JP5032357B2 - バッテリ充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧を整流してバッテリを充電するバッテリ充電回路に関する。

図３は、従来のバッテリ充電回路（例えば、特許文献１参照）の構成を示す回路図、図４は、発電機の電流・電圧波形である。図３及び図４を参照して従来のバッテリ充電回路の動作を説明する。

まず、バッテリＢの電圧Ｖ_Ｂが小さい（バッテリＢが十分に充電されていない）場合、具体的には、電圧Ｖ_ＢがツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧によって決まる所定電圧よりも小さい場合、電圧検出回路４において、ツェナーダイオードＺＤ１に逆方向（バッテリＢの正極側から負極側）の電流は流れず、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間に電流は流れないので、トランジスタＱ１はオフとなる。このとき、スイッチ制御回路５において、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に電流は流れないのでトランジスタＱ２もオフとなり、スイッチ回路３において、各サイリスタＳ１〜Ｓ３はゲート電流がゼロのためオフ状態（アノードからカソードへ電流が流れない状態）となる。したがって、発電機１の出力する三相交流電圧（図４（Ａ））が整流回路２の各ダイオードＤ１〜Ｄ６によって整流され、整流後の電圧（図４（Ｂ））を充電電圧としてバッテリＢへの充電が行われる。

次に、バッテリＢが十分に充電されてその電圧Ｖ_Ｂが上記の所定電圧よりも大きくなった場合、電圧検出回路４において、バッテリＢからツェナーダイオードＺＤ１へ逆方向の電流が流れることによりトランジスタＱ１がオンになる。すると、スイッチ制御回路５において、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に電流が流れてトランジスタＱ２もオンになるので、スイッチ回路３において、各サイリスタＳ１〜Ｓ３にトランジスタＱ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ３を介してゲート電流が流れ、各サイリスタＳ１〜Ｓ３はオン状態（アノードからカソードへ電流が流れる状態）となる。したがって、発電機１は、三相の各相がダイオードＤ４〜６を介して短絡され、その結果、バッテリＢは非充電の状態になる。
特開平１０−７０８５１号公報

ここで、三相のそれぞれに対して設けられた３つのサイリスタＳ１〜Ｓ３のうちオン状態のサイリスタに接続される相（短絡相）と、オフ状態のサイリスタに接続される相（充電相）とでは、インピーダンスが異なるため、図４（Ａ）に示されるように、短絡相（図ではＵ相）の経路にのみ大きな電流が流れ、充電相（図ではＶ相，Ｗ相）の経路には小さな電流が流れるようになり、三相間に電流の偏りが生じる。ところが、オン状態のサイリスタをオフ状態にしようと制御しても、サイリスタがオフに切り替わるまでには所定の時間がかかるため、そのサイリスタが実際にオフ状態となる前に次のオン状態に切り替える制御が開始されるという状況が発生し得る。このような状況になると、大きな電流が流れている短絡相のサイリスタがオン状態となったままとなる一方、小さな電流しか流れていない充電相のサイリスタがオフ状態となったままとなる。即ち、バッテリＢの充電は小さな電流しか流れていない相（図４（Ｂ）のＶ相，Ｗ相）によってのみ行われることになり、バッテリＢを効率よく充電することができないということが問題となる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バッテリの充電と非充電を切り替えるスイッチ手段を確実に切り替えてバッテリを効率よく充電することが可能なバッテリ充電回路を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、発電機が出力する三相の交流電圧を整流してバッテリを充電する充電電圧を作る整流手段と、前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことを検出する電圧検出手段と、オフ状態で前記整流手段を介して前記バッテリを充電させ、オン状態で前記整流手段を介して前記発電機を短絡させるスイッチ手段と、前記電圧検出手段により前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことが検出されると前記スイッチ手段をオン状態とするスイッチ制御手段と、を備えたバッテリ充電回路において、前記スイッチ手段をオン状態からオフ状態へ切り替えてオフ状態を持続させる制御手段を備え、前記制御手段は、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオン状態とする制御の際に充電され、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオフ状態とする制御の際に放電するコンデンサを有し、前記電圧検出手段は、前記コンデンサの放電によってベースが逆バイアスされる第１トランジスタを有し、前記スイッチ制御手段は、ベースが前記第１トランジスタのコレクタに接続されて、そのコレクタ電流によって前記スイッチ手段のオン状態及びオフ状態を制御する第２トランジスタを有することを特徴とする。

また、本発明は、発電機が出力する三相の交流電圧を整流してバッテリを充電する充電電圧を作る整流手段と、前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことを検出する電圧検出手段と、オフ状態で前記整流手段を介して前記バッテリを充電させ、オン状態で前記整流手段を介して前記発電機を短絡させるスイッチ手段と、前記電圧検出手段により前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことが検出されると前記スイッチ手段をオン状態とするスイッチ制御手段と、を備えたバッテリ充電回路において、前記スイッチ手段がオン状態の時はオン状態を持続させ、オフ状態の時はオフ状態を持続させる制御手段を備え、前記制御手段は、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオン状態とする制御の際に充電され、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオフ状態とする制御の際に放電するコンデンサを有し、前記電圧検出手段は、前記コンデンサの放電によってベースが逆バイアスされる第１トランジスタを有し、前記スイッチ制御手段は、ベースが前記第１トランジスタのコレクタに接続されて、そのコレクタ電流によって前記スイッチ手段のオン状態及びオフ状態を制御する第２トランジスタを有することを特徴とする。

本発明によれば、スイッチ手段をオフ状態とする制御が継続して行われるので、この制御の継続中にスイッチ手段は確実にオン状態からオフ状態に切り替わることができる。したがって、スイッチ手段が常にオン状態となって小さい電流の相によってのみバッテリが充電されるという状況が発生することを防止でき、バッテリ充電を効率よく行うことが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるバッテリ充電回路の構成を示す回路図である。バッテリ充電回路は、発電機１が出力する三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の交流電圧を整流してバッテリＢを充電する充電電圧を作る整流回路２と、バッテリＢの電圧が所定電圧以上になったことを検出する電圧検出回路４と、オフ状態で整流回路２を介してバッテリＢを充電させ、オン状態で整流回路２を介して発電機１を短絡させるスイッチ回路３と、電圧検出回路４によりバッテリＢの電圧が所定電圧以上になったことが検出されるとスイッチ回路３をオン状態とするスイッチ制御回路５と、スイッチ回路３がオン状態の時はオン状態を持続させ、オフ状態の時はオフ状態を持続させる制御回路６と、を有している。

発電機１は、バッテリＢを充電するためのＵ相，Ｖ相，Ｗ相からなる三相交流電圧を発生させるものである。

整流回路２は、ダイオードＤ１〜Ｄ６から構成され、ダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ４のカソードが発電機１のＵ相に、ダイオードＤ２のアノード及びダイオードＤ５のカソードが発電機１のＶ相に、ダイオードＤ３のアノード及びダイオードＤ６のカソードが発電機１のＷ相に、それぞれ接続されている。またダイオードＤ１〜Ｄ３のカソードはバッテリＢの正極に接続され、ダイオードＤ４〜Ｄ６のアノードはバッテリＢの負極に接続されている。

スイッチ回路３は、サイリスタＳ１〜Ｓ３及び抵抗Ｒ１〜Ｒ３から構成される。各サイリスタＳ１〜Ｓ３は、アノードがそれぞれ発電機１のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に接続され、カソードがダイオードＤ４〜Ｄ６のアノードに共通に接続されている。各サイリスタＳ１〜Ｓ３のゲートには、それぞれ抵抗Ｒ１〜Ｒ３の一端が接続され、これらの抵抗Ｒ１〜Ｒ３の他端はスイッチ制御回路５に共通に接続されている。

電圧検出回路４は、バッテリＢの正極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のアノードにアノードが接続されたダイオードＤ７と、ダイオードＤ７のカソードに一端が接続された抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ４の他端にベースが接続されバッテリＢの負極にエミッタが接続されたトランジスタＱ１と、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間に並列接続された抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ２と、から構成される。トランジスタＱ１のコレクタはスイッチ制御回路５に接続されている。

スイッチ制御回路５は、トランジスタＱ１のコレクタに一端が接続された抵抗Ｒ６と、抵抗Ｒ６の他端にベースが接続されバッテリＢの正極にエミッタが接続されたトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に並列接続された抵抗Ｒ７及びコンデンサＣ３と、から構成される。トランジスタＱ２のコレクタは、スイッチ回路３の抵抗Ｒ１〜Ｒ３、及び制御回路６に接続されている。

制御回路６は、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ８と、ツェナーダイオードＺＤ２と、抵抗Ｒ８〜Ｒ１０と、から構成される。コンデンサＣ１は、トランジスタＱ２のコレクタとトランジスタＱ１のベースとの間に設けられている。ダイオード８は、アノードがトランジスタＱ２のコレクタに接続されるようにしてトランジスタＱ２とコンデンサＣ１の間に設けられる。コンデンサＣ１とダイオード８の間には抵抗Ｒ８が、コンデンサＣ１とトランジスタＱ１のベースの間には抵抗Ｒ９が、それぞれ設けられる。ツェナーダイオードＺＤ２は、カソードがコンデンサＣ１と抵抗Ｒ８の接続点に接続され、アノードがバッテリＢの負極に接続される。またツェナーダイオードＺＤ２と並列に抵抗Ｒ１０が接続される。

以上のように構成されたバッテリ充電回路の動作を、図２に示す発電機１の電流・電圧波形を参照しながら説明する。

まず、バッテリＢの電圧Ｖ_Ｂが小さい（バッテリＢが十分に充電されていない）場合、具体的には、電圧Ｖ_ＢがツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧によって決まる所定電圧よりも小さい場合、電圧検出回路４において、ツェナーダイオードＺＤ１に逆方向（バッテリＢの正極側から負極側）の電流は流れず、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間に電流は流れないので、トランジスタＱ１はオフとなる。このとき、スイッチ制御回路５において、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に電流は流れないのでトランジスタＱ２もオフとなり、スイッチ回路３において、各サイリスタＳ１〜Ｓ３はゲート電流がゼロのためオフ状態（アノードからカソードへ電流が流れない状態）となる。したがって、発電機１の出力する三相交流電圧（図２（Ａ））が整流回路２の各ダイオードＤ１〜Ｄ６によって整流され、整流後の電圧を充電電圧としてバッテリＢへの充電が行われる（図２（Ｂ）の充電期間）。つまり、Ｕ相の電流はダイオードＤ１，バッテリＢ，ダイオードＤ５を介して流れ、Ｖ相の電流はダイオードＤ２，バッテリＢ，ダイオードＤ６を介して流れ、Ｗ相の電流はダイオードＤ３，バッテリＢ，ダイオードＤ４を介して流れ、こうして整流された充電電圧によって、バッテリＢが充電される。

次に、バッテリＢが十分に充電されてその電圧Ｖ_Ｂが上記の所定電圧よりも大きくなった場合、電圧検出回路４において、バッテリＢからツェナーダイオードＺＤ１へ逆方向の電流が流れることによりトランジスタＱ１がオンになる。すると、スイッチ制御回路５において、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に電流が流れてトランジスタＱ２もオンになるので、スイッチ回路３において、各サイリスタＳ１〜Ｓ３にトランジスタＱ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ３を介してゲート電流が流れ、各サイリスタＳ１〜Ｓ３はオン状態（アノードからカソードへ電流が流れる状態）となる。したがって、発電機１は、Ｕ相がサイリスタＳ１，ダイオードＤ５を介して短絡され、Ｖ相がサイリスタＳ２，ダイオードＤ６を介して短絡され、Ｗ相がサイリスタＳ３，ダイオードＤ４を介して短絡され、その結果、バッテリＢは非充電の状態になる（図２（Ｂ）の非充電期間）。

更に、上記のようにトランジスタＱ２がオンになると、そのエミッタ・コレクタ間を流れる電流の一部がダイオードＤ８を介して制御回路６へと流れ込み、この流れ込んだ電流によって制御回路６のコンデンサＣ１が充電される。コンデンサＣ１が充電されると、電圧検出回路４のトランジスタＱ１はベース電位が高電位に維持されるのでオンが継続し、これによりスイッチ制御回路５のトランジスタＱ２もオンが継続する。このとき、各サイリスタＳ１〜Ｓ３は、発電機１の交流電圧が負電圧となった際に一旦オフ状態となるが、トランジスタＱ２のオンが継続しゲート電流が流れていることにより、発電機１の交流電圧が正電圧となった時点で再びオン状態となる。このようにして、各サイリスタＳ１〜Ｓ３はオン状態が持続するように制御されて、バッテリＢが非充電の状態が所定期間継続することになる（図２（Ｂ）の非充電期間）。

その後、バッテリＢが不図示の外部回路等によって電力を消費されてその電圧Ｖ_Ｂが上記の所定電圧を再び下回った場合、ツェナーダイオードＺＤ１に逆方向の電流が流れなくなる。これにより、電圧検出回路４のトランジスタＱ１はオフになり、スイッチ制御回路５のトランジスタＱ２もオフになる。すると、制御回路６のコンデンサＣ１は上記充電した電荷を放電するので、電圧検出回路４のトランジスタＱ１のベースに逆バイアスがかかった状態となる。この状態では、再びツェナーダイオードＺＤ１に逆方向の電流が流れたとしても、ベースに逆バイアスがかかっているためトランジスタＱ１のオフが継続し、その結果、スイッチ制御回路５のトランジスタＱ２もオフが継続する。したがって、各サイリスタＳ１〜Ｓ３のゲート電流がゼロである期間が十分に確保されることになるため、各サイリスタＳ１〜Ｓ３は、その期間中に確実にオフ状態に切り替わることができ、その後も、トランジスタＱ２のオフが継続することによりオフ状態が持続する。このようにして、各サイリスタＳ１〜Ｓ３は、電圧検出回路４のトランジスタＱ１のベースに逆バイアスがかかっている間、即ち制御回路６のコンデンサＣ１が放電を行っている間、オン状態からオフ状態へと切り替わってオフ状態が持続するように制御されて、このオフ状態の持続期間中、前述した動作と同様にしてバッテリＢの充電が行われる。

このように、コンデンサＣ１が放電を行っている期間中はトランジスタＱ２のオフが継続するので、各サイリスタＳ１〜Ｓ３はこの期間中に確実にオフ状態に切り替わることができる。したがって、各サイリスタＳ１〜Ｓ３が常にオン状態となってバッテリＢが充電されなくなってしまう、という状況が発生することを防ぐことができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、スイッチ回路３は、サイリスタＳ１〜Ｓ３に代えて、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタによるスイッチング素子からなるものであってもよい。

本発明の一実施形態によるバッテリ充電回路の構成を示す回路図である。 図１の構成において発電機の電流・電圧波形を示す図である。 従来のバッテリ充電回路の構成を示す回路図である。 図３の構成において発電機の電流・電圧波形を示す図である。

符号の説明

１…発電機 ２…整流回路 ３…スイッチ回路 ４…電圧検出回路 ５…スイッチ制御回路 ６…制御回路 Ｂ…バッテリ Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード Ｓ１〜Ｓ３…サイリスタ ＺＤ１〜ＺＤ２…ツェナーダイオード Ｑ１〜Ｑ２…トランジスタ Ｒ１〜Ｒ１０…抵抗 Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ

Claims (2)

1. 発電機が出力する三相の交流電圧を整流してバッテリを充電する充電電圧を作る整流手段と、
   前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことを検出する電圧検出手段と、
   オフ状態で前記整流手段を介して前記バッテリを充電させ、オン状態で前記整流手段を介して前記発電機を短絡させるスイッチ手段と、
   前記電圧検出手段により前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことが検出されると前記スイッチ手段をオン状態とするスイッチ制御手段と、
   を備えたバッテリ充電回路において、
   前記スイッチ手段をオン状態からオフ状態へ切り替えてオフ状態を持続させる制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオン状態とする制御の際に充電され、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオフ状態とする制御の際に放電するコンデンサを有し、
   前記電圧検出手段は、前記コンデンサの放電によってベースが逆バイアスされる第１トランジスタを有し、
   前記スイッチ制御手段は、ベースが前記第１トランジスタのコレクタに接続されて、そのコレクタ電流によって前記スイッチ手段のオン状態及びオフ状態を制御する第２トランジスタを有することを特徴とするバッテリ充電回路。
2. 発電機が出力する三相の交流電圧を整流してバッテリを充電する充電電圧を作る整流手段と、
   前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことを検出する電圧検出手段と、
   オフ状態で前記整流手段を介して前記バッテリを充電させ、オン状態で前記整流手段を介して前記発電機を短絡させるスイッチ手段と、
   前記電圧検出手段により前記バッテリの電圧が所定電圧以上になったことが検出されると前記スイッチ手段をオン状態とするスイッチ制御手段と、
   を備えたバッテリ充電回路において、
   前記スイッチ手段がオン状態の時はオン状態を持続させ、オフ状態の時はオフ状態を持続させる制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオン状態とする制御の際に充電され、前記スイッチ制御手段が前記スイッチ手段をオフ状態とする制御の際に放電するコンデンサを有し、
   前記電圧検出手段は、前記コンデンサの放電によってベースが逆バイアスされる第１トランジスタを有し、
   前記スイッチ制御手段は、ベースが前記第１トランジスタのコレクタに接続されて、そのコレクタ電流によって前記スイッチ手段のオン状態及びオフ状態を制御する第２トランジスタを有することを特徴とするバッテリ充電回路。

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