JP4431896B2 - バッテリ充電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁石式交流発電機の出力でバッテリを充電するために用いるバッテリ充電制御装置に関するものである。

エンジンや風車等の原動機により駆動される発電機として磁石式交流発電機が用いられている。磁石式交流発電機の出力でバッテリを充電する際に用いるバッテリ充電制御装置としては、バッテリの端子電圧が設定値を超えたときに発電機の出力を短絡する発電機出力短絡式のものが多く用いられている。

発電機出力短絡式のバッテリ充電制御装置は、例えば特許文献１に示されているように、磁石式交流発電機の出力が入力端子間に入力され、出力端子間にバッテリが接続されるダイオードブリッジ全波整流回路と、この整流回路のブリッジの上辺を構成する各ダイオードまたは下辺を構成する各ダイオードに逆並列接続された発電機出力短絡用スイッチと、整流回路の出力端子間の電圧が設定値を超えたときに前記発電機出力短絡用スイッチをオン状態にするように制御するスイッチ制御回路とを備えていて、整流回路の出力端子間の電圧が設定値を超えたときに発電機出力短絡用スイッチをオン状態にして発電機の出力端子間（整流回路の入力端子間）を短絡することにより、バッテリの両端の電圧が設定値を超えないように制御しつつ磁石式交流発電機から整流回路を通してバッテリに充電電流を供給する。

この種のバッテリ充電制御装置では、電圧調整時に発電機出力短絡用スイッチと、整流回路を構成するダイオードの一部（出力短絡用スイッチが逆並列接続されたダイオード）とを通して短絡電流を流すため、発電機の出力電流が大きく、流れる短絡電流が大きい場合に、短絡電流が流れる素子での発熱量が多くなり、素子の温度上昇する。そのため、この種の装置では、図５及び図６に示すように、その構成要素を外面に多数の放熱フィン１ａが設けられたケース１内に収容して、冷却を要す発熱要素（大きな電流が流れる半導体スイッチ素子や整流素子等）をケース１に伝熱的に結合している。ケース１は、内部に収容された発熱要素からの放熱を良好にするために、熱伝導性が良好な材料（樹脂材料または金属材料）により形成されている。
特開２００３−１１１２９９号公報

上記のように、発電機出力短絡式のバッテリ充電装置では、その構成要素を、外面に放熱フィンが設けられたケース内に収容して、発熱要素の熱を放熱フィンを通して外部に放散させるようにしているが、このようにケースからの放熱効果を高めるための配慮をしても、空気の流通が良好でない場所に装置を設置した場合や、エンジンの近傍等の周囲温度が比較的高い場所に装置を設置した場合には、放熱フィンの近傍の加熱された空気が冷たい空気と円滑に置換されないため、放熱を効果的に行うことができず、発電機の出力電流が大きい場合に、ケース内の温度が異常上昇して半導体素子が破壊される等のトラブルが生じるおそれがあった。

本発明の目的は、ケースからの放熱効果を高めて、ケース内の温度が異常上昇するおそれを無くしたバッテリ充電制御装置を提供することにある。

本発明は、磁石式交流発電機の出力が入力端子間に入力され、出力端子間にバッテリが接続されたダイオードブリッジ全波整流回路と、この整流回路のブリッジの上辺を構成する各ダイオードまたは下辺を構成する各ダイオードに逆並列接続された発電機出力短絡用スイッチと、整流回路の出力端子間の電圧が設定値を超えたときに発電機出力短絡用スイッチをオン状態にするように制御するスイッチ制御回路とを備えたバッテリ充電制御装置を対象とする。

本発明においては、上記整流回路、発電機出力短絡用スイッチ及びスイッチ制御回路の構成要素が外面に放熱フィンを有するケース内に収容され、ケース内に収容された構成要素のうち、冷却の必要がある発熱要素がケースに伝熱的に結合されている。また直流ファンモータにより駆動されて上記ケースの少なくとも一部の放熱フィンに接触する空気流を生じさせる送風機が上記ケースに取りつけられ、直流ファンモータの電機子コイルが、整流回路の発電機出力短絡用スイッチが逆並列接続されたダイオードに対して直列に接続されている。

上記のように構成すると、送風機により強制的に生じさせられる空気流がケースの放熱フィンの少なくとも一部に常時接触させられて、該放熱フィンでの熱交換が効率よく行われるため、空気の流通が悪い場所や、周囲温度が比較的高い場所に装置が設置された場合でも、ケースからの放熱を効率よく行わせて、ケース内の発熱要素の冷却を効果的に図ることができ、ケース内の温度が異常上昇するのを防ぐことができる。

また上記のように、ファンモータを整流回路の発電機出力短絡用スイッチが接続されたダイオードに対して直列に接続しておくと、発電機出力短絡用スイッチがオン状態にされて発電機の出力が短絡されているとき（大きな短絡電流が流れて発熱要素が多くの熱を発生しているとき）にもファンモータが駆動されるため、従来は負荷に供給されることなく、発電機出力の短絡回路で無駄に消費されていた電力を有効に利用してケースの冷却を効果的に図ることができる。

本発明の好ましい態様では、ケースの一面の中央に放熱フィンを有する送風機取付領域が設けられ、送風機は、送風機取付領域に設けられた放熱フィンに向けて空気流を吹き付けるように位置決めされて、送風機取付領域に取りつけられている。

なお本発明においては、送風機によりケースの放熱フィンに接触する空気流を生じさせればよいので、本発明は、放熱フィンに向けて空気流を吹き付けるように送風機を設ける場合に限定されるものではなく、放熱フィン近傍の空気を吸引してケースから離れる方向に送出するように送風機を設けて、放熱フィンに接触する空気流を生じさせる場合も本発明の範囲に包含される。

以上のように、本発明によれば、バッテリ充電制御装置の構成要素を収容したケースに送風機を取りつけて、該送風機により強制的に生じさせられる空気流をケースの放熱フィンの少なくとも一部に接触させるようにしたので、ケースの放熱フィンでの熱交換を効率よく行わせて、ケースの冷却を効果的に行わせることができる。従って、空気の流通が悪い場所や、周囲温度が比較的高い場所に装置が設置された場合でも、ケースからの放熱を効率よく行わせて、ケース内の発熱要素の冷却を効果的に行うことができ、ケース内の温度が異常上昇するのを防ぐことができる。

また本発明においては、ファンモータを整流回路の発電機出力短絡用スイッチが接続されたダイオードに対して直列に接続したので、発電機出力短絡用スイッチがオン状態にされて発電機の出力が短絡されているときにもファンモータを駆動することができる。従って、従来は負荷に供給されることなく、発電機出力の短絡回路で無駄に消費されていた電力をファンモータで有効に利用してケースの冷却を効果的に図ることができる。

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、本発明の実施形態で用いる電気回路の構成を示した回路図である。同図において１はエンジン等の原動機により駆動される磁石式交流発電機で、この発電機は、Δ結線された３相の電機子コイルＬｕないしＬｗを有しており、これらの電機子コイルから３相の出力端子１０ｕないし１０ｗが導出されている。

１１はバッテリ充電制御装置の主回路を構成する整流・電圧調整回路で、ブリッジの上辺を構成するダイオードＤｕないしＤｗと、ブリッジの下辺を構成するダイオードＤｘないしＤｚとからなる３相ダイオードブリッジ全波整流回路と、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ないしＤｚにそれぞれ逆並列接続された発電機出力短絡用スイッチとしてのサイリスタＴhaないしＴhcとからなっている。

整流回路のブリッジの上辺を構成するダイオードＤｕないしＤｗのカソードは整流・電圧調整回路のプラス側直流出力端子１１ａに共通接続され、アノードはブリッジの下辺を構成するダイオードＤｘないしＤｚのカソードに接続されている。ブリッジの下辺を構成するダイオードＤｘないしＤｚのうち、ダイオードＤｘのアノードはファンモータ１４の電機子コイルＭを通して整流・電圧調整回路のマイナス側出力端子１１ｂに接続され、他のダイオードＤｙ及びＤｚのアノードは整流・電圧調整回路のマイナス側出力端子１１ｂに直接接続されている。またサイリスタＴhaは、そのアノードをダイオードＤｘのカソードに接続し、カソードをマイナス側出力端子１１ｂに接続した状態で設けられて、電機子コイルＭを通してダイオードＤｘに逆並列接続され、サイリスタＴha及びＴhcは、それぞれのアノードをダイオードＤｙ及びＤｚのカソードに接続し、カソードをマイナス側出力端子１１ｂに直接接続した状態で設けられて、ダイオードＤｙ及びＤｚに逆並列接続されている。

即ちこの例では、１つの発電機出力短絡用スイッチ（Ｔha）が逆並列接続されるダイオードＤｘに対して直列に直流ファンモータの電機子コイルＭが挿入され、発電機出力短絡用スイッチ（Ｔha）は、電機子コイルＭを通してダイオードＤｘに逆並列接続されている。

上記整流・電圧調整回路においては、ダイオードＤｕないしＤｗのアノードとダイオードＤｘないしＤｚのカソードとの接続点がそれぞれＵ相ないしＷ相の交流入力端子１１ｕないし１１ｗとなっていて、これらの入力端子１１ｕないし１１ｗがそれぞれ磁石式交流発電機１０の出力端子１０ｕないし１０ｗに接続されている。

図１において、１２は上記整流回路の出力端子１０ａ，１０ｂ間の電圧を検出して、検出した電圧が設定値を超えたときにサイリスタ（発電機出力短絡用スイッチ）ＴhaないしＴhcに同時にトリガ信号を与えるようにサイリスタＴhaないしＴhcを制御するスイッチ制御回路で、整流・電圧調整回路１１とスイッチ制御回路１２とによりバッテリ充電制御装置１３が構成されている。

図示の例では、直流出力端子１１ａ，１１ｂ間にヒューズＦを通してバッテリ１５が接続され、バッテリ１５の両端に電圧計１６が接続されている。またバッテリ１５とヒューズＦとの直列回路の両端に電源スイッチ１７と電流計１８とを通して適宜の負荷１９が接続されている。

また図示の例では、サイリスタＴhaのカソード及びダイオードＤｘのアノードにそれぞれリード線２０及び２１の一端が接続され、これらのリード線の他端はカプラ２２に設けられた接触子２２ａ，２２ｂに接続されている。また直流ファンモータ１４の電機子コイルＭの一端及び他端にそれぞれリード線２３及び２４の一端が接続され、これらのリード線の他端はカプラ２５に設けられた接触子２５ａ及び２５ｂに接続されている。カプラ２２とカプラ２５とを接続することにより、電機子コイルＭの一端及び他端がそれぞれサイリスタＴhaのカソード及びダイオードＤxのアノードに接続されるようになっている。

上記バッテリ充電制御装置１３の構成要素は、図２ないし図４に示すように、外面に多数の放熱フィンを有してヒートシンクを兼ねるケース３１内に収容され、バッテリ充電制御装置１３の構成要素のうち、冷却を要する発熱要素はケース３１に伝熱的に結合されている。冷却を要する発熱要素とは、放熱を良好にするための措置を講じないと温度が異常上昇するおそれがある要素であり、図示の例では、ダイオードＤｕないしＤｗ及びＤｘないしＤｚと、サイリスタＴhaないしＴhcとである。発熱要素とケース３２との伝熱的な結合は、発熱要素のケーシングとケース３１の内面とをシリコンペースト等の熱伝導率が高いペーストの層を介して機械的に接触させる等の常套的な手段により行うことができる。

図示の例では、図４に示されているように、ケース３１が熱伝導率が高い金属材料または樹脂材料からなる箱形のケース本体３１Ａと、同じく熱伝導率が高い金属材料または樹脂材料からなっていてケース本体３１Ａの開口部を閉じる蓋３１Ｂとからなっている。ケース本体３１Ａはその幅方向の両端に張出部３１a1，３１a2を有している。また蓋３１Ｂはヒートシンクを構成するように肉厚に形成されてケース本体３１Ａの開口部を閉じる本体部３１b0と、この本体部の幅方向の両端から張り出した張出部３１b1，３１b2とを有していて、張出部３１b1，３１b2をケース本体の張出部３１a1，３１a2の上に重ねた状態で配置されている。蓋３１Ｂは、その張出部３１b1，３１b2がケース本体３１Ａの張出部３１a1，３１a2に締結されることによりケース本体３１Ａに固定される。

本発明においては、ケース３１の一面に送風機取付領域が設けられて、この送風機取付領域に前記ファンモータ１４により駆動される送風機４０が取りつけられる。図示の例では、ケース３１の蓋３１Ｂの中央部に送風機取付領域３１Ｃが設けられ、この送風機取付領域には、張出部３１b1，３１b2に達しない、長さが短い複数の放熱フィン３２が設けられ、蓋３１Ｂの他の領域には、放熱フィン３２よりも長い多数の放熱フィン３３が設けられている。またケース本体３１Ａ側には、その側面と張出部３１a1，３１a2とに跨って多数の放熱フィン３４が設けられている。

またケース本体３１Ａの放熱フィンが設けられていない一側面に、ケース内の整流・電圧調整回路の入力端子１１ｕないし１１ｗ及び直流出力端子１１ａ，１１ｂにそれぞれつながる接触子を備えたカプラ３５が取りつけられている。このカプラには、磁石式交流発電機１０の出力端子や、バッテリ１５の両端につながるリード線に取りつけられた相手側カプラが接続される。

また図示の例では、サイリスタＴhaのカソード及びダイオードＤxのアノードに一端が接続され、他端にカプラ２２が取りつけられたリード線２０及び２１がケース３１から外部に導出されている。

送風機４０は、天板部４１ａと、天板部４１ａの幅方向の両端から同じ側に直角に折れ曲がった側壁部４１ｂ，４１ｃと、側壁部４１ｂ，４１ｃの天板部と反対側の端部から外側に直角に折れ曲がった鍔板部４１ｄ，４１ｅとを有するフレーム４１と、フレーム４１の天板部４１ａの中央部に取りつけられて、出力軸がフレーム４１の内側に導出されたファンモータ１４と、ファンモータ１４の出力軸に取りつけられた送風ファン４２とからなっている。フレーム４１の天板部４１ａには、多数（図示の例では４個）の通風孔４１ｆが形成されている。

送風機４０は、フレーム４１の鍔板部４１ｄ，４１ｅをケースの蓋３１Ｂの張出部３１b1，３１b2の上に載せ、送風ファン４２を蓋３１Ｂに設けられた放熱フィンに向けた状態で配置されて、鍔板部４１ｄ，４１ｅとケースの蓋３１Ｂの張出部３１b1，３１b2とケース本体の張出部３１a1，３１a2とを貫通させたボルト４３と、このボルト４３に螺合されたナット４４とによりケース３１に締結されている。そして、ファンモータ１４から導出されたカプラ２５をケース３１から導出されたカプラ２２に接続することにより、ファンモータ１４が整流・電圧調整回路１１のダイオードＤｘに対して直列に接続される。

本実施形態のバッテリ充電制御装置において、バッテリ１５の両端の電圧が設定値以下であるときには、スイッチ制御回路１２がサイリスタＴhaないしＴhcのゲートにトリガ信号を与えないため、サイリスタＴhaないしＴhcはオン状態になることがない。この状態では、磁石式交流発電機１０からダイオードＤｕないしＤｗ及びＤｘないしＤｚからなる整流回路を通してバッテリ１５に充電電流が供給される。バッテリ１５の充電が進み、その両端の電圧が設定値を超えると、スイッチ制御回路１２がサイリスタＴhaないしＴhcに同時にトリガ信号を与えるため、これらのサイリスタのうち、アノードカソード間に順方向電圧が印加されたものがオン状態になり、オン状態になったサイリスタと、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１０の出力端子間（整流回路の入力端子間）を短絡する短絡回路が構成される。そのため発電機の出力が短絡され、バッテリ１５への充電電流の供給が停止する。バッテリ１５の両端の電圧が設定値以下になると、サイリスタＴhaないしThzにトリガ信号が与えられなくなるため、これらのサイリスタは、アノード電流が保持電流未満に減衰した時点でオフ状態になり、再び発電機の整流出力がバッテリ１５に供給されるようになる。これらの動作の繰り返しにより、バッテリ１５の両端の電圧が設定値付近に保持される。

直流ファンモータ１４の電機子コイルＭには、サイリスタＴhaないしThzがオフ状態にあって電圧調整が行われていないときにも、サイリスタＴhaないしThzがオン状態にあって電圧調整が行われているときにも電流が流れるため、送風機４０は、発電機が運転されている間ケース３１の放熱フィンに向けて送風を続け、ケースの放熱フィンに接触する空気流を生じさせる。従って、従来は負荷に供給されることなく、発電機出力の短絡回路で無駄に消費されていた電力を有効に利用してケースの冷却を効果的に図ることができる。

またファンモータ１４は、発電機の出力が大きく、整流・電圧調整回路１１に大きな電流が流れるとき（発熱要素からの発熱量が多いとき）に、大きな駆動電流が供給されて回転速度が上昇し、発電機の出力が小さく、整流・電圧調整回路１１に大きな電流が流れないとき（発熱要素からの発熱量が少ないとき）には、駆動電流が小さくなってその回転速度が低下する。従って、本発明によれば、ファンモータを発熱要素の発熱量に見合った速度で回転させて、発熱量に見合った送風量を得ることができ、ケース３１の冷却を効果的に行わせることができる。

上記の実施形態では、ケースの放熱フィンに空気流を吹き付けるように送風機４０を設けたが、本発明においては、送風機によりケース３１の放熱フィンに接触する空気流を生じさせればよいので、放熱フィン近傍の空気を吸引してケースから離れる方向に送出するように送風機を設けて、放熱フィンに接触する空気流を生じさせるようにしてもよい。

上記の実施形態では、ダイオードＤｘに対して直列にファンモータの電機子コイルを接続しているが、ファンモータは発電機出力短絡用スイッチが逆並列接続されているダイオードに対して直列に接続すれば良く、図１においてブリッジの下辺を構成する他のダイオードＤｙまたはＤｚに対して直列にファンモータを接続してもよいのはもちろんである。

上記の実施形態では、整流・電圧調整回路１１の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にそれぞれサイリスタＴhaないしＴxzを逆並列接続したが、整流回路のブリッジの上辺を構成するダイオードＤｕないしＤｗに対してサイリスタＴhaないしＴhcを逆並列接続して、これらのサイリスタとダイオードＤｕないしＤｗのいずれかとを通して発電機の出力端子間を短絡する短絡回路を構成する場合にも本発明を適用することができる。

上記の実施形態では、ファンモータをカプラ２２及び２５を介して整流・電圧調整回路１１に接続しているが、ファンモータの電機子コイルから導出したリード線をグロメットを通してケース３１内に導入して、ファンモータの電機子コイルを整流・電圧調整回路１１の所定箇所に直結するようにしてもよい。

上記の実施形態では、発電機出力短絡用スイッチとしてサイリスタを用いているが、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴなどの他のスイッチ素子を発電機出力短絡用スイッチとして用いる場合にも本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態の電気的な構成を示した回路図である。 本実施形態に係わるバッテリ充電制御装置の送風機を取りつける前の状態を、ケースの一部を切り欠いて示した正面図である。 本実施形態に係わるバッテリ充電制御装置の正面図である。 図３の右側面図である。 従来のバッテリ充電制御装置の正面図である。 図５の右側面図である。

符号の説明

１０ 磁石式交流発電機
１１ 整流・電圧調整回路
１２ スイッチ制御回路
１３ バッテリ充電制御装置
１４ 直流ファンモータ
１５ バッテリ
３１ ケース
３２，３３，３４ 放熱フィン

Claims (2)

1. 磁石式交流発電機の出力が入力端子間に入力され、出力端子間にバッテリが接続されたダイオードブリッジ全波整流回路と、前記整流回路のブリッジの上辺を構成する各ダイオードまたは下辺を構成する各ダイオードに逆並列接続された発電機出力短絡用スイッチと、前記整流回路の出力端子間の電圧が設定値を超えたときに前記発電機出力短絡用スイッチをオン状態にするように制御するスイッチ制御回路とを備えたバッテリ充電制御装置において、
   前記整流回路、発電機出力短絡用スイッチ及びスイッチ制御回路の構成要素が外面に放熱フィンを有するケース内に収容されて、前記構成要素のうち、冷却の必要がある発熱要素が前記ケースに伝熱的に結合され、
   直流ファンモータにより駆動されて前記ケースの少なくとも一部の放熱フィンに接触する空気流を生じさせる送風機が前記ケースに取りつけられ、
   前記直流ファンモータの電機子コイルが、前記整流回路の前記発電機出力短絡用スイッチが逆並列接続されたダイオードに対して直列に接続されていること、
   を特徴とするバッテリ充電制御装置。
2. 前記ケースの一面の中央に放熱フィンを有する送風機取付領域が設けられ、
   前記送風機は、前記送風機取付領域に設けられた放熱フィンに向けて空気流を吹き付けるように位置決めされて前記送風機取付領域に取りつけられ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制御装置。
   

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