专利名称：发动机起动装置和发动机起动装置的控制方法
技术领域：
本发明涉及用起动电动机使发动机起动的装置及其控制方法。
背景技术：
为了保护环境和节约能源，在汽车运转中允许发动机暂时停止的规定条件成立时，可以考虑通过切断对发动机供给的燃料而使其空转或自动熄火，这已经在一部分汽车中得以实施。这样具有空转熄火(idling stop)功能的汽车中，每次空转熄火后的再次起动时需要驱动发动机起动装置。该发动机起动装置消耗的电流，在汽车的发动机运转中用发电机充电补充，所以减少发动机起动装置消耗的电流，是燃耗改善对策之一。·此外，每次空转熄火后的再次起动时，因为起动电动机中流过的初始的过大电流导致的电池的电压降低，可能会使导航仪等电子设备瞬间停止，所以要求降低发动机起动装置的消耗电流。作为满足该要求的技术，通过使用如专利文献I中记载的半导体开关元件及其控制装置，进行起动开关接通后的过大电流的控制。先行技术文献专利文献专利文献I :日本专利第2616510号公报专利文献2 :日本专利第4214401号公报
发明内容
发明要解决的课题将用半导体开关元件使通向电动机的通电路径导通的起动电动机用于空转熄火的情况下，可以考虑三种发动机再次起动模式。第一种模式是例如I分钟的红灯停止后变为绿灯出发时的发动机再次起动。第二种模式是如专利文献2中记载的、在发动机运转中发生自动停止请求而使发动机自动停止的期间中发生发动机的再次起动请求时的再次起动。第三种模式是发动机的自动停止完成、发动机完全停止之后，立刻发生再次起动请求时的再次起动。专利文献I的现有技术中，在第一种再次起动模式下没有问题，但第二种再次起动模式下，在发动机旋转完全停止之前的摆动(反向旋转)时执行再次起动请求时，对起动电动机的电流负荷过大，存在作为通向起动电动机的电流通路的一部分的半导体开关元件的温度会上升至允许范围以上的问题。此外，第三种再次起动模式下，在发动机完全停止后立刻执行发动机再次起动请求时，在发动机的活塞停止在上死点之前等情况下，发动机的气缸内的压力保持较高，对起动电动机的电流负荷过大，存在作为通向起动电动机的电流通路的一部分的半导体开关元件的温度会上升至允许范围以上的问题。
此外，手动变速车中，用起动电动机的动力进行车辆的主动行驶的情况下，专利文献I的现有技术中，存在半导体开关元件的温度会上升至允许范围以上的问题。此外，控制半导体开关元件的控制部需要一定时间才能够运转的情况(例如用钥匙起动)下，存在必须使发动机起动等待至控制部能够运转的问题。进而，在发动机较冷的情况(包括_25°C等极低温)下使发动机起动的情况下，因为发动机油的粘度降低等，对起动电动机的电流负荷增大，并且因为低温，所以汽油难以气化，发动机的起动费时，存在半导体开关元件的温度会上升至允许范围以上的问题。但是，现有技术中并没有充分考虑这些问题。本发明的目的在于提供一种发动机起动装置，在使用半导体开关元件的起动电动机装置中，即使在电动机中有过大电流流过的情况下，也能够提高半导体开关元件的可靠性。用于解决课题的方法·以上目的能够用权利要求中记载的发明达成。例如，根据本发明的一个实施例，是一种发动机起动装置，其具有半导体开关元件和起动电动机，半导体开关元件基于指示信号，使通向起动电动机的电流通路导通，由此利用起动电动机的驱动力使车辆的发动机起动，发动机起动装置包括通过用PWM的Duty信号或不固定频率的Duty信号对半导体开关元件进行控制来限制对起动电动机的通电的限制单元；和设经由半导体开关元件的电流通路为通向起动电动机的第一电流通路，与第一电流通路并联且能够与第一电流通路独立地开关地构成的通向起动电动机的辅助电流通路。发明效果根据本发明，能够提供一种发动机起动装置，在使用半导体开关元件的起动电动机装置中，即使在电动机中有过大电流流过的情况下，也能够大幅提高半导体开关元件的
可靠性。本发明的其他目的、特征和优点根据与附图相关的以下本发明的实施例的记载说明。
图I是表示本发明的发动机起动装置的一个实施例的结构图。图2是第一种发动机再次起动时的起动电动机的电流波形。图3是第二种发动机再次起动时的起动电动机的电流波形。图4是第三种发动机再次起动时的起动电动机的电流波形。
具体实施例方式以下基于附图详细说明一个实施方式。图I是表示本发明的发动机起动装置的一例的说明图。用于起动未图示的发动机的起动电动机I，用通过线束(harness)(配线)4和第一半导体开关元件6的第一电流通路与电池8连接。此外，该起动电动机I也用与第一电流通路并联构成的、通过第一螺线管2a的电机械开关3和线束5的辅助电流通路与电池8连接，电池8的另一端接地。
其中，辅助电流通路也可以构成为不是用电机械开关3而是用半导体开关元件(未图示)开闭路。此外，第一螺线管2a的一端通过第二半导体开关元件7与电池8连接，另一端接地。对该第一螺线管2a的通电，也可以不使用第二半导体开关元件7，而是通过一般使用的车辆用继电器(未图示)与该电池8连接。第二螺线管2b通过由控制装置9等驱动的继电器13与该电池8连接，但也可以通过半导体开关元件(未图示)与该电池8连接。对于该第一半导体开关元件6、该第二半导体开关元件7，通过控制装置9供给PWM(Pulse Width Modulation :脉冲宽度调制)的Duty (占空比)信号或者不固定频率的Duty信号构成的控制信号。某个规定的条件成立而使发动机空转熄火、之后由驾驶员发出发动机的再次起动 请求(例如离开制动踏板)的情况下，构成为通过控制装置9对第一半导体开关元件6和第二半导体开关元件7供给PWM的Duty信号、并且驱动继电器13。此外，Duty信号也可以不
固定频率。变速杆10用于将该第二螺线管2b的移动量传递到小齿轮11，小齿轮11与发动机的旋转轴上结合的环形齿轮12啮合，通过将起动电动机I的旋转力传递到环形齿轮12，而使发动机起动。上述结构中，在如前所述的三种发动机再次起动模式中，首先用图2说明第一种再次起动模式(例如I分钟的红灯停止后变为绿灯出发时的发动机再次起动)。判断车辆的速度和运转状况，满足使发动机空转熄火的条件时，如图2( I)所示，通过切断燃料等使发动机停止。发动机的停止过程中，达到某个规定的条件、例如发动机转速为400rpm时，从控制装置9对第一半导体开关元件6在短时间内传递PWM的Duty信号，使起动电动机I旋转。监视该起动电动机I的转速和发动机转速，在两者的转速大致同步的时刻，控制装置9驱动继电器13，驱动螺线管2b，由此小齿轮11通过变速杆10与发动机的环形齿轮12啮合，等待发动机的再次启动请求。图2的(3)、(3) a、(3) b表示在从该控制装置9对第一半导体开关元件6在短时间内传递PWM的Duty信号而使起动电动机I旋转时、起动电动机I中流过的电流。(3)是如现有的周知的起动电动机仅用机械式接点通电的情况，通过对第一半导体开关元件6进行通电控制，如(3) b所示通电控制为必要最小限度的电流值，所以电池的电压降低(未图示)能够抑制为必要最小限度。接着，例如因为信号变为绿灯等，发生发动机的再次起动请求时，由控制装置9驱动继电器13时，第二螺线管2b被驱动，已经通过变速杆10与环形齿轮12啮合的小齿轮11保持与环形齿轮12 —侧啮合的状态，对第一半导体开关元件6传递PWM的Duty信号。通过Duty信号的传递，电流从电池8通过线束4和第一半导体开关元件6流过起动电动机I,起动电动机I旋转，通过小齿轮11使发动机的环形齿轮12旋转，由此发动机再次起动。图2的(5)、(5) a、(5) b表示此时起动电动机I中流过的电流。与(3)、(3) a、(3) b同样，与现有的周知的起动电动机的仅用机械式开关通电的情况的电流(5 )相对地，通过用第一半导体开关元件6进行通电控制，如(5) b所示流通必要最小限度的电流值，所以电池的电压减低(未图示)能够抑制为必要最小限度。如上所述，该第一种再次起动模式下通向起动电动机I的通电通路，仅有通过电池8 —第一半导体开关元件6 —线束4的第一电流通路。
接着，在以下说明第二种再次起动模式。图3 (6)表示满足空转熄火的条件而使发动机自动停止的自动停止期间中发生发动机的再次起动请求的情况。该再次起动请求在发动机旋转完全停止前的摆动(反向旋转)附近执行时，对起动电动机I的电流负荷过大。例如，与第一种再次起动模式的对起动电动机I的通电电流(5) b相比，在发动机旋转停止途中的再次起动中，对起动电动机I的负荷电流如(7 )所示过大。发生再次起动请求时，由控制装置9驱动继电器13、驱动第二螺线管2b，通过变速杆10与环形齿轮12啮合的小齿轮11保持与环形齿轮12 —侧啮合的状态，接着对第一半导体开关元件6传递PWM的Duty信号，电流从电池8通过线束4和第一半导体开关元件6流过起动电动机I。通过该P丽的Duty信号，仅在某规定时间中限制电流，接着控制装置9驱动继电器13，由此驱动第一螺线管2a，与第一电流通路并联地构成的辅助电流通路(电池8 —线束5 —电机械开关3)成为闭路，对于起动电动机I用并联连接的第一电流通路和辅助电流通路供给电流。接着，摆动结束，发动机向正转方向旋转，在活塞越过上死点的时刻或者越过上死点以后，控制装置9解除继电器13的驱动以使辅助电流通路成为开路。此 夕卜，辅助电流通路也可以保持与第一电流通路并联连接直到发动机起动、起动电动机停止。图3的(8)、(8) a、(8) b表示该再次起动时的起动电动机I中流过的电流。与仅用第一电流通路通电时的电流(7 )相比，通过并联第一电流通路和辅助电流通路，相对于第一电流通路与辅助电流通路的合计电流(8)，通过第一半导体开关元件6的第一电流通路的电流(8)a大幅降低。接着，在以下说明第三种再次起动模式。图4 (9)表示在发动机的自动停止完成、发动机完全停止之后，立刻发生再次起动请求的情况，发动机的活塞(未图示)在上死点前停止等情况下，发动机的气缸内压力保持较高，对起动电动机的电流负载过大。与第一种再次起动模式的对起动电动机I的通电电流(5)b相对地，发动机旋转停止后立刻再次起动时，对起动电动机I的负荷电流如(10)所示过大。发生再次起动请求时，由控制装置9驱动继电器13、驱动第二螺线管2b，通过变速杆10与环形齿轮12啮合的小齿轮11保持与环形齿轮12 —侧啮合的状态，接着对第一半导体开关元件6传递PWM的Duty信号，电流从电池8通过线束4和第一半导体开关6流过起动电动机I。通过该PWM的Duty信号，仅在某规定时间中限制电流，接着控制装置9驱动继电器13，由此驱动第一螺线管2a，与第一电流通路并联地构成的辅助电流通路(电池8 —线束5 —电机械开关3)成为闭路，对于起动电动机I用并联连接的第一电流通路和辅助电流通路供给电流。接着，用曲轴角度传感器(未图示)等的信号判别发动机的活塞的动作，在活塞越过上死点的时刻或者越过上死点以后，控制装置9解除继电器13的驱动以使辅助电流通路成为开路。此外，辅助电流通路也可以保持与第一电流通路并联连接直到发动机起动、起动电动机停止。图4的(ll)、(ll)a、(ll)b表示此时起动电动机I中流过的电流。与仅用第一电流通路通电时的电流(10)相对地，通过并联第一电流通路和辅助电流通路，相对于第一电流通路与辅助电流通路的合计电流(11 )，通过第一半导体开关元件6的第一电流通路的电流(11) a大幅降低。从而，在起动电动机I中流过过大电流的第二种和第三种再次起动模式下，通过并联连接第一电流通路和辅助电流通路，能够大幅降低对第一半导体开关元件6的通电电流，能够使第一半导体开关元件6的电流容量为必要最低限度，由此能够提供可靠性高的起动装置。但是，因为判别第一种、第二种、第三种再次起动模式并控制的结构会变得复杂，所以也可以在空转熄火后再次使发动机起动的情况下，总是控制为使第一电流通路与辅助电流通路并联，无论在哪一种再次起动模式下，都降低通过第一半导体开关元件6的第一电流通路的电流。进而，手动变速车中，需要用起动电动机的动力进行车辆的主动行驶的情况下，也使第一电流通路为开路或者用PWM的Duty信号控制半导体开关元件而限制电流，使辅助电流通路成为通向上述起动电动机的主要电流通路，由此能够不损害第一半导体开关元件的可靠性而使发动机起动。此外，在通过第一半导体开关元件6的通向起动电动机I的第一电流通路中，在第 一半导体开关元件6的温度上升至允许范围以上的情况或者功能不完整的情况下，能够仅使第二电流通路为闭路而对起动电动机进行通电，能够使发动机起动。此外，控制第一半导体开关元件6和第二半导体开关元件7的控制装置需要规定的时间才能够运转的情况(例如用钥匙起动)下，通过驱动以通过一般使用的车辆用继电器(未图示)驱动的方式构成的第一螺线管2a，能够通过辅助电流通路对起动电动机I供给电流，能够不等待规定的时间而迅速地使发动机起动。此外，在发动机冷却的状态(包括-25 °C等极低温)下使发动机起动的情况下，因为发动机油的粘度降低等，对起动电动机I的电流负荷增大，并且汽油难以气化，发动机的起动费时的情况下，在第一电流通路中，第一半导体开关元件6的温度会上升至允许范围以上，但通过使第一电流通路为开路或者用PWM的Duty信号控制半导体开关元件而限制电流，使辅助电流通路成为通向起动电动机的主要电流通路，由此能够不损害第一半导体开关元件的可靠性而使发动机起动。此外，为了提高第一半导体开关元件6的寿命，使用半导体开关元件构成使辅助电流通路开闭路的单元，用控制装置9控制为第一电流通路的作用与辅助电流通路的作用交替或成为大致相等的使用频率，由此能够使第一半导体开关元件的使用限度(寿命)延长为大致2倍。此外，为了保护第一半导体开关元件6，在通过第一半导体开关元件6的通向起动电动机I的第一电流通路中，监视第一半导体开关元件6的温度，例如设第一半导体开关元件6的温度的允许值为170°C，则在成为其以下的阈值150°C的时刻，用控制装置9停止对第一半导体开关元件6的控制信号而使第一电流通路为开路，仅使第二电流通路为闭路，由此对起动电动机进行通电。这样，能够不损害第一半导体开关元件6的可靠性而使发动机起动。进而，为了保护第一半导体开关元件6，不使用上述监视半导体开关元件的温度的方法，而是改为监视第一半导体开关元件6的电流和通电时间，在电流X通电时间超过规定值的情况下，用控制装置9停止对第一半导体开关元件6的控制信号而使第一电流通路为开路，仅使第二电流通路为闭路，由此对起动电动机进行通电。这样，也能够保护第一半导体开关元件并且使发动机起动。此外，也可以通过使用半导体开关元件的温度和电流X通电时间双方的方法，实现半导体开关元件的保护。其中，规定值因元件的发热与放电的关系而变化。以上记载是关于实施例的，但本发明不限于此，能够在本发明的精神和附加的权利要求的范围内进行各种变更和修正。符号说明I起动电动机2a第一螺线管2b第二螺线管3电机械开关4第一电流通路的线束 5辅助电流通路的线束6第一半导体开关元件7第二半导体开关元件8 电池9控制装置10变速杆11小齿轮12发动机的环形齿轮13继电器
权利要求
1.一种发动机起动装置，其特征在于 具有半导体开关元件和起动电动机， 所述半导体开关元件基于指示信号，使通向所述起动电动机的电流通路导通，由此利用所述起动电动机的驱动力使车辆的发动机起动，所述发动机起动装置包括 通过用PWM的Duty信号或不固定频率的Duty信号对所述半导体开关元件进行控制来限制对所述起动电动机的通电的限制单元；和 设经由所述半导体开关元件的所述电流通路为通向所述起动电动机的第一电流通路，与所述第一电流通路并联且能够与所述第一电流通路独立地开关地构成的通向所述起动电动机的辅助电流通路。
2.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在发动机运转中产生自动停止请求而使发送机自动停止期间中，产生发动机的重新起动请求时的重新起动时，使所述辅助电流通路成为闭路。
3.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在发动机运转中产生自动停止请求，发动机完全停止后产生发动机的重新起动请求时的重新起动时，使所述辅助电流通路成为闭路。
4.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在发动机运转中产生自动停止请求，发动机开始自动停止以后产生发动机的重新起动请求时，使所述辅助电流通路成为闭路。
5.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在手动变速车中需要通过所述起动电动机进行车辆自主行驶的情况下，通过使所述第一电流通路开路或者用PWM的Duty信号或不固定频率的Duty信号对所述半导体开关元件进行控制来限制电流，所述辅助电流通路成为通向所述起动电动机的主要电流通路。
6.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在经由所述半导体开关元件的通向所述起动电动机的所述第一电流通路中，所述半导体开关元件的温度上升至允许范围以上的情况或陷入功能不全的情况下，仅用所述第二电流通路对所述起动电动机进行通电。
7.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在到控制所述半导体开关元件的控制单元能够运转为止需要时间的例如用钥匙使发动机起动的情况下，能够仅使用所述辅助电流通路对所述起动电动机供给电流。
8.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 在发动机较冷时的起动的情况下，通过使所述第一电流通路开路或者用PWM的Duty信号或不固定频率的Duty信号对所述半导体开关元件进行控制来限制电流，所述辅助电流通路成为通向所述起动电动机的主要电流通路。
9.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 使所述辅助电流通路开闭路的动作，用与构成于所述第一电流通路中的半导体开关元件相同或者同样的半导体开关元件进行。
10.如权利要求I所述的发动机起动装置，其特征在于 对所述第一电流通路和所述辅助电流通路进行控制，以使各自的作用交替或成为大致相同的使用频率。
11.如权利要求9所述的发动机起动装置，其特征在于 对所述第一电流通路和所述辅助电流通路进行控制，以使各自的作用交替或成为大致相同的使用频率。
12.—种发动机起动装置的 控制方法，该发动机起动装置包括 起动电动机； 途中设置有半导体开关元件，经由所述半导体开关元件的动作而开闭路的第一电流通路； 通过用PWM的Duty信号或不固定频率的Duty信号对所述半导体开关元件进行控制来限制电流的控制单元；和 途中设置有机械式开关，利用所述机械式开关的动作而开闭路的第二电流通路， 经由所述第一电流通路和/或所述第二电流通路，对所述起动电动机供给电流，使车辆的发动机起动， 所述发动机起动装置的控制方法的特征在于 在所述第一电流通路和所述第二电流通路闭路后， 基于所述半导体开关元件和/或所述发动机的状态，使所述第一电流通路或所述第二电流通路中的某一方先成为开路。
13.如权利要求12所述的发动机起动装置的控制方法，其特征在于 在所述发动机反转后所述发动机正转的情况下，使所述第二电流通路先成为开路。
14.如权利要求12所述的发动机起动装置的控制方法，其特征在于 在用于因所述发动机的运转中的自动停止请求而使所述发动机停止的期间中存在所述发动机的重新起动请求后，所述发动机正转的情况下，使所述第二电流通路先成为开路。
15.如权利要求12所述的发动机起动装置的控制方法，其特征在于 在所述半导体开关元件为规定的温度或规定的电流X通电时间以上的情况下，使所述第一电流通路先成为开路。
全文摘要
本发明提供一种发动机起动装置和发动机起动装置的控制方法。在使发动机起动时，由控制装置(9)驱动继电器(13)而驱动第二螺线管(2b)。接着，对第一半导体开关元(6)用PWM传递Duty信号，用通过配线(4)和第一半导体开关元件(6)的第一电流通路使电流从电池(8)向起动电动机(1)流过。用该Duty信号在规定时间中限制电流，接着控制装置(9)驱动继电器(13)而驱动第一螺线管(2a)，使与第一电流通路并联地构成的辅助电流通路成为闭路，对于起动电动机(1)用并联连接的第一电流通路和辅助电流通路供给电流。
文档编号F02D29/02GK102893019SQ201180023006
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月2日 优先权日2010年5月7日
发明者小俣繁彦, 长泽义秋, 国分修一, 矢吹实, 中里成纪, 柳川典男, 北岛慎悟 申请人:日立汽车系统株式会社