JP6319113B2 - 電力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン始動時において、発電装置の発電を制御する電力制御装置に関するものである。
車両バッテリは長期使用に伴い劣化するため、車外からの電力供給によりジャンプスタートが必要に応じて行われる。かかる場合、エンジン始動に際し、スタータへの電力供給時に、他車両等に搭載された電源から電力供給を補うことにより、エンジン始動を行うといった技術がある。
例えば、他車両に搭載されたバッテリと自車両に搭載されたバッテリとをブースタケーブルにより接続し、他車両のバッテリから自車両のスタータへ電力を救援補給することにより、エンジンを始動する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１０７７６８号公報
ジャンプスタートを実施する際、例えば、トラック等に搭載される２４Ｖバッテリの高電圧電源が接続されることがあると考えられる。この場合、エンジンの始動完了後において２４Ｖが印加された状態で自車両の発電装置による発電が開始されると、発電装置に異常電流が生じることにより、発電装置が損傷することが懸念される。一方、発電装置の発電を停止状態のまま、エンジンの始動完了後に２４Ｖバッテリの接続解除がなされると、バッテリの端子電圧の低下に起因してエンジンストールが生じるといった不都合が懸念される。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高電圧電源からの給電によるジャンプスタート時において、適正なエンジン始動を行うことができる電力制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用・効果について記載する。
本発明の電力制御装置は、エンジン（１１）と、前記エンジンの動力により回転し発電する発電手段（１５，１６）と、前記発電手段の発電により充電されるバッテリ（１３）と、前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段（１９）と、を備える車両に適用される。そして、電力制御装置は、外部電源を用いて前記エンジンを始動させるジャンプスタート時であることを判定する第１判定手段と、前記外部電源として、前記バッテリよりも高電圧の高電圧電源が接続されていることを判定する第２判定手段と、前記第１判定手段によりジャンプスタート時であると判定され、かつ前記第２判定手段により前記高電圧電源の接続状態であると判定された状態で、前記エンジンの始動が行われた後に始動完了の状態になったことを判定する第３判定手段と、前記第３判定手段により始動完了が判定された時点において前記発電手段の発電を停止状態のまま保持する保持手段と、前記始動完了の判定後において、前記電圧検出手段から検出信号を取り込み、その検出信号に基づいて前記高電圧電源の接続解除がなされたことを判定する第４判定手段と、前記第４判定手段により前記高電圧電源の接続解除が判定された場合に、直ちに前記発電手段の発電を開始する発電指令手段と、を備えることを特徴とする。
高電圧電源からの給電によるジャンプスタートが実施される場合、その始動が完了した時点では発電手段の発電が停止状態のまま保持される。つまり、発電手段の発電が待機状態で保持される。これにより、高電圧が発電手段に印加された状態で、発電手段が発電することにより生ずる異常電流の発生が抑制され、発電手段が損傷することを抑制できる。また、始動完了後において、電圧検出手段から直接取り込まれる検出信号に基づいて高電圧電源の接続解除がなされたと判定された場合に、直ちに発電手段の発電が実施される。これにより、高電圧電源の接続解除後において、バッテリの端子電圧の低下に起因してエンジンストールが生じるといった不都合を抑制できる。その結果、高電圧電源からの給電によるジャンプスタート時において、適正なエンジン始動を行うことができる。
車載電源システムの全体を示す構成図。 発電制御処理に関する制御処理を示すフローチャート。 発電制御処理の態様を示すタイムチャート。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の電力制御装置は車両に搭載される車載電源システムに適用されるものであり、車両は、エンジンを駆動源として走行するものである。図１は、本実施形態における車載電源システムの全体構成を示す。
図１に示すように、車両１０は、エンジン１１と、スタータ１２と、バッテリ１３と、ＩＳＧ１４（Integrated Starter Generator）とを備えている。エンジン１１は、ガソリンや軽油等の燃料の燃焼により駆動される内燃機関であり、周知のとおり燃料噴射弁や点火装置等を適宜備えている。スタータ１２はバッテリ１３に接続されており、バッテリ１３からの電力供給によりスタータ１２が駆動されることで、エンジン始動時においてエンジン１１に初期回転（クランキング回転）が付与される。バッテリ１３は、定格１２Ｖの鉛バッテリである。
ＩＳＧ１４は、発電部１５と、インバータ１６と、発電制御部１７とを備えて構成されている。発電部１５の回転軸はエンジン出力軸に対してベルト等により駆動連結されている。この場合、エンジン出力軸の回転によって発電部１５の回転軸が回転する一方、発電部１５の回転軸の回転によってエンジン出力軸が回転する。つまり、発電部１５は、エンジン出力軸の回転により発電を行う発電機能と、エンジン出力軸に回転力を付与する動力出力機能とを備えるものとなっている。本実施形態の車両１０は、アイドリングストップ機能を有しており、エンジン自動停止後における再始動時には、発電部１５の回転によりエンジン１１に初期回転（クランキング回転）が付与される。また、発電部１５の発電電力によりバッテリ１３が充電される。
発電部１５は、３相交流回転機であり、インバータ１６を介してバッテリ１３に接続されている。インバータ１６は、３相ブリッジにて構成されており、１相ごとに上アーム用回路のスイッチング素子と下アーム用回路のスイッチング素子とが直列接続されている。スイッチング素子は、電圧制御型の半導体スイッチング素子が用いられており、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられている。
発電制御部１７は、ＣＰＵ１８（中央演算装置）と電源部１９とを備えて構成されており、バッテリ１３に接続されている電源部１９から供給される電源により動作する。電源部１９は、バッテリ１３の端子電圧からＣＰＵ動作電圧（例えば５Ｖ）を生成する電源回路よりなり、バッテリ電圧を検出する電圧検出機能を有している。発電部１５による発電時及び動力出力時には、ＣＰＵ１８は、インバータ１６のスイッチング素子のオン、オフを制御してＡＣＤＣ電力変換を実施する。
上記に加え、ＣＰＵ１８は、バッテリ１３の劣化に伴いエンジン１１のジャンプスタートが実施される場合に、それが高電圧電源を用いたジャンプスタートであることを判定する処理や、高電圧電源によるジャンプスタートの実施時に発電部１５による発電を制限する処理等を実施する。ただしその詳細は後述する。
本車載電源システムでは、バッテリ１３の端子電圧を検出する電圧センサ２０や、エンジンフードの開閉を検出するエンジンフードセンサ２１、エンジン１１の回転速度を検出する回転速度センサ２２等、各種センサを備える。電圧センサ２０、エンジンフードセンサ２１及び回転速度センサ２２はＥＣＵ２４に接続されており、それら各種センサからの信号はＥＣＵ２４に逐次入力されるようになっている。
ＥＣＵ２４は、ＣＰＵ及び記憶装置（ＲＯＭ及びＲＡＭ）によりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種プログラムを実行する。ＥＣＵ２４は、ドライバの操作によりイグニッションキーがＩＧ位置となると信号を受け取り起動し、バッテリ１３から供給される電力により動作する。ＥＣＵ２４は、都度のエンジン運転の要求やエンジン運転状態に基づいて、燃料噴射量や点火時期等の制御を実施する。発電制御部１７のＣＰＵ１８とＥＣＵ２４とは通信線を介して接続されており、双方向の通信が可能となっている。
また、ＥＣＵ２４は、発電制御部１７のＣＰＵ１８に対して上位となる上位制御部を構成するものであり、例えば電圧センサ２０の検出値に基づいてバッテリ１３の蓄電状態を監視し、その監視結果に基づいてＣＰＵ１８に対して発電制御信号を出力する。そして、ＣＰＵ１８は、ＥＣＵ２４から送信される発電制御信号に基づいてインバータ１６の電力変換を実施して、発電部１５の発電を制御する。
次に、ジャンプスタートに関わるＣＰＵ１８の処理について説明する。ＣＰＵ１８は、外部電源を用いてエンジン１１を始動させるジャンプスタート時であることを判定する第１判定機能、外部電源として、バッテリ１３よりも高電圧の２４Ｖバッテリが接続されていることを判定する第２判定機能、ジャンプスタート時でありかつ２４Ｖバッテリの接続状態であると判定された状態で、エンジン１１の始動が行われた後に始動完了の状態になったことを判定する第３判定機能、その始動完了の判定がなされた時点で発電部１５の発電を停止状態のまま保持する保持機能、エンジン始動完了の判定後において、２４Ｖバッテリの接続解除がなされたことを判定する第４判定機能、２４Ｖバッテリの接続解除が判定された場合に、直ちに発電部１５の発電を開始する発電指令機能を有している。
次に、発電制御処理について、その詳細な手順を、図２を参照しつつ説明する。本処理はＣＰＵ１８により所定周期で繰り返し実施される。
まず、ステップＳ１１では、ジャンプスタート時であるか否かを判定する。本実施形態では、エンジンフードセンサ２１の検出結果に基づいてエンジンフードが開状態であると判定した場合に、ジャンプスタート時であることを判定する。これはバッテリ１３に電力救援用のブースタケーブルが接続されることを、エンジンフードの開放によりみなし推定するものであるが、ジャンプスタート判定の手法はこれに限られない。例えば、前回の車両走行時にバッテリ劣化（電圧低下等）の兆候が検出されていることを加味してもよい。また、車両１０にジャンプスタートスイッチが設けられている構成において、同スイッチがオンされたことに基づいてジャンプスタート時であることを判定してもよい。ステップＳ１１が第１判定手段に相当する。ステップＳ１１でＮＯであれば、本処理を終了し、ステップＳ１１でＹＥＳであれば、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、エンジン回転速度が０よりも大きい状態であるか否かにより、エンジン始動の開始後であるか否かを判定する。ステップＳ１２でＮＯであれば、本処理を終了し、ステップＳ１２でＹＥＳであれば、ステップＳ１３に進む。
ステップＳ１３では、エンジン始動の完了前であるか否かを判定する。このとき、回転速度センサ２２により検出されるエンジン回転速度が所定の完爆判定値に到達したか否かを判定する。ステップＳ１３でＹＥＳであれば、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１３でＮＯであれば、ステップＳ１７に進む。
ステップＳ１４では、電源部１９にて検出された電圧値ＶＢが所定の閾値Ｔｈより大きいか否かを判定する。このステップＳ１４は、外部電源として２４Ｖバッテリが接続されていることを判定するものであり、閾値Ｔｈは例えば１８Ｖである。なお、ステップＳ１４の電圧判定は、電圧センサ２０の検出値、すなわちＥＣＵ２４から送信される電圧検出値に基づいて実施されてもよい。ステップＳ１４が第２判定手段に相当する。外部電源として１２Ｖバッテリが接続される場合はステップＳ１４がＮＯになり、そのまま本処理を終了する。また、外部電源として２４Ｖバッテリが接続される場合はステップＳ１４がＹＥＳになり、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、２４Ｖ始動フラグに「１」をセットする。ここで、２４Ｖ始動フラグは、「０」によって、２４Ｖバッテリによるジャンプスタート時でないことを示し、「１」によって、２４Ｖバッテリによるジャンプスタート時であることを示す。
ステップＳ１６では、インバータ１６の全スイッチング素子をオフ状態にする。これにより、発電部１５の発電を停止状態のまま保持する。この後、本処理を終了する。
また、エンジン１１の始動完了に伴いステップＳ１３からステップＳ１７に進むと、２４Ｖ始動フラグが「１」であるか否かを判定する。このステップＳ１７は、ジャンプスタート時であると判定され、かつ２４Ｖバッテリの接続状態であると判定された状態で、エンジン始動が行われた後に始動完了の状態になったことを判定するものである。ステップＳ１３，Ｓ１７が第３判定手段に相当する。ステップＳ１７でＮＯであれば、本処理を終了し、ステップＳ１７でＹＥＳであれば、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、電源部１９にて検出された電圧値ＶＢが閾値Ｔｈ未満であるか否かを判定する。このステップＳ１８は、バッテリ１３に対する２４Ｖバッテリの接続が解除されたか否かを判定するものであり、これが第４判定手段に相当する。このとき、ステップＳ１３，Ｓ１７がＹＥＳになった当初は、２４Ｖバッテリの接続状態になっているため、ステップＳ１８がＮＯになり、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、上述のとおり発電部１５の発電を停止状態のまま保持する。ステップＳ１６が保持手段に相当する。ステップＳ１６では、仮にＥＣＵ２４から発電制御信号が出力されていても、それに関係なく発電部１５の発電を停止状態のまま保持する。
また、２４Ｖバッテリの接続が解除されてステップＳ１８がＹＥＳになると、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、インバータ１６のスイッチング素子のスイッチング動作を開始することで発電部１５の発電を開始し、本処理を終了する。ステップＳ１９が発電指令手段に相当する。
次に、上記発電制御処理の態様について図３のタイムチャートを用いて説明する。
タイミングｔ１で、エンジンフードが開状態にされる。タイミングｔ２で、バッテリ１３にブースタケーブルを介して２４Ｖバッテリが接続され、バッテリ１３の端子電圧の値が閾値Ｔｈ以上になる。タイミングｔ３で、スタータ１２が駆動され、エンジン回転が開始される。このとき、スタータ１２の駆動によりバッテリ１３に放電電流が流れる。また、タイミングｔ３で、発電制御部１７のＣＰＵ１８により、ジャンプスタート時であり、かつ２４Ｖバッテリの接続状態であることが認識され、２４Ｖ始動フラグに「１」がセットされる。
その後、タイミングｔ４で、エンジン回転速度が完爆判定値に到達することで始動完了の旨が判定される。このとき、エンジン１１の始動完了後であっても、発電部１５の発電が停止状態のまま保持される。つまり、発電待機の状態とされる。そのため、ＩＳＧ１４に２４Ｖが印加された状態で発電が開始されることに起因する異常電流の発生が抑制されるようになっている。
タイミングｔ５で、バッテリ１３からブースタケーブルが取り外されることで２４Ｖバッテリの接続解除がなされると、バッテリ１３の端子電圧が閾値Ｔｈ以下に低下する。これにより、発電部１５の発電が直ちに開始される。このとき、発電制御部１７の電源部１９には、ＥＣＵ２４を介さず直接バッテリ電圧が入力され、電源部１９からＣＰＵ１８に検出電圧が取り込まれるようになっているため、ＥＣＵ２４から電圧情報を入力する場合とは異なり、いち早く電圧低下を判定して発電部１５を発電状態に移行させることができる。したがって、２４Ｖバッテリの接続解除後におけるバッテリ電圧の低下を抑制できるようになっている。また、タイミングｔ５で、２４Ｖ始動フラグに「０」がセットされる。タイミングｔ６で、エンジンフードが閉状態にされる。
以上、詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
２４Ｖバッテリからの給電によるジャンプスタートが実施される場合に、その始動が完了した時点において発電部１５の発電を停止状態のまま保持するようにしたため、異常電流の発生に伴いＩＳＧ１４が損傷する等の不都合を抑制できる。また、始動完了後において、電源部１９から直接取り込まれる電圧検出信号に基づいて２４Ｖバッテリの接続解除を判定するようにしたため、電圧低下を抑制でき、ひいては電圧低下に起因するエンジンストールを抑制できる。その結果、高電圧電源からの給電によるジャンプスタート時において、適正なエンジン始動を行うことができる。
発電部１５とインバータ１６と発電制御部１７とを有するＩＳＧ１４では、インバータ１６の制御により発電状態と発電停止の状態との切り替えが可能であり、インバータ１６のスイッチング素子をオフ状態に保つことで適正に発電停止の状態（待機状態）を保持できる。また、インバータ１６のスイッチング動作を開始することで、適正に発電状態に移行させることができる。
２４Ｖバッテリからの給電によるジャンプスタート時に、ＣＰＵ１８が、ＥＣＵ２４から発電制御信号の有無に関係なく、インバータ１６のスイッチング動作を停止及び開始する構成にしたため、やはり発電の状態を適正に制御することができる。
一般に乗用車には１２Ｖバッテリが搭載されるのに対し、トラック等の商用車では２４Ｖバッテリが搭載される。かかる場合において、２４Ｖバッテリを搭載した車両を救援車両として用いジャンプスタートを実施する場合に、そのジャンプスタートを適正に実施することができる。
上記の実施形態を例えば次のように変更してもよい。
・外部電源として２４Ｖバッテリが接続されていることを判定する構成としたが、これを変更し、２４Ｖバッテリ以外の高電圧電源が接続されていることを判定する構成にしてもよい。また、車載バッテリ以外の高電圧電源（例えば家庭用蓄電池）が接続されていることを想定する構成であってもよい。
・ＩＳＧ１４に代えて、発電手段としてオルタネータを搭載した車両にも適用可能である。この場合、バッテリ１３とオルタネータとの間にスイッチを設けておき、２４Ｖバッテリによるジャンプスタート時における始動完了の当初において、スイッチを開状態にすることで発電を停止状態で保持するようにするとよい。
１１…エンジン、１３…バッテリ、１５…発電部（交流発電部）、１６…インバータ（変換回路）、１８…ＣＰＵ（電力制御装置）、１９…電源部（電圧検出手段）。

Claims (4)

  1. エンジン（１１）と、前記エンジンの動力により回転し発電する発電手段（１５，１６）と、前記発電手段の発電により充電されるバッテリ（１３）と、前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段（１９）と、を備える車両に適用され、
    外部電源を用いて前記エンジンを始動させるジャンプスタート時であることを判定する第１判定手段と、
    前記外部電源として、前記バッテリよりも高電圧の高電圧電源が接続されていることを判定する第２判定手段と、
    前記第１判定手段によりジャンプスタート時であると判定され、かつ前記第２判定手段により前記高電圧電源の接続状態であると判定された状態で、前記エンジンの始動が行われた後に始動完了の状態になったことを判定する第３判定手段と、
    前記第３判定手段により始動完了が判定された時点において前記発電手段の発電を停止状態のまま保持する保持手段と、
    前記始動完了の判定後において、前記電圧検出手段から検出信号を取り込み、その検出信号に基づいて前記高電圧電源の接続解除がなされたことを判定する第４判定手段と、
    前記第４判定手段により前記高電圧電源の接続解除が判定された場合に、直ちに前記発電手段の発電を開始する発電指令手段と、
    を備えることを特徴とする電力制御装置（１８）。
  2. 前記発電手段は、交流発電部（１５）と、前記バッテリ及び前記交流発電部との間に設けられ複数のスイッチング素子をスイッチング動作させて直流交流電力変換を実施する変換回路（１６）とを有しており、前記変換回路の動作を制御する電力制御装置であって、
    前記保持手段は、前記スイッチング素子をオフ状態に保つことで前記交流発電部の発電を停止状態のまま保持し、
    前記発電指令手段は、前記高電圧電源の接続解除がなされた時に前記スイッチング素子のスイッチング動作を開始することで、前記交流発電部の発電を開始する請求項１に記載の電力制御装置。
  3. 前記バッテリの蓄電状態を監視し、その監視結果に基づいて前記発電手段の発電制御信号を生成する上位制御部（２４）を備える車両に適用され、前記上位制御部から送信される前記発電制御信号に基づいて、前記変換回路の電力変換を実施する電力制御装置であって、
    前記発電制御信号の有無に関係なく、前記保持手段は、前記第３判定手段により始動完了が判定された時点で前記発電手段の発電を停止状態のままとし、前記発電指令手段は、前記第４判定手段により前記高電圧電源の接続解除が判定された場合に、直ちに前記発電手段の発電を開始する請求項２に記載の電力制御装置。
  4. 前記バッテリは１２Ｖバッテリであり、前記第２判定手段は、前記高電圧電源として２４Ｖバッテリが接続されていることを判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力制御装置。
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