JP2012237225A - エンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な回路構成で電気負荷の最低動作電圧を確保し、瞬断を回避できるエンジン始動装置を提供する。
【解決手段】バッテリ３とスタータモータ２との間に直列接続されたスタータ用電磁スイッチ５と、スタータ用電磁スイッチ５に直列接続された抵抗体６と、抵抗体を短絡する短絡スイッチ７を備えたエンジン始動装置１において、抵抗体６を短絡スイッチ７により短絡してスタータモータ２に通電しているときのバッテリ３の最低電圧値が、抵抗体６を介してスタータモータ２に通電しているときのバッテリ３の最低電圧値よりも大きくすることができない場合には、制御回路８によりスタータ用電磁スイッチ５が閉じてから短絡スイッチ７を閉じるまでの遅延時間を無限大に設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンをスタータモータにて始動させるエンジン始動装置に関するものである。

エンジンを始動する場合、スタータスイッチのコイルに通電を行い、スタータスイッチの固定接点間を閉路することにより、車両用電源からスタータモータへ電力を供給する。そして、スタータモータに回転トルクを発生させ、噛合されたピニオンギヤとリングギヤを介してスタータモータの回転力をエンジンクランク軸へ伝え、エンジンを始動させる。この時、スタータスイッチの閉路時にはまだスタータモータは静止状態であり、逆起電圧が発生していないため、極めて小さいスタータ内部抵抗により数百〜千数百アンペアの突入電流が流れる。その時、車両用電源は内部の固有抵抗により端子電圧が低下する電圧降下を発生する。

このように、エンジンの始動時に於いて、スタータモータ起動時の電流による車両用電源の電圧降下が発生し、その電圧降下により、車両の他の電気機器、例えばステレオ、ナビゲーションシステム、エアコン等の使用時に瞬断を引き起こす問題があった。この瞬断は、通常のエンジンの始動では特に問題にはならないが、アイドリングストップ機能の搭載された車両等では、アイドリングストップ後の再始動を行う際に瞬断が発生し、運転手及び同乗者に不快感を与え、利便性の低下が懸念されている。

これに対し、前記瞬断を防止するために、スタータモータの起動時に流れる突入電流を抑制するための抵抗体を内蔵した電磁スイッチを有するスタータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に示されるスタータは、モータ回路に設けられるメイン接点を開閉する電磁スイッチと、モータ回路にメイン接点と直列に接続される電流抑制抵抗と、この電流抑制抵抗を短絡可能に設けられた短絡用リレーと、この短絡用リレーを遅延作動させるタイマ回路等を備える。タイマ回路は、電磁スイッチに通電した後、短絡用リレーに通電するまでの遅延時間を設定するもので、短絡用リレーの通電時にモータに流れる最大電流値を、電磁スイッチの通電時にモータに流れる最大電流値以下になる様に遅延時間を設定している。

また、電磁スイッチの通電時にモータに流れる最大電流は、モータ逆起電力の影響を受けないので電流値が安定し、これによってバッテリ端子電圧の最低値を設定することで、バッテリ端子電圧の低下に起因する瞬断の発生を防止している。

具体的には、電流抑制抵抗を通じてモータの起動時に流れる突入電流Ａ１、短絡用リレーを短絡した時に流れる電流の最大値Ａ２、及びバッテリの端子電圧は、それぞれ以下の式（１）〜（３）で表される。
突入電流Ａ１＝バッテリ無負荷電圧／（バッテリ内部抵抗＋回路配線抵抗＋モータ抵抗＋電流抑制抵抗）・・・・・・・・（１）
電流の最大値Ａ２＝（バッテリ無負荷電圧−モータ逆起電圧）／（バッテリ内部抵抗＋回路配線抵抗＋モータ抵抗）・・・（２）
バッテリ端子電圧＝バッテリ無負荷電圧−（モータ電流×バッテリ内部抵抗）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
電流の最大値Ａ２を求める式（２）には、モータ逆起電圧Ｅの項が含まれており、Ｅは
以下の式（４）で表されるように、モータの回転数に比例する値である。
Ｅ＝ｋ・Φ・ｎ［Ｖ］・・・（４）
但し、ｋ：モータ定数、Φ：磁束量、ｎ：モータ回転数［ｒｐｍ］

上式のモータ回転数は、モータ負荷、モータ性能劣化等の要因で変動するが、電流抑制抵抗を通じて電流値Ａ１が流れる時のバッテリ端子電圧（電圧値Ｖ１）は比較的安定しやすい。

そこで、特許文献１の開示技術では、短絡用リレーを短絡した時に流れる電流の最大値Ａ２が、電流抑制抵抗を通じてモータの起動時に流れる突入電流Ａ１以下となるように抵抗体通電時間を設定している。

しかし、この構成によると、バッテリ端子電圧の最低値が比較的低く設定されている場合（例えば９Ｖ以上）には有効に作用するが、近年のアイドリングストップ機能の搭載された車両においては、アイドリングストップ中においても電動式パワーステアリングモータ（ＥＰＳモータ）、電圧安定化装置、及びＡＢＳ用ＥＣＵ等にも電力を供給する必要があり、比較的高いバッテリ端子電圧の最低値（例えば１０．５Ｖ以上）が必要となる場合がある。

このような場合、電流抑制抵抗の抵抗値を大きくし、且つ遅延時間を長く設定する必要があるが、前記抵抗の抵抗値を大きくすることによってモータ回転数が低下し、前記抵抗の短絡時には既にモータ回転数が飽和し、それによりモータ逆起電力の増加が見込めない場合があって、短絡によって寧ろモータ電流が増加してしまい、不可避的に前記抵抗の短絡前よりもバッテリ端子電圧が低下してしまうことが考えられる。

特開２００９−２８７４５９号公報

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、安価な回路構成で電気負荷の最低動作電圧を確保し、瞬断を回避できるエンジン始動装置を提供するものである。

この発明に係るエンジン始動装置は、アイドルストップ条件が成立するとアイドルストップを行い、その後再始動条件が成立するとエンジンを再始動させる自動アイドルストップシステムに用いられるエンジン始動装置であって、エンジンを始動させるスタータモータと、前記スタータモータを含む電気負荷に電力供給するバッテリと、前記スタータモータと前記バッテリとの間に直列接続されたスタータ用電磁スイッチと、前記スタータ用電磁スイッチに直列接続され、前記スタータモータに通電される電流を抑制する抵抗体と、前記抵抗体に並列接続され、前記抵抗体を短絡する短絡スイッチと、前記短絡スイッチの動作を制御する制御回路と、を有し、前記抵抗体を介して前記スタータモータに通電しているときの前記バッテリの最低電圧値が、前記電気負荷の動作が可能な所定電圧値よりも高く設定されたエンジン始動装置において、前記抵抗体を前記短絡スイッチにより短絡して前記スタータモータに通電しているときの前記バッテリの最低電圧値が、前記抵抗体を介して前記スタータモータに通電しているときの前記バッテリの最低電圧値よりも大きくすることができない場合に、前記制御回路は、前記スタータ用電磁スイッチが閉じてから前記短絡スイッチを閉じるまでの遅延時間を無限大に設定するものである。

この発明に係るエンジン始動装置によれば、スタータスイッチを閉じることにより電源からスタータスイッチと抵抗体を介してスタータモータに通電することで、スタータへの通電初期の突入電流を抑制し、これによってバッテリ電圧を他の電気負荷の動作が可能な所定電圧値よりも高く確保することができ、加えて、抵抗体を短絡スイッチにより短絡してスタータモータに通電しているときのバッテリの最低電圧値が、抵抗体を介してスタータモータに通電しているときのバッテリの最低電圧値よりも大きくすることができない場合には、制御回路によりスタータ用電磁スイッチが閉じてから短絡スイッチを閉じるまでの遅延時間を無限大に設定することで、抵抗体を短絡スイッチにより短絡してスタータモータに通電しているときのバッテリの最低電圧値においても、電気負荷の動作が可能な所定電圧値よりも高く確保することができる。

この発明の実施の形態１に係るエンジン始動装置の電気回路図である。 この発明の実施の形態１に係るエンジン始動装置の作動を簡略化したタイムチャートである。 この発明の実施の形態１に係るエンジン始動装置の他の作動を簡略化したタイムチャートである。 この発明の実施の形態１に係るエンジン始動装置の更に他の作動を簡略化したタームチャートである。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係るエンジン始動装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態により発明が限定されるものではなく、諸種の設計的変更を含むものである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るエンジン始動装置の電気回路図で、図２〜図４は、実施の形態１によるエンジン始動装置の作動を簡略化したタイムチャートである。なお、図２〜図４の横軸は時間を示し、それぞれバッテリ電圧、スタータモータ電流、スタータモータ回転数を表示している。

図１において、エンジン始動装置１は、エンジン（図示せず）を始動するスタータモータ２と、スタータモータ２に電力を供給する電源であるバッテリ３と、スタータモータ２を始動させるバッテリ３に接続された始動スイッチ４と、スタータ用電磁スイッチ５と、スタータ用電磁スイッチ５の接点端子５ｇ、５ｈを介してスタータモータ２に接続される固定接点５ｅ、５ｆと、固定接点５ｅ、５ｆに直列に接続される抵抗体６と、抵抗体６を短絡するように動作する短絡スイッチ７と、短絡スイッチ７の駆動コイル７ｂに通電させる制御回路８等により構成されている。

スタータ用電磁スイッチ５は、スタータモータ２とバッテリ３との間に直列に接続された固定接点５ｅ、５ｆと、可動接点５ｉを駆動する駆動コイル５ｂと、可動接点５ｉを固定接点５ｅ、５ｆに接触した位置に保持する保持コイル５ｃと、可動接点５ｉに固定されたプランジャ５ｄとを備えている。保持コイル５Ｃは、始動スイッチ４と接地端子ＧＮＤとの間に接続されている。

短絡スイッチ７は、スタータ用電磁スイッチ５とスタータモータ２との間に接続された固定接点７ｅ、７ｆと、可動接点７ｉと、可動接点７ｉを駆動する駆動コイル７ｂと、可動接点７ｉに固定されたプランジャ７ｄ、及び接点端子間の開閉を制御する制御回路８とを備える。なお、短絡スイッチ７の接点端子７ｇ、７ｈ間に抵抗体６の両端子が接続され
て、短絡スイッチ７と抵抗体６とは並列に接続されている。また、駆動コイル７ｂは、制御回路８と接地端子ＧＮＤとの間に接続されており、可動接点７ｉは固定接点７ｅ、７ｆと非接触の位置に保持されている常時開接点である。

次に、前記のように構成された実施の形態１に係るエンジン始動装置の動作について説明する。
図１に於いて、先ず、エンジン始動の第１ステップとして、エンジン始動要求により始動スイッチ４が閉路されると、バッテリ３から始動スイッチ４、スタータ用電磁スイッチ５の駆動コイル５ｂ、及び抵抗体６を経由して、スタータモータ２に電流が供給され始める。

続いて、第２ステップとして、駆動コイル５ｂに通電されたことにより、スタータ用電磁スイッチ５のプランジャ５ｄが駆動され、ある時点Ｔ１に於いて固定接点５ｅ、５ｆが可動接点５ｉにより短絡される。又、これと同時に、バッテリ３から始動スイッチ４を介して保持コイル５ｃに通電され、プランジャ５ｄがその位置に保持される。その結果、スタータ用電磁スイッチ５の固定接点５ｅ、５ｆ間の閉路が維持される。

スタータ用電磁スイッチ５の固定接点５ｅ、５ｆ間が閉路されることにより、スタータモータ２は、バッテリ３から電流が供給されて回転トルクを発生し、スタータモータ２の回転子軸に一方向クラッチを介して結合されたピニオンギヤを、エンジンのクランクシャフトに設けられたリングギヤ側へ移動させてリングギヤに噛合させる。

スタータ用電磁スイッチ５の固定接点５ｅ、５ｆ間が閉路されると、バッテリ３から駆動コイル５ｂに流れていた電流はほぼ消滅し、バッテリ３から閉路されたスタータ用電磁スイッチ５の固定接点５ｅ、５ｆ間、及び抵抗体６を流れる電流Ａのみとなる。

ここで、抵抗体６を通じてモータ２の起動時に流れる突入電流Ａ１、及びその時のバッテリ端子電圧は、以下の式で表される。
突入電流Ａ１＝バッテリ無負荷電圧／（バッテリ内部抵抗＋回路配線抵抗＋モータ抵抗＋抵抗体抵抗）・・・・・・・・（１）
バッテリ端子電圧＝バッテリ無負荷電圧−（モータ電流Ａ１×バッテリ内部抵抗）・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

次に、抵抗体６を通じて通電する場合と、抵抗体６を短絡して通電する場合における、バッテリ端子電圧、スタータ電流、モータ回転数の変化を図２〜４を用いて説明する。
まず、抵抗体６を通じてモータ２を起動する際のバッテリ端子電圧Ｖ１は、他の電気負荷から要求される最低動作電圧以上を確保する必要があるため、式（１）、（３）を用いると必要な突入電流Ａ１、及び抵抗体６の抵抗値を求めることができる。

抵抗体６を通じてモータ２を起動した時点Ｔ１から、抵抗体６を短絡する時点Ｔ２までの、所定時間ｔ１は自由に決めることができるが、このｔ１の値が短すぎると、図２のように抵抗体６を短絡する時点Ｔ２での突入電流Ａ２が、抵抗体６を通じてモータ２を起動した時点Ｔ１での突入電流Ａ1よりも大きくなってしまい、結果として式（３）より抵抗
体６を短絡する時点Ｔ２でのバッテリ端子電圧Ｖ２が、抵抗体６を通じてモータ２を起動した時点Ｔ１でのバッテリ端子電圧Ｖ１よりも小さくなる。
このため、抵抗体６を短絡する時点Ｔ２でのバッテリ端子電圧Ｖ２が他の電気負荷の最低動作電圧を下回ると、時点Ｔ２において瞬断が発生する。

一方で、前記所定時間ｔ1よりも長いｔ２に設定したとしても、図３の場合のようにモ
ータ回転数が既に飽和している場合には、モータ逆起電力の増加が見込めず、抵抗体６を
短絡する時点Ｔ２での突入電流Ａ２が、抵抗体６を通じてモータ２を起動した時点Ｔ１での突入電流Ａ1よりも小さくならず、結果として抵抗体６を短絡する時点Ｔ２でのバッテ
リ端子電圧Ｖ２が、抵抗体６を通じてモータ２を起動した時点Ｔ１でのバッテリ端子電圧Ｖ１よりも大きくすることが出来ない場合がある。

このような場合には、図４のように、抵抗体６を通じてモータ２を起動した後に、抵抗体６を短絡することなくモータ２への通電を継続させるために、制御回路８の所定遅延時間を無限大に設定する。
これにより、抵抗体６を通じてモータ２を起動した時点Ｔ１でのバッテリ電圧Ｖ１と抵抗体６を短絡する時点Ｔ２でのバッテリ端子電圧Ｖ２の、いずれにおいても他の電気負荷の最低動作電圧を確保することができ、瞬断の発生を防止することができる。

これにより、通常のバッテリ状態やスタータ状態では、抵抗体６を短絡することはないので、常時開接点を有する短絡スイッチ７の接点を閉じるような動作が不要となり、短絡スイッチ７の作動回数の低減や長寿命化、消費電力の削減となる。

また、一般にバッテリの劣化によりバッテリ内部抵抗は大きくなり、スタータの劣化においても内部抵抗は増加するため、劣化していない状態と比較して突入電流は小さくなりバッテリの電圧降下が抑制される。よって前記の検討は、バッテリ３やスタータが劣化していない状態で行うだけでよく、劣化後のバッテリ状態やスタータ劣化状態をフィードバックして最適な遅延時間を都度決めることは不要となる。

また、バッテリ３の劣化やスタータの性能劣化が著しく、抵抗体６を短絡せずにモータ２へ通電することで、エンジンの始動に時間がかかってしまう場合、あるいはエンジンを始動するのに必要な回転数に達しない場合には、所定遅延時間ｔ３を設定して、その時点でエンジン回転数が所定値に達していなければ、抵抗体６を即時に短絡するように制御回路８で制御してもよい。

その場合、次回以降の始動時には、抵抗体６を通じてモータ２を起動する時点Ｔ１から、抵抗体６を短絡する時点Ｔ２までの、所定遅延時間をゼロに設定するのが望ましい。
これにより、スタータモータの電流を抑制している時間を最小化し、エンジンを迅速始動することができる。

１ エンジン始動装置
２ スタータモータ
３ バッテリ
４ 始動スイッチ
５ スタータ用電磁スイッチ
５ｂ、７ｂ 駆動コイル
５ｃ 保持コイル
５ｄ、７ｄ プランジャ
５ｅ、５ｆ 固定接点
５ｇ、５ｈ、７ｇ、７ｈ 接点端子
５ｉ、７ｉ 可動接点
６ 抵抗体
７ 短絡スイッチ
７ｅ、７ｆ 固定接点
８ 制御回路

Claims (3)

1. アイドルストップ条件が成立するとアイドルストップを行い、その後再始動条件が成立するとエンジンを再始動させる自動アイドルストップシステムに用いられるエンジン始動装置であって、
   エンジンを始動させるスタータモータと、前記スタータモータを含む電気負荷に電力供給するバッテリと、前記スタータモータと前記バッテリとの間に直列接続されたスタータ用電磁スイッチと、前記スタータ用電磁スイッチに直列接続され、前記スタータモータに通電される電流を抑制する抵抗体と、前記抵抗体に並列接続され、前記抵抗体を短絡する短絡スイッチと、前記短絡スイッチの動作を制御する制御回路と、を有し、前記抵抗体を介して前記スタータモータに通電しているときの前記バッテリの最低電圧値が、前記電気負荷の動作が可能な所定電圧値よりも高く設定されたエンジン始動装置において、
   前記抵抗体を前記短絡スイッチにより短絡して前記スタータモータに通電しているときの前記バッテリの最低電圧値が、前記抵抗体を介して前記スタータモータに通電しているときの前記バッテリの最低電圧値よりも大きくすることができない場合に、
   前記制御回路は、前記スタータ用電磁スイッチが閉じてから前記短絡スイッチを閉じるまでの遅延時間を無限大に設定することを特徴とするエンジン始動装置。
2. 前記アイドルストップ後のエンジン再始動において、所定時間内にエンジン回転数が所定値に達していない場合には、前記制御回路は前記所定時間の経過後、即時に前記抵抗体を短絡することを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
3. 前記抵抗体を短絡する短絡スイッチの接点は、常時開接点であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン始動装置。

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