WO2014199772A1 - エンジン始動装置およびエンジン始動制御方法 - Google Patents

エンジン始動装置およびエンジン始動制御方法 Download PDF

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繁彦 小俣
義秋 長澤
眞徳 渡部
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    • F02N2300/108—Duty cycle control or pulse width modulation [PWM]

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle engine starter and an engine start control method.
  • An engine starter is an engine starter for starting an engine by transmitting a rotational force of a direct current motor driven by a battery to the engine, and acquires a battery voltage of the battery.
  • a target current value calculating unit that calculates a target current value of a motor current supplied from the battery to the DC motor based on the battery voltage acquired by the battery voltage acquiring unit; and a target of the motor current value of the motor current.
  • a motor current control unit that controls a circuit element through which the motor current flows and is connected to the DC motor so as to approach the current value.
  • An engine start control method is an engine start control method for controlling engine start for starting the engine by transmitting the rotational force of a direct current motor driven by a battery to the engine. Is connected to the DC motor so that the target current value of the motor current supplied from the battery to the DC motor is calculated based on the battery voltage and the motor current value of the motor current approaches the target current value. The circuit element through which the motor current flows is controlled.
  • the engine can be quickly started within a range in which the electrical components supplied with power by the battery are not reset.
  • Recent automobiles are equipped with an idle stop system that temporarily stops the engine when predetermined conditions are satisfied during operation for the purpose of saving energy resources and protecting the environment.
  • this idle stop system for example, when the driver stops the vehicle due to a signal or the like, the engine is automatically stopped, and after that, when the driver requests to restart or the engine needs to be operated.
  • the engine will automatically restart when A so-called pinion push-out starter motor pushes out the pinion, the pinion engages with a ring gear directly connected to the engine shaft, and the engine is started by cranking by the starter motor.
  • the energization of the motor is controlled by the switching element when the engine is restarted, and the duty ratio is gradually increased by PWM control to increase the applied voltage of the motor, thereby preventing a battery voltage drop immediately after the energization starts.
  • An engine starting device is known.
  • the conventional engine starter since the battery current is controlled so as to decrease with time, the output torque of the starter motor decreases, the engine cannot be cranked sufficiently, and the engine restart takes time. There is a fear.
  • the actual battery voltage may be lower than the allowable battery voltage, and the electrical component may be reset.
  • the engine starter and the engine start control method according to the present invention restarts the engine as quickly as possible within the allowable range of the battery voltage drop, and also keeps the battery voltage effect within the allowable range even when the state of the battery changes. Can be fastened.
  • the engine starter and the engine start control method according to the present invention are particularly suitable when the engine is restarted in an idle stop system.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a vehicle engine starting device 100 and related devices according to an embodiment of the present invention.
  • Engine starter 100 includes a starter 101, a switch 106 for energizing magnet switch 102, a switching element 107 for energizing motor 105, and a control device 109.
  • Starter 101 includes a magnet switch 102, a pinion gear 103, and a motor 105.
  • the motor 105 is a so-called DC motor, and a rotational driving force is generated by applying a DC voltage.
  • the magnet switch 102 pulls the lever 111 when necessary so that the one-way clutch 108 moves on the motor rotation shaft and meshes with the ring gear 104 that is directly connected to the engine shaft.
  • the motor 105 is rotated by energizing the motor 105, and the rotational force of the motor 105 is transmitted to the ring gear 104 through the one-way clutch 108, and an engine (not shown) rotates. .
  • the control device 109 performs normal fuel injection control, ignition control, air control (electronic control throttle), and controls idle stop based on various information such as brake pedal state and vehicle speed.
  • the motor rotation detection sensor 110 detects the rotation of the motor 105. Information on the detected motor rotation speed is input to the control device 109. Instead of directly detecting the rotation of the motor 105 by the motor rotation detection sensor 110, the rotation speed of the motor 105 may be detected indirectly using the engine rotation detected by the engine rotation detection sensor 112.
  • the magnet switch 102 is controlled by the control device 109 via the switch 106.
  • the switch 106 is, for example, a mechanical relay switch.
  • the energization of the motor 105 is also PWM controlled by the control device 109 via the switching element 107.
  • the switching element 107 is a switching element using a semiconductor such as a MOSFET, for example.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a PWM control energization signal used for energization control for the motor 105 included in the engine starter 100.
  • the control device 109 outputs the PWM signal shown in FIG. 2 as an energization signal.
  • the switching element 107 performs on / off control of energization to the motor 105.
  • the length T of one cycle of the PWM control is 0.1 ms when the frequency of the PWM control is set to 10 KHz, for example.
  • the frequency of PWM control is determined so that the control is sufficiently faster than the electric time constant of the motor.
  • the energization ratio D in the PWM control is defined as the ratio of the energized section in one cycle.
  • the energization ratio D is expressed as a ratio of a section T ON [s] in which the motor is energized in one cycle and the length T [s] of one cycle as in the following equation (1).
  • the energization ratio D is a variable whose value can be changed between 0.0 and 1.0.
  • the control device 109 controls the energization amount to the motor by changing the energization ratio D.
  • FIG. 3 shows a simple circuit diagram of the battery 301 and the starter 101.
  • many devices are driven by a battery in an automobile, but only a starter 101 including a battery 301 and a motor 105 driven by the battery 301 is shown here.
  • Current flowing through the battery 301 (battery current) I b is equal to the motor current I m flowing through the motor 105.
  • the output voltage (battery voltage) V b [V] of the battery 301 is determined by the following equation (2).
  • the battery voltage V b is because it is determined by the battery current I b, if control of the battery current I b to a predetermined value, the battery voltage V b can be controlled to a predetermined value. If charging of the battery 301 is insufficient, an initial voltage V 0 which battery 301 may be lower than the fully charged state. Further, due to aging of the battery 301 or the like, the internal resistance Rb of the battery 301 may increase, and the battery voltage Vb when the battery current Ib flows may decrease.
  • the battery voltage V b decreases even if the same battery current I b flows, and an allowable battery voltage, for example, an electrical component is a battery. It may happen that the operating voltage required to operate in response to the power supply from 301 falls below.
  • FIG. 4 is a diagram showing a calculation method of a target current value (described later) of the motor current and a motor energization ratio in the PWM control described above. These calculations are performed by the control device 109.
  • the control device 109 acquires a battery voltage V b detected by a battery voltage detection device (not shown) or the like, that is, a detection voltage 401 from the battery voltage detection device or the like. As shown in FIG. 4A, the control device 109 compares the acquired detection voltage 401 with a preset target voltage 402 by a comparison operation 403.
  • the target voltage 402 is determined in advance based on the minimum operating voltage of an electrical component or the like, and is stored in the control device 109.
  • the control device 109 compares the detection voltage 401 and the target voltage 402, the control device 109 calculates a difference between the two voltage values.
  • the current conversion 404 converts the voltage value difference into a current using a predetermined constant, and adds a current proportional to the voltage value difference to the reference current value 405.
  • the voltage value difference is a negative value
  • the current proportional to the voltage value difference is reduced from the reference current value 405.
  • a method of increasing or decreasing the current in proportion to the voltage difference is called so-called proportional control.
  • a so-called PID control may be used in which the current is controlled based on the voltage difference and the differential value, or based on the voltage difference and the integral value.
  • the predetermined constant used when converting the difference between the voltage values into the current is a feedback gain determined by an experiment, and convergence is slowed down if this is reduced.
  • a predetermined conversion table may be used instead of the predetermined constant.
  • Reference current value 405 when the difference between the voltage value is not the battery voltage V b by the voltage drop of the battery 301 so as to prevent below the minimum operating voltage, such as electrical components, are set in advance.
  • the voltage drop of the battery 301 is caused by supplying a motor current I m (corresponding to the battery current I b ) indicating a current value equal to the target current value 409 from the battery 301 to the motor 105.
  • the control device 109 stores the preset reference current value 405 in this way.
  • the control device 109 acquires the motor rotation speed of the motor 105 from the motor rotation detection sensor 110.
  • the control device 109 controls the switching element 107 so that the current value of the motor current I m (corresponding to the battery current I b ) approaches the target current value 409 based on the motor rotation speed thus obtained and the detection voltage 401.
  • the energization ratio to be output is determined by the energization ratio calculation 407 using the information on the motor rotation speed with respect to the target current value 409. Details of the energization ratio calculation 407 will be described with reference to FIG.
  • the battery voltage V b [V] is It can be represented by (3).
  • Expression (4) corresponds to a state where energization to the motor 105 is continued. According to the research of the inventors of the present invention, it has been found that the current can be approximated by the following equation (5) with respect to the energization ratio D in PWM control. When Expression (5) is used, the current can be controlled to be constant by changing the energization ratio D of the PWM control.
  • the current I b flowing through the battery in the PWM control in this embodiment is proportional to the square of the current ratio D.
  • the motor current I m flowing through the motor 105 of the starter 101 for equal to the battery current I b
  • the motor current I m is the current ratio D when PWM controlling power supply to the DC motor 105 2 It can be approximated to be proportional to the power. This approximation is theoretically determined after experimental observation by the inventors' research.
  • Equation (5) is an approximation that is established only in a range in which one cycle of PWM can be regarded as being sufficiently fast with respect to the electric time constant of the motor, and the battery current I b is the constant, the motor rotation speed N m and the energization. It is determined by two variables composed of the ratio D. To reversely use this approximation and determine the energization ratio D so as to obtain a predetermined battery current I b , Equation (5) is transformed into the following Equation (6).
  • the battery current I b is set to the target current value 409, and then the energization ratio D is determined by the motor rotation speed N m .
  • the energization ratio D calculated by the equation (6) exceeds 1.0, the energization ratio is set to 1.0.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the contents of the engine start control method performed by the control device 109 in the engine start device 100 according to the present embodiment.
  • control device 109 shown in FIG. 1 connects starter 101 and an engine (not shown).
  • the pinion gear 103 of FIG. 1 is pushed out and meshed with the ring gear 104 directly connected to the engine.
  • the idle stop method in which the starter 101 and the engine are in a connected state is applied, the starter 101 and the engine are already in a connected state when a start request is generated during the idle stop. In that case, the process in step S510 need not be performed.
  • step S520 the control unit 109 acquires a counter electromotive voltage coefficient k e of the motor resistance R m and the motor which has been stored in advance.
  • step S530 the control unit 109 obtains the battery voltage V b detected by the battery voltage detecting device (not shown) or the like.
  • step S540 the controller 109 calculates the difference between the target voltage 402 and the battery voltage V b determined based on the minimum operating voltage, such as electrical equipment.
  • step S550 the control device 109 calculates the target current value 409 by the procedure shown in FIG. 4A based on the difference between the target voltage 402 and the battery voltage Vb and the reference current value 405 stored in advance. To do.
  • step S560 control device 109 acquires motor rotation speed N m from motor rotation detection sensor 110.
  • control device 109 calculates the energization ratio D of PWM control using equation (6) using the variables and constants obtained in the respective processing steps from step S520 to S560, and the waveform of PWM control.
  • a signal is output to the switching element 107 to control the switching element 107.
  • Current starts to flow to the motor 105 by PWM control of the switching element 107 by the control device 109, torque of the motor 105 is transmitted to the engine, and the engine starts to rotate.
  • control device 109 continues the processing in steps 530 to S570 until the engine start completion condition shown in step S580 is satisfied.
  • an engine start completion condition in step S580 for example, it is assumed that the engine speed is equal to or higher than a predetermined speed.
  • the controller 109 detects the battery voltage V b and the motor rotational speed N m at fixed intervals (e.g., 2ms interval), updates the calculated energization duty D output. By doing this, the battery current is almost constant from the start of motor energization to the completion of engine start, so the battery voltage Vb becomes almost constant because of the set current value, and is kept within the allowable range and close to the allowable value. It is done.
  • Many automobiles are equipped with an engine rotation detection sensor 112 for detecting the engine speed, as shown in FIG.
  • By indirectly calculating the rotation speed of the motor 105 of the starter 101 from the detected engine rotation speed it is not necessary to mount the motor rotation detection sensor 110, leading to cost reduction.
  • the following equation (7) can be used.
  • the rotational speed conversion coefficient g in Expression (7) can be obtained from the gear ratio between the engine and the motor 105. Specifically, when the motor 105 and the engine are connected by the pinion gear 103 and the ring gear 104, the gear ratio determined by the number of teeth of the pinion gear 103 and the ring gear 104, and the motor 105 and the pinion gear 103 in the starter 101 If a speed reduction mechanism is provided between the two, the rotation speed conversion coefficient g can be obtained by the speed reduction ratio of the speed reduction mechanism.
  • Rotational speed conversion coefficient g is may be stored in advance in the control device 109, converts the sensed engine speed N e by the internal control unit 109 to the motor rotation speed N m.
  • a method for estimating the motor speed when a deviation occurs between the calculated value and the actual motor speed when the motor speed is obtained indirectly by calculating from the engine speed will be described.
  • Many starters 101 are provided with a one-way clutch 108 while transmitting the rotational force from the motor 105 to an engine (not shown), and are configured to transmit the rotational force only from the starter 101 side.
  • the engine can be rotated by the rotational force of the motor 105, but the engine does not rotate the motor 105. Therefore, the motor rotational speed obtained indirectly from the actual motor rotational speed calculated from the engine rotational speed is calculated. May show higher values. At that time, the motor rotation speed is estimated.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for estimating the rotation speed of the motor 105. It is assumed that when the engine speed jumps due to combustion, the clutch is disconnected and the motor 105, which is in an almost no load state, increases its speed at a constant inclination. Under such an assumption, an upper limit is set for the increase in the number of revolutions per control cycle with respect to the indirectly obtained motor revolution number N m , so that the motor revolution number is estimated for a sudden increase in engine revolution.
  • the rotation speed N m of the motor is obtained indirectly on the basis of the engine speed N e of engine speed sensor 112 has detected, it allows the rotational speed N m of the motor is deviated from the actual motor speed
  • the energization ratio D is calculated using the estimated motor rotation speed Nm_out estimated in consideration of the characteristics. This is repeated for each control period, and the calculation result before one control period is stored in the control device as Nm_out t-1 .
  • an upper limit value ⁇ N is set in advance as an upper limit of the increase in the motor rotation speed for each control cycle.
  • control device 109 of FIG. 1 adds estimated upper limit value ⁇ N to estimated motor rotation speed Nm_out t ⁇ 1 to newly estimate estimated motor rotation speed as Nm ′.
  • the newly estimated estimated motor rotation speed Nm ′ is considered to be the maximum value that can increase within one control period with respect to the estimated motor rotation speed Nm_out t ⁇ 1 one period before.
  • step S620 the control unit 109 determines whether compares the indirectly acquired motor rotation speed N m and inferred motor speed Nm', the actual deviation from the motor rotation has occurred. In step S620, when negative determination is made that N m ⁇ Nm ′, control device 109 determines that there is no difference between the indirectly acquired motor rotation speed and the actual motor rotation speed. In step S640, the control unit 109 substitutes the indirectly acquired motor rotation speed N m as it is inferred motor speed Nm_out, using guess motor speed Nm_out the calculation of the energization ratio D.
  • step S620 when the determination is positive in Nm ⁇ Nm ′, control device 109 determines that there is a difference between the indirectly acquired motor rotational speed and the actual motor rotational speed. In this case, in step S630, control device 109 substitutes estimated motor rotation speed Nm ′ for estimated motor rotation speed Nm_out, and uses estimated motor rotation speed Nm_out for calculation of energization ratio D. By doing so, the energization ratio D can be calculated correctly even if a deviation occurs from the actual motor speed when the motor speed is calculated indirectly from the engine speed.
  • FIG. 7 is a waveform diagram showing an example of a temporal change in engine start control, in which the engine speed, the energization ratio D output from the control device 109, the battery voltage, and the battery current are associated with temporal changes. Show.
  • the energization ratio is calculated using only the engine speed. Since the control device 109 indirectly obtains the motor rotation speed by calculation from the engine rotation speed, the estimation of the motor rotation speed is performed in consideration of the divergence between the estimated motor rotation speed and the actual motor rotation speed. I do.
  • a value obtained by converting the motor rotation speed estimated by the control device 109 to the rotation speed on the engine shaft based on the gear ratio between the motor and the engine is indicated by a dotted line 703.
  • the battery current 705 at the time of energization is kept almost constant from the start of energization and is kept constant, and is almost the set target current value of the battery current (motor current). Similarly, as shown in FIG.
  • the battery voltage 704 at the time of energization is leveled off, and it can be seen that the engine is restarted without falling below the allowable minimum voltage. It is also confirmed that the engine was restarted without falling below the allowable minimum voltage even when the battery deteriorated.
  • FIG. 8 is a simple circuit diagram showing the starter 101, the battery 301, and an electric device 803 other than the motor 105 of the starter 101.
  • the electric power from the battery 301 is supplied not only to the motor 105 of the starter 101 but also to another electric device 803.
  • a method for appropriately changing the motor current flowing through the motor 105 in accordance with the power demand of other electrical equipment other than the motor 105 of the starter 101 will be described.
  • the battery current flowing from the battery almost flows into the motor as the motor current.
  • the relationship represented by the following equation (8) is established between the total supply current Ie flowing through the device 803.
  • the battery current I b is the sum of the supply current I e flowing through the electric devices other than the motor current I m and the motor.
  • the battery current I b needs to have a current value that is greater than or equal to the allowable battery current so that the battery voltage V b does not fall below the minimum operating voltage of an electrical component or the like due to a voltage drop of the battery 301.
  • the acceptable current value obtained by subtracting the supply current I e from the battery current value motor 105 than other electrical equipment 803, by setting the upper limit value of the motor current I m, is allowed battery current I b in total
  • the battery current value is kept constant.
  • the supply current I e flowing through the electric device 803 other than the motor 105 is configured to be acquired directly or indirectly.
  • the current sensor directly measures the supply current I e flowing through the electric device 803 other than the motor 105, and the control device 109 acquires the measured value from the current sensor.
  • Currents normally used by a plurality of electric devices included in other electric devices 803 are individually stored in the control device 109 in advance, and when these electric devices are used, the control device 109 stores the currents.
  • the current value of the supply current flowing indirectly through the electric device 803 other than the motor 105 is calculated assuming that the current flows.
  • the controller 109 obtains the supply current I e of the other electric devices 803 other than the motor 105 thus, the motor current I m flowing to the motor 105 in order to keep constant the battery current value allowed battery current I b
  • the target current value can be calculated.
  • the control device 109 calculates the energization ratio D to the motor 105 using the following equation (9).
  • the control device 109 acquires the motor rotation speed N m of the motor 105 directly or indirectly.
  • the controller 109 may be stored in a controller 109 of the motor rotational speed N m of the motor 105 at the start of the engine model to.
  • the controller 109 identifies the appropriate model from among the motor rotation speed N m storage to which the motor 105, selects a motor speed N m corresponding to the identified appropriate model Get by.
  • the control device 109 so as to approach the motor current value of the motor current I m to the target current value 409, the motor current I is connected to the motor 105 m controls the switching element 107 to flow.
  • a variable resistor may be arranged inside the starter 101 as a circuit element instead of the switching element 107. Controller 109, so as to approach the motor current value of the motor current I m to the target current value 409, to adjust the resistance value of the variable resistor to control the variable resistor is connected to a motor 105 through a motor current I m is.
  • the engine starter 100 is an engine starter 101 that starts the engine by transmitting the rotational force of the motor 105 driven by the battery 301 to the engine, and includes a controller 109. .
  • the control device 109 acquires the battery voltage V b of the battery 301.
  • Controller 109 calculates the target current value 409 of the motor current I m is supplied from the battery 301 to the motor 105.
  • Controller 109 so as to approach the motor current value of the motor current I m to the target current value 409, and controls the circuit elements of the switching element 107 or the variable resistor or the like is connected to a motor 105 through a motor current I m is.
  • the following effects can be obtained. That is, between the motor energization start until the engine start completion, by maintaining substantially constant for any value of the battery current I b by controlling the motor current I m, it is possible to keep the battery voltage V b is also substantially constant.
  • adjustable motor current I m since repeatedly acquires the battery voltage V b to recalculate the target current value in each case the motor current I m, adjustable motor current I m in accordance with a change in the state of the battery 301, such as a sudden voltage drop occurs It is. By doing so, even if the battery state changes, the battery voltage drop remains within the allowable range, and the battery voltage Vb does not fall below the allowable value (minimum operating voltage of electrical components, etc.) when the engine is started. The engine can be started as quickly as possible.
  • Controller 109 When the switching element 107 is used as the circuit element, based on the motor rotational speed N m, the controller 109 of the power energization percentage D of the motor 105 by the PWM control is determined. Controller 109, by outputting a PWM control signal for changing the power energization percentage D against the switching element 107 may be a switching element 107, it changes the motor current I m.
  • control unit 109 indirectly acquires the rotational speed N m of the motor by calculating from the engine speed N e. In this case, it is not necessary to attach the motor rotation detection sensor 110 for detecting the rotation of the motor 105 to the starter 101, which leads to cost reduction.
  • the control device 109 acquires the current I e flowing through another electrical device 803 that uses the same battery 301 as the power source other than the motor 105 so that the battery current I b becomes constant in total.
  • the circuit element flowing motor current I m is the voltage drop of the battery 301 even if a large current flows to the other electric devices 803 other than the motor 105 may be suppressed within the allowable range.

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Abstract

　バッテリの充電が不十分である場合やバッテリが劣化している場合でも、そのバッテリによって電力が供給される電装品がリセットしない範囲で素早くエンジンを始動させる。　本発明によるエンジン始動装置は、バッテリによって駆動される直流モータの回転力をエンジンへ伝達することによってエンジンを始動させるエンジン始動装置であって、バッテリのバッテリ電圧を取得するバッテリ電圧取得部と、バッテリ電圧取得部によって取得されるバッテリ電圧に基づき、バッテリから直流モータへ供給されるモータ電流の目標電流値を算出する目標電流値算出部と、モータ電流のモータ電流値を目標電流値に近づけるように、直流モータに接続されてモータ電流が流れる回路素子を制御するモータ電流制御部とを備える。

Description

エンジン始動装置およびエンジン始動制御方法
　本発明は、車両のエンジン始動装置およびエンジン始動制御方法に関する。
　低コスト化の要求を満たしながら、エンジン再始動性を向上させるエンジン自動停止始動制御装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。そのエンジン自動停止始動制御装置においては、スタータモータに比較的大きな電流を通電する必要がないように、スタータモータへの通電をオン／オフするモータ用の機械式リレーとスイッチング素子とが並列に設けられている。エンジン停止位置制御を行う場合には、スイッチング素子によりモータの通電電流が精度良く制御される。
特開２０１０－１０６８２５号公報
　特許文献１に開示されたエンジン自動停止始動制御装置においては、バッテリの充電が不十分である場合、またはバッテリが劣化している場合は、そのバッテリによって電力が供給される電装品がリセットしてしまうことがある。
（１）請求項１に記載のエンジン始動装置は、バッテリによって駆動される直流モータの回転力をエンジンへ伝達することによってエンジンを始動させるエンジン始動装置であって、バッテリのバッテリ電圧を取得するバッテリ電圧取得部と、バッテリ電圧取得部によって取得されるバッテリ電圧に基づき、バッテリから直流モータへ供給されるモータ電流の目標電流値を算出する目標電流値算出部と、モータ電流のモータ電流値を目標電流値に近づけるように、直流モータに接続されてモータ電流が流れる回路素子を制御するモータ電流制御部とを備えることを特徴とする。
（２）請求項８に記載のエンジン始動制御方法は、バッテリによって駆動される直流モータの回転力をエンジンへ伝達することによってエンジンを始動させるエンジン始動を制御するエンジン始動制御方法であって、バッテリのバッテリ電圧を取得し、バッテリ電圧に基づき、バッテリから直流モータへ供給されるモータ電流の目標電流値を算出し、モータ電流のモータ電流値を目標電流値に近づけるように、直流モータに接続されてモータ電流が流れる回路素子を制御することを特徴とする。
　本発明によれば、バッテリの充電が不十分である場合やバッテリが劣化している場合でも、そのバッテリによって電力が供給される電装品がリセットしない範囲で素早くエンジンを始動させることができる。
本発明の一実施形態による車両のエンジン始動装置およびその関連装置の構成図である。 エンジン始動装置に含まれるモータに対する通電制御に用いられるＰＷＭ制御の通電信号の説明図である。 バッテリおよびスタータの簡易的な回路図である。 モータ電流の目標電流値およびモータの通電比率の決定方法を示した図である。 エンジン始動制御方法の内容を示すフローチャートである。 モータ回転数の推測手順を示すフローチャートである。 エンジン始動制御の時間的変化の一例を示す波形図である。 バッテリと、スタータと、エンジン始動装置以外の他の電気機器とを表す簡易的な回路図である。
　近年の自動車には、エネルギー資源の節約と環境保全を目的として、運転中に所定の条件が成立した時にエンジンを一時停止させるアイドルストップシステムが搭載されている。このアイドルストップシステムにおいては、例えば信号待ちなどで運転者が車両を停止させる際などにエンジンを自動的に停止し、その後、運転者の再始動要求が生じた時点や、エンジンの稼働が必要になった時に自動的にエンジンが再始動する。いわゆるピニオン押し出し式のスタータモータがピニオンを押し出し、ピニオンがエンジン軸と直結されているリングギヤに噛合わさって、スタータモータによるクランキングによってエンジンが始動する。
　エンジン始動の際、スタータモータへの通電によりバッテリに電流が流れ、バッテリの特性上、電流に対応して電圧が下がることが知られている。運転中も頻繁にエンジンを停止、再始動させるアイドルストップシステムにおいては、電圧が下がると例えばカーナビゲーションシステムなどの電装品がリセットしてしまうことになる。このため、従来のアイドルストップシステムを搭載している車両においては、補助電源等で対応されているが、搭載性の悪化やコストアップに繋がる。
　従来、直流モータを用いて車両のエンジンを始動させるエンジン始動装置として、回路に抵抗を追加することで突入電流を低減し、それによりエンジン始動初期のバッテリ電圧降下を抑制し、その後は抵抗を短絡することで電流を流し、クランキングトルクを確保するエンジン始動装置が知られている。
　他の例として、エンジン再始動時にスイッチング素子によってモータへの通電を制御し、ＰＷＭ制御によりデューティ比を徐々に大きくしてモータの印加電圧を上昇させることで、通電開始直後のバッテリ電圧降下を防止するエンジン始動装置が知られている。
　しかしながら、従来のエンジン始動装置では、バッテリ電流が時間と共に低下するように制御されているため、スタータモータの出力トルクが減少し、エンジンのクランキングを十分に行えず、エンジン再始動に時間がかかるおそれがある。また、バッテリの充電が不十分である場合、またはバッテリが劣化している場合においては、許容出来るバッテリ電圧を実際のバッテリ電圧が下回ってしまい、電装品がリセットしてしまうことがある。
　本発明によるエンジン始動装置およびエンジン始動制御方法は、バッテリ電圧降下の許容範囲内で最大限に素早くエンジンを再始動させ、なおかつバッテリの状態が変化しても同様にバッテリ電圧効果を許容範囲内に留めることができる。本発明によるエンジン始動装置およびエンジン始動制御方法は、特に、アイドルストップシステムでエンジンを再始動する際に好適である。以下、図１～図８を用いて、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置およびエンジン始動制御方法、ならびにそれらの変形例について説明する。
　図１は、本発明の一実施形態による車両のエンジン始動装置１００およびその関連装置の構成図である。エンジン始動装置１００は、スタータ１０１と、マグネットスイッチ１０２を通電するためのスイッチ１０６と、モータ１０５を通電するためのスイッチング素子１０７と、制御装置１０９とを含む。スタータ１０１は、マグネットスイッチ１０２と、ピニオンギヤ１０３と、モータ１０５とを含む。モータ１０５は、いわゆる直流モータであり、直流の電圧を付加することで回転駆動力が発生する。ピニオンギヤ１０３においては、必要な時にマグネットスイッチ１０２がレバー１１１を引っ張ることでワンウェイクラッチ１０８がモータ回転軸上を移動し、エンジン軸と直結されているリングギヤ１０４と噛み合う。ピニオンギヤ１０３とリングギヤ１０４とが噛合った状態であれば、モータ１０５に通電することでモータ１０５は回転し、モータ１０５の回転力はワンウェイクラッチ１０８を通じてリングギヤ１０４に伝達され、不図示のエンジンが回る。
　制御装置１０９は、通常の燃料噴射制御、点火制御、空気制御（電子制御スロットル）を行うとともに、ブレーキペダル状態および車速等の各種情報に基づき、アイドルストップを制御する。
　モータ回転検知センサ１１０は、モータ１０５の回転を検知する。検知されたモータ回転数の情報は、制御装置１０９に入力される。なお、モータ１０５の回転をモータ回転検知センサ１１０で直接検知することに代えて、エンジン回転検知センサ１１２によって検知されるエンジン回転を使って間接的にモータ１０５の回転数を検知しても良い。
　マグネットスイッチ１０２は、スイッチ１０６を介して制御装置１０９によって制御される。スイッチ１０６は、例えば機械式リレースイッチである。また、モータ１０５への通電も、スイッチング素子１０７を介して制御装置１０９によってＰＷＭ制御される。スイッチング素子１０７は、例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体を用いたスイッチング素子である。
　図２は、エンジン始動装置１００に含まれるモータ１０５に対する通電制御に用いられるＰＷＭ制御の通電信号の説明図である。制御装置１０９は、図２に示すＰＷＭ信号を通電信号として出力する。そのＰＷＭ信号にしたがって、スイッチング素子１０７がモータ１０５に対する通電をオン／オフ制御する。
　図２において、ＰＷＭ制御の１周期の長さＴは、例えばＰＷＭ制御の周波数を１０ＫＨｚに設定した場合は、０．１ｍｓとなる。本実施形態では、モータの電気的時定数よりも十分に早い制御となるようにＰＷＭ制御の周波数を決定する。
　ＰＷＭ制御における通電比率Ｄを、１周期の中での通電する区間の割合と定義する。通電比率Ｄは、次式（１）のように、１周期の中でモータへ通電する区間ＴON［ｓ］と、１周期の長さＴ［ｓ］との比として表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　通電比率Ｄは、０．０～１．０の間で値を変化させることができる変数である。制御装置１０９は、通電比率Ｄを変えることで、モータへの通電量を制御する。
　図３を用いて、本実施形態によるエンジン始動装置１００を駆動するための電力を供給するバッテリ３０１の特性について説明する。図３は、バッテリ３０１およびスタータ１０１の簡易的な回路図を示している。一般的に自動車では多くの機器がバッテリによって駆動されるが、ここではバッテリ３０１およびそのバッテリ３０１によって駆動されるモータ１０５を含むスタータ１０１のみを示している。バッテリ３０１を流れる電流（バッテリ電流）Ｉbはモータ１０５を流れるモータ電流Ｉmと等しい。バッテリ３０１は内部抵抗Ｒbを有しているとすると、そのバッテリ３０１の内部抵抗Ｒb［Ω］と、バッテリ３０１の初期電圧（電流が流れていない時の電圧）Ｖ0［Ｖ］と、バッテリ電流Ｉb［Ａ］とに基づき、バッテリ３０１の出力電圧（バッテリ電圧）Ｖb［Ｖ］は、次式（２）によって決まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）から分かるように、バッテリ電圧Ｖbはバッテリ電流Ｉbによって決められるため、バッテリ電流Ｉbを所定の値にコントロールできれば、バッテリ電圧Ｖbも所定の値にコントロールすることができる。バッテリ３０１の充電が不十分の場合は、バッテリ３０１の初期電圧Ｖ0が十分に充電された状態よりも低くなることがある。また、バッテリ３０１の経年劣化等により、バッテリ３０１の内部抵抗Ｒbが増大し、バッテリ電流Ｉbが流れている時のバッテリ電圧Ｖbが低下することがある。バッテリ３０１の充電が不十分である場合、またはバッテリ３０１が劣化している場合は、同じバッテリ電流Ｉbが流れていてもバッテリ電圧Ｖbが低下し、許容できるバッテリ電圧、例えば電装品がバッテリ３０１からの電力供給に応じて作動するのに必要な作動電圧を下回ってしまうことが起きる可能性がある。
　図４は、モータ電流の後述する目標電流値および上述したＰＷＭ制御におけるモータの通電比率の計算方法を示した図である。これらの計算は、制御装置１０９によって行われる。制御装置１０９は、不図示のバッテリ電圧検知装置等により検知されたバッテリ電圧Ｖb、すなわち検知電圧４０１を、そのバッテリ電圧検知装置等から取得する。図４（ａ）に示すように、制御装置１０９は、その取得した検知電圧４０１と予め設定された目標電圧４０２とを比較演算４０３によって比較する。目標電圧４０２は、電装品などの最低作動電圧などに基づいて予め決定され、制御装置１０９の内部に記憶させておく。
　制御装置１０９は、検知電圧４０１と目標電圧４０２とを比較する際、両者の電圧値の差分を算出する。電圧値の差分に対し、電流換算４０４では予め決められた定数を用い電流に換算し、その電圧値の差分に比例した電流を基準電流値４０５に加える。電圧値の差分が負の値であるときは、電圧値の差分に比例した電流を基準電流値４０５から減らす。このような演算により、スタータ１０１のモータ１０５に流すべきバッテリ電流Ｉbの目標電流値４０９を決める。つまり、いわゆるフィードバック制御により、バッテリ電圧を目標電圧４０２に近づけるようにバッテリ３０１からモータ１０５へ供給されるバッテリ電流Ｉbを制御する。電圧の差分に比例して電流を増減させる方式はいわゆる比例制御と呼ばれる。電圧の差分と微分値とに基づいて、または電圧の差分と積分値とに基づいて電流を制御するいわゆるＰＩＤ制御と呼ばれる手法をとっても良い。
　電圧値の差分を電流に換算する際に用いられるその予め決められた定数とは、実験によって定められるフィードバックゲインであり、これを小さくすると収束が遅くなる。電圧値の差分を電流に換算する際、その予め決められた定数を用いる代わりに、予め定められた換算テーブルを用いることとしてもよい。基準電流値４０５は、電圧値の差分が無いとき、バッテリ３０１の電圧降下によってバッテリ電圧Ｖbが電装品などの最低作動電圧を下回ることを防止するように、予め設定される。そのバッテリ３０１の電圧降下とは、目標電流値４０９に等しい電流値を示すモータ電流Ｉm（バッテリ電流Ｉbに対応）がバッテリ３０１からモータ１０５へ供給されることに起因して生じる。こうして予め設定された基準電流値４０５を、制御装置１０９が記憶する。
　電圧値の差分に比例した電流を基準電流値４０５に加えた場合、バッテリ電流Ｉbの目標電流値４０９は大きくなるため、その分、早くエンジンを始動させることが可能である。電圧値の差分に比例した電流を基準電流値４０５から減らした場合、エンジン始動に時間がかかるものの、電装品などの最低作動電圧以上の大きさのバッテリ電圧Ｖbを確保することができる。
　制御装置１０９は、モータ回転検知センサ１１０から、モータ１０５のモータ回転数を取得する。制御装置１０９は、こうして取得したモータ回転数と、検知電圧４０１とに基づき、モータ電流Ｉm（バッテリ電流Ｉbに対応）の電流値を目標電流値４０９に近づけるように、スイッチング素子１０７を制御する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、目標電流値４０９に対して、モータ回転数の情報を用いた通電比率演算４０７によって出力する通電比率を決定する。通電比率演算４０７の詳細を、図３を用いて説明する。
　図３のモータ部１０１にて、配線抵抗、モータ内部の内部抵抗、スイッチング素子の抵抗などを含むモータ抵抗Ｒmと、バッテリ電流Ｉb（モータ電流Ｉm）［Ａ］と、モータ回転による逆起電圧Ｖe［Ｖ］またはモータ１０５の逆起電圧係数ｋe［Ｖ／ｒｐｍ］およびモータ１０５のモータ回転数Ｎm［ｒｐｍ］とを用いて、バッテリ電圧Ｖb［Ｖ］は、次式（３）によって表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、式（２）および（３）により、次式（４）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）からも分かるように、一般的には直流モータにおいてモータ回転数Ｎmが０の時、つまり通電し始めの時に電流が一番多く流れ、回転数が大きくなれば電流は少なくなる。
　式（４）においては、スイッチング素子１０７を介した制御装置１０９によるＰＷＭ制御が考慮されていない。すなわち式（４）は、モータ１０５に対する通電が継続している状態に対応している。本発明の発明者らの研究によると、ＰＷＭ制御において、通電比率Ｄに対し電流は次式（５）で近似できることが発見された。式（５）を用いると、ＰＷＭ制御の通電比率Ｄを変化させることで電流を一定に制御することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）から分かるように、本実施形態ではＰＷＭ制御においてバッテリに流れる電流Ｉbは通電比率Ｄの２乗に比例する。図３に示す構成では、スタータ１０１のモータ１０５に流れるモータ電流Ｉmは、バッテリ電流Ｉbに等しいため、モータ電流Ｉmは直流モータ１０５への通電をＰＷＭ制御する際の通電比率Ｄの２乗に比例すると近似できる。この近似は、本発明の発明者らの研究により実験的に観測したうえで理論的に決定したものである。ただし、式（５）は、ＰＷＭの１周期がモータの電気的時定数に対し十分速いと見なせる範囲においてのみ成立する近似であり、バッテリ電流Ｉbが、定数と、モータ回転数Ｎmおよび通電比率Ｄからなる二つの変数とによって決められることを表している。この近似を逆に利用し、所定のバッテリ電流Ｉbが得られるように通電比率Ｄを決めるには、式（５）を次式（６）のように変形する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　式（６）により、本実施形態では、バッテリ電流Ｉbを目標電流値４０９に設定したうえで、モータ回転数Ｎmにより通電比率Ｄを決定する。ただし式（６）によって計算された通電比率Ｄが１．０を超えた場合は通電比率を１．０とする。
　図５は、本実施形態によるエンジン始動装置１００において制御装置１０９が行うエンジン始動制御方法の内容を示すフローチャートである。図５に示すように、エンジンの始動要請が発生すると、ステップＳ５１０にて、図１に示した制御装置１０９は、スタータ１０１と不図示のエンジンとを連結させる。ピニオン押出し方式の場合は、図１のピニオンギヤ１０３を押し出し、エンジンに直結されているリングギヤ１０４と噛合わせる。スタータ１０１とエンジンとが連結状態にあるアイドルストップ方式が適用されている場合、アイドルストップ中においては始動要請が発生した時点で既にスタータ１０１とエンジンとが連結状態となっている。その場合は、ステップＳ５１０における処理は行われる必要がない。
　ステップＳ５２０において、制御装置１０９は、予め記憶していたモータ抵抗Ｒmとモータの逆起電圧係数ｋeとを取得する。ステップＳ５３０において、制御装置１０９は、不図示のバッテリ電圧検知装置等により検知されたバッテリ電圧Ｖbを取得する。ステップＳ５４０において、制御装置１０９は、電装品などの最低作動電圧に基づいて定められる目標電圧４０２とバッテリ電圧Ｖbとの差分を算出する。ステップＳ５５０において、制御装置１０９は、目標電圧４０２とバッテリ電圧Ｖbとの差分と、予め記憶していた基準電流値４０５とに基づき、図４（ａ）に示す手順で目標電流値４０９を算出する。ステップＳ５６０において、制御装置１０９は、モータ回転検知センサ１１０からモータ回転数Ｎmを取得する。
　ステップＳ５７０にて、制御装置１０９は、ステップＳ５２０からＳ５６０までの各処理ステップで得られた変数および定数を利用し、式（６）にてＰＷＭ制御の通電比率Ｄを計算し、ＰＷＭ制御の波形信号をスイッチング素子１０７へ出力し、スイッチング素子１０７を制御する。制御装置１０９によるスイッチング素子１０７に対するＰＷＭ制御によりモータ１０５に電流が流れ始め、モータ１０５のトルクがエンジンに伝達され、エンジンが回転を始める。
　そして、制御装置１０９は、ステップＳ５８０に示すエンジン始動完了条件が成立するまで、ステップ５３０～Ｓ５７０での処理を継続する。ステップＳ５８０のエンジン始動完了条件として、例えばエンジン回転が所定の回転数以上になったこととする。こうした完了条件が満たされると、エンジン始動が完了したと判断することができる。エンジン始動完了までは、制御装置１０９は、一定間隔（例えば２ｍｓ間隔）でバッテリ電圧Ｖbとモータ回転数Ｎmとを検知し、通電比率Ｄを計算し出力を更新する。こうすることでモータ通電開始からエンジン始動完了までの間バッテリ電流はほぼ一定で、設定した電流値となるためバッテリ電圧Ｖbもほぼ一定となり許容範囲内で、かつ、許容値に近い値に抑えられる。
－－－変形例－－－
（１）エンジン始動が完了するまではモータ１０５の回転力をエンジンに伝達するためにスタータ１０１とエンジンとは連結状態にあるので、エンジン回転数から間接的にモータ回転数Ｎmを得ることもできる。
　図５のステップＳ５１０以降、つまりスタータ１０１のモータ１０５と不図示のエンジンとが連結状態にあるならば、エンジンのエンジン回転数からモータのモータ回転数Ｎmを間接的に計算することができる。多くの自動車には、図１に示すように、エンジン回転数を検知するエンジン回転検知センサ１１２が搭載される。検知されているエンジン回転数から間接的にスタータ１０１のモータ１０５の回転数を計算することで、モータ回転検知センサ１１０を搭載する必要がなくなり、コスト低減に繋がる。エンジン回転数Ｎe［ｒｐｍ］と回転数変換係数ｇとからモータ１０５のモータ回転数Ｎm［ｒｐｍ］を計算する際は、例えば次式（７）を使うことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　式（７）における回転数変換係数ｇは、エンジンとモータ１０５とのギヤ比によって得ることができる。具体的には、ピニオンギヤ１０３とリングギヤ１０４とでモータ１０５とエンジンとが連結されている場合、ピニオンギヤ１０３およびリングギヤ１０４のそれぞれの歯数によって決まるギヤ比と、スタータ１０１内部でモータ１０５とピニオンギヤ１０３との間に減速機構が設けられている場合は減速機構の減速比とによって、回転数変換係数ｇを得ることができる。回転数変換係数ｇは予め制御装置１０９に記憶させておき、検知されたエンジン回転数Ｎeを制御装置１０９内部にてモータ回転数Ｎmに変換する。
（２）多くのスタータはモータからエンジンへ回転力を伝達する間にワンウェイクラッチを設け、スタータ側からのみ回転力を伝達する構成になっている。エンジンが燃焼を開始しスタータによる回転よりも回転数が大きくなるとクラッチの接続が切れるようになっているため、この時エンジン回転数から計算したスタータ回転数と実際のスタータ回転数とは一致しない。
　エンジン回転数から計算して間接的にモータ回転数を取得する場合、計算した値と実際のモータ回転数とに乖離が発生した時のモータ回転数を推測する方法について説明する。多くのスタータ１０１はモータ１０５から不図示のエンジンへ回転力を伝達する間にワンウェイクラッチ１０８が設けられ、スタータ１０１側からのみ回転力を伝達する構成になっている。つまりモータ１０５の回転力によってエンジンを回転させることはできるが、エンジンがモータ１０５を回転させることはないため、実際のモータ回転数よりエンジン回転数から計算して間接的に取得したモータ回転数の方が高い値を示すことがある。その時は、モータ回転数を推測する。
　図６は、モータ１０５の回転数の推測手順を示すフローチャートである。燃焼によりエンジン回転数が跳ね上がった際はクラッチの接続が切れ、ほぼ無負荷の状態となったモータ１０５は一定の傾きで回転数が上がると仮定する。そのような仮定のうえで、間接的に取得したモータ回転数Ｎmに対し、制御周期毎の回転数の上昇に上限を設けることでエンジン回転の急上昇に対しモータ回転数を推測する。
　エンジン回転検知センサ１１２が検知したエンジン回転数Ｎeに基づいて間接的に取得されたモータの回転数Ｎmに対し、そのモータの回転数Ｎmが実際のモータ回転数から乖離している可能性を考慮して推測された推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔを使い、通電比率Ｄを計算する。これを制御周期毎に繰り返し、１制御周期前の計算結果をＮｍ＿ｏｕｔt-1として制御装置内で記憶しておく。また、制御周期毎のモータ回転数の上昇の上限として上限値ΔＮを予め設定しておく。
　ステップＳ６１０にて、図１の制御装置１０９は、推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔt-1に上限値ΔＮを加えて新たに推測した推測モータ回転数をＮｍ´とする。新たに推測した推測モータ回転数Ｎｍ´は、１周期前の推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔt-1に対し１制御周期内で上昇し得る最大の値と考えられる。
　ステップＳ６２０にて、制御装置１０９は、間接的に取得したモータ回転数Ｎmと推測モータ回転数Ｎｍ´とを比較し、実際のモータ回転数からの乖離が発生しているかどうかを判定する。ステップＳ６２０にて、制御装置１０９は、Ｎm≧Ｎｍ´を否定判定した場合は、間接的に取得したモータ回転数と実際のモータ回転数との間に乖離はないと判断する。ステップＳ６４０にて、制御装置１０９は、間接的に取得したモータ回転数Ｎmをそのまま推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔに代入し、推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔを通電比率Ｄの計算に使う。
　ステップＳ６２０にて、制御装置１０９は、Ｎｍ≧Ｎｍ´を肯定判定した場合は、間接的に取得したモータ回転数と実際のモータ回転数との間に乖離があると判断する。その場合はステップＳ６３０にて、制御装置１０９は、推測モータ回転数Ｎｍ´を推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔに代入し、推測モータ回転数Ｎｍ＿ｏｕｔを通電比率Ｄの計算に使う。こうすることで、エンジン回転数から計算して間接的にモータ回転数を求めた場合に実際のモータ回転数から乖離が発生しても正しく通電比率Ｄを計算することができる。
　図７は、エンジン始動制御の時間的変化の一例を示す波形図であり、エンジン回転数、制御装置１０９から出力された通電比率Ｄ、バッテリ電圧、およびバッテリ電流の時間的変化を、対応付けて示している。
　図７に示す例では、エンジン回転数のみを用いて通電比率を計算している。制御装置１０９は、エンジン回転数から計算によって間接的にモータ回転数を取得しているため、推測したモータ回転数と実際のモータ回転数との間の乖離を考慮してモータの回転数の推測を行う。このように制御装置１０９が推測したモータ回転数をモータとエンジンとのギヤ比に基づいてエンジン軸上の回転数に換算した値を、点線７０３で示す。通電時のバッテリ電流７０５は、図７に示すように通電開始からほぼ横ばいで一定に保たれており、ほぼ設定したバッテリ電流（モータ電流）の目標電流値になっている。通電時のバッテリ電圧７０４も同様に、図７に示すように横ばいで許容最低電圧を下回ることなくエンジンを再始動させたことがわかる。バッテリが劣化した場合でも同様に許容最低電圧を下回ることなくエンジンを再始動させたことも確認している。
（３）通電比率Ｄの他の決定方法について説明する。図８は、スタータ１０１と、バッテリ３０１と、スタータ１０１のモータ１０５以外の他の電気機器８０３とを表す簡易的な回路図である。バッテリ３０１からの電力は、スタータ１０１のモータ１０５だけでなく、他の電気機器８０３にも供給される。スタータ１０１のモータ１０５以外の他の電気機器の電力需要に合わせてモータ１０５に流すモータ電流を適宜変更する方法について説明する。図３の簡易的な回路図において、バッテリから流れるバッテリ電流は、ほとんどモータ電流としてモータに流れる。しかし、実際の車両では、スタータ１０１のモータ１０５以外にも電流が流れる他の電気機器８０３が存在する。
　バッテリ３０１を流れるバッテリ電流Ｉbと、バッテリ３０１からスタータ１０１のモータ１０５に供給されてモータ１０５を流れる電流Ｉmと、バッテリ３０１からモータ１０５以外の他の電気機器８０３に供給されて他の電気機器８０３を流れる合計の供給電流Ｉｅとの間には、次式（８）に示す関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（８）に示すように、バッテリ電流Ｉbはモータ電流Ｉmとモータ以外の電気機器を流れる供給電流Ｉeとの和である。バッテリ電流Ｉbは、バッテリ３０１の電圧降下によってバッテリ電圧Ｖbが電装品などの最低作動電圧を下回ることとならないように、許容されるバッテリ電流以上の電流値を有する必要がある。許容されるバッテリ電流値からモータ１０５以外の他の電気機器８０３の供給電流Ｉeを差し引いた電流値を、モータ電流Ｉmの上限値として設定することで、トータルとしてバッテリ電流Ｉbを許容されるバッ
テリ電流値に一定に保つ構成にする。モータ１０５以外の他の電気機器８０３を流れる供給電流Ｉeは、直接的または間接的に取得され得る構成にする。例えば、モータ１０５以外の他の電気機器８０３を流れる供給電流Ｉeを電流センサが直接計測し、その計測値を制御装置１０９が電流センサから取得する。他の電気機器８０３に含まれる複数の電気機器が通常使用する電流を個々に予め制御装置１０９に記憶させておき、それらの電気機器が使用されている場合には、制御装置１０９が、記憶しておいた電流が流れるものとして、間接的にモータ１０５以外の他の電気機器８０３を流れる供給電流の電流値を算出する。こうして制御装置１０９がモータ１０５以外の他の電気機器８０３の供給電流Ｉeを取得することによって、バッテリ電流Ｉbを許容されるバッテリ電流値に一定に保つためにモータ１０５へ流すモータ電流Ｉmの目標電流値を算出することができる。制御装置１０９は、次式（９）を用いてモータ１０５への通電比率Ｄを計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　モータ１０５以外の他の電気機器８０３を流れる供給電流Ｉeが変化しても、式（８）を用いてモータ１０５に流れるモータ電流Ｉmの目標電流値を決定し、モータ１０５への通電比率Ｄを式（９）を用いて計算することで、バッテリ電流Ｉbを一定に保つことができる。したがって、バッテリ３０１の電圧降下を許容範囲に抑えながら最大限にエンジンを素早く再始動させることができる。
（４）上述した実施形態またはその変形例によるエンジン始動装置１００において、制御装置１０９は、モータ１０５のモータ回転数Ｎmを、直接的に、または間接的に取得する。しかし、エンジン始動装置１００の製造時に、エンジン始動時のモータ１０５のモータ回転数Ｎmをモデル化して制御装置１０９に記憶させておくこととしてもよい。実際のエンジン始動時には、制御装置１０９は、適切なモデルを特定し、記憶しているモータ１０５のモータ回転数Ｎmのうちから、その特定した適切なモデルに対応するモータ回転数Ｎmを選択することによって取得する。
（５）上述した実施形態またはその変形例によるエンジン始動装置１００において、制御装置１０９は、モータ電流Ｉmのモータ電流値を目標電流値４０９に近づけるように、モータ１０５に接続されてモータ電流Ｉmが流れるスイッチング素子１０７を制御する。しかし、スイッチング素子１０７の代わりの回路素子として、スタータ１０１の内部に可変抵抗を配置することとしてもよい。制御装置１０９は、モータ電流Ｉmのモータ電流値を目標電流値４０９に近づけるように、モータ１０５に接続されてモータ電流Ｉmが流れる可変抵抗を制御して可変抵抗の抵抗値を調節する。
　上述した実施形態またはその変形例によるエンジン始動装置１００は、バッテリ３０１によって駆動されるモータ１０５の回転力をエンジンへ伝達することによってエンジンを始動させるエンジン始動装置１０１であって、制御装置１０９を有する。制御装置１０９は、バッテリ３０１のバッテリ電圧Ｖbを取得する。制御装置１０９は、取得したバッテリ電圧Ｖbに基づき、バッテリ３０１からモータ１０５へ供給されるモータ電流Ｉmの目標電流値４０９を算出する。制御装置１０９は、モータ電流Ｉmのモータ電流値を目標電流値４０９に近づけるように、モータ１０５に接続されてモータ電流Ｉmが流れるスイッチング素子１０７または可変抵抗等の回路素子を制御する。このようなエンジン始動装置１００においては、次のような効果が得られる。すなわち、モータ通電開始からエンジン始動完了までの間、モータ電流Ｉmを制御してバッテリ電流Ｉbをほぼ一定の任意の値に保つことで、バッテリ電圧Ｖbもほぼ一定に保つことができる。特に、バッテリ電圧Ｖbを繰り返し取得してそのつどモータ電流Ｉmの目標電流値を再計算するので、急な電圧降下が生じるなどのバッテリ３０１の状態変化に応じてモータ電流Ｉmを調節可能である。そうすることで、バッテリの状態が変化してもバッテリ電圧降下を許容範囲内に留め、エンジン始動時にバッテリ電圧Ｖbが許容値（電装品などの最低作動電圧）を下回ることなく、その状態でなおかつ最大限にすばやくエンジンを始動させることができる。
　上記回路素子としてスイッチング素子１０７が用いられる場合は、モータ回転数Ｎmをもとに、ＰＷＭ制御によるモータ１０５への通電比率Ｄを制御装置１０９が決定する。制御装置１０９が、その通電比率Ｄを変化させるＰＷＭ制御信号をスイッチング素子１０７に対して出力することによって、スイッチング素子１０７が、モータ電流Ｉmを変化させることができる。
　変形例（１）および（２）においては、制御装置１０９が、エンジン回転数Ｎeから計算によって間接的にモータの回転数Ｎmを取得する。この場合、スタータ１０１にモータ１０５の回転検出用のモータ回転検知センサ１１０を取り付ける必要がないため、コスト低減に繋がる。
　変形例（３）においては、制御装置１０９が、モータ１０５以外で同じバッテリ３０１を電源とする他の電気機器８０３に流れる電流Ｉeを取得し、バッテリ電流Ｉbをトータルで一定になるようにモータ電流Ｉmが流れる回路素子を制御する場合は、モータ１０５以外の他の電気機器８０３に大きな電流が流れてもバッテリ３０１の電圧降下を許容範囲内に抑えることができる。
１００…エンジン始動装置
１０１…スタータ
１０２…マグネットスイッチ
１０３…ピニオンギヤ
１０４…リングギヤ
１０５…モータ
１０６…スイッチ
１０７…スイッチング素子
１０８…ワンウェイクラッチ
１０９…制御装置
１１０…モータ回転検知センサ
１１１…レバー
１１２…エンジン回転検知センサ
３０１…バッテリ

Claims (9)

  1. 　バッテリによって駆動される直流モータの回転力をエンジンへ伝達することによって前記エンジンを始動させるエンジン始動装置であって、
    　前記バッテリのバッテリ電圧を取得するバッテリ電圧取得部と、
    　前記バッテリ電圧取得部によって取得される前記バッテリ電圧に基づき、前記バッテリから前記直流モータへ供給されるモータ電流の目標電流値を算出する目標電流値算出部と、
    　前記モータ電流のモータ電流値を前記目標電流値に近づけるように、前記直流モータに接続されて前記モータ電流が流れる回路素子を制御するモータ電流制御部とを備えることを特徴とするエンジン始動装置。
  2. 　請求項１に記載のエンジン始動装置において、
    　前記直流モータのモータ回転数を取得するモータ回転数取得部をさらに備え、
    　前記モータ電流制御部は、前記モータ電流値を前記目標電流値に近づけるように、前記バッテリ電圧取得部によって取得される前記バッテリ電圧と、前記モータ回転数取得部によって取得される前記モータ回転数とに基づき、前記回路素子を制御することを特徴とするエンジン始動装置。
  3. 　請求項２に記載のエンジン始動装置において、
    　前記モータ電流制御部は、前記直流モータ以外の他の電気機器が前記バッテリからの電力供給に応じて作動するのに必要な作動電圧に基づいて定められる目標電圧と、前記目標電流値の基準電流値とを記憶し、
    　前記目標電流値算出部は、前記バッテリ電圧取得部によって取得される前記バッテリ電圧と前記目標電圧との電圧差分と、前記モータ電流制御部によって記憶される前記基準電流値とに基づいて、前記目標電流値を算出し、
    　前記モータ電流制御部によって記憶される前記基準電流値は、前記電圧差分が無いとき、前記目標電流値に等しい電流値を示す前記モータ電流が前記バッテリから前記直流モータへ供給されることに起因して生じる前記バッテリの電圧降下によって前記バッテリ電圧が前記作動電圧を下回ることを防止するように、予め設定されることを特徴とするエンジン始動装置。
  4. 　請求項２または３に記載のエンジン始動装置において、
    　前記モータ電流制御部は、前記バッテリから前記直流モータへの通電の開始および停止を繰り返すＰＷＭ制御を、前記通電の前記開始から前記停止に至るまでの時間と前記通電の前記開始から前記停止を経て再び前記開始に至るまでの時間との比で表される通電比率に応じて前記回路素子を制御することによって行い、
    　前記モータ電流制御部は、前記バッテリ電圧取得部によって取得される前記バッテリ電圧と、前記バッテリの内部抵抗と、前記目標電流値算出部によって算出される前記目標電流値と、前記モータ回転数取得部によって取得される前記モータ回転数と、前記直流モータが有するモータ抵抗と、前記直流モータの逆起電圧係数とに基づいて、前記通電比率を決定することを特徴とするエンジン始動装置。
  5. 　請求項４に記載のエンジン始動装置において、
    　前記モータ回転数取得部は、前記モータ回転数を検知するモータ回転検知部から前記モータ回転数を取得することを特徴とするエンジン始動装置。
  6. 　請求項４に記載のエンジン始動装置において、
    　前記モータ回転数取得部は、前記エンジンのエンジン回転数を取得し、前記エンジン回転数に基づき、前記モータ回転数を取得することを特徴とするエンジン始動装置。
  7. 　請求項３に記載のエンジン始動装置において、
    　前記バッテリから前記他の電気機器へ供給される供給電流を取得する供給電流取得部をさらに備え、
    　前記目標電流値算出部は、前記バッテリ電圧取得部によって取得される前記バッテリ電圧と前記目標電圧との前記電圧差分と、前記モータ電流制御部によって記憶される前記基準電流値と、前記供給電流取得部によって取得される前記供給電流とに基づいて、前記目標電流値を算出することを特徴とするエンジン始動装置。
  8. 　バッテリによって駆動される直流モータの回転力をエンジンへ伝達することによって前記エンジンを始動させるエンジン始動を制御するエンジン始動制御方法であって、
    　前記バッテリのバッテリ電圧を取得し、
    　前記バッテリ電圧に基づき、前記バッテリから前記直流モータへ供給されるモータ電流の目標電流値を算出し、
    　前記モータ電流のモータ電流値を前記目標電流値に近づけるように、前記直流モータに接続されて前記モータ電流が流れる回路素子を制御することを特徴とするエンジン始動制御方法。
  9. 　請求項８に記載のエンジン始動制御方法において、さらに、
    　前記目標電流値が算出される際には、前記直流モータ以外の他の電気機器が前記バッテリからの電力供給に応じて作動するのに必要な作動電圧に基づいて定められる目標電圧と前記バッテリ電圧との電圧差分と、前記目標電流値の基準電流値とに基づいて、前記目標電流値を算出し、
    　前記基準電流値は、前記電圧差分が無いとき、前記目標電流値に等しい電流値を示す前記モータ電流が前記バッテリから前記直流モータへ供給されることに起因して生じる前記バッテリの電圧降下によって前記バッテリ電圧が前記作動電圧を下回ることを防止するように、予め設定され、
    　前記直流モータのモータ回転数を取得し、
    　前記モータ電流値を前記目標電流値に近づけるように前記回路素子が制御される際には、前記バッテリ電圧と前記モータ回転数とに基づき、前記回路素子を制御することを特徴とするエンジン始動制御方法。
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