JP2007110855A

JP2007110855A - 充電装置

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Publication number: JP2007110855A
Application number: JP2005301273A
Authority: JP
Inventors: Takuya Matsumoto; 卓也松本
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP4741337B2

Abstract

【課題】交流発電機から交流を入力してメインバッテリーとサブバッテリーとを同時に充電する充電装置において、出力負荷が増大するといずれのバッテリーも充電できなくなる。
【解決手段】出力電圧の低下を検出して、優先度の高いメインバッテリーのみに充電電流を供給して充電時間の短縮を図るとともに、充電装置に電流が流れない、又は、流れる電流が小さいときにバッテリーの切替えを行って電流変化に伴うノイズの発生を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源から直流に整流して複数のバッテリーを充電するための充電装置に関する。

モーターボート等の船舶やキャンピングカー等において、照明装置や付属機器が増加して、バッテリーが供給しなければならない電力が増加している。バッテリーが電力供給する機器として、エンジン始動用セルや電子制御ユニットなどの装置の運行上重要な機器と照明装置や付属機器用などの周辺機器とがある。これらの機器に対して単一のバッテリーにより電力を供給すると、接続する機器の負荷が増大して過負荷状態となり、装置の運行上重要なエンジン始動セルや電子制御ユニットへの電力供給ができなくなり、特にモーターボート等の船舶においては、装置の安全な運行が損なわれる場合がある。

そこで、これらの装置においては、エンジン始動や電子制御ユニット（ＥＣＵ）などの重要機器用のメインバッテリーと、その他機周辺機器用のサブバッテリーとに分離して複数のバッテリーを搭載している。そして、エンジンにより永久磁石式交流発電機を回転させて発電し、この交流電流を充電装置によって直流に変換して複数のバッテリーを同時に充電する（例えば、特許文献１参照）。

図８はこの種の充電装置の回路図を示す。フライホイールマグネット１１４Ａを回転させてコイル１１４に交流電流を発生させ、ダイオード１１６Ａ、１１６Ｂ、１１７によって整流する。バッテリー１１２Ａに対してはダイオード１１６Ａを介して電流を供給し、バッテリー１１２Ｂに対してはダイオード１１６Ｂを介して電流を供給する。このようにダイオードを分離するのは、バッテリー１１２Ａとバッテリー１１２Ｂ間で相互に電流が流れないバッテリーアイソレータの機能を持たせるためである。

コイル１１４からの各入力端子にはサイリスタ１１５Ａが接続されている。電圧制御回路１１５Ｂはバッテリー１１２Ａの正極の電圧とバッテリー１１２Ｂの正極の電圧とを検出する。電圧制御回路１１５Ｂはバッテリーの電圧が予め定めレギュレート電圧に達した時にサイリスタ１１５Ａをオンし、バッテリー１１２への供給電圧を制御する。このようにしてバッテリー１１２へ過充電されることを防止している。

また、キャンピングカー等のバッテリー充電装置として、３相交流発電機により発電した交流を整流回路で整流してメインバッテリーとサブバッテリーを同時に充電する充電装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平２−２７６４２８号公報特開昭５１−１３０８３３号公報

近年これらの装置は照明装置等の種々の機器を搭載しており、電源の負荷インピーダンスが低下している。しかし、総充電電流は発電機の発電能力により決定されるため、バッテリーに接続される装置の負荷が増大して発電機の発電能力を超えると、バッテリーに供給する電流が不足して充電するための充電電圧が上昇せず、いずれのバッテリーをも充電することができなくなる、あるいは、充電するために長時間要することになるという課題があった。

また、周辺機器の負荷が増大し、充電電流が不足して充電電圧が上昇しない場合に、装置の運行上重要なメインバッテリーを優先して充電するように充電経路を切替える際に、整流回路とバッテリーを含めた回路全体において急峻な電流変化が生じてノイズが発生し、電子制御ユニットやＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）などの周辺機器を誤動作させるという課題があった。

また、ダイオードを介して整流回路に電流が流れているときに、例えばバッテリーの過充電防止のためにサイリスタを駆動すると、回路全体に瞬間的に大きな電流変化が発生してノイズを発生させるという課題があった。

本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じた。

請求項１に係る本発明においては、接続ノードに交流を入力し、全波整流を行って正極ノードと負極ノードとの間に直流を出力する整流回路と、複数のバッテリーに充電電流を供給するための出力端子と、該接続ノードと該負極ノードとの間に接続されたサイリスタと、該サイリスタの動作を制御して過充電を防止する制御回路とを備えた充電装置において、該正極ノードは第１正極ノードと第２正極ノードとを有し、該第１正極ノード及び該第２正極ノードはそれぞれダイオードを介して該接続ノードに接続し、該出力端子は、メインバッテリーへ充電電流を供給するための第１出力端子とサブバッテリーへ充電電流を供給するための第２出力端子とを有し、該第１出力端子が該第１正極ノードと接続し、該第２出力端子がスイッチを介して該第２正極ノードと接続し、該制御回路は、該第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧を検出する電圧検出回路と、該接続ノードの電圧からタイミングを検出するタイミング検出回路と、該スイッチを駆動するためのスイッチ駆動回路と、該サイリスタを駆動するためのサイリスタ駆動回路とを有し、該第１正極ノード又は該第２正極ノードの電圧が上限電圧を超えたことを該電圧検出回路が検出して第１トリガー信号を生成し、該第１トリガー信号を契機として該サイリスタ駆動回路が該サイリスタを駆動し、該第１出力端子及び該第２出力端子から出力する充電電流を制限して過充電を防止するとともに、該第１正極ノードの電圧が下限電圧を下回ったことを該電圧検出回路が検出して第２トリガー信号を生成し、該第２トリガー信号を契機として該スイッチ駆動回路が該スイッチを駆動して該第２出力端子から出力する充電電流を制限することを特徴とする充電装置とした。

請求項２に係る本発明においては、該第１トリガー信号を入力した該タイミング検出回路は、該接続ノードの電圧が閾値を下回ったことを検出して第１タイミング信号を生成し、該第１タイミング信号を入力した該サイリスタ駆動回路が該サイリスタのゲートにゲート信号を出力して該サイリスタを駆動することを特徴とする請求項１に記載の充電装置とした。

請求項３に係る本発明においては、該第２トリガー信号を入力した該タイミング検出回路は、該接続ノードの電圧が所定値を下回ったことを検出して第２タイミング信号を生成し、該第２タイミング信号を入力した該スイッチ駆動回路が該スイッチを駆動して該第２出力端子から出力する充電電流を制限することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充電装置とした。

請求項４に係る本発明においては、該サイリスタ駆動回路は、該第２タイミング信号を入力して該サイリスタのゲートにゲート信号を出力し、該サイリスタを駆動して該第１出力端子及び該第２出力端子から出力する充電電流を制限することを特徴とする請求項３に記載の充電装置とした。

請求項５に係る本発明においては、該接続ノードに入力する交流は、３相交流であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電装置とした。

本発明によれば、メインバッテリーとサブバッテリーとを同時に充電する際に、充電装置の出力電圧が所定の下限電圧を下回ったことを検出してスイッチを作動させ、サブバッテリーへ供給される充電電流を遮断するので、重要機器へ電力を供給するメインバッテリーの充電を迅速に行うことができる。

また、スイッチを作動させてサブバッテリーへの電流供給を遮断する際に、整流回路の接続ノードの電圧を検出して整流回路に電流が流れていない、あるいは、流れる電流が低下したときにスイッチを作動させる。そのために、スイッチの動作に伴う大きな電流変化を防止してノイズの発生を抑制し、周辺機器の誤動作を防止することができる。

また、出力電圧が上限電圧より高くなったことを検出してバッテリーの過充電を防止する際に、整流回路を流れる電流が低下したとき、あるいは電流が流れないときにサイリスタのゲートに信号を与えてサイリスタをオンするので、瞬間的にバッテリーが短絡する、あるいは瞬間的に大きな電流変化を生じさせることが無いので、電流変化によるノイズの発生を抑制し、周辺回路の誤動作を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る充電装置は、永久磁石式発電機等によって発電された交流を入力する整流回路と、整流された電流をメインバッテリーへ供給するための第１出力端子とスイッチを介してサブバッテリーへ供給するための第２出力端子と、整流回路に接続するサイリスタと、スイッチの動作とサイリスタの動作を制御するための制御回路とから構成されている。

整流回路は正極ノードと負極ノードとを備え、この正極ノードと負極ノードとの間に順方向に直列接続する２組のダイオードが電気的に接続されている。その順方向に直列接続する２組のダイオードの各中間点である接続ノードに交流を入力して、全波整流により正極ノードと負極ノード間に直流電圧を発生させている。更に、整流回路の接続ノードと負極ノードとの間には、負極ノード側を陰極とするサイリスタが接続されている。このサイリスタは、後に詳述するが、整流回路のダイオードに流れる電流を制限する機能を有しており、バッテリーの過充電を防止するため、あるいは、スイッチの切替え時にダイオードに流れる電流を制限するために設けている。

正極ノードは第１正極ノードと第２正極ノードとに分離している。第１正極ノードと接続ノードとの間には第１正極ノード側をカソードとするダイオードが、第２正極ノードと接続ノードとの間にも第２正極ノード側をカソードとするダイオードがそれぞれ接続されている。従って、第１正極ノードと第２正極ノードとは互いに逆方向ダイオードが直列接続する構成である。そのために第１正極ノードと第２正極ノードとは電気的にアイソレートされている。そして、第１正極ノードは第１出力端子に接続してメインバッテリーへ充電電流を供給する。第２正極ノードは、スイッチを介して第２出力端子に接続してサブバッテリーへ充電電流を供給する。

制御回路は、第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧を検出するための電圧検出回路と、スイッチを制御するためのスイッチ駆動回路と、接続ノードの電圧を検出してスイッチを駆動させるタイミングを決定するためのタイミング検出回路と、サイリスタを駆動するためのサイリスタ駆動回路とから構成されている。

制御回路は次のように動作する。

まず、メインバッテリー又はサブバッテリーが十分蓄電されて満充電状態になったときの動作を説明する。第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧が上昇して上限電圧を超えたことを電圧検出回路が検出すると、第１トリガー信号を生成する。この第１トリガー信号を契機としてサイリスタ駆動回路がサイリスタのゲートにゲート信号を出力してサイリスタをオンする。すると、２つの接続ノードの電流はサイリスタを介して負極ノードに流れ、更に負極ノードと接続ノードとの間のダイオードを経由して交流電源、例えば永久磁石式発電機に戻される。即ち、整流回路の正極ノードと負極ノード間には電流が流れず、両バッテリーへの充電電流が遮断される。このようにして、メインバッテリー及びサブバッテリーの過充電を防止する。

次に、メインバッテリー又はサブバッテリーの負荷のインピーダンスの低下、あるいは、メインバッテリーが過放電状態になって出力電圧が低下したときの動作を説明する。第１正極ノードの電圧が低下して下限電圧を下回ったことを電圧検出回路が検出すると、第２トリガー信号を生成する。この第２トリガー信号を契機としてスイッチ駆動回路が動作してスイッチをオフに切替える。その結果、第２正極ノードから第２出力端子への電流供給が制限され、入力した交流電力は専ら第１出力端子からメインバッテリーへ供給される。このようにしてメインバッテリーを迅速に充電することができる。

また、第２トリガー信号をスイッチ駆動回路へ直接出力しないで、まず、タイミング検出回路へ出力する。第２トリガー信号を入力したタイミング検出回路は接続ノードの電圧を監視し、接続ノードの電圧が所定値を下回ったことを検出して第２タイミング信号を生成する。この第２タイミング信号を契機にしてスイッチ駆動回路が作動し、スイッチがオフに駆動される。その結果、第２正極ノードから第２出力端子への電流供給が制限され、入力した交流電力は専ら第１出力端子からメインバッテリーへ供給される。そのためにメインバッテリーの充電を迅速に行うことができる。

ここで、タイミング検出回路が監視する接続ノードの電圧は、入力する交流電圧を直接監視してもよいし、接続ノードと負極ノードとの間の電圧を監視してもよい。スイッチの動作の契機となる接続ノードの電圧の所定値は、第１正極ノード及び第２正極ノードを流れる電流が減少し、あるいは流れないときの電圧値に設定する。負極ノードを基準にして接続ノードの電圧を監視する場合は、電圧の所定値を０ボルト付近にするのが好ましい。この場合、入力する交流電圧に電位差がほとんど無いタイミングとなるので、整流回路には電流が流れないか又はほとんど流れない。

あるいは、この電圧の所定値を第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧以下に設定することもできる。メインバッテリー又はサブバッテリーへ電流を供給する第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧よりも接続ノードの電圧が低いときは、第２出力端子からサブバッテリーへ電流が流れないからである。このようにスイッチを動作させることによって、スイッチ動作によるノイズの発生を防止することができる。

また、第１正極ノードの電圧が下限電圧を下回ったことを電圧検出回路が検出して第２トリガー信号を生成し、この第２トリガー信号を入力したタイミング検出回路が第２タイミング信号を生成するが、この第２タイミング信号をスイッチ駆動回路へ出力する前にサイリスタ駆動回路へ出力する。そして、サイリスタ駆動回路がこの第２タイミング信号を入力してサイリスタのゲートにゲート信号を出力してサイリスタをオンする。サイリスタがオンすることにより接続ノードから負極ノードに電流が流れて第１出力端子及び第２出力端子からメインバッテリー及びサブバッテリーへ供給されていた充電電流が中断する。この充電電流の供給を中断したときにスイッチ駆動回路を駆動してスイッチをオフにする。その結果、その後サイリスタが復帰して整流回路に電流が流れても、サブバッテリーへ供給される充電電流の中断は持続する。このように、充電電流を中断させた状態でスイッチを作動させるので、スイッチを動作させたときのノイズ発生を防止することができる。

また、入力する交流は単相交流であっても、また、３相交流であってもよい。単相交流の場合には、正極ノードと負極ノードとの間に２組の順方向に直列接続するダイオードを接続する。直列接続するダイオードの接続点である２つの接続ノードに単相交流を入力する。３相交流の場合も同様に、３組の順方向に接続するダイオードの３つの接続ノードに３相交流を入力するようにすればよい。

また、メインバッテリー又はサブバッテリーが十分蓄電されて満充電状態になり、サイリスタを駆動して過充電を防止する際に、電流変化に伴うノイズ発生を次のようにして防止することができる。電圧検出回路が第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧が上限電圧を超えたことを検出して第１トリガー信号を生成する。この第１トリガー信号を入力したタイミング検出回路は接続ノードの電圧が閾値を下回ったことを検出して第１タイミング信号を生成する。閾値は、整流回路に実質的に電流が流れない電圧値に設定しておく。この第１タイミング信号を入力したサイリスタ駆動回路はサイリスタのゲートへゲート信号を出力し、サイリスタをオンする。これにより、接続ノードに入力した交流電流はサイリスタによりバイパスされて交流電源へ戻される。その結果、整流回路のダイオードには電流が流れていないときに、第１出力端子および第２出力端子からメインバッテリー及びサブバッテリーへの電流供給が遮断される。従って、瞬間的に大きな電流変化を発生させることがないのでノイズを発生させることも無い。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における充電装置１の回路図である。充電装置１は、永久磁石式発電機４により発電された単相交流を入力する入力端子５ａ及び５ｂと、単相交流を全波整流するための整流回路２と、整流回路２の接続ノードである第１接続ノード６ａと第２接続ノード６ｂのそれぞれと負極ノード９との間に、陰極を負極ノード９側にして電気的に接続する第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂと、メインバッテリー２２、電子制御ユニット（ＥＣＵ）及びエンジン始動セル２５等へ電力を供給するための第１出力端子１２と、サブバッテリー２３及び負荷２６等へ電力を供給するための第２出力端子１３と、第２出力端子への電流供給を制限するためのスイッチ１１と、負極ノード９に接続するアース端子２１と、スイッチ１１と第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂを制御するための制御回路３とを備えている。

整流回路２は第１正極ノード７と第２正極ノード８とを備え、第１接続ノード６ａと第１正極ノード７との間及び第１接続ノード６ａと第２正極ノード８との間のそれぞれに、カソードを正極ノード側にしてダイオード１４ａ及びダイオード１５ａが電気的に接続されている。同様に、第２接続ノード６ｂと第１正極ノード７との間及び第２接続ノード６ｂと第２正極ノード８との間のそれぞれに、カソードを正極ノード側にしてダイオード１４ｂ及びダイオード１５ｂが電気的に接続されている。また、第１接続ノード６ａ及び第２接続ノード６ｂのそれぞれと、負極ノード９との間に、カソードを接続ノード側にしてダイオード１６ａ及びダイオード１６ｂが電気的に接続されている。これにより、入力端子５ａ及び５ｂに入力した交流の全波整流が行われて、第１正極ノード７及び第２正極ノード８のそれぞれと、負極ノード９との間に直流電圧が生成される。

第１正極ノード７と第２正極ノード８との間には逆方向に直列接続したダイオードが挿入されていることと等価となり、電気的にアイソレートされる。その結果、後に出力端子１２と１３にメインバッテリー２２とサブバッテリー２３を接続しても、バッテリー間において放電されることがない。

制御回路３は、第１正極ノード７及び第２正極ノード８の電圧を検出する電圧検出回路１７と、第１接続ノード６ａ及び第２接続ノード６ｂの電圧を検出してタイミングを決定するタイミング検出回路１８と、スイッチ１１を作動するためのスイッチ駆動回路１９と、サイリスタ１０ａ及び１０ｂを駆動するためのサイリスタ駆動回路２０とを備えている。

まず、メインバッテリー２２又はサブバッテリー２３の過充電防止動作について説明する。

電圧検出回路１７が上限電圧Ｖｕを検出すると第１トリガー信号をサイリスタ駆動回路２０へ出力する。上限電圧Ｖｕはメインバッテリー又はサブバッテリーが満充電状態となり、これ以上充電すると過充電状態となる電圧値を予め設定しておく。第１トリガー信号を入力したサイリスタ駆動回路２０はサイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂのゲートへゲート信号を出力してサイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂをオンする。すると、接続ノード６ａ及び接続ノード６ｂに与えられた交流電流はサイリスタによりバイパスされ、永久磁石式発電機４へダイオード１６ａ及びダイオード１６ｂを介して戻される。そのために、第１正極ノード７及び第２正極ノードと負極ノード９には電流が流れない。その結果、第１出力端子１２及び第２出力端子１３から充電電流が供給されないので、バッテリーは更に充電されることがない。

次に、タイミング検出回路１８及びスイッチ駆動回路１９とスイッチ１１の動作について説明する。

図２は、充電装置１のタイミング検出回路１８及びスイッチ駆動回路１９とスイッチ１１の動作を説明するためのフローチャート図である。まず、スイッチ１１をオン状態からオフ状態に切替える動作について説明する。メインバッテリー２２やサブバッテリー２３へ充電電流を出力する第１出力端子１２や第２出力端子１３の外部負荷が増大し、あるいはこれらのバッテリーが過放電状態となって起電圧が低下すると、第１正極ノード７又は第２正極ノード８の電圧が低下する。特に、モーターボート等の装置において重要なメインバッテリー２２に接続する第１正極ノード７の電圧を監視することが重要である。

電圧検出回路１７は第１正極ノードの電圧Ｖｘが下限電圧Ｖｌを下回ったことを検出して（ステップＳ１）タイミング検出回路１８へ第２トリガー信号を出力する（ステップＳ２）。この下限電圧Ｖｌは、メインバッテリー２２が過放電状態となる電圧に設定しておく。タイミング検出回路１８はこの第２トリガー信号により第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙの監視動作を開始する（ステップＳ３）。タイミング検出回路１８が、電圧Ｖｙが所定値Ｖａよりも小さくなったことを検出して（ステップＳ４）第２タイミング信号をスイッチ駆動回路１９へ出力し（ステップＳ５）、スイッチ１１をオフにする（ステップＳ６）。所定値Ｖａは、後に図３を用いて詳細に説明するが、基本的には第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙが小さくなり、第１出力端子１２又は第２出力端子１３から実質的に電流が流れないときの電圧とする。

続けて、メインバッテリー２２が充電され、スイッチ１１をオフ状態からオン状態へ切替える場合を説明する。電圧検出回路１７は、第１正極ノード７の電圧Ｖｘが上昇して下限電圧Ｖｌ以上となったことを検出し（ステップＳ７）、第３トリガー信号をタイミング検出回路１８へ出力して（ステップＳ８）タイミング検出回路１８の監視動作を開始させる（ステップＳ９）。タイミング検出回路１８は第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙを監視し、この電圧が所定値Ｖａ以下となったことを検出し（ステップ１０）、タイミングを決定して第３タイミング信号を生成し（ステップＳ１１）、スイッチ駆動回路１９へ出力する（ステップＳ１２）。スイッチ駆動回路１９はスイッチ１１を駆動してオフからオンへ切替える（ステップＳ１３）。

図３は、スイッチ１１の動作タイミングをタイミング検出回路１８によって決定する方法を説明するための接続ノードの電圧波形を表す概念図である。負極ノード９を基準として、縦軸が電圧Ｖ、横軸が時間Ｔ、グラフが第１接続ノード６ａの電圧Ｖｙ３０の変化を表している。電圧検出回路１７は例えば第１正極ノード７の電圧Ｖｘを検出する。Ｖｘが下限電圧Ｖｌを下回ると、電圧検出回路１７はタイミング検出回路１８へ第２トリガー信号３１を出力する。第２トリガー信号３１を入力したタイミング検出回路１８は第１接続ノード６ａの電圧Ｖｙ３０を監視し、電圧Ｖｙ３０の絶対値が所定値Ｖａよりも小さい期間Ｔｘ３２の間に、第２タイミング信号を発生させてスイッチ駆動回路１９へ出力し、スイッチ駆動回路１９はスイッチ１１をオフにする。この場合の所定値Ｖａは、例えば第２正極ノード８の下限電圧よりも小さい電圧に設定することができる。要は第１接続ノード６ａ及び第２接続ノード６ｂから第２正極ノードへ電流が流れない条件の電圧とすればよい。また、第１接続ノード６ａの電圧Ｖｙ３０が実質的に０ボルトとなる電圧を所定値Ｖａとして設定することが好ましい。このように設定することにより、整流回路２には整流用ダイオード１５ａ及び１５ｂを介して電流が流れていない、あるいはほとんど流れていないからである。

次に、図２及び図３において説明した動作とは異なる動作について説明する。

図２及び図３においては、第１正極ノードの電圧Ｖｘが下限電圧Ｖｌを下回ったときに電圧検出回路１７は第２トリガー信号を生成し、この第２トリガー信号に基づいてタイミング検出回路１８がスイッチ１１を駆動するタイミングを決定し、スイッチ駆動回路１９へ第２タイミング信号を出力した。

これに対して以下の実施の形態においける動作は、第２タイミング信号を、スイッチ駆動回路１９へ出力する前に、又は出力すると同時にサイリスタ駆動回路２０へ出力するようにした。サイリスタ駆動回路２０がこの第２タイミング信号を入力して第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂの各ゲートにゲート信号を出力して第１サイリス１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂをオンする。第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂがオンすると同時に、又はオンした後にスイッチ駆動回路１９がスイッチ１１を駆動してスイッチ１１をオフにする。即ち、永久磁石式発電機４から入力した交流電流を負極ノード９へ強制的にバイパスした後にスイッチ１１を駆動するので、整流回路２に電流が流れていない状態でスイッチ１１の切替え動作を行う。その結果、スイッチ１１の切替え動作時に大きな電流変化が生ぜず、ノイズ発生を防止することができる。

スイッチ１１をオフした後は、第１正極ノード７の電圧が下限電圧Ｖｌ以上となったことを電圧検出回路１７が検出して第３トリガー信号をタイミング検出回路１８へ出力する。この第３トリガー信号を入力したタイミング検出回路１８は第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙの絶対値が所定値Ｖａを下回ったことを検出して第３タイミング信号を生成する。所定値Ｖａは交流を入力する入力端子５ａ及び５ｂ間の電圧差が実質的に０ボルトであること、あるいは、負極ノード９を基準にして接続ノード６ａ及び６ｂが実質的に０ボルトであることが好ましい。このタイミング信号を入力したサイリスタ駆動回路２０は、サイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂのゲートへゲート信号を出力してサイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂをオンする。サイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂの動作と同時に又はその後に、スイッチ駆動回路１９を駆動してスイッチ１１をオンへ切替える。これにより、整流回路２のダイオード１４ａから１５ｂに電流が流れていない状態でスイッチ１１を復帰させることができる。

図４は、本実施の形態に係る他の充電装置１を示す回路図である。上記図１の回路図において、タイミング検出回路１８がタイミング検出回路Ａ１８ａ及びタイミング検出回路Ｂ１８ｂを備えた充電装置１の一例であり、図１と共通する素子は同一の符号を付している。また、タイミング検出回路Ａ１８ａは上記図１から図３において説明したと同様の動作を行う。従って、以下タイミング検出回路Ｂ１８ｂについて説明する。

タイミング検出回路Ｂ１８ｂは、メインバッテリー２２やサブバッテリー２３の過充電防止用として設けている。電圧検出回路１７は、第１正極ノード７又は第２正極ノード８の電圧が上限電圧Ｖｕを超えたことを検出すると第１トリガー信号をタイミング検出回路Ａ１８ａへ出力する。上限電圧Ｖｕは、メインバッテリー２２又はサブバッテリー２３が過充電となる電圧である。

タイミング検出回路Ｂ１８ｂは、第１トリガー信号を入力して作動し、第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙの絶対値が閾値Ｖｂを下回ったこと検出すると第１タイミング信号をサイリスタ駆動回路２０へ出力する。この第１タイミング信号を入力したサイリスタ駆動回路２０は、サイリスタ１０ａ及びサイリスタ１０ｂの各ゲートへゲート信号を出力して各サイリスタをオンにする。閾値Ｖｂは、整流回路２において実質的に電流が流れない値に設定する。具体的には、入力端子５ａ及び５ｂ間の電位差が０ボルトか又は極めて小さいこと、あるいは負極ノード９を基準にした場合は接続ノード６ａ及び６ｂが０ボルト付近であることが好ましい。

このように、整流回路２に電流が流れていない状態でサイリスタ１０ａ及び１０ｂを作動させ、入力した電流のほぼ全てをバイパスすることで、瞬間的に大きな電流変化を発生させないでバッテリーの過充電を防止することができる。

なお、図４の充電装置１において、タイミング検出回路をスイッチ１１の駆動タイミングを決定するタイミング検出回路Ａ１８ａと過充電防止のタイミングを決定するタイミング検出回路Ｂ１８ｂとに分離した回路図を示しているが、これを一つのタイミング検出回路とすることもできる。即ち、電圧検出回路１７が上限電圧を検出したときは閾値Ｖｂを検出してサイリスタ駆動回路２０へ第１タイミング信号を出力し、下限電圧を検出したときは所定値Ｖａ又は閾値Ｖｂを検出してスイッチ駆動回路１９又は／及びサイリスタ駆動回路２０へ第２タイミング信号を出力するタイミング検出回路とすることができる。

図５は、図４で示した充電装置１のサイリスタ１０ａ又は１０ｂの駆動タイミングを説明するための概念図である。縦軸は電圧Ｖ、横軸は時間Ｔをそれぞれ表し、曲線４０は第１接続ノード１０ａ又は第２接続ノード１０ｂの電圧Ｖｙを表している。

まず、過充電防止の駆動タイミングについて説明する。電圧検出回路１７が第１正極ノード７又は第２正極ノード８の電圧が上限電圧Ｖｕを検出するとタイミング検出回路Ｂ１８ｂへ第１トリガー信号４１を出力する。タイミング検出回路Ｂ１８ｂは例えば第１接続ノード６ａの電圧Ｖｙ４０の監視動作を開始する。そして、第１接続ノード６ａの電圧Ｖｙ４０の絶対値が閾値Ｖｂより小さくなった期間Ｔｙ４２の間に第１タイミング信号を発生してサイリスタ駆動回路２０へ出力する。サイリスタ駆動回路２０は第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂの各ゲートにゲート信号を出力して各サイリスタをオンさせる。この結果、以後の入力した交流は第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂからバイパスされるので、第１接続ノードの電圧Ｖｙ４０は低電圧レベルが維持される。その結果、メインバッテリー２２やサブバッテリー２３への充電が中止されて、過充電を防止することができる。また、実質的に電流がダイオードに流れない期間にサイリスタを動作させるので、ノイズ発生を防止することができる。

次に、スイッチ１１の駆動タイミングについて説明する。電圧検出回路１７は、第１正極ノード７の電圧Ｖｘが下限電圧Ｖｌを下回ったことを検出して第２トリガー信号４３をタイミング検出回路Ａ１８ａへ出力する。この第２トリガー信号４３に基づいて、タイミング検出回路Ａ１８ａは第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙ４０の監視動作を開始する。第１接続ノード６ａ又は第２接続ノード６ｂの電圧Ｖｙ４０が閾値Ｖｂ（図示していないが所定値Ｖａでもよい）を下回ったときにタイミング検出回路Ａ１８ａはサイリスタ駆動回路２０へ第２タイミング信号を出力する。サイリスタ駆動回路２０は上記と同様に第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂのゲートへゲート信号を与えて、出力端子１２及び出力端子１３から供給される電流を制限する。第２タイミング信号はスイッチ駆動回路１９へも与えられ、第１サイリスタ１０ａ及び第２サイリスタ１０ｂがオンした後にスイッチ１１をオフする。

図６は、交流電源、例えば永久磁石式発電機４から３相交流を入力する場合の、本実施の形態に係る他の充電装置１の回路図である。入力端子５ａ、５ｂ、５ｃが３相交流を入力してダイオードにより整流する整流回路２を備えている。交流電流をバイパスするために、第１接続ノード６ａ、第２接続ノード６ｂ及び第３接続ノード６ｃのそれぞれと負極ノード９との間に、第１サイリスタ１０ａ、第２サイリスタ１０ｂ及び第３サイリスタ１０ｃをそれぞれ接続している。その他は図１に示した充電装置１と同様であり、同一の符号は同一の素子を示す。動作においても、図１から図５を用いて説明したとおりである。

なお、三相交流の場合には各接続ノード６ａ、６ｂ、６ｃへ入力される交流の位相が１２０°ずれている。そのため、例えば第１接続ノードの電圧が０ボルトでも他の接続ノードに電流が流れており、整流された後の第２正極ノード８から第２出力端子１３へ、また、第１正極ノード７から第１出力端子１２へ電流が流れる状態となる。そこで、次のように駆動することにより、ノイズの発生をより低減させることができる。

第１正極ノード７の電圧が下限電圧を下回ったことを電圧検出回路１９が検出して第２トリガー信号を生成し、タイミング検出回路１８へ出力する。タイミング検出回路１８は第１接続ノード６ａ、第２接続ノード６ｂ、第３接続ノード６ｃのそれぞれの電圧を監視する。そして、いずれかの接続ノードの電圧が所定値を下回ったときにサイリスタ駆動回路２０へ第２タイミング信号を出力して対応するいずれかのサイリスタを駆動する。具体的には、例えば、タイミング検出回路１８が第１接続ノード６ａの電圧が所定値を下回ったことを検出して第２タイミング信号Ａをサイリスタ駆動回路２０へ出力し、第１サイリスタ１０ａのゲートのみにゲート信号を出力してサイリスタ１０ａをオンする。同様に、第３接続ノード６ｃの電圧が所定値を下回ったときに第２タイミング信号Ｃをサイリスタ駆動回路２０へ出力し、第３サイリスタ１０ｃのゲートにのみゲート信号を出力してサイリスタ１０ｃをオンにする。これを順次繰り返して実行し、すべてのサイリスタがオンされた後にスイッチ駆動回路１９を駆動してスイッチ１１をオフにする。このように動作させることにより、整流回路２に電流が流れていない状態のときにスイッチ１１を切替え、ノイズの発生を防止することができる。

また、スイッチ１１をオンからオフへ切替えるときも同様に行う。即ち、電圧検出回路１７は、第１正極ノードの電圧が下限電圧を超えたことを検出して第３トリガー信号を生成し、この第３トリガー信号を入力したタイミング検出回路１８は、上記と同様に各接続ノードの電圧を監視し、それぞれの接続ノードの電圧が所定値を下回ったことを検出して対応するサイリスタを順次作動させ、全てのサイリスタがオンした後にスイッチ駆動回路１９を駆動してスイッチ１１をオンさせる。これにより、スイッチ１１を切替えるときに、瞬間的に電流が流れてノイズを発生させることを防止することができる。

図７は、永久磁石式発電機４から３相交流を入力する場合の、本実施の形態に係る他の充電装置１の回路図である。図６と異なる部分は、タイミング検出回路Ａ１８ａとタイミング検出回路Ｂ１８ｂとを備えていることである。タイミング検出回路Ａ１８ａは、上記図６におけるタイミング検出回路１８と同様の機能を有し、同様の動作を行う。即ち、第１正極ノードの電圧が下限電圧を下回ったときに、スイッチ１１及び／又はサイリスタ駆動回路２０の駆動タイミングを決定する。タイミング検出回路Ｂ１８ｂは、第１正極ノード７又は第２正極ノード８が上限電圧を超えてメインバッテリー２２やサブバッテリー２３が過充電状態となるときに、サイリスタ駆動回路２０の駆動タイミングを決定する。動作は図４及び図５において説明したと同様である。

なお、入力する交流が３相交流であることから、バッテリーの過充電を防止する際には、サイリスタを次のように動作させる。第１正極ノード７又は第２正極ノード８の電圧が上限電圧を上回ったことを電圧検出回路１９が検出して第１トリガー信号を生成し、タイミング検出回路１８へ出力する。タイミング検出回路１８は各接続ノード６ａ、６ｂ、６ｃのそれぞれの電圧を検出する。そして、いずれかの接続ノードの電圧が閾値Ｖｂを下回ったときにサイリスタ駆動回路２０へ第１タイミング信号を出力して対応するいずれかのサイリスタを駆動する。具体的には、例えば、タイミング検出回路１８が第１接続ノード６ａの電圧が閾値Ｖｂを下回ったことを検出して第１タイミング信号Ａをサイリスタ駆動回路２０へ出力し、第１サイリスタ１０ａのゲートのみにゲート信号を出力してサイリスタ１０ａをオンする。同様に、第３接続ノード６ｃの電圧が閾値Ｖｂを下回ったときに第１タイミング信号Ｃをサイリスタ駆動回路２０へ出力し、第３サイリスタ１０ｃのゲートにのみゲート信号を出力してサイリスタ１０ｃをオンにする。これを順次繰り返して実行する。このように動作させることにより、整流回路２に瞬間的に大きな電流を流さないで第１出力端子１２や第２出力端子１３から出力する充電電流を制限することができる。

以上の説明において、充電すべきバッテリーをメインバッテリーとサブバッテリーとしたが、更に多数のバッテリーを充電する場合においても適用することができる。

本実施の形態における充電装置を表す回路図である。本実施の形態における充電装置の動作を表すフローチャート図である。本実施の形態におけるタイミング決定方法を表すタイミングチャート図である。本実施の形態における充電装置を表す回路図である。本実施の形態におけるタイミング決定方法を表すタイミングチャート図である。本実施の形態における充電装置を表す回路図である。本実施の形態における充電装置を表す回路図である。従来公知の充電装置を表す回路図である。

符号の説明

１充電装置
２整流回路
３制御回路
４永久磁石式発電機
６ａ第１接続ノード
６ｂ第２接続ノード
７第１正極ノード
８第２正極ノード
９負極ノード
１０ａ第１サイリスタ
１０ｂ第２サイリスタ
１１スイッチ
１２第１出力端子
１３第２出力端子
１７電圧検出回路
１８タイミング検出回路
１９スイッチ駆動回路
２０サイリスタ駆動回路
２２メインバッテリー
２３サブバッテリー

Claims

接続ノードに交流を入力し、全波整流を行って正極ノードと負極ノードとの間に直流を出力する整流回路と、複数のバッテリーに充電電流を供給するための出力端子と、該接続ノードと該負極ノードとの間に接続されたサイリスタと、該サイリスタの動作を制御して過充電を防止する制御回路とを備えた充電装置において、
該正極ノードは第１正極ノードと第２正極ノードとを有し、該第１正極ノード及び該第２正極ノードはそれぞれダイオードを介して該接続ノードに接続し、
該出力端子は、メインバッテリーへ充電電流を供給するための第１出力端子とサブバッテリーへ充電電流を供給するための第２出力端子とを有し、該第１出力端子が該第１正極ノードと接続し、該第２出力端子がスイッチを介して該第２正極ノードと接続し、
該制御回路は、該第１正極ノード又は第２正極ノードの電圧を検出する電圧検出回路と、該接続ノードの電圧からタイミングを検出するタイミング検出回路と、該スイッチを駆動するためのスイッチ駆動回路と、該サイリスタを駆動するためのサイリスタ駆動回路とを有し、
該第１正極ノード又は該第２正極ノードの電圧が上限電圧を超えたことを該電圧検出回路が検出して第１トリガー信号を生成し、該第１トリガー信号を契機として該サイリスタ駆動回路が該サイリスタを駆動し、該第１出力端子及び該第２出力端子から出力する充電電流を制限して過充電を防止するとともに、
該第１正極ノードの電圧が下限電圧を下回ったことを該電圧検出回路が検出して第２トリガー信号を生成し、該第２トリガー信号を契機として該スイッチ駆動回路が該スイッチを駆動して該第２出力端子から出力する充電電流を制限することを特徴とする充電装置。
該第１トリガー信号を入力した該タイミング検出回路は、該接続ノードの電圧が閾値を下回ったことを検出して第１タイミング信号を生成し、該第１タイミング信号を入力した該サイリスタ駆動回路が該サイリスタのゲートにゲート信号を出力して該サイリスタを駆動することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
該第２トリガー信号を入力した該タイミング検出回路は、該接続ノードの電圧が所定値を下回ったことを検出して第２タイミング信号を生成し、該第２タイミング信号を入力した該スイッチ駆動回路が該スイッチを駆動して該第２出力端子から出力する充電電流を制限することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充電装置。
該サイリスタ駆動回路は、該第２タイミング信号を入力して該サイリスタのゲートにゲート信号を出力し、該サイリスタを駆動して該第１出力端子及び該第２出力端子から出力する充電電流を制限することを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
該接続ノードに入力する交流は、３相交流であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電装置。