WO2006123682A1 - エンジン始動装置 - Google Patents

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WO2006123682A1
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battery
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electric double
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Hiroyuki Handa
Koji Yoshida
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • F02N11/0862—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery
    • F02N11/0866—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery comprising several power sources, e.g. battery and capacitor or two batteries
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P1/18—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual dc motor
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    • F02N2200/00—Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/06—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter
    • F02N2200/063—Battery voltage

Definitions

  • the present invention relates to an engine starting device for supplying power to a starter connected to a mechanical drive system of an engine to start the engine, and in particular, idling in a vehicle using a single battery such as a vehicle having a general configuration of 14V. It is about the stop.
  • An electric double layer capacitor is one of the important components supporting such a technology.
  • This electric double layer capacitor is generally used in combination with a conventional lead-acid battery.
  • Japanese Patent No. 3,400,319 describes the use of braking energy as a method of charging an electric double layer capacitor.
  • the present invention solves such conventional problems at the same time. That is, it is an object to realize stable engine starting by applying a stable voltage to the starter even when the battery voltage changes. At the same time, a voltage higher than that of the conventional battery voltage is applied to the starter to improve the torque of the starter motor to improve the startability of the engine and to allow the voltage drop to some extent, thereby extending the idling stop period.
  • the other purpose is that.
  • relays that handle large currents have problems with their reliability, it is possible to improve their reliability by using a system that does not use relays. By achieving the above objects simultaneously, a reliable engine starter can be provided.
  • the engine starting device comprises a generator connected to a mechanical drive system of the engine, a battery charged by the generator, a starter, and electricity connected between the starter and the battery.
  • the DCZDC converter is connected to the battery and the electric double layer capacitor.
  • the output terminal of the DCZDC converter is connected to the starter and the electric double layer capacitor.
  • the DCZDC converter is connected to the electric double layer core.
  • the charging voltage of the capacitor can be set to an arbitrary voltage.
  • the charging voltage of the electric double layer capacitor is added to the voltage of the battery and applied to the starter, the voltage may be higher than that of the conventional battery voltage alone. Since this will increase the starter's starting torque, the engine's startability will be improved. In addition, since the electric double layer capacitor regulates the charging voltage based on the voltage drop due to the starter current, the engine startability can be stabilized.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing changes in current and battery voltage which flow in a general starter when the starter motor of the engine starting device according to Embodiment 1 of the present invention is operated.
  • FIG. 3 is a second circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a third circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a fourth circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a detailed circuit diagram of a DCZDC converter of an engine starting device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 9 shows an electric double layer capacitor of an engine starting device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the capacity decrease due to the charging voltage of
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to an embodiment of the present invention.
  • a starter 1 connected to a mechanical drive system of an engine includes a starter motor 2 and a starter relay 3.
  • the generator 7 is connected to the mechanical driveline of the engine.
  • Battery 4 is a 12 V lead acid battery.
  • An electric double layer capacitor 5 is connected between the starter 1 and the battery 4.
  • the input terminal of the DCZDC converter 6 is connected to the connection of the generator 7 and the battery 4, and the output terminal is connected to the connection of the starter 1 and the electric double layer capacitor 5.
  • DCZDC converter 6 using battery 4 as an input source starts operation to charge electric double layer capacitor 5.
  • the starter relay 3 is turned on, and the voltage of the battery 4 and the voltage of the electric double layer capacitor 5 The voltage added to the voltage is applied to the starter motor 2 to start the engine.
  • starter relay 3 is turned on, and a voltage obtained by adding the voltage of notch 4 and the voltage of electric double layer capacitor 5 is applied to starter motor 2 to start the engine. That is, by applying a higher voltage to the starter motor 2 than in the conventional case where only the notch 4 is used, the start time of the engine is shortened and the startability is improved. This enables smooth start.
  • the charge of the electric double layer capacitor 5 is lowered in voltage by the discharge due to the driving of the starter motor 2, but is recharged by the DCZDC converter 6. It is possible to make effective use of regenerative power by performing this recharging at the time of constant speed traveling or braking.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing changes in current and battery voltage which flow in a general starter when the starter motor is operated.
  • in-vehicle accessories are devices that must always operate regardless of the condition of the engine. For example, air conditioners, car audio devices and navigation devices are included.
  • start time In engine restart after idling stop, it is an operation that the start time changes A stable start-up time is desired because it may cause discomfort to the person. Also preferably, the time required for starting is better.
  • the engine starting device of the present embodiment is capable of applying to the starter 1 a combined voltage of the battery 4 and the electric double layer capacitor 5. Since the voltage of the electric double layer capacitor 5 can be arbitrarily set by the DCZDC converter 6, the voltage applied to the starter 1 is stabilized by adjusting the voltage of the electric double layer capacitor 5. It is possible to
  • the voltage drop of the battery 4 occurs due to the power consumed by the vehicle auxiliary equipment during idling stop
  • the voltage drop of the electric double layer capacitor 5 is generated even if the voltage drop occurs.
  • the voltage applied to the starter 1 can be made constant by superimposing it as the charging voltage, and the engine start is stabilized. Furthermore, it is possible to improve the duration of idling stop by stabilizing the start of the engine.
  • FIG. 3 is a second circuit diagram showing the configuration of the engine starting device according to Embodiment 1 of the present invention, and the same parts as FIG. 1 are assigned the same reference numerals and the detailed description thereof is omitted. Only the differences will be explained below.
  • the current detection means 8 detects the current of the battery 4.
  • the voltage detection means 9 detects the voltage of the battery 4.
  • the current detection means 8 and the voltage detection means 9 are connected to the control unit 11.
  • a Hall IC can be used as the current detection means 8.
  • You can also use a resistor and a signal amplifier (op amp) to detect the voltage.
  • current can be detected by combining the sample-and-hold circuit and the AD converter.
  • a voltage detection circuit may be provided in the control unit 11, and a wire may be drawn out from the point to be detected and connected to the voltage detection circuit to detect a voltage.
  • control unit 11 is connected to DCZDC converter 6, calculates the voltage drop at the start of the starter from the internal DC resistance of battery 4, and based on the calculated voltage drop value, charging voltage of electric double layer capacitor 5 To adjust the For example, when the internal resistance of the battery 4 determined by the current detection means 8 and the voltage detection means 9 is 10 milliohms, the voltage drop of the battery 4 by 300 amps of the starter current is 3V. Therefore, assuming that the charging voltage to the electric double layer capacitor 5 is 3 V, the voltage drop applied to the starter 1 can be approximately 12 V when the voltage drop of the electric double layer capacitor 5 is ignored.
  • Vc ⁇ Vs ⁇ (Vbatt ⁇ Vd) ⁇ (Expression 1)
  • FIG. 4 is a third circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to an embodiment of the present invention, where the same reference numerals as in FIG. 1 denote the same parts, and a detailed description thereof will be omitted. Only the different parts are described below.
  • the current detection means 8 and the voltage detection means 9 are connected to the connection terminal of the electric double layer capacitor 5.
  • the electric double layer capacitor 5 is also similar to the battery 4 and has an internal DC resistance, which changes depending on the environmental temperature and the operating environment. Therefore, it is possible to determine the internal DC resistance in the same way.
  • FIG. 5 is a fourth circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to an embodiment of the present invention, where the same reference numerals as in FIG. 1 denote the same parts, and a detailed description thereof will be omitted. Only the different parts are described below.
  • FIG. 5 shows an example in which the voltage detection means 9 is connected to the connection terminal of the starter 1.
  • the state of charge of battery 4 (STATE OF CHARGE, SOC) due to power consumption of the vehicle auxiliary equipment such as forgetting to turn off lights and dark current discharge due to long-term nonuse of the vehicle. It is possible to start the engine even when the engine speed drops and the engine can not be started. That is, since the energy of the battery 4 can be charged to the electric double layer capacitor 5 and a voltage obtained by adding this voltage to the battery voltage can be applied to the starter 1, the engine can be started. Although it depends on the SOC of the battery 1 as well, it becomes possible to improve the engine startability at the time of SOC decrease as compared with a vehicle with only the battery 1 alone.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to a second embodiment of the present invention.
  • diode 10 is connected in parallel with electric double layer capacitor 5.
  • the positive electrode of the electric double layer capacitor 5 is connected to the force sword of the diode 10.
  • the electric double layer capacitor 5 is in a state where it is uncharged or the charge amount is insufficient. In this state, when the starter relay 3 is turned on, the voltage of the battery 4 is applied to the starter motor 2 through the diode 10 to supply a current. This will It is possible to prevent reverse bias from being applied to the air double layer capacitor 5.
  • the operation via the diode 10 can start the engine without requiring an initial charge time for the electric double layer capacitor 5. This can speed up the initial startup time.
  • the generator 7 operates and charging of the battery 4 is started. Also at this time
  • the DCZDC converter 6 starts operating, and the electric double layer capacitor 5 is charged.
  • the electric double layer capacitor 5 reaches a predetermined voltage, the operation is stopped.
  • the state of charge (SOC) of battery 4 is reduced due to power consumption in vehicle accessories such as forgetting to turn off the light and dark current discharge due to long-term nonuse of the vehicle.
  • the engine startability can be improved. That is, when it is detected that the battery voltage at engine start is lower than a predetermined voltage,
  • the engine startability can be improved. In this case, it is possible to improve the engine startability by charging the electric double layer capacitor 5 by the DCZDC converter 6 before starting the starter 1 next.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing DCZDC converter 6 more specifically, and shows an inverting chopper circuit as an example of DCZDC converter 6.
  • the DC / DC converter 6 is composed of a second diode 12, a choke coil 13, a switching element 14, and a control circuit 15.
  • the switching element 14 is turned on and off by the control circuit 15. Energy is stored in the choke coil 13 when the switching element 14 is on, and energy stored in the choke coil 13 is output via the second diode 12 when the switching element 14 is off
  • the voltage Vc of the electric double layer capacitor 5 is expressed by the following equation, where the on time of the switching element 14 is Ton, the off time is Toff, and the voltage of the battery 4 is Vb. It is represented by 2.
  • the voltage Vc of the electric double layer capacitor 5 can be controlled.
  • a starting current flows through the choke coil 13 and the second diode 12 when the electric double layer capacitor 5 performs the engine start in the uncharged state.
  • a current of several hundred amperes flows in the starter motor 2 so that a voltage drop of several volts occurs if there are several milliohms of direct current resistance, and the choke coil 13 blocks the steep current flowing in the starter motor 2 As a result, the starting of the starter 1 is adversely affected. Therefore, the diode 10 is also important for bypassing the large current supplied to the starter motor 2 to reduce the voltage drop.
  • a power converter described using an inverting chopper circuit as an example of the DCZDC converter 6 is also applicable to a comparator such as a boost converter or an insulating converter which is not limited to this circuit.
  • the third embodiment is different in that the DCZDC converter 6 described in the first and second embodiments is a bidirectional type, and the other configuration is the same as the first and second embodiments. For this reason, the same numbers are given to the same parts, the detailed description thereof is omitted, and only different parts are described below.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of an engine starting device according to Embodiment 3 of the present invention, which differs from Embodiment 2 in that the circuit configuration of DCZDC converter 6 is bidirectional. . Therefore, since the same operation as in Embodiment 2 is possible, improvement in engine startability can be obtained.
  • the following features can be obtained by using the bidirectional DCZDC converter 61.
  • FIG. 8 shows a synchronous rectification type inverting chopper circuit as an example of the bidirectional converter.
  • the switching element 14 and the second switching element 16 are connected in series and It is controlled by the control circuit 15 to alternately turn on and off with a predetermined dead time.
  • the relationship between the input and output voltages is the same as that of the inverting chopper circuit.
  • the addition of the second switching element 16 makes it possible to supply power bidirectionally.
  • FIG. 9 shows the relationship between the decrease in capacity due to the charge voltage of the electric double layer capacitor 5 and the so-called life deterioration, and the electric double layer capacitor 5 with a rating of 2.5 V is 1.8 V (72%).
  • the capacity change rate was measured when a continuous electrification load test of ⁇ 0.6 V (24%) was performed. When the storage amount was controlled to 0.6V (24%) and 0.9V (36%), the capacity decrease was not observed even after 7000 hours, but the storage amount was controlled to 1.2V (48%) In this case, a capacity reduction of about 6% appears after 7000 hours, and it is understood that it is effective for the electric double layer capacitor 5 to be in a discharged state as much as possible for reliability.
  • DCZDC converter 61 bi-directional, the charge of electric double layer capacitor 5 at the end of operation, etc. is used for the battery of DCZDC converter 61 with the bidirectionality. Regeneration on the 4 side can improve the reliability of the electric double layer capacitor 5 and achieve energy saving.
  • the charge stored in the electric double layer capacitor 5 can not be removed, but in the bidirectional converter, charging and discharging are possible.
  • the voltage of the battery 4 recovers after charging the electric double layer capacitor 5 at the time of voltage drop of the notch 4, the voltage of the electric double layer capacitor 5 can not be lowered by the unidirectional converter. If it is a bi-directional converter, it is possible to control in the direction of decreasing the voltage.
  • an inverted chopper circuit is taken as an example here, the present invention is not limited to this circuit, and a bidirectional converter such as a boost converter or an isolated converter can be applied.
  • the DCZDC converter 6 By making the DCZDC converter 6 bi-directional, the following operation is possible. That is, in a system that regenerates braking energy generated when the vehicle is stopped, when regenerative power exceeding the charge amount of the battery 4 is generated, this regenerative power is converted to the electric double layer capacitor 5 by the DCZDC converter 6. It becomes possible to charge the battery 4 and then regenerate it.
  • the engine starting device of the present invention is a 14V system vehicle, it may be a single power supply vehicle system and may be similarly applied to a voltage doubled vehicle such as a truck.
  • the battery voltage fluctuates due to the power consumption generated during the idling stop period, but the engine starting device according to the present invention Even in such a case, it is possible to stabilize the startability of the engine.
  • the engine starting device when the electric double layer capacitor is not charged as in the initial engine start, or the engine starting is frequently performed and the charge amount of the electric double layer capacitor is insufficient!
  • the current can be supplied from the battery directly to the starter through the diode, and conventional starting is possible.
  • the combined voltage of the battery voltage and the electric double layer capacitor voltage can be applied to the starter, which can improve the restartability of the engine. Furthermore, since it can be realized without arranging a new relay circuit on the circuit that supplies a large current to the starter, it has excellent reliability.
  • the engine starting device can improve the startability of the engine, extend the idling stop period, and achieve high reliability simultaneously, so it is useful as a hybrid car or a car having an idling stop function. It is. Furthermore, the engine start device of the present invention can be easily mounted on a conventional 14V vehicle.

Abstract

　エンジン始動装置であって、発電機（７）と、発電機（７）により充電されるバッテリ（４）と、スタータ（１）と、電気二重層コンデンサ（５）を有し、電気二重層コンデンサ（５）はスタータ（１）とバッテリ（４）間に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ（６）をさらに有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ（６）の入力端子はバッテリ（４）と電気二重層コンデンサ（５）に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ（６）の出力端子はスタータ（１）と電気二重層コンデンサ（５）に接続される。バッテリ（４）の電圧、バッテリ（４）の内部直流抵抗、または電気二重層コンデンサ（５）の内部直流抵抗に基づいて、電気二重層コンデンサ（５）の充電電圧を変化させ、スタータモータ（２）への印加電圧を安定化することによりエンジンの始動性を安定化することが出来る。

Description

明 細 書
エンジン始動装置
技術分野
[0001] 本発明はエンジンの機械駆動系に接続されたスタータに電力を供給しエンジンを 始動させるエンジン始動装置に関し、特に 14V系の一般構成の車両などの単一バッ テリを用いた車両におけるアイドリングストップに関するものである。
背景技術
[0002] 近年、地球環境保護の流れを受け、特に自動車にお!、てはその技術革新は顕著 なものが見られ、既にハイブリッド自動車が市販されている。また、自動車が走行して いない場合に、ある一定の条件が整えばエンジンを一時的に停止させてしまい、再 び自動的に再起動させるアイドリングストップ機能を備えた自動車が開発され、これも 既に市販されている。
[0003] アイドリングストップ機能を備える車両としては様々な方式があり、例えば定格電圧 力 S36Vのバッテリと 12Vのバッテリを併用する 42V系車両などもあるがシステムコスト が高い。
[0004] このためシステムコストを低く抑えるために定格 12Vのバッテリを用いる 14V系の従 来車両のように単一バッテリを用いた車両でのアイドリングストップが検討されて 、る。
[0005] このような技術を支える重要な部品の一つとして電気二重層コンデンサがある。この 電気二重層コンデンサは従来力 用いられている鉛蓄電池と併用して使用されるの が一般的である。 日本特許第 3400319号公報には、電気二重層コンデンサを充電 する方法として制動エネルギを使用することが記載されている。
[0006] また、 日本特許公開公報平 2— 259276号には、電気二重層コンデンサに鉛蓄電 池を直列接続してスタータを駆動してエンジンを始動させることにより、鉛蓄電池の負 荷が軽減され、長寿命化が図られると ヽうことが記載されて ヽる。
[0007] し力しながら上記従来のエンジン始動装置では、スタータを駆動するために必要な 大電流の回路を構成するバッテリと電気二重層コンデンサの直列、並列回路の切り 替えをリレーによって行う。そのため、スタータに印加される電圧はほぼバッテリ電圧 の 2倍の電圧となり、バッテリの電圧変化分の 2倍変化する。
[0008] し力もノ ッテリや電気二重層コンデンサは周囲温度や使用環境によって内部抵抗 が大幅に変化する。このためスタータに印加される電圧は状況に応じて大幅に変化 してしま!、安定した始動性が損なわれる。
[0009] さらに電気二重層コンデンサを並列に接続する際には短絡電流が流れるので電気 二重層コンデンサやリレーの信頼性に影響を及ぼす。
[0010] また定格電圧 12Vのバッテリを用 ヽた 14V系の従来車両でのアイドリングストップに おいて、交差点などで停車中にアイドリングストップした場合には、このアイドリングス トップ期間中は当然のことながらエンジン停止により発電機力 の電力供給が得られ ない。その結果、オーディオ機器やナビゲーシヨン機器などの車載機器が消費する 電力はバッテリから持ち出されることとなり、アイドリングストップ期間と車載機器の消 費電力に依存してバッテリ電圧は低下する。
[0011] アイドリングストップを行わない従来車では、バッテリは発電機により絶えず満充電 状態である。それに対してアイドリングストップ車においては、上記の通りバッテリ電圧 が満充電状態であるとは限らな 、ため、ノ ッテリ電圧が変化した状態でエンジンの再 始動を行わなければならな 、場合が発生する。
発明の開示
[0012] 本発明はこのような従来の課題を同時に解決するものである。すなわち、バッテリの 電圧が変化した場合においてもスタータに安定した電圧を印加させることにより、安 定したエンジン始動を実現することを一つの目的とする。併せて、従来のバッテリ電 圧よりも高い電圧をスタータに印加して、スタータモータのトルクを向上させエンジン の始動性を高めたり、ノ ッテリの電圧低下をある程度許容できることにより、アイドリン グストップ期間を延ばすことを他の目的としている。また大電流を取扱うリレーはその 信頼性が課題となるためリレーを用いないシステムとすることにより信頼性を向上させ ることが可能となる。上記の目的を同時に達成することで高信頼エンジン始動装置を 提供することが出来る。
[0013] 本発明のエンジン始動装置は、エンジンの機械駆動系に接続された発電機と、発 電機により充電されるバッテリと、スタータと、スタータとバッテリ間に接続される電気 二重層コンデンサと、 DCZDCコンバータを備え、 DCZDCコンバータの入力端子 はバッテリと電気二重層コンデンサに接続され、 DCZDCコンバータの出力端子は スタータと電気二重層コンデンサに接続され、 DCZDCコンバータは、電気二重層コ ンデンサの充電電圧を任意の電圧に設定することが出来る。
[0014] 本発明によるエンジン始動装置は、ノ ッテリの電圧に電気二重層コンデンサの充電 電圧が足し合わされてスタータへ印加されるので、従来のバッテリ電圧のみの場合よ りも高い電圧とすることができて、スタータの始動トルクを高めることとなるので、ェンジ ンの始動性が向上する。また電気二重層コンデンサはスタータ電流による電圧低下 に基づいて充電電圧を調整するため、エンジン始動性を安定にすることがきる。 図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1によるエンジン始動装置の構成を示す回路図で ある。
[図 2]図 2は本発明の実施の形態 1によるエンジン始動装置のスタータモータを作動 させた場合の一般的なスタータに流れる電流とバッテリ電圧の変化を示す特性図で ある。
[図 3]図 3は本発明の実施の形態 1によるエンジン始動装置の構成を示す第 2の回路 図である。
[図 4]図 4は本発明の実施の形態 1によるエンジン始動装置の構成を示す第 3の回路 図である。
[図 5]図 5は本発明の実施の形態 1によるエンジン始動装置の構成を示す第 4の回路 図である。
[図 6]図 6は本発明の実施の形態 2によるエンジン始動装置の構成を示す回路図で ある。
[図 7]図 7は本発明の実施の形態 2によるエンジン始動装置の DCZDCコンバータの 詳細回路図である。
[図 8]図 8は本発明の実施の形態 3によるエンジン始動装置の構成を示す回路図で ある。
[図 9]図 9は本発明の実施の形態 3によるエンジン始動装置の電気二重層コンデンサ の充電電圧による容量低下を示す特性図である。
符号の説明
1 スタータ
2 スタータモータ
3 スタータリレー
4 ノ ッテリ
5 電気二重層コンデンサ
6, 61 DCZDCコンパ一
7 発電機
8 電流検出手段
9 電圧検出手段
10 ダイオード
11 制御部
発明を実施するための最良の形態
[0017] (実施の形態 1)
以下、本発明の一実施の形態を、図 1〜図 5を用いて、具体的に説明する。
[0018] 図 1は本発明の一実施の形態によるエンジン始動装置の構成を示す回路図である 。図 1において、エンジンの機械駆動系に接続されるスタータ 1は、スタータモータ 2と スタータリレー 3で構成される。発電機 7はエンジンの機械駆動系に接続される。バッ テリ 4は定格 12Vの鉛蓄電池である。スタータ 1とバッテリ 4との間には電気二重層コ ンデンサ 5が接続される。 DCZDCコンバータ 6の入力端子は発電機 7とバッテリ 4の 接続部に接続され、出力端子はスタータ 1と電気二重層コンデンサ 5の接続部に接 続される。
[0019] このように構成された本実施の形態 1によるエンジン始動装置において、エンジン の始動について説明する。
[0020] エンジンの初期始動前に、バッテリ 4を入力源とした DCZDCコンバータ 6が動作を 開始し、電気二重層コンデンサ 5を充電する。電気二重層コンデンサ 5が所定の電圧 に達した後、スタータリレー 3がオンし、ノ ッテリ 4の電圧と電気二重層コンデンサ 5の 電圧との足し合わされた電圧がスタータモータ 2に印加されてエンジンが始動する。
[0021] アイドリングストップ後の再始動時にはスタータリレー 3がオンし、ノ ッテリ 4の電圧と 電気二重層コンデンサ 5の電圧との足し合わされた電圧がスタータモータ 2に印加さ れてエンジンが始動する。つまり、従来のような、ノ ッテリ 4だけの場合よりも高い電圧 をスタータモータ 2に印加することによりエンジンの始動時間が短縮され始動性が向 上される。これによりスムーズな発進が可能となる。
[0022] 電気二重層コンデンサ 5の電荷はスタータモータ 2の駆動による放電により電圧低 下するが、 DCZDCコンバータ 6により再充電される。この再充電を一定速走行時や 制動時に行うことにより回生電力を有効活用することが可能となる。
[0023] スタータモータ 2の始動には、数百アンペアという大電流が 1秒くらいの短時間に流 れるが、 DCZDCコンバータ 6は十倍以上の時間をかけて充電すればよぐ数十アン ペアの出力を得るもので十分である。これによつてエンジン始動装置を小型化するこ とが可能である。
[0024] 図 2はスタータモータを作動させた場合の一般的なスタータに流れる電流とバッテリ 電圧の変化を示す特性図である。
[0025] 図 2からもわ力るようにスタータ起動時は数百アンペアの大電流が急峻に流れ込み 、この電流によってバッテリの電圧は低下する。このバッテリの電圧低下はバッテリの 内部直流抵抗によって生じるものである。
[0026] バッテリの内部直流抵抗が環境温度ゃバッテリの使用環境によって変化することは 一般的に知られている。この内部直流抵抗の増加によって電圧低下が大きくなると、 スタータモータの回転数が増加するまでに時間を要することとなり、最悪の状況では エンジン始動に支障をきたす結果となる。
[0027] また、アイドリングストップ中にぉ 、てエンジンは停止状態であるので、発電機 7も動 作しておらず車載補機が消費する電力はバッテリ 4からの放電となる。この放電に伴 つてバッテリ 4の電圧が低下するため、エンジン始動時のバッテリ電圧はさらに低下 する。ここで、車載補機は、エンジンの状態にかかわらず常に作動する必要がある機 器である。例えば、エアコン、カーオーディオ機器やナビゲーシヨン機器が含まれる。
[0028] アイドリングストップ後のエンジン再始動において、始動時間が変化することは運転 者への不快感ともなるため安定した始動時間が望まれる。また好ましくは始動に要す る時間は早いほど良い。
[0029] 本実施の形態のエンジン始動装置は、スタータ 1にバッテリ 4と電気二重層コンデン サ 5の足し合わされた電圧を印加することが可能である。カロえて、電気二重層コンデ ンサ 5の電圧は、 DCZDCコンバータ 6によって任意に設定することが可能となるの で、電気二重層コンデンサ 5の電圧を調整することでスタータ 1へ印加する電圧を安 定ィ匕することが可能となる。
[0030] また、前述のようにアイドリングストップ中において、車載補機が消費する電力により ノ ッテリ 4の電圧低下が発生した場合にぉ 、ても、この電圧低下分を電気二重層コン デンサ 5の充電電圧として重畳することによりスタータ 1への印加電圧を一定にするこ とが可能であり、エンジン始動が安定ィ匕される。さらに、このエンジン始動の安定ィ匕に よりアイドリングストップの持続時間を向上することも可能である。
[0031] 図 3は本発明の実施の形態 1によるエンジン始動装置の構成を示す第 2の回路図 であり、図 1と同一部分には同一の番号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる 部分についてのみ以下に説明する。
[0032] 図 3において、電流検出手段 8は、ノ ッテリ 4の電流を検出する。電圧検出手段 9は 、ノ ッテリ 4の電圧を検出する。これら電流検出手段 8および電圧検出手段 9は制御 部 11へ接続される。なお、電流検出手段 8として、例えば、ホール ICを用いることが 出来る。また、抵抗器と信号増幅器 (オペアンプ)を用いて電圧を検出することも出来 る。さらに、サンプルホールド回路と ADコンバータを組み合わせて電流を検出するこ とも出来る。一方、電圧検出手段 9としては、例えば制御部 11に電圧検出回路を設 け、検出する箇所から配線を引出して電圧検出回路に接続して電圧を検出すること が出来る。
[0033] ノ ッテリ 4から電流が引かれた場合の電圧の変化を計測することにより、例えばバッ テリ 4の内部直流抵抗を求めることが可能であり、これを制御部 11にお 、て実行する 。また、制御部 11は DCZDCコンバータ 6へ接続されており、バッテリ 4の内部直流 抵抗からスタータ起動時の電圧降下を算出し、算出された電圧低下値に基づいて、 電気二重層コンデンサ 5の充電電圧を調整するものである。 [0034] 例えば、電流検出手段 8と電圧検出手段 9により求められたバッテリ 4の内部抵抗が 10ミリオームであった場合、スタータ電流の 300アンペアによるバッテリ 4の電圧低下 は 3Vとなる。そこで電気二重層コンデンサ 5への充電電圧を 3Vとすれば、電気二重 層コンデンサ 5の電圧降下を無視した、場合スタータ 1の始動時に印加される電圧を ほぼ 12Vとすることが可能である。
[0035] また、スタータ 1の定格電圧を Vsとした場合、まずバッテリ 4の電圧 (Vbat)から、スタ ータ電流とバッテリ 4の内部直流抵抗による電圧降下分 (Vd)を差し引きした電圧を、 スタータ 1の定格電圧 Vsから差し引いて電圧 Vcを求める。次に、電気二重層コンデ ンサを電圧 Vcで充電することにより、スタータ 1への印加電圧を定格電圧範囲内の 最大とすることができる。なお、電圧 Viの算出式を式 1に示す。
[0036] Vc={Vs- (Vbatt-Vd) } (式 1)
このようにしてスタータ 1の定格電圧範囲内で最大電圧印加すればスタータ 1の始 動トルクを高めることが可能となるのでエンジンの始動性を高めることができる。
[0037] 図 4は本発明の実施の形態によるエンジン始動装置の構成を示す第 3の回路図で あり、図 1と同一部分には同一の番号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部 分についてのみ以下に説明する。
[0038] 図 4においては電流検出手段 8、電圧検出手段 9を電気二重層コンデンサ 5の接続 端子に接続したものである。
[0039] 電気二重層コンデンサ 5においてもバッテリ 4と同様であり、内部直流抵抗が存在し 、環境温度や使用環境によって変化する。そこで同様に内部直流抵抗を求めること が可能である。
[0040] 電気二重層コンデンサ 5の内部直流抵抗とスタータ 1の電流による電圧降下分もバ ッテリと同様に考慮すればより高い電圧をスタータに印加できるものである。
[0041] 図 5は本発明の実施の形態によるエンジン始動装置の構成を示す第 4の回路図で あり、図 1と同一部分には同一の番号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部 分についてのみ以下に説明する。
[0042] 図 5は、電圧検出手段 9をスタータ 1の接続端子に接続した例を示す。
[0043] スタータ 1の端子電圧を直接測定して検出することによりバッテリ 4、電気二重層コン デンサ 5および配線の総合の直流抵抗を求めることも可能であり、これによつて電気 二重層コンデンサ 5の電圧を調整する。
[0044] 例えば、再始動した際の電圧降下を測定しておき、次回の再始動時の電気二重層 コンデンサ 5への充電電圧を決定するデータとして用いることも可能である。
[0045] 本実施の形態では個別に検出部を設けた例を示したが、これらは複合して検出す ることち可會である。
[0046] また、発電機 7を止めた状態で DCZDCコンバータ 6を定電流駆動させることにより 電流検出手段を省略してバッテリ 4、電気二重層コンデンサ 5の内部直流抵抗を求め ることも可能であり、この場合、低コストィ匕を達成できる。
[0047] さらに本実施の形態 1によるエンジン始動装置は、ライトの消し忘れなど車載補機 の電力消費や車両の長期不使用による暗電流放電によってバッテリ 4の充電状態（S TATE OF CHARGE、 SOC)が低下してエンジン始動が出来ないような場合に おいてもエンジンを始動させることが可能である。すなわち、バッテリ 4のエネルギを ー且電気二重層コンデンサ 5に充電し、この電圧をバッテリ電圧に加算した電圧をス タータ 1に印加することが出来るのでエンジン始動が可能となる。ノ ッテリ 1の SOCに も依存するが、通常のバッテリ 1のみの車両と比較すれば SOC低下時のエンジン始 動性を向上させることが可能となる。
[0048] (実施の形態 2)
以下、図 6, 7を用いて、本発明の実施の形態 2について説明する。
[0049] 図 6は本発明の実施の形態 2によるエンジン始動装置の構成を示す回路図である。
なお、図 1と同一部分には同一の番号を付与して詳細な説明は省略する。
[0050] 図 6において、ダイオード 10は電気二重層コンデンサ 5と並列に接続されている。
なお、ダイオード 10の力ソードには電気二重層コンデンサ 5の正極が接続される。
[0051] このように構成された本実施の形態 2によるエンジン始動装置において、エンジン の始動について説明する。
[0052] 初期のエンジン始動時は電気二重層コンデンサ 5が未充電あるいは充電量が不足 して 、るような状態である。この状態でスタータリレー 3がオンされるとバッテリ 4の電圧 がダイオード 10を介してスタータモータ 2に印加され電流が供給される。これにより電 気二重層コンデンサ 5へ逆バイアスが印加されることを防止することが可能である。
[0053] このダイオード 10を介する動作により、実施の形態 1とは異なり初期の電気二重層 コンデンサ 5への充電時間を要することなくエンジンの始動が可能である。これにより 初期の始動時間を速くできるのである。
[0054] エンジン始動後は発電機 7が動作してバッテリ 4への充電が開始される。またこの時
DCZDCコンバータ 6が動作を開始し、電気二重層コンデンサ 5が充電される。電気 二重層コンデンサ 5が所定の電圧に達した場合は動作を停止する。
[0055] アイドリングストップ後の再始動時以降は実施の形態 1と同様の動作を行いその効 果も同様である。
[0056] さらに、本実施の形態 2によるエンジン始動装置は、ライトの消し忘れなど車載補機 での電力消費や車両の長期不使用による暗電流放電によってバッテリ 4の充電状態 (SOC)が低下を検出した場合に、エンジン始動性を向上させることが出来る。すな わち、エンジンの始動時の前記バッテリ電圧が所定電圧よりも低いことを検出すると、
DCZDCコンバータ 6によって電気二重層コンデンサ 5を充電することでエンジン始 動性を向上させることが出来る。
[0057] また、ー且エンジン始動を試みて失敗した場合にも、エンジン始動性を向上させる ことが出来る。この場合には、次にスタータ 1を始動させる前に、 DCZDCコンバータ 6によって電気二重層コンデンサ 5を充電することでエンジン始動性を向上させること が可能となる。
[0058] 図 7は DCZDCコンバータ 6をより具体的に示す回路図であり、 DCZDCコンパ一 タ 6の一例として反転型チョッパー回路を示す。 DC/DCコンバータ 6は、第 2のダイ オード 12、チョークコイル 13、スイッチング素子 14、および制御回路 15から構成され る。スイッチング素子 14は、制御回路 15によってオンオフする。スイッチング素子 14 がオンの時にはチョークコイル 13にエネルギが蓄積され、スイッチング素子 14がオフ の時にはチョークコイル 13に蓄えたエネルギは第 2のダイオード 12を介して出力する
[0059] チョークコイル 13の電流が連続の場合、電気二重層コンデンサ 5の電圧 Vcはスイツ チング素子 14のオン時間を Ton、オフ時間を Toff、バッテリ 4の電圧を Vbとすると式 2で表される。
[0060] Vc=TonXVb/Toff- · · (式 2)
このようにスイッチング素子 14のオンオフ時間をコントロールすることにより電気二 重層コンデンサ 5の電圧 Vcを制御できる。
[0061] 実施の形態 2で説明する回路の場合、電気二重層コンデンサ 5が未充電状態での エンジン始動を行うとチョークコイル 13、第 2のダイオード 12を始動電流が流れるパ スも存在する。しかしながら前述のようにスタータモータ 2には数百アンペアの電流が 流れるため直流抵抗が数ミリオーム存在すると数ボルトの電圧降下を発生することや 、チョークコイル 13がスタータモータ 2に流れる急峻な電流を阻止する作用となるの でスタータ 1の始動にも悪影響を及ぼす。このためダイオード 10はスタータモータ 2に 供給する大電流をバイノスさせ電圧降下を小さくするためにも重要となる。ここでは、 DCZDCコンバータ 6の一例として反転型チョッパー回路を用いて説明した力 この 回路に限定するものではなぐ昇圧型コンバータや絶縁型コンバータなどのコンパ一 タも適用可能である。
[0062] (実施の形態 3)
以下、図 8, 9を用いて、本発明の実施の形態 3について説明する。
[0063] 本実施の形態 3は、上記実施の形態 1および 2で説明した DCZDCコンバータ 6を 双方向型にした点が異なるものであり、これ以外の構成は実施の形態 1、 2と同様で あるために同一部分には同一の番号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部 分についてのみ以下に説明する。
[0064] 図 8は本発明の実施の形態 3によるエンジン始動装置の構成を示す回路図であり、 実施の形態 2とは異なる点は DCZDCコンバータ 6の回路構成が双方向型であるこ とである。従って、実施の形態 2と同様の動作が可能であるので、エンジン始動性の 向上を得ることができる。
[0065] さらに、本実施の形態 3においては、双方向型の DCZDCコンバータ 61とすること で、以下の特長が得られる。
[0066] 図 8には双方向型コンバータの一例として同期整流方式の反転型チョッパー回路 を示す。スイッチング素子 14と第 2のスイッチング素子 16は直列接続されており、制 御回路 15により所定のデッドタイムを設けて交互にオンオフするよう制御される。
[0067] 入出力電圧の関係式は反転型チョッパー回路と同じである力 第 2のスイッチング 素子 16を加えたことにより電力を双方向に供給することが可能となる。
[0068] 一方、図 9は電気二重層コンデンサ 5の充電電圧による容量の低下、いわゆる寿命 劣化の関係を示すものであり、定格 2. 5Vの電気二重層コンデンサ 5に、 1. 8V (72 %)〜0. 6V (24%)の連続通電負荷試験を行った場合の容量変化率を測定したも のである。蓄電量を 0. 6V (24%)と 0. 9V (36%)に制御した場合には 7000時間後 においても容量低下は認められないが、蓄電量を 1. 2V (48%)に制御した場合に おいては 7000時間後に約 6%の容量低下が現れており、電気二重層コンデンサ 5 は極力放電した状態とすることが信頼性上有効であることがわ力る。
[0069] そこで、本実施の形態 3のように、 DCZDCコンバータ 61を双方向型とすることで、 運転終了時など電気二重層コンデンサ 5の電荷を DCZDCコンバータ 61の双方向 性を用 ヽてバッテリ 4側に回生 (regeneration)することにより電気二重層コンデンサ 5の信頼性を向上するとともに省エネを達成できる。
[0070] また、単方向のコンバータではー且電気二重層コンデンサ 5に充電した電荷を抜く ことは出来ないが双方向コンバータでは充電と放電が可能である。
[0071] ノ ッテリ 4の電圧低下時に電気二重層コンデンサ 5を充電した後にバッテリ 4の電圧 が復帰したような場合、単方向のコンバータでは電気二重層コンデンサ 5の電圧を低 下させることが出来ないが双方向コンバータであれば電圧を低下する方向に制御す ることが可能である。
[0072] なお、ここでは反転型チョッパー回路を一例としたが、この回路に限定するものでは なぐ昇圧型コンバータや絶縁型コンバータなどの双方向コンバータでも適用可能で ある。
[0073] DCZDCコンバータ 6を双方向型とすることにより、さらに以下の動作が可能となる 。すなわち、自動車を停止させる際に発生する制動エネルギを回生するシステムに おいて、バッテリ 4の充電量を上回る回生電力が発生した場合、この回生電力をー且 DCZDCコンバータ 6で電気二重層コンデンサ 5に充電しておき、その後バッテリ 4 へ回生させることが可能となる。 [0074] なお、本発明のエンジン始動装置は 14V系の車両としたが単電源の車両システム であれば良くトラックなどの倍電圧車両でも同様に適応可能である。
[0075] また、エンジンの始動負荷が大き 、ディーゼルエンジンの場合、スタータ 1に印加 する電圧を高めることが出来るので、ノ ッテリ 4を小型化できるなどの利点が得られる
[0076] 以上説明したように、通常、単一バッテリシステム車両でのアイドリングストップ時に おいては、アイドリングストップ期間中に発生する電力消費によりバッテリ電圧が変動 するが、本発明によるエンジン始動装置は、このような場合においてもエンジンの始 動性を安定ィ匕することが可能である。
[0077] また、本発明によるエンジン始動装置は、初期のエンジン始動のように電気二重層 コンデンサが未充電の場合や、エンジン始動が頻繁に行われ電気二重層コンデンサ の充電量が不足して!/、る場合には、ダイオードを介してバッテリから直接スタータへ 電流を供給できため従来どおりの始動が可能である。また、一定時間を走行した後 のアイドリングストップ後のエンジン再始動についてはバッテリ電圧と電気二重層コン デンサ電圧の足し合わされた電圧をスタータに印加できるのでエンジンの再始動性 を高めることができる。さらにスタータへ大電流を供給する回路上には新たなリレー回 路を配置することなく実現できるので信頼性に優れる。
産業上の利用可能性
[0078] 本発明によるエンジン始動装置は、エンジンの始動性の向上、アイドリングストップ 期間の延長、および高信頼性を同時に達成できるので、ハイブリッド自動車や、アイ ドリングストップ機能を有した自動車用等として有用である。さらに、本発明のェンジ ン始動装置は従来の 14V系車両に容易に搭載が可能である。

Claims

請求の範囲
[1] エンジン始動装置であって、
エンジンの機械駆動系に接続される発電機およびスタータと、
前記発電機により充電されるバッテリと、
前記スタータと前記バッテリ間に接続される電気二重層コンデンサと、
DCZDCコンバータと、を備え、
前記 DCZDCコンバータは入力端子と出力端子を有し、
前記入力端子は、前記バッテリと前記電気二重層コンデンサとの接続部に接続さ れ、
前記出力端子は、前記スタータと前記電気二重層コンデンサの接続部に接続され る、エンジン始動装置。
[2] 前記スタータと前記バッテリ間に接続されるダイオードをさらに有し、前記ダイオードと 前記電気二重層コンデンサが並列に接続される、請求項 1に記載のエンジン始動装 置。
[3] 前記 DCZDCコンバータは双方向コンバータである、請求項 1または 2のいずれか 一項に記載のエンジン始動装置。
[4] 前記 DCZDCコンバータに接続される制御部をさらに有し、前記制御部は前記スタ ータへの印加電圧が一定となるよう、前記 DCZDCコンバータから前記電気二重層 コンデンサへ充電する電圧を制御する、請求項 1または 2のいずれか一項に記載の エンジン始動装置。
[5] 前記制御部は、前記バッテリの電圧、前記バッテリの内部直流抵抗、前記電気二重 層コンデンサの内部直流抵抗力 選ばれる少なくとも一の検出値力 電圧降下を算 出し、前記電気二重層コンデンサの充電電圧を決定する、請求項 4に記載のェンジ ン始動装置。
[6] 前記制御部は、前記スタータが作動したときの印加電圧が一定となるように、前記 D CZDCコンバータ力 前記電気二重層コンデンサへ充電する電圧を制御する、請 求項 4に記載のエンジン始動装置。
[7] 前記バッテリまたは前記電気二重層コンデンサの前記内部直列抵抗を検出するため の電流検出手段と電圧検出手段をさらに有する、請求項 5に記載のエンジン始動装 置。
[8] 前記バッテリの前記内部直列抵抗または前記電気二重層コンデンサの前記内部直 列抵抗は、
電圧検出手段により検出される、前記バッテリの電圧値または前記電気二重層コン デンサの電圧値と、
前記 DCZDCコンバータの定電流駆動時の電流値によって求められる、 請求項 5に記載のエンジン始動装置。
[9] 前記スタータの作動に伴う前記スタータの電圧を検出し、前記検出電圧に基づいて 前記電気二重層コンデンサの充電電圧が決定される、請求項 6に記載のエンジン始 動装置。
[10] 前記双方向コンバータはエンジンの運転終了時に、前記電気二重層コンデンサの電 荷を前記バッテリ側に供給することが出来る、請求項 3記載のエンジン始動装置。
[11] 初期のエンジンの始動時に前記バッテリ電圧が所定電圧よりも低い場合に、前記 DC
ZDCコンバータは、初期の前記エンジン始動の前に前記電気二重層コンデンサを 充電することが出来る、請求項 2に記載のエンジン始動装置。
[12] 初期のエンジンの始動に失敗した場合に、前記 DCZDCコンバータは、次の前記ェ ンジン始動の前に、前記電気二重層コンデンサを充電することが出来る、ことを特徴 とする請求項 2に記載のエンジン始動装置。
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