JP5165669B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両のエンジン始動装置に関する。

エンジン始動装置は、車両に搭載されたバッテリから供給される電力によってスタータモータを駆動し、スタータモータの回転を伝達装置からエンジンに伝達することにより、エンジンを始動する。ここで、スタータモータに流す電流値は、エンジンの始動時間に直接影響するので、所定時間内のエンジン始動のためには、数百アンペアが必要となる。

スタータモータの始動時は、回転による逆起電力の発生がないため、バッテリから突入電流がスタータモータに流れ、バッテリの消費電力が急峻に増え、一時的にバッテリの出力電圧が低下する。そのため、エンジン始動時に電子回路で構成される制御装置の動作が不安定になったり、制御装置に用いられるマイクロコンピュータがリセットされてしまうことがある。

そこで、スタータモータの始動方法として、車両に搭載され、スタータモータを制御するコントローラにより、スタータモータ駆動時のバッテリ出力電圧の低下を抑制するシステムが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１では、スタータモータの駆動はエンジン発電システムのコントローラで制御されており、スタータモータとコントローラとはハーネスにより結線されている。そして、スタータモータとグランド間に直列に接続される半導体スイッチにより起動直後のデューティ値から時間経過に従ってデューティ値が大きくなるように、スタータモータの消費電力をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御して突入電流を制限し、バッテリ電圧の低下を抑制する。

２００２−０３１０２１号公報

特許文献１によれば、スタータモータの制御は、コントローラに内蔵され、エンジン温度やエンジン回転角に基づいてイグナイタの点火タイミングなどを演算するＣＰＵにより半導体スイッチ４５ａ（ＦＥＴ）を制御している。そのため、動作保証温度がＦＥＴよりも低いＣＰＵの動作温度を満足させるために、電圧低下抑制手段を含むエンジン発電システムのコントローラ４が、スタータモータ８から離れた位置に配置されるため、コントローラ４とスタータモータ８は数百アンペアの通電を満足できるハーネスにより接続されることになる。

即ち、当該コントローラからのハーネスは、コントローラ自体や、途中からはエンジン制御装置やその他の電装品の入出力信号と束ねられた状態となり、スタータモータのハーネスから電磁誘導によるノイズの影響を受けることになる。そして、発電機やイグナイタの制御回路，エンジン制御装置やその他の電装品の誤動作を誘発する、という課題がある。

このような問題点を解決するために、同軸ケーブルなどの低インダクタンス配線を用いることが挙げられるが、低インダクタンス配線を考慮したエンジンレイアウトが必要となり、従来のエンジンへのアイドリングストップ機能を付加することが容易にできないという課題がある。

そこで、本発明の目的は、種々の電装品の誤動作を誘発することなくエンジンを始動できるエンジン始動装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

当該エンジン始動装置は、エンジンに連結したリングギアに噛み合わせるピニオンと、バッテリから供給される電流により、ピニオンをリングリアの方向へ移動させるマグネットスイッチと、当該電流により、ピニオンを回転するスタータモータと、スタータモータに対してエンジン始動の指令を行う制御装置と、指令に基づいて、ＰＷＭ制御を行う第１の半導体スイッチを制御するスタータ制御部と、を備え、スタータモータとマグネットスイッチは第１の筐体に収められ、スタータ制御部は第２の筐体に収められ、第１の筐体と前記第２の筐体は一体化される。即ち、スタータモータと一体化しても影響のないスタータ制御部は一体化し、一体化したら熱の影響を生じる制御装置を離して配置する。

本発明によれば、種々の電装品の誤動作を誘発することなくエンジンを始動できるエンジン始動装置を提供することができる。

エンジン始動装置の回路図。 エンジン始動装置の構造図。 エンジン始動装置の動作図。 エンジン始動装置の動作図。 エンジン始動装置の回路図。 エンジン始動装置の回路図。 エンジン始動装置の回路図。 エンジン始動装置の動作図。 エンジン始動装置の回路図。 エンジン始動装置の構造図。 エンジン始動装置の動作図。 エンジン始動装置の全体図。

以下、実施例を、図面を参照して説明する。

図１はエンジン始動装置１０の回路図、図２はエンジン始動装置１０の構造図、図３は図１の動作図である。

図１のエンジン始動装置１０は、マグネットスイッチ１１の作動により、吸引力によってシフト機構１２を可動してピニオン１３を矢印方向に移動して、エンジンと連結したリングギア２０と噛合わせる。そして、噛合いの途中、あるいは噛合い状態になった後、スタータモータ１４を作動させ、スタータモータ１４の回転を、ピニオン１３を介してリングギア２０に伝達し、エンジン１のクランクシャフトを回転させて燃料や点火の制御をすることによりエンジンを始動する。

スタータモータ１４は、スタータ制御部（以下、ＳＴＭ）１００に制御され、端子１０１，１０２，１０３，１０４が入出力端子である。マグネットスイッチ１１は、端子１５が入力端子である。

車両に搭載されるバッテリ５０には、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧＳＷ）６０を介して、制御装置（エンジンコントロールユニット：以下、ＥＣＵ）７０が接続されている。

ＥＣＵ７０はエンジンの始動停止判定や点火制御や燃料噴射制御などを実行し、入力信号は、エンジン回転信号や空気流量信号等、出力信号は、ＳＴＭ１００の端子１０４を介した、スタート信号（以下、ＳＴ）、スタータモータ１４駆動用ＰＷＭ信号（以下、Ｍｏ−ＰＷＭ）の他、リレー８０を介したＭｇ−Ｒｙ、図示しないインジェクタ噴射信号や点火信号等である。ＥＣＵ７０内部は、図示しないマイコン，入出力インタフェース回路、これらの電源となる定電圧発生回路等で構成されている。

更にバッテリ５０には、マグネットスイッチ１１の電流をオン，オフするリレー８０の出力が端子１５に接続され、Ｍｇ−Ｒｙでオン，オフ制御される。

ＳＴＭ１００は、スタータモータ１４の制御モジュールであり、端子１０１からバッテリ電圧ＶＢが入力され、インタフェース回路１１０には、ＥＣＵ７０からＳＴやＭｏ−ＰＷＭが入力され、図示しないチャージポンプによりＭｏ−ＰＷＭが昇圧されて、スタータモータ１４の電流通電用半導体スイッチ１２０（以下、ＦＥＴ１）のゲート端子Ｇの信号が出力される。

ＦＥＴ１のドレイン端子Ｄは、端子１０１からバッテリ５０，端子Ｓは、電流を還流するフリーホイールダイオード１３０のカソードが接続され、端子１０２からスタータモータ１４に接続されている。

フリーホイールダイオード１３０のアノードは、端子１０３を介してスタータモータ１４のグランドに接続されている。

図２は、図１のエンジン始動装置１０の構造図であり、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４とＳＴＭ１００が一体化された構造で、エンジン１のリングギア２０とピニオン１３の噛合いが可能な位置に配置されている。

図２において、シフト機構１２とピニオン１３は、内部構造が解るように図面上では開放部１６で示している。

即ち、開放部１６は、マグネットスイッチ１１の筐体部とスタータモータ１４の筐体部が空隙で連通し、そこにシフト機構１２が配置されて、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４が一体化されている。

ＳＴＭ１００は、内部に図１で示した部品や配線基板を有した筐体であり、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４が一体化された筐体に、一体化されている。

箱型筐体には、外部配線用の端子として、バッテリ５０の端子１０１，スタータモータ１４の端子１０２，ＥＣＵ７０との端子１０３を有し、それぞれの端子が図１に示す配線に従って接続される。

一方、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４の一体化構造には、端子Ｂ，Ｍ，Ｓを有しており、配線は太線で示すように、バッテリ５０からハーネスで端子Ｂに接続され、端子ＢからＳＴＭ１００の端子１０１にバスバーで接続され、スタータモータ１４から引き出されたハーネスが端子Ｍに接続され、端子ＭからＳＴＭ１００の端子１０２にバスバーで接続され、リレー８０の出力からハーネスで端子Ｓに接続され、端子Ｓからマグネットスイッチ１１の内部で端子１５に接続されている。

即ち、ＳＴＭ１００が収められた筐体（第２の筐体）は、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４が一体化された筐体（第１の筐体）に覆いかぶさるように配置され、第１の筐体と第２の筐体は、バスバーを介して接続されている。第１の筐体は、スタータモータとＳＴＭ１００を接続するための端子Ｍと、バッテリとＳＴＭ１００を接続するための端子Ｂを備える。バスバーは、第２の筐体と垂直に接続され、第１及び第２の端子は第１の筐体から突き出すように配置され、バスバーは、端子Ｍ及び端子Ｂを挟み込むように接続される。

図１２は、エンジン始動装置の全体図を示す。図１２に示すように、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４が収められる第１の筐体に、ＳＴＭ１００が収められる第２の筐体が一体化されている。

図１と図２の構成において、エンジン始動時の動作を図３により説明するが、ここでは、運転者がＩＧＳＷ６０を操作した場合を例にしている。

時点ｔ０でＩＧＳＷ６０がオンされると、ＥＣＵ７０は、初期化が終わった時点ｔ１で出力信号ＳＴを出力してインタフェース回路１１０を起動し、ＳＴＭ１００の動作が開始する。

ＥＣＵ７０は、エンジン始動の初期化が終わった時点ｔ２でＭｇ−Ｒｙを出力し、リレー８０をオンし、ピニオン１３を矢印方向に移動してリングギア２０を噛み合わせる。その後、Ｍｏ−ＰＷＭを出力して、スタータモータ１４の回転動作を開始する。

尚、時点ｔ１やｔ２は、ＥＣＵ７０におけるエンジン始動制御に依存する時間であり、必ずしもｔ０〜ｔ１，ｔ１〜ｔ２の間隔は図３となる必然性はなく、時点ｔ０，ｔ１，ｔ２が共に同一時点であってもよい。

ＥＣＵ７０から出力されるＭｏ−ＰＷＭの導通率Ｄｕｔｙは、時点ｔ２ではＤｕｔｙ１であり、時点ｔ４ではＤｕｔｙ１より大きいＤｕｔｙ２に増加するように出力される。

時点ｔ２からスタータモータ１４の電流Ｉｓｍが流れ始め、時点ｔ２以降は、スタータモータ１４の回転で発生する誘起電圧Ｅｓｍと、ＳＴＭ１００の出力電圧Ｖｓｍ（ＦＥＴ１のドレインＤ端子電圧）、即ちＰＷＭ制御された出力電圧（Ｖｓｍ＝ＶＢ×Ｄｕｔｙ）との差電圧（Ｖｓｍ−Ｅｓｍ）によって流れる。

電流Ｉｓｍはバッテリ５０から供給されるので、バッテリ５０の内部抵抗により電圧降下が生じ、バッテリ電圧ＶＢは初期電圧ＶＢ０から電流Ｉｓｍに応じて低下する。

尚、Ｄｕｔｙを時点ｔ２のＤｕｔｙ１から時点４のＤｕｔｙ２に大きくする過程において、時点ｔ３から時点ｔ４で電流ＩｓｍとＶＢがほぼ一定値のＩｓｍ１とＶＢ１になる状態は、出力電圧Ｖｓｍと誘起電圧Ｅｓｍの差電圧（Ｖｓｍ−Ｅｓｍ）をスタータモータ１４の内部抵抗で除した電流値が一定になるようにバランスしている状態を示している。このようなバランス状態は一例であり、バッテリ５０，スタータモータ１４，Ｄｕｔｙによって異なる状態になる。

又、Ｄｕｔｙ２は、既にスタータモータ１４が回転している状態のＤｕｔｙであり、特に電流Ｉｓｍに制限が必要となる以外は、最大通電率Ｄｕｔｙｍ（＝１００％）であってよい。

時点ｔ４以降では、Ｍｏ−ＰＷＭはＤｕｔｙ２で一定となり、スタータモータ１４は回転数が上昇するに従って誘起電圧Ｅｓｍが大きくなるので、電流Ｉｓｍは減少し、ＶＢは上昇する。

エンジン回転数Ｎｅは、時点ｔ２の電流Ｉｓｍの流れ始めから、スタータモータ１４の回転によって、ピニオン１３と噛合ったリングギア２０が回転することにより上昇し、時点ｔ５でエンジンは始動を開始する。

エンジン始動はＥＣＵ７０で検出し、時点ｔ５でＳＴとＭｏ−ＰＷＭがオフするので、スタータモータ１４の電流ＩｓｍがオフしてＳＴＭ１００の動作が終了する。

ところで、時点ｔ２においてＭｏ−ＰＷＭを点線で示すように、ＤｕｔｙをＤｕｔｙｍとしてスタータモータ１４を作動させると、スタータモータ１４にはバッテリ電圧ＶＢが直接印加されるので、スタータモータ１４が回転して誘起電圧Ｅｓｍが発生するまでの間は、バッテリ電圧ＶＢをスタータモータ１４の内部抵抗で除した電流Ｉｓｍ２が流れることなり、内部抵抗が数十ｍΩの場合１０００Ａを越えるような突入電流となる。

バッテリ５０からこのような突入電流Ｉｓｍ２を流すと、図３のＶＢの点線で示すようにＶＢ１より小さいＶＢ２まで電圧低下が生ずる。

バッテリ５０を電源として接続されるＥＣＵ７０やその他の制御装置，ナビゲーション装置などは、初期化（リセット）が生じないバッテリ電圧ＶＢの最低保証電圧ＶＢｓを設定しており、ＶＢｓ以下の電圧低下は、各種装置の動作が保証されないことになる。

図４は、図３の時点ｔ２からｔ４の時間間隔を一定値にして、Ｄｕｔｙ２＝Ｄｕｔｙｍ（１００％）として、Ｄｕｔｙを可変してスタータモータ１４の電流Ｉｓｍとバッテリ電圧ＶＢを測定した一例である。

このことから、図３のＭｏ−ＰＷＭに示すＤｕｔｙ１は、ＶＢの低下が最低保証電圧ＶＢｓ以上となるようにＤｕｔｙ２（１００％）より小さい値に設定すればよい。

ところで、図３の時点ｔ２〜ｔ５のエンジン始動時間は、スタータモータ１４の回転上昇が速いほど短くなり、エンジン始動性能としては良好と言える。

スタータモータ１４の回転数は、Ｄｕｔｙ１が小さいほどＦＥＴ１の出力電圧Ｖｓｍ（ＶＢ×Ｄｕｔｙ１）が小さいので低くなり、また時点ｔ２〜ｔ４の時間が長くなるほど回転数上昇が遅く、エンジン始動時間が長くなる。

即ち、Ｄｕｔｙ１と時点ｔ２〜ｔ４の時間は、ＶＢの低下を許容値以上、かつエンジン始動時間が許容値以下となるように設定することが必要である。

発明者等の検証例の１つでは、Ｄｕｔｙ２＝１００％に設定し、Ｄｕｔｙ１＝７０％以下、又は、時点ｔ２〜ｔ４の時間＝１００ms以下においてエンジン始動時間を４００ms以下にでき、かつバッテリ電圧を８Ｖ以上に保つことができると分かった。

上述したように、スタータモータ１４の起動時にＤｕｔｙをＤｕｔｙ１に制限したＰＷＭ制御により、突入電流をＤｕｔｙ＝Ｄｕｔｙ２（Ｄｕｔｙｍ）のＩｓｍ２より小さくできるが、エンジン始動時間との関係で設定されるこのＤｕｔｙ１で起動した場合でも、突入電流Ｉｓｍ１は数百アンペアとなる。

数百アンペアの電流をＰＷＭ制御で流すと、ＦＥＴ１のスイッチングによる電流のオン，オフや、フリーホイールダイオード１３０が通電中にＦＥＴ１のオン時に生ずるリカバリー電流（バッテリ電圧ＶＢのショート電流と同等）により、端子１０２と端子Ｍの配線から誘導ノイズが発生し、端子１０２と端子Ｍの配線が長く、ＥＣＵ７０や他の制御装置の配線と混在して束ねられると、これらの装置の誤動作を誘発することや、配線の電圧降下が大きく、図４に示した最低保証電圧ＶＢｓを維持できない問題が考えられる。

しかし、ＳＴＭ１００をスタータモータ１４と一体化して配置するので、端子１０２と端子Ｍの配線がＥＣＵ７０や他の制御装置の配線と束ねられることがないので、これらの装置の誤動作を誘発しないという効果を得る。

特に、Ｍｏ−ＰＷＭを生成して送信するＥＣＵ７０と、半導体スイッチを用いて制御を行うＳＴＭ１００を分離することにより、半導体スイッチによる発熱の影響を、動作保証温度が半導体スイッチよりも低いＥＵＣ７０が受けることはない。即ち、スタータモータ１４と一体化しても影響のない部分は一体化し、一体化したら影響のある部分のみを離して配置することにより、発熱の問題のみならず、ハーネスが多くなるという課題も解決している。

又、エンジン始動制御におけるスタータモータ１４の動作において、駆動初期では、ＦＥＴ１を所定のＤｕｔｙからＰＷＭ制御することにより、スタータモータ１４の電流Ｉｓｍを制限するので、バッテリ電圧ＶＢの低下を抑制でき、各制御装置で決められたバッテリ電圧ＶＢの最低保証電圧ＶＢｓ以上の電圧を確保することができる。

又、ＤｕｔｙをＤｕｔｙ１からＤｕｔｙ２に連続して変化させるので、スタータモータ１４を駆動するＦＥＴ１の出力電圧Ｖｓｍと電流Ｉｓｍは連続的に変化し、スタータモータ１４の回転変動やトルク変動がなくなり、円滑なエンジン始動ができる効果がある。

又、配線の電圧降下を低減でき、かつ、バッテリ電圧の低下を低減できるので、スタータモータの出力特性を最大限に活かすことができ、エンジン始動性を向上することができる効果がある。

更に、エンジン始動制御におけるスタータモータ１４の動作において、駆動初期では、ＦＥＴ１を所定のＤｕｔｙからＰＷＭ制御することにより、スタータモータ１４の突入電流を制限しバッテリの過大電流の消費を抑制でき、バッテリの劣化を抑制できる効果がある。

図５と図６は、ＳＴＭ１００の制御が異なる形態を示す実施例であり、図１と同一部分及び同一信号は同一記号で示している。

実施例１では、Ｍｏ−ＰＷＭは、Ｄｕｔｙ１からＤｕｔｙ２（Ｄｕｔｙｍ）までを時点ｔ２からｔ４までの時間で変化させるようにしているので、スタータモータ１４の電流ＩｓｍはＭＯ−ＰＷＭで制御されると共に、バッテリ電圧ＶＢの影響も受ける。

このことは、バッテリ電圧ＶＢがバッテリの充電放電状態やバッテリの劣化状態によって異なるので、バッテリが十分に充電されていない状態ではバッテリ電圧ＶＢが低くなり最低保証電圧ＶＢｓに近い電圧となるため、スタータモータ１４への通電によって最低保証電圧ＶＢｓを確保できない場合や電流Ｉｓｍの不足によるエンジン始動時間の遅れが生ずる原因にもなる。

そこで、図５では最低保証電圧ＶＢｓを電圧指令値ＶＢｓｐとしてバッテリ電圧ＶＢがこれ以下にならないように、図６では電流指令値Ｉｓｍｐを設定して電流Ｉｓｍがこれ以下にならないように、フィードバック制御をする。

まず、図５では、バッテリ電圧制御回路２００は、バッテリ電圧ＶＢと最低保証電圧ＶＢｓより大きい電圧指令値ＶＢｓｐとの電圧偏差を補償要素とＰＷＭ変換回路２０１からＭｏ−ＰＷＭを出力して、ＦＥＴ１をＤｕｔｙ制御する。

時点ｔ２でスタータモータ１４を動作させると、ＶＢとＶＢｓｐの電圧偏差が大きいのでＤｕｔｙは大きくなり、電流Ｉｓｍの増加に従ってＶＢが低下して電圧偏差が小さくなるとＤｕｔｙは小さい方向に変化する。

ＶＢがＶＢｓｐまで低下すると、ほぼＶＢ＝ＶＢｓｐとなるようにＤｕｔｙが大きくなり、Ｄｕｔｙが１００％になった以降は電圧制御ができなくなる。

次に、図６では、スタータモータ電流制御回路３００は、スタータモータ１４の電流Ｉｓｍを電流センサ３１０で検出し、電流指令値Ｉｓｍｐと電流Ｉｓｍの電流偏差を補償要素とＰＷＭ変換回路３０１からＭｏ−ＰＷＭを出力して、ＦＥＴ１をＤｕｔｙ制御する。

ここで、電流指令値Ｉｓｍｐは、バッテリ電圧ＶＢが最低保証電圧ＶＢｓ以下にならない値であり、必要に応じて、バッテリ電圧ＶＢによって電流指令値Ｉｓｍｐを可変することもできる。

時点ｔ２でスタータモータ１４を動作させると、ＩｓｍｐとＩｓｍの電流偏差が大きいのでＤｕｔｙは１００％に向かって大きくなり、電流ＩｓｍがＩｓｍｐになるとＤｕｔｙは小さい方向に変化する。

そして、電流ＩｓｍをほぼＩｓｍｐに等しくなるようにＤｕｔｙが大きくなり、Ｄｕｔｙが１００％になった以降は電流制御ができなくなる。

スタータモータ１４の駆動初期におけるバッテリ電圧ＶＢの低下を抑制できると同時に、バッテリ電圧ＶＢやスタータモータ１４の電気的仕様が異なってもバッテリ電圧ＶＢの低下の抑制効果が維持できる効果がある。

尚、図５のバッテリ電圧制御回路２００と図６のスタータモータ電流制御回路３００は、図１に示すＳＴＭ１００又はＥＣＵ７０のどちらに含まれても作用，効果は同等である。

図７は他の実施例を示すエンジン始動装置１０の配線図、図８は図７の動作図であり、図１，図３と同一部分は同一符号で示している。

実施例１では、ＦＥＴ１のＤｕｔｙが１００％のオン状態で、エンジン始動が開始する時点ｔ５まで導通させていたが、ＦＥＴ１がオン状態では、オン時の抵抗値で生ずる電力消費により発熱する。ＦＥＴ１がオン状態（導通）では、ＦＥＴ１がオンしている時の抵抗成分（オン抵抗）により電力損失が生じ発熱するので、ＦＥＴ１の許容接合温度を超えないように放熱または冷却の対策が必要となる。

ＦＥＴ１にはオン抵抗が２ｍΩ程度である非常に抵抗値が小さいＦＥＴを使用し発熱を最小限に抑えることができるが、ＦＥＴ１の電力損失が電流Ｉｓｍの２乗に比例するので、発熱は電流Ｉｓｍの影響が大きい。

そのため、オン抵抗が非常に小さいＦＥＴを使用するだけでは発熱を十分に抑制することができない。

そこで、実施例２では、ＦＥＴ１と並列に短絡リレー１４０を接続して、放熱対策を行う。

即ち、図８で示すように、時点ｔ２のスタータモータ１４の起動時のＭｏ−ＰＷＭのＤｕｔｙがＤｕｔｙ１からＤｕｔｙ２（Ｄｕｔｙｍ＝１００％）まではＦＥＴ１をＰＷＭ動作させるが、Ｄｕｔｙ２になった時点ｔ４で短絡リレー１４０をオンにする。

ＦＥＴ１のオン状態は時点ｔ２からｔ４の期間のみであるため、発熱量を大幅に低減でき、放熱対策を容易にできる効果がある。

図９は他の実施例を示すエンジン始動装置１０と回路図、図１０はエンジン始動装置１０の構造図、図１１は図９の動作図であり、図１，図２，図３と同一部分は同一符号で示している。

図１に示した回路構成では、時点ｔ１で出力信号Ｍｇ−Ｒｙを出力してリレー８０をオンし、マグネットスイッチ１１に電流を流し、吸引力によってピニオン１３を矢印方向に移動させてリングギア２０と噛合わせる。

この時、マグネットスイッチ１１に流れる電流Ｉｍｇは、マグネットスイッチ１１を作動させるコイル抵抗に制限されるが、冷気時にはコイル抵抗が小さいので、大きな突入電流となり、流れる電流によってコイルの温度が上昇するに従ってコイル抵抗が大きくなり電流が減少するように動作する。

そこで、実施例４では、コイル抵抗が小さい作動初期に流れる電流Ｉｍｇを制限し、バッテリ電圧ＶＢの低下の抑制に効果が得られるようにした。

図９のＳＴＭ１００では、スタータモータ１４の制御回路は図１と同一の回路構成であり、マグネットスイッチ１１の制御回路は、半導体スイッチ１５０（以下、ＦＥＴ２）のドレイン端子Ｄはバッテリ５０，端子Ｓはコイル１１と、フリーホイールダイオード１６０が接続され、端子１０４に接続される構成である。

ＦＥＴ２のマグネットスイッチ１１駆動用ＰＷＭ信号（以下、Ｍｇ−ＰＷＭ）は、Ｍｏ−ＰＷＭと同様、ＥＣＵ７０から出力される。

図１０に示すエンジン始動装置１０は、図２と同様、ＳＴＭ１００は、マグネットスイッチ１１とスタータモータ１４の一体化構造に固定された箱型筐体であり、内部には図９に示した部品と配線基板を有している。

図２と異なる点は、ＳＴＭ１００に端子１０５を有し、端子Ｓにバスバーで接続され、リレーとの接続がなくなっていることであり、他の端子接続は図２と同一である。即ち、第１の筐体は、マグネットスイッチとＳＴＭ１００を接続するための端子Ｓを備える。

図１１において、時点ｔ０でＩＧＳＷ６０がオンされ、時点ｔ６でスタート信号ＳＴとＭｏ−ＰＷＭとＭｇ−ＰＷＭが出力されてＳＴＭ１００の動作が開始する。

図１１は、時点ｔ６においてスタータモータ１４とマグネットスイッチ１１を同時に動作開始させた例である。スタータモータ１４の動作に関しては、実施例１と同じ動作であり、説明は省略する。

時点ｔ６でＥＣＵ７０から出力されるＭｇ−ＰＷＭのＤｕｔｙは、Ｄｕｔｙ３であり、マグネットスイッチ１１に電流Ｉｍｇを流し始め、時点ｔ７でＤｕｔｙ４として最大Ｄｕｔｙｍとして電流Ｉｍｇを継続して流す。

電流Ｉｍｇは、スタータモータ１４の駆動とは異なり、誘起電圧Ｅｓｍがないので、コイル１１の抵抗をＲｍｇとすると、ＦＥＴ２の出力電圧Ｖｍｇとした場合、Ｖｍｇ（＝ＶＢ×Ｄｕｔｙ）／ＲｍｇとなりＤｕｔｙの値に比例して大きくなる。

但し、コイル１１に電流Ｉｍｇを流すことにより温度上昇し抵抗Ｒｍｇが大きくなるので、必ずしも比例するとは限らない。

時点ｔ７以降では、ほぼコイル１１の温度が一定になると仮定すると、Ｍｇ−ＰＷＭはＤｕｔｙ４で一定となったところで、電流ＩｍｇはＩｍｇ１で一定値となる。

時点ｔ５でエンジンが始動を開始すると、ＳＴ，Ｍｏ−ＰＷＭ，Ｍｇ−ＰＷＭをオフしてＳＴＭの動作が終了する。

上述したように、マグネットスイッチ１１の起動時にＤｕｔｙをＤｕｔｙ３に制限したＰＷＭ制御により、突入電流をＤｕｔｙ＝Ｄｕｔｙ４（Ｄｕｔｙｍ）のＩｍｇ２より小さくできるが、エンジン始動時間との関係で設定されるこのＤｕｔｙ３で起動した場合でも、突入電流は数十Ａとなる。

そのため、スタータモータ１４の起動時の現象と同様、ＰＷＭ制御による誘導ノイズが発生し、端子１０５と端子Ｓの配線が長く、ＥＣＵ７０や他の制御装置の配線と混在して束ねられると、これらの装置の誤動作を誘発することや、配線の電圧降下が大きく、図４に示した最低保証電圧ＶＢｓを維持できない問題が考えられる。

しかしながら図１０に示す実施例では、ＳＴＭ１００をスタータモータ１４に一体化して配置し、端子１０５と端子Ｓが配線されるバスバーは、ＥＣＵ７０や他の制御装置の配線と束ねられることがないので、これらの装置の誤動作を誘発しない効果を得ることができる。

更に、時点ｔ６で最大Ｄｕｔｙｍの場合の電流Ｉｍｇは、点線で示すようにＩｍｇ１に比較してＩｍｇ２と大きく、バッテリ電圧ＶＢの低下が大きいが、Ｄｕｔｙ３はＤｕｔｙｍより小さいので電流が制限されているので、バッテリ電圧ＶＢの低下を抑制できる効果がある。

図１１は、時点ｔ６においてスタータモータ１４とマグネットスイッチ１１を同時に動作開始させた例であり、電流ＩｓｍとＩｍｇが同時に流れ始めるので、バッテリ電圧ＶＢの低下が大きくなる。

そこで、時間差を設けて電流ＩｓｍとＩｍｇを流し始めるようにすると、バッテリ電圧ＶＢの低下を抑制できる効果がある。

尚、エンジンの始動以前はリングギア４０は停止状態、ピニオン１３は噛合っていない状態であり、スタータモータ１４は無負荷の状態となっている。

図１１の時点ｔ６に示す電流Ｉｓｍを流すと、スタータモータ１４は急速に回転し、その後マグネットスイッチ１１の電流Ｉｍｇを流してピニオン１３を移動させてリングギア４０の噛合いになると、同期が難しくなる。

そこで、時間差を設けて電流ＩｓｍとＩｍｇを流し始める場合、最初にＩｍｇを流してピニオン１３をリングギア４０に当接させ、その後Ｉｓｍを流してスタータモータの回転初期にピニオン１３をリングギア４０に噛合わせることが噛合いの同期を取りやすく円滑した噛合いにすることができる。

又、図９において、スタータモータ１４とマグネットスイッチ１１のＰＷＭ制御の動作周期が等しい場合、ＦＥＴ１とＦＥＴ２のスイッチングにおいて、オフ、又はオンが同時となる状態が生ずるので、２つの電流変化が重なりノイズの発生が大きくなる。

そこで、ＰＷＭ制御の動作周期が異なる設定や、オフ、又はオンが同時となる場合には、どちらか一方のオフ、又はオンを時間的に遅延させることにより、ノイズを低減させることもできる。

上述した実施例では、スタータモータ１４とマグネットスイッチ１１のＰＷＭ制御により、バッテリ５０に流れる電流は矩形波形となり、電流の時間変化が急峻でノイズ発生の要因となり、ＳＴＭ１００の誤動作や車載ラジオの雑音発生等が心配される場合には、ＳＴＭ１００の端子１０１とグランド間にコンデンサを接続し、電流の時間変化を滑らかにする対策が含まれる回路構成にすることもできる。

又、上述した実施例では、ＦＥＴ１やＦＥＴ２のドレイン端子Ｄは、ＳＴＭ１００の端子１０１に接続されて直接バッテリ５０に接続する回路構成であるが、ＦＥＴ１やＦＥＴ２の短絡故障によってスタータモータ１４やマグネットスイッチ１１に常時電流が流れるのを防止するため、ドレイン端子Ｄからバッテリ５０の経路に開閉器を接続し、短絡故障の検出によって開閉器を開放する等の対策が含まれる回路構成にしてもよい。

又、上述した実施例では、ＦＥＴ１とＦＥＴ２の駆動用ＰＷＭ信号（Ｍｏ−ＰＷＭとＭｇ−ＰＷＭ）やスタート信号ＳＴは、ＥＣＵ７０から端子１０３で接続するようにしているが、このような接続以外に、シリアル通信やローカルエリアネットワークを利用し、受信，送信の情報量を多くして、スタータモータ１４やマグネットスイッチ１１を細やかに制御することにより、ＳＴＭ１００の機能向上を計ることもできる
更に、ＦＥＴ１とＦＥＴ２の駆動用ＰＷＭ信号（Ｍｏ−ＰＷＭとＭｇ−ＰＷＭ）を、ＥＣＵ７０から出力することなく、ＳＴＭ１００から出力してもよい。

これにより、ＥＣＵ７０，スタータモータ１４やマグネットスイッチ１１や噛合い機構が異なるエンジン始動制御であっても、ＳＴＭ１００を共通に使用できるので、標準化した製品群にでき、量産効果を得ることができる。

又、スタータモータ１４は、界磁磁束が永久磁石や直巻界磁で生成され、電機子巻線と直列にＦＥＴ１を接続してＰＷＭ制御される直流モータを例として説明している。しかし、直流モータに限定されるものではなく、電機子巻線を複数の電流通電用半導体スイッチによりＰＷＭ制御される交流モータであっても、マグネットスイッチ１１とＳＴＭ１００との一体化が可能であり、交流モータの始動初期の電流をＤｕｔｙで制限するように制御することにより、上述した実施例と同等の効果を得ることができる。

複数相の交流モータでは、ＳＴＭ１００との接続端子は、１つの端子１０２の他に複数相分のモータ端子を有するようになる。

上述した実施例では、運転者がイグニッションスイッチを操作したエンジン始動で説明したが、例えば、ハイブリット自動車における環境対応のエンジン制御において採用が進められているアイドルストップ制御では、バッテリ電圧ＶＢの低下抑制が更に効果的となる。

即ち、アイドルストップは走行途中の信号待ち等でエンジンを停止させ、発進時にエンジン始動をさせるが、エンジン始動時にバッテリ電圧ＶＢが最低保証電圧ＶＢｓ以下に低下すると、例えば、運転開始時に記憶させたナビゲーションのルート，目標地点のリセット，エンジン制御装置や変速機制御装置においてバックアップデータが使用されるなどの不具合が発生するのを解消することができる。

上記実施例によれば、スタータモータに半導体スイッチを含む制御モジュールを一体化して配置するので、他の制御回路に電磁誘導によるノイズなどの影響を及ぼすことがなくなり、更に、従来エンジンへの取付け互換性を有するので、スタータモータ始動時のバッテリ電圧の低下を抑制できるアイドリングストップシステムを従来車両にも容易に適用できる。

１０ エンジン始動装置
１１ マグネットスイッチ
１２ シフト機構
１３ ピニオン
１４ スタータモータ
１６ 開放部（マグネットスイッチとスタータモータの連通部）
２０ リングギア
５０ バッテリ
６０ ＩＧＳＷ
７０ ＥＣＵ
８０ リレー
１００ ＳＴＭ
１０１，１０２，１０３，１０４，Ｂ，Ｓ，Ｍ 端子
１１０ インタフェース回路
１２０，１５０ ＦＥＴ
１３０，１６０ フリーホイールダイオード
２００ バッテリ電圧制御回路
３００ スタータモータ電流制御回路
３１０ スタータモータ電流センサ

Claims (16)

1. エンジンに連結したリングギアに噛み合わせるピニオンと、
   バッテリから供給される電流により、前記ピニオンを前記リングギアの方向へ移動させるマグネットスイッチと、
   前記電流により、前記ピニオンを回転するスタータモータと、
   前記スタータモータに対してエンジン始動の指令を行う制御装置と、
   前記指令に基づいて、前記ＰＷＭ制御を行う第１の半導体スイッチを制御するスタータ制御部と、を備え、
   前記スタータモータと前記マグネットスイッチは第１の筐体に収められ、
   前記スタータ制御部は第２の筐体に収められ、
   前記第１の筐体と前記第２の筐体は一体化される、エンジン始動装置。
2. 前記半導体スイッチのＰＷＭ制御は、前記スタータモータ起動時の第１のＤｕｔｙ値から第１の所定時間内で第２のＤｕｔｙ値に大きくし、前記第１の所定時間が経過後は、前記第２のＤｕｔｙ値で一定にする制御を示す、請求項１記載のエンジン始動装置。
3. 前記第１のＤｕｔｙ値は、前記第１の半導体スイッチの全導通を１００％とした場合、７０％以下である、請求項２記載のエンジン始動装置。
4. 前記第２のＤｕｔｙ値は、前記第１の半導体スイッチの全導通とする１００％である、請求項２記載のエンジン始動装置。
5. 前記第１の所定時間は、１００ms以下である、請求項２記載のエンジン始動装置。
6. 前記第１のＤｕｔｙ値と前記第２のＤｕｔｙ値と前記第１の所定時間は、前記バッテリのバッテリ電圧及びエンジン始動までの時間に基づいて設定される、請求項２乃至５何れか一に記載のエンジン始動装置。
7. 前記半導体スイッチと並列に短絡スイッチを接続し、前記第２のＤｕｔｙでは、前記短絡スイッチをオンさせる、請求項２乃至６何れか一に記載のエンジン始動装置。
8. 前記スタータ制御部は、前記指令に基づいて、前記マグネットスイッチのＰＷＭ制御を行う第２の半導体スイッチを制御する、請求項２乃至７何れか一に記載のエンジン始動装置。
9. 前記第２のスイッチング素子のＰＷＭ制御は、前記マグネットスイッチの起動初期の第３のＤｕｔｙ値から第２の所定時間内で第４のＤｕｔｙ値に大きくし、前記第２所定時間が経過後は、前記第４のＤｕｔｙ値で一定にする、請求項８記載のエンジン始動装置。
10. 前記第４のＤｕｔｙ値は、前記第２の半導体スイッチを全導通とする１００％である、請求項８又は９記載のエンジン始動装置。
11. 前記第３のＤｕｔｙ値と前記第４のＤｕｔｙ値と前記第２の所定時間は、前記バッテリのバッテリ電圧で設定される、請求項９記載のエンジン始動装置。
12. 前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチは、時間をずらしてＰＷＭ制御が開始される、請求項１乃至１１何れか一に記載のエンジン始動装置。
13. 前記ＰＷＭ制御は、前記第２の半導体スイッチの起動開始後、前記第１の半導体スイッチの起動が開始される、請求項１１又は１２記載のエンジン始動装置。
14. 前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチの前記ＰＷＭ制御開始後、前記スタータモータ及び前記マグネットスイッチに電流が流れた時、前記バッテリ電圧は所定の電圧以上となるように制御される、請求項１１〜１３何れか一に記載のエンジン始動装置。
15. 前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチの前記ＰＷＭ制御は、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチのオン、又はオフの時点で時間差がある、請求項１１乃至１４何れか一に記載のエンジン始動装置。
16. 前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチを前記ＰＷＭ制御するための信号は、当該エンジン始動装置以外の制御装置から入力される、請求項１乃至１５何れか一に記載のエンジン始動装置。

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