JP2006101620A - バッテリ充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メインバッテリとサブバッテリとを充電するバッテリ充電装置において、メインバッテリが消耗したときにサブバッテリからメインバッテリを充電してメインバッテリを回復することができるようにする。
【解決手段】エンジンにより駆動される交流発電機１の出力を整流して設定値を超えないように調整された直流電圧を出力端子２ａ，２ｂ間に出力する電圧調整機能付きの整流電源回路２を備えたバッテリ充電装置に補助出力端子２ｃを設け、補助出力端子２ｃと出力端子２ａとの間に発電機１が出力を発生しているときにオン状態になる充電用スイッチ１０を設ける。アノードを補助出力端子側に向けたダイオードＤpを充電制御用スイッチ１０に対して並列に設ける。出力端子２ａ，２ｂ間にメインバッテリ３を接続し、補助出力端子と整流電源回路の負極側出力端子２ｂとの間にサブバッテリ４を接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンにより駆動される交流発電機の整流出力でバッテリを充電するバッテリ充電装置に関するものである。

エンジンにより駆動される車両に搭載されるバッテリ充電装置は、エンジンにより駆動される交流発電機の出力が入力される入力端子と、正極側及び負極側の出力端子と、入力端子に与えられた交流電圧を整流して設定値を超えないように調整された直流電圧を正極側出力端子と負極側出力端子との間に出力する電圧調整機能付きの整流電源回路とを備えていて、整流電源回路の出力電圧でバッテリを充電するようにしている。

最近のエンジン駆動車両においては、バッテリにより駆動される電装品負荷が多くなっているため、エンジン始動用電動機を駆動するメインバッテリの外にサブバッテリを設けて、電装品負荷の増大に対処し得るようにしている。この種の車両に搭載するバッテリ充電装置は、メインバッテリとサブバッテリとの双方を充電することが要求される。

メインバッテリとサブバッテリとを充電し得るようにしたバッテリ充電装置としては、特許文献１や特許文献２に示されたものが知られている。これらの特許文献に示されたバッテリ充電装置では、メインバッテリの正極端子と発電機の出力端子との間及びサブバッテリの正極端子と発電機の出力端子との間にそれぞれカソードをバッテリ側に向けた別個のダイオードを接続して、メインバッテリとサブバッテリとを分離していた。
特開平２−２７６４２８号公報 特開平９−４６９１９号公報

従来のバッテリ充電装置においては、機関始動用電動機を負荷として含むメインバッテリと、他の負荷を駆動するサブバッテリとの間をダイオードにより完全に分離して、メインバッテリにより機関始動用電動機を駆動するようにしていたため、メインバッテリが消耗したときに、サブバッテリが正常であっても機関を始動することができなくなるという問題があった。

本発明の目的は、メインバッテリの消耗によりエンジンを始動することができなくなったり、メインバッテリの負荷を駆動することができなくなったりするのを防ぐことができるようにしたバッテリ充電装置を提供することにある。

本発明は、エンジンにより駆動される交流発電機の出力が入力される入力端子と正極側及び負極側の出力端子と入力端子に与えられた交流電圧を整流して設定値を超えないように調整された直流電圧を正極側出力端子と負極側出力端子との間に出力する回路とを有する電圧調整機能付きの整流電源回路を備えて、該整流電源回路の出力でメインバッテリとサブバッテリとを充電するバッテリ充電装置に適用される。

本発明においては、補助出力端子と、該補助出力端子と整流電源回路の正極側出力端子との間に設けられた充電制御用スイッチと、整流電源回路の入力端子間に交流電圧が与えられているときに充電制御用スイッチに駆動信号を与えて該充電制御用スイッチをオン状態にする充電制御用スイッチ駆動回路と、補助出力端子側にアノードを向けて充電制御用スイッチに対して並列に設けられたアイソレータ構成用ダイオードとが設けられていて、整流電源回路の正極側出力端子と負極側出力端子との間にメインバッテリが接続され、補助出力端子と整流電源回路の負極側出力端子との間にサブバッテリが接続される。

上記のように構成すると、交流発電機が出力を発生しているときには、整流電源回路の出力でメインバッテリを充電すると同時に、整流電源回路から充電用スイッチを通してサブバッテリを充電することができる。またメインバッテリが消耗したときには、サブバッテリからダイオードを通してメインバッテリを充電して、メインバッテリを回復させることができるため、メインバッテリの消耗によりエンジンを始動できなくなる事態が生じるのを防ぐことができる。更に、エンジンが停止していて交流発電機が出力を停止しているときには、充電制御用スイッチがオフ状態になり、かつアイソレータ構成用ダイオードによりメインバッテリがサブバッテリ側に放電するのが阻止されるため、メインバッテリが消耗するのを防ぐことができる。

本発明の好ましい態様では、整流電源回路の正極側出力端子にドレインが接続され、ソースが補助出力端子に接続されたＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴにより上記充電制御用スイッチが構成され、該ＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成された寄生ダイオードが、アイソレータ構成用ダイオードとして用いられる。

このように、充電制御用スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを用いると、そのドレインソース間に形成されている寄生ダイオードをアイソレータ構成用ダイオードとして用いることができるため、構成を簡単にすることができる。

上記のように、充電制御用スイッチをＭＯＳＦＥＴにより構成する場合には、ＭＯＳＦＥＴのゲートとドレインとの間に接続された第１の抵抗器と、ＭＯＳＦＥＴのゲートと整流電源回路の負極側出力端子との間に第２の抵抗器を通して接続されたＦＥＴ駆動用スイッチと、交流発電機が出力を発生したときにＦＥＴ駆動用スイッチに駆動信号を与えて該ＦＥＴ駆動用スイッチをオン状態にするＦＥＴ駆動用スイッチ駆動回路とにより、整流電源回路の入力端子間に交流電圧が与えられているときに充電制御用スイッチに駆動信号を与えて該充電制御用スイッチをオン状態にする充電制御用スイッチ駆動回路を構成できる。

以上のように、本発明によれば、メインバッテリが消耗したときに、サブバッテリからアイソレータ構成用ダイオードを通してメインバッテリを充電してメインバッテリを回復させることができるので、メインバッテリの消耗によりエンジンの始動ができなくなる事態が生じるのを防ぐことができる。

またメインバッテリが正常であるときには、アイソレータ構成用ダイオードにより、メインバッテリがサブバッテリ側の回路を通して放電するのを防止できるため、エンジンが停止しているときにメインバッテリが消耗するのを防ぐことができる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係わるバッテリ充電装置の好ましい構成例を示したもので、同図において１は図示しないエンジンにより駆動される磁石式交流発電機、２は交流発電機１の出力が入力される入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗと、正極側及び負極側の出力端子２ａ及び２ｂと、入力端子２ｕ〜２ｗに与えられた交流電圧を整流して設定値を超えないように調整された直流電圧を正極側出力端子２ａと負極側出力端子２ｂとの間に出力する回路とを有する電圧調整機能付きの整流電源回路、３はメインバッテリ、４はサブバッテリである。メインバッテリ３には電源スイッチ５を通してメイン負荷６が接続され、サブバッテリ４には電源スイッチ７を通してサブ負荷８が接続されている。メイン負荷６には、エンジン始動用電動機の外、エンジンを点火する点火装置、エンジンに燃料を供給する燃料噴射装置、点火装置や燃料噴射装置を制御する電子式制御ユニット（ＥＣＵ）など、エンジンを運転するために駆動することが必須の電装品負荷が含まれている。サブ負荷８には、適宜の負荷、例えば、オプションで車両に取り付けられる各種の負荷が含まれている。

整流電源回路２は、カソードが共通接続されたダイオードＤｕ，Ｄｖ及びＤｗと、ダイオードＤｕ，Ｄｖ及びＤｗのアノードにカソードがそれぞれ接続され、アノードが共通接続されたダイオードＤｘ，Ｄｙ及びＤｚとからなるダイオードブリッジ全波整流回路２Ａと、この整流回路のブリッジの下辺を構成するダイオードＤｘ，Ｄｙ及びＤｚにそれぞれ逆並列接続された出力短絡用サイリスタＴh1，Ｔh2及びＴh3と、サイリスタＴh1〜Ｔh3を制御する制御回路２Ｂとからなっている。整流回路２Ａを構成するダイオードＤｕ，Ｄｖ及びＤｗのそれぞれのアノードとダイオードＤｘ，Ｄｙ及びＤｚのそれぞれのカソードとの接続点から整流電源回路２の入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗが引き出され、ダイオードＤｕ，Ｄｖ及びＤｗのカソードの共通接続点及びダイオードＤｘ，Ｄｙ及びＤｚのアノードの共通接続点からそれぞれ整流電源回路２の正極側出力端子２ａ及び負極側出力端子２ｂが引き出されている。入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗは、磁石式交流発電機１に設けられて星形結線された３相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗの非中性点側の端子に接続されている。

制御回路２Ｂは出力端子２ａ，２ｂ間の電圧が設定値を超えないようにサイリスタＴh1ないしＴh3を制御する回路で、図示の制御回路２Ｂは、正極側出力端子２ａにエミッタが接続され、コレクタが抵抗器Ｒ1ないしＲ3を通してサイリスタＴh1ないしＴh3のゲートにそれぞれ接続されたＰＮＰトランジスタＴＲ1と、サイリスタＴh1ないしＴh3のゲートカソード間にそれぞれ並列接続された抵抗器Ｒ4ないしＲ6と、トランジスタＴＲ1のエミッタベース間に接続された抵抗器Ｒ7と、トランジスタＴＲ1のベースにカソードが接続されたツェナーダイオードＺＤ1と、ツェナーダイオードＺＤ1のアノードと負極側出力端子２ｂとの間に接続された抵抗器Ｒ8とからなっている。

図示の整流電源回路２においては、出力短絡用サイリスタＴh1ないしＴh3と制御回路２Ｂとにより出力短絡式のレギュレータが構成されている。この整流電源回路２の動作は次の通りである。
ダイオードＤｕないしＤｗ及びＤｘないしＤｚからなる整流回路２Ａは、発電機１が出力する交流電圧を直流電圧に変換して出力端子２ａ，２ｂ間から出力する。出力端子２ａ，２ｂ間の電圧が設定値を超えると、ツェナーダイオードＺＤ1がオン状態になるため、トランジスタＴＲ1にベース電流が流れて該トランジスタＴＲ1がオン状態になる。トランジスタＴＲ1がオン状態になると出力端子２ａ側からトランジスタＴＲ1と抵抗器Ｒ1ないしＲ3とを通してサイリスタＴh1ないしＴh3のゲートにトリガ信号が与えられるため、これらのサイリスタのうち、アノードの電位がカソードの電位よりも高くなっているものがオン状態になり、オン状態になっているサイリスタと整流回路のブリッジの下辺を構成するダイオードＤｘないしＤｚのいずれかとを通して発電機１の出力が短絡される。これにより発電機１の出力電圧が低下させられ、出力端子２ａ，２ｂ間の電圧が低下させられる。出力端子２ａ，２ｂ間の電圧が前記設定電圧よりも低くなるとトランジスタＴＲ1がオフ状態になるため、サイリスタＴh1ないしＴh3へのトリガ信号の供給が停止する。サイリスタＴh1ないしＴh3は、それぞれのアノード電流が保持電流未満になった時点でオフ状態になり、発電機１の出力の短絡が解除される。これにより発電機１の出力電圧が上昇し、出力端子２ａ，２ｂ間の電圧が上昇する。これらの動作の繰り返しにより、出力端子２ａ，２ｂ間の電圧が設定値を超えないように制御され、発電機１の出力電圧が設定値を超えている状態では、出力端子２ａ，２ｂ間の電圧がほぼ設定値付近に保たれる。

本発明においては、サブバッテリを接続するための補助出力端子２ｃが設けられ、この補助出力端子と整流電源回路の正極側出力端子２ａとの間に充電制御用スイッチ１０が接続されている。図示の例では、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）Ｆ1により充電制御用スイッチ１０が構成されていて、該ＭＯＳＦＥＴのドレインが正極側出力端子２ａに、ソースが補助出力端子２ｃにそれぞれ接続されている。この例では、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ1のドレインソース間に形成されている寄生ダイオードＤpが、アノードを補助出力端子２ｃ側に向けた状態で充電制御用スイッチ１０に対して並列に設けられるアイソレータ構成用ダイオードとして用いられている。

またＭＯＳＦＥＴ Ｆ1のゲートとドレインとの間に第１の抵抗器Ｒ9が接続され、ＭＯＳＦＥＴのゲートと整流電源回路の負極側出力端子との間に第２の抵抗器器Ｒ10を通してＦＥＴ駆動用スイッチ１１が接続されている。図示のＦＥＴ駆動スイッチ１１は、抵抗ｒbを通してベース端子が導出され、ベースエミッタ間に抵抗ｒbeが接続されたＮＰＮトランジスタＴＲ2からなっていて、このトランジスタＴＲ2のコレクタが第２の抵抗器Ｒ10を通してＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、エミッタが整流電源回路の負極側出力端子２ｂに接続されている。トランジスタＴＲ2のベース端子にダイオードＤ1ないしＤ3のカソードが共通接続され、ダイオードＤ1ないしＤ3のアノードがそれぞれ整流電源回路の入力端子２ｕないし２ｗに接続されている。トランジスタＴＲ2のベース端子と負極側出力端子２ｂとの間に平滑用コンデンサＣ1が接続されている。

この例では、ダイオードＤ1ないしＤ3とコンデンサＣ1とにより、交流発電機が出力を発生しているときにＦＥＴ駆動用スイッチ１１に駆動信号を与えて該ＦＥＴ駆動用スイッチをオン状態にするＦＥＴ駆動用スイッチ駆動回路が構成され、このＦＥＴ駆動用スイッチ駆動回路と、ＦＥＴ駆動用スイッチ１１とにより、整流電源回路２の入力端子２ｕないし２ｗ間に交流電圧が与えられているときに充電制御用スイッチ１０に駆動信号を与えて該充電制御用スイッチをオン状態にする充電制御用スイッチ駆動回路が構成されている。またこの充電制御用スイッチ駆動回路と、充電制御用スイッチ１０とにより、バッテリアイソレータ回路１２が構成され、このバッテリアイソレータ回路１２と整流電源回路２とによりバッテリ充電装置が構成されている。

本発明においては、メインバッテリ３が整流電源回路２の正極側出力端子２ａと負極側出力端子２ｂとの間に接続され、サブバッテリ４が補助出力端子２ｃと負極側出力端子２ｂとの間に接続される。

上記のバッテリ充電装置において、交流発電機１が出力を発生していないときには、トランジスタＴＲ2にベース電流が与えられないため、該トランジスタＴＲ2がオフ状態にあり、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ1がオフ状態にある。この状態では、メインバッテリ３とサブバッテリ４との間にアイソレータ構成用ダイオードＤpが存在するため、メインバッテリ３からサブバッテリ４側に電流が流れることはないが、メインバッテリ３が消耗していて、メインバッテリ３の両端の電圧がサブバッテリ４の両端の電圧よりも低い場合には、サブバッテリ４からダイオードＤpを通してメインバッテリ３に充電電流が流れ、メインバッテリ３が充電される。従って、エンジンを停止した時点でメインバッテリ３が消耗している場合、或いはエンジンの停止中にメイン負荷６が投入されてメインバッテリ３が消耗した場合に、次のエンジンの始動に備えて該メインバッテリ３の電圧を回復させることができる。

またエンジンが運転されていて、交流発電機１が出力を発生しているときには、トランジスタＴＲ2にベース電流が流れて該トランジスタがオン状態になり、これによりＭＯＳＦＥ Ｆ1に駆動信号が与えられてＭＯＳＦＥＴ（充電制御用スイッチ１０）がオン状態になるため、整流電源回路２の出力でメインバッテリ３が充電されるとともに、サブバッテリ４が充電される。

上記のように、本発明においては、サブバッテリを接続するための補助出力端子を設けて、この補助出力端子と整流電源回路の正極側出力端子との間に、発電機が出力を発生しているときにオン状態になる充電用スイッチを設けるとともに、アノードを補助出力端子側に向けたアイソレータ構成用ダイオードを充電制御用スイッチに対して並列に設けて、整流電源回路の出力端子間にメインバッテリを接続し、補助出力端子と整流電源回路の負極側出力端子との間にサブバッテリを接続するようにしたので、メインバッテリが消耗したときに、サブバッテリからアイソレータ構成用ダイオードを通してメインバッテリを充電してメインバッテリを回復させることができる。従って、メインバッテリの消耗によりエンジンの始動ができなくなる事態が生じるのを防ぐことができる。

上記の実施形態では、充電制御用スイッチ１０をＭＯＳＦＥＴにより構成したが、トランジスタやリレーなどの他のオンオフ制御が可能なスイッチ素子により充電制御用スイッチを構成することもできる。ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチ素子（寄生ダイオードを有しないスイッチ素子）により充電制御用スイッチを構成する場合には、該スイッチ素子に対して並列に、補助出力端子２ｃ側にアノードを向けたアイソレータ構成用ダイオードを接続する。

整流電源回路の入力端子間に交流電圧が与えられているときに充電制御用スイッチに駆動信号を与えて該充電制御用スイッチをオン状態にする充電制御用スイッチ駆動回路の構成は、上記の例に示したものに限られるものではなく、充電制御用スイッチ１０を構成するスイッチ素子に応じて適宜の構成をとることができる。

上記の実施形態では、整流電源回路２として、出力短絡式のレギュレータを備えたものを用いたが、整流電源回路は、出力電圧が設定値を超えないように制御するレギュレータ機能を備えたものであればよく、上記のものに限定されない。例えば、ダイオードとサイリスタとの混合ブリッジ回路からなる制御整流回路を設けて、該制御整流回路のサイリスタの導通角を制御することにより出力電圧が設定値を超えないように制御するようにした整流電源回路を用いることもできる。また交流発電機１として励磁式の同期発電機が用いられる場合には、発電機の出力を整流する整流回路と、整流回路の出力が設定値を超えないように、発電機の励磁電流を制御する回路とにより整流電源回路を構成することができる。

上記の実施形態では、サブバッテリ４が１つだけ設けられているが、サブバッテリが複数個設けられる場合にも本発明を適用することができる。サブバッテリを複数個設ける場合には、サブバッテリの数だけ補助出力端子を設けて、各補助出力端子と整流電源回路の正極側出力端子との間に、発電機が出力を発生しているときにオン状態になる充電用スイッチを設けるとともに、アノードを各補助出力端子側に向けたアイソレータ構成用ダイオードを各充電制御用スイッチに対して並列に接続し、各補助出力端子と整流電源回路の負極側出力端子との間に各サブバッテリを接続する。この場合充電制御用スイッチ駆動回路は、複数の充電制御用スイッチに対して共通に設けてもよく、複数の充電制御用スイッチに対して個別に設けてもよい。

本発明の実施形態を示した回路図である。

符号の説明

１ 交流発電機
２ 整流電源回路
３ メインバッテリ
４ サブバッテリ
６ メイン負荷
８ サブ負荷
１０ 充電制御用スイッチ
１１ ＦＥＴ駆動用スイッチ
Ｆ1 ＭＯＳＦＥＴ
Ｄp 寄生ダイオード（アイソレータ構成用ダイオード）

Claims (4)

1. エンジンにより駆動される交流発電機の出力が入力される入力端子と正極側及び負極側の出力端子と前記入力端子に与えられた交流電圧を整流して設定値を超えないように調整された直流電圧を前記正極側出力端子と負極側出力端子との間に出力する回路とを有する電圧調整機能付きの整流電源回路を備えて、前記整流電源回路の出力でメインバッテリとサブバッテリとを充電するバッテリ充電装置において、
   補助出力端子と、該補助出力端子と前記整流電源回路の正極側出力端子との間に設けられた充電制御用スイッチと、前記整流電源回路の入力端子間に交流電圧が与えられているときに前記充電制御用スイッチに駆動信号を与えて該充電制御用スイッチをオン状態にする充電制御用スイッチ駆動回路と、前記補助出力端子側にアノードを向けて前記充電制御用スイッチに対して並列に設けられたアイソレータ構成用ダイオードとを具備し、
   前記整流電源回路の正極側出力端子と負極側出力端子との間に前記メインバッテリが接続され、前記補助出力端子と前記整流電源回路の負極側出力端子との間に前記サブバッテリが接続されること、
   を特徴とするバッテリ充電装置。
2. 前記充電制御用スイッチは、前記整流電源回路の正極側出力端子にドレインが接続され、ソースが前記補助出力端子に接続されたＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴからなり、
   前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが前記アイソレータ構成用ダイオードを構成していること、
   を特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電装置。
3. エンジンにより駆動される交流発電機の出力が入力される入力端子と正極側及び負極側の出力端子と前記入力端子に与えられた交流電圧を整流して設定値を超えないように調整された直流電圧を前記正極側出力端子と負極側出力端子との間に出力する回路とを有する電圧調整機能付きの整流電源回路を備えて、前記整流電源回路の出力でメインバッテリとサブバッテリとを充電するバッテリ充電装置において、
   補助出力端子と、前記整流電源回路の正極側出力端子にドレインが接続され、ソースが前記補助出力端子に接続されたＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートとドレインとの間に接続された第１の抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートと前記整流電源回路の負極側出力端子との間に第２の抵抗器を通して接続されたＦＥＴ駆動用スイッチと、前記交流発電機が出力を発生したときに前記ＦＥＴ駆動用スイッチに駆動信号を与えて該ＦＥＴ駆動用スイッチをオン状態にするＦＥＴ駆動用スイッチ駆動回路とを具備し、
   前記整流電源回路の正極側出力端子と負極側出力端子との間に前記メインバッテリが接続され、前記補助出力端子と前記整流電源回路の負極側出力端子との間に前記サブバッテリが接続されること、
   を特徴とするバッテリ充電装置。
4. 前記メインバッテリは前記エンジンの始動用電動機を駆動するバッテリである請求項１，２または３に記載のバッテリ充電装置。
   

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