JP6104225B2 - 回転電機の制御装置、及びその制御装置で制御される回転電機を搭載したエンジン制御システム - Google Patents

Description

この発明は、車両などのエンジンに接続される回転電機を制御する回転電機の制御装置、及びその制御装置で制御される回転電機を搭載したエンジン制御システムに関するものである。

従来から車両の燃費を向上するため、エンジンのアイドリングストップを行うことが知られている。アイドルストップ状態からエンジンを再始動する要求があった場合、従来からのスタータを使用する方法や、例えば特開２００７-３２４９３号公報（特許文献１）に開示されているように、エンジンのクランクシャフトに常時噛み合っているスタータを使用する方法、あるいは特開２０１１-１３２９０４号公報（特許文献２）に開示されているように、エンジンのクランクプーリ−にベルトを介して接続された発電電動機を使用する方法が知られている。

ところで、エンジンがアイドルストップ指令を受けて、回転速度を低下させている時のエンジン回転の揺り戻し時や、エンジン停止中に車両が後退する時などに、エンジンの回転が通常とは逆回転になることが発生する。特許文献１では、クランクシャフトに常時噛み合わされている常時噛合式のスタータにおいて、エンジンの逆回転が検知されるとその逆回転を抑制するようにトルクを発生させることが提案されている。また、特許文献２では、エンジンの逆回転中は交流モータによるエンジン始動を禁止することが提案されている。

特開２００７-３２４９３号公報 特開２０１１-１３２９０４号公報

しかし、特許文献１のスタータでは逆回転でのスタータ自身の破損を防止するため、エンジンの逆回転が発生する度に逆回転抑制制御を行う必要があり、スタータの駆動回数が飛躍的に増加してしまうことになる。このため、スタータで消費される電力が増加し、車両の燃費が悪化する。また、スタータの使用回数が増えるため、要求される耐久性も増え、スタータのコストアップとなる。さらに、単純にスタータを動作させるとエンジン始動回転数まで回転してしまうため、エンジンを始動させずに逆回転速度を抑制するためにはスタータへ流す電流を制御する必要があり、そのための装置が必要で車両のコストアップとなる。

特許文献２のエンジン始動制御装置では前述のように逆回転中の交流モータの駆動によるエンジン始動を禁止している。このため、エンジンが正回転になるまで始動することができず、応答性が悪化する。また、逆回転中に界磁石を励磁することが提案されているが、励磁による発熱の影響や、交流モータでの不規則なトルクの発生による乗り心地の悪化が懸念される。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、エンジンの再始動指令が要求された場合に、回転電機へプーリ−から入力される回転方向が逆回転でも正方向にトルクを出力するように制御する回転電機の制御装置、及びその制御装置で制御される回転電機を搭載したエンジン制御システムを提供するものである。

この発明に係る回転電機の制御装置は、エンジンに接続され、前記エンジンを始動する回転電機を制御する回転電機の制御装置であって、前記回転電機による前記エンジンの再始動中で、前記回転電機の回転が逆回転になった時に、前記回転電機を逆回転で正方向にトルクを出力するように制御し、前記エンジンの再始動を継続する回転電機の制御装置において、
前記回転電機に固定されると共に、前記回転電機の固定子巻線から引き出された接続端部と接続された制御装置を有し、前記制御装置に、前記回転電機の回転が逆回転になった時、正方向にトルクを出力するように制御する制御マップを備え、前記制御マップは、前記回転電機が逆回転中において、回転速度が零回転に近づくにつれて、零回転時に正方向に出力するトルクと同じと看做してよい範囲内のトルクを出力するように制御すると共に、前記回転電機の逆回転から零回転へのトルクと、正回転から零回転へのトルクが滑らかに繋がるように構成されていることを特徴とするものである。

この発明に係る回転電機の制御装置によれば、回転電機でエンジン再始動中に、回転が逆方向になった場合でも、正方向にトルクを出力する様に回転電機を制御し、エンジンの再始動を継続するので、迅速にエンジンを再始動することができ、車両の制御性が向上する効果がある。
また、回転電機が逆回転中において、回転速度が零回転に近づくにつれて、零回転時に正方向に出力するトルクと同じと看做してよい範囲内のトルクを出力するように制御することにより、必要以上のトルク出力を出すことがなくなり、回転電機への通電量を下げることができ、回転電機の発熱の抑制ができると共に消費電力を抑えることができ、車両の燃費を向上することができる効果がある。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の電気回路図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機を搭載したエンジン制御システムの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機を搭載したエンジン制御システムでのエンジン停止・再始動の動作フローを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の駆動時の各回転速度における最大出力トルク特性を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の界磁電流の制御設定値の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の固定子電流の電流位相角の設定値の一例を示す図である。

以下、この発明に係る回転電機の制御装置、及びその制御装置で制御される回転電機を搭載したエンジン制御システムの好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す断面図で、図２は、その電気回路図である。
図１において、回転電機１は、２種類のブラケット２、３からなるハウジングと、ブラケット２、３のそれぞれにベアリング４、５を介して回転自在に保持される回転子６と、回転子６の外周側に固定子巻線７を保持し、ブラケット２、３に固定された固定子８を備えている。回転子６は、界磁巻線９と、界磁巻線９を覆う界磁鉄心１０と、回転軸となるシャフト１１を有し、固定子８に対して同軸に回転できるように構成されている。シャフト１１の片側端部にはエンジン（図示せず）と双方向にトルクを授受するためにプーリ−１２が取り付けられており、ベルト（図示せず）を介してエンジンと接続されている。以下においては、プーリ−１２側をフロント側、プーリ−１２と反対側をリヤ側と称して説明する。

回転子６は、シャフト１１に界磁電流を供給するスリップリング１３を有し、スリップリング１３はリヤ側ブラケット３よりリヤ側に突出すると共に、その突出部において高放熱性樹脂のブラシホルダ１４に収納されたブラシ１５と摺接するように構成されている。回転子６の界磁鉄心１０の端面には冷却風を発生させるファン１６、１７が取り付けられている。また、回転子６の回転位相を検知する回転センサ１８のロータがリヤ側ベアリング５とブラシホルダ１４の間に搭載されており、回転センサ１８は回転センサ保護カバー１９により覆われている。本実施の形態では、回転センサ１８は巻線型のセンサを用いており、巻線に電流を通電することにより、センサとして機能するものである。なお、スリップリング１３、ブラシホルダ１４及びブラシ１５は、界磁巻線９に直流電力を供給するためのものである。

回転電機１は、制御装置としてのインバータ装置２０とインバータ装置２０を内包する外部カバー２１を備え、インバータ装置２０は外部の電源２２（図２参照）に接続され、駆動時の固定子電流の供給及び発電時の固定子電流の整流を行うスイッチング素子を周辺回路とともにまとめたパワーモジュール２３と、界磁電流を制御するスイッチング素子を周辺回路とともにまとめた界磁モジュール２４と、パワーモジュール２３と界磁モジュール２４が搭載された冷却用のヒートシンク２５と、パワーモジュール２３及び界磁モジュール２４の電力系の端子と接続されるターミナルを備えたケース２６と、パワーモジュール２３と界磁モジュール２４を制御する制御回路が構成された制御モジュール２７で構成されている。

パワーモジュール２３や界磁モジュール２４は、スイッチング素子等を配線用のリードフレームに搭載し、全体を樹脂成型により構成されている。また、ヒートシンク２５は、リヤ側ブラケット３に固定、保持され、ヒートシンク２５とリヤ側ブラケット３が同電位になるように構成されている。

インバータ装置２０の中央部にはシャフト１１が通る略円環状の空間２０ａがあり、この空間２０ａに界磁巻線９に通電するブラシホルダ１４が配置され、インバータ装置２０に電気的に接続されている。ブラシホルダ１４とリヤ側ブラケット３の間には回転センサ１８の固定子が配置され、回転センサ１８の信号配線がインバータ装置２０に接続されている。前記のように、インバータ装置２０の外周にはインバータ装置２０等を保護する外部カバー２１が設けられており、外部カバー２１の径方向外周に第１の冷却風流入孔２１ａが形成され、リヤ側ブラケット３の径方向外周側に排気孔３ａが形成されている。また、外部カバー２１の軸方向後方に、インバータ装置２０に形成された略円環状の空間２０ａと対向するように第２の冷却風流入孔２１ｂが形成され、リヤ側ブラケット３のベアリング保持部外周に通風孔３ｂが形成されている。図２は、前記構成による回転電機１の電気回路図を示している。

図３は、実施の形態１に係る回転電機を搭載したエンジン制御システムの一例を示す図である。
図３において、回転電機１はベルト３０を介してエンジン３１に接続されている。エンジン３１及び回転電機１はエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという。）３２に接続されて動作指令を受ける。逆に、エンジン３１や回転電機１からＥＣＵ３２に対して各種情報を出力する。エンジン３１は冷間始動用にスタータ３３を備えている。

図４は、実施の形態１に係る回転電機１を搭載したエンジン制御システムでのエンジン停止・再始動の動作フローを示す図である。図４によりフロー中の動作を説明する。
エンジン制御システムの動作中において、車両情報からエンジン３１を停止するための条件を判定する（ステップＳ１、ステップＳ２）。判定するための条件として、例えば車速、電源の充電量、エンジン温度、回転電機の温度、ブレーキペダルの踏込量等がある。これらの条件が成立した場合にエンジン３１の停止処理を行う（ステップＳ３）。エンジン３１の停止とは、エンジン３１から外部への動力供給を停止した状態を示す。

次に、車両情報からエンジン３１の再始動条件について判定を行い（ステップＳ４）、再始動条件が成立した場合、回転電機１を駆動させ（ステップＳ５）、エンジン３１を再始動させる（ステップＳ６）。なお、前記ステップＳ１からステップＳ６は、ＥＣＵ３２において実行される。

前述のように、エンジン３１の停止として外部への動力供給を停止する場合、エンジン３１への燃料供給を停止する。燃料供給を停止することにより、車両の燃料消費を抑え、燃費を向上できるが、同時にエンジン３１の回転が完全に停止している必要なく、惰性で回転し続けることもある。また、車速についても一定の閾値以下でエンジン３１の停止を許可することにより、燃料消費を減らして燃費が向上する。エンジン３１は、燃料供給が停止された状態では、エンジン３１自体の摩擦や回転電機１をはじめとする負荷によって回転速度が低下し、停止する。このとき、回転エネルギーの不足により、エンジンシリンダの上死点を越えることができず、揺り戻しによってエンジン３１の逆回転が発生する場合がある。

エンジン３１の再始動をする場合において、エンジン３１が完全に停止していない状態で行う可能性があり、回転電機１はエンジン３１が逆回転時でも再始動するためのトルクを発生させる必要がある。また、坂道等でアイドルストップ状態で停車中から再始動する場合に、車両が後退してエンジン３１が逆回転する可能性があり、特にこの場合は速やかにエンジン３１を再始動し、車両の後退を止める必要がある。

図５は、実施の形態１に係る回転電機の駆動時の各回転速度における最大出力トルク特性を示す図である。図５において、横軸の正方向が正回転の回転速度、縦軸の正方向が回転電機１から出力される正方向のトルクを示している。
実施の形態１に係る回転電機１では、逆回転から零回転にかけて一定と看做してよい範囲内のトルクを出力する特性とする。回転電機１の逆回転時に正方向にトルクを出力することで逆回転する時間を短縮し、迅速にエンジン３１を再始動することができる。インバータ装置２０の制御モジュール２７は、逆回転時に正方向にトルクを出力するための制御マップを予め備えている。また、逆回転から零回転、零回転から正回転への出力トルクが滑らかに繋がるように制御マップを構成し、エンジン３１の回転方向の切り替わり時のショックを低減することができ、車両の乗り心地をよくすることができる。

以上のように、実施の形態１では、回転電機１でエンジン３１の再始動中に、回転が逆方向になった場合でも、正方向にトルクを出力するように回転電機１を制御し、エンジン３１の再始動を継続する。このように回転電機１を制御することにより、迅速にエンジン３１を再始動することができ、車両の制御性を向上することができる。

また、実施の形態１では、回転電機１に予め逆回転時に正のトルクを出力するための制御マップを備えており、逆回転中は前記制御マップを参照して回転電機１を制御することで、回転電機１を効率よく制御することができ、車両の燃費を向上することができる。

また、実施の形態１では、回転電機１の回転が、逆回転から零回転、零回転から正回転へと変わっていくときに、出力トルクが滑らかに繋がるように制御マップを構成し、回転電機１の駆動制御を行う。これにより、エンジン３１の回転の切り替わりのショックを抑制して再始動を行うことができ、車両の乗り心地を改善することができる。

また、実施の形態１では、回転電機１が逆回転中において、回転速度が零回転に近づくにつれて、零回転時に正方向に出力するトルクと同じと看做してよい範囲内のトルクを出力するように制御する。これにより、必要以上のトルク出力を出すことがなくなり、回転電機１への通電量を下げることができ、回転電機１の発熱を抑制できる。また、回転電機１の消費電力を抑えることができ、車両の燃費を向上することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る回転電機の制御装置について説明する。実施の形態２に係る回転電機の構成、並びに電気回路図は実施の形態１と同様のため説明を省略する。

図６は、実施の形態２に係る回転電機の界磁電流の制御設定値、図７は、固定子電流の電流位相角の設定値のそれぞれ一例を示す図である。
実施の形態２に係る回転電機１は、ＥＣＵ３２から要求されるトルク出力を、界磁電流と固定子電流位相角を制御することにより出力する。このとき特に、逆回転領域から正方向の低速領域にかけては界磁電流を一定と看做してよい範囲内とし、固定子巻線７の通電電流の位相角を制御して要求されたトルクを回転電機１から出力する。これは回転子６に巻回された界磁巻線９が大きな時定数を持っているため、界磁電流の指令値を変化させても、実際に流れる界磁電流が変化するまでに時間がかかり、トルク出力の応答性が悪くなるためである。

一方、固定子巻線７の電流位相角を変化させる方が応答性がよいため、速やかに指令に対してトルク出力を追従させることができる。特に、回転速度が逆回転から零回転にかけて固定子８の位相角を連続的に変化させて制御する。これにより回転方向の切り替わりでのショックを和らげることができ、乗り心地が改善する。

また、トルク出力に対する界磁電流と固定子電流位相角の組み合わせについて、各回転速度の制御マップを回転電機１の内部に持っていてもよい。指令に対して、最適化された制御マップを持つことにより、逆回転時の回転電機１の効率が向上し、車両の燃費が改善する。

また、逆回転の回転速度が大きくなると正方向にトルクを出力する場合には、逆回転のトルクを吸収し回転電機１が発電してしまう。この様な状態になると結果的に回転電機１で余分に電力を消費することになるため、動作範囲を越える場合には回転電機１の逆回転制御を禁止する。

以上のように、実施の形態２では、回転電機１を逆回転時から零回転にかけて界磁電流を一定と看做してよい範囲内として正方向に駆動させる。通常、界磁巻線９に流す界磁電流は巻線の時定数があるため、界磁電流を変化させる場合に遅れが発生するが、逆回転時から界磁電流を一定に流すことにより、界磁電流の通電遅れを無くすことができ、迅速にエンジン３１を再始動することができる。

また、実施の形態２では、回転電機１を駆動させる固定子巻線７に流す固定子電流の通電位相角を逆回転から零回転にかけて連続的に変化させるように制御する。これにより、エンジン３１が逆回転から正回転に変化する時のショックを和らげることができ、車両の乗り心地を改善することができる。

また、実施の形態２では、回転電機１の逆回転時の制御について、外部からの正方向へのトルク指令値に対して、界磁電流を一定にして固定子電流の位相角を変化させることで、指令されたトルクを出力するように回転電機１を制御する。界磁電流の変化を少なくすることにより界磁電流の応答遅れを無くし、迅速に始動することができる。また、固定子電流の位相角を逆回転から零回転にかけて滑らかに繋ぐことで回転方向の切り替わりのショックを低減することができ、車両の乗り心地を改善することができる。

また、実施の形態２では、回転電機１において、逆回転速度が大きくなると正方向に駆動させようとしても発電を行う領域に入ってしまう。この状態で動作させることは電力を浪費してしまうため、正方向への駆動が可能な領域まで回転電機１の駆動動作を停止させる。これにより消費電力を抑え、車両の燃費を向上させることができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、この発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内にて他の種々の実施の形態が可能であることは当業者にとって明らかである。

１ 回転電機、２、３ ブラケット、３ａ 排気孔、３ｂ 通風孔、４、５ ベアリング、６ 回転子、７ 固定子巻線、８ 固定子、９ 界磁巻線、１０ 界磁鉄心、１１ シャフト、１２ プーリ−、１３ スリップリング、１４ ブラシホルダ、１５ ブラシ、１６、１７ ファン、１８ 回転センサ、１９ 回転センサ保護カバー、２０ インバータ装置、２０ａ 空間、２１ 外部カバー、２１ａ 第１の冷却風流入孔、２１ｂ 第２の冷却風流入孔、２２ 電源、２３ パワーモジュール、２４ 界磁モジュール、２５ ヒートシンク、２６ ケース、２７ 制御モジュール、３０ ベルト、３１ エンジン、３２ ＥＣＵ、３３ スタータ。

Claims (7)

1. エンジンに接続され、前記エンジンを始動する回転電機を制御する回転電機の制御装置であって、
   前記回転電機による前記エンジンの再始動中で、前記回転電機の回転が逆回転になった時に、前記回転電機を逆回転で正方向にトルクを出力するように制御し、前記エンジンの再始動を継続する回転電機の制御装置において、
   前記回転電機に固定されると共に、前記回転電機の固定子巻線から引き出された接続端部と接続された制御装置を有し、前記制御装置に、前記回転電機の回転が逆回転になった時、正方向にトルクを出力するように制御する制御マップを備え、
   前記制御マップは、前記回転電機が逆回転中において、回転速度が零回転に近づくにつれて、零回転時に正方向に出力するトルクと同じと看做してよい範囲内のトルクを出力するように制御すると共に、前記回転電機の逆回転から零回転へのトルクと、正回転から零回転へのトルクが滑らかに繋がるように構成されていることを特徴とする回転電機の制御装置。
2. 前記回転電機の逆回転時に、前記回転電機が発電する回転速度以外の回転速度で前記回転電機を正方向に駆動することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記回転電機の逆回転時で零回転付近においては、零回転で正方向に出力するトルクと同じと看做してよい範囲内のトルクを出力するように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記回転電機の逆回転から零回転にかけて、前記回転電機の界磁電流を一定に維持して正回転のトルクを発生させることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記回転電機の逆回転から零回転にかけて、前記回転電機の固定子巻線に通電する電流の位相角を連続的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記回転電機へのトルク指令値に対して同じ界磁電流を維持したままトルクが発生するように、前記回転電機の固定子巻線に通電する電流の位相角を制御することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。
7. エンジンと、前記エンジンに接続された回転電機と、請求項１から６の何れか一項に記載の回転電機の制御装置と、を含むことを特徴とするエンジン制御システム。