性図である。 図４は、搭載電源のスタータ電池及び蓄積電池を有する、内燃機関のスタート にとって十分なエネルギを生成するための装置の概念図である。 図５ａ，ｂ，ｃ及びｄは、電池の４つの異なるチャージ状態における充電可能 な電池の或１つの部分領域の断面図である。 図６は、充電及び放電期間と、スタータ電池の電圧 との関係を示す特性図である。 電池内部抵抗ｒ１，即ち、交流抵抗を図１中放電度ｑ（定電流放電の場合）に 依存してΩで表わして示す。パラメータは温度である。内部抵抗は、放電抵抗の 増大及び温度の低下と共に増大する。このことから明になるところによれば、電 流送出性能が、高い放電のもとにおいてのみならず、わずかな温度のもとでも損 なわれる。図２は、相対的交流抵抗、即ち、種々の６００Ａｈ電池に対して年数 で表される電池の年齢に依存しての、新たな電池の抵抗に関連付けての抵抗の比 を示す。そこにて、電池が初期容量の５０％を有する点がマーキングされている 。 図３には、新しい及び老化した電池における放電度に依存しての車両用バッテ リの内部抵抗ｒ_Iを示す。 電池を用いての、内燃機関のスタートに十分なエネルギ及び能率の生成のため の装置が図４に示してあるあ。図４の装置は、スタータ電池１を有し、該スター タ電池は、スイッチ２を介してスタータ３に接続されている。該スタータ３には 、内燃機関４が詳細に示してない連結体を介して接続されており、該連結体は、 内燃機関４の動作中開いている。 スタータ電池１は、例えば、陸上車両、船舶、又は航空機の搭載電源にて、又 は内燃機関４のスタートのための給電源においても設けられ、相応して、即ち電 力密度及び高い電流密度向けに設計されている。更に 、搭載電源内に蓄積電池５が設けられており、該蓄積電池５は、他の負荷、例え ば、制御機器、ランプ、情報電子回路、ポンプ等々に給電する、蓄積電池はエネ ルギ密度及び耐用寿命に関して最適化されている。 蓄積電池は、２つの極を有するスイッチ６を介して、電力変換器７に接続され ており、該電力変換器７は、出力側にてスイッチの第２極を介してスタータ電池 １に接続されている。 スイッチ６は、制御モジュール８により、作動可能であり、該制御モジュール は、キースイッチ９を用いて作動される。代替選択的に制御モジュールは、適当 なスタート識別１０、例えば電圧測定１１及び回転数測定１２に基づいて測定さ れる。 電力変換器７は、スイッチ６が閉じられている場合スタータ電池１に一定電流 を送出する、制御モジュール８は、所定の時間スイッチを投入、オンし、その結 果所定のチャージ量が次のような場合、スタータ電池１内に供給される、即ち、 例えば、スイッチ２を閉じる点火キーの作動の際、内燃機関３が作動されない場 合スタータ電池１内に供給される。スタータ電池１内に供給されるチャージ量は 、内燃機関のエネルギ消費量に調整されている。スタータは、不都合な条件下で の内燃機関のスタートのため、ほぼ３ｓの時間中ほぼ３００Ａの電流、即ち、ほ ぼ９００Ａｓの電荷のチャーシ（この値は内燃機関の大きさと種類に依存する） を必要とする。そのような電荷チャージはスタータ電池により第一のスタート試 行の場合、得られず、又は、不十分な電圧状態でしか得られなかった。スタータ 電池１には小さな電流でのチャージ過程により、例えば６０ｓの期間中１５Ａ又 は９０ｓの期間中１０Ａにより、まさに当該のチャージ量が蓄積電池から供給さ れる。蓄積電池のチャージ電流及び容量は次のように選定されている、即ち、蓄 積電池が当該のチャージをそれの他の役割機能を損なうことなく送出できるよう に選定されている。 わずかな電流でのスタート電池の短時間の充電の動作を図５ａ，ｂ，ｃ，ｄを 用いて説明する。 図５は、電池電極における気孔質の鉛板と酸との界面を略示する。図５ａは、 完全充電した電池の放電の場合の電流路を示す；鉛格子に比しての比較的高い比 抵抗に基づき孔の外端にて電流移行が行われ、抵抗は比較的わずかである。図５ ｂは、部分放電された電池の放電の際の電流経路を示す。これまでの電流貫通の 領域での放電により生じた硫酸化物−ないし硫酸化塩−膜は、絶縁作用をし、そ の結果高抵抗性の酸における電流路は益々延長される；従って、電気抵抗は放電 増大と共に増大する。図５ｃは、部分放電された電池の再充電の際の電流路を示 す。電流方向の反転により、再び孔の、抵抗的に一層より有利な外端での電流移 行が可能になる。電池抵抗は遥かに一層より小さい値 へ低下する。図５ｄは、そのように部分的再充電された電池の放電の際の電流経 路を示す；低い抵抗は次のような状態生起まで保持される、即ち、新たに取出さ れたチャージにより外部孔領域における硫酸化物−ないし硫酸化塩−ギャップが 再び閉じられるまで保持される。 このことは、近似的に次のような状態生起まで成り立つ、即ち、新たに取出さ れたチャージが先に供給されたチャージ量に相当するまで成り立つ。 前述の硫酸化物−ないし硫酸化塩−膜生成及び分解のメカニズムのほかに付加 的に、次のような事項も抵抗低減作用に寄与をする、即ち、チャージ電流により 、後続の放電に対する反応個所にて直接的にすべての化学的反応体が準備的に生 成され、そのために、電圧低下ないし電圧降下を生じさせる拡散プロセスが必要 でないという事項も抵抗低減作用に寄与をする。逆に物質材料濃度は、次のよう に調整セッティングされる、即ち、電池の内部電圧の増大も得られるように調整 セッティングされる。当該の効果は数分で（減衰時定数）減衰するので、再充電 は、有利には、短時間高電流放電の前に行なわれるべきである。 ２つのそのような中間チャージパルスへの測定された電圧応答及び引き続いて の放電の様子を図６に示してある。電流Ｉは一定電流ｉ＝０．４で放電され；電 流ｉ＝０．４でチャージされ、次いで、時点６ｍｉｎ まで電流ｉ＝０．４で放電される。時点４ｍｉｎにて中間チャージのチャージバ ランスがとられている；電池は丁度まさに当該の時点まで、比較的小さい内部抵 抗に相応する比較的高い電圧状態を呈する。同じことは時点６ｍｉｎ〜１０ｍｉ ｎに対して成立つ、但しここで、チャージ電流、ひいては比較的高い電圧状態が 後続の放電の際比較的長期間継続する。 スタータ電池の再充電のシーケンス及び後続する改めてのスタート試行を自動 的に、誤りスタートを識別する制御部により実行できる。 更なる電池に対する等価物として、他のエネルギ源、例えば燃料電池、電源端 子又は電流発生装置等が見なされる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．充電可能なスタータ電池及び蓄積電池を有する内燃機関の始動の信頼性を増 大させる方法であって、前記蓄積電池により、充電電流がスタータ電池内に供給 せしめられ、内燃機関のスタートのため高電流放電が実施されるようにした当該 の方法において 充電電流をスタータ電池（１）の高電流放電前の限られた期間内に供給し、 当該の充電電流の供給は、少なくとも内燃機関のスタートに必要なチャージが蓄 積されるまでなされるようにし、前記の限られた期間を、スタータ電池（１）の 、充電電流により生ぜしめられた内部電圧の増大ないし高まりが未だ完全には減 衰してないように選定することを特徴とする内燃機関の始動の信頼性を増大させ る方法。 ２．スタータ電池（１）は、スタート試行失敗の後蓄積電池（５）から更なる電 流の取出の前に充電されるようにしたことを特徴とする請求の範囲１記載の方法 。 ３．チャージ電流は、内燃機関のスタートに必要な電流より小であるようにした ことを特徴とする請求の範囲１又は２記載の方法。 ４．スタータ電池（１）の充電及び内燃機関のスタート試行失敗後蓄積電池はス タータ電池へチャージ電流を送出しないように短時間阻止されるようにした ことを特徴とする請求の範囲１から３までのうちいずれか１項記載の方法。 ５．内燃機関のスタート試行失敗後メッセージが生ぜしめられるようにしたこと を特徴とする請求の範囲１から４までのうちいずれか１項記載の方法。 ６．充電持続時間は、ほぼ３０ｓｅｃ〜２ｍｉｎであるようにしたことを特徴と する請求の範囲１から５までのうちいずれか１項記載の方法。 ７．スタータ電池の再充電のシーケンス及びそれに後続する改めてのスタート試 行が、自動的に誤りスタート識別（１０）に基づき制御されるようにしたことを 特徴とする請求の範囲１から６までのうちいずれか１項記載の方法。 ８．スタータ電池（１）は、電力変換器（７）を介して蓄積電池（５）と接続可 能であるようにしたことを特徴とする請求の範囲１から７までのいずれか１項又 は複数記項の方法を実施するための装置。 ９．電力変換器（７）は一定電流を出力するように構成されていることを特徴と する請求の範囲８記載の装置。 10．電力変換器（７）は、所定時間蓄積電池をスタータ電池（１、５）と接続す るように構成されていることを特徴とする請求の範囲８又は９記載の装置。 11．蓄積電池の代わりに他のエネルギ源が電流源として設けられていることを特 徴とする請求の範囲８項 から１０項までのうち何れか１項又は複数項記載の装置。