(57)【要約】  内燃エンジンのクランク始動方法およびシステム。本発明は、内燃エンジンをクランク始動させる方法を提供する。本方法は、（ａ）始動信号を受け取るステップを含み、（ｂ）固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定するステップを含み、（ｃ）回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、（ｄ）固定子の電流変化のしきい値を算定するステップを含み、（ｅ）印加されたパルス幅変調信号に対応して固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定するステップを含み、（ｆ）電流変化がしきい値よりも高い場合、アップデートされた回転子位置を算定し、アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、そしてステップ（ｄ）〜（ｆ）を繰り返し実施し、（ｇ）電流変化がしきい値よりも低い場合、最後のアップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、そしてステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返し実施する。
2019511675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンをクランク始動させる方法であって、前記内燃エンジンは、複数の永久磁石極を備えた回転子および固定子を有する永久磁石型機械に結合され、前記固定子には複数の相巻線が施され、各相巻線は、複数のコイルを含み、前記方法は、
（ａ）始動信号を受け取るステップを含み、
（ｂ）固定子相巻線に対する前記回転子の初期位置を算定するステップを含み、
（ｃ）前記回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を前記固定子相巻線に印加するステップを含み、
（ｄ）前記固定子の電流変化のしきい値を算定するステップを含み、
（ｅ）前記印加されたパルス幅変調信号に対応して前記固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定するステップを含み、
（ｆ）前記電流変化がしきい値よりも高い場合、アップデートされた回転子位置を算定し、前記アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加するステップを含み、そして前記ステップ（ｄ）〜（ｆ）を繰り返し実施し、
（ｇ）前記電流変化が前記しきい値よりも低い場合、最後の前記アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加するステップを含み、そして前記ステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返し実施する、内燃エンジンのクランク始動方法。
【請求項２】
前記固定子電流変化のしきい値を算定する前記ステップは、
瞬時または平均バッテリ電圧を測定するステップと、
瞬時または平均エンジン速度を測定するステップと、
実質的にＰＷＭサイクルの開始時および実質的にＰＷＭサイクルの終了時に固定子電流を測定するステップと、
前記測定されたバッテリ電圧、エンジン速度および固定子電流に基づいて前記しきい値を算定するステップとを含む、請求項１記載の内燃エンジンのクランク始動方法。
【請求項３】
固定子相巻線に対する前記回転子の初期位置を算定する前記ステップは、
（ａ）１対の固定子相巻線を選択するステップと、
（ｂ）電圧信号を所定の期間にわたって前記選択された１対の固定子相巻線に印加するステップと、
（ｃ）前記選択された巻線を通って流れる電流を測定するステップと、
（ｄ）新たに選択された１対の固定子相巻線について前記ステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返し実施するステップと、
（ｅ）前記測定された電流が最大である前記固定子相巻線対に基づいて前記回転子の位置を算定するステップとを含む、請求項１または２記載の内燃エンジンのクランク始動方法。
【請求項４】
内燃エンジンをクランク始動させるシステムであって、前記内燃エンジンは、複数の永久磁石極を備えた回転子および固定子を有する永久磁石型機械に結合され、前記固定子には複数の相巻線が施され、各相巻線は、複数のコイルを含み、前記システムは、
永久磁石型機械に結合された制御ユニットを含み、前記制御ユニットは、
（ａ）始動信号を受け取り、
（ｂ）固定子相巻線に対する前記回転子の初期位置を算定し、
（ｃ）前記回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加し、
（ｄ）前記固定子の電流変化のしきい値を算定し、
（ｅ）前記印加されたパルス幅変調信号に対応して前記固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定し、
（ｆ）前記電流変化がしきい値よりも高い場合、アップデートされた回転子位置を算定し、前記アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加するステップを含み、そして前記ステップ（ｄ）〜（ｆ）を繰り返し実施し、
（ｇ）前記電流変化が前記しきい値よりも低い場合、最後の前記アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を前記固定子相巻線に印加し、そして前記ステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返し実施するよう構成され、
前記制御ユニットに連結された電力供給源を含む、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンのクランク始動（クランキング）に関し、特に永久磁石型機械に結合された内燃エンジンをクランク始動させる方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一体形始動発電機（ＩＳＧ）システムは、一般に、内燃機関（ＩＣ）エンジンを始動させる目的でしかも発電を行うために用いられる。典型的には、ＩＳＧシステムは、車両のクランクシャフトに連結された単一の電気機械を含む。ＩＣエンジンの始動のため、電気機械を回転させ、それによりクランクシャフトを回転させる。かかる回転は、自己持続燃焼プロセスがＩＣエンジン内で始まることができるようにする前に十分に高い速度の状態であるべきである。発電作動中、クランクシャフトは、電気機械を回転させてバッテリを充電するのに必要な電力を発生させて車両の他の電気負荷に電力供給する。
【０００３】
従来型ＩＳＧシステムでは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）が車両のバッテリと電気機械との間に配置され、ＥＣＵは、バッテリと電気機械との間の電力の双方向流れを調整する。エンジン始動作動中、ＥＣＵは、バッテリから電力を引き出してこれを供給し、それにより電気機械を駆動し、これに対し、発電作動中、ＥＣＵは、電気機械からの電力の流れを調整してバッテリを充電するとともに電力を他の電気負荷に供給する。
【０００４】
大抵のＩＳＧシステムは、永久磁石ブラシレス電気機械（ＢＬＤＣ機械）を用いている。かかる機械は、多相巻線で作られた固定子と、永久磁石で作られた回転子とから成る。ＩＳＧシステムの最適作動のために、ＥＣＵは、電気機械の回転子の位置に対して固定子相巻線を特定の順序で励起する必要がある。この点に関し、多数のホール効果を利用したセンサが典型的には、ロータ位置を検出するために用いられる。かかるセンサは、固定子相巻線の内側に配置されるか、あるいは、別個の磁石リングがホール効果利用センサをトリガするために用いられるかのいずれかが行われる。いずれの場合においても、センサは、ＩＣエンジンのケーシング内に配置される必要がある。ホール効果利用センサの代替手段は、クランクシャフトの絶対角度センサを用いることである。しかしながら、かかるセンサもまた、エンジンケーシング内に配置される必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかるセンサは、エンジンケーシング内に配置されるので、これらセンサは、過酷な作動条件、例えば高温および振動を受け、それによりこれらセンサは、破損しやすくなる。さらに、センサを取り付けるのに特別な構造が必要となり、それによりコストが増大するとともにエンジンケーシング内のスペースが占有される。さらに、センサは、信号をセンサからＥＣＵに送るための電線を用いてＥＣＵに接続される必要がある。この目的のため、センサからＥＣＵへの電線の引き回しのための手段もまた必要である。さらに、電線の損傷があれば、この損傷がＩＳＧシステムの作動を損ねる。
【０００６】
上記を考慮して、少なくとも上述の問題に取り組むための要望が当該技術分野において存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明は、一観点では、永久磁石型機械に結合された内燃エンジンをクランク始動させる方法を提供する。永久磁石型機械は、複数の極を備えた回転子および固定子を有し、固定子には複数の相巻線が施され、各相巻線は、複数のコイルを含む。本方法は、（ａ）始動信号を受け取るステップを含み、（ｂ）固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定するステップを含み、（ｃ）回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、（ｄ）固定子の電流変化のしきい値を算定するステップを含み、（ｅ）印加されたパルス幅変調信号に対応して固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定するステップを含み、（ｆ）電流変化がしきい値よりも高い場合、アップデートされた回転子位置を算定し、アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、そしてステップ（ｄ）〜（ｆ）を繰り返し実施し、（ｇ）電流変化がしきい値よりも低い場合、最後のアップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、そしてステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返し実施する。
【０００８】
別の観点では、本発明は、永久磁石型機械に結合された内燃エンジンをクランク始動させるシステムを提供する。永久磁石型機械は、複数の極を備えた回転子および固定子を有し、固定子には複数の相巻線が施され、各相巻線は、複数のコイルを含む。本システムは、永久磁石型機械に結合された制御ユニットおよび制御ユニットに連結された電力供給源を含む。制御ユニットは、（ａ）始動信号を受け取り、（ｂ）固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定し、（ｃ）回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を固定子相巻線に印加し、（ｄ）固定子の電流変化のしきい値を算定し、
（ｅ）印加されたパルス幅変調信号に対応して固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を算定し、（ｆ）電流変化がしきい値よりも高い場合、アップデートされた回転子位置を算定し、アップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加するステップを含み、そしてステップ（ｄ）〜（ｆ）を繰り返し実施し、（ｇ）電流変化がしきい値よりも低い場合、最後のアップデートされた回転子位置に対応してパルス幅変調信号を固定子相巻線に印加し、そしてステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返し実施するよう構成されている。
【０００９】
本発明の実施形態を参照し、かかる実施例が添付の図面に示されている。これらの図は、例示であって本発明を限定するものではない。本発明は、一般に、これら実施形態との関連を説明するが、理解されるべきこととして、本発明の範囲をこれら特定の実施形態に限定することは意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に従って内燃エンジンをクランク始動させるシステムの略図である。
【図２】本発明の一実施形態としての制御ユニットのアーキテクチャを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って内燃エンジンをクランク始動させるために採用されたステップを示す流れ図である。
【図４】モータのアクティブな端子から理解される電気機械の均等回路を示す図である。
【図５】機械のインダクタンスと回転子の位置との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に従って回転子の初期位置を算定しながら得られた結果のグラフ図である。
【図７】本発明の実施形態による電流変化および電流変化に基づく整流のグラフ図である。
【図８】整流の変化を判定するための電流リップルと時間との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、永久磁石型機械に結合された内燃エンジンをクランク始動させるシステムに関する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に従って内燃エンジンの所望のクランク始動（クランキング）を達成するために電気機械１３０を制御するシステム１００の略図である。永久磁石型機械は、複数の永久磁石極を備えた回転子および固定子を含み、固定子には複数の相巻線が施され、各相巻線は、複数のコイルを含む。
【００１３】
図示のように、制御ユニット１１０は、電力供給源１２０および電気モータ１３０に連結されている。この点に関し、制御ユニットは、車両の専用または搭載型電子制御ユニット（ＥＣＵ）であるのが良い。電力供給源は、車両のバッテリであるのが良い。
【００１４】
ＥＣＵによって受け取られた電圧、電流、電気モータの速度、点火トリガセンサからのトリガ信号などの形態をした種々の入力に基づいて、ＥＣＵは、ロータの位置を算定し、更に、必要な信号を提供して回転子位置に基づいて関連の固定子相巻線を励起する。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態としての制御ユニットのアーキテクチャを示す図である。ＥＣＵは、バッテリ端子をモータ端子に選択的に接続するために用いられる１組の電力スイッチ２２０を含む。電力スイッチは、制御ユニット回路または電力スイッチ駆動回路２１０によって駆動される。電流検出回路２３０が電気機械またはバッテリを通って流れる電流を中央処理装置（ＣＰＵ）２４０によって読み取り可能な形態に変換する。
【００１６】
電流検出回路から受け取られた入力および他のパラメータに基づき、ＣＰＵは、回転子の位置を算定して指令を制御回路に送り、それにより適当な電力スイッチを作動させてモータの選択された端子をバッテリの端子に接続する。
【００１７】
図３は、本発明の実施形態に従って一体形スタータ‐ダイナモを制御するために採用されたステップを示す流れ図である。ステップ３Ａでは、ＣＰＵは、始動指令を受け取ったかどうかをチェックする。始動指令を受け取られていない場合、ＣＰＵは、ステップ３Ａのままである。始動指令を受け取った場合、ステップ３Ｂにおいて、ＣＰＵは、固定子相巻線に対する回転子の初期位置を算定する。
【００１８】
固定子相巻線に対する回転子の初期位置の算定のため、ＣＰＵは、１対の固定子相巻線を選択し、電圧信号が所定の期間にわたって選択された１対の固定子相巻線に印加される。電流測定を選択された巻線の各々について実施する。固定子の初期位置を測定電流が最大である固定子相巻線対に基づいて判定する。ステップ３Ｃでは、ＣＰＵは、回転子の算定された初期位置に対応してパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を固定子相巻線に印加する。
【００１９】
図４を参照すると、図４は、特定の固定子励起が適用されたときにアクティブなモータ端子から理解されるように電気機械の均等回路を示している。特定の固定子励起が適用された場合、磁界が固定子内に作られる。所与の量の固定子電流による所与の固定子励起の場合、アクティブなモータ端子から理解される電気機械のインダクタンスは、図５に記載されている回転子位置の関数である。回転子の磁界が固定子の励起磁界と整列すると、固定子材料は、磁気飽和状態になる。インダクタンスがＢＨ曲線の勾配に比例しているので、アクティブなモータ端子から理解されるインダクタンスが減少する。インダクタンスのこの変化は、回転子位置の関数としてかつ固定子励起の関数としてのこのインダクタンスの変化は、初期回転子位置を検出するとともに回転子がモータリング作用中に動いているときに固定子励起をアップデートするよう利用される。
【００２０】
図６は、本発明の一実施形態に従って回転子の初期位置を算定しながら得られた結果のグラフ図である。図６は、典型的な初期位置推定手順の結果を示しており、これは、２つの互いに異なる回転子位置に関する１組の指令について電流測定回路によって検出された電流を示している。図から分かるように、全ての指令について電流測定回路によって検出された電流は、同じではない。一指令に対応して検出された電流は、実質的に、他の指令の場合よりも大きい。電流が大きいことに対応した指令は、互いに異なる回転子位置について異なっている。かくして、検出された信号が最大である指令を観察することによって、回転子位置を判定することが可能である。
【００２１】
ステップ３Ｄでは、ＣＰＵは、固定子電流変化のしきい値を算定する。この点に関し、瞬時または平均バッテリ電圧を瞬時または平均エンジン速度と一緒に測定する。しかる後、固定子電流を実質的にＰＷＭサイクルの開始時および実質的にＰＷＭサイクルの終了時に測定する。これら測定値に基づいてしきい値を算定する。
【００２２】
ステップ３Ｅでは、ＣＰＵは、印加されたＰＷＭ信号に応答して固定子相巻線の電流を測定して電流変化を算定する。ステップ３Ｆでは、電流変化をステップ３Ｄで算定されたしきい値と比較する。電流変化がしきい値を超えている場合、ステップ３Ｇにおいて、アップデートされた回転子位置を算定し、ＰＷＭ信号をアップデートされた回転子位置に対応して固定子相巻線に印加する。電流変化がしきい値未満である場合、ステップ３Ｈにおいて、ＰＷＭ信号を回転子の最後のアップデートに記載された位置に対応して固定子相巻線に印加し、そして印加されたＰＷＭ信号に応答した固定子相巻線の電流を測定して電流の変化を求める。図７は、本発明の実施形態による電流変化および電流変化に基づく整流のグラフ図である。ＰＷＭ制御シーケンスは、選択されたモータ端子がバッテリ端子に接続されているときのオン時間と、モータ端子中の電流が電力スイッチを通って再循環するオフ時間とから成る。図示のように、ＰＷＭ制御のオン時間の間、電流測定回路の出力は上昇し、他方、オフ時間の間、電流測定回路の出力は、モータ巻線の抵抗および電力スイッチにおけるエネルギー損失に起因して低下する。ＰＷＭ作動中における上昇および低下の度合いは、電気機械のインダクタンスの関数である。インダクタンスが高いと、その結果として、電流の変化に対する抵抗が高くなり、それにより上昇および低下の程度が小さくなり、他方、インダクタンスが低いと、その結果として、電流の変化に対する抵抗が小さくなり、それにより上昇および低下の度合いが大きくなる。さらに、上述したように、電気機械のインダクタンスは、回転子位置の関数である。かくして、電気機械が稼働しているとき、その回転子位置およびそれ故にインダクタンスは、定期的に変化する。インダクタンスのこの変化の結果により、電流上昇および低下の度合いが変化する。かくして、電流の上昇および低下におけるこの度合いを観察することによって、励起シーケンスが変化することが必要な時点を求めることが可能である。この点に関し、図８は、整流の変化を算定するために電流リップルと時間との関係を示している。整流の変化は、リップル電流がしきい値と交差するときに起こる。
【００２３】
本発明の実施形態では、ステップ３Ｇまたはステップ３Ｈの実施後、ＣＰＵは、エンジンの速度を算定する。エンジンの速度がしきい値よりも高いことが判定された場合、本法を終了させる。しかしながら、エンジンの速度がしきい値よりも低いことが判定された場合、固定子相巻線の電流変化を算定して固定子相巻線をアップデートする。
【００２４】
有利には、上述のＥＣＵアーキテクチャを用いると、センサなしで内燃エンジンのクランク始動を実施することが可能である。
【００２５】
ある特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には明らかなように、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および改造を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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