JP2013529885A - 車両におけるオルタネータスタータのブラシの摩耗を検出する方法 - Google Patents

Abstract

本発明による方法は、エンジン（２）に結合しているオルタネータスタータシステム（１）において実施される。このシステムは、スタータおよびオルタネータとして動作することができる。オルタネータスタータ（３）は、ブラシ（９０）を通して、ロータ（５）の中にある励振コイル（８）に励振電流を供給する励振回路（１０）を備えている。本発明による方法は、システムがオルタネータとして動作している時の励振電流の平均デューティ比を算出するステップと、この平均デューティ比を閾値と比較するステップと、平均デューティ比が閾値を超した時の、ブラシ（９０）の寿命の終末を検出するステップとを備えている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、車両のエンジンに結合しているオルタネータスタータシステムにおけるブラシの摩耗を検出する方法に関する。

車両の製造業者は、特に、市街地環境における、エネルギーの節約、および公害の低減を考慮して、自らのモデルに、自動的な停止／進行機能、または停止／始動機能を備えるようになってきている。

エンジンのこの自動的な停止／進行機能を実行する従来技術によるシステムは、従来のオルタネータの代わりに、オルタネータスタータシステムを設けたシステムであり、巻線ロータを有する同期タイプの可逆回転電気機械を使用している。このようなオルタネータスタータシステムでは、電気機械は、ベルトによって、機械的にエンジンと結合されている。

オルタネータスタータシステムでは、回転電気機械は、エンジンのスタート段階では、電気モータ／スタータモードで動作し、また、車両の電気ネットワークに給電するために、オルタネータモードで動作することができる。

電気モータモードでは、エンジンを起動してスタートさせるためには、一定のトルクを供給しなければならない。電気機械のロータのネットワークに供給するべき励振電流は、オルタネータモードにおける場合より、大幅に多く、そのため、ブラシの摩耗が速められる。

ブラシが寿命の終期になると、ブラシとロータのスリップリングとの間のオーム性接触抵抗が大幅に増加する。オーム性接触抵抗のこの増加は、特に、スタータモードでは、さらなる加熱を引き起こし、電気機械におけるコレクタの劣化を引き起こす可能性がある。

本発明は、車両のエンジンに結合されているオルタネータスタータシステムにおけるブラシ摩耗を検出する方法に関する。このオルタネータスタータシステムは、スタータおよびオルタネータとして動作することができ、回転電気機械、電力回路、励振回路、および制御回路を備えている。回転電気機械は、ステータおよびロータを有し、また励振回路は、電気機械のブラシを通して、ロータの中にある励振コイルに励振電流を供給する。

本発明による方法は、次に示すステップを備えている。
− オルタネータスタータシステムがオルタネータとして動作している時には、励振電流の平均デューティ比を算出するステップ。
− 平均デューティ比を所定の閾値と比較するステップ。
− 平均デューティ比が所定の閾値を超える時の、ブラシの寿命の終末を検出するステップ。

本発明の別の特徴は、平均デューティ比を算出するステップは、励振電流の瞬時デューティ比の低域通過フィルタリングを行うステップ備えていることである。この低域通過フィルタリングは、再帰型ディジタルフィルタリングであることが望ましい。

ある実施形態では、低域通過フィルタリングは、約３０秒の時定数を有する。

本発明の方法の更に別の特徴は、ブラシの寿命の終末が検出された時に、ブラシの寿命の終末を、車両の電子制御ユニットに送信するステップを備えていることである。

本発明の方法の更に別の特徴は、ブラシの寿命の終末が検出された時に、車両の運転者に対して障害情報を送信ステップを備えている。ある実施形態では、この障害情報は、車両のＣＡＮバスを通して送信され、車両の機器パネルの上に表示されることである。

本発明の方法の更に別の特徴は、ブラシの寿命の終末が検出された時に、オルタネータスタータシステムを不活性化するステップを備えていることである。

本発明の方法におけるある特定な実施形態においては、本発明の方法は、オルタネータスタータシステムの制御回路の中で実施される。

本発明の方法における別の特定な実施形態においては、本発明の方法は、車両の電子制御ユニットの中で実施され、この電子制御ユニットは、制御回路と通信するように接続され、制御回路によって送信される励振電流のデューティ比情報を受信するようになっている。

以下、添付図面に示す本発明の種々の実施形態をもって、本発明を説明する。これらの図面は、単に明細書の記載事項を図示するだけを目的とするものであり、いずれの場合にも、本発明の範囲を限定することを意図するものではないということに留意されたい。

車両のエンジンに結合されているオルタネータスタータシステムを示す図であり、本発明の方法は、オルタネータスタータシステムの制御回路の中で実施されている。 車両のエンジンに結合されているオルタネータスタータシステムを示す図であり、本発明の方法は、オルタネータスタータシステムの電子制御ユニットの中で実施されている。 本発明の方法により、ブラシの寿命の終末を検出する、要領を示す図である。 オルタネータスタータのブラシが寿命の終末時における、オルタネータモードの、瞬時デューティ比、およびフィルタリングされたデューティ比の上昇曲線の例を示す図である。

図１Ａを参照して、自動車のエンジン２に結合されているオルタネータスタータシステム１における本発明の第１の実施形態について説明する。

このオルタネータスタータシステム１は、ベルトおよびプーリーからなるトランスミッション４によって、エンジン２に機械的に結合されている可逆電気機械３を備えている。

電気機械３は、シャフト端部７の所で、出力プーリー６と連結されているロータ５を備えている。ロータ５は、回転コレクタ９を通して励振回路１０によって給電されるインダクタ８を有している。ブラシ９０は、回転コレクタ９のスリップリングに接触し、それにより、インダクタ８には、励振回路１０によって励振電流を供給することができる。インダクタ８に供給される励振電流は、ＰＷＭ（パルス幅変調）タイプの電流、すなわち、パルス幅変調電流である。

電気機械３はまた、可逆ＡＣ／ＤＣコンバータ１２によって電流を供給される位相巻線、またはアーマチャ巻線１１を備えている。

制御回路１３は、ロータ５の位置センサ１５によって提供される情報と、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）１７（エンジン制御ユニット等）によって、通信接続１６を通して提供される制御信号とに応じて、電気機械３の電力回路１４を制御する。電力回路１４は、可逆ＡＣ／ＤＣコンバータ１２および励振回路１０を備えている。

ＥＣＵ１７は、専用の結線接続（図示せず）、または、搭載されているＣＡＮタイプのデータ通信バス１９によって、エンジン２の動作パラメータ、および他の状況情報を受信する。

可逆ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、典型的に、ＭＯＳＦＥＴタイプトランジスタブリッジで構成され、このブリッジは、オルタネータスタータシステム１が運転モードで動作している時には、電気機械の位相巻線１１に電流を供給する電流パルスを生成する。この電流パルスの周波数およびパルス幅は、制御回路１３によって制御される。

可逆ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、オルタネータスタータシステム１がオルタネータとして動作している時には、同期整流器として動作する。

本発明においては、制御回路１３は、ブラシ９０の寿命の終末を検出するための、ブラシ摩耗検出ソフトウェアモジュール１３０を備えている。このモジュール１３０は、オルタネータスタータシステム１がオルタネータとして動作する時に活性化される。

オルタネータモードにおいては、励振回路１０は、電圧Ｖｂａｔを制御し、これにより、電圧Ｖｂａｔを設定電圧に等しい値に安定化する。ここでは、この設定電圧は、通信接続１６および制御回路１３を介して、ＥＣＵ１７によって励振回路１０に供給される。これに応答して、ＰＷＭタイプの励振電流に適用されるデューティ比ＤＣ％は、オルタネータモードにおける電気機械の負荷の実効状態に関する情報として、電子制御ユニット１７に送信される。以下では、デューティ比ＤＣ％を、「瞬時デューティ比」と呼ぶことにする。

ブラシ摩耗検出ソフトウェアモジュール１３０は、オルタネータモードの間に瞬時デューティ比ＤＣ％に対して実行した処理に基づいて、ブラシ９０の寿命の終末を検出する。モジュール１３０によってブラシの寿命の終末が検出された場合には、ブラシの寿命の終末信号ＦＶが、モジュール１３０によって供給される。信号ＦＶの情報は、必要に応じてアフターサービスを行うために、制御回路１３の不揮発性メモリの中に記憶しておくことが望ましい。そして、この信号ＦＶは、通信接続１６を通して、ＥＣＵ１７に供給される。ＥＣＵ１７は、ブラシ９０の寿命の終末に関する情報を受け取ると、オルタネータスタータシステム１を不活性化する。更に、ＥＣＵ１７は、例えば、車両の機器パネルの上に障害情報を表示することを、ＣＡＮバス１９を通して命令するにより、アフターサービスを受けるために必要な情報をユーザに対して送信する

次に、図１Ｂを参照して、オルタネータスタータシステム１’における本発明の第２の実施形態について説明する。

図１Ｂにおいて、図１Ａに示した要素と同じ符号を有する要素は、同じ要素であり、これらについては、再度の説明は行わない。

図１Ｂに示す実施形態においては、図１Ａに示す実施形態と同様に、ブラシ摩耗検出ソフトウェアモジュールが設けられている。しかし、このソフトウェアモジュールは、図１Ｂでは、符号１７０で示されており、図１Ｂの中では、制御回路１３’の中ではなく、ＥＣＵ１７’の中に搭載されている。

図１Ｂにおいては、瞬時デューティ比ＤＣ％は、接続制御回路１３’および通信接続１６を介して、ソフトウェアモジュール１７０に供給される。ブラシ摩耗検出ソフトウェアモジュール１７０によって実行される処理は、モジュール１３０によって実行される処理と同様である。モジュール１７０によってブラシ９０の寿命の終末が検出された場合には、信号ＦＶは、モジュール１７０によって、直接にＥＣＵ１７’に供給され、ＥＣＵ１７’は、図１Ａに示す本発明の第１の実施形態に関して上記したのと同様に動作する。

次に、図２および図３を参照して、モジュール１３０および１７０によって実行される処理について説明する。

図２に示すように、モジュール１３０および１７０によって実行される処理は、フィルタリング算出ステップＦＩＬＴ、および比較ステップＣＯＭＰを備えている。

フィルタリング算出ステップＦＩＬＴは、１次低域通過フィルタによるフィルタリングに関し、瞬時デューティ比ＤＣ％の再帰型ディジタルフィルタリングを行い、平均デューティ比Ｆ＿ＤＣ％を求めるステップを備えている。

図３は、デューティ比ＤＣ％と、再帰型フィルタリングＦＩＬＴによって得られた平均デューティ比Ｆ＿ＤＣ％との時間に対する変化を表す曲線を示す。

閾値ＴＨ_FVもまた、図３に示されている。ここで説明する実施形態においては、閾値ＴＨ_FVは、デューティ比６０％に等しく設定されている。本発明の適用形態によっては、閾値ＴＨ_FVを他の値とすることも可能であることは言うまでもない。

オルタネータスタータシステム１、１’のオルタネータモードにおいて、平均デューティ比Ｆ＿ＤＣ％の値が閾値ＴＨ_FV＝６０％を超えると、ブラシの寿命の終末信号ＦＶは活性化される（ＦＶ＝「１」）。

オルタネータスタータにおける一般的な様態として、スタータとして動作するために必要な電力は、オルタネータとして動作するために必要な電力と比較して、大幅に高い。ランデル電気機械タイプの、クローポールロータを有するオルタネータスタータにおいては、ロータのオーム性抵抗は低くなり、これにより、スタータモードでは、大きな励振電流が流れ、これにより、エンジンを始動させるために必要なトルクを得ることができる。

スタータモードにおいては、励振電流のデューティ比ＤＣ％は、ＤＣ％＝１００％まで上昇させることができる。

オルタネータモードにおいては、電気機械のブラシがよい条件にある時には、通常では、デューティ比ＤＣ％は、６０％よりも低い値に維持される。ブラシが摩耗すると、スリップリングとブラシとの間の接触抵抗が増加する。従ってこのことは、電気機械の同じ負荷に対して、また同じ制御出力電圧に対して、デューティ比ＤＣ％は増加するということを意味している。

図３に示すデューティ比ＤＣ％、およびＦ＿ＤＣ％の上昇曲線は、電気機械のブラシが寿命の終末時にある時に得られた曲線の例である。比Ｆ＿ＤＣ％を得るためのフィルタリングの時定数ＣＴは、誤検出の危険を防ぐために、十分に大きな値でなければならない。この例では、時定数は、ＣＴ＝３０秒に設定されている。

図３から分かるように、オルタネータモードに切り替えられた後には、曲線は、約２００秒経った所で、閾値ＴＨ_FV＝６０％と交差している。図３に示すように、電気機械の不活性化の措置を講じない場合には、約４７０秒の所で、電気機械の励振回路の中に開放回路が作り出され、これにより、オルタネータモードが失われることになる。このような状況では、電気機械の不活性化に対するいずれの措置も講じない場合には、その間に、コレクタは劣化してしまう。本発明は、ブラシの摩耗を検出することにより、劣化が生ずる前に電気機械を不活性化すること、また、オルタネータの中に障害が生じていること、および／またはブラシを交換する必要があることを運転者に対して警告することができる。

１、１’ オルタネータスタータシステム
２ エンジン
３ 可逆電気機械
４ トランスミッション
５ ロータ
６ 出力プーリー
７ シャフト端部
８ インダクタ
９ 回転コレクタ
１０ 励振回路
１１ 位相巻線またはアーマチャ巻線
１２ 可逆ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３ 制御回路
１３’ 接続制御回路
１４ 電力回路
１５ 位置センサ
１６ 通信接続
１７、１７’ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１９ データ通信バス
９０ ブラシ
１３０、１７０ ブラシ摩耗検出ソフトウェアモジュール

Claims (10)

1. 車両のエンジン（２）に結合しているオルタネータスタータシステム（１、１’）におけるブラシ摩耗を検出する方法であって、前記オルタネータスタータシステム（１、１’）は、スタータおよびオルタネータとして動作することができ、回転電気機械（３）、電力回路（１２）、励振回路（１０）、および制御回路（１３、１３’）を備え、前記回転電気機械（３）は、ステータ（１１）およびロータ（５）を有し、前記励振回路（１０）は、前記電気機械（３）のブラシ（９０）を通して、前記ロータ（５）の中にある励振コイルに励振電流を供給する方法において、
   − 前記オルタネータスタータシステム（１、１’）がルタネータとして動作している時に、前記励振電流の平均デューティ比（Ｆ＿ＤＣ％）を算出するステップ（ＦＩＬＴ）と、
   − 前記平均デューティ比（Ｆ＿ＤＣ％）を所定の閾値（ＴＨ_FV）と比較するステップと、
   − 前記平均デューティ比（Ｆ＿ＤＣ％）が前記所定の閾値（ＴＨ_FV）を超えたときの、前記ブラシ（９０）の寿命の終末（ＦＶ）を検出するステップとを備えていることを特徴とする方法。
2. 平均デューティ比（Ｆ＿ＤＣ％）を算出する前記ステップ（ＦＩＬＴ）は、前記励振電流の瞬時デューティ比（ＤＣ％）を低域通過フィルタリングするステップ備えていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記低域通過フィルタリングは、再帰型ディジタルフィルタリングであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記低域通過フィルタリングは、約３０秒の時定数を有することを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
5. ブラシの寿命の終末が検出された時には、ブラシの寿命の終末情報（ＦＶ）を、前記車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ１７、１７’）に送信するステップを更に備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ブラシの寿命の終末が検出された時には、障害情報を、車両の運転者に対して送信するステップを更に備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記障害情報は、前記車両のＣＡＮバスを通して送信され、前記車両の機器パネルの上に表示されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. ブラシの寿命の終末が検出された時には、前記オルタネータスタータシステムを不活性化するステップを更に備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記オルタネータスタータシステム（１）の前記制御回路（１３）の中で実施されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ１７’）の中で実施され、前記電子制御ユニット（ＥＣＵ１７’）は、前記制御回路（１３’）と通信するように接続（１６）され、前記制御回路（１３’）によって送信される前記励振電流のデューティ比情報（ＤＣ％）を受信することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。

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