JP2002524686A - 内燃エンジン用スターターシステムおよび内燃エンジンの始動方法 - Google Patents
内燃エンジン用スターターシステムおよび内燃エンジンの始動方法Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、電気スターター(4)と、スターターバッテリー(9,9’)と、スターターバッテリー(9,9’)の温度を測定する装置(10)と、始動の目的で、または始動準備の目的でスターターバッテリー(9,9’)から取り出される放電電流の値を能動的に調整するパワーエレクトロニクス・モジュール(7c;13)と、作用ユニット(7c;13)に対し、設定されるべき放電電流値をプリセットする制御装置(11)とを有する内燃エンジン(1)用スターターシステムに関する。バッテリー温度が低い場合、最大放電電流は高温時よりも低い。本発明は、これに対応する内燃エンジン(1)の始動方法にも関する。
Description
【0001】 本発明は、内燃エンジン用スターターシステムおよび内燃エンジンの始動方法
に関するものである。
に関するものである。
【0002】 従来のスターターは、通常、直列直流電動機として実施されている。直列電動
機が選択される理由は、通常、この種の電動機は内燃エンジンを「急発進」させ
るために比較的高い始動トルクを発生させるからである。しかし、高いトルクを
発生させると、その結果かなりの電流が流れることになる。
機が選択される理由は、通常、この種の電動機は内燃エンジンを「急発進」させ
るために比較的高い始動トルクを発生させるからである。しかし、高いトルクを
発生させると、その結果かなりの電流が流れることになる。
【0003】 冷間始動の場合、エンジンオイルの非常に高い剪断力により内燃エンジンはス
ターターにかなりのトルク抵抗を与えるので、始動電流は低温になるほど強く増
大し、たとえば大容量内燃エンジンの高出力始動の場合は、数100Aの値まで
達することがある。同時に、温度が低下するにつれてスターターバッテリーの内
部抵抗が増大し、取り出し可能な出力または放電電流がかなり制限される。これ
ら2つの効果(作用的に増幅しあう)により、低温の場合、スターターによって
「要求される」放電電流が大きすぎるために、スターターバッテリーは所望の冷
間始動には役に立たないのがほとんどのケースである。
ターターにかなりのトルク抵抗を与えるので、始動電流は低温になるほど強く増
大し、たとえば大容量内燃エンジンの高出力始動の場合は、数100Aの値まで
達することがある。同時に、温度が低下するにつれてスターターバッテリーの内
部抵抗が増大し、取り出し可能な出力または放電電流がかなり制限される。これ
ら2つの効果(作用的に増幅しあう)により、低温の場合、スターターによって
「要求される」放電電流が大きすぎるために、スターターバッテリーは所望の冷
間始動には役に立たないのがほとんどのケースである。
【0004】 従来の技術では、低温時に確実に始動させることができる一連の提案が知られ
ている。これらの提案の多くは容量性蓄電器の形態ので付加的な短時間エネルギ
ー増加を提案するものである。容量性蓄電器は、始動過程の前にゆっくり充電さ
れる。これらの提案のいくつかにおいては、バッテリーと予備充電されるコンデ
ンサとは始動時に並列に接続されるので、これら双方ともエネルギー源として始
動過程に寄与する(特開平02−175350号公報(いすゞ)および特開平0
2−175351号公報(いすゞ))。他の提案では、始動過程用の容量性蓄電
器はスターターバッテリーから切り離され、すなわち始動は容量性蓄電器に蓄積
されたエネルギーだけで行なわれる(ドイツ連邦共和国特許公開第413502
5A1号公報(Magneti Marelli)および米国特許第5051776号公報(いす
ゞ)。この種の他の提案では、始動に必要な、スターターバッテリーの電圧レベ
ルのエネルギー(12Vまたは24V)は、高設定DC−DC変換器(いわゆる
昇圧変換器)により、まず比較的高い電圧レベルとされて、容量性蓄電器に蓄積
される(ソビエト連邦共和国特許第1265388A号公報(Mosc Automech)お
よび欧州特許公開第0390398A1号公報(いすゞ))。後者の提案によれ
ば、始動時の電圧が比較的高く、同時に放電電流が小さいので、低温時でも確実
な始動を可能にする。
ている。これらの提案の多くは容量性蓄電器の形態ので付加的な短時間エネルギ
ー増加を提案するものである。容量性蓄電器は、始動過程の前にゆっくり充電さ
れる。これらの提案のいくつかにおいては、バッテリーと予備充電されるコンデ
ンサとは始動時に並列に接続されるので、これら双方ともエネルギー源として始
動過程に寄与する(特開平02−175350号公報(いすゞ)および特開平0
2−175351号公報(いすゞ))。他の提案では、始動過程用の容量性蓄電
器はスターターバッテリーから切り離され、すなわち始動は容量性蓄電器に蓄積
されたエネルギーだけで行なわれる(ドイツ連邦共和国特許公開第413502
5A1号公報(Magneti Marelli)および米国特許第5051776号公報(いす
ゞ)。この種の他の提案では、始動に必要な、スターターバッテリーの電圧レベ
ルのエネルギー(12Vまたは24V)は、高設定DC−DC変換器(いわゆる
昇圧変換器)により、まず比較的高い電圧レベルとされて、容量性蓄電器に蓄積
される(ソビエト連邦共和国特許第1265388A号公報(Mosc Automech)お
よび欧州特許公開第0390398A1号公報(いすゞ))。後者の提案によれ
ば、始動時の電圧が比較的高く、同時に放電電流が小さいので、低温時でも確実
な始動を可能にする。
【0005】 さらに、欧州特許公開第0403051A1号公報(いすゞ)からは、始動エ
ネルギーを与えるために、エンジン冷却媒体の温度に応じて変化させてコンデン
サをある電圧レベルまで充電させることが知られている。
ネルギーを与えるために、エンジン冷却媒体の温度に応じて変化させてコンデン
サをある電圧レベルまで充電させることが知られている。
【0006】 さらに、自動車内の温度を検出し、この温度に依存して電気的な過程の制御を
行なうようにした他の一連の提案もある。
行なうようにした他の一連の提案もある。
【0007】 たとえば欧州特許第0533037B1号公報(Magneti Marelli)からは、電
気的触媒加熱部に給電するための容量性蓄電器を設けることが知られており、こ
の場合蓄電器からの取り出し、よって加熱の度合いは温度に依存して制御される
。
気的触媒加熱部に給電するための容量性蓄電器を設けることが知られており、こ
の場合蓄電器からの取り出し、よって加熱の度合いは温度に依存して制御される
。
【0008】 また、車両バッテリーの温度を測定し、発電機の励起状態を変化させて充電電
流を変えること、すなわち温度が低くなるに従って充電電流を増大させることが
提案された。これは、低温時にバッテリーが「充電に抵抗がある」ときでも、充
電時間が長くなるのを避けるためのものであることは明らかである(ドイツ連邦
共和国特許公開第3423767A1号公報(Bosch)および欧州特許第0621
990B1号公報(Bosch))。
流を変えること、すなわち温度が低くなるに従って充電電流を増大させることが
提案された。これは、低温時にバッテリーが「充電に抵抗がある」ときでも、充
電時間が長くなるのを避けるためのものであることは明らかである(ドイツ連邦
共和国特許公開第3423767A1号公報(Bosch)および欧州特許第0621
990B1号公報(Bosch))。
【0009】 冷間始動時に給電電圧がかなり低下しても、たとえば点火装置、噴射装置のよ
うな他の電気消費装置の機能を確保するため、昇圧器を使用して給電電圧を維持
することが提案された(欧州特許公開第0391065A2号公報(Bosch))。
うな他の電気消費装置の機能を確保するため、昇圧器を使用して給電電圧を維持
することが提案された(欧州特許公開第0391065A2号公報(Bosch))。
【0010】 最後に、国際特許公表WO97/08456(Clouth その他)からは、三相機
をベースにした最近の高出力スターターが知られている。この場合、スターター
バッテリーの直流電圧が変換され、この変換に関連して直流電圧中間回路を経て
高電圧レベルに設定される。低温時の確実な始動を保証するための特別な処置に
ついては説明されていない。
をベースにした最近の高出力スターターが知られている。この場合、スターター
バッテリーの直流電圧が変換され、この変換に関連して直流電圧中間回路を経て
高電圧レベルに設定される。低温時の確実な始動を保証するための特別な処置に
ついては説明されていない。
【0011】 米国特許第5325042号公報からは、タービンの形態の内燃機関用スター
ターシステムが知られており、電気的なスターターと、スターターバッテリーと
、始動の目的でスターターバッテリーから取り出される電流の値を能動的に調整
する電源整流器の形態のパワーエレクトロニクス・モジュールと、パルス幅修正
に基づいてパワーエレクトロニクス・モジュールに対し設定充電電流をプリセッ
トする制御装置が設けられている。
ターシステムが知られており、電気的なスターターと、スターターバッテリーと
、始動の目的でスターターバッテリーから取り出される電流の値を能動的に調整
する電源整流器の形態のパワーエレクトロニクス・モジュールと、パルス幅修正
に基づいてパワーエレクトロニクス・モジュールに対し設定充電電流をプリセッ
トする制御装置が設けられている。
【0012】 ドイツ連邦共和国特許公開第4341826A1号公報からは、自動遮断装置
を備えた内燃エンジンにおいて、スターターバッテリーの温度をセンサを用いて
検出し、制御装置に送ることが知られている。測定した温度値に依存して、信号
待ちの際に内燃エンジンを自動遮断すべきか、すべきでないかが決定される。
を備えた内燃エンジンにおいて、スターターバッテリーの温度をセンサを用いて
検出し、制御装置に送ることが知られている。測定した温度値に依存して、信号
待ちの際に内燃エンジンを自動遮断すべきか、すべきでないかが決定される。
【0013】 IBM Technical Disclosure Bulletin 第37巻、No.6A、1994年6月、第
609−610頁からは、携帯器具用のバッテリー充放電回路が知られており、
バッテリーの温度を検出し、これに依存して放電時に放電電流のパルスのオンオ
フ比を、すなわち放電電流の平均値を変えるようになっている。バッテリー温度
が低い場合、バッテリー温度が高い場合よりもこの平均値は高い。
609−610頁からは、携帯器具用のバッテリー充放電回路が知られており、
バッテリーの温度を検出し、これに依存して放電時に放電電流のパルスのオンオ
フ比を、すなわち放電電流の平均値を変えるようになっている。バッテリー温度
が低い場合、バッテリー温度が高い場合よりもこの平均値は高い。
【0014】 上述した個々の提案のうちいくつかのものは、たとえばMosc Automechのもの
は、所望の低温度でバッテリーが故障するのを避けられない。
は、所望の低温度でバッテリーが故障するのを避けられない。
【0015】 本発明の目的は、この問題の更なる解決法を提供することである。
【0016】 本発明は請求項1によれば、内燃エンジン用スターターシステムにおいて、電
気スターターと、スターターバッテリーと、スターターバッテリーの温度を測定
する装置と、始動の目的で、または始動準備の目的でスターターバッテリーから
取り出される放電電流の値を能動的に調整するパワーエレクトロニクス・モジュ
ールと、作用ユニットに対し、設定されるべき放電電流値をプリセットし、バッ
テリー温度が低い場合は、高温時よりも最大放電電流値が低いようにする制御装
置とを有するスターターシステムを提供する。換言すれば、バッテリーの温度は
、よって間接的にはその内部抵抗は、始動前に検出され、この値を用いて、温度
に依存する許容放電電流が決定される。この処置はほとんどのケースにおいて低
温時のバッテリーの故障を回避させ、冷間始動時の確実性を向上させる。付加的
な短時間エネルギー源または同様のものが設けられていないケースでは、スター
ターには制限的な電力しか提供されない。従来のように故障が生じていた多くの
ケースでは、始動にはこの制限的な電力で十分である。電力が制限されているた
めに、始動が内燃エンジンを急発進させることができないようなケースでは、始
動の試みによるバッテリーの放電が少なくとも1回回避されるので、少なくとも
バッテリーが加熱した後では始動が可能である。
気スターターと、スターターバッテリーと、スターターバッテリーの温度を測定
する装置と、始動の目的で、または始動準備の目的でスターターバッテリーから
取り出される放電電流の値を能動的に調整するパワーエレクトロニクス・モジュ
ールと、作用ユニットに対し、設定されるべき放電電流値をプリセットし、バッ
テリー温度が低い場合は、高温時よりも最大放電電流値が低いようにする制御装
置とを有するスターターシステムを提供する。換言すれば、バッテリーの温度は
、よって間接的にはその内部抵抗は、始動前に検出され、この値を用いて、温度
に依存する許容放電電流が決定される。この処置はほとんどのケースにおいて低
温時のバッテリーの故障を回避させ、冷間始動時の確実性を向上させる。付加的
な短時間エネルギー源または同様のものが設けられていないケースでは、スター
ターには制限的な電力しか提供されない。従来のように故障が生じていた多くの
ケースでは、始動にはこの制限的な電力で十分である。電力が制限されているた
めに、始動が内燃エンジンを急発進させることができないようなケースでは、始
動の試みによるバッテリーの放電が少なくとも1回回避されるので、少なくとも
バッテリーが加熱した後では始動が可能である。
【0017】 なお、「スターターバッテリー」とは、始動のためだけに用いられるという意
味ではない。むしろ「スターターバッテリー」は、自動車の場合通常であるよう
に、スターターに給電するばかりでなく、他の消費装置にも給電を行なうことが
できる。
味ではない。むしろ「スターターバッテリー」は、自動車の場合通常であるよう
に、スターターに給電するばかりでなく、他の消費装置にも給電を行なうことが
できる。
【0018】 有利な構成は、従属項に記載されている。請求項2によれば、スターターに、
スターターバッテリーの電圧(通常は12Vまたは24V)よりも高い電圧が供
給される。このような比較的高電圧での作動により(たとえば48V)、始動機
の有利な構成が可能になる。両電圧レベルの間には、放電電流を能動的に調整す
るように動作する昇圧変換器が接続されている。
スターターバッテリーの電圧(通常は12Vまたは24V)よりも高い電圧が供
給される。このような比較的高電圧での作動により(たとえば48V)、始動機
の有利な構成が可能になる。両電圧レベルの間には、放電電流を能動的に調整す
るように動作する昇圧変換器が接続されている。
【0019】 請求項3によれば、スターターは三相機として構成され、その供給電圧は中間
回路の直流電圧をコンバートすることによって得られる。請求項4によれば、上
記高電圧は中間回路の電圧である。この場合、上記昇圧変換器はスターターバッ
テリーと中間回路の間にある。三相機スターターにおいて中間回路の電圧が高い
と、インバーターにおいて強制的に生じる半導体素子のロスが少なくなるという
利点がある。
回路の直流電圧をコンバートすることによって得られる。請求項4によれば、上
記高電圧は中間回路の電圧である。この場合、上記昇圧変換器はスターターバッ
テリーと中間回路の間にある。三相機スターターにおいて中間回路の電圧が高い
と、インバーターにおいて強制的に生じる半導体素子のロスが少なくなるという
利点がある。
【0020】 請求項5は、始動に必要なエネルギーを、始動過程の間に昇圧変換器を介して
スターターバッテリーから取り出すケースに関わる。これに代わる構成が請求項
6であり、スターターバッテリー以外に少なくとも1つの短時間エネルギー源が
設けられ、該短時間エネルギー源は、始動過程において始動エネルギーの全部ま
たは一部をスターターに提供する。短時間エネルギー源の充電は、始動準備とし
て、スターターバッテリーから取り出すことによって行なう。パワーエレクトロ
ニクス・モジュールは、スターターバッテリーと短時間エネルギー源の間に接続
され、短時間エネルギー源を充電するためにスターターバッテリーから取り出さ
れる電流値を能動的に変化させる。これら両実施態様の組み合わせも可能であり
、すなわち短時間エネルギー源を補助的にだけ作動させてもよい。この場合スタ
ーターバッテリーは、まず始動準備段階で短時間エネルギー源を充電させる。そ
の後、始動過程において、両エネルギーが始動に提供される。なお、短時間エネ
ルギー源とは、蓄積可能なエネルギー量に対し高出力を放出できるような蓄電器
、換言すれば、高速放電可能な(たとえば0.1分ないし5分のオーダー)蓄電
器である。このような蓄電器としてたとえば高出力コンデンサ、高速ガルヴァー
ニ要素、およびこれらの組み合わせ(たとえばいわゆるUltra-Caps)が挙げられ
る。短時間エネルギー源を使用することの他の利点は、スターターバッテリーか
らスターターへ直接放出することのできる電力が始動過程のために十分でないよ
うなケースにおいて、ほとんどの場合、短時間エネルギー源を十分に充電するた
めに十分なエネルギーがスターターバッテリー内にあることである。パワーエレ
クトロニクス・モジュールの作用により、充電過程はバッテリー温度に依存して
行なわれるので、充電時間が最小になる。この場合短時間エネルギー源は、必要
なエネルギーで充電後、始動に必要な出力を放出する。
スターターバッテリーから取り出すケースに関わる。これに代わる構成が請求項
6であり、スターターバッテリー以外に少なくとも1つの短時間エネルギー源が
設けられ、該短時間エネルギー源は、始動過程において始動エネルギーの全部ま
たは一部をスターターに提供する。短時間エネルギー源の充電は、始動準備とし
て、スターターバッテリーから取り出すことによって行なう。パワーエレクトロ
ニクス・モジュールは、スターターバッテリーと短時間エネルギー源の間に接続
され、短時間エネルギー源を充電するためにスターターバッテリーから取り出さ
れる電流値を能動的に変化させる。これら両実施態様の組み合わせも可能であり
、すなわち短時間エネルギー源を補助的にだけ作動させてもよい。この場合スタ
ーターバッテリーは、まず始動準備段階で短時間エネルギー源を充電させる。そ
の後、始動過程において、両エネルギーが始動に提供される。なお、短時間エネ
ルギー源とは、蓄積可能なエネルギー量に対し高出力を放出できるような蓄電器
、換言すれば、高速放電可能な(たとえば0.1分ないし5分のオーダー)蓄電
器である。このような蓄電器としてたとえば高出力コンデンサ、高速ガルヴァー
ニ要素、およびこれらの組み合わせ(たとえばいわゆるUltra-Caps)が挙げられ
る。短時間エネルギー源を使用することの他の利点は、スターターバッテリーか
らスターターへ直接放出することのできる電力が始動過程のために十分でないよ
うなケースにおいて、ほとんどの場合、短時間エネルギー源を十分に充電するた
めに十分なエネルギーがスターターバッテリー内にあることである。パワーエレ
クトロニクス・モジュールの作用により、充電過程はバッテリー温度に依存して
行なわれるので、充電時間が最小になる。この場合短時間エネルギー源は、必要
なエネルギーで充電後、始動に必要な出力を放出する。
【0021】 請求項7によれば、短時間エネルギー源は、スターターバッテリーの電圧より
も高い電圧で充電される。請求項8によれば、この高い電圧は請求項4に記載の
スターターシステムにおいて中間回路の高電圧またはそれに近い値だけ増大して
いる。すなわちこの構成では、短時間エネルギー源が著しい電圧変換なく直接中
間回路に給電するので、始動過程の確実性、高速性、効率に好ましい。
も高い電圧で充電される。請求項8によれば、この高い電圧は請求項4に記載の
スターターシステムにおいて中間回路の高電圧またはそれに近い値だけ増大して
いる。すなわちこの構成では、短時間エネルギー源が著しい電圧変換なく直接中
間回路に給電するので、始動過程の確実性、高速性、効率に好ましい。
【0022】 請求項3に記載の三相機を備えたスターターシステムの他の構成は請求項9に
記載されている。この場合、スターターバッテリー(または複数個のスターター
バッテリーが設けられている場合はこれら複数個のスターターバッテリーの1つ
)は、通常の低電圧レベル(12Vまたは24V)にあるのではなく、中間回路
の高電圧レベルにある(たとえば48V)。それゆえ、このスターターバッテリ
ーを以下では簡単に「高電圧バッテリー」と記すことにする。自動車の種々の消
費装置、特に照明装置は、一般に低電圧で有利に作動するので、中間回路の電圧
よりも低い、車載回路網の低電圧部分が設けられている。この低電圧部分はたと
えば電圧降下によりスターターバッテリーから中間回路に供給される。放電電流
を設定するためのパワーエレクトロニクス・モジュールは、たとえば高電圧スタ
ーターバッテリーと中間回路の間にある。他の実施の形態では、中間回路と交流
電流器の間にあるインバーターは、中間回路からの所定の放電電流以上の電流を
交流電流に変換しないように構成されている。すなわちインバーターは、放電電
流を能動的に設定するためのパワーエレクトロニクス・モジュールでもある。
記載されている。この場合、スターターバッテリー(または複数個のスターター
バッテリーが設けられている場合はこれら複数個のスターターバッテリーの1つ
)は、通常の低電圧レベル(12Vまたは24V)にあるのではなく、中間回路
の高電圧レベルにある(たとえば48V)。それゆえ、このスターターバッテリ
ーを以下では簡単に「高電圧バッテリー」と記すことにする。自動車の種々の消
費装置、特に照明装置は、一般に低電圧で有利に作動するので、中間回路の電圧
よりも低い、車載回路網の低電圧部分が設けられている。この低電圧部分はたと
えば電圧降下によりスターターバッテリーから中間回路に供給される。放電電流
を設定するためのパワーエレクトロニクス・モジュールは、たとえば高電圧スタ
ーターバッテリーと中間回路の間にある。他の実施の形態では、中間回路と交流
電流器の間にあるインバーターは、中間回路からの所定の放電電流以上の電流を
交流電流に変換しないように構成されている。すなわちインバーターは、放電電
流を能動的に設定するためのパワーエレクトロニクス・モジュールでもある。
【0023】 本発明は、電気スターターと、スターターバッテリーと、スターターバッテリ
ーの温度を測定する装置とを備えた内燃エンジンの始動方法に関するものでもあ
る。この方法は、バッテリー温度を測定し、測定したバッテリー温度に依存して
、低温時には高温時よりも低い最大放電電流を決定し、始動または始動準備の目
的でスターターバッテリーから取り出された放電電流を、最大放電電流値を越え
ないように能動的に制限する。
ーの温度を測定する装置とを備えた内燃エンジンの始動方法に関するものでもあ
る。この方法は、バッテリー温度を測定し、測定したバッテリー温度に依存して
、低温時には高温時よりも低い最大放電電流を決定し、始動または始動準備の目
的でスターターバッテリーから取り出された放電電流を、最大放電電流値を越え
ないように能動的に制限する。
【0024】 次に、本発明をいくつかの実施の形態と添付の図面を用いて詳細に説明する。
【0025】 図において、作用的に同一の部材または類似の部材には同一の符号を付してい
る。
る。
【0026】 図1は、放電電流がバッテリー温度に依存していることを説明する図である。
以下のスターターバッテリーの実施の形態においては、放電電流は始動時に(以
下では詳細に説明しない)パワーエレクトロニクス・モジュールの動作を適宜調
整することにより取り出される。図からわかるように、放電電流の作用は単調増
大作用であり、すなわち低温度では比較的低い値を有し、温度の上昇に伴って増
大するような作用である。「Tmin」と「Tmax」で示した温度値は、バッテリー
が作動可能であるようなバッテリー温度限界値(すなわちたとえば−30℃と+
80℃)である。
以下のスターターバッテリーの実施の形態においては、放電電流は始動時に(以
下では詳細に説明しない)パワーエレクトロニクス・モジュールの動作を適宜調
整することにより取り出される。図からわかるように、放電電流の作用は単調増
大作用であり、すなわち低温度では比較的低い値を有し、温度の上昇に伴って増
大するような作用である。「Tmin」と「Tmax」で示した温度値は、バッテリー
が作動可能であるようなバッテリー温度限界値(すなわちたとえば−30℃と+
80℃)である。
【0027】 図2のスターターシステムは動力車両、たとえば乗用車に対し構成されたもの
である。スターターシステムは内燃エンジン1を有し、内燃エンジン1はトルク
を駆動軸2(たとえば内燃エンジン1のクランク軸)と、クラッチ3と、パワー
トレインの他の(図示していない)部材を介して車両の駆動輪へ放出する。ここ
で述べる始動作用においては、クラッチ3は開いている。駆動軸2には、スター
ターとして用いられる電気機械4、ここでは非同期三相電動機が取り付けられて
いる。電気機械4は、駆動軸2に直接同軸に取り付けられ且つ駆動軸2と相対回
転不能に結合されるローター5と、たとえば内燃エンジン1のケースで支持され
ているステーター6とを有している。スターター4(および以下に詳細に述べる
給電装置とエネルギー蓄積装置)は、内燃エンジン1を直接に(すなわちフライ
ホイール作用またはこれに類似した作用を要することなく)有利に始動できるよ
うに構成されている。また、スターター4と内燃エンジン1の間に増速装置また
は減速装置を配置せず、両者が継続的に連動するようにするのが有利である。ス
テーター6の(図示していない)巻線部には、コンバーター7により、実質的に
任意に設定可能な振幅、位相、周波数を持った電流および電圧が供給される。コ
ンバーター7はたとえば中間回路DCコンバーターであり、実質的に一定の直流
電圧を供給する中間回路から、電子スイッチによりたとえば正弦波の幅を変調し
たパルスを生成する。この幅変調パルスは、電気機械4のインダクタンスにより
平均化されて、所望の周波数、振幅、位相のほぼ正弦状の電流になる。コンバー
ター7は、実質的に、電気機械側のインバーター7a(直流電圧・交流電圧コン
バーター)と、中間直流回路7bと、車載回路網側の昇圧変換器7c(DC−D
C変換器)とから構成されている。昇圧変換器7cは車載回路網8およびスター
ターバッテリー9に接続されている。車載回路網8とスターターバッテリー9と
は低い電圧レベル、たとえば12Vまたは24Vにある。これに対して中間回路
7bは高い電圧にあり、有利には40Vと350Vの間の範囲にある。昇圧変換
器7cは、スターターバッテリー9の始動時に取り出される電気エネルギーを低
電圧レベルから中間回路7bの高電圧レベルへ昇圧する。同時に昇圧変換器7c
は電流制限器としての機能をも果たし、(以下に説明する)制御装置の設定にし
たがって、昇圧された電流(よってスターターバッテリー9の放電電流)がその
都度設定された値を越えないようにする。内燃エンジン1が停止している場合、
スターターバッテリー9は場合によっては車載回路網8の消費装置への給電を行
なう。内燃エンジン1が作動している場合には、電気機械4が発電機としてスタ
ーターバッテリー9の充電と車載回路網8への給電の用を成す。したがって、昇
圧変換器7cは双方向変換器として構成されており、一方では、始動過程のため
に(或いはその準備段階(図3)のために)電気エネルギーをスターターバッテ
リー9から中間回路7bへもたらし、他方発電機作動時にはエネルギーを中間回
路7bから低電圧側へ供給する。すなわち後者の場合、昇圧変換器7cは降圧器
として作動する。インバーター7aはエンジン作動時に中間回路7bの直流電圧
を交流電圧へ変換し、発電機作動時には電気機械4から提供されるエネルギーを
整流後中間回路7bへ供給する。中間回路内に設けたバックアップコンデンサ(
図示せず)は、必要なエッジ勾配を持った高いパルス周波数(有利には20kH
zないし100kHz)の電圧パルスを提供する。スターターバッテリー9、た
とえば従来の硫酸・鉛蓄電池は、その都度現在のバッテリー温度を測定するセン
サ10を備えている。センサは、たとえば正または負の温度係数(PTCまたは
NTC)を持った電気抵抗材のセンサ要素を有しており、このセンサ要素はバッ
テリー9の1個または複数個の電気化学的動作要素と熱伝導接触している。制御
器11は、温度センサ10から提供される温度情報を得て、この温度情報から、
バッテリー電圧の過度な低下を避けるために最大限許される放電電流を算出し、
昇圧変換器7cに対し、低電圧レベルからの大きな電流を中間回路7bへ供給し
ないよう指示を与える。また制御器11は昇圧変換器7cの電圧増大量をも制御
する(これに対応して、発電機作動の場合は、電圧低下量を制御する)。さらに
制御器11はインバーター7aをも制御して、該インバーターに対し、スタータ
ー4に提供されるべき三相電流の振幅、位相、周波数をプリセットする。制御器
11は、このための情報信号を回転角検出器(図示せず)から得て、駆動軸2の
現在の角度位置および回転数を検出することができる。なお制御器11は、従来
の内燃エンジン制御器のすべての機能(特にスロットルバルブ制御、燃料噴射制
御、点火制御等)を持っている。
である。スターターシステムは内燃エンジン1を有し、内燃エンジン1はトルク
を駆動軸2(たとえば内燃エンジン1のクランク軸)と、クラッチ3と、パワー
トレインの他の(図示していない)部材を介して車両の駆動輪へ放出する。ここ
で述べる始動作用においては、クラッチ3は開いている。駆動軸2には、スター
ターとして用いられる電気機械4、ここでは非同期三相電動機が取り付けられて
いる。電気機械4は、駆動軸2に直接同軸に取り付けられ且つ駆動軸2と相対回
転不能に結合されるローター5と、たとえば内燃エンジン1のケースで支持され
ているステーター6とを有している。スターター4(および以下に詳細に述べる
給電装置とエネルギー蓄積装置)は、内燃エンジン1を直接に(すなわちフライ
ホイール作用またはこれに類似した作用を要することなく)有利に始動できるよ
うに構成されている。また、スターター4と内燃エンジン1の間に増速装置また
は減速装置を配置せず、両者が継続的に連動するようにするのが有利である。ス
テーター6の(図示していない)巻線部には、コンバーター7により、実質的に
任意に設定可能な振幅、位相、周波数を持った電流および電圧が供給される。コ
ンバーター7はたとえば中間回路DCコンバーターであり、実質的に一定の直流
電圧を供給する中間回路から、電子スイッチによりたとえば正弦波の幅を変調し
たパルスを生成する。この幅変調パルスは、電気機械4のインダクタンスにより
平均化されて、所望の周波数、振幅、位相のほぼ正弦状の電流になる。コンバー
ター7は、実質的に、電気機械側のインバーター7a(直流電圧・交流電圧コン
バーター)と、中間直流回路7bと、車載回路網側の昇圧変換器7c(DC−D
C変換器)とから構成されている。昇圧変換器7cは車載回路網8およびスター
ターバッテリー9に接続されている。車載回路網8とスターターバッテリー9と
は低い電圧レベル、たとえば12Vまたは24Vにある。これに対して中間回路
7bは高い電圧にあり、有利には40Vと350Vの間の範囲にある。昇圧変換
器7cは、スターターバッテリー9の始動時に取り出される電気エネルギーを低
電圧レベルから中間回路7bの高電圧レベルへ昇圧する。同時に昇圧変換器7c
は電流制限器としての機能をも果たし、(以下に説明する)制御装置の設定にし
たがって、昇圧された電流(よってスターターバッテリー9の放電電流)がその
都度設定された値を越えないようにする。内燃エンジン1が停止している場合、
スターターバッテリー9は場合によっては車載回路網8の消費装置への給電を行
なう。内燃エンジン1が作動している場合には、電気機械4が発電機としてスタ
ーターバッテリー9の充電と車載回路網8への給電の用を成す。したがって、昇
圧変換器7cは双方向変換器として構成されており、一方では、始動過程のため
に(或いはその準備段階(図3)のために)電気エネルギーをスターターバッテ
リー9から中間回路7bへもたらし、他方発電機作動時にはエネルギーを中間回
路7bから低電圧側へ供給する。すなわち後者の場合、昇圧変換器7cは降圧器
として作動する。インバーター7aはエンジン作動時に中間回路7bの直流電圧
を交流電圧へ変換し、発電機作動時には電気機械4から提供されるエネルギーを
整流後中間回路7bへ供給する。中間回路内に設けたバックアップコンデンサ(
図示せず)は、必要なエッジ勾配を持った高いパルス周波数(有利には20kH
zないし100kHz)の電圧パルスを提供する。スターターバッテリー9、た
とえば従来の硫酸・鉛蓄電池は、その都度現在のバッテリー温度を測定するセン
サ10を備えている。センサは、たとえば正または負の温度係数(PTCまたは
NTC)を持った電気抵抗材のセンサ要素を有しており、このセンサ要素はバッ
テリー9の1個または複数個の電気化学的動作要素と熱伝導接触している。制御
器11は、温度センサ10から提供される温度情報を得て、この温度情報から、
バッテリー電圧の過度な低下を避けるために最大限許される放電電流を算出し、
昇圧変換器7cに対し、低電圧レベルからの大きな電流を中間回路7bへ供給し
ないよう指示を与える。また制御器11は昇圧変換器7cの電圧増大量をも制御
する(これに対応して、発電機作動の場合は、電圧低下量を制御する)。さらに
制御器11はインバーター7aをも制御して、該インバーターに対し、スタータ
ー4に提供されるべき三相電流の振幅、位相、周波数をプリセットする。制御器
11は、このための情報信号を回転角検出器(図示せず)から得て、駆動軸2の
現在の角度位置および回転数を検出することができる。なお制御器11は、従来
の内燃エンジン制御器のすべての機能(特にスロットルバルブ制御、燃料噴射制
御、点火制御等)を持っている。
【0028】 図3の実施の形態は、図2のものとほとんど一致しており、反復を避けるため
、一致している点に関しては上記の説明を参照してもらいたい。一見してわかる
相違は、図3の場合、付加的に短時間エネルギー源12、たとえば容量性蓄電器
が設けられていることである。短時間エネルギー源12は、(電気的に見て)中
間回路7b内にある。図示した実施の形態の場合、短時間エネルギー源12は中
間回路と直接接続されているが、他の実施の形態(図示せず)では、短時間エネ
ルギー源12と中間回路7bの間に、短時間エネルギー源12に出入する電流を
能動的に調整する電流制御器が接続される。図2の実施の形態との他の相違点は
、始動過程の実施の方法にある。より厳密に言えば、まずスターターバッテリー
9が始動準備段階で短時間エネルギー源12を充電する。この場合昇圧変換器7
cは、上述したようにバッテリー温度に応じて、スターターバッテリー9から取
り出される電流を制限する(上記実施の形態のように、短時間エネルギー源12
と中間回路7bの間に電流制御装置が設けられている場合には、もちろん電流制
御装置がこの機能を果たす)。その後本来の始動が行なわれるが、この場合短時
間エネルギー源12に蓄積されているエネルギーが使用される。有利な実施の形
態では、スターターバッテリー9は始動過程の間も始動エネルギーに対し寄与す
る。この寄与は、上述したバッテリー温度依存方式においては、昇圧変換器7b
の作用により制限される。なお、図3の制御器11は、始動準備段階における短
時間エネルギー源12の充電機能と他の上記機能とを制御することができるよう
に構成され、プログラミングされている。
、一致している点に関しては上記の説明を参照してもらいたい。一見してわかる
相違は、図3の場合、付加的に短時間エネルギー源12、たとえば容量性蓄電器
が設けられていることである。短時間エネルギー源12は、(電気的に見て)中
間回路7b内にある。図示した実施の形態の場合、短時間エネルギー源12は中
間回路と直接接続されているが、他の実施の形態(図示せず)では、短時間エネ
ルギー源12と中間回路7bの間に、短時間エネルギー源12に出入する電流を
能動的に調整する電流制御器が接続される。図2の実施の形態との他の相違点は
、始動過程の実施の方法にある。より厳密に言えば、まずスターターバッテリー
9が始動準備段階で短時間エネルギー源12を充電する。この場合昇圧変換器7
cは、上述したようにバッテリー温度に応じて、スターターバッテリー9から取
り出される電流を制限する(上記実施の形態のように、短時間エネルギー源12
と中間回路7bの間に電流制御装置が設けられている場合には、もちろん電流制
御装置がこの機能を果たす)。その後本来の始動が行なわれるが、この場合短時
間エネルギー源12に蓄積されているエネルギーが使用される。有利な実施の形
態では、スターターバッテリー9は始動過程の間も始動エネルギーに対し寄与す
る。この寄与は、上述したバッテリー温度依存方式においては、昇圧変換器7b
の作用により制限される。なお、図3の制御器11は、始動準備段階における短
時間エネルギー源12の充電機能と他の上記機能とを制御することができるよう
に構成され、プログラミングされている。
【0029】 図4のスターターシステムは図2の他の変形実施形態であり、主要な構成要素
は図2のものと一致している。反復を避けるため、一致している点に関しては上
記の説明を参照してもらいたい。図2との一見してわかる相違は、ここでは9’
で示したスターターバッテリーが高電圧バッテリーとして構成され、中間回路7
bの高電圧レベル側またはその付近にあることである。電流制御器13がスター
ターバッテリー9’と中間回路7bの間に接続され、上述したようにバッテリー
温度に依存して始動時の放電電流の電流制限を行なう。7c’で示したDC−D
C変換器は、中間回路7bからのエネルギーを、電圧を降下させて低電圧車載回
路網8へ供給する課題しか持っていない。すなわちDC−DC変換器は、純粋に
降圧器として機能する。始動過程は、図2の場合と同様に経過するが、スタータ
ーバッテリー9’が電流を高電圧レベルで提供する点が異なっている。したがっ
て、パワーが同じであれば、必要とする電流は小さいので有利である。さらに、
高電圧設定に伴うロスがない。
は図2のものと一致している。反復を避けるため、一致している点に関しては上
記の説明を参照してもらいたい。図2との一見してわかる相違は、ここでは9’
で示したスターターバッテリーが高電圧バッテリーとして構成され、中間回路7
bの高電圧レベル側またはその付近にあることである。電流制御器13がスター
ターバッテリー9’と中間回路7bの間に接続され、上述したようにバッテリー
温度に依存して始動時の放電電流の電流制限を行なう。7c’で示したDC−D
C変換器は、中間回路7bからのエネルギーを、電圧を降下させて低電圧車載回
路網8へ供給する課題しか持っていない。すなわちDC−DC変換器は、純粋に
降圧器として機能する。始動過程は、図2の場合と同様に経過するが、スタータ
ーバッテリー9’が電流を高電圧レベルで提供する点が異なっている。したがっ
て、パワーが同じであれば、必要とする電流は小さいので有利である。さらに、
高電圧設定に伴うロスがない。
【0030】 他の(図示していない)実施の形態は、図3と図4の組み合わせに対応してい
る。この場合、中間回路7b内に配置されている高電圧バッテリー9’に加えて
、中間回路内には短時間エネルギー源12が配置されている。図3で示したよう
に、短時間エネルギー源12は、始動準備段階において、バッテリー温度に応じ
てバッテリー放電電流を制限しながら高電圧バッテリー9’から充電される。
る。この場合、中間回路7b内に配置されている高電圧バッテリー9’に加えて
、中間回路内には短時間エネルギー源12が配置されている。図3で示したよう
に、短時間エネルギー源12は、始動準備段階において、バッテリー温度に応じ
てバッテリー放電電流を制限しながら高電圧バッテリー9’から充電される。
【0031】 図5のフローチャートは、上記実施の形態の作用をもう一度説明する図である
。ステップS1において始動命令を待つ。短時間エネルギー源を設けた実施の形
態の場合、始動命令が出る前に短時間エネルギー源の予備充電を行なって、始動
過程を短時間エネルギー源充電時間だけ短縮するのも有利である。ステップS2
では、たとえばバッテリー温度センサ10から送られた信号を制御器11で読み
取ることによって、バッテリー温度を測定する。ステップS3で、制御器11は
最大放電電流をバッテリー温度の関数として決定する。ステップS4では、制御
器11は昇圧変換器7cまたは電流制御器13に指示を与えて、前のステップで
決定された最大値よりも大きな放電電流を許容しないようにする。続いて始動ま
たは短時間エネルギー源12の充電を行ない、その際バッテリー放電電流は所定
の制限値以下に留まる。もちろん、高電流が必要でなければ、放電電流は前記制
限値以下に留まることができる。これはたとえば、内燃エンジン1がまだ暖機状
態にある場合、或いは短時間エネルギー源12がまだ部分的にしか充電されてい
ないような場合である。
。ステップS1において始動命令を待つ。短時間エネルギー源を設けた実施の形
態の場合、始動命令が出る前に短時間エネルギー源の予備充電を行なって、始動
過程を短時間エネルギー源充電時間だけ短縮するのも有利である。ステップS2
では、たとえばバッテリー温度センサ10から送られた信号を制御器11で読み
取ることによって、バッテリー温度を測定する。ステップS3で、制御器11は
最大放電電流をバッテリー温度の関数として決定する。ステップS4では、制御
器11は昇圧変換器7cまたは電流制御器13に指示を与えて、前のステップで
決定された最大値よりも大きな放電電流を許容しないようにする。続いて始動ま
たは短時間エネルギー源12の充電を行ない、その際バッテリー放電電流は所定
の制限値以下に留まる。もちろん、高電流が必要でなければ、放電電流は前記制
限値以下に留まることができる。これはたとえば、内燃エンジン1がまだ暖機状
態にある場合、或いは短時間エネルギー源12がまだ部分的にしか充電されてい
ないような場合である。
【図1】 バッテリー温度の関数としての最大放電電流を示すグラフである。
【図2】 スターターシステムの第1実施形態の最も受容な作用ユニットの概略図である
。
。
【図3】 第2実施形態の図2に対応する図である。
【図4】 第3実施形態の図2に対応する図である。
【図5】 始動方法のフローチャートである。
Claims (10)
- 【請求項1】 電気スターター(4)と、 スターターバッテリー(9,9’)と、 スターターバッテリー(9,9’)の温度を測定する装置(10)と、 始動の目的で、または始動準備の目的でスターターバッテリー(9,9’)か
ら取り出される放電電流の値を能動的に調整するパワーエレクトロニクス・モジ
ュール(7c;13)と、 作用ユニット(7c;13)に対し、設定されるべき放電電流値をプリセット
し、バッテリー温度が低い場合は、高温時よりも最大放電電流値が低いようにす
る制御装置(11)と、 を有する内燃エンジン(1)用スターターシステム。 - 【請求項2】 スターター(4)に、スターターバッテリー(9)の電圧よ
りも高い電圧を供給し、放電電流を能動的に調整するためのパワーエレクトロニ
クス・モジュール(7c)が昇圧変換器の作用をも有している請求項1に記載の
スターターシステム。 - 【請求項3】 スターター(4)が三相機であり、その供給電圧は中間回路
(7b)の直流電圧をコンバートすることによって得られる請求項1または2に
記載のスターターシステム。 - 【請求項4】 中間回路の直流電圧がスターターバッテリー電圧よりも高く
、昇圧変換器(7c)がスターターバッテリー(9)と中間回路(7b)の間に
ある請求項2または3に記載のスターターシステム。 - 【請求項5】 始動に必要なエネルギーを、始動過程の間に昇圧変換器(7
c)を介してスターターバッテリー(9)から取り出す請求項2または4に記載
のスターターシステム。 - 【請求項6】 さらに短時間エネルギー源(12)が設けられ、該短時間エ
ネルギー源(12)は、始動過程において始動エネルギーの全部または一部をス
ターター(4)に提供し、短時間エネルギー源(12)の充電は、始動準備とし
て、スターターバッテリー(9,9’)から取り出すことによって行ない、パワ
ーエレクトロニクス・モジュール(7c)がスターターバッテリー(9,9’)
と短時間エネルギー源(12)の間に接続されている請求項1ないし5のいずれ
か一つに記載のスターターシステム。 - 【請求項7】 短時間エネルギー源(12)がスターターバッテリー(9)
の電圧よりも高い電圧で充電される請求項2または6に記載のスターターシステ
ム。 - 【請求項8】 短時間エネルギー源(12)が中間回路(7b)の高電圧レ
ベルまたはそれに近いレベルにある請求項4または7に記載のスターターシステ
ム。 - 【請求項9】 搭載電流網の低電圧部分(8)が設けられ、中間回路電圧が
低電圧部分(8)の電圧よりも高く、スターターバッテリー(9,9’)が、ま
たは複数個のスターターバッテリーが設けられている場合はこれら複数個のスタ
ーターバッテリーの1つが、中間回路(7b)の高電圧レベルにあり、パワーエ
レクトロニクス・モジュール(13)が、始動時に、スターターバッテリー(9
,9’)から中間回路(7b)に供給される電流の大きさを変える請求項3に記
載のスターターシステム。 - 【請求項10】 電気スターター(4)と、スターターバッテリー(9)と
、スターターバッテリー(9,9’)の温度を測定する装置(10)とを備えた
内燃エンジン(1)の始動方法において、 バッテリー温度を測定するステップと、 測定したバッテリー温度の関数として最大放電電流を決定するステップと、 始動または始動準備の目的でスターターバッテリー(9,9’)から取り出さ
れた放電電流を、求められた最大値に能動的に制限するステップと、 を含む前記方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19840819A DE19840819C1 (de) | 1998-09-07 | 1998-09-07 | Startersystem für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors |
DE19840819.6 | 1998-09-07 | ||
PCT/EP1999/006577 WO2000014402A1 (de) | 1998-09-07 | 1999-09-07 | Startersystem für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zum starten eines verbrennungsmotors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002524686A true JP2002524686A (ja) | 2002-08-06 |
Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000569121A Pending JP2002524686A (ja) | 1998-09-07 | 1999-09-07 | 内燃エンジン用スターターシステムおよび内燃エンジンの始動方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6481406B2 (ja) |
EP (1) | EP1112447B1 (ja) |
JP (1) | JP2002524686A (ja) |
DE (2) | DE19840819C1 (ja) |
WO (1) | WO2000014402A1 (ja) |
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US6717291B2 (en) * | 2000-10-10 | 2004-04-06 | Purkey's Electrical Consulting | Capacitor-based powering system and associated methods |
FR2818703B1 (fr) * | 2000-12-22 | 2003-02-07 | Valeo Equip Electr Moteur | Procede et dispositif de commande de l'alimentation d'un moteur electrique de demarreur de vehicule automobile |
DE10103520A1 (de) * | 2001-01-26 | 2002-08-01 | Isad Electronic Sys Gmbh & Co | Generatorsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters eines Asynchrongenerators |
DE10116463A1 (de) * | 2001-04-03 | 2002-10-10 | Isad Electronic Sys Gmbh & Co | System zur Speicherung von elektrischer Energie, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiespeichersystems |
JP3750608B2 (ja) * | 2002-01-23 | 2006-03-01 | トヨタ自動車株式会社 | 車両における蓄電装置の制御装置 |
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