JP4990883B2 - バッテリ充電装置、およびバッテリ充電装置における遅角制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、二輪車等に用いられる交流発電機を使用したバッテリ充電装置、およびバッテリ充電装置における進角／遅角制御方法に関する。特に、本発明は、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる、バッテリ充電装置、および遅角制御方法に関する。
本願は、２００６年３月３０日に、日本に出願された特願２００６−９５５０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

図８は、二輪車等に用いられるバッテリ充電装置について説明するための図である。永久磁石式３相交流発電機（単に「交流発電機」とも呼ぶ）１は、エンジン側（図示せず）から回転駆動される。交流発電機１から出力される３相交流は、バッテリ充電装置３Ａにより順変換（交流／直流変換）され直流出力となり、この直流出力によりバッテリ２に充電電流を流す。

この場合に、バッテリ充電を効率良く行うために、交流発電機１の発電量を制御する進角／遅角制御が行われている。この進角／遅角制御は、バッテリ充電装置３Ａ内の整流回路をブリッジ構成のスイッチング素子で構成し、このスイッチング素子の通電タイミングを、交流発電機１の交流出力電圧の位相に対して進み又は遅らせることにより行われる。
この進角／遅角制御では、進角／遅角量を制御パラメータとして、交流発電機１の発電量を制御する。バッテリ２の電圧が基準電圧よりも低くバッテリ充電を必要とする場合は、バッテリ充電装置３Ａを遅角制御し、バッテリを充電状態とする。バッテリ２の電圧が基準電圧よりも高く充電を必要としない場合には、バッテリ充電装置３Ａを進角制御し、バッテリから交流発電機へエネルギーを放電する状態とする。

この場合に、図９に示すように、遅角制御状態において遅角量を、０から増加させることにより発電量（バッテリ充電量）を次第に増加させることができる。しかし、ある一定の遅角量までは発電量を増加させることができるが、この一定の遅角量を超えると逆に発電量が低下してしまう性質がある。従って、交流発電機１の発電量を最大にする遅角量のリミット値（「遅角リミット値」ともいう）を適切に設定することが必要になる。

この遅角リミット値の設定については、従来は、実際に使用する交流発電機と、バッテリの種類と、エンジン（排気量）の大小に応じた組み合わせテスト（実験）を行い、最適な遅角リミット値を求めていた。

このように、最適な遅角リミット値を決めるために多くのテストが行われ、また、この結果により求めた遅角リミット値と、交流発電機と、バッテリと、排気量との対応関係を示すテーブルを作成するなど、多大の労力を必要としていた。

従来のこの種の同期電動機の出力制御装置は、特許文献１に記載されている。この従来技術では、発電量を増減制御して無駄な発電をなくし、良好な加速性能を維持しつつ、適正にバッテリ充電を行うことを目的としている。このために、発電電圧を制御するための制御電圧値は、エンジン回転数の関数として加速時および通常運転時毎に設定される。すなわち、エンジン回転数とスロットル開度でなされた加速判断に従って制御電圧値が決定され、進角・遅角量設定部はバッテリ電圧が制御電圧値に収斂するようにステータコイル各相への通電タイミングを決定する。

しかしながら、上述の従来技術は、良好な加速性能を維持しつつ、適正にバッテリ充電を行うことを目的としており、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の組み合わせに応じた最適な遅角リミット値の設定に多大な労力を要していたという問題を解決するものではない。
特開２００４−１９４４２７号公報

上述したように、従来のバッテリ充電装置においては、進角／遅角制御の遅角リミット値の設定は、実際に使用する交流発電機と、バッテリと、負荷の特定の組み合わせテストにより、最適なリミット値を決めていた。このため、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小に応じて、最適な遅角リミット値を設定するには、多大な労力を必要としていた。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる、バッテリ充電装置、および遅角制御方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明のバッテリ充電装置は、交流発電機とバッテリとの間に接続され、前記交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給するバッテリ充電装置であって、スイッチング素子でブリッジ構成されると共に、前記スイッチング素子の通電タイミングを前記交流発電機の交流出力電圧の位相に対して進み又は遅らせることにより進角／遅角制御を行う整流回路と；前記交流発電機の出力電圧と出力電流を検出し、前記交流発電機の発電量を算出する発電量算出回路と；前記バッテリの電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、前記差分電圧に基づき前記スイッチング素子の通電タイミングの進角／遅角量を求める進角／遅角算出回路と；前記進角／遅角算出回路により求めた進角／遅角量により前記スイッチング素子の進角／遅角制御を行うと共に、遅角制御を行うときに、遅角量が遅角リミット値を超える場合は、前記遅角リミット値により前記スイッチング素子の遅角制御を行う進角／遅角制御回路と；前記遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を前記遅角リミット値として設定する遅角リミット値設定回路と；を備えることを特徴とする。
このような構成により、バッテリ充電装置の整流部をスイッチング素子でブリッジ構成し、このスイッチング素子により進角／遅角制御を行う。この際に、バッテリの電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、前記差分電圧に基づきスイッチング素子の進角／遅角量を求め、この進角／遅角量によりスイッチング素子の通電タイミングを制御する。この進角／遅角量が、遅角量であり、かつ遅角リミット値（略最大発電量となる遅角量）を超える場合には、遅角量を遅角リミット値に制限する。また、発電機の発電量を検出し、遅角量と発電量とを記憶するようにし、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を遅角リミット値として設定する。
これにより、バッテリ充電装置において進角／遅角制御を行う場合に、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる。

また、本発明のバッテリ充電装置において、前記進角／遅角制御回路は、前記進角／遅角算出回路により求めた進角／遅角量が遅角量であり、かつ遅角リミット値が設定されていない場合、または遅角リミット値以下の場合には、前記求めた遅角量により前記スイッチング素子の遅角制御を行い、前記遅角リミット値設定回路は、前記遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を前記遅角リミット値として設定し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が小さい場合には、前記遅角リミット値の設定を解除するようにしてもよい。
このような構成により、遅角リミット値が設定されている場合に、進角／遅角算出回路により求めた遅角量が減少方向に向かう場合には、遅角リミット値の設定を解除することができる。
これにより、遅角リミット値を固定的なものとせず、周囲環境の変化に応じた最適な遅角リミット値を適宜に設定できるようになる。

また、本発明のバッテリ充電装置において、前記交流発電機は、出力電圧を検出するサブコイルと、出力電流を検出する電流センサとを備え、バッテリ充電装置はさらに前記交流発電機のサブコイルで検出した電圧波形から前記電圧波形に同期した矩形波を生成する電圧検出回路と、前記電圧検出回路から出力される矩形波の信号に同期した三角波を生成する同期三角波発生回路と、前記バッテリの電圧と所定の目標電圧とを比較し誤差信号を出力する誤差アンプとを備え、前記発電量算出回路は、前記サブコイルにより検出された交流発電機の出力電圧と、前記電流センサにより検出された交流発電機の出力電流の値とを基に、交流発電機の発電量を算出し、前記進角／遅角算出回路は、前記同期三角波発生回路から出力される三角波と誤差アンプの出力とを比較することにより進角／遅角量を求める比較回路を有し、前記進角／遅角制御回路は、前記比較回路から進角／遅角量を受け取り、前記進角／遅角量により前記スイッチング素子の進角／遅角制御を行うと共に、遅角量が所定の遅角リミット値を超えた場合は、前記遅角量を前記遅角リミット値に制限し、前記遅角リミット値設定回路は、前記比較回路により求めた遅角量と、前記発電量算出回路により求めた発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合に、前回の遅角量を遅角リミット値として設定するようにしても良い。
このような構成により、発電機にサブコイルと電流センサを設け、交流発電機の発電量を算出する。また、電圧検出回路により、サブコイルで検出した電圧波形に同期した矩形波を生成し、同期三角波発生回路により、矩形波に同期した三角波を生成する。また、誤差アンプは、バッテリの電圧と目標電圧とを比較し誤差信号を生成する。そして、比較回路により、同期三角波発生回路から出力される三角波と誤差アンプの出力とを比較することにより進角／遅角量を求める。この比較回路により求めた進角／遅角量が、遅角量であり、かつ所定の遅角リミット値を超える場合には、進角／遅角制御回路により、遅角量を遅角リミット値に制限する。また、遅角リミット値設定回路により、遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合は、前回の遅角量を遅角リミット値として設定する。
これにより、バッテリ充電装置において進角／遅角制御を行う場合に、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる。

また、本発明のバッテリ充電装置において、前記電圧検出回路における矩形波、および前記同期三角波発生回路における三角波が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相ごとに生成されるように構成され、前記比較回路において、前記同期三角波発生回路から出力される三角波と誤差アンプ出力とを比較して進角／遅角量を求める場合に、Ｕ相の進角／遅角量は、前記同期三角波発生回路から出力されるＷ相の三角波と、前記誤差アンプ出力とを比較して求め、前記Ｖ相の進角／遅角量は、前記同期三角波発生回路から出力されるＵ相の三角波と、前記誤差アンプ出力とを比較して求め、前記Ｗ相の進角／遅角量は、前記同期三角波発生回路から出力されるＶ相の三角波と、前記誤差アンプ出力とを比較して求めるようにしてもよい。
このような構成により、例えば、Ｕ相の進角／遅角量は、同期三角波発生回路から出力されるＷ相の三角波と、誤差アンプ出力とを比較して求めることができる。
これにより、バッテリ充電装置において進角／遅角制御を行う場合に、進角／遅角制御の制御範囲を、進角側０°〜１２０°、遅角側０°〜６０°に設定できる。

また、本発明のバッテリ充電装置において、前記スイッチング素子は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、前記スイッチング素子の３相ブリッジ整流回路を備えてもよい。
これにより、３相交流発電機でバッテリを充電する場合の進角／遅角制御において、遅角リミット値を自動設定できる。

また、本発明の遅角制御方法は、交流発電機とバッテリとの間に接続され、前記交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給するバッテリ充電装置における遅角制御方法であって、ブリッジ構成のスイッチング素子を使用すると共に、前記スイッチング素子の通電タイミングを前記交流発電機の交流出力電圧の位相に対して進み又は遅らせることにより進角／遅角制御を行う整流工程と、前記交流発電機の出力電圧と出力電流を検出し、前記交流発電機の発電量を算出する発電量算出工程と、前記バッテリの電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、前記差分電圧に基づき前記スイッチング素子の通電タイミングの進角／遅角量を求める進角／遅角算出工程と、前記進角／遅角算出工程により求めた進角／遅角量により前記スイッチング素子の進角／遅角制御を行うと共に、遅角制御を行うときに、遅角量が遅角リミット値を超える場合は、前記遅角リミット値により前記スイッチング素子の遅角制御を行う進角／遅角制御工程と、前記遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を前記遅角リミット値として設定する遅角リミット値設定工程と、を含むことを特徴とする。
このような工程により、バッテリ充電装置の整流部をスイッチング素子でブリッジ構成し、このスイッチング素子により進角／遅角制御を行う。この際に、バッテリの電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、前記差分電圧に基づきスイッチング素子の進角／遅角量を求め、この進角／遅角量によりスイッチング素子の通電タイミングを制御する。この進角／遅角量が、遅角量であり、かつ遅角リミット値（略最大発電量となる遅角量）を超える場合には、遅角量を遅角リミット値に制限する。また、発電機の発電量を検出し、遅角量と発電量とを記憶するようにし、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を遅角リミット値として設定する。
これにより、バッテリ充電装置において進角／遅角制御を行う場合に、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる。

本発明においては、バッテリの電圧と目標電圧との差分電圧を基に進角／遅角量を求め、遅角量を遅角リミット値に制限すると共に、遅角量と発電量とを記憶し、遅角量が増加したにもかかわらず発電量が低下した場合は、前回の遅角量を遅角リミット値として設定する。これにより、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる。

本発明によるバッテリ充電装置の一実施例を示すブロック図である。 図１に示された発電機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路における矩形波を生成するメカニズムについて説明するための図である。 図１に示された同期三角波発生回路における三角波を生成するメカニズムについて説明するための図である。 本発明の一実施例における進角制御通電タイミングを示す波形図である。 図４Ａに示された進角制御通電タイミングで制御される発電機およびスイッチング素子を示す回路図である。 本発明の一実施例における遅角制御通電タイミングを示す波形図である。 図５Ａに示された遅角制御通電タイミングで制御される発電機およびスイッチング素子を示す回路図である。 本発明の一実施例における遅角リミット値の設定の工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施例における遅角リミット値の設定方法を示す図である。 バッテリ充電装置について説明するためのブロック図である。 進角／遅角制御について説明するための図である。

符号の説明

１ 永久磁石式三相交流発電機（交流発電機）
２ バッテリ
３、３Ａ バッテリ充電装置
１１ Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路
１２ 同期三角波発生回路
１３ 誤差アンプ
１４ 比較回路
２０ 制御回路
２１ ＦＥＴ駆動信号生成回路
２２ 発電量算出回路
２３ 進角／遅角制御回路
２４ 遅角リミット値設定回路
ＣＴｕ、ＣＴｗ 電流センサ
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ サブコイル
Ｖｂａｔ バッテリ電圧
Ｖｃ 誤差アンプ出力
Ｖｆｂ フィードバック信号
θ 進角／遅角量

次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

［本発明のバッテリ充電装置の基本構成例の説明］
図１は、本発明によるバッテリ充電装置の基本構成例を示すブロック図であり、三相交流磁石式交流発電機（単に「交流発電機」ともいう）１の交流出力を全波整流して、その出力でバッテリ２を充電するバッテリ充電装置３の例である

このバッテリ充電装置３では、交流発電機１からの三相交流出力を整流する全波整流回路を、Ｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のブリッジ構成とし、各スイッチング素子のスイッチング動作のタイミング（通電タイミング）を、交流発電機１の交流出力電圧に対して位相を遅らせる遅角制御、または進ませる進角制御を行うことにより、バッテリの充電状態（または放電状態）を制御している。

以下、図１を参照して、本発明のバッテリ充電装置３の構成の概要について説明する。
交流発電機１内のサブコイルＳｕ、Ｓｖ、Ｓｗは３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の各相の出力電圧を検出するサブコイルである。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路１１は、サブコイルＳｕ、Ｓｖ、Ｓｗで検出した電圧波形（交流波形）Ｖｕ，ｖ，ｗから矩形波を生成し、同期三角波発生回路１２に出力する。

同期三角波発生回路１２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路１１から出力される矩形波から、これらの信号に同期した三角波を生成する。この、三角波は矩形波のパルス幅の大きさに無関係に高さ（三角波の最大値）が等しくなるような三角波である。

誤差アンプ１３は、実際のバッテリ電圧Ｖｂａｔからのフィードバック信号Ｖｆｂと、バッテリ充電電圧の設定値（目標値）Ｖｒｅｆとを比較して、その差の信号を増幅し誤差アンプ出力Ｖｃとして出力する。なお、誤差アンプ出力Ｖｃは、バッテリ電圧Ｖｂａｔが低く、「Ｖｆｂ＜Ｖｒｅｆ」の場合に、「Ｖｃ＞０」となり、バッテリ電圧Ｖｂａｔが高く、「Ｖｆｂ＞Ｖｒｅｆ」の場合に、「Ｖｃ＜０」となる。「Ｖｃ＞０」の場合には、バッテリ２への充電（遅角制御）が行われ、「Ｖｃ＜０」の場合には、バッテリ２からの放電（進角制御）が行わる。

比較回路（進角／遅角算出回路）１４は、同期三角波発生回路１２から出力される三角波と誤差アンプ１３の出力Ｖｃとを比較し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングタイミング（進角／遅角量θ）を決定し、前記進角／遅角量θの信号を制御回路２０に出力する。

制御回路２０中のＦＥＴ駆動信号生成回路２１は、スイッチング素子のスイッチングタイミング（進角／遅角量θ）の信号を進角／遅角制御回路２３を介して受け取る。そして、進角／遅角量θを基に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をＯＮ・ＯＦＦするための駆動信号（ゲートドライブ信号）を生成する。

発電量算出回路２２は、サブコイルＳｕ、Ｓｖ、Ｓｗから交流発電機１の交流出力電圧の信号Ｖｕ，ｖ，ｗを入力し、また、電流センサＣＴｕ、ＣＴｗから交流発電機１のＵ相、Ｗ相の電流の信号Ｉｕ，ｗを入力し、交流発電機１の発電量を算出する。

進角／遅角制御回路２３は、比較回路１４から入力した進角／遅角量θの信号をＦＥＴ駆動信号生成回路２１に送る。この際に、遅角量が遅角リミット値以上にならないように制限する。

また、遅角リミット値設定回路２４は、比較回路１４から入力した進角／遅角量θと、発電量算出回路２２で求めた発電量を基に、遅角のリミット値を設定する処理を行う。この処理内容の詳細については、後述する。

なお、バッテリ充電装置３内にはマイクロコンピュータ（又はマイクロコントローラ）が搭載されており、バッテリ充電装置３内の制御回路２０や、比較回路１４や、その他の回路について、ソフトウェアプログラムを実行することにより、その処理機能を実現することができるものについては、ソフトウェア処理により実現するようにしてもよい。勿論、ハードウェアにより構成することもできる。

［同期三角波発生回路における三角波電圧の発生方法の説明］
次に、図２および図３を参照して、同期三角波発生回路１２における三角波電圧の発生メカニズムについて説明する。

一般には交流発電機が出力する交流電圧の周波数は急激に変化しないので、１サイクル前の波形と現在のサイクルの波形はほとんど同じと考えることができる。例えば、図２において、波形２が現在のサイクルの波形だとすれば、波形２の半周期Ｔ２と、その１サイクル前の波形１の半周期Ｔ１とはほとんど同じである。

上述の特性を利用して、次の工程により三角波電圧ＶＢを生成する。
（工程１） 図２に示すように、波形１のサイクルにおいて、交流発電機が出力する交流電圧ＶＡから矩形波Ｓを生成する。この波形１に対応する矩形波Ｓの半周期は、波形１のサイクルにおける交流電圧ＶＡの半周期Ｔ１と一致する。
（工程２） 続いて、矩形波Ｓの半周期Ｔ１の時間をカウントする。
（工程３） 続いて、半周期Ｔ１の時間のカウント数を所定の分解能ｎで除算して、時間ｔ１（＝Ｔ１／ｎ）を得る。ここで、分解能ｎは、三角波電圧ＶＢのスロープの滑らかさを規定する量であり、分解能ｎが高い程、三角波電圧ＶＢのスロープが滑らかになる。
（工程４） 続いて、三角波電圧ＶＢのピーク電圧Ｖｐを所定の分解能ｎで除算して、電圧ｖ１（＝Ｖｐ／ｎ）を得る。
（工程５） 続いて、図３に示すように、次のサイクルの波形２の立ち上がりタイミング（Ｔ２をカウントし始めるタイミング）で、上記電圧ｖ１だけ三角波電圧ＶＢを上昇させ、この三角波電圧ＶＢを上記時間ｔ１の間だけ維持する。
（工程６） 同じ波形２のサイクルにおいて、上記時間ｔ１が経過したタイミングで上記電圧ｖ１だけ三角波電圧ＶＢを更に上昇させ、これを全部でｎ回繰り返すと、図３に示すような階段状の波形が得られ、波形２のサイクルに対応する三角波電圧のスロープ部分に相当する階段状の波形が得られる。分解能ｎの値を大きくすれば、階段状の波形が滑らかになり、一層良好な三角波を得ることができる。

以上の工程により、１サイクル前の交流電圧ＶＡの波形を用いて、交流電圧ＶＡの各周期に対応した三角波電圧であって、ピーク電圧Ｖｐが一定の電圧波形を生成する。

上述の三角波電圧の発生メカニズムを利用した同期三角波発生回路１２は、本バッテリ充電装置においてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のＯＮ・ＯＦＦタイミング（進角／遅角量θ）を制御するための三角波電圧を生成する。この同期三角波発生回路１２は、例えば、カウンタと、除算回路と、波形生成回路とから構成することができる。カウンタは、交流発電機が出力する第１サイクルの交流電圧波形の半周期の時間（図２の例えば波形１のサイクルにおける時間Ｔ１）をカウントする。除算回路は、上記カウンタによるカウント数を所定の分解能ｎ（所定値）で除算する。波形生成回路は、第１サイクル後の第２サイクル（図２の例えば波形２のサイクル）において上記第１サイクルでの除算回路の除算結果で示される時間ｔ１の経過ごとに所定電圧ｖ１だけ上昇する階段状の電圧波形を生成する。この階段状の電圧波形は上記三角波電圧の波形として出力される。

［進角／遅角制御におけるスイッチング素子の通電タイミングについての説明］
次に、同期三角波発生回路１２から出力される三角波と、誤差アンプ１３から出力される誤差アンプ出力Ｖｃと基に、比較回路１４で生成されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の通電タイミング（進角／遅角量θ）について説明する。

図４Ａおよび図５Ａは、スイッチング素子の進角／遅角制御における通電タイミングについて説明するための図である。図４Ａは、バッテリ電圧Ｖｂａｔが高く、「Ｖｆｂ＞Ｖｒｅｆ、Ｖｃ＜０」の場合の進角制御状態（バッテリ放電状態）を示し、図５Ａは、バッテリ電圧Ｖｂａｔが低く、「Ｖｆｂ＜Ｖｒｅｆ、Ｖｃ＞０」の場合の遅角制御状態（バッテリ充電状態）を示している。

図４Ａの進角制御タイミング（０°〜１２０°（１８０°通電））を示す図において、図４Ａの波形（１）は、Ｕ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｕを示し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路１１から出力される信号である。

図４Ａの波形（２）は、Ｗ相の矩形波から生成した三角波Ａを示し、同期三角波発生回路１２から出力される信号である。図４Ａの波形（３）は、三角波Ａを１８０°位相シフトした三角波Ａ´を示し、同期三角波発生回路１２から出力される信号である。

図４Ａの波形（４）は、Ｖ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｖを示し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路１１から出力される信号である。

図４Ａの波形（５）は、Ｕ相の矩形波から生成した三角波Ｂを示し、同期三角波発生回路１２から出力される信号である。図４Ａの波形（６）は、三角波Ｂを１８０°位相シフトした三角波Ｂ´を示し、同期三角波発生回路１２から出力される信号である。

図４Ａの波形（７）は、Ｗ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｗを示し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路１１から出力される信号である。

図４Ａの波形（８）は、Ｖ相の矩形波から生成した三角波Ｃを示し、同期三角波発生回路１２から出力される信号である。図４Ａの波形（９）は、三角波Ｃを１８０°位相シフトした三角波Ｃ´を示し、同期三角波発生回路１２から出力される信号である。

上記三角波Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´、Ｃ、Ｃ´は、比較回路１４に入力され、比較回路１４において、それぞれ誤差アンプ出力Ｖｃと比較される。

図４Ａの波形（２）において、図４Ｂに示されたＵ相のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４の通電タイミング（進角／遅角量θ）を決めるために、Ｗ相の矩形波Ｒｗから生成された三角波Ａが使用される。この理由は、三角波Ａと一点鎖線で示す線（進角０°の線）との交点Ｘ０を基準にして、進角０°〜１２０°、遅角０°〜６０°の範囲で、進角／遅角制御を行えるようにするためである。例えば、この三角波としてＵ相の矩形波Ｒｕから生成される三角波Ｃを使用すると、制御範囲が進角側に片寄り、三角波Ｃ´を使用すると、制御範囲が遅角側に片寄り、進角０°〜１２０°、遅角０°〜６０°などの適切な範囲で進角／遅角制御を行えなくなるためである。

このようにして、Ｗ相の矩形波Ｒｗから生成された三角波Ａと誤差アンプ出力Ｖｃとが比較される。すなわち、三角波Ａと誤差アンプ出力Ｖｃとの交点Ｘａにより、Ｕ相の上側のスイッチング素子Ｑ１のＯＮタイミングが決定され、Ｕ相の下側のスイッチング素子Ｑ４のＯＦＦタイミングが決定される。また、これにより、Ｕ相の進角／遅角量θが決定される。

この例では、バッテリ充電電圧が基準電圧よりも高く誤差アンプ出力「Ｖｃ＜０」の例であり、一点鎖線で示す進角／遅角量０°の線Ｌ０（Ｖｃ＝０のレベルの線）よりもＶｃが低くなり、三角波ＡとＶｃの交点Ｘaが、三角波と線Ｌ０の交点Ｘ０よりも先になり、進角制御が行われる。

同様にして、三角波Ａ´と誤差アンプ出力Ｖｃとの交点により、Ｕ相のスイッチング素子Ｑ１のＯＦＦタイミングと、スイッチング素子Ｑ４のＯＮタイミングが決定される。

なお、図４Ａの波形（２）、（３）において、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４のＯＮタイミングは、Ｑ１、Ｑ４のＯＦＦタイミングよりわずかに遅れるように設定される。これは、上下のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４の同時ＯＮを避けるために、ＯＦＦタイミングからＯＮタイミングをわずかに遅らせ、デッドタイム（ＦＥＴ素子のＯＮ、ＯＦＦ時間特性に応じて決められる遅れ時間）を設けるためである。

上述したように、Ｕ相においては、Ｗ相のサブコイルＳｗの検出電圧に同期した矩形波Ｒｗを基に生成された三角波Ａ、Ａ´と、誤差アンプ出力Ｖｃとを比較することにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４のＯＮ、ＯＦＦタイミング（進角／遅角量θ）を決定することができる。また、進角の制御範囲は、０°〜１２０°、遅角の範囲は０°〜６０°となる。

同様にして、Ｖ相においては、Ｕ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｕを基に生成された三角波Ｂ、Ｂ´と、誤差アンプ出力Ｖｃとを比較することにより、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５のＯＮ、ＯＦＦタイミング（進角／遅角量θ）を決定することができる。また、進角の制御範囲は、０°〜１２０°となり、遅角の範囲は０°〜６０°となる。

同様にして、Ｗ相においては、Ｖ相のサブコイルＳｖの検出電圧に同期した矩形波Ｒｖを基に生成された三角波Ｃ、Ｃ´と、誤差アンプ出力Ｖｃとを比較することにより、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ６のＯＮ、ＯＦＦタイミング（進角／遅角量θ）を決定することができる。また、進角の制御範囲は、０°〜１２０°となり、遅角の範囲は０°〜６０°となる。

また、図５Ａの遅角制御タイミング（０°〜１２０°（１８０°通電））を示す図は、図４Ａに示す進角制御状態（Ｖｃ＜０）が、遅角制御状態（Ｖｃ＞０）に変わった場合の動作を示すものである。

図４Ａと同様に、図５Ａの波形（１）は、Ｕ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｕを示し、図５Ａの波形（２）は、Ｗ相の矩形波から生成した三角波Ａを示し、図５Ａの波形（３）は、三角波Ａを１８０°位相シフトした三角波Ａ´を示している。

図５Ａの波形（４）は、Ｖ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｖを示し、図５Ａの波形（５）は、Ｕ相の矩形波から生成した三角波Ｂを示し、図５Ａの波形（６）は、三角波Ｂを１８０°位相シフトした三角波Ｂ´を示している。

図５Ａの波形（７）は、図５Ｂに示されたＷ相のサブコイルＳｕの検出電圧に同期した矩形波Ｒｗを示し、図５Ａの波形（８）は、Ｖ相の矩形波から生成した三角波Ｃを示し、図５Ａの波形（９）は、三角波Ｃを１８０°位相シフトした三角波Ｃ´を示している。

上記矩形波Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧検出回路１１から出力される矩形波であり、三角波Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´、Ｃ、Ｃ´は、同期三角波発生回路１２から出力される三角波である。三角波Ａ、Ａ´、Ｂ、Ｂ´、Ｃ、Ｃ´は比較回路１４に入力され、それぞれ誤差アンプ出力Ｖｃと比較される。

なお、図５Ａに示す動作は、図４Ａに示す進角制御状態（Ｖｃ＜０）が、遅角制御状態（Ｖｃ＞０）に変わっただけであるので、基本的な動作は同じであり、その動作説明については省略する。

［本発明における遅角リミットの設定方法についての説明］
図４Ａおよび図５Ａにおいて、進角／遅角制御における通電タイミング（進角／遅角量θ）の決め方について説明したが、本発明のバッテリ充電装置においては、遅角制御を行う場合に交流発電機の発電量が最大になる遅角量（遅角リミット値）以上に遅角を大きくしないように制御している。これは、遅角が遅角リミット値を超えると、交流発電機の発電量が逆に低下するためであり、本発明のバッテリ充電装置においては、この遅角リミット値の設定を自動で行うことができるように構成されている。

図６は、遅角リミット値の設定の工程を示すフローチャートである。以下、図６を参照して、本発明における遅角リミット値の設定の工程について説明する。

最初に、変数である、進角／遅角量θｎ−１と、発電量とを０（ゼロ）に設定する（ステップＳ１）。次に、バッテリの充電状態と、交流発電機の発電量を検出し、また、現在の進角量／遅角量θｎを検出し、これら記憶する（ステップＳ２）。

次に、変数として記憶された前回進角／遅角量θｎ−１と、現在の進角／遅角量θｎを比較する（ステップＳ３）。そして、「θｎ−１＞θｎ」の場合は、制御の向きが遅角量減少の方向であるので、遅角リミット値が設定されている場合には、この設定を解除（リセット）する（ステップＳ４）。それから、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ３において、「θｎ＞θｎ−１」の場合は、制御の向きが遅角量増加の方向であり、ステップＳ５に移行し、既に遅角リミット値が設定されているか否かを判定する。

ステップＳ５において、既に遅角リミット値が設定されていると判定された場合は、この遅角量を遅角リミット値に設定して（ステップＳ６）ステップＳ２に戻る。そして、遅角制御においては、遅角量がこの遅角リミット値を超えないように制御される。なお、この遅角リミット値は、制御方向が遅角量減少の方向に向く（例えば、バッテリ充電電圧が上昇する）まで維持される。

ステップＳ５において、遅角リミット値が設定されていないと判定された場合は、ステップＳ７に移行し、「前回発電量＞今回発電量」であるか否かが判定される（ステップＳ７）。

ステップＳ７において、「前回発電量＞今回発電量」と判定された場合は、前回発電量における遅角量を遅角リミット値に設定する（ステップＳ８）。これは、図７の遅角リミット値の設定方法を示す図のように、遅角量の増加にも拘わらず、前回発電量Ｐｎ−１よりも今回発電量Ｐｎの方が小さい場合は、Ｐｎ−１からＰｎまでの区間θ_Ａに最大発電量となる点があると推定されるので、前回発電量Ｐｎ−１における遅角量θｎ−１を遅角リミット値として設定する。

また、ステップＳ７において、「前回発電量＜今回発電量」と判定された場合は、遅角リミット値を設定することなく、ステップＳ２に戻る。

以上説明した工程により、最大発電量（正確には略最大発電量）を与える遅角リミット値を自動的に設定することができ、遅角量がこの遅角リミット値を超えないように進角／遅角制御を行うことができるようになる。また、図７に示すように、区間θ_Ａ内に最大発電量となる点があることが分かり、遅角量が増える制御の際は、遅角が最大発電量を与える点の周辺を追従するようにできる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のバッテリ充電装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明においては、交流発電機、バッテリの種類、および排気量の大小にかかわらず、最適な遅角リミット値を自動設定できる効果を奏するので、本発明は、バッテリ充電装置、および前記装置における遅角制御方法等に有用である。

Claims (6)

1. 交流発電機とバッテリとの間に接続され、前記交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給するバッテリ充電装置であって、
   スイッチング素子でブリッジ構成されると共に、前記スイッチング素子の通電タイミングを前記交流発電機の交流出力電圧の位相に対して進み又は遅らせることにより進角／遅角制御を行う整流回路と、
   前記交流発電機の出力電圧と出力電流を検出し、前記交流発電機の発電量を算出する発電量算出回路と、
   前記バッテリの電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、前記差分電圧に基づき前記スイッチング素子の通電タイミングの進角／遅角量を求める進角／遅角算出回路と、
   前記進角／遅角算出回路により求めた進角／遅角量により前記スイッチング素子の進角／遅角制御を行うと共に、遅角制御を行うときに、遅角量が遅角リミット値を超える場合は、前記遅角リミット値により前記スイッチング素子の遅角制御を行う進角／遅角制御回路と、
   前記遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を前記遅角リミット値として設定する遅角リミット値設定回路と、
   を備えることを特徴とするバッテリ充電装置。
2. 前記進角／遅角制御回路は、
   前記進角／遅角算出回路により求めた進角／遅角量が遅角量であり、かつ遅角リミット値が設定されていない場合、または遅角リミット値以下の場合には、前記求めた遅角量により前記スイッチング素子の遅角制御を行い、
   前記遅角リミット値設定回路は、
   前記遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、
   前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を前記遅角リミット値として設定し、
   前回の遅角量よりも今回の遅角量が小さい場合には、前記遅角リミット値の設定を解除すること
   を特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電装置。
3. 前記交流発電機は、出力電圧を検出するサブコイルと、出力電流を検出する電流センサとを備え、
   前記バッテリ充電装置は、
   前記交流発電機のサブコイルで検出した電圧波形から前記電圧波形に同期した矩形波を生成する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路から出力される矩形波の信号に同期した三角波を生成する同期三角波発生回路と、
   前記バッテリの電圧と所定の目標電圧とを比較し誤差信号を出力する誤差アンプと、
   をさらに備え、
   前記発電量算出回路は、前記サブコイルにより検出された前記交流発電機の前記出力電圧と、前記電流センサにより検出された前記交流発電機の前記出力電流の値を基に、前記交流発電機の前記発電量を算出し、
   前記進角／遅角算出回路は、前記同期三角波発生回路から出力される前記三角波と前記誤差アンプの出力とを比較することにより前記進角／遅角量を求める比較回路を有し、
   前記進角／遅角制御回路は、前記比較回路から前記進角／遅角量を受け取り、
   前記遅角リミット値設定回路は、前記比較回路により求められた遅角量と、前記発電量算出回路により求められた発電量とを記憶する
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電装置。
4. 前記電圧検出回路における矩形波、および前記同期三角波発生回路における三角波が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相ごとに生成され、
   前記比較回路において、前記同期三角波発生回路から出力される三角波と誤差アンプ出力とを比較して前記進角／遅角量を求める場合に、
   Ｕ相の進角／遅角量は、前記同期三角波発生回路から出力されるＷ相の三角波と、前記誤差アンプ出力とを比較して求め、
   前記Ｖ相の進角／遅角量は、前記同期三角波発生回路から出力されるＵ相の三角波と、前記誤差アンプ出力とを比較して求め、
   前記Ｗ相の進角／遅角量は、前記同期三角波発生回路から出力されるＶ相の三角波と、前記誤差アンプ出力とを比較して求める
   ことを特徴とする請求項３に記載のバッテリ充電装置。
5. 前記スイッチング素子は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、前記スイッチング素子の３相ブリッジ整流回路を備え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。
6. 交流発電機とバッテリとの間に接続され、前記交流発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給するバッテリ充電装置における遅角制御方法であって、
   ブリッジ構成のスイッチング素子を使用すると共に、前記スイッチング素子の通電タイミングを前記交流発電機の交流出力電圧の位相に対して進み又は遅らせることにより進角／遅角制御を行う整流工程と、
   前記交流発電機の出力電圧と出力電流を検出し、前記交流発電機の発電量を算出する発電量算出工程と、
   前記バッテリの電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、前記差分電圧に基づき前記スイッチング素子の通電タイミングの進角／遅角量を求める進角／遅角算出工程と、
   前記進角／遅角算出工程により求めた進角／遅角量により前記スイッチング素子の進角／遅角制御を行うと共に、遅角制御を行うときに、遅角量が遅角リミット値を超える場合は、前記遅角リミット値により前記スイッチング素子の遅角制御を行う進角／遅角制御工程と、
   前記遅角量と発電量とを記憶すると共に、前回の遅角量及び発電量と、今回の遅角量及び発電量とを比較し、前回の遅角量よりも今回の遅角量が大きく、かつ前回の発電量が今回の発電量よりも大きい場合には、前回の遅角量を前記遅角リミット値として設定する遅角リミット値設定工程と、
   を含むことを特徴とする遅角制御方法。

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