JP4161081B2 - 制御装置一体型発電電動機 - Google Patents

Description

この発明は、車両に搭載される制御装置一体型発電電動機に関するものである。

近年、地球温暖化防止を背景にＣＯ２の排出量削減が求められている。自動車におけるＣＯ２の削減は、燃費性能の向上を意味しており、その解決策の一つとして、車両停止時のアイドリングストップ、減速走行中のエネルギー回生等がある。これを実現するために、始動電動機と充電発電機とを一体化した車両用発電電動機が提案されている。この従来の車両用発電機電動機では、車両の自動アイドルストップ後、インバータを接続した発電電動機により再始動することができる。

さらに、発電電動機のアイドルストップ制御に関して、エンジンの自動停止動作後のエンジンの再始動動作により、インバータの各スイッチング素子の温度が許容温度レベルを超えると思われる場合には、たとえエンジンの自動停止動作を行なう条件が整ったとしてもエンジンの自動停止動作を禁止して、エンジンの運転を持続させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、エンジンの自動停止動作後のエンジンの再始動動作により、インバータの各スイッチング素子の温度が許容温度レベルを超えると思われる場合には、その後のエンジンの再始動動作を回避するので、エンジンの再始動動作時にスイッチング素子が許容できない高温状態になることが防止される。

特開２００４−１５６５８９号公報

しかし、上記の従来技術のように、インバータの各スイッチング素子の温度が許容温度レベルを超えると思われる場合には、たとえエンジンの自動停止動作を行なう条件が整ったとしてもエンジンの自動停止動作を禁止して、エンジンの運転を持続させるということは、少なくとも、エンジンの自動停止動作を禁止している期間中は燃費が悪化してしまうことになる。そして、夏場にはこのような状況が頻繁に発生する可能性があり、燃費の悪化や排気ガスの増加が少なからず起こるという問題がある。

また、発電電動機の軸方向端面あるいは外周にインバータ等を一体に設けた制御装置一体型発電電動機においては、エンジンの自動停止動作前の発電動作時に、一般的に最も高温になる電機子巻線からの熱伝導等による受熱があること、エンジンの自動停止動作に伴って発電電動機自身のファンによる強制冷却作用が無くなってしまうことにより、アイドルストップによるエンジンの自動停止動作直後からインバータのスイッチング素子の温度が上昇するという特異な現象が発生する。そこで、上記従来技術をこの制御装置一体型発電電動機に適用する場合、このスイッチング素子の特異な温度上昇があるため、エンジンの自動停止動作後のエンジンの再始動動作によりスイッチング素子の温度が許容温度レベルを超えるかどうかという判定が難しい。たとえ、上記判定が可能になった場合でも、スイッチング素子の温度が許容温度レベルを超えると判定する回数が確実に増加するので、エンジンの自動停止動作を禁止する回数が増えてしまい、結局、燃費の悪化や排気ガスの増加という不具合をさらに増幅させてしまうという問題がある。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、アイドルストップによるエンジンの自動停止動作後の再始動動作時に、スイッチング素子温度が最大許容温度を超えることのないように、発電動作時の発電出力または再始動動作時にスイッチング素子に流す電流を制限して固定設定するか、あるいは低減制御することによって、アイドルストップを禁止する回数の増加を抑えて、燃費の向上や排気ガスの減少を促進する制御装置一体型発電電動機を得ることを目的とする。

この発明による制御装置一体型発電電動機は、電機子巻線を有する電機子と回転子とを有し、エンジンと動力授受を行なう発電電動機と、前記発電電動機の外周または軸方向端面に一体的に取り付けられ、複数のスイッチング素子および該スイッチング素子に接続されたヒートシンクを有するインバータ、車両側のアイドルストップ制御部からの指令信号により前記インバータを制御する制御回路、および前記ヒートシンクに取り付けられて前記スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子温度検出手段を有し、前記発電電動機とバッテリとの間で電力を双方向に直流−交流変換することによりエンジンの始動動作およびバッテリへの充電動作を行う制御装置と、を有する。
そして、前記制御回路は、前記発電電動機の発電動作時の全期間において、直ちにエンジンの自動停止動作が行われることを想定して、前記発電電動機の発電動作中に、前記温度センサの出力から前記スイッチング素子の温度（Ｔ）を得て、雰囲気温度、発電動作中の発電電流値、およびエンジン回転数或いは発電電動機回転数の回転数を得て、得られた雰囲気温度に対応する発電動作時の発電電流値をパラメータとした該回転数とスイッチング素子の温度上昇度との関係を表すマップ、または近似式に、得られた発電電流値および該回転数を入力して前記エンジンの自動停止動作後の前記スイッチング素子の温度上昇値（ΔＴ１）を算出し、前記エンジンの再始動時に前記スイッチング素子に流れる始動電流値をトルク指令値から算出し、算出された始動電流値から前記エンジンの再始動動作時の前記スイッチング素子の温度上昇値（ΔＴ２）を算出し、得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ）と温度上昇値（ΔＴ１）と温度上昇度（ΔＴ２）とを足し合わせて得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合には、前記スイッチング素子の温度が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えないように、前記発電電動機の発電出力を低減制御する。

さらに、前記制御回路は、エンジンの自動停止動作実施後で、エンジンの再始動動作実施前において、前記スイッチング素子温度検出手段を介して前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１）を検出し、前記エンジンの再始動時に前記スイッチング素子に流れる始動電流値をトルク指令値から算出し、算出された始動電流値から前記エンジンの再始動動作時の前記スイッチング素子の温度上昇値（ΔＴ２）を算出し、得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１）と温度上昇度（ΔＴ２）とを足し合わせて得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合には、前記スイッチング素子の温度が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えないように、エンジンの再始動動作時の前記スイッチング素子に流れる電流値を低減制御する。

この発明によれば、アイドリングストップによるエンジンの自動停止動作後の再始動動作時に、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えることが回避され、スイッチング素子の損傷の発生が防止される。さらに、アイドルストップを禁止する回数の増加が抑制され、燃費の向上や排気ガスの減少が促進される。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る制御装置一体型発電電動機を示す断面図である。
図１において、発電電動機１は、フロントブラケット２およびリヤブラケット３からなるケースと、当該ケースに支持用ベアリング４ａ，４ｂを介して回転自在に配設されているシャフト５と、このシャフト５に固定されると共に界磁巻線７を有する回転子６と、ケースに固定されて回転子６を囲むように配設されると共に電機子巻線９と電機子鉄心１０を有する電機子８と、回転子６の軸方向の両端面に固定されたファン１１と、シャフト５のフロント側の端部に固着されたプーリ１２と、シャフト５のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット３に取り付けられたブラシホルダ１３と、シャフト５のリヤ側に装着された一対のスリップリング１５に摺接するようにブラシホルダ１３内に配設された一対のブラシ１４と、シャフト５のリヤ側端部に配設された回転位置検出センサ（レゾルバ等）１６を備えている。そして、この発電電動機１はプーリ１２およびベルト（図示せず）を介してエンジンの回転軸（図示せず）に連結されている。また、回転位置検出センサ１６の信号出力は後述する制御回路４４を介してアイドルストップ制御部４８に送られて回転子６の回転位置検出に用いられ、発電電動機１の発電動作およびエンジンの始動動作時の制御情報として利用される。

リヤブラケット３のリヤ側に配設したカバー１７とリヤブラケット３との間の空間に、インバータ２０を構成する複数のスイッチング素子４１ａ，４１ｂと、各スイッチング素子４１ａ，４１ｂに接続された内側ヒートシンク５０及び外側ヒートシンク５１が絶縁材５２および取付けボス５３を介してリヤブラケット３の外側の壁面に固着されている。また、カバー１７の外側の端面には、各スイッチング素子４１ａ，４１ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御回路４４を搭載した制御回路基板４４ａが配設されている。また、図示していないが、スイッチング素子温度検出手段としての温度センサ１８が内側ヒートシンク５０および外側ヒートシンク５１に密接してスイッチング素子４１ａ，４１ｂの近傍に設けられている。

このようにして、インバータ２０、制御回路４４などからなる制御装置６０を発電電動機１の軸方向端面に一体的に設けた制御装置一体型発電電動機１００が構成される。

この制御装置一体型発電電動機１００では、通風孔１７ａ，１７ｂがカバー１７に設けられており、回転子６のファン１１の回転により、図１中矢印Ｆで示される冷却風路が形成される。この冷却風路を流れる冷却風は、まずカバー１７の端面に設けた通風孔１７ａ、１７ｂからカバー１７内に流入して制御回路４４を冷却し、次に内側ヒートシンク５０、外側ヒートシンク５１等をそれぞれ冷却する。ついで、冷却風は、リヤブラケット３の端面に設けられた吸気孔３ａからケース内に流入し、ファン１１によって径方向に曲げられて電機子巻線９を冷却し、最後はリヤブラケット３の側面に設けられた排気孔３ｂから排出される。

つぎに、このように構成された制御装置一体型発電電動機１００について、図２を参照しつつ説明する。図２はこの発明の実施の形態１に係る制御装置一体型発電電動機と車両側のアイドルストップ制御部とからなる概略システム構成を示すブロック図である。
図２において、発電電動機１の電機子巻線９は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線（スター結線）して構成されている。インバータ２０は、複数のスイッチング素子４１ａ，４１ｂとその各スイッチング素子４１ａ，４１ｂに並列に接続されたダイオード４２とからなるインバータモジュール４０と、このインバータモジュール４０に並列に接続されたコンデンサ４３とを備えている。
このインバータモジュール４０は、上アーム４６を構成するスイッチング素子４１ａおよびダイオード４２と、下アーム４７を構成するスイッチング素子４１ｂおよびダイオード４２とを２組直列に接続したものを１セットとし、当該セットが３セット並列に配置されている。

電機子巻線９のＹ結線の各相の端部は、交流配線２１を介して、直列に配置した上アーム４６のスイッチング素子４１ａと下アーム４７のスイッチング素子４１ｂの中間点にそれぞれ電気的に接続されている。また、バッテリ１９の正極側端子及び負極側端子が、直流配線２２を介してインバータモジュール４０の正極側及び負極側にそれぞれ電気的に接続されている。
インバータモジュール４０において、それぞれのスイッチング素子４１ａ、４１ｂのスイッチング動作は制御回路４４の指令により制御される。また、制御回路４４は界磁電流制御回路４５を制御して、回転子６の界磁巻線７に流す界磁電流を調整する。

アイドルストップ制御部４８は、エンジン４９を自動停止動作又は再始動動作させるための指令を送信するエンジンの自動停止動作／再始動動作用の電子制御装置である。このアイドルストップ制御部４８は、例えば車速情報やブレーキ情報などの車両情報および温度センサ１８からのスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度信号などに基づいてアイドルストップ動作（エンジン４９の自動停止動作およびエンジン４９の再始動動作）を行うべきか否かを判定し、アイドルストップ動作を行うべきであると判定した場合にアイドルストップ動作指令（エンジン４９の自動停止動作指令およびエンジン４９の再始動動作指令）を制御装置一体型発電電動機１００に出力する。

このような制御装置一体型発電電動機１００では、エンジン４９の始動動作時に、バッテリ１９から直流配線２２を介して直流電力がインバータ２０に給電され、制御回路４４がインバータモジュール４０の各スイッチング素子４１ａ，４１ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。そして、この三相交流電力が交流配線２１を介して発電電動機１の電機子巻線９に給電される。これにより、回転磁界が、界磁電流制御回路４５により界磁電流が供給されている回転子６の界磁巻線７の周囲に与えられ、回転子６が回転駆動され、プーリ１２、ベルト、クランクプーリ等を介してエンジン４９が始動動作される。

一方、エンジン４９が始動動作されると、エンジン４９の回転動力がクランクプーリ、ベルト、プーリ１２を介して制御装置一体型発電電動機１００に伝達される。これにより、回転子６が回転駆動され、電機子巻線９に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御回路４４が各スイッチング素子４１ａ，４１ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線９に誘起された三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ１９を充電する。

つぎに、車両側のアイドルストップ制御部４８の指令により、制御回路４４が、インバータ２０のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度を超えないようにアイドルストップ制御を実行する場合について、図３に示すフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図３では、便宜上、ステップ１００〜１１３をＳ１００〜１１３と示している。

車両のエンジン４９が回転動作中であり、かつ、制御装置一体型発電電動機１００（発電電動機１）が発電動作中において、まず、制御回路４４は、温度センサ１８からの出力を取り込んでスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度Ｔを測定する（ステップ１００）。ついで、ステップ１０１に移行し、エンジン４９の自動停止動作後のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ１を算出し、さらにステップ１０２に移行し、エンジン４９の再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ２を算出する。そして、ステップ１０３に移行し、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が、再始動動作時に、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度Ｔmaxを超えるか否かを判定する。

ステップ１０３において、エンジン４９の再始動動作時に、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度Ｔmaxを超えないと判定されると、ステップ１０４に移行する。ステップ１０４では、アイドルストップ制御部４８が、ステップ１０３の判定結果と、アイドルストップ条件が成立するか否かを判定するためのその他の入力情報に基づいて、アイドルストップ条件が成立したか否かを判定する。アイドルストップ条件が成立すると、エンジン４９の自動停止動作を指令してエンジン４９を停止し（ステップ１０５）、エンジン４９の再始動条件が整うまで待機する（ステップ１０６）。そして、エンジン４９の再始動条件が整うと、発電電動機１の始動動作を制御回路４４に指令する（ステップ１０７）。

ついで、入力されるエンジン４９の回転速度などにより、始動動作完了と判定されると（ステップ１０８）、制御回路４４にエンジン４９の再始動動作の終了を指令して、発電動作に切り換える（ステップ１０９）。そして、発電動作に切り換わった後は、このままステップ１００からステップ１０９までのアイドルストップ制御を継続するか否かを判定し（ステップ１１０）、継続する場合は、最初のステップ１００に戻る。逆に、継続しない場合は、アイドルストップ制御は停止される（ステップ１１１）。

また、ステップ１０３において、エンジン４９の再始動動作時に、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度Ｔmaxを超えると判定されると、ステップ１１２に移行する。ついで、制御回路４４が低減すべき発電出力値を算出し、その値まで発電出力を下げた（ステップ１１２）後、所定時間待機する（ステップ１１３）。そして、所定時間経過すると、最初のステップ１００に戻る。
また、ステップ１０４において、アイドルストップ条件が成立しないと判定されると、この場合も最初のステップ１００に戻る。

つぎに、このアイドルストップ制御におけるスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度、発電電流などの挙動について、図５を参照しつつ説明する。図５はこの発明の実施の形態１に係るアイドルストップ動作におけるエンジン回転速度、スイッチング素子に流れる電流およびスイッチング素子の温度の変化を示すタイミングチャートである。そして、図５の（ａ）はエンジン回転速度の変化を示し、図５の（ｂ）は発電動作時（バッテリ充電時）および始動動作時（バッテリ放電時）にスイッチング素子に流れる電流の変化を示し、図５の（ｃ）はスイッチング素子の温度の変化を示している。なお、図５中、実線は本願が実施された場合を示し、点線は比較例を示している。ここで、比較例は、本願のような制御が実施されなかった場合を示しているものとする。

まず、図５に点線で示される比較例は、発電電動機１が発電動作中であって、エンジン４９が自動停止される時刻ｔ１の前の任意の時刻ｔにおいて、実線に示されるような本願の制御が実施されない場合であり、エンジン４９の自動停止動作（ｔ１）後、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が電機子巻線９からの伝熱により上昇し、さらに再始動動作時（ｔ２）に流れる大きな始動動作電流によって温度が急激に上昇する。これにより、僅かではあるが、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度がスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度を超えるという、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの寿命に著しい悪影響を及ぼす事態が発生する。

そして、再始動動作後、発電動作に切り換わり、エンジン回転速度が上昇し、発電出力に対してファン１１による冷却作用の方が勝ってくると、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度は急激に低下してくる。次に、再度、時刻ｔ３にエンジン４９の自動停止動作を行うと、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度は前述と同様に上昇する。そして、時刻ｔ４の再始動動作時には、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度は大きな始動動作電流により急激に上昇する。この場合には、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度はスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度を大きく超過する。

一方、この実施の形態１では、エンジン４９が自動停止される時刻ｔ１の前の任意の時刻ｔにおいて、時刻ｔの直後にアイドルストップ条件が成立してエンジン４９の自動停止動作が行われるということを想定して、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度Ｔに、エンジン４９の自動停止動作後、電機子巻線９からの伝熱により温度上昇する分ΔＴ１と、再始動動作時に流れる大きな始動動作電流によって温度上昇する分ΔＴ２が加わることにより、再始動動作後のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）がスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度Ｔmaxを超えるか否かの判定を行っている。

そして、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度Ｔmaxを超えると判断された場合には、時刻ｔ直後から発電電流を適正値まで低下させているので、図５の（ｃ）に実線で示されるように、時刻ｔ後のエンジン４９の自動停止動作時（ｔ１）およびエンジン４９の再始動動作時（ｔ２）前のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度は、比較例に比べて低下している。そこで、再始動動作時（ｔ２）に流れる大きな始動動作電流によってスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が急激に上昇しても、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度を超えることが回避される。

そして、再始動動作後、発電動作に切り換わり、エンジン回転速度が上昇し、発電出力に対してファン１１による冷却作用の方が勝ってくると、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度は急激に低下してくる。この再始動動作後に切り換わった発電動作時においても、直ぐにエンジン４９の自動停止動作が行われるということを想定して、エンジン４９の自動停止動作後の温度上昇値ΔＴ１と再始動動作時の温度上昇値ΔＴ２が加わる場合でも、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度がスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度を超えることがないように、発電電流を適正値に低下する制御が継続して行われる。

従って、時刻ｔ３でエンジン４９の自動停止動作が行われ、さらに時刻ｔ４で再始動動作が行われた場合でも、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度がスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度を超えることが回避され、スイッチング素子４１ａ，４１ｂが最大許容温度を超えて破壊されることが未然に防止される。

このように、この実施の形態１によれば、アイドルストップ制御時において、発電電動機１（制御装置一体型発電電動機１００）が発電動作を行っている全ての期間で、直ちにアイドルストップによる自動停止動作が行われ、さらに、そのエンジンの自動停止動作後にエンジンの再始動動作が行われることを想定し、その場合にエンジンの自動停止動作後の温度上昇と再始動動作時の温度上昇が加わることによってスイッチング素子の温度がスイッチング素子の最大許容温度を超えるか否かを判定し、超えると判定した場合には発電電流を適正値まで低下させるので、エンジンの自動停止動作後の再始動動作時にスイッチング素子の温度がスイッチング素子の最大許容温度を超えることが回避される。
従って、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えないようにアイドルストップの実施を禁止することが無くなり、燃費の向上や排気ガスの減少を促進することができる。

また、エンジンの自動停止動作後の再始動動作時に、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えることが回避されるので、信頼性を向上させることができる。
そして、再始動動作後に発電動作に切り換わり、エンジン回転速度が上昇した際の発電出力を、エンジン回転速度に応じて低減制御しているので、発電出力が、冷却とのバランスを考慮して低減される。即ち、発電出力を、常に冷却とのバランスを保つ範囲内で最大限に引き出すことができ、バッテリの充電不足をもたらすこともない。

また、判定基準であるしきい値をスイッチング素子の最大許容温度に設定しているので、スイッチング素子に流す電流を最大限に大きくでき、再始動動作時の最大トルクおよび発電動作時の発電出力を大きく設定できる。また、温度センサがヒートシンクに密接してスイッチング素子の近傍に配設されているので、スイッチング素子の温度を正確に測定できる。

また、インバータが冷却風路の上流側に位置し、電機子巻線が冷却風路の下流側に位置している。そこで、インバータを冷却して暖められた冷却風が電機子巻線の冷却に供せられる。これにより、スイッチング素子と電機子巻線との温度差が拡大され、スイッチング素子は電機子巻線からの熱の影響を受けやすくなる。従って、この制御装置一体型発電電動機は、エンジンの自動停止動作後のスイッチング素子の温度上昇を推定する本願を適用するに好適な構成である。

ついで、エンジンの自動停止動作後のスイッチング素子の温度上昇値ΔＴ１の算出方法について説明する。
ここで、図６の上段の図は、エンジンの自動停止動作後のスイッチング素子の温度上昇値を求めるためのマップの一例（雰囲気温度が８０℃の場合）であり、発電動作時における発電電流値をパラメータとして、その発電電流出力時のエンジン回転速度とエンジンの自動停止動作後のスイッチング素子の温度上昇値ΔＴ１との関係を表すものである。このマップは、例えば制御回路４４の記憶部（図示せず）に雰囲気温度に対応して複数格納されている。

また、図６の下段の図は、エンジンの自動停止動作前のスイッチング素子の温度Ｔの分布の一例であり、発電動作時における発電電流値をパラメータとして、その発電電流出力時のエンジン回転速度とその時のスイッチング素子の温度の関係を表すものであり、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えないように発電動作時の発電電流の適正値を求める方法を説明するために、図６の上段の図と併記したものである。実際には、エンジンの自動停止動作前の発電動作時のスイッチング素子の温度Ｔは、温度センサによって求めればよい。

そこで、制御回路４４は、アイドルストップ制御部４８から雰囲気温度、エンジン回転速度の情報信号を得るとともに、発電動作時の発電電流を検出し、図６の上段に示されるマップから、エンジン４９の自動停止動作後のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ１を算出する。従って、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ１が容易に推定される。なお、図６の上段に示される曲線の近似式を記憶部に格納させておき、雰囲気温度、発電動作時の発電電流値およびエンジン回転速度を近似式に代入して、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ１を算出するようにしてもよい。また、再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ２は、始動動作電流値から算出できる。そして、この始動動作電流値は、始動トルク指令値から算出できる。

ついで、再始動動作時のスイッチング素子の温度がスイッチング素子の最大許容温度を超えると判断した場合に、低下させるべき発電動作時の発電電流の適正値を算出する方法について説明する。図７は、再始動動作時のスイッチング素子の温度が最大許容温度を超えないための発電動作時の発電電流の適正値を求める方法についての説明図である。

図７は、発電動作時における発電電流値をパラメータとして、その発電電流出力時のエンジン回転速度と、エンジンの自動停止動作後で再始動動作直前のスイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１）との関係を表している。そして、例えば、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大許容温度Ｔmaxを１２５℃とし、エンジン４９の再始動動作時の温度上昇値ΔＴ２を１５℃一定と仮定したならば、エンジン４９の自動停止動作後の再始動動作直前のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１）の許容上限温度値は１１０℃（＝Ｔmax−ΔＴ２＝１２５℃−１５℃）となる。即ち、再始動動作直前のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１）がこの１１０℃以下になるような、各エンジン回転速度に対応する発電動作時の発電電流値が、再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度Ｔmaxを超えないための発電電流の適正値となる。この発電電流の適正値の上限値は、図７において、各エンジン回転速度に対応させて黒丸で示している。

ここで、スイッチング素子がエンジンの自動停止動作後に温度上昇する現象について、以下に説明する。
インバータ２０をケースの軸方向端面に一体的に設けた制御装置一体型発電電動機１００においては、インバータ２０が別体として設けられている発電電動機とは異なり、インバータ２０と発電電動機１の中でも最も高温になる電機子巻線９とがリヤブラケット３を挟んで近接しているので、電機子巻線９からインバータ２０に伝達する熱を完全に遮断する構造は難しい。そして、エンジン４９の自動停止動作後、ファン１１によるインバータ２０の強制冷却作用が無くなる為、図１中矢印Ｈで示すように、高温である電機子巻線９から、電機子鉄心１０、リヤブラケット３、取付けボス５３、絶縁材５２、ヒートシンク５０，５１の熱伝導経路を経て、スイッチング素子４１ａ，４１ｂに熱が伝わる。その結果、スイッチング素子４１ａ，４１ｂがエンジン４９の自動停止動作後に温度上昇するという現象が発生してしまう。

図８は制御装置一体型発電電動機１００におけるエンジンの自動停止動作後のスイッチング素子と電機子巻線の温度変化を示す図である。
この図８から、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が、エンジン４９の自動停止動作直後から上昇し始め、逆に徐々に温度が下がってくる電機子巻線９の温度に近づいていくことがわかる。すなわち、電機子巻線９の熱がスイッチング素子４１ａ，４１ｂに伝わっていくことによって、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が電機子巻線９の温度に引っぱられるように上昇している。

この実施の形態１によるアイドルストップ制御方法は、エンジンの自動停止動作後のスイッチング素子の温度上昇値ΔＴ１を考慮してスイッチング素子の温度が再始動動作後のスイッチング素子の最大許容温度を超えるか否かを判定しているので、スイッチング素子がエンジンの自動停止動作後に温度上昇するという特異な現象を有する制御装置一体型発電電動機１００のアイドルストップ制御に好適である。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係るアイドルストップ制御のフローチャートの一部分を示すものであり、これは、図３に示される実施の形態１の場合のフローチャートにおいて、ステップ１０５とステップ１０６との間の点Ａと点Ｂとの間に挿入されるものである。
この実施の形態２では、上記実施の形態１で述べたアイドルストップ制御に対して、図４に示されるフローチャートに基づく制御を追加することによって、インバータ２０のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度を超えないようにアイドルストップ制御することを、さらに確実に実行するものである。

ところで、上記実施の形態１の場合において、例えば、図３のステップ１０３で、エンジン４９の再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が最大許容温度Ｔmaxを超えないと判定され、さらに、ステップ１０４でアイドルストップ条件が成立し、ステップ１０５でエンジン４９の自動停止動作が実施される。しかし、エンジン４９の自動停止動作後に、なんらかの外部要因により雰囲気温度が急上昇した場合には、エンジン４９の再始動動作時にスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度を超えてしまう可能性がある。

そこで、この実施の形態２では、図３のステップ１０３でエンジン４９の再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度Ｔmaxを超えないと判定したにもかかわらず、エンジン４９の自動停止動作実施後、上記のような予測困難な要因によって、エンジン４９の再始動動作時に、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度Ｔmaxを超えてしまうと判定された場合に、それを回避するために適用される制御を提供するものである。以下に、実施の形態２によるアイドルストップ制御を図４に示されるフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図４では、便宜上、ステップ１２０〜１２３をＳ１０２〜１２３としている。

この実施の形態２においては、図３にステップ１００〜ステップ１１３までは、実施の形態１で説明した内容と同じであるので、その説明は省略し、ステップ１０５とステップ１０６との間に挿入される図４に示されるフローチャートについて説明する。
アイドルストップ条件が成立し（ステップ１０４）、エンジン４９の自動停止動作が実施される（ステップ１０５）。ついで、ステップ１２０に移行し、エンジン４９の再始動動作直前のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１）を測定する（ステップ１２０）。ついで、ステップ１２１に移行し、エンジン４９の再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ２を算出する（ステップ１２１）。そして、ステップ１２２に移行し、エンジン４９の再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が、最大許容温度Ｔmaxを超えるか否かを判定する。

ステップ１２２において、超えないと判定した場合には、ステップ１０６に移行して、エンジン４９の再始動動作条件が成立したかを判定する。そして、成立した場合には、制御装置一体型発電電動機１００でエンジンを始動する（ステップ１０７）。
一方、ステップ１２２において、超えると判定した場合には、ステップ１２３に移行して、スイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１＋Δｔ２）が最大許容温度Ｔmaxを超えないように、エンジン始動動作時のスイッチング素子電流値（始動電流値）をエンジン始動可能な範囲の所定値まで低減する。ついで、ステップ１０６に移行して、エンジン４９の再始動条件が成立したか否かを判定する。

ステップ１０６において、エンジン４９の再始動条件が成立しなかった場合には、ステップ１２０の前の点Ａに戻り、再び、ステップ１２０からステップ１２３までを繰り返す。そして、ステップ１０６にて、エンジン４９の再始動条件が成立したと判定した場合には、制御装置一体型発電電動機１００でエンジンを始動する（ステップ１０７）。

このように、この実施の形態２では、再始動動作時にスイッチング素子の温度が最大許容温度を超えることを確実に回避し、スイッチング素子が最大許容温度を超えて破壊することが未然に防止される。また、アイドルストップを禁止する回数の増加が抑制され、燃費の向上や排出ガスの低減を促進することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、発電電動機が発電動作を行っている全ての期間で、直ちにアイドルストップによるエンジンの自動停止動作が行われ、かつ、そのエンジンの自動停止動作後にエンジンの再始動動作が行われることを想定して、アイドルストップ制御を実施している。そして、このアイドルストップ制御では、エンジンの自動停止動作後の温度上昇と再始動動作時の温度上昇がスイッチング素子に加わることによって、スイッチング素子の温度がスイッチング素子の最大許容温度を超えるか否かを判定する。そして、超えると判定した場合には、発電電流を適正値まで低下させて、エンジンの自動停止動作後の再始動動作時にスイッチング素子の温度がスイッチング素子の最大許容温度を超えないように制御する。

さらに、上記実施の形態２では、エンジンの自動停止動作後に、エンジンの再始動動作直前のスイッチング素子の温度を測定し、さらに、エンジンの再始動動作時のスイッチング素子の温度上昇を算出して、エンジンの再始動動作時、スンッチング素子温度が最大許容温度を超えるか否かを判定している。そして、超えると判定した場合には、エンジンの再始動動作時のスイッチング素子電流値（始動動作電流値）をエンジン始動可能な範囲の所定値まで低減させて、エンジンの自動停止動作後の再始動動作時にスイッチング素子の温度がスイッチング素子の最大許容温度を超えないように制御する。これにより、エンジンの再始動動作時のスイッチング素子の温度が最大許容温度を超えないと判断されたにもかかわらず、エンジンの自動停止動作後の何らかの予測困難な要因によって、エンジンの再始動動作時、スイッチング素子温度が最大許容温度を超えてしまうような不具合が回避される。

一方、この実施の形態３では、上記実施の形態１のように、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えない範囲で、発電動作時の発電電力を最大限まで出力させるような制御はせず、また、上記実施の形態２のように、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えない範囲で、再始動動作時の始動トルクを最大限まで出力させるような制御もせず、与えられた制約条件（雰囲気温度、最低必要トルクなど）下の最悪時でも、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えないように、発電動作時の発電出力および再始動動作時の始動動作電流をエンジン回転速度（あるいは制御装置一体型発電電動機の回転速度）に対応させて一定に定めるというものである。

この実施の形態３について、図７を参照しつつ説明する。
図７において、黒丸はエンジン４９の再始動時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度を超えないための発電電流の上限値を示しており、各エンジン回転速度に応じて求められている。なお、この場合の雰囲気温度は８０℃は、制約条件である雰囲気温度範囲（−３０℃〜８０℃）の最大値の場合であり、雰囲気温度としては最悪の場合である。
一方、この実施の形態３の場合には、各エンジン回転速度に応じた発電電流値を、白丸で示すような発電特性として定め、黒丸が示す発電電流の上限値よりも０〜２０アンペア程度低くなるように制限された値としている。そのため、再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１）も許容上限温度値に対して余裕を持って低くなっている。

この場合のように、雰囲気温度が制約条件下の最悪時である、８０℃であっても、再始動動作直前のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度（Ｔ＋ΔＴ１）が、許容上限温度値に対して十分余裕を持って低くなるように発電特性を定めているので、８０℃より低い雰囲気温度の場合でも、この発電特性であれば、再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度を超えることはない。

また、エンジン４９の再始動動作時のスイッチング素子電流値（始動動作電流値）をエンジン始動可能な範囲でできるだけ小さく設定している。そうすることにより、エンジン始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度上昇値ΔＴ２を低く抑えているので、再始動動作時のスイッチング素子４１ａ，４１ｂの温度が最大許容温度を超えることが確実に回避される。

ここで、この実施の形態３においては、再始動動作時に、スイッチング素子の温度が最大許容温度を超えることが確実に回避され、スイッチング素子が最大許容温度を超えて破壊することが未然に防止される。また、アイドルストップを禁止する回数の増加が制約され、燃費の向上や排気ガスの減少を促進することができる。

この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型発電電動機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型発電電動機の概略回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型発電電動機の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型発電電動機の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係るアイドルストップ動作におけるエンジン回転数、スイッチング素子に流れる電流およびスイッチング素子の温度上昇の変化を示すタイミングチャートである。 発電電流値をパラメータとするエンジンの自動停止動作後のスイッチング素子の温度上昇値を求めるためのマップと、エンジンの自動停止動作前のスイッチング素子の温度の分布を示すグラフ図である。 再始動動作時のスイッチング素子の温度が最大許容温度を超えないための発電動作時の発電電流の上限値を求めるための説明図である。 制御装置一体型発電電動機におけるエンジンの自動停止動作後のスイッチング素子と電機子巻線の温度変化を示す図である。

符号の説明

１ 発電電動機、６ 回転子、８ 電機子、９ 電機子巻線、１８ 温度センサ（スイッチング素子温度検出手段）、１９ バッテリ、２０ インバータ、４１ａ，４１ｂ スイッチング素子、４４ 制御回路、４８ アイドルストップ制御部、４９ エンジン、５０ 内側ヒートシンク、５１ 外側ヒートシンク、６０ 制御装置、１００ 制御装置一体型発電電動機。

Claims (3)

1. 電機子巻線を有する電機子と回転子とを有し、エンジンと動力授受を行なう発電電動機と、
   前記発電電動機の外周または軸方向端面に一体的に取り付けられ、複数のスイッチング素子および該スイッチング素子に接続されたヒートシンクを有するインバータ、車両側のアイドルストップ制御部からの指令信号により前記インバータを制御する制御回路、および前記ヒートシンクに取り付けられて前記スイッチング素子の温度を検出するスイッチング素子温度検出手段を有し、前記発電電動機とバッテリとの間で電力を双方向に直流−交流変換することによりエンジンの始動動作およびバッテリへの充電動作を行う制御装置と、を有する制御装置一体型発電電動機において、
   前記制御回路は、前記発電電動機の発電動作時の全期間において、直ちにエンジンの自動停止動作が行われることを想定して、前記発電電動機の発電動作中に、前記温度センサの出力から前記スイッチング素子の温度（Ｔ）を得て、雰囲気温度、発電動作中の発電電流値、およびエンジン回転数或いは発電電動機回転数の回転数を得て、得られた雰囲気温度に対応する発電動作時の発電電流値をパラメータとした該回転数とスイッチング素子の温度上昇度との関係を表すマップ、または近似式に、得られた発電電流値および該回転数を入力して前記エンジンの自動停止動作後の前記スイッチング素子の温度上昇値（ΔＴ１）を算出し、前記エンジンの再始動時に前記スイッチング素子に流れる始動電流値をトルク指令値から算出し、算出された始動電流値から前記エンジンの再始動動作時の前記スイッチング素子の温度上昇値（ΔＴ２）を算出し、得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ）と温度上昇値（ΔＴ１）と温度上昇度（ΔＴ２）とを足し合わせて得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合には、前記スイッチング素子の温度が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えないように、前記発電電動機の発電出力を低減制御することを特徴とする制御装置一体型発電電動機。
2. 前記制御回路は、エンジンの自動停止動作実施後で、エンジンの再始動動作実施前において、前記スイッチング素子温度検出手段を介して前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１）を検出し、前記エンジンの再始動時に前記スイッチング素子に流れる始動電流値をトルク指令値から算出し、算出された始動電流値から前記エンジンの再始動動作時の前記スイッチング素子の温度上昇値（ΔＴ２）を算出し、得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１）と温度上昇度（ΔＴ２）とを足し合わせて得られた前記スイッチング素子の温度（Ｔ＋ΔＴ１＋ΔＴ２）が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合には、前記スイッチング素子の温度が前記スイッチング素子の最大許容温度を超えないように、エンジンの再始動動作時の前記スイッチング素子に流れる電流値を低減制御することを特徴とする請求項１記載の制御装置一体型発電電動機。
3. 前記インバータおよび前記発電電動機は同一の冷却空気流れで冷却される構成であり、その冷却空気流れの上流側に前記インバータが配置され、下流側に前記発電電動機が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の制御装置一体型発電電動機。

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