JP2011193562A - 車載バッテリ活性器 - Google Patents

Abstract

【課題】安価、軽量の車載バッテリ回復器を提供する。
【解決手段】オルタネータの非対称単相フルブリッジのスイッチングトランジスタペアがオンされる時、バッテリは短時間だけ放電される。このブリッジのスイッチングトランジスタペアがオフされる時、バッテリはブリッジのフリーホイーリングダイオードペアを通じて充電される。バッテリの充放電の繰り返しにより、バッテリは回復される。もう一つのバッテリ回復器はスイッチドキャパシタ回路により構成される。２つのキャパシタは車載バッテリの放電により充電される。この２つのキャパシタは車載バッテリの充電のために直列に放電される。２つのキャパシタの充放電の繰り返しにより、車載バッテリは回復される。
【選択図】図３

Description

本発明は、車載バッテリ回復器、特に車両用鉛バッテリの回復器に関する。

多くの人々が冬の寒い朝に車のエンジン始動トラブルを経験している。パルス充放電式を含む多くのパルス充電式バッテリ回復器が提案され、販売されている。けれども、殆どの車両はまだバッテリ回復器を装備していない。

日本公開特許公報No.２００７-２４２３３２及びNo.２００９-２１６０７３と米国特許番号５６７７,６１２は、パルス充放電式バッテリ回復器を記載している。バッテリパワーを用いるので、パルス充放電式バッテリ回復器は、商用電源に接続される必要がない。

図１は、特許文献１の回路を示す。この回路は、フライングキャパシタ回路１００と昇圧トランス１０１とを有している。スイッチング素子１０４がオンされ、スイッチング素子１０５がオフにされる時、バッテリ１は抵抗器１０３を通じてキャパシタ１０２を充電する。キャパシタ１０２は、抵抗器１０３を通じて昇圧トランス１０１の一次巻線に放電電流を供給する。スイッチング素子１０４がオフにされ、スイッチング素子１０５がオンされる時、昇圧トランス１０１の昇圧二次電圧はダイオード１０６を通じてバッテリ１に印加される。

図２は、特許文献２の回路を示す。この回路は、昇圧チョッパー型のDCDCコンバータ２００を有する。トランジスタ２０２のスイッチングにより、バッテリ１の充放電が交互に繰り返される。特許文献３は、上記された昇圧トランス式のバッテリ回復器及び上記された昇圧チョッパー式のバッテリ回復器を開示している。けれども、これら従来のバッテリ回復器は、充電電圧の増加のために、昇圧トランス又は昇圧リアクトルのいずれかを必要とする。

これらのトランスやリアクトルはバッテリ回復器の重量及び生産コストを増大させる。近年において、車両の燃料消費を向上するために車重低減が重要となっている。更に、特許文献２の昇圧チョッパは、リアクトル２０１、抵抗２０３、ダイオード２０４、２０５、抵抗２０６を循環するフリーホイル電流Ifwdを有する。このフリーホイル電流Ifwdはバッテリ１の充電電流を減少させる。

車載バッテリ回復器の現在の問題が、上記した従来のバッテリ回復器の説明により明確となる。まず、燃費向上のために車載バッテリ回復器は軽量でなければならない。次に、車載バッテリ回復器は劣化バッテリから供給される電力を節約しなければならない。次に、新品の鉛バッテリが安価であるので、車載バッテリ回復器は安い生産コストをもたねばならない。バッテリ回復器が高価であるなら、運転者はバッテリ回復器の代わりに新品のバッテリを選択する。

特開２００７-２４２３３２ U.S.Pat５６７７,６１２

本発明の１つの目的は、軽く、電力損失が小さく、製造コストが安い車載バッテリ回復器特に車両用鉛バッテリ回復器を提供することである。
本発明の第１の側面によれば、オルタネータ（車両交流発電機)は、車載バッテリ回復器を兼ねている。このオルタネータは、オルタネータの界磁巻線の界磁電流を制御するための非対称ブリッジを有する。ブリッジのトランジスタペアのオフにより、界磁巻線の残留磁気エネルギーにより発生されたフリーホィーリング電流はバッテリを充電する。ブリッジのトランジスタペアのオンにより、界磁巻線はバッテリの放電エネルギーを蓄積する。トランジスタのオンオフの繰り返しにより、車両エンジンはデサルフエートされる（回復される）。

好適態様において、デサルフエーション（バッテリの回復）はエンジン始動が完了できなかった時に実行される。好適態様において、バッテリの回復はエンジンが長期間運転されない時に実行される。好適態様において、バッテリの回復はエンジンが停止される直後に実行される。好適態様において、ブリッジのトランジスタペアは車両が加速される時にオフされる。

本発明の第２の側面によれば、車両バッテリ活性器は、昇圧電圧を出力可能なスイッチドキャパシタ回路を有している。スイッチドキャパシタ回路の複数のキャパシタは車両バッテリの放電によりすることによって並列充電される。スイッチドキャパシタ回路の複数のキャパシタは互いに直列に放電する。これにより、車両バッテリが充電される。スイッチドキャパシタ回路の充放電により車載バッテリ回復器は回復される。

従来のバッテリ回復器の配線図である。 従来の他のバッテリ回復器の配線図である。 本発明のオルタネータ/バッテリ回復器を示す配線図である。 図３に示されるオルタネータ/バッテリ回復器の制御を示すフローチャートである。 本発明の他のバッテリ回復器を示す配線図である。

第１実施例
第１実施例のバッテリ回復器を有するオルタネータが図３を参照して説明される。自動車バッテリ１は、高電位線１Aと低電位線１Bの間にバッテリ電圧を印加する。オルタネータ２は三相固定子巻線３、界磁巻線４、トランジスタ５-６、ダイオード７-８、コントローラ９を有している。

界磁巻線４の上端は、ダイオード７を通じて低電位線１Bに接続されている。界磁巻線４の上端は、トランジスタ６を通じて高電位線１Aに接続されている。界磁巻線４の下端は、ダイオード８を通じて高電位線１Aに接続されている。界磁巻線４の下端はトランジスタ５を通じて低電位線１Bに接続されている。トランジスタ５-６とダイオード７-８は公知の非対称型単相フルブリッジを構成している。コントローラ９はトランジスタ５-６を制御する。

バッテリ回復処理の基本動作が説明される。トランジスタ５-６がオンされる時、バッテリから界磁巻線４に供給される界磁電流は増加する。トランジスタ５-６がオフされる時、この界磁電流は停止され、界磁巻線４の残留磁気エネルギーによるフリーホイーリング電流がバッテリ１を充電する。

バッテリ回復器付きオルタネータの制御処理が図４を参照して説明される。ステップS１０２にて、イグニッションキーがターンされた直後にエンジン始動が成功裡に完了したかどうかが判定される。エンジン始動に成功した場合、ステップS１０４が実行される。ステップS１０４にて、エンジンが所定の長期間、たとえば１週間運転されていないかどうかが判定される。エンジン休止期間がこの所定期間より短い時、ステップS１０６が実行される。

ステップS１０６にて、エンジン停止命令がコントローラ９に送られたかどうかが判定される。エンジン停止が指令されない時、ステップS１１４が実行される。ステップS１０２, S１０４及びS１０６にて答えがYesであれば、ステップS１０８が実行される。すなわち、ステップS１０８は、エンジン始動が成功しない場合、エンジンが長期にわたって運転されない場合、エンジン停止が始まった場合に実行される。

ステップS１０８にて、オルタネータはバッテリ回復器として働く。すなわち、バッテリ回復処理が開始される。バッテリ回復処理において、トランジスタ５-６が所定周波数たとえば１００-１００００ Hzでスイッチングされる。次に、ステップS１１０にて、バッテリ回復処理が停止されるべきかどうかが判定される。この実施例では、バッテリ回復処理は所定期間たとえば１秒乃至１０分実行される。つまり、所定のパルスバッテリ回復期間が満了したかどうかが判定される。もしバッテリ電圧の回復が十分でない場合、バッテリ回復処理は更に継続されることができる。

次に、所定のパルスバッテリ回復期間が満了した場合には、バッテリ回復処理はステップS１１２にて停止される。ステップS１１４では、コントローラが車両加速指令を受け取ったか否かが判定される。すなわち、車両のアクセルペダルが強く踏まれたかどうかが判定される。ステップS１１６は加速が不要な場合に実行される。ステップS１１８は車両加速が必要な場合に実行される。ステップS１１６では、バッテリ電圧はその所定範囲内に制御される。上側のトランジスタ６は常にオンされる。下側のトランジスタ５はバッテリ電圧が上記所定範囲より低い場合にオンされる。その結果、界磁束が増加し、三相ステータ巻線３の発電電圧が増大し、バッテリ１の充電電流が増加される。

バッテリ電圧が上記所定範囲より高い場合、下側のトランジスタ５がオフされる。その結果、界磁束が減少し、三相ステータ巻線３の発電電圧が減少し、バッテリ１の充電電流が減少する。結局、バッテリ電圧は所定範囲に制御される。それは、所定範囲にバッテリ電圧を維持するための公知のオルタネータの制御と同じである。

ステップS１１８では、車両が加速されない場合にトランジスタ５-６はオフされる。バッテリから界磁巻線に給電される界磁電流はトランジスタ５-６のオフにより停止される。更に、界磁巻線４の残留磁気エネルギーがダイオード７-８を通じてバッテリ１にフリーホイーリング電流を供給する。すなわち、バッテリ１は残留磁気エネルギーにより充電される。したがって、界磁巻線４の界磁電流は急速に低下する。なぜなら、フリーホイーリング電流はバッテリ電圧をもつバッテリ１を充電しなければならないからである。

従来のオルタネータのほとんどの界磁電流回路は、界磁巻線のフリーホイーリング電流をバッテリに供給するための上側トランジスタ６を装備しない。なぜなら、フリーホイーリング電流でバッテリを充電することは、界磁電流変動を増大されるからである。したがって、界磁巻線４のフリーホイーリング電流は従来のオルタネータにおいて、ダイオード８を通じて循環する。その結果、界磁巻線４の残留磁気エネルギーは従来のオルタネータにおいて長期間流れる。結局、従来のオルタネータはこの実施例のオルタネータ２よりもバッテリを長く充電する。上側トランジスタ６をオフすることにより、車両加速レスポンスが改善される。

この実施例のその他の効果が説明される。まず、このバッテリ回復のためのパルス充放電処理は、エンジン始動の不調を判定した直後にステップS１０２にて実行される。その結果、バッテリ２に残った電気エネルギーはバッテリ１の回復のために使用されることができる。バッテリ電圧が所定値よりも低ければ、次のエンジン始動を短期間だけ遅延されることができる。ドライバーはこのバッテリ回復処理の後、エンジン始動に成功するであろう。

次に、バッテリ回復処理はエンジンが一週間といった所定長期間の間運転されなかったと判定された直後に実行される。エンジンが長期間停止していても、バッテリは一定のインタバルで回復処理される。

次に、バッテリ回復のためのパルス電流充放電処理は、エンジンが停止動作を開始した直後に実行される。界磁巻線４は園児が停止を開始する直後に残留磁気エネルギーをもつ。したがって、バッテリは残留磁気エネルギーにより発生されるフリーホイーリング電流の充放電で回復される。

次に、バッテリ回復器を兼ねるオルタネータは、簡単な構造をもつ。オルタネータのバッテリ回復処理のために、トランジスタ６とダイオード７だけが標準のオルタネータに追加される。したがって、重量増加とコスト増加は非常に小さい。

第２実施例
第２実施例のバッテリ回復器が図５を参照して説明される。この実施例では、バッテリ回復器はたとえば昇圧トランスやリアクトルのような重い磁気部品無しに構成される。図５において、バッテリ回復器はキャパシタ１１-１２, トランジスタ１３-１５、抵抗器１６-１７及びコントローラ１８を有する。

キャパシタ１１の上端はバッテリ１の正極に接続される。キャパシタ１１の下端は抵抗器１６及びトランジスタ１３を通じてバッテリ１の負極に接続される。キャパシタ１２の下端はバッテリ１の負極に接続される。キャパシタ１２の上端は抵抗器１７及びトランジスタ１４を通じてバッテリ１の正極に接続される。
抵抗器１６とトランジスタ１３の接続点Aは、抵抗器１７とトランジスタ１４の接続点Bに直列接続トランジスタ１５を通じて接続される。

制御信号S１-S３はコントローラ９から各トランジスタのゲートに印加される。制御信号S１-S３は所定周波数と所定のデユーティ比をもつ。たとえば、スイッチング周波数は１kHzであり、デユーティ比は５０%である。トランジスタ１３-１４の状態は互いに同じである。トランジスタ１３-１４の状態はトランジスタ１５の状態と反対である。コントローラ１８はキャパシタ１１ー１２のパルス充放電でのバッテリ回復処理を制御する。この実施例のバッテリ回復処理が説明される。

最初に、トランジスタ１３-１４がオンされ、トランジスタ１５がオフされる。キャパシタ１１-１２が充電され、バッテリ１は放電される。次に、トランジスタ１３-１４はオフされ、トランジスタ１５はオンされる。キャパシタ１１-１２はトランジスタ１５を通じて放電され、バッテリ１は充電される。バッテリ１の充放電電流のピーク値は抵抗器１２、１６により所定範囲に制限される。

図５に示される上記バッテリ回復回路は、軽量、製造コストが小さい、高周波数でも消費電力が小さいという利点をもつ。その結果、図５に示されるバッテリ回復器は簡単にバッテリ１の電極端子に固定されることができる。なぜなら、このバッテリ回復器は非常に小さいからである。

Claims (6)

1. 界磁巻線４、非対称ブリッジ及びコントローラ９をもつオルタネータにより構成された車載バッテリ回復器であって、
   非対称ブリッジは、下側トランジスタ(５), 上側トランジスタ(６), 下側ダイオード(７) 及び上側ダイオード(８)をもち、
   界磁巻線４の上端は、上側トランジスタ（６）を通じて車載バッテリの正極に接続され、
   界磁巻線４の上端は、下側ダイオード（７）を通じて車載バッテリの負極に接続され、
   界磁巻線４の下端は、下側トランジスタ（５）を通じて車載バッテリの負極に接続され、
   界磁巻線４の下端は、上側ダイオード（８）を通じて車載バッテリの正極に接続され、
   コントローラ（９）は、所定のデサルフエーション期間の間、所定周波数で両トランジスタ（５）-（６）のオンオフを繰り返すことを特徴とする車載バッテリ回復器。
2. コントローラ（９）は、エンジン始動が完成しない時に、上記デサルフエーション期間を開始する請求項１記載の車載バッテリ回復器。
3. コントローラ（９）は、エンジンが所定の長期間運転されない時に、上記デサルフエーション期間を開始する請求項１記載の車載バッテリ回復器。
4. コントローラ（９）は、エンジンが停止される時に、上記デサルフエーション期間を開始する請求項１記載の車載バッテリ回復器。
5. コントローラ（９）は、車両が加速される時に、両トランジスタ（５）-（６）をオフする請求項１記載の車載バッテリ回復器。
6. キャパシタ(１１)-(１２), トランジスタ (１３)-(１５)及びコントローラ(１８)をもつ車載バッテリ回復器であって、
   キャパシタ(１１)の上端はバッテリ(１)の正極に接続され、
   キャパシタ(１１)の下端はトランジスタ（１３）を通じてバッテリ(１)の負極に接続され、
   キャパシタ(１２)の下端はバッテリ(１)の負極に接続され、
   キャパシタ(１２)の上端はトランジスタ（１４）を通じてバッテリ(１)の正極に接続され、
   キャパシタ(１１)とトランジスタ(１３)との接続点(A)は、トランジスタ（１５）を通じて、キャパシタ(１２)とトランジスタ(１４)との接続点（B）に接続され、
   コントローラ(１８)は、デサルフエーション処理において所定種端数で充電モードと放電モードとを交互に繰り返し、
   充電モードは、トランジスタ(１３)及び(１４)のオンとトランジスタ(１５)のオフからなり、
   放電モードは、トランジスタ(１３)及び(１４)のオフとトランジスタ(１５)のオンからなることを特徴とする車載バッテリ回復器。

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