JP4082310B2 - アイドルストップ制御装置 - Google Patents
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Description
本発明はエンジン自動車におけるエンジンの停止再始動装置すなわちアイドルストップ制御装置に関する。
従来、交差点等で自動車が停車した場合にエンジンを自動停止させ、その後の発進開始とともにエンジンを自動再始動させることにより、燃料を節約したり、 排気エミッションを向上させるエンジン自動停止始動装置（アイドルストップ制御装置又はエコラン制御装置とも呼ばれる）が知られている。 このような装置の一例として、下記特許文献１が知られている。
特開２０００−１９２８３０号公報 この種のアイドルストップ制御では、従来の直流始動モータに代えてエンジンと動力授受する交流発電電動機を用い、この交流発電電動機とバッテリとの間の授受電力を双方向直交変換するインバータを設けることが、装置構成の簡素化、耐久性および信頼性向上の点で好適である。
また、インバータを構成する半導体スイッチング素子としては、損失および発熱の低減が容易であり、発電電流を整流するための整流回路を寄生ダイオードにより構成することができ、双方向通電性能を利用して同期整流もできるＭＯＳトランジスタが、回路構成の簡素化の点で好適である。
前述した従来のアイドルストップ制御装置は、通常のパワー半導体装置と同様、インバータの半導体スイッチング素子の温度が所定の許容レベルを超えないように設計する必要があった。
特に、アイドルストップ制御装置では、エンジン始動およびその直後に生じるバッテリ強充電動作の期間（以下、始動充電期間と称するものとする）において、半導体スイッチング素子に最大の電流が流れるという特徴があり、このため、従来においては、この始動充電期間においても半導体スイッチング素子の温度が許容レベルとなるように、半導体スイッチング素子の大きさ、冷却装置の冷却規模を決定していた。
しかしながら、上記のごとく設計したアイドルストップ制御装置のインバータは、大型、高コストとなり、その小型軽量化およびコスト低減が要望されていた。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、動作信頼性の低下を防止しつつインバータの小型軽量化およびコスト低減を実現可能なアイドルストップ制御装置を提供することをその目的としている。
請求項１記載のエンジン自動車の停止再始動装置は、エンジンと動力授受する交流発電電動機と、前記交流発電電動機とバッテリとの間の電流を断続する複数の半導体スイッチング素子を有して前記交流発電電動機と前記バッテリとの間の電力を双方向直交変換することによりエンジン始動動作並びにバッテリ充電動作をなすインバータと、入力される車両状態に基づいてエンジン自動停止動作およびエンジン始動動作を指令するエコラン制御部とを備えるアイドルストップ制御装置において、記各半導体スイッチング素子の温度に関連するインバータ温度関連信号を検出する感温素子を有するインバータ温度検出部を備え、前記エコラン制御部が、前記エンジン自動停止動作により前記エンジンを停止させ、その後、前記エンジン始動動作により前記エンジンを始動させる場合に前記感温素子の検出温度が所定の第１しきい値を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合に前記エンジン自動停止動作を禁止するとともに、前記エンジン運転開始後の前記バッテリ充電動作を実施している場合に前記感温素子の検出温度が前記第１しきい値よりも高い所定の第２しきい値を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合に前記交流発電電動機の発電規制により前記バッテリ充電動作を抑制することをその特徴としている。
これにより、動作信頼性の低下を防止しつつインバータの小型軽量化およびコスト低減を実現可能なアイドルストップ制御装置を提供することができる。
以下、本発明の利点について更に具体的に説明する。この発明では、エンジン自動停止動作後のエンジン始動動作（エンジン再始動動作とも呼ぶ）によりインバータの各半導体スイッチング素子の温度が許容レベルを超えると思われる場合には、たとえエンジン自動停止動作を行う条件が整ったとしてもエンジン自動停止動作を禁止して、エンジンの運転を持続させ、これにより、その後のエンジン始動動作を回避するので、上記エンジン再始動動作時に半導体スイッチング素子が許容できない高温状態となることを防止することができる。
このエンジン自動停止動作の禁止により、各半導体スイッチング素子が高温状態となっている場合におけるエンジン再始動動作を考慮して半導体スイッチング素子およびその冷却系を設計する必要がないので、インバータおよびその冷却系の大幅な小型軽量化およびコストダウンを図ることができ、インバータの車両搭載性の向上、エンジンルーム内の配置の容易化も期待することができる。
更に、このようなインバータ高温状態によるエンジン自動停止動作の禁止状況の発生は、真夏時の市街地走行時など、全車両運転状態のうちのわずかの車両運転状況に限定されるので、このエンジン自動停止動作禁止による不具合としては、わずかな燃料消費およびエミッションの増加のみであり、ほとんど顧慮する必要はない。
つまり、本発明によれば、インバータの半導体スイッチング素子の温度に関連するインバータ温度関連信号を採取する手段を追加するだけで、車両運転上の障害を生じることなく、エンジンルーム収容上、従来無視できないスペースを必要としコストも大きかったインバータの冷却系の小型化、低コスト化を実現でき、更に半導体スイッチング素子の小型化によるその発熱増加にも耐え得るので、インバータ全体の一層の小型化、低コスト化を実現することができるものである。
また、本発明では、検出又は推定又は予想したインバータの温度により、アイドルストップ後のエンジン再始動における各半導体スイッチング素子温度が許容温度を超えないように、前記エンジンの自動停止動作を禁止するとともに、エンジン運転中の発電時（インバータの整流運転時）においても半導体スイッチング素子の温度をモニタしてそれが許容温度を超えないように交流発電電動機の発電量を制御する。
これにより、アイドルストップおよびその後のエンジン再始動動作時におけるインバータの温度保護と、発電時のインバータの温度保護とを同一の回路により実現できるため、回路構成を複雑化することなく一層のインバータの温度保護を行うことができる。
なお、この態様では、発電規制のためのしきい値温度をアイドルストップ規制のためのしきい値温度よりも高く設定している。これにより、アイドルストップ後のエンジン再始動における半導体スイッチング素子の温度上昇により半導体スイッチング素子が劣化又は破損するのを防止することができる。
これにより、アイドルストップおよびその後のエンジン再始動動作時におけるインバータの温度保護と、発電時のインバータの温度保護とを同一の回路により実現できるため、回路構成を複雑化することなく一層のインバータの温度保護を行うことができる。
なお、この態様では、発電規制のためのしきい値温度をアイドルストップ規制のためのしきい値温度よりも高く設定している。これにより、アイドルストップ後のエンジン再始動における半導体スイッチング素子の温度上昇により半導体スイッチング素子が劣化又は破損するのを防止することができる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様１において、前記インバータ温度検出部は、前記半導体スイッチング素子に一体に集積された半導体温度検出回路からなるので、半導体スイッチング素子の温度を正確に検出することができ、信頼性を確保しつつ上記しきい値をシビアに設定することができる。
更に、ＭＯＳトランジスタの寄生接合ダイオードは走行中の発電動作時に、ＭＯＳトランジスタのチャンネル電流はエンジン始動中の電動動作時に用いられるが、ＭＯＳトランジスタの温度を直接計測しているので、インバータのスイッチング素子温度を正確に検出することができる。これに対して、インバータが発電動作時の整流用に特別の整流ダイオードを有する場合には、正確にはインバータのスイッチング素子（トランジスタ）の温度と整流ダイオードの温度を検出する必要があり、構成が複雑となる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様２において、前記インバータ温度検出部は、周囲温度又はエンジン冷却水温度に関する情報と、前記半導体スイッチング素子を流れた電流の履歴に関する情報とから前記インバータ温度関連信号を形成する。
本発明のアイドルストップ制御装置は従来のアイドルストップ制御装置に比較して半導体スイッチング素子の温度を検出するための手段を追設する必要がある。しかし、半導体スイッチング素子の温度は、車両のエンジン制御において通常検出される周囲温度やエンジン冷却水温度と、半導体スイッチング素子を最近流れた電流量の履歴により、予め設定乃至記憶する半導体スイッチング素子の放熱等価回路モデルから推定することができる。また、上記半導体スイッチング素子の電流は、インバータ制御において通常検出するパラメータであり、この電流の履歴は半導体スイッチング素子の発熱の程度に正相関を有する。
したがって、インバータの放熱源としての空気温度を含むインバータの周囲温度やエンジン冷却水温度と電流履歴と予め記憶する半導体スイッチング素子の放熱等価回路モデルとから半導体スイッチング素子の温度を推定することができる。これにより、半導体スイッチング素子の温度を直接検出する温度センサの代わりにエンジン制御又はインバータ制御のための既存のセンサの信号を流用することができ、装置構成の一層の簡素化、低コスト化を図ることができる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様３において、前記インバータは、空冷構造を有している。空冷構造をもつインバータでは半導体スイッチング素子の放熱のための放熱フィンやヒートシンクの重量がインバータ全体重量の大きな部分を占めることが通常である。したがって、本発明の採用によりインバータ空冷構造としての放熱フィンやヒートシンクの小型化、軽量化を実現することができる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様４において、前記インバータは、エンジン冷却水により冷却され、前記エコラン制御部は、入力される前記エンジン冷却水の温度が所定レベルを超える場合に前記エンジン自動停止動作を禁止する。
このようにすれば、エンジン冷却水（正確にはラジエータで冷却された冷却水）の温度が高温となってそのインバータ冷却能力が劣化した場合にエンジン自動停止動作を禁止するので、通常のエンジン制御において検出するエンジン冷却水温度を利用することによりセンサの追設を回避することができる。なお、エンジン冷却水温度の他に空気温度や車速など、インバータ冷却に相関を有する他のパラメータを更に用いることも可能である。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様５において、前記インバータは、前記各半導体スイッチング素子は、回路基板に実装され、前記インバータ温度検出部は、前記回路基板に実装される前記感温素子を有する。このようにすれば、各半導体スイッチング素子にそれぞれ温度検出機能を追加する必要がないため、回路構成を簡素化することができる。すなわち、各半導体スイッチング素子が発生した熱は、好適にはセラミック製の回路基板を通じて、又は、この回路基板に密着された封止樹脂を通じて、この回路基板に実装された感温素子に伝達されるために、少ない感温素子によりすべての半導体スイッチング素子の温度を良好に推定することが可能となる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様６において、前記各半導体スイッチング素子は、吸熱用又は伝熱用のヒートシンクに密着され、前記感温素子は、前記ヒートシンクに密着されている。このようにすれば、少ない感温素子により精密に各半導体スイッチング素子の温度を推定することができる。さらに説明すると、各半導体スイッチング素子は小さい伝熱抵抗を通じてヒートシンクに密着されるので、回路基板に実装された感温素子をこのヒートシンクに密着させることにより各半導体スイッチング素子の温度上昇を素早く感温素子により検出することができる。
ここで言うヒートシンクとは、半導体スイッチング素子をなす半導体チップ（ダイ）に密着されて半導体スイッチング素子が発生した熱を吸収したり、外部の冷熱源に伝達する金属部材を意味するものとする。したがって、半導体スイッチング素子に接合されてこれら半導体スイッチング素子の電極をなす金属部材も本発明でいうヒートシンクである。感温素子はヒートシンクに直接密着させてもよく、あるいは優れた伝熱特性をもつ伝熱部材を通じて間接的に密着させてもよい。たとえば、セラミック製の回路基板の上に感温素子を実装し、良熱伝導性の接着部材で上記ヒートシンクに接合することができる。また、上記伝熱部材として、インバータの各半導体スイッチング素子を接続するバスバーを採用することもできる。
ヒートシンクは、各半導体スイッチング素子に密着する受熱部と、冷熱源（外気への放熱面や液体への放熱面やモータハウジングへの放熱面）との間で温度差をもつので、感温素子はヒートシンク各部のうち、できるだけ高温側すなわち半導体スイッチング素子の近傍に密着させることが好ましい。しかし、重要なことは、感温素子自体はインバータの回路基板に実装されることである。これにより、感温素子の実装が容易となり、その配線に回路基板のプリント配線層を利用することができるため製造工程の簡素化と配線構造の簡素化を実現することができる。
半導体スイッチング素子の電極をなす金属部材をここでいうヒートシンクとする場合、インバータを構成する複数の半導体スイッチング素子の電極のうち、プラス直流電圧が印加されるプラス直流電極部材、マイナス直流電圧が印加されるマイナス直流電極部材、各相の交流電圧が生じる各相の交流電極部材をここでいうヒートシンクとみなすことができる。すなわち、感温素子をこれらプラス直流電極部材、マイナス直流電極部材、各相の交流電極部材に密着させることができる。これら電極部材と感温素子との間の電気的絶縁のためにそれらの間に電気絶縁材たとえば樹脂フィルムを介在させることもできる。ただし、感温素子が樹脂モールドされている場合には感温素子のこの樹脂モールド部分をこれら電極部材に直接密着させてもよい。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様７において、前記インバータは、前記交流発電電動機のハウジングに固定されている。このようにすれば、インバータと交流発電電動機との間の配線距離を短縮することができるので、配線重量およびスペースの節約と配線損失の低減を実現することができ、配線に流れる高周波電流によるノイズを低減することができる。このようなインバータ一体型交流発電電動機では、交流発電電動機自体が発熱するために交流発電電動機の温度がその許容温度を超過する場合がある。この態様によれば、インバータが交流発電電動機のハウジングに固定されているために、インバータの回路基板に実装された感温素子は交流発電電動機の温度自体も検出することができる。このため、半導体スイッチング素子の温度自体は許容温度範囲であっても交流発電電動機の温度が許容レベル以上となった場合でも感温素子により、それを検出してアイドルストップの停止を行うことができる。なお、インバータ一体型交流発電電動機において、半導体スイッチング素子自体に感温素子を集積した場合においても、この感温素子は交流発電電動機の温度を検出することができる。
好適な態様において、感温素子は、ヒートシンクを通じて各半導体スイッチング素子に良好に熱的に結合されるとともに、ヒートシンクを通じて交流発電電動機のハウジングとも良好に熱的に結合される。これにより、感温素子は各半導体スイッチング素子の温度と交流発電電動機の温度の両方を良好に検出することができる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様８において、前記エンジンを始動させるスタータを備え、前記エコラン制御部は、前記エンジン自動停止動作により前記エンジンを停止させた後、前記エンジン始動動作により前記エンジンを始動させる場合に前記エンジン停止後の前記インバータの温度が所定しきい値を超えたかどうかを前記インバータ温度関連信号に基づいて判定し、超えたと判定した場合にその後の前記エンジンの始動を前記スタータにより実施する。
すなわち、この態様によれば、アイドルストップなどによりエンジン停止させた後の実際の温度を上述したアイドルストップ規制用の感温素子によりさらにモニタし、検出温度に基づいて、その後のエンジン再始動における半導体スイッチング素子の予想到達温度が許容温度を超えるかどうかを判定し、超える場合にこのインバータ駆動による交流発電電動機のエンジン再始動動作を禁止し、エンジン再始動が必要となった場合にのみエンジン始動用のスタータを駆動してエンジンを始動する。このようにすれば、万が一、エンジン停止後の半導体スイッチング素子の温度が異常高温となってしまった場合でも支障なくエンジン始動を実現することができる。また、通常、ブラシを有する直流モータにより構成されるスタータをアイドルストップの度に駆動することもなく、スタータの消耗も防止することができる。なお、このスタータ駆動において、交流発電電動機を通常よりも小さい電流にてエンジン始動動作させることによりインバータの半導体スイッチング素子の過熱を防止しつつ、スタータの負担を減らすこともできる。
請求項１記載のアイドルストップ制御装置の好適態様９おいて、前記エコラン制御部は、前記交流発電電動機の発電時に前記半導体スイッチング素子をなすＭＯＳトランジスタを断続制御して同期整流を行わせる。前記しきい値は、前記エンジン自動停止動作後に実施される前記エンジン始動動作および前記エンジン始動動作後の前記バッテリ充電動作により前記ＭＯＳトランジスタの温度が所定許容温度を超えない値に設定される。
すなわち、整流動作をＭＯＳの寄生ダイオードで行うのではなく、前期交流発電電動機の発電電流がバッテリを充電させる向きに電流が流れるタイミングで各ＭＯＳをオンさせて発電電流を寄生ダイオードではなくＭＯＳチャンネル部分を流すことで整流損失を低減させる。これにより、アイドルストップ直前の発電時におけるインバータ温度の低減を実現することができ、その結果として、外気温度が高くてもアイドルストップとその後のエンジン再始動におけるインバータの温度上昇により良好に耐えることが可能となる。しかし、この場合も、一般のＩＧＢＴと整流ダイオードを組み合わせたインバータと異なり、走行中における発電動作とアイドルストップ後の再始動動作時のスイッチング素子が同一であるため、本案のように発電中の温度でエンジン自動停止動作を禁止することで、半導体スイッチング素子の過熱を防止することができる。
本発明のアイドルストップ制御装置の好適な実施態様を図面を参照して以下に具体的に説明する。
実施例１のアイドルストップ制御装置のブロック図を図１に示す。
このアイドルストップ制御装置は、エコラン制御部１およびインバータ内蔵型の交流発電電動機装置２からなり、交流発電電動機装置２はバッテリ３と電力授受する。
エコラン制御部１は、図示しないエンジンを自動停止又は再始動させるための指令を送信するエンジン自動停止再始動用の電子制御装置からなり、本発明でいうエコラン制御部を構成している。エコラン制御部１は、車速情報やブレーキ情報などの車両情報および後述する温度検出回路２７からのインバータ温度関連信号に基づいてエコラン動作（エンジン自動停止動作およびエンジン再始動動作）を行うべきかどうかを判定し、エコラン動作を行うべきであると判定した場合にエコラン動作指令（エンジン自動停止動作指令およびエンジン再始動動作指令）を交流発電電動機装置２に出力する。エコラン制御部１の細かいエコラン制御演算（エコラン条件判定）自体は本発明の要旨ではないので説明を省略する。
交流発電電動機装置２は、交流発電電動機２１、インバータ２２、ゲートコントローラ２３、電動発電コントローラ２４、励磁駆動コントローラ２５、回転センサ２６、温度検出回路２７を有している。インバータ２２は、その各アームが寄生接合ダイオードをもつＭＯＳトランジスタ２２０によりそれぞれ構成された三相インバータ回路からなる。
交流発電電動機２１は、界磁コイル型三相同期機であって、そのステータコイルはインバータ２２を介してバッテリ３に電力授受可能に接続され、その界磁コイルは励磁駆動コントローラ２５を介してバッテリ３に電力授受可能に接続されている。
電動発電コントローラ２４は、エコラン制御部１からのエンジン自動停止動作指令およびエンジン再始動動作指令に基づいてゲートコントローラ２３にこれらの動作指令に対応する動作を指令する。すなわち、ゲートコントローラ２３は、エンジン自動停止動作指令入力時にインバータ２２のＭＯＳトランジスタ２２０をすべてオフし、エンジン再始動動作指令入力時にインバータ２２の各ＭＯＳトランジスタ２２０を回転センサ２６からの入力角度信号に基づいて決定されるタイミングにて周期的に断続制御して交流発電電動機２１を電動動作させる。さらに、発電動作時に、インバータ２２の各ＭＯＳトランジスタ２２０をＭＯＳトランジスタ２２０を流れる電流又はＭＯＳトランジスタ２２０の電極電圧の比較結果に基づいて決定されるタイミングにて周期的に断続制御して公知の同期整流を行う。
温度検出回路２７は、図２に示すように、ＭＯＳトランジスタ２２０を構成する半導体チップのソース電極側表面の一部領域に設けられたPN接合ダイオード２７１、定電流回路（図示せず）、電圧増幅回路（図示せず）、A/Dコンバータ（図示せず）などを有し、PN接合ダイオード２７１に定電流を流してその電圧降下を電圧増幅した後、デジタル信号（本発明でいうインバータ温度関連信号）に変換してエコラン制御部１に定期的に送信する。エコラン制御部１は受信したデジタル信号に基づいて演算を行ってPN接合ダイオード２７１の温度すなわちＭＯＳトランジスタ２２０の温度を検出する。なお、上記した温度検出回路２７の回路構成は、単なる一例であり、公知である半導体IC内蔵型の種々の温度検出回路を適用してもよいことは当然である。
インバータ２２は、図３に示す模式断面図からわかるように、電気絶縁性の回路基板２２１上に実装された３つの上アーム側のＭＯＳトランジスタ２２０と、図示しない３つの下アーム側のＭＯＳトランジスタ２２０とを有している。上記した温度検出回路２７をすべてのＭＯＳトランジスタ２２０に設けて各デジタル信号をそれぞれエコラン制御部１に送信してもよく、一部たとえば上アーム側の３つのＭＯＳトランジスタ２２０にだけ温度検出回路２７を設けて３つのデジタル信号をそれぞれエコラン制御部１に送信してもよく、又はどれか一つのＭＯＳトランジスタ２２０に設けて一つのデジタル信号をエコラン制御部１に送信してもよい。
図３において、回路基板２２１はアルミニウム又はその合金又は銅により形成された冷却フィン２２２付きのヒートシンク２２３に密着されている。ヒートシンク２２３の上面周囲には樹脂製の側枠部２２４が固定され、側枠部２２４の上端開口は蓋板２２５により閉鎖されて、通常のパワー半導体装置が形成されている。
交流発電電動機２１の回転軸は図示しないエンジンのクランク軸に動力授受可能に連結されている。この種の交流発電電動機装置２の電動動作（エンジン始動動作）および発電制御動作自体はもはや周知であるので、これ以上の説明は省略するものとする。
エコラン制御部１により実施されるこの実施例のエコラン制御を図４に示すフローチャートを参照して以下に説明する。
まず入力情報に基づいてエコラン条件が成立したかどうかを判定し（Ｓ１）、成立したら温度検出回路２７から入力されたデジタル信号に基づいてＭＯＳトランジスタ２２０の温度を検出又は演算する（Ｓ２）。なお、このとき、複数のＭＯＳトランジスタ２２０の温度を読みとる場合にはそれらの温度のうちで最高温度のものをインバータ温度とすることができる。
次に、検出したインバータ温度がしきい値温度１１０℃以下かどうかを判定し（Ｓ３）、インバータ温度がしきい値温度１１０℃を超えていればエンジン自動停止（アイドルストップ）動作を禁止する指令を発して（Ｓ４）、エコラン制御のためのこのルーチンを終了する。逆に、インバータ温度がしきい値温度１１０℃以下であれば、エンジン自動停止動作を指令し（Ｓ５）、エンジン再始動動作条件が整うまで待機し（Ｓ６）、エンジン再始動動作のための条件が整ったら交流発電電動機２１の始動を交流発電電動機装置２に指令する（Ｓ７）。次に、入力されるエンジン回転数などにより始動完了と判定できたら（Ｓ８）、交流発電電動機装置２にエンジン再始動動作の終了を指令する（Ｓ９）。エンジン再始動動作が終了し、交流発電電動機２１が所定回転数以上となれば、交流発電電動機２１の発電電圧がバッテリ電圧を上回る状態となり、インバータ２２の各寄生接合ダイオードは自動的に三相全波整流動作を行う。これにより、上記エンジン再始動動作により消耗したバッテリ３は定常電圧状態まで再度充電される。この発電状態においては、インバータ２２に公知の同期整流制御指令を与えて、各ＭＯＳトランジスタ２２０を断続制御し、インバータ２２の整流損失を低減することもできる。この発電動作時において、励磁駆動コントローラ２５はバッテリ電圧を所定目標レベルに収束させる公知の励磁電流断続制御用スイッチング素子（図示せず）のデューティ制御を行う。
以上のエコラン制御によれば、インバータ温度が高い場合にエンジン自動停止（アイドルストップ）を禁止する制御を行うので、インバータ２２の冷却能力を従来よりも格段に低減することができ、その結果として交流発電電動機装置２の小型軽量化を実現することができる。
この実施例の効果を図５に示すタイミングチャートを参照して以下に説明する。図５において、時点ｔ１、ｔ３において車速が０となる。時点ｔ１においてはインバータ２２の温度T1がしきい値温度１１０℃以下であるので、エンジン自動停止動作を行い、その後の発進時点ｔ２においてエンジン再始動動作を行う。
しかし、このエンジン再始動動作およびその後の大発電動作による温度上昇の結果としてインバータ２２の温度T2がしきい値温度１１０℃を超えている時点Ｔ２では、車速が０となったにもかかわらず、次のエンジン自動停止動作を禁止する。この時、もしもエンジン自動停止動作を行ってしまうと、破線で示すように、その後の時点ｔ４にて行われるエンジン再始動動作又はその後の大発電動作によりインバータ２２の温度がその絶対最高許容温度を超えてしまい、ＭＯＳトランジスタ２２０に対する悪影響を回避することができなくなる。
しかし、このエンジン再始動動作およびその後の大発電動作による温度上昇の結果としてインバータ２２の温度T2がしきい値温度１１０℃を超えている時点Ｔ２では、車速が０となったにもかかわらず、次のエンジン自動停止動作を禁止する。この時、もしもエンジン自動停止動作を行ってしまうと、破線で示すように、その後の時点ｔ４にて行われるエンジン再始動動作又はその後の大発電動作によりインバータ２２の温度がその絶対最高許容温度を超えてしまい、ＭＯＳトランジスタ２２０に対する悪影響を回避することができなくなる。
この実施例のインバータ２２（図３）と同じ交流発電電動機装置２に適用されていた従来のインバータ２２の模式断面図を図６に示す。図３に示すこの実施例のインバータ２２に比較して、ヒートシンク２２３および冷却フィン２２２はそれぞれ約２倍以上の重量および必要スペースの増加が必要となっていた。
実施例２を以下に説明する。
上記説明した実施例１では、ＭＯＳトランジスタ２２０の温度を直接検出することによりエンジン自動停止動作の可、不可を決定したが、その代わりに、周囲温度に基づいてそれを行うことも可能である。
たとえば、インバータを空気冷却する場合には、図４に示すフローチャートのステップS2においてインバータの周囲温度（外気温度やモータ温度でもよい）を読み込み、ステップS3にて外気温度が所定しきい値を超えれば、ステップS4にてエンジン自動停止動作を禁止することができる。このようにすればＭＯＳトランジスタ２２０の過熱が生じやすいたとえば真夏時の渋滞走行におけるエンジン再始動動作およびその後の大発電動作によるＭＯＳトランジスタ２２０の過熱を防止しつつインバータ２２の小型化を実現することができる。このようにすれば、外気温度は通常のエンジン制御において検出するパラメータであるので、センサ増設を省略することができる。さらに、検出した周囲温度と、インバータに流れる電流の直前の所定期間の履歴に基づいてインバータ温度（半導体スイッチング素子温度）を所定の計算式を用いて推定し、この推定温度に基づいてアイドルストップの可否を判定してもよい。
実施例３を以下に説明する。
上記説明した実施例１では、ＭＯＳトランジスタ２２０の温度を直接検出することによりエンジン自動停止動作の可、不可を決定したが、その代わりに、図７に示すようにＭＯＳトランジスタ２２０が搭載される回路基板２２１にサーミスタなどの感温素子２７１を設けてその検出温度をＭＯＳトランジスタ２２０の温度としてもよく、あるいは検出温度とその変化からＭＯＳトランジスタ２２０の温度を所定の計算式から推定してもよい。
その他、感温素子２７１をヒートシンク２２３（図３又は図７参照）に固定してもよく、あるいは感温素子２７１を回路基板に実装し、この感温素子２７１の樹脂被覆表面とヒートシンク２２３の表面とにアルミ部材（図示せず）を密着させ、ＭＯＳトランジスタ２２０の熱をヒートシンク２２３、アルミ部材を順次介して感温素子２７１に伝達してもよい。
図７に示すように回路基板２２１に感温素子２７１を設ける場合、この感温素子２７１はＭＯＳトランジスタ２２０に近接配置することが好ましい。これにより、比較的高精度にＭＯＳトランジスタ２２０の温度を検出することができるとともに、感温素子２７１の出力信号を増幅、補正する温度検出回路も回路基板２２１上に実装することができるため、配線を簡素化することができる。また、感温素子２７１の検出温度に所定の温度だけ加算した温度をＭＯＳトランジスタ２２０の温度としてもよい。同様に、ＭＯＳトランジスタ２２０が搭載されるブスバーの温度を検出してもよく、またヒートシンク２２３に流す空気温度又はヒートシンク２２３から出た空気温度を検出してもよい。
実施例４を以下に説明する。
上記説明した実施例１では、インバータ２２を空気冷却したが、ラジエータで冷却されたエンジン冷却水やインバータ冷却専用の冷却液によりインバータを冷却することもできる。この場合、ＭＯＳトランジスタ２２０の温度を直接検出することなくエンジン冷却水温度に基づいてアイドルストップの可否を判定してもよい。
すなわち、図４に示すフローチャートのステップS2においてエンジン冷却水温度を読み込み、ステップS3にてエンジン冷却水温度が所定しきい値を超えれば、ステップS4にてエンジン自動停止動作を禁止することができる。このようにすればＭＯＳトランジスタ２２０の過熱が生じやすいたとえば真夏時の渋滞走行におけるエンジン再始動動作およびその後の大発電動作によるＭＯＳトランジスタ２２０の過熱を防止しつつインバータ２２の小型化を実現することができる。
このようにすれば、冷却水温度は通常のエンジン制御において検出するパラメータであるので、センサ増設を省略することができる。
（変形態様）
上記した空気温度やエンジン冷却水温度のような外部吸熱源の温度に加えて、交流発電電動機２１の電流の履歴を検出し、これらの情報から現在のＭＯＳトランジスタ２２０の温度を推定してもよい。なお、交流発電電動機２１の電流の履歴は、電流センサの出力信号に基づいて演算して形成することができる他、回転数、バッテリ電圧、発電電圧、励磁駆動コントローラ２５のオンデューティ比、前回のエンジン再始動動作からの経過時間などに基づいて推定することができる。
（変形態様）
上記した空気温度やエンジン冷却水温度のような外部吸熱源の温度に加えて、交流発電電動機２１の電流の履歴を検出し、これらの情報から現在のＭＯＳトランジスタ２２０の温度を推定してもよい。なお、交流発電電動機２１の電流の履歴は、電流センサの出力信号に基づいて演算して形成することができる他、回転数、バッテリ電圧、発電電圧、励磁駆動コントローラ２５のオンデューティ比、前回のエンジン再始動動作からの経過時間などに基づいて推定することができる。
つまり、このインバータ２２の温度が最も高くなるのは、周囲温度が高く、かつ、頻繁にエンジン再始動動作を行う場合であり、前回のエンジン再始動動作時点から所定時間経過した時点で最高となり、その後、徐々に低下するので、周囲温度が所定レベル以上であれば、前回のエンジン再始動動作開始時点から所定の待機時間ΔTが経過するまではエンジン自動停止動作を禁止すれば、実施例１と同じくインバータ２２の過熱を回避しつつインバータ２２の小型化を実現することができる。
更に、周囲温度に応じて、上記待機時間ΔTを調節することも可能である。たとえば、周囲温度が高い場合には待機時間ΔTを長く設定して前回のエンジン再始動動作およびその後の大発電動作によるインバータ２２の一時的な温度上昇の影響が薄れるのを待ち、周囲温度が低い場合には待機時間ΔTを短縮すればよい。
実施例５を図９を参照して説明する。図９は、インバータ２２を交流発電電動機２１に固定した例を示す。
図７において、交流発電電動機２１は、ハウジング２１４に固定されたステータ２１０と、ハウジング２１４に回転自在に支持される回転軸に固定されるロータ２１３とを有する周知のランデルポール型同期機である。２１１はステータ２１０のステータコイル、２１２はロータ２１３に巻装された界磁コイルすなわちロータコイルである。２１６はロータ２１３の端面に固定された遠心ファン、２１５は回転軸の前端に固定されたプーリである。
インバータ２２は、ハウジング２１４の後端外壁に固定されている。インバータ２２は、略円盤状のヒートシンク２２３、このヒートシンク２２３上に直接固定されたＭＯＳトランジスタ２２０、ヒートシンク２２３上に固定されたプリント配線層をもつ回路基板２２５を有し、回路基板２２５上には制御IC２２６およびサーミスタからなる感温素子２７１を有している。制御ＩＣ２２６は、ＭＯＳトランジスタ２２０の制御や感温素子２７１の出力補正などを行う集積回路である。
２２４はヒートシンク２２３の全外周に固定された側枠部、２２７はヒートシンク２２３の全内周に固定された側枠部であり、ヒートシンク２２３は側枠部２２４を介してハウジング２１４の後端外壁に固定されている。これら側枠部２２４、２２７とヒートシンク２２３とにより囲まれたリング上の凹部に封止用の樹脂２２８が注入され、樹脂２２８はＭＯＳトランジスタ２２０、制御ＩＣ２２６および感温素子２７１を封止している。
ヒートシンク２２３を覆って樹脂カバー２２９がハウジング２１４に固定されている。遠心ファン２１６は、樹脂カバー２２９にもうけられた空気吸入孔２２９１から樹脂カバー２２９の内部に冷却空気を流入させ、この冷却空気は、ヒートシンク２２３を冷却しつつハウジング２１４内に流入してステータコイル２１１やロータコイル２１２を冷却した後、ハウジング２１４から外部に吹き出される。図９に示すインバータ２２を交流発電電動機２１から取り外した例を図１０に示す。なお、樹脂２２８および制御IC２２６は図示省略されている。
このようにすれば、回路基板２７５に実装された感温素子２７１は、回路基板２７１を介してヒートシンク２２３に隣接し、このヒートシンク２２３にはＭＯＳトランジスタ２２０が実装されているので、感温素子２７１はＭＯＳトランジスタ２２０の温度を良好に検出することができる。この構成では、６個のＭＯＳトランジスタ２２０は同一の良熱伝導性のヒートシンク２２３の上に熱的に結合された状態で取り付けられているので、ほぼ均一な温度に冷却される。またヒートシンク２２３上に接着材などで固定されたセラミック基板で構成される回路基板２２５上に実装された感温素子２７１もヒートシンク２２３と同一温度となるので、感温素子２７１はＭＯＳトランジスタの温度を精度良く検出することができる。この構成では、各ＭＯＳトランジスタに直接感温素子２７１を取り付けた場合と比較し、６個のＭＯＳトランジスタの最高温度を正確に検出することはできず平均に近い温度を検出することとなるが、ヒートシンク上の各ＭＯＳトランジスタの温度はほぼ等しく、エンジン自動停止を判定する閾値の設定を各ＭＯＳトランジスタ間のバラツキを考慮して設定すれば問題く簡素な構成での温度検出が可能である。
なお、図９において、ヒートシンクをなす側枠部２２７の表面と感温素子２７１の樹脂モールド表面とにそれぞれ密着するアルミ片４００を設けることができる。この状態を図１１に示す。ＭＯＳトランジスタ２２０が発熱し、その温度が上昇すると、その熱は、ヒートシンク２２３、側枠部２２７、アルミ片４００を通じて感温素子２７１に速やかに伝達されるので、感温素子２７１はＭＯＳトランジスタ２２０の温度変化（温度上昇）を速やかに検知することができる。
上述の実施例では、インバータ２２のＭＯＳトランジスタ２２０の温度がある限度以上高い場合にアイドルストップを禁止して、アイドルストップ後の再始動に伴うＭＯＳの温度異常上昇を防止した。ところが、エンジンが高負荷運転している状態にてアイドルストップする場合などにおいて、車速風による外気導入がなくなるため、エンジンからの熱によりエンジンルーム内の温度が一時的に上昇する場合がある。その結果、たとえアイドルストップを禁止しても、ＭＯＳトランジスタ２２０の温度が許容温度を超える可能性が生じる。
そこで、この実施例では、感温素子２７１の検出温度が、アイドルストップ後に所定温度（始動動作によりＭＯＳが許容温度を超えると予想される温度で、例えば110℃）を超えると判定又は検出した場合に、その後のエンジン再始動を図８に示すエンジン１００に直結されたスタータ３００により始動する。このようにすれば、上記状態においても、インバータ２２のＭＯＳトランジスタ２２０の過熱を防止することができる。この制御を示すフローチャートを図１２に示す。
上記実施例では、アイドルストップとその後のエンジン再始動におけるＭＯＳトランジスタ２２０の過熱保護を説明した。ところが、発電時においてもたとえば冷却風の流れの不調などにより整流動作を行うインバータ２２が過熱する可能性がある。この発電時のインバータ過熱問題は、ＭＯＳトランジスタ２２０を同期整流させることによりＭＯＳトランジスタ２２０の抵抗損失が減少するため改善されることができる。なお、インバータ２２の同期整流動作自体はもはや周知であるので、その詳細説明は省略する。
更に、発電時において、感温素子２７１の温度をモニタし、その温度上昇に応じてロータコイルに流す界磁電流を規制することにより、発電電流すなわちＭＯＳトランジスタ２２０を流れる電流を減少させてその温度を低下させ、ＭＯＳトランジスタ２２０の故障を防ぐことができる。この場合、発電時の発電電流規制又は発電禁止のためのしきい値（第２しきい値という）は、アイドルストップとその後のエンジン再始動時のしきい値（第１しきい値）より高く設定（例えば１４０℃）される。これにより、インバータ２２の保護性を一層向上することができる。この制御を示すフローチャートを図１２に示す。
１ エコラン制御部
２ 交流発電電動機装置
３ バッテリ
２１ インバータ
２７ 温度検出回路
２２０ ＭＯＳトランジスタ
２ 交流発電電動機装置
３ バッテリ
２１ インバータ
２７ 温度検出回路
２２０ ＭＯＳトランジスタ
Claims (9)
- エンジンと動力授受する交流発電電動機と、
前記交流発電電動機とバッテリとの間の電流を断続する複数の半導体スイッチング素子を有して前記交流発電電動機と前記バッテリとの間の電力を双方向直交変換することによりエンジン始動動作並びにバッテリ充電動作をなすインバータと、
入力される車両状態に基づいてエンジン自動停止動作およびエンジン始動動作を指令するエコラン制御部と、
を備えるアイドルストップ制御装置において、
前記各半導体スイッチング素子の温度に関連するインバータ温度関連信号を検出する感温素子を有するインバータ温度検出部を備え、
前記エコラン制御部は、
前記エンジン自動停止動作により前記エンジンを停止させ、その後、前記エンジン始動動作により前記エンジンを始動させる場合に前記感温素子の検出温度が所定の第１しきい値を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合に前記エンジン自動停止動作を禁止するとともに、前記エンジン運転開始後の前記バッテリ充電動作を実施している場合に前記感温素子の検出温度が前記第１しきい値よりも高い所定の第２しきい値を超えるかどうかを判定し、超えると判定した場合に前記交流発電電動機の発電規制により前記バッテリ充電動作を抑制することを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記インバータ温度検出部は、前記半導体スイッチング素子に一体に集積され
た半導体温度検出回路からなることを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記インバータ温度検出部は、周囲温度又はエンジン冷却水温度に関する情報に基づいて前記インバータ温度関連信号を形成することを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記インバータは、空気冷却されることを有するアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記インバータは、エンジン冷却水により冷却され、
前記エコラン制御部は、入力される前記エンジン冷却水の温度が所定レベルを超える場合に前記エンジン自動停止動作を禁止することを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記各半導体スイッチング素子は、回路基板に実装され、前記インバータ温度検出部は、前記回路基板に実装される前記感温素子を有することを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記各半導体スイッチング素子は、吸熱用又は伝熱用のヒートシンクに密着され、前記感温素子は、前記ヒートシンクに密着されていることを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項７記載のアイドルストップ制御装置において、
前記インバータは、前記交流発電電動機のハウジングに固定されていることを特徴とするアイドルストップ制御装置。 - 請求項１記載のアイドルストップ制御装置において、
前記エコラン制御部は、
前記エンジン自動停止動作により前記エンジンを停止させた後、前記エンジン始動動作により前記エンジンを始動させる場合に前記エンジン停止後の前記インバータの温度が所定しきい値を超えたかどうかを前記インバータ温度関連信号に基づいて判定し、超えたと判定した場合にその後の前記エンジンの始動を前記スタータにより実施することを特徴とするアイドルストップ制御装置。
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