JP4761370B2 - 自動二輪車用電動発電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの始動機兼発電機として機能する自動二輪車用電動発電機の制御装置に係り、特に、電動機に要求される能力が発電機に要求される能力よりも高い自動二輪車用電動発電機に好適な制御装置に関する。

エンジン始動時には同期型のスタータモータとして機能してクランク軸を回動させ、エンジン始動後は同期発電機として機能する始動機兼発電機（以下、ACGスタータと表現する場合もある）が知られている。特許文献１には、このようなACGスタータにおいて、発電電圧が目標電圧に達するとスタータモータの各相を地絡させるレギュレータが開示されている。
特開２００２−１４２３８２号公報

エンジン始動に必要な駆動トルクは排気量に依存するため、排気量の大きなエンジンには駆動トルクの大きなACGスタータが搭載される。一方、ACGスタータに要求される発電量はエンジンの排気量にかかわらずほぼ一定なので、スタータモータのコイルが発電コイルを兼ねるACGスタータを用いると、排気量の大きな車両では発電量が要求量に対して過多になる場合がある。ここで、発電系統のスイッチング素子やカプラ等の耐性はACGスタータの最大発電量に合わせて決定されるので、特に排気量の大きな車両では、発電系統のスイッチング素子やカプラ等を大型化しなければならないうえ、発電によるエンジンのフリクションが大きくなるので出力特性や燃費に影響を与えることにもなっていた。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、ACGスタータの駆動トルクを低下させることなく、相電流の減少を伴って発電電流を制限できる自動二輪車用電動発電機の制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、エンジンの始動機兼発電機として機能する自動二輪車用電動発電機の制御装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。

(1) 電動発電機とバッテリとの間に配置されて双方向直交電力変換を行うインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電圧をバッテリへ供給する発電ラインと、バッテリの出力電圧をインバータ回路へ供給する電動ラインと、前記電動ラインおよび発電ラインの一方を前記インバータ回路およびバッテリ間に接続する切換手段と、前記発電ライン上に接続され、インバータ回路の出力電圧をチョッピング制御により変換するDC-DCコンバータと、前記電動発電機を電動機として機能させる際は電動ラインを選択され、発電機として機能させる際は発電ラインが選択されるように前記切換手段を制御する切換制御手段とを含むことを特徴とする。さらに、所定時間が経過するまでの、前記インバータ回路が電動ラインに接続されている間は、過電圧を防止すべく、出力電圧の制御を行う電圧制御手段をさらに備え、前記インバータ回路が、複数のパワーＦＥＴ対を並列接続して構成されるＦＥＴブリッジ構造であり、前記電圧制御手段が、前記インバータ回路のロー側のパワーＦＥＴを全てオン動作させることで前記電動発電機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を短絡して出力電圧の制御を行うインバータ制御部を有していることを特徴とする。

(2)DC-DCコンバータのチョッピング信号のデューティ比を変化させて出力電圧を制御する電圧制御手段を含むことを特徴とする。

(3)切換制御手段は、インバータ回路から電動発電機への電力供給が停止されてから所定時間が経過した遅延タイミングで、インバータ回路に接続するラインを電動ラインから発電ラインに切り換えることを特徴とする。

(4)インバータ回路から電動発電機への電力供給は、前記インバータ回路に接続されるラインが発電ラインから電動ラインに切り換わってから所定時間だけ経過した遅延タイミングで開始されることを特徴とする。

上記した特徴(1)によれば、電動発電機で発電され、インバータ回路で直流に変換された発電電力は、DC-DCコンバータにおいてチョッピング制御により電圧変換される。このとき、電動発電機の相電流は、チョッピングされるスイッチング素子を流れる量に制限されるので、相電流の減少を伴う電圧降下が可能になる。したがって、駆動トルクの大きな電動発電機の搭載を余儀なくされる大型車両においても、発電系統の部品を必要発電量以上に大型化する必要がなくなる。また、エンジンの発電フリクションを小さくできるので、出力および燃費の向上に寄与できる。

上記した特徴(2)によれば、DC-DCコンバータの出力電圧を制御することで相電流を制御できるので、発電量を少なくしたときには電動発電機の被動トルクが減少し、エンジンの負荷を減ぜられるようになる。

上記した特徴(3)によれば、切換手段は、インバータ回路から電動発電機への電力供給が停止され、電流の流れが確実に消滅してから切り換えられるので、切換手段の劣化を防止できる。

上記した特徴(4)によれば、インバータ回路から電動発電機への電力供給が、切換手段によるラインの切り換えが確実に完了してから開始され、電力供給中の切換が防止されるので、切換手段の劣化を防止できる。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る電動発電機の制御装置が適用される自動二輪車の電装系統図である。

交流回転電機により構成されるACGスタータ１は、三相巻線（ステータコイルＵ，Ｖ，Ｗ）が巻回されたステータを備え、エンジン始動時には同期型のスタータモータとして機能し、エンジン始動後は同期型のAC発電機として機能する。ロータ角度センサ９はACGスタータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応して１つずつ設けられる。点火パルサ６はエンジンの点火タイミングを検知する。前記ロータ角度センサ９および点火パルサ６はいずれもホールＩＣまたは磁気抵抗（ＭＲ）素子で構成することができ、その検出信号はECU３に入力される。

ECU３にはさらに、スロットルセンサ２３、フューエルセンサ２４、シートスイッチ２５、アイドルスイッチ２６および冷却水温センサ２７の各検出信号が入力されると共に、スタータスイッチ１５、ストップスイッチ１６、１７、スタンバイインジケータ１８、フューエルインジケータ１９、スピードセンサ２０、オートバイスタ１３およびヘッドライト５等の電装負荷が接続されている。ヘッドライト５には、ディマースイッチ１４が設けられる。点火コイル２１は、その一次側がECU３に接続され、二次側に点火プラグ２２が接続されるている。

上記の各部にはメインヒュ−ズ７およびメインスイッチ８を介してバッテリ２から電流が供給される。なお、バッテリ２は、機能切換リレー４を介してECU３に直接接続される一方、メインスイッチ８を介さずメインヒューズ７だけを介してECU３に接続される回路を有する。

図２は、前記ECU３の主要部の構成を示したブロック図であり、本発明の説明に不用な構成は、その図示が省略されている。

インバータ回路３１は、ACGスタータ１のステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに接続された６つのパワーFET（一般的には固体スイッチング素子）Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6を含み、２つずつ直列接続された３組のパワーFET対を並列接続して構成されるFETブリッジ構造であり、双方向の直交電力変換を行う。このインバータ回路３１は、エンジン始動時にはバッテリ２の出力電圧を交流に変換してACGスタータ１へ供給する一方、エンジン始動後はACGスタータ１で発電された交流電力を直流に変換し、DC-DCコンバータ３３を介してバッテリ２や電装負荷５に供給する。

前記インバータ回路３１の入出力ラインは、電動ラインL1を介して機能切換リレー４の第１可動接点４ａと接続されると共に、DC-DCコンバータ３３を経由する発電ラインL2を介して機能切換リレー４の第２可動接点４ｂと接続される。前記機能切換リレー４は、切換制御部３２からの指示に応じて、バッテリ２をインバータ回路３１の入出力ラインと電動ラインL1を介して直接、またはDC-DCコンバータ３３を含む発電ラインL2を介して間接的に接続する。

インバータ制御部３５は、ACGスタータ１を発電機として機能させる際は、ACGスタータ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための発電用PWM信号を生成してインバータ回路３１の各パワーFETのゲートへ供給する。また、ACGスタータ１を電動機として機能させる際は、バッテリ２の直流電圧を交流電圧に変換するための電動用PWM信号を生成してインバータ回路３１の各パワーFETのゲートへ出力する。インバータ制御部３５はさらに、前記インバータ回路３１のロー側のパワーFETQ2，Q4，Q6を全てオンさせてACGスタータ１のステータコイルＵ，Ｖ，Ｗを全て短絡させるレギュレート機能を備えている。

電圧制御部３４は回路電圧Vcを監視し、この回路電圧Vcと目標電圧との大小関係に応じてDC-DCコンバータ３３およびインバータ制御部３５を制御する。DC-DCコンバータ３３は、インバータ回路３１の出力電圧をチョッピング制御により所定の回路電圧に変換する。

図３は、前記DC-DCコンバータ３３の主要部の構成を示したブロック図であり、チョッピング用のスイッチング素子Tr、チョークコイルＬ、ダイオードＤおよびコンデンサＣで構成される。インバータ回路３１の直流出力は、スイッチング素子Trにチョッピング信号を入力して当該スイッチング素子Trを高速にスイッチングすることでチョッピングされる。スイッチング素子TrがオンのときにチョークコイルＬに蓄積されたエネルギーは、スイッチング素子Trがオフのときに出力されてコンデンサＣで平滑され、入力電圧はチョッピング信号のデューティ比に応じた出力電圧に変換される。

次いで、フローチャートを参照して本実施形態の動作を詳細に説明する。図４は、エンジン始動時におけるECU３の制御手順を示したフローチャートであり、図５は、エンジン始動時におけるスタータSW１５、インバータ回路３１に供給される電動用PWM信号、および機能切換リレー４の状態を示したタイミングチャートである。図4に示した制御手順は所定の周期で繰り返し実行される。

図５の時刻t1でスタータSW１５がオンにされ、これがステップS１で検知されると、ステップS２では、機能切換リレー４の切換状態を代表する切換状態フラグFmがセットされる。ステップS３では、切換制御部３２により機能切換リレー４がオンにされて可動接点４ａが選択され、インバータ回路３１とバッテリ２とが電動ラインL1を介して接続される。ステップS４では、前記スタータSW１５がオンにされたタイミングで計時を開始する第１ディレイタイマ（図示）のカウント値Td1が所定の基準値Tref1と比較される。最初はTd1≦Tref1なので、そのまま今回の処理を終了する。

その後も上記した各手順が繰り返され、図５の時刻t2においてTd1＞Tref1と判定されるとステップS５へ進む。ステップS５では、インバータ制御部３５からインバータ回路３１の各パワーFETのゲートへ、ACGスタータ１を電動機として動作させるための電動用PWM信号が出力され、バッテリ２の出力電圧がインバータ回路３１で交流電力に変換されてACGスタータ１に供給される。

エンジン始動後、時刻t3でスタータSW１５がオフにされ、これがステップS１で検知されると、ステップS６では、前記電動用PWM信号の出力が停止される。ステップS７では前記切換状態フラグFmが参照される。スタータSW１５がオフにされた直後は切換状態フラグFmが依然としてセット状態なのでステップS８へ進む。ステップS８では、前記スタータSW１５がオフにされたタイミングで計時を開始する第２ディレイタイマ（図示）のカウント値Td2が所定の基準値Tref2と比較される。最初はTd2≦Tref2なので、そのまま今回の処理を終了する。

その後も上記した各手順が繰り返され、図５の時刻t4においてTd2＞Tref2と判定されるとステップS９へ進む。ステップS９では、機能切換リレー４がオフにされて可動接点３４ｂが選択され、インバータ回路３１とバッテリ２とがDC-DCコンバータ３３を含む発電ラインL2を介して接続される。ステップS１０では、前記選択状態フラグFmがリセットされる。ステップS１１では、インバータ制御部３５からインバータ回路３１の各FETのゲートへ、ACGスタータ１を発電機として動作させるための発電用PWM信号が出力される。この結果、ACGスタータ１の発電電力がインバータ回路３１で直流電力に変換され、さらにDC-DCコンバータ３３で回路電圧Vcに変換されてバッテリ２および電装負荷５へ供給される。

図６は、前記電圧制御部３４の動作を示したフローチャートであり、所定の周期で繰り返される。

ステップS３１では回路電圧Vcが検知される。ステップS３２では、前記回路電圧Vcと所定の上限電圧Vmaxとが比較され、Vc＞VmaxであればステップS３３へ進む。ステップS３３では、所定のエンジン停止処理が実行されて警告灯が点灯される。Vc≦Vmaxであれば、ステップS３４へ進んで前記切換状態フラグFmが参照される。

ここで、切換状態フラグFmがセットされている、換言すればインバータ回路３１とバッテリ２とが電動ラインL1を介して接続されていればステップS３５へ進む。ステップS３５では、過電圧をインバータ回路３１のレギュレート機能で解消すべく、後述する「ショートレギュレート制御」が実行される。

これに対して、選択状態フラグFmがリセットされている、換言すればインバータ回路３１とバッテリ２とが発電ラインL2のDC-DCコンバータ３３を介して接続されていればステップS３６へ進む。ステップS３６では、回路電圧Vcの変動をDC-DCコンバータ３３で制御すべく、後述する「コンバータレギュレート制御」が実行される。

図７は、前記ステップS３５において実行されるショートレギュレート制御の手順を示したフローチャートである。

ステップS３５１では、前記回路電圧Vcと所定の目標電圧Vtとが比較される。Vc≧VtであればステップS３５２へ進み、インバータ回路３１のローサイドの全てのFETQ2，Q4，Q6が、インバータ制御部３５によりオンされてU相，V相，W相の全てが短絡される。したがって、図５の時刻t3で電動用PWM信号の出力が停止され、その後、機能切換リレー４が発電ラインL2側に切り替えられる前に目標電圧Vtを超える過電圧が発生しても、この過電圧をインバータ回路３１で確実に抑えられるようになる。

図８は、前記ステップS３６で実行されるコンバータレギュレート制御の手順を示したフローチャートである。

ステップS３６１では、前記回路電圧Vcと所定の目標電圧Vtとが比較される。Vc≧VtであればステップS３６２へ進み、DC-DCコンバータ３３に供給されるチョッピング信号のデューティ比が低められる。この結果、DC-DCコンバータ３３ではスイッチング素子Trのオン期間が減少するので、その出力電圧を低くできる。

これに対して、Vc＜VtであればステップS３６３へ進み、チョッピング信号のデューティ比が高められる。この結果、DC-DCコンバータ３３ではスイッチング素子Trのオン期間が増加するので、その出力電圧を高くできる。

本発明に係る電動発電機の制御装置が適用される自動二輪車の電装系統図である。 ECUの主要部の構成を示したブロック図である。 DC-DCコンバータの主要部の構成を示したブロック図である。 エンジン始動時におけるECUの制御手順を示したフローチャートである。 エンジン始動時におけるECUの制御手順を示したタイミングチャートである。 電圧制御部の動作を示したフローチャートである。 ショートレギュレート制御の手順を示したフローチャートである。 コンバータレギュレート制御の手順を示したフローチャートである。

符号の説明

１…ACGスタータ，２…バッテリ，３…ECU，４…機能切換リレー，５…電装負荷，３１…インバータ回路，３２…切換制御部，３３…DC-DCコンバータ，３４…機能切換リレー，３５…インバータ制御部

Claims (3)

1. エンジンの始動機兼発電機として機能する自動二輪車用電動発電機の制御装置において、
   前記電動発電機（１）とバッテリ（２）との間に配置されて双方向直交電力変換を行うインバータ回路（３１）と、
   前記バッテリ（２）の出力をインバータ回路（３１）へ供給する電動ライン（Ｌ１）と、
   前記インバータ回路（３１）の出力をバッテリ（２）へ供給する発電ライン（Ｌ２）と、
   前記電動ライン（Ｌ１）および発電ライン（Ｌ２）の一方を前記インバータ回路（３１）およびバッテリ（２）間に接続する切換手段（４）と、
   前記発電ライン（Ｌ２）上に接続され、インバータ回路（３１）の出力電圧をチョッピング制御により変換するDC-DCコンバータ（３３）と、
   前記電動発電機（１）を電動機として機能させる際は電動ライン（Ｌ１）が選択され、発電機として機能させる際は発電ライン（Ｌ２）が選択されるように前記切換手段（４）を制御する切換制御手段（３２）とを含み、
   前記切換制御手段（３２）が、前記インバータ回路（３１）から前記電動発電機（１）への電力供給が停止されてから所定時間（Ｔｒｅｆ２）が経過した遅延タイミングで、前記インバータ回路（３１）に接続するラインを電動ライン（Ｌ１）から発電ライン（Ｌ２）に切り換えるとともに、
   前記所定時間（Ｔｒｅｆ２）が経過するまでの、前記インバータ回路（３１）が電動ラインに接続されている間は、過電圧を防止すべく、出力電圧の制御を行う電圧制御手段（３４）をさらに備え、
   前記インバータ回路（３１）が、複数のパワーＦＥＴ対を並列接続して構成されるＦＥＴブリッジ構造であり、
   前記電圧制御手段（３４）が、前記インバータ回路（３１）のロー側のパワーＦＥＴを全てオン動作させることで前記電動発電機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を短絡して出力電圧の制御を行うインバータ制御部（３５）を有していることを特徴とする自動二輪車用電動発電機の制御装置。
2. 前記電圧制御手段（３４）が、前記所定時間（Ｔｒｅｆ２）が経過して前記インバータ回路（３１）に接続するラインを電動ライン（Ｌ１）から発電ライン（Ｌ２）に切り換えられた後は、前記インバータ回路（３１）のロー側のパワーＦＥＴを全てオン動作させる制御を停止して、前記DC-DCコンバータ（３３）による電圧制御を行うコンバータ制御機能を有していることを特徴とする請求項１に記載の自動二輪車用電動発電機の制御装置。
3. 前記切換手段（４）によって前記発電ライン（Ｌ２）を通じて前記インバータ回路（３１）が前記バッテリ（２）に接続されているときの該発電ライン（Ｌ２）の電圧（Ｖｃ）が所定の上限電圧（Ｖｍａｘ）よりも大きい場合には、前記所定時間（Ｔｒｅｆ２）が経過したか否かにかかわらず、エンジンの停止処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の自動二輪車用電動発電機の制御装置。

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