JP4103783B2 - 車両の始動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の電源回路に付設される始動発電装置に関し、特に、車両の電気負荷に給電する主バッテリとスタータに給電するスタータ専用バッテリとを備えた車両の始動発電装置に関するものである。

車両のエンジンの排気ガス排出量を抑制するためアイドルストップシステムが採用されている。このアイドルストップシステムでは、車両の停車時にエンジン駆動を停止し、発進時にエンジンを再始動することよりスタータ駆動頻度が高く、スタータ駆動のために十分なバッテリの容量確保が必要となる。特にアクセサリ部品の電圧降下対策より２電源を採用することが提案されている。

たとえば、アイドルストップシステムを実施する車両の電源回路として、図５（ａ）に示すキャパシタ併用タイプがある。この場合、エンジン１００の駆動系にスタータダイナモ１１０を接続し、そのスタータダイナモ１１０の発電駆動モード時に並列配備されるアクセサリ機器１５０の駆動用の汎用バッテリ１２０とキャパシタ１３０とを充電する。ここではスタータダイナモ１１０のスタータ駆動モード時にキャパシタ１３０から給電を受け、エンジンの駆動系の、例えばリングギヤを回転駆動してエンジン始動を行なっている。スタータダイナモ１１０と汎用バッテリ１２０間にはコントローラ１４０によって開閉制御されるリレースイッチ１６０が配備される。

このスイッチ１６０はスタータダイナモ１１０の発電駆動モード時にオンし、スタータ駆動モード時にオフするよう制御される。これによりスタータ駆動モード時にはキャパシタ１３０からの電力のみでスタータダイナモが駆動され、汎用バッテリ１２０側の充電量の確保がなされ、発電駆動モード時にはキャパシタ１３０及びバッテリ１２０を共に充電できる。
なお、このキャパシタ併用タイプの一例が特開平９−８８７７８号公報（特許文献１）に開示されている。

図５（ｂ）に示すバッテリ併設タイプでは、始動用バッテリ１７０と汎用バッテリ１２０を並列接続し、スタータダイナモ１１０、あるいは、スタータと別途設置のオルタネータ（不図示）とに切換え接続している。ここでは大容量の電源をなす２つのバッテリ１７０、１２０を確保することで、発進時の電圧降下を抑制し、しかも、ダイオード１８０によって始動時に汎用バッテリ１２０より始動用バッテリ１６０側への電流を阻止し、アクセサリ部品駆動時の電圧降下を防止している。なお、このバッテリ併設タイプの一例が特開２００２−１１８９７７号公報（特許文献２）に開示されている。

図５（ｃ）に示すスタータバッテリ分離タイプでは、車両のアクセサリ部品側に電力供給する汎用バッテリ１２０をクラッチ２１０を介しエンジン駆動系に駆動されるオルタネータ１９０で充電し、これとは分離してクラッチ２２０を介しエンジン駆動系により駆動されるマグネトー２００により充電される始動用バッテリ１７０を設け、同バッテリ１７０によりスタータ２３０を駆動するように制御している。この場合、汎用バッテリ１２０が独立しているので車両のアクセサリ部品の電圧降下を容易に防止できる。

特開平９−８８７７８号公報 特開２００２−１１８９７７号公報

ところで、図５（ａ）のキャパシタ併用タイプの場合、キャパシタ１３０を採用するが、このキャパシタ１３０は取付スペースを比較的大きく採る上に高価であり、装着性が低くコスト高を招くという問題がある。図５（ｂ）に示すバッテリ併設タイプの場合、並列接続される始動用バッテリ１７０と汎用バッテリ１２０間で電流バランス（電圧差）の面から無駄な電流が生じ易く、バッテリ劣化を招き易い。なお、ダイオード１８０によって汎用バッテリより始動用バッテリへの電流を阻止したとしても、ダイオード順方向の流れは生じるため、バッテリ間での無駄な電流が全て防止されることとは成らず、やはりバッテリ劣化を確実には防止できない。

図５（ｃ）に示すスタータバッテリ分離タイプでは２つの発電機１９０、２００と、２つのバッテリ１２０、１７０を独立配備することより、個々のバッテリの充電制御をそれぞれ独立して行なうこととなり、２つの充電制御系が必要となる。その上に、２つの発電機１９０、２００と２つのバッテリ１２０、１７０をエンジンルーム内に配置することは極めて困難となる。

本発明は以上のような課題に基づきなされたもので、目的とするところは、必要時にスタータ専用バッテリを充電すると共に汎用バッテリをも同時に充電するように駆動でき、両バッテリの充電が容易化され、副次的にはエネルギ回収性がよい車両の始動発電装置を提供することにある。

この発明の請求項１に係る車両の始動発電装置は、車両の電気負荷に給電する主バッテリと、上記車両のエンジンの駆動系に駆動され上記電気負荷の増加時に発電駆動して主バッテリを充電する発電機と、上記主バッテリより給電されることで発電駆動するモータ付発電機と、同モータ付発電機によって充電され上記車両のスタータの駆動時に給電するスタータ専用バッテリと、上記モータ付発電機の駆動を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。

この発明の請求項２に係る車両の始動発電装置は、車両の電気負荷に給電する主バッテリと、上記車両のエンジンの駆動系に駆動され上記電気負荷の増加時に発電駆動して主バッテリを充電する発電機と、上記主バッテリより給電されることで発電駆動するモータ付発電機と、上記エンジンの駆動系をクラッチを介し回転駆動して始動する電動機モードと上記駆動系に回転駆動される発電機モードとで駆動可能なスタータダイナモと、上記モータ付発電機によって充電され、しかも、上記スタータダイナモへの給電と同スタータダイナモで充電可能なスタータ専用バッテリと、を備えることを特徴とする。

この発明の請求項３に係る車両の始動発電装置は、請求項１又は２記載の車両の始動発電装置において、上記スタータ専用バッテリの充電量を検出する充電量検出手段を備え、上記制御手段は上記スタータ専用バッテリの充電量が低いほど上記モータ付発電機の回転数を高い値に設定して発電駆動制御することを特徴とする。

この発明の請求項４に係る車両の始動発電装置は、請求項２記載の車両の始動発電装置において、車両の減速状態を検出する減速状態検出手段と、上記車両の減速時に、上記クラッチを接合して上記スタータダイナモを発電機モードで駆動して上記スタータ専用バッテリを充電する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の請求項５に係る車両の始動発電装置は、請求項１記載の車両の始動発電装置において、車両の減速状態を検出する減速状態検出手段を備え、上記制御手段は上記車両の減速時に上記モータ付き発電機を駆動して発電制御することを特徴とする。

この発明の請求項１によれば、車両の電気負荷の増加時に発電駆動して主バッテリを充電する発電機を備え、主バッテリの電力を受けて発電駆動するモータ付発電機を制御する制御手段を備え、制御手段がスタータの駆動時にモータ付発電機を発電駆動させ、その給電によってスタータ専用バッテリを充電することができる。このように制御手段がモータ付発電機を発電駆動制御することで、スタータ専用バッテリの充電を行なうと、電気負荷の増加により発電機が発電駆動して主バッテリを充電するので、両バッテリの充電が容易化される。しかも、両バッテリが独立しているので、両バッテリの相互間の配設位置に自由度があり搭載性が良い。しかも、両バッテリが直接接続されていないので、両バッテリ間に電圧差があっても、この電圧差による両バッテリ間での無駄な電流の発生を防止でき、両バッテリの耐久性を確保できる。

この発明の請求項２によれば、車両の電気負荷の増加時に発電駆動して主バッテリを充電する発電機を備え、主バッテリの電力を受けて発電駆動するモータ付発電機を備え、スタータダイナモの電動機モードでの駆動時にモータ付発電機を発電駆動させ、その給電によってスタータ専用バッテリを充電することができる。このようにモータ付発電機の発電駆動に応じて、スタータ専用バッテリの充電を行なうと、電気負荷の増加により発電機が発電駆動して主バッテリを充電するので、両バッテリの充電が容易化される。しかも、両バッテリが独立しているので、両バッテリの相互間の配設位置に自由度があり搭載性が良い。しかも、両バッテリが直接接続されていないので、両バッテリ間に電圧差があっても、この電圧差による両バッテリ間での無駄な電流の発生を防止でき、両バッテリの耐久性を確保できる。

この発明の請求項３によれば、モータ付発電機の作動時に始動制御手段はスタータ専用バッテリの充電量が低いほどモータ付発電機の作動回転数を高い値に設定して、スタータ専用バッテリの充電量を効率よく回復させることができる。

この発明の請求項４によれば、スタータダイナモが電動機モードで駆動するとエンジンの駆動系をクラッチを介し回転駆動して始動でき、発電機モードで駆動するとエンジンの駆動系よりクラッチを介して回転駆動されることでとでスタータ専用バッテリを充電できる。このため、減速時に制御手段がクラッチを接合してスタータダイナモを発電機モードで駆動することで、スタータ専用バッテリを充電することができ、車両の減速エネルギの回収を図れる。しかも、両バッテリが独立しているので、両バッテリの相互間の配設位置に自由度があり搭載性が良い。しかも、両バッテリが直接接続されていないので、両バッテリ間に電圧差があっても、この電圧差による両バッテリ間での無駄な電流の発生を防止でき、両バッテリの耐久性を確保できる。

この発明の請求項５によれば、減速時にスタータ専用バッテリの充電量に応じた回転数となる様にモータ付発電機を制御し、これにより主バッテリの電気負荷を増大させて発電機を発電駆動させ、走行負荷を増大させ、車両の減速エネルギの回収を図ることができる。

図１、図２にはこの発明の実施の形態としての車両の始動発電装置を示した。
この車両の始動発電装置１は電源回路を含み、車両のアイドルストップ機能を達成できるように構成されている。
車両のエンジン２はその伝達系である不図示のクランク軸の一端に不図示の無端ベルトで駆動するベルト駆動系を配備しており、そこからの回転力を受けて発電機としてのオルタネータ３を駆動している。しかも不図示のクランク軸の他端に設けられたリングギヤ４にはこれに噛み合うピニオンギヤ５が電磁クラッチ６を介し軸方向Ｘに噛み合い、離脱可能に対設される。ここでのピニオンギヤ５はスタータダイナモ７の入出力ギヤを成している。

ここで、車両の始動発電装置１は、車両の不図示のエンジン補機に給電する主バッテリ１２（汎用バッテリ）と、主バッテリ１２を充電するオルタネータ３と、主バッテリ１２より給電されることで発電駆動する電動マグネトー（モータ付発電機）１３と、電動マグネトー１３で充電可能なスタータ専用バッテリ１４と、スタータ専用バッテリ１４に接続され電動機モードでエンジン駆動系を回転駆動し発電機モードでスタータ専用バッテリ１４で駆動可能なスタータダイナモ７と、スタータダイナモ７とエンジン駆動系を断接可能な電磁クラッチ６と、スタータダイナモ７の制御回路であるインバータ１５と、スタータ専用バッテリ１４の充電量を検出する充電量検出回路１６と、主バッテリ１２よりスイッチ回路１１を介し給電される車両のアクセサリ部品、車両灯火等その他の車両電気負荷９と、これらの制御を行うコントローラ１７と、始動用キースイッチ１８と、車両の減速状態を検出する減速状態検出手段２０とを主要な構成要素としている。ここで、減速状態検出手段２０は車体の減速度の検出部を備えたもので良く、場合により不図示のブレーキセンサでも良い。

主バッテリ１２及びスタータ専用バッテリ１４は鉛蓄電池で、定格電圧は２４Ｖである。主バッテリ１２のマイナス端子はアースされ、プラス端子はオルタネータ３、車両電気負荷９、電動マグネトー１３の電流調整器１９に接続される。スタータ専用バッテリ１４のマイナス端子はアースされ、プラス端子は電動マグネトー１３、インバータ１５に接続される。なお、スタータ専用バッテリ１４のプラス端子には経時的な電圧降下を検出してバッテリの充電量を推定する充電量検出回路１６が配備され、同回路の検出信号はコントローラ（ＥＣＵ）１７に入力される。

オルタネータ３はＩＣ型レギュレータ付オルタネータ（三相交流発電機）であって、エンジン２の駆動系より回転力を受けるロータ（図示せず）を備え、ロータ側の励磁巻線３０１によって励磁された三相ステータ巻線３０２、３０３、３０４に三相交流が誘起され、これを整流回路３０５で整流して主バッテリ１２を直流電流で充電している。スター結線された三相ステータ巻線３０２、３０３、３０４に誘起される電圧は.、レギュレータ３０６が整流回路３０５の出力電圧値を検出し、予め設定された閾値と比較して、一端が整流回路３０５の出力に接続された励磁巻線３０１の他端に接続されたレギュレータ内のトランジスタ３ｔｒをスイッチングして、励磁巻線３０１の両端に接続されたフリーホイールダイオード３ｄと相まって、励磁巻線３０１の励磁電流が制御されることによって、整流回路３０５で三相全波整流されてオルタネータ３の直流出力端子に適正な範囲の電圧が自動的に調整されて出力される。即ち、電気負荷の増加時にロータ側の励磁巻線３０１の回転駆動による発電駆動を可能として、その間に発電駆動して主バッテリ１２を充電する。

スタータダイナモ（モータジェネレータ）７は、電磁クラッチ６接時にエンジン側よりの回転力の供給によって発電を行う発電機モードと、エンジン駆動系側へ始動回転力を加えてエンジン始動する電動機モードとで、選択的に駆動するもので、コントローラ１７のインバータ制御部Ａ１及びアイドルストップ機能部Ａ２に制御される。

電動マグネトー１３は、車両のエンジンルーム内の不図示の車体基枠に支持され、電流調整器１９を介し主バッテリ１２に接続される直流電動機２３と同電動機２３の出力軸２４の端部に回転方向固定にマグネトー２５が取り付けられる。電流調整器１９はコントローラからの電流調整信号に応じてマグネトー２５への供給電流を増減調整し、これによって電動マグネトー回転数Ｎｍを調整するよう機能する。出力軸２４の端部に固定のフライホイール２６には永久磁石２７が固定され、これがマグネトーベース２８側に固定のステイター２９の回りに相対回転することで発電作動する。なお、ステイター２９の高電圧端子はスタータ専用バッテリ１４に接続される。ここで、電動マグネトー１３はエンジン本体側に直接結合される必要が無く、取り付け位置確保における自由度があり、容易に取付でき、しかも、主バッテリ１２とスタータ専用バッテリ１４は電動マグネトー１３で機械的に連結され、電気的には分離しており、両バッテリを電気結線で連結した場合のように、相対的な電圧偏差による電流の発生が無く、この点でバッテリの寿命を確保できる。

コントローラ１７はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス２８によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２９、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３１、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３２、入力ポート３３および出力ポート３４を備え、ここでは、周知のエンジン駆動制御部Ａ０の他に、インバータ制御部Ａ１とアイドルストップ機能部Ａ２としての機能を備える。
ここで、ＥＣＵ２７はエンジン駆動制御部Ａ０として機能し、即ち、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷とに応じた運転域に応じて燃料供給量や燃料噴射時期や点火時期唐を演算し、演算された制御信号によって点火系２１および燃料供給系２２等を駆動制御する。

インバータ制御部Ａ１は発電機モード時であると、スタータダイナモ７が発電した電力をインバータ１５を介してスタータダイナモ７へ送る。この時、インバータ１５の位相制御を通じてスタータ専用バッテリ１４へ送られる電力量が調整され、スタータダイナモ７の発電量が調整されている。ここでスタータダイナモ７による発電量が多くなるほど、エンジン２に付与される電気負荷は大きくなる。したがって、電気負荷はインバータ制御部Ａ１によるインバータ１５の位相制御を通じたスタータダイナモ７の発電量の調整によって可変とされている。
一方、インバータ制御部Ａ１が電動機モード時であると、スタータ専用バッテリ１４に蓄電された電力がインバータ１５を介してスタータダイナモ７に供給される。このときのスタータダイナモ７はインバータの位相制御によって駆動力が調整（力行運転）される。

次に、アイドルストップ機能部Ａ２はエンジン２の排気ガスの地球環境への配慮から、自動車が赤信号や停留所で停車する時にエンジンを停止させ、発進時にスタータダイナモ７（スタータ）でエンジン２を再始動する。ここでは、各センサ（図示せず）の運転情報に基づいて停止、発進が判断処理され、エンジン２の点火系２１および燃料供給系２２等へエンジン停止の制御出力を発し、エンジン始動の制御に基づいて点火系２１および燃料供給系２２等へエンジン駆動の制御出力を発し、同時に発進時にモード切換え機能部Ａ１を介し電動機モードでスタータダイナモ７を駆動するよう制御している。

以上のように構成されている車両の始動発電装置のコントローラ１７は周知のエンジン制御のメインルーチンを実行し、その途中でアイドルストップ処理を図４のアイドルストップ制御ルーチンに沿って実行する。
エンジン駆動時において、エンジンが一定以上で回転している時にはオルタネータ３が発電して主バッテリ１２の状態に応じてレギュレーター３０６が適正に作動し、特に減速時はオルタネータ３が走行負荷として機能して充電を適確に行う。その際、スタータ専用バッテリ１４の電圧とは無関係に主バッテリ１２の充電がなされる。

アイドルストップ制御ルーチンでは、ステップｓ１で車両の運転情報（データ）が各センサーから入力され、記憶処理され、ステップｓ２ではエンジン回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ１を上回る駆動時か否か判断し、駆動時にはステップｓ３、停止時にはステップｓ４に進む。停止時にステップｓ４に達すると、キーオン信号あるいはエンジンの始動条件が満たされているか否か判断し、Ｎｏではそのままメインルーチンにリターンする。

一方、Ｙｅｓではステップｓ５において、インバータ制御部Ａ１による電動機モードでの始動処理がインバータ１５によるスタータダイナモ７の切換えでなされ、エンジン始動がなされる。しかも、この処理に引き続き、インバータ制御部Ａ１では、現在のスタータ専用バッテリ１４の充電量β相当の電動マグネトー１３のマグネトー回転数Ｎｍを、図３の充電量−マグネトー回転数マップｍｐ１で演算し、同値Ｎｍを確保するよう電流調整器１９で調整処理し、電動マグネトー１３を発電機モードに処理を行ない、スタータ専用バッテリ１４の充電をおこない、メインルーチンにリターンする。

このため、始動時にスタータ専用バッテリ１４が消費されると、これを電動マグネトー１３により充電でき、過度の充電量の低下は防止される。しかも、この時電動マグネトー７の駆動で主バッテリ１２が放電するが、この放電による電圧降下に応じてオルタネータ３のレギュレーター３０６が充電モードに切り換わり、オルタネータ３による発電がなされ、主バッテリ１２の過度の充電量低下を防止できる。

一方、ステップｓ２よりｓ３に進むと、ここでは、エンジン駆動時であり、スタータ専用バッテリ１４の充電量βが強制充電閾値β１を下回っているか否か判断し、下回っているとステップｓ６で電動マグネトー１３をマグネトー定格回転数Ｎｍ１で強制充電処理を行ない、スタータ専用バッテリ１４の充電量の早期回復を行い、ステップｓ８に進む。
充電量βが強制充電閾値β１を下回っていないことで、ステップｓ７に達すると、ここでは車両の減速状態を判断し、減速時でないとそのままメインルーチンにリターンし、減速時であるとステップｓ９に進む。

尚、ステップｓ９の代わりに、或いは同時に、減速時にスタータ専用バッテリ１４の充電量βに応じて設定された回転数Ｎｍとなる様に電動マグネトー１３を制御することにより、主バッテリ１２の電気負荷を増大させることによりオルタネータ３を発電駆動することによって、走行負荷を増大させることができるため、結果として、減速エネルギの回収が図られる。
ステップｓ９ではインバータ制御部Ａ１がクラッチ６をオンし、スタータダイナモ７を発電機モードに切換え、これによってスタータ専用バッテリ１４を充電し、車両の減速エネルギの回収が成される。

ステップｓ６、９よりステップｓ８に達すると、ここでは、キーオフ信号あるいは車両の運転情報に基づいて所定の停止条件が満たされているか否か判断し、Ｎｏではそのままメインルーチンにリターンし、満たされていると、ステップｓ１０でエンジン２の点火系２１および燃料供給系２２等へエンジン停止の制御出力を発し停止処理がなされ、メインルーチンにリターンする。

このように、始動時にはスタータダイナモ７を電動機モードで駆動して始動し、これによるスタータ専用バッテリ１４の充電量低減を補うため、その時の充電量相当の電動マグネトー回転数Ｎｍで電動マグネトー１３を駆動してスタータ専用バッテリ１４を充電処理できる。しかも、この電動マグネトー１３の駆動に応じた電気負荷の増加によりオルタネータ３が発電駆動して主バッテリ１２を充電でき、両バッテリの充電量の低下を防止できる。更に、スタータ専用バッテリ１４の端子電圧が低下したとき、これを電動マグネトーで充電処理でき、車両の減速時にはスタータダイナモ７を発電機モードで駆動してエネルギ回収がなされ、常時、両バッテリの充電量不足を防止できる。

上述のところにおいて、エンジンの発進用にスタータダイナモ７を用いていたが、このスタータダイナモの代りに、通常のスタータを用い、構成の簡素化を図っても良い。この場合にも、オルタネータ３を上述と同様発電駆動させることでエネルギ回収の効果を図１の車両の始動発電装置と同様に得られる。

本発明は、アイドルストップ車両に搭載されるものとして説明したが、アイドルストップ機能を備えない通常の車両にも適用可能である。

本発明の一実施形態としての車両の始動発電装置の全体概略構成図である。 図１の車両の始動発電装置のブロック図である。 図１の車両の始動発電装置で用いる充電量―電動マグネトー回転数マップの特性説明図である。 図１の車両の始動発電装置で用いるアイドルストップ制御処理ルーチンのフローチャートである。 従来の始動発電装置のブロック図を示し、（ａ）はキャパシタ併用タイプ、（ｂ）バッテリ併設タイプ、（ｃ）スタータバッテリ分離タイプを示す。

符号の説明

１ 車両の始動発電装置
２ エンジン
３ 発電機
６ 電磁クラッチ
７ スタータダイナモ（スタータ）
９ 電気負荷
１２ 主バッテリ
１３ 電動マグネトー（モータ付発電機）
１４ スタータ専用バッテリ
１７ コントローラ（制御手段）
２０ 減速状態検出手段

Claims (5)

1. 車両の電気負荷に給電する主バッテリと、
   上記車両のエンジンに駆動され上記電気負荷の増加時に発電駆動して主バッテリを充電する発電機と、
   上記主バッテリより給電されることで発電駆動するモータ付発電機と、
   同モータ付発電機によって充電され上記車両のスタータの駆動時に給電するスタータ専用バッテリと、
   上記モータ付発電機の駆動を制御する制御手段と、
   を具備する車両の始動発電装置。
2. 車両の電気負荷に給電する主バッテリと、
   上記車両のエンジンの駆動系に駆動され上記電気負荷の増加時に発電駆動して主バッテリを充電する発電機と、
   上記主バッテリより給電されることで発電駆動するモータ付発電機と、
   上記エンジンの駆動系をクラッチを介し回転駆動して始動する電動機モードと上記駆動系に回転駆動される発電機モードとで駆動可能なスタータダイナモと、
   上記モータ付発電機によって充電され、しかも、上記スタータダイナモへの給電と同スタータダイナモで充電可能なスタータ専用バッテリと、
   を具備した車両の始動発電装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の車両の始動発電装置において、
   上記スタータ専用バッテリの充電量を検出する充電量検出手段を備え、
   上記制御手段は上記スタータ専用バッテリの充電量が低いほど上記モータ付発電機の回転数を高い値に設定して発電駆動制御することを特徴とする車両の始動発電装置。
4. 請求項２記載の車両の始動発電装置において、
   車両の減速状態を検出する減速状態検出手段と、上記車両の減速時に、上記クラッチを接合して上記スタータダイナモを発電機モードで駆動して上記スタータ専用バッテリを充電する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする車両の始動発電装置。
5. 請求項１記載の車両の始動発電装置において、
   車両の減速状態を検出する減速状態検出手段を備え、
   上記制御手段は、上記車両の減速時に上記モータ付き発電機を駆動して発電制御することを特徴とする車両の始動発電装置。
   

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