JP2011074828A - エンジンの始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】定電流電源を使用することなく電気二重層コンデンサを充電し、小型かつ廉価なエンジンの始動方法を提供する。
【解決手段】 エンジンに結合されると共に、上記エンジンの始動後に上記エンジンによって発電機として運転され、バッテリ電圧より高い電圧を発生する車載用発電電動機１を有し、上記車載用発電電動機の発生電圧を整流した電圧によって電気二重層コンデンサ３を充電するようにしたものにおいて、上記電気二重層コンデンサにバッテリ６と初期充電回路５とを直列接続し、上記エンジンの始動前に上記電気二重層コンデンサをバッテリ電圧まで初期充電した後、初期充電された上記電気二重層コンデンサを電源として上記車載用発電電動機を電動機として駆動し、上記エンジンを始動させる方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンの始動方法、特に電気二重層コンデンサを用いたエンジンの始動方法に関するものである。

車両で使用される電力用蓄電装置として、回生時のエネルギー回収を主目的として、バッテリ電圧よりも高い電圧を蓄電し、それを利用する目的において電気二重層コンデンサが注目されている。（例えば特許文献１参照）。

電気二重層コンデンサは、カーボン（炭素）を主成分とする電極と、イオンを含む電解質とから構成され、炭素電極の表面に形成されるイオンの吸着層（電気二重層）に電気エネルギーを蓄えるもので、短時間に大電流での充放電が可能で、充電・放電を繰り返しても性能の劣化が少なく、電源として半永久的に使用可能な特徴を有している。

特許第３４１３５２７号 明細書

電気二重層コンデンサの従来の充電方法は、特許文献１に示されるように、定電流電源によって充電を行うものであったため、電気二重層コンデンサを車両に搭載した場合には大型かつ高額な充電用の電子装置が必要となり、小型及び廉価に構成することができないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点に対処するためになされたもので、定電流電源を使用することなく、バッテリと初期充電回路によって車載用発電電動機を電動機として駆動し得る最低限のエネルギーを電気二重層コンデンサに充電し、これを電源として車載用発電電動機を駆動し、車載用発電電動機と結合されているエンジンを始動する方法を提供することを目的とする。

エンジンの始動後はエンジンによって車載用発電電動機が発電機として運転され、その出力電圧によって電気二重層コンデンサがバッテリ電圧より高い電圧に充電され、以後の車載用発電電動機の駆動電源及びその他の機器の電源として使用されることになる。

この発明に係るエンジンの始動方法は、エンジンに結合されると共に、上記エンジンの始動後に上記エンジンによって発電機として運転され、バッテリ電圧より高い電圧を発生する車載用発電電動機を有し、上記車載用発電電動機の発生電圧を整流した電圧によって電気二重層コンデンサを充電するようにしたものにおいて、上記電気二重層コンデンサにバッテリと初期充電回路とを直列接続し、上記エンジンの始動前に上記電気二重層コンデンサをバッテリ電圧まで初期充電した後、初期充電された上記電気二重層コンデンサを電源として上記車載用発電電動機を電動機として駆動し、上記エンジンを始動させるようにしたものである。

この発明に係るエンジンの始動方法は上記のように構成され、定電流電源を使用することなくバッテリと初期充電回路によって充電しているため、初期充電時間としては数時間〜数１０時間が必要となるが、車両の組み付け完了から実際のエンジン始動に至るまでの保管期間を充電時間として有効利用できるので、充電時間の長さは問題にはならず、小型かつ廉価で機器内蔵化を容易に実現し得る構成の初期充電回路を含むエンジンの始動方法を提供することができる。

この発明の実施の形態１によるエンジンの始動方法を説明するためのブロック図である。 電気二重層コンデンサの初期充電の状況を説明するためのタイミングチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるエンジンの始動方法を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１によるエンジンの始動方法を説明するためのブロック図、図２は、電気二重層コンデンサの初期充電の状況を説明するためのタイミングチャートである。

図１に示す三相の車載用発電電動機１が図示しないエンジンに結合されており、エンジンの始動後はエンジンによって発電機として運転され、バッテリ電圧の２〜３倍の交流電圧が発生されるようにされている。ブリッジ整流回路２は上記車載用発電電動機１の各相の電機子巻線に接続された複数の整流素子２１〜２６を有し、車載用発電電動機１の発生電圧を整流して電気二重層コンデンサ３を充電するようになっている。

電気二重層コンデンサ３は、上述のように、カーボン（炭素）を主成分とする電極と、イオンを含む電解質とから構成され、炭素電極の表面に形成されるイオンの吸着層（電気二重層）に電気エネルギーを蓄えるもので、短時間に大電流での充放電が可能で、充電・放電を繰り返しても性能の劣化が少なく、電源として半永久的に使用可能な手段として周知のものである。

この発明は、エンジンの始動前に電気二重層コンデンサ３を車載用発電電動機１の定常時における電圧よりは低いが、車載用発電電動機１を電動機として駆動し得る最低限の電圧であるバッテリ電圧にまで定電流電源を使用せずに初期充電し、初期充電された電気二重層コンデンサ３を電源として車載用発電電動機１を電動機として駆動することによりエンジンを始動させようとするものである。

電気二重層コンデンサ３の初期充電回路５は、電流制限抵抗５１と逆流防止素子５２と経路遮断用スイッチ素子５３とで構成され、初期充電装置５はバッテリ６と電気二重層コンデンサ３とに直列接続されている。
初期充電回路５の逆流防止素子５２は電気二重層コンデンサ３からバッテリ６に向かう電流を阻止する方向に接続された整流素子によって構成されており、経路遮断用スイッチ素子５３は常閉接点を有し、故障が検出された場合には上記常閉接点を開放して初期充電回路５をバッテリ６から遮断するように構成されている。

初期充電はバッテリ６から初期充電回路５を介して電気二重層コンデンサ３に通電することによって行われるが、充電が進行して電気二重層コンデンサ３の電圧がバッテリ６の電圧と同等またはそれ以上に上昇した場合には、逆流防止素子５２の両端電圧が同等または電気二重層コンデンサ側電圧がバッテリ側電圧より高くなるため、充電が自動的に停止され、以後はバッテリ６から無効電力が消費されることはない。また、経時変化等による電気二重層コンデンサ３の自然放電などによる電圧降下に対しては、バッテリ６からの再充電が自動的に行われるため、メンテナンスフリーである。

電圧検出手段７は初期充電回路５の故障を検出する手段で、バッテリ６の電圧を検出する電圧検出１と、電気二重層コンデンサ３の電圧を検出する電圧検出２と、逆流防止素子５２の電流制限抵抗５１側の端子の電圧を検出する電圧検出３と、上記各電圧検出要素１、２、３の検出電圧にもとづいて故障の有無を判断し、故障信号を発生する故障検出回路７１とから構成されている。

故障検出回路７１による故障検出は次のようにして行われる。即ち、電圧検出１と電圧検出２の検出結果を比較し、電圧検出１では所定の電圧が検出されているのに電圧検出２で所定の電圧が検出されていない場合には、経路遮断用スイッチ素子５３が開放状態になっているかまたは初期充電回路５を構成する直列経路の故障を検出することができる。
また、電圧検出１と電圧検出２と電圧検出３の検出結果を比較し、電圧検出１よりも電圧検出２が高く、電圧検出２と電圧検出３とが同等電圧を検出した場合には、逆流防止素子５２のショート故障を検出し判定することができ、それぞれの故障に対応した故障信号を発生する。

スイッチ素子制御回路８は電圧検出手段７の故障検出回路７１からの故障信号を受けて経路遮断用スイッチ素子５３を開放するもので、故障信号を受け取る受信回路８１と、受信回路８１が故障信号を受けた時にオン動作するスイッチ素子８２と、この素子がオン動作した時にオン動作して経路遮断用スイッチ素子５３に開放信号を与えるスイッチ素子８３とから構成されている。なお、図示していないが、受信回路８１が故障信号を受けた時に経路遮断用スイッチ素子５３の開放と共に、故障表示をするようにしてもよい。

図２は、電気二重層コンデンサ３への初期充電時における充電状況を示すタイミングチャートで、横軸は時間（秒）、縦軸は充電率（％）を示す。なお、充電率（％）＝（電気二重層コンデンサ３の電圧）／（バッテリ６の電圧）×100で示される。
横軸に示された記号τは，電流制限抵抗５１の抵抗値と電気二重層コンデンサ３の容量値との積算値となる時定数を示し、２τ〜５τは上記時定数τの２〜５倍の時間を示す。
縦軸の充電率に記載している数値は、横軸のτ〜５τの時に到達する充電比率であり、この値は一般過渡現象理論より容易かつ確実に予測できる。

実線の曲線は、電気二重層コンデンサ３が未充電状態から初期充電回路５を経由してバッテリ６から充電される状態を示している。時間＝０から充電が開始され、時刻τではバッテリ６の電圧の約６３％に、時刻２τでは約８６％に、時刻３τでは約９５％に、時刻５τではほぼ１００％に充電されることを示している。また、破線の曲線は、電流制限抵抗５１の抵抗値と電気二重層コンデンサ３の容量値との積算値が実線時と異なる場合の充電状況を示している。時定数が大の場合に充電時間は長くなるが、τ〜５τ（秒）と充電率（％）との関係は同一である。

初期充電について更に詳しく説明する。電気二重層コンデンサ３の容量値は一般的に数１００Ｆの容量値付近で設定される場合が多いため、ここでは電気二重層コンデンサ３の容量値を２００Ｆとして説明する。次に、電流制限抵抗５１の抵抗値を選定する。この抵抗値選定に関しては電気二重層コンデンサ３の容量値と電流制限抵抗５１の抵抗値の積算値で決定される時定数τにより、充電時間と充電状態（充電率）とが決定されるが、これは図２で説明している。

また、電流制限抵抗５１の発熱も抑制することが必要であるが、その抵抗値としては５０〜５００Ω程度の範囲に成立領域がある。電気二重層コンデンサ３の容量値を２００Ｆ、電流制限抵抗５１の抵抗値を１００Ω、バッテリ電圧を１２Ｖとした場合のデータを例示すると、

充電電流は、（バッテリ電圧）／（抵抗値）＝１２Ｖ／１００Ω≦１２０ｍＡ
時定数τは、（電気二重層コンデンサの容量値）×（抵抗値）＝２００×１００
＝ ２０，０００秒・・・（ ５．５ｈｒ）
従って ３τ＝ ６０，０００秒・・・（１６．５ｈｒ）
５τ＝１００，０００秒・・・（２７．７ｈｒ）となる。
また、発熱量は、（バッテリ電圧／抵抗値）²×（抵抗値）＝0.0144×100≦1.44W
となる。充電率が約９５％となる時定数３τ時点は１６．５ｈｒとなる。

上記のように、この発明によれば定電流電源を使用しないため電気二重層コンデンサ３の初期の充電時間が長くなるが、小型かつ廉価な初期充電方式を含むエンジンの始動方法を実現することができる。初期充電時間としては上述のように、数時間〜数１０時間が必要となるが、車両の組み立て完了から実際のエンジン始動に至るまでの保管期間を充電時間として有効利用できるので、充電時間の長さは問題にはならない。

１ 車載用発電電動機、 ２ ブリッジ整流回路、 ３ 電気二重層コンデンサ、
５ 初期充電回路、 ６ バッテリ、 ７ 電圧検出手段、 ８ スイッチ素子制御回路、 ２１〜２６ 整流素子、 ５１ 電流制限抵抗、 ５２ 逆流防止素子、
５３ 経路遮断用スイッチ素子、 ７１ 故障検出回路、 ８１ 受信回路、
８２、８３ スイッチ素子。

Claims (4)

1. エンジンに結合されると共に、上記エンジンの始動後に上記エンジンによって発電機として運転され、バッテリ電圧より高い電圧を発生する車載用発電電動機を有し、上記車載用発電電動機の発生電圧を整流した電圧によって電気二重層コンデンサを充電するようにしたものにおいて、上記電気二重層コンデンサにバッテリと初期充電回路とを直列接続し、上記エンジンの始動前に上記電気二重層コンデンサをバッテリ電圧まで初期充電した後、初期充電された上記電気二重層コンデンサを電源として上記車載用発電電動機を電動機として駆動し、上記エンジンを始動させるようにしたことを特徴とするエンジンの始動方法。
2. 上記初期充電回路は、電流制限抵抗と逆流防止素子と経路遮断用スイッチ素子とを直列接続して構成され、上記経路遮断用スイッチ素子は常閉接点を有することを特徴とする請求項１記載のエンジンの始動方法。
3. 上記逆流防止素子は、上記電気二重層コンデンサからバッテリに向かう電流を阻止するように接続された整流素子によって構成され、上記電気二重層コンデンサの初期充電による蓄積電圧が上記バッテリと同等またはそれ以上に上昇した場合には初期充電を自動的に停止し、上記蓄積電圧がバッテリ電圧以下に低下した場合には初期充電を自動的に再開することを特徴とする請求項２記載のエンジンの始動方法。
4. 上記電気二重層コンデンサの初期充電の充電時間と、それに対応する充電率を、上記電気二重層コンデンサの静電容量値と上記初期充電回路の電流制限抵抗の抵抗値とで定まる時定数によって設定することを特徴とする請求項２または請求項３記載のエンジンの始動方法。

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