JP4478185B2

JP4478185B2 - 車両用エンジン始動装置

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Publication number: JP4478185B2
Application number: JP2008106875A
Authority: JP
Inventors: 正哉井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
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Description

この発明は、アイドルストップ車両等に於ける車両のエンジン始動装置に関するものである。

燃費性能改善等のため、車両停止時にエンジンを停止させ車両発進時に自動的にエンジンを再始動させるようにしたアイドルストップ車両は、既に実用化されている。このようなアイドルストップ車両用のエンジン始動装置としては、通常の車両に用いられているスタータでは出力が限られており適当ではない。そこで、車両の電力発生装置として設けられているオルタネータに対してインバータから電力を供給して駆動力を発生させ、オルタネータをスタータとして利用する技術が既に実用化されているが、この場合、通常の１４Ｖ系のバッテリでは容量が不足する。そこで、従来、ＤＣ−ＤＣコンバータを新たに搭載し、電源電圧を従来より高電圧化してエンジンの始動力を高めるようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４３１５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の技術では、高圧系はバッテリ等の蓄電容量の大きな装置が必要である。更に高圧系のバッテリ容量が不足した場合等には１４Ｖ系のバッテリからの電力供給を行うために、高圧系と低圧系をＤＣ−ＤＣコンバータを介して接続し、高圧系に充電するようにしていた。従って、別途ＤＣ−ＤＣコンバータを配置するためのスペースが必要であり、又、ＤＣ−ＤＣコンバータの追加によりコストが高くなるという課題があった。

この発明は、従来の技術に於ける前述のような課題を解決すると共に、エンジン再始動時に於いてより迅速にエンジンの始動を行うことができる車両用エンジン始動装置を提供することを目的とする。

この発明による車両用エンジン始動装置は、回転子に設けられた界磁コイルと固定子に設けられた電機子コイルとを有し前記回転子が車両のエンジンにより駆動されることにより前記電機子コイルに交流電力を発生する発電動作を行なうオルタネータと、前記発電動作時に前記発生した前記交流電力に基づき電力変換回路を介して所定電圧に充電される第１の蓄電装置と、前記発電動作時に前記発生した交流電力に基づき前記電力変換回路を介して所定電圧に充電される第２の蓄電装置とを備え、前記オルタネータは、前記電機子コイルに変動するｄ軸電流が供給されることにより前記界磁コイルに誘起起電力を発生して前記第２の蓄電装置を前記所定電圧以上の電圧に充電するように構成されると共に、前記エンジンの始動時に、前記第１の蓄電装置から前記電力変換回路を介して前記電機子コイルに電力が供給されると共に前記所定電圧以上の電圧に充電された前記第２の蓄電装置から前記界磁コイルに電力が供給されて駆動動作を行ない前記エンジンの始動を行なうようにしたものである。

又、この発明による車両用エンジン始動装置は、回転子に設けられた界磁コイルと固定子に設けられた電機子コイルとを有し前記回転子が車両のエンジンにより駆動されることにより前記電機子コイルに交流電力を発生する発電動作を行なうオルタネータと、前記発
電動作時に前記発生した前記交流電力に基づき電力変換回路を介して所定電圧に充電される第１の蓄電装置と、前記発電動作時に前記発生した交流電力に基づき前記電力変換回路を介して所定電圧に充電される第２の蓄電装置とを備え、前記オルタネータは、前記電機子コイルに変動するｄ軸電流が供給されることにより前記界磁コイルに誘起起電力を発生して前記第２の蓄電装置を前記所定電圧以上の電圧に充電するように構成されると共に、前記エンジンの始動時に、前記所定電圧以上の電圧に充電された前記第２の蓄電装置から前記電力変換回路を介して前記電機子コイルに電力が供給されると共に前記所定電圧以上の電圧に充電された前記第２の蓄電装置から前記界磁コイルに電力が供給されて駆動動作を行ない前記エンジンの始動を行なうようにしたものである。

この発明に於いて、前記電機子コイルに供給される前記ｄ軸電流の変動は、例えば、前記電機子コイルに通電する電流の位相を前記回転子の回転速度に同期した回転速度の回転磁界を発生させる位相として前記ｄ軸電流の値を増減することにより行われるか、又は、前記電機子コイルに前記回転子の回転速度に同期しない回転速度の回転磁界を発生させる位相の交流電流を通電することにより行なわれるか、又は、前記回転子が回転している状態に於いて前記電機子コイルに直流電流を通電することにより行なわれる。

この発明に於いて、エンジンの始動とは、信号等による車両停止時にエンジンを停止させた後に車両の再スタートのためにエンジンを再始動させる場合は勿論、それ以外のエンジン始動をも含むものである。

この発明による車両用エンジン始動装置によれば、オルタネータは、電機子コイルに変動するｄ軸電流が供給されることにより界磁コイルに誘起起電力を発生して第２の蓄電装置を所定電圧以上の電圧に充電するように構成されると共に、エンジンの始動時に、第１の蓄電装置から電力変換回路を介して電機子コイルに電力が供給されると共に所定電圧以上の電圧に充電された第２の蓄電装置から界磁コイルに電力が供給されて駆動動作を行ないエンジンの始動を行なうようにしたので、オルタネータの駆動力が通常時より増大され、迅速にエンジンの始動を行うことができる。

又、この発明による車両用エンジン始動装置によれば、オルタネータは、電機子コイルに変動するｄ軸電流が供給されることにより界磁コイルに誘起起電力を発生して第２の蓄電装置を所定電圧以上の電圧に充電するように構成されると共に、エンジンの始動時に、所定電圧以上の電圧に充電された第２の蓄電装置から電力変換回路を介して電機子コイルに電力が供給されると共に所定電圧以上の電圧に充電された第２の蓄電装置から界磁コイルに電力が供給されて駆動動作を行ないエンジンの始動を行なうようにしたので、オルタネータの駆動力が通常時より更に大きく増大され、極めて迅速にエンジンの始動を行うことができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。図１は、オルタネータを利用したこの発明の基礎となるエンジン始動装置の全体構成図、図２は、図１に示すエンジン始動装置に於けるオルタネータへの通電制御回路を示す回路図である。図１及び図２に於いて、ランデル型オルタネータ（以下、単に、オルタネータと称する）４の回転子４１は、エンジン１の出力軸に固定されたプーリー２とベルト３を介してエンジン１から駆動力が与えられて回転する。このとき、回転子４１に設けられた界磁コイル５は、バッテリ６からブラシ４２、及びスリップリング４３を介して通電されて界磁磁束を発生しており、その界磁磁束に鎖交する電機子コイルとしての３相電機子コイル（以下、電機子コイルと称する）7に３相交流電圧が誘起される。

電機子コイル７に接続された電力変換回路としての３相インバータ回路９は、電機子コイル７に発生した３相交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ６を充電する。ここでオルタネータ４の発電量の調整は、通常、界磁コイル５に供給する界磁電流をレギュレータ回路８により制御することで行なわれるが、３相インバータ回路９の出力がバッテリ６に対する適切な充電電圧となるようにレギュレータ回路８により界磁電流が制御される。尚、レギュレータ回路８による界磁電流の制御は、レギュレータ回路８に設けられているスイッチング素子８１のスイッチング制御により行なわれる。

車両が交通信号等で停止し、エンジン１がアイドリング停止により停止した場合は、車両発進時にエンジン１を再始動する必要がある。その場合、オルタネータ４の電機子コイル７に３相インバータ回路９から３相交流電力を供給して回転磁界を発生させると共に、界磁コイル５にレギュレータ回路８を介して界磁電流を供給して磁界磁束を発生させる。これにより、回転子と固定子と間に電磁力が発生し、オルタネータ４はモータとして駆動動作し、その回転子の駆動力をベルト３及びプーリー２を介してエンジン１に伝達しこれを再始動させる。

以上のように構成されたこの発明の基礎となる車両用エンジンの始動装置に於いて、界磁コイル５の発生する界磁磁束は多いほど、又、電機子コイル７の発生する回転磁界は大きいほど、エンジン再始動時のオルタネータ４のトルクを大きくしてエンジン１の再始動を瞬時に行なうことが可能となる。そのためには、電機子コイル７及び界磁コイル５に電力を供給する電圧を高くして、オルタネータ４を大電流かつ高出力化することが望まれる。

そこで、３相インバータ回路９の出力、及び／又は、界磁コイル５の制御電源を昇圧することが考えられる。しかしながら、このことを車両に実際に用いようとした場合には、以下の課題が発生する。
（１）通常は界磁コイル５、電機子コイル７の双方とも１４Ｖのバッテリ系統に接続されており、もしそのバッテリ系統の母線電圧を何らかの手段で昇圧した場合には、同時に１４Ｖ系に接続されている他の車載電子機器に対しても昇圧することになり、全ての車載機器を高電圧対応品とする必要がある。
（２）通常、直流母線の昇圧にはＤＣ−ＤＣコンバータが用いられるが、インダクタ、キャパシタ、ダイオード等が新たに必要であり、重量や配置スペースの増加を招く。
以下述べるこの発明の実施の形態１に係る車両用エンジン始動装置は、このような課題を解消するものである。

図３は、この発明の実施の形態１による車両用エンジン始動装置の回路構成を示す回路図である。図３に於いて、第１の蓄電装置６１は、前述の図１及び２に示すバッテリ６と同様の１４Ｖのバッテリにより構成されている。第２の蓄電装置１３は、電気二重層コンデンサや、リチウムイオン電池若しくはキャパシタ等により構成されており、その正極側端子がダイオード１０を介して第１の蓄電装置６１の正極側端子に接続されている。前記接続されたダイオード１０の順方向は、第１の蓄電装置の正極側端子から第２の蓄電装置の正極側端子に向かう方向である。エンジンが動作中である通常時には、第２に蓄電装置１３は、３相インバータ回路９からダイオード１０を介して１４Ｖに充電される。この第２の蓄電装置１３は、界磁コイル５に通常のオルタネータとしての界磁電流を供給するための１４Ｖの通常電源としての役割と、後述するようにエンジン始動時に高電圧を界磁コイル５に印加する高電圧電源との役割の、双方を果たすために設けられている。

Ｈ形ブリッジ整流回路１００は、正極側端子Ｐ１が第２の蓄電装置１３の正極側に接続され、負極側端子Ｎ１が第２の蓄電装置１３の負極側に接続されている。逆並列接続され
たダイオードを有するスイッチング素子１１はＨ形ブリッジ回路１００の第１の正極側アームを構成し、ダイオード１５はＨ形ブリッジ整流回路１００の第２の正極側アームを構成し、逆並列接続されたダイオードを有するスイッチング素子１２はＨ形ブリッジ回路１００の第２の負極側アームを構成し、ダイオード１４はＨ形ブリッジ整流回路１００の第１の負極側アームを夫々構成している。オルタネータ４の界磁コイル５は、Ｈ形ブリッジ整流回路１００のスイッチング素子１２とダイオード１５との接続点Ｘ１と、スイッチング素子１１とダイオード１４との接続点Ｘ２との間に接続されている。このように、オルタネータ４の界磁コイル５と第２の蓄電装置１３とは、Ｈ形ブリッジ整流回路１００を介して並列接続されている。

第２の蓄電装置１３に対して並列に接続された３相インバータ回路９は、オルタネータ４に３相電流を供給する。オルタネータ４は、前述と同様のランデル型オルタネータである。３相インバータ回路９の正極側アームは、逆並列接続されたダイオードを含む３個のスイッチング素子９１、９２、９３により夫々構成され、負極側アームは、同様に逆並列接続されたダイオードを含む３個のスイッチング素子９４、９５、９６により夫々構成されている。３相インバータ回路９の交流側出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗは、夫々、オルタネータ４の３相電機子コイル７の各端子に接続されている。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態１に係る車両用エンジン始動装置に於いて、次に、その動作について説明する。
（１）オルタネータを通常の発電機として動作させる場合
オルタネータ４の回転子４１は、エンジン１により駆動されて回転するが、その界磁コイル５に通電される界磁電流は、第２の蓄電装置１３に接続されたＨ形ブリッジ整流回路１００を構成するスイッチング素子１１、１２を同時にＯＮ／ＯＦＦ制御することによって調整され、オルタネータ４の負荷に応じた磁束量を電機子コイルに鎖交させる。これにより、オルタネータ４の電機子コイル７には、所望の三相交流電圧が誘起される。電機子コイル７に誘起された３相交流電圧は、３相インバータ回路９の６個のスイッチング素子９１〜９６に夫々逆並列されたダイオードにより三相全波整流され、第１の蓄電装置６１を所定電圧である１４Ｖに充電する。又、第２の蓄電装置１３は、ダイオード１０を介して３相インバータ回路９により所定電圧である１４Ｖに充電される。

（２）エンジン停止後の再始動に備えて第２の蓄電装置１３を高圧充電する場合
第２の蓄電装置１３は、ダイオード１０を介して第１の蓄電装置６１に常時接続されているので、初期状態でも第１の蓄電装置６１のバッテリ電圧１４Ｖに相当する電圧まで充電されている。この状態から、第２の蓄電装置１３をより高い電圧となるように充電することが出来れば、界磁コイル５へ流す界磁電流を増やすことが出来る。通常であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータにより第1の蓄電装置６１の出力電圧を昇圧して第２蓄電装置１３を
充電するのが一般的である。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータは、前述したようにリアクトルやコンデンサ等の付随する素子が必要であり、そのため重量が大きくなり、且つ大きな配置スペースを必要という課題がある。

そこでこの発明の実施の形態１では、電機子コイル７に３相交流電流を通電して固定子磁束を発生させて回転子に設けられた界磁コイル５に交流電圧を誘起させ、この交流電圧をＨ形ブリッジ整流回路１００により全波整流して第２の蓄電装置１３に供給してこれを所定電圧である１４Ｖ以上の電圧に充電する。以下、具体的にその動作を説明する。

即ち、先ず、電機子コイル７に供給する３相交流電流に含まれる電流成分のうち、ｄ軸電流を変動させる。ここで、ｄ軸とは、ランデル型回転子の界磁電流により発生する界磁磁束の磁束中心軸を指し、ｄ軸電流とは、ｄ軸に一致する磁束中心軸の固定子磁束を発生させる固定子電流の成分を指す。ｄ軸電流が変動すると、固定子と回転子は総合インダク
タンスによって結合されているので、回転子４１の界磁コイル５に鎖交する固定子磁束の量も変動することになる。尚、ｄ軸電流を変動させる方法として、ｄ軸電流のみを変動させる場合が最も電機子コイル７と回転子４１の界磁コイル５との結合が高く効率的であるが、３相インバータ回路９から電機子コイル７に通電する電流にd軸電流以外の電流成分
が含まれていても良い。ｄ軸電流を変動させる方法の詳細については、後述する。

前述のように、ｄ軸電流を変動させることにより回転子４１の界磁コイル５に鎖交する固定子磁束の量も変動するので、回転子４１の界磁コイル５には交流電圧が誘起される。この界磁コイル５に誘起された交流電圧は、スイッチング素子１１、１２、及びダイオード１４、１５からなるＨ形ブリッジ整流回路１００によって全波整流されて第２の蓄電装置１３へ供給される。第２の蓄電装置１３は、このＨ形ブリッジ整流回路１００からの全波整流された直流高電圧により１４Ｖ以上の高電圧に充電される。又、第２の蓄電装置１３が高電圧に充電されても、ダイオード１０が低圧系の車載機器に対してダイオード１０が逆導通となる方向に接続されているので、第1の蓄電装置６１、及び既存の車載機器の
電源系には第２の蓄電装置１３の高電圧は印加されない。第２の蓄電装置１３は、このように高電圧に充電された状態で、エンジン始動準備状態として待機する。

次に、電機子コイル７のｄ軸電流を変動させる方法について説明する。ｄ軸電流の変動方法には種々あるが、特に効果的な方法は以下の３通りである。
（２−１）回転子位置情報等を利用した従来良く知られる同期モータの電流ベクトル制御手法を用いる。
この発明の実施の形態１に於いては、３相インバータ回路９から電機子コイル７へ通電するｄ軸電流の値を増減させるように３相インバータ回路９のスイッチング素子９１〜９６を制御する。具体的には、電機子コイル７へ通電する電流の位相を、回転子４１の回転速度に同期した回転速度の回転磁界を発生させる位相とし、ｄ軸電流の値を増減することにより回転磁界の振幅を変動させる。この場合は電機子コイル７に通電する電流成分がすべてｄ軸電流であるので、第２の蓄電装置１３を充電する際に生じる電機子コイル７の銅損が最小で効率よくｄ軸電流を変動させることができる。

（２−２）電機子コイル７に、回転子４１の回転速度とは同期しない回転速度の回転磁界を発生させる位相の交流電流を通電する。
より具体的には、３相インバータ回路９から電機子コイル7に対して、オルタネータ4の回転子４１の回転方向とは逆方向に回転する回転磁界を発生させる位相の交流電流を通電する。この場合は、固定子に発生する磁束の回転は必ず回転子４１の回転に対して非同期状態となるため、回転子４１に鎖交する固定子磁束は変動して結果的にｄ軸電流が変動する。この場合は回転子速度情報や位置情報を利用しないので、特別なセンサや演算装置を必要とすることなくｄ軸電流を変動させることが可能となる。

（２−３）電機子コイル７に直流電流を通電する。
即ち、３相インバータ回路９から電機子コイル7に対して、直流電流を印加する。例え
ば、Ｕ相［＋１.０］、Ｖ相［−０．５］、Ｗ相［−０．５］の比となる電流値を常に維
持する直流電流を印加する。この場合は、オルタネータ4の回転子４１が回転している場
合は、固定子に発生する固定子磁束は必ず回転子の回転に対して非同期状態となるため、回転子４１に鎖交する固定子磁束は変動して結果的にｄ軸電流が変動する。同時に３相インバータ回路９は必ずしもスイッチング動作を行う必要はないので、３相インバータ回路９の制御が簡素化できると同時にスイッチング損失も低減させることができる。

（３）エンジン始動時
第２の蓄電装置１３が高圧充電された状態で、Ｈ形ブリッジ整流回路１００のスイッチング素子１１、１２を同時にＯＮとすることによって、第２の蓄電装置１３から回転子４
１の界磁コイル５に、第２の蓄電装置１３の昇圧比（通常の充電電圧に対する高圧充電電圧の比）に応じた直流大電流を通電する。その結果、回転子４１には通常時より磁束が増加した界磁磁束が発生する。従って、この界磁磁束に対応した固定子電流を通電するように３相インバータ回路９を制御すれば、オルタネータ４はトルクが大幅に増大した電動機として動作し、その強力なトルクによりエンジンを始動させることができる。

（４）エンジン始動後、オルタネータを発電機へ復帰させる場合
エンジン始動後は、３相インバータ回路９の各スイッチング素子９１〜９６をＯＦＦにしておけば、前述の「（１）オルタネータを通常の発電機として動作させる場合」の状態に復帰して、通常のオルタネータとして動作することができる。

以上述べたこの発明の実施の形態１に係る車両用エンジン始動装置によれば、図１に示すこの発明の基礎となる装置に、単に、ダイオード２個とスイッチング素子２個からなるＨ形ブリッジ整流回路１００と、第２の蓄電装置１３を追加するだけで、エンジン始動用の高電圧を発生する昇圧システムを構成することができる。又、追加したＨ形ブリッジ整流回路１００は、回転子４１の界磁コイル５の界磁電流を制御する制御回路としても共用されるので、僅かな構成変更のみで高圧充電系を構成でき、従来必要とされたＤＣ−ＤＣコンバータを必要とせず、その結果、小型軽量、且つ低コストの高圧電源系システムを備えた車両用エンジン始動装置を得ることができる。

又、高電圧の充電された第２の蓄電装置１３を電源としてオルタネータ４の回転子４１の界磁コイル５に通電することにより、回転子４１の界磁磁束を大きくしてエンジン始動トルクを向上させることができる。

尚、通常のランデル型オルタネータ４の回転子４１は、磁気飽和によって界磁電流を増加させても回転子４１の発生磁束が増加しない場合がある。そこで、例えば図４に示すように、界磁コイル５をその軸方向両端部から包み込む一対の爪状磁極を構成する継鉄４１０、４１１の各爪先端部４１０ａ、４１１ａの内周部に、小片状の補助的な永久磁石１６を夫々埋め込んだ構成とすれば、界磁コイル５が回転子内部に作る磁束をその永久磁石１６の磁束により相殺して回転子４１の磁気飽和を緩和させることができる。このように構成した図４に示す回転子４１を、図３に示すこの発明の実施の形態１に係る車両用エンジン始動装置に用いることにより、永久磁石１６によって、回転子４１の内部磁路の磁束の磁気飽和は相当に緩和されているので、界磁電流を従来より大幅に増大させても、界磁電流に応じた磁束量増加を期待することができる。

又、高電圧に充電された第２の蓄電装置１３を電源として、車両の電動アシストターボや直流モータを用いたスタータ等の他の補機類に対してその高電圧に基づく電力を供給するようにしても、前述と同様に高圧化による効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る車両用エンジン始動装置の回路構成を示す回路図である。図５に於いて、第１の蓄電装置６１、第２の蓄電装置１３、Ｈ形ブリッジ整流回路１００、３相インバータ回路９は、夫々、前述の図３に示す実施の形態１の場合と同様に構成されている。

切り替えスイッチ１７は、３相インバータ回路９の正極側端子Ｐ３と第１の蓄電装置６１の正極側端子Ｐ２と第２の蓄電装置１３の正極側端子Ｐ１との間に設けられており、３相インバータ回路９を、第１の蓄電装置６１又は第２の蓄電装置１３の何れか一方に選択的に切り替えて接続する。この切り替えスイッチ１７を切り替えることにより、オルタネータ４の電機子コイル７は、３相インバータ回路９を介して、第１の蓄電装置６１又は第
２の蓄電装置１３の何れか一方に接続されることになる。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態２に係る車両用エンジン始動装置に於いて、次に、その動作を説明する。
（１）オルタネータを通常の発電機として動作させる場合
３相インバータ回路９は、切り替えスイッチ１７により第1の蓄電装置６１に接続され
る。オルタネータ４の回転子４１は、エンジン１により駆動されて回転するが、その界磁コイル５に通電される界磁電流は、第２の蓄電装置１３に接続されたＨ形ブリッジ整流回路１００を構成するスイッチング素子１１、１２を同時にＯＮ／ＯＦＦ制御することによって調整され、オルタネータ４の負荷に応じた磁束量を電機子コイルに鎖交させる。これにより、オルタネータ４の電機子コイル７には、所望の三相交流電圧が誘起される。電機子コイル７に誘起された３相交流電圧は、３相インバータ回路９の６個のスイッチング素子９１〜９６に夫々逆並列されたダイオードにより三相全波整流され、第１の蓄電装置６１を充電する。第２の蓄電装置１３は、ダイオード１０を介して第１の蓄電装置６１により、所定の電圧である１４Ｖに充電される。

（２）エンジン停止後の再始動に備えて第２の蓄電装置１３を高圧充電する場合
この場合、切り替えスイッチ１７により、３相インバータ回路９は第1の蓄電装置６１
に接続される。前述のように第１の蓄電装置１３は、ダイオード１０を介して電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池若しくはキャパシタ等により構成された第２の蓄電装置１３に常時接続されているので、初期状態でも第１の蓄電装置６１の端子電圧である１４Ｖまで充電されている。ここで第２の蓄電装置１３を第１の蓄電装置６より高い電圧となるよう第２の蓄電装置１３を充電することが出来れば界磁電流を増やすことが出来る。

前述したように、第２の蓄電装置１３の充電電圧を昇圧させる手段として、通常であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータにより第1の蓄電装置６１の出力電圧を昇圧して第２蓄電装置
１３を充電するのが一般的である。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータは、前述したようにリアクトルやコンデンサ等の付随する素子が必要であり、そのため重量が大きくなり、且つ大きな配置スペースを必要という課題がある。

そこでこの発明の実施の形態２では、実施の形態１の場合と同様に、電機子コイル７に３相交流電流を通電して固定子磁束を発生させて回転子に設けられた界磁コイル５に交流電圧を誘起させ、この交流電圧をＨ形ブリッジ整流回路１００により全波整流して第２の蓄電装置１３に供給してこれを充電する。以下、具体的にその動作を説明する。

即ち、先ず、電機子コイル７に供給する３相交流電流に含まれる電流成分のうち、ｄ軸電流を変動させる。ここで、ｄ軸とは、ランデル型回転子の界磁電流により発生する界磁磁束の磁束中心軸を指し、ｄ軸電流とは、ｄ軸に一致する磁束中心軸の固定子磁束を発生させる固定子電流の成分を指す。ｄ軸電流が変動すると、固定子と回転子は総合インダクタンスによって結合されているので、回転子４１の界磁コイル５に鎖交する固定子磁束の量も変動することになる。尚、ｄ軸電流を変動させる方法として、ｄ軸電流のみを変動させる場合が最も電機子コイル７と回転子４１の界磁コイル５との結合が高く効率的であるが、３相インバータ回路９から電機子コイル７に通電する電流にd軸電流以外の電流成分
が含まれていても良い。

前述のように、ｄ軸電流を変動させることにより回転子４１の界磁コイル５に鎖交する固定子磁束の量も変動するので、回転子４１の界磁コイル５には交流電圧が誘起される。この界磁コイル５に誘起された交流電圧は、スイッチング素子１１、１２、及びダイオード１４、１５からなるＨ形ブリッジ整流回路１００によって全波整流されて第２の蓄電装置１３へ供給される。第２の蓄電装置１３は、このＨ形ブリッジ整流回路１００からの全
波整流された直流高電圧により所定電圧である１４Ｖ以上の高電圧に充電される。又、第２の蓄電装置１３が高電圧に充電されても、ダイオード１０が低圧系の車載機器に対してダイオード１０が逆導通となる方向に接続されているので、第1の蓄電装置６１、及び既
存の車載機器の電源系には第２の蓄電装置１３の高電圧は印加されない。第２の蓄電装置１３は、このように高電圧に充電された状態で、エンジン始動準備状態として待機する。

電機子コイル７のｄ軸電流を変動させる方法については、実施の形態１に於いて説明した通り下記の方法を用いる。
（２−１）回転子位置情報等を利用した従来良く知られる同期モータの電流ベクトル制御手法を用いる。
（２−２）電機子コイル７に、回転子４１の回転速度とは同期しない回転速度の回転磁界を発生させる位相の交流電流を通電する。
（２−３）電機子コイル７に直流電流を通電する。
これらの方法の詳細については、前述の実施の形態１の場合と同様である。

（３）エンジン始動時
この場合、切り替えスイッチ１７の切り替え動作により、３相インバータ回路９を第１の蓄電装置６１から第２の蓄電装置１３へ切り替えて接続する。この切り替えスイッチ１７の切り替え動作のとき、３相インバータ回路９が通電状態にあるとオルタネータ４や配線のインダクタンスエネルギーが切り替えスイッチ１７に印加され、切り替えスイッチ１７の接点がアーク現象によって磨耗してしまう恐れがある。そこで、３相インバータ回路９のスイッチング素子９１〜９６をＯＦＦとして３相インバータ回路９を非動作状態とすると共に、Ｈ形ブリッジ整流回路１００のスイッチング素子１１、１２をＯＦＦとして界磁コイル５への通電を停止させる。これにより、切り替えスイッチ１７は、アーク電位がない状態でスイッチを切り替えることができるため、その接点寿命が延びると共に、切り替えスイッチ１７自体を小型化することができる。

次に、３相インバータ回路９の接続先を切り替えスイッチ１７によって第２の蓄電装置１３に切り替えた後に、第２の蓄電装置１３が高圧充電された状態で、Ｈ形ブリッジ整流回路１００のスイッチング素子１１、１２をＯＮすることによって、第２の蓄電装置１３から回転子４１の界磁コイル５に高圧充電された昇圧比に応じた大電流を通電させ、回転子の界磁磁束を増加させる。又、これと同時に、３相インバータ回路９に対して高圧充電された第２の蓄電装置１３から高電圧を印加した状態で、スイッチング素子９１〜９６をスイッチング動作させて電機子コイル７に３相交流電流を供給し、固定子に回転磁界を発生させる。その結果、オルタネータ４は電動機として動作し、その強力なトルクによりエンジンを始動させる。このように、回転子４１の界磁コイル５と電機子コイル７の双方を既存の１４Ｖ系バッテリシステムより高圧系とすることができるので、エンジン始動トルクを大幅に向上させることができる。

（４）エンジン始動後、オルタネータを発電機へ復帰させる場合
この場合、切り替えスイッチ１７の切り替え動作により、３相インバータ回路９を第２の蓄電装置１３から第１の蓄電装置６１へ切り替えて接続する。この切り替えスイッチ１７の切り替え動作のとき、３相インバータ回路９が通電状態にあるとオルタネータ４や配線のインダクタンスエネルギーが切り替えスイッチ１７に印加され、切り替えスイッチ１７の接点がアーク現象によって磨耗してしまう恐れがあるので、３相インバータ回路９のスイッチング素子９１〜９６をＯＦＦとして３相インバータ回路９を非動作状態とすると共に、Ｈ形ブリッジ整流回路１００のスイッチング素子１１、１２をＯＦＦとして界磁コイル５への通電を停止させる。これにより、切り替えスイッチ１７は、アーク電位がない状態でスイッチを切り替えることができるため、その接点寿命が延びると共に、切り替えスイッチ１７自体を小型化することができる。

３相インバータ回路９は、第１の蓄電装置６１に接続された後、スイッチング素子９１〜６をＯＦＦにしておけば、前述の「（１）オルタネータを通常の発電機として動作させる場合」の状態に復帰して、通常のオルタネータとして動作することができる。

以上述べたように、この発明の実施の形態２に係る車両用エンジン始動装置によれば、図２に示すこの発明の基礎となる装置に、単に、第２の蓄電装置１３と、ダイオード２個とスイッチング素子２個からなるＨ形ブリッジ整流回路１００と、切り替えスイッチ１７を１個追加するのみで、従来必要とされたＤＣ−ＤＣコンバータを必要とせず、小型軽量、且つ低コストの高圧電源系システムを備えたエンジン始動用の高電圧を発生する昇圧システムを構成することができる。又、実施の形態２の場合、エンジン始動時に、高圧充電された第２の蓄電装置１３を電源として、界磁コイル５と電機子コイル７との双方に夫々Ｈ形ブリッジ整流回路１００及び３相インバータ回路９を介して大電流を供給することができるので、オルタネータ４の電動機としての駆動力をより増大させることができる。

尚、前述の実施の形態１の場合と同様に、例えば図４に示すように、界磁コイル５をその軸方向両端部から包み込む一対の爪状磁極である継鉄４１０、４１１の各爪先端部４１０ａ、４１１ａの内周部に、小片状の補助的な永久磁石１６を夫々埋め込んだ構成とすれば、界磁コイル５が回転子内部に作る磁束をその永久磁石１６の磁束により相殺して回転子４１の磁気飽和を緩和させることができる。このように構成した図４に示す回転子４１を、図５に示すこの発明の実施の形態２に係る車両用エンジン始動装置に用いることにより、永久磁石１６によって、回転子４１の内部磁路の磁束の磁気飽和は相当に緩和されているので、界磁電流を従来より大幅に増大させても、界磁電流に応じた磁束量増加を期待することができる。

オルタネータを利用したこの発明の基礎となるエンジン始動装置の全体構成図である。図１に示すエンジン始動装置に於けるオルタネータへの通電制御回路を示す回路図である。この発明の実施の形態１による車両用エンジン始動装置の回路構成を示す回路図である。この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る車両用エンジン始動装置のオルタネータの回転子の変形例を示す斜視図である。この発明の実施の形態２に係る車両用エンジン始動装置の回路構成を示す回路図である。

符号の説明

１エンジン
２プーリー
３ベルト
４オルタネータ
４１回転子
４２ブラシ
４３スリップリング
４１０、４１１継鉄
４１０ａ、４１１ａ爪先端部
１６永久磁石
５界磁コイル
６バッテリ
７電機子コイル
８レギュレータ回路
８１スイッチング素子
９３相インバータ回路
１０、１４、１５ダイオード
１１、１２、９１、９２、９３，９４、９５、９６、８１スイッチング素子
１７切り替えスイッチ
１００Ｈ形ブリッジ整流回路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３正極側端子
Ｎ１負極側端子
Ｘ１、Ｘ２接続点
Ｕ、Ｖ、Ｗ交流側出力端子

Claims

回転子に設けられた界磁コイルと固定子に設けられた電機子コイルとを有し前記回転子が車両のエンジンにより駆動されることにより前記電機子コイルに交流電力を発生する発電動作を行なうオルタネータと、前記発電動作時に前記発生した前記交流電力に基づき電力変換回路を介して所定電圧に充電される第１の蓄電装置と、前記発電動作時に前記発生した交流電力に基づき前記電力変換回路を介して所定電圧に充電される第２の蓄電装置とを備え、前記オルタネータは、前記電機子コイルに変動するｄ軸電流が供給されることにより前記界磁コイルに誘起起電力を発生して前記第２の蓄電装置を前記所定電圧以上の電圧に充電するように構成されると共に、前記エンジンの始動時に、前記第１の蓄電装置から前記電力変換回路を介して前記電機子コイルに電力が供給されると共に前記所定電圧以上の電圧に充電された前記第２の蓄電装置から前記界磁コイルに電力が供給されて駆動動作を行ない前記エンジンの始動を行なうことを特徴とする車両用エンジン始動装置。
回転子に設けられた界磁コイルと固定子に設けられた電機子コイルとを有し前記回転子が車両のエンジンにより駆動されることにより前記電機子コイルに交流電力を発生する発電動作を行なうオルタネータと、前記発電動作時に前記発生した前記交流電力に基づき電力変換回路を介して所定電圧に充電される第１の蓄電装置と、前記発電動作時に前記発生した交流電力に基づき前記電力変換回路を介して所定電圧に充電される第２の蓄電装置とを備え、前記オルタネータは、前記電機子コイルに変動するｄ軸電流が供給されることにより前記界磁コイルに誘起起電力を発生して前記第２の蓄電装置を前記所定電圧以上の電圧に充電するように構成されると共に、前記エンジンの始動時に、前記所定電圧以上の電圧に充電された前記第２の蓄電装置から前記電力変換回路を介して前記電機子コイルに電力が供給されると共に前記所定電圧以上の電圧に充電された前記第２の蓄電装置から前記界磁コイルに電力が供給されて駆動動作を行ない前記エンジンの始動を行なうことを特徴とする車両用エンジン始動装置。
前記電力変換回路に対して前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置とのうち何れか一方を接続させる切り替えスイッチを備え、前記エンジンの始動時に、前記切り替えスイッチにより前記電力変換回路を前記第１の蓄電装置から前記第２の蓄電装置に切り替えて接続するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の車両用エンジン始動装置。
前記切り替えスイッチは、前記第２の蓄電装置が前記所定電圧以上の電圧に充電された後に前記電力変換回路と前記第１の蓄電装置との接続を切離すと共に、前記電力変換回路がスイッチング動作を停止した後に前記電力変換回路を前記第２の蓄電装置に接続することを特徴とする請求項３に記載の車両用エンジン始動装置。
前記切り替えスイッチは、前記エンジンの始動後、前記界磁コイルへの電力の供給を停止させた後に前記電力変換回路を前記第２の蓄電装置から前記第１の蓄電装置に切り替えて接続するようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の車両用エンジン始動装置。
逆並列接続されたダイオードを有し第１の正極側アームを構成するスイッチング素子と、第１の負極側アームを構成するダイオードと、第２の正極側アームを構成するダイオードと、逆並列接続されたダイオードを有し第２の負極側アームを構成するスイッチング素子とからなるブリッジ回路を備え、前記界磁コイルは、前記ブリッジ回路の前記第１の正極側アームと前記第１の負極側アームの接続部と前記第２の正極側アームと前記第２の負極側アームの接続部との間に接続され、前記第２の蓄電装置は、前記ブリッジ回路の前記第１の正極側アームと前記第２の正極側アームの接続部と前記第１の負極側アームと前記第２の負極側アームの接続部との間に接続され、前記第２の蓄電装置から前記界磁コイル
に電力を供給するときは、前記第１の正極側アームと前記第２の負極側アームを夫々構成する前記スイッチング素子のスイッチング動作により前記供給する電力を制御し、前記界磁コイルに前記誘起起電力が発生したときは、前記第１の正極側アームと前記第２の負極側アームを夫々構成する前記スイッチング素子に逆並列接続された前記ダイオードと前記第２の正極側アームと前記第１の負極側アームを夫々構成する前記ダイオードにより前記誘起起電力を全波整流して前記第２の蓄電装置を充電することを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか一項に記載の車両用エンジン始動装置。
前記回転子は、その軸方向に対向して配置された一対の爪状磁極を有し、前記爪状磁極は、前記界磁コイルの発生する界磁磁束が前記回転子内部で飽和するのを緩和する方向に着磁された永久磁石を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか一項に記載の車両用エンジン始動装置。
前記電機子コイルに供給される前記ｄ軸電流の変動は、前記電機子コイルに通電する電流の位相を前記回転子の回転速度に同期した回転速度の回転磁界を発生させる位相として前記ｄ軸電流の値を増減することにより行われることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか一項に記載の車両用エンジン始動装置。
前記電機子コイルに供給される前記ｄ軸電流の変動は、前記電機子コイルに前記回転子の回転速度に同期しない回転速度の回転磁界を発生させる位相の交流電流を通電することにより行なわれることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか一項に記載の車両用エンジン始動装置。
前記電機子コイルに供給される前記ｄ軸電流の変動は、前記回転子が回転している状態に於いて前記電機子コイルに直流電流を通電することにより行なわれることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか一項に記載の車両用エンジン始動装置。
前記第２の蓄電装置の正極側端子は、前記第１の蓄電装置の正極側端子にダイオードを介して接続されており、前記接続されたダイオードの順方向は、前記第１の蓄電装置の前記正極側端子から前記第２の蓄電装置の前記正極側端子に向かう方向であることを特徴とする請求項１乃至１０のうち何れか一項に記載の車両用エンジン始動装置。