JP5048458B2 - バッテリ充電器 - Google Patents

Description

本発明は、誤ってバッテリの電極の正負の極性を逆にバッテリ充電器に接続した場合に、バッテリ充電器を故障から保護する機能を有するバッテリ充電器に関する。

一般に、バッテリ充電器はバッテリを充電するため、電源端子とグランド端子とを有し、この電源端子にバッテリの正極端子を接続し、グランド端子に負極端子を接続することにより、バッテリに適正な充電電流を流し、充電動作を行う構成となっている。
しかしながら、バッテリの負極端子をバッテリ充電器に接続し、バッテリの正極端子をバッテリ充電器のグランド端子に接続、すなわち電位関係の極性を正負逆に接続すると、バッテリ充電器内部に異常電流が流れ、故障の原因となる。

図３に示すように、例えば車載用のバッテリ充電器の場合、バッテリ充電器の構造的特徴から、バッテリＢの端子の極性を逆にバッテリ充電器に接続した場合、発電機１からの電流を整流する整流ダイオード２を介して短絡電流が流れ、その熱によりバッテリ充電器を故障させることとなる。
上述した誤接続に対応して、バッテリ充電器を保護するため、バッテリとバッテリ充電器との間にヒューズＨを設け、誤接続した際に流れる異常電流により、ヒューズＨを溶断させて、バッテリ充電器が破壊されるのを防止するため、長期間にわたって異常電流を流さないようにしている（例えば、特許文献１）。
特開２０００−３８４６４８号公報

しかしながら、特許文献１に示す保護方法にあっては、誤って接続した場合にヒューズＨが溶断してしまうため、バッテリをつなぎ直す際に、ヒューズＨを交換する必要があり、替えのヒューズＨが無いと車を起動できないという問題がある。さらに、ヒューズＨが溶断するまでの間は電流が流れるので、破壊の可能性を完全に取り去ることはできない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、バッテリ充電器に対して極性が逆となるようバッテリの端子を接続した際、バッテリからバッテリ充電器に異常電流が流れることを防止するバッテリ充電器を提供することを目的とする。

本発明のバッテリ充電器は、発電機と、発電機の出力する交流電圧を整流して、直流の充電電圧を出力する整流器と、前記充電電圧の電圧値をバッテリに充電する充電電圧となるよう制御する制御回路と、前記バッテリ充電器における＋側端子及び−側端子間の電圧値に応じた検出電圧を出力する電圧検出手段と、前記バッテリ充電器の＋側端子または−側端子と、前記バッテリの各端子との間に介挿され、前記検出電圧の電圧値に応じてオン／オフするスイッチ手段とを有することを特徴とする。

本発明のバッテリ充電器は、前記電圧検出手段が、複数の抵抗が直列に接続された分圧回路で構成されており、正常にバッテリが接続されていることの検出に用いる検出電圧を、各抵抗の接続点のいずれかから出力するよう設定されていることを特徴とする。

本発明のバッテリ充電器は、前記スイッチ手段が前記バッテリ充電器の−側端子と、バッテリの端子との間に介挿されており、前記電圧検出手段から検出される検出電圧が、正常にバッテリが接続されていることを示す閾値電圧以上である場合にオン状態となることを特徴とする。

本発明のバッテリ充電器は、前記スイッチ手段がＮチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、ゲートに前記検出電圧が入力され、ソースが前記バッテリ充電器の−側端子に接続され、ドレインが前記バッテリの−側端子に接続されていることを特徴とする。

本発明のバッテリ充電器は、前記スイッチ手段がＩＧＢＴであり、ゲートに前記検出電圧が入力され、エミッタが前記バッテリ充電器の−側端子に接続され、コレクタが前記バッテリの−側端子の端子に接続されていることを特徴とする。

本発明のバッテリ充電器は、前記スイッチ手段が前記バッテリ充電器の＋側端子と、バッテリの端子との間に介挿されており、前記電圧検出手段から検出される検出電圧が、正常にバッテリが接続されていることを示す閾値電圧以上である場合にオン状態となることを特徴とする。

本発明のバッテリ充電器は、前記スイッチ手段がＰチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、ゲートに前記検出電圧が入力され、ソースが前記バッテリ充電器の＋側端子に接続され、ドレインが前記バッテリの＋側の端子に接続されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、電源として用いる複数のバッテリを接続するバッテリ充電器において、いずれかのバッテリを極性を逆にして接続した場合であっても、整流ダイオードを介してバッテリから充電器に対して異常電流が流れることを防止することができ、従来例のように異常電流によりヒューズを溶断させることがなく、バッテリの逆接続によるヒューズの取り替えをする必要がなくなる。
したがって、本発明によれば、ヒューズを設ける必要がなくなり、バッテリを誤って逆に接続しても、接続を正常にすることによりすぐに復帰させることができる。

また、本発明（請求項３、４）によれば、発電機の−側端子とバッテリの−側端子との間に介挿されるスイッチ手段として、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いており、ＯＮ抵抗が小さくでき電圧ドロップが少なく、正常に接続された際、効率的に発電機の発生する電圧をバッテリに印加することができ、かつＭＯＳトランジスタを１つのみにて、発電機とバッテリとの電気的な接続を切断することができ、製造コストを安価に抑えることできる。

また、同様に、本発明（請求項６、７）によれば、発電機の＋側端子とバッテリの＋側端子との間に介挿されるスイッチ手段として、ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタを用いており、ＯＮ抵抗が小さくでき電圧ドロップが少なく、正常に接続された際、効率的に発電機の発生する電圧をタバッテリに印加することができ、かつＭＯＳトランジスタを１つのみにて、発電機とバッテリとの電気的な接続を切断することができ、製造コストを安価に抑えることできる。

以下、本発明の一実施形態によるバッテリ充電器を図面を参照して説明する。図１は同実施形態によるバッテリ充電器の構成例を示すブロック図である。
この図において、バッテリＢは、バッテリ充電器により充電される対象のバッテリである。
発電機１はバッテリＢを充電するための充電電力を発生するものであり、車であればクランクシャフトやファンベルトの回転を用い、交流電圧を発生させている。

整流ダイオード２は、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２の直列接続と、ダイオードＤ３及びダイオードＤ４の直列接続と、ダイオオードＤ５及びダイオードＤ６の直列接続とが並列に、後述する端子１２及び端子１４間に、端子１２方向が順方向となるよう接続され、各ダイオードの接続点各々に、発電機１から入力される上記交流電圧（本実施形態似ては３相交流電圧）を整流して、バッテリＢに対する充電電圧ＶBを出力している。
充電電圧調整部３は、例えば、サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３で構成されており、制御回路４からの制御信号により、上記サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３をオンオフ制御（オン状態の場合、接続点１４に対して電流を流して）し、整流ダイオード２における並列接続された各直列ダイオード対のダイオード間の接続点の電圧値を調整し、上記充電電圧ＶBの電圧値の制御を行う。
上記制御回路４は、充電電圧ＶBの電圧値を検出し、予め設定された電圧となるよう上記充電調整部３に対して電圧値を調整するための上記制御信号を出力する。

充電器保護部５は、本発明の特徴的な構成であり、バッテリＢが逆の極性にて接続した場合、逆接続がされたバッテリの端子を上記整流ダイオード２に対して接続しない。
以下に、この充電保護回路５の構成を詳細に説明する。
充電器保護部５は、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２とから構成されている。図において上記ＭＯＳトランジスタＭ１と並列に接続されているダイオードＤ１は、ＭＯＳトランジスタＭ１の寄生ダイオードである。
抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２とは、整流ダイオード２における充電電圧ＶBを出力する＋側 （アノード側）の端子１２と、整流ダイオード２の−側（カソード側）の端子１４との間に直列接続され、＋側の端子１２と−側の端子１４とに印加された電圧を、接続点から抵抗比により分圧して検出電圧（＋側の端子１２及び−側の端子１４間の電圧に対応する検出電圧）として出力する。

ＭＯＳトランジスタＭ１は、ソースが整流ダイオード２の−側端子１４と接続され、ゲートが上記抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の接続点Ｓ１に接続され、ドレインがバッテリＢの−側端子に接続される端子Ｔ２に接続されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＭ１の寄生ダイオードであるダイオードＤ１はアノードが端子１４に接続され、カソードが端子Ｔ２に接続されている。
ここで、バッテリＢは正常接続状態において、＋側端子が整流ダイオード２の＋側端子に接続される端子Ｔ１に接続され、−側端子が整流ダイオード２の−側端子１４に、ＭＯＳトランジスタＭ１を介して端子Ｔ２に接続される。

また、上記ＭＯＳトランジスタＭ１の代わりに、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を利用することができる。この場合、ＩＧＢＴはエミッタが整流ダイオード２の−側端子１４に、ゲートが上記接続点Ｓ１に、コレクタが上記端子Ｔ２に接続されることとなる。また、寄生ダイオードＤ１の代わりに、ダイオードを各々ＩＧＢＴに並列に図１と同一方向の極性に接続する必要がある。

次に、図１を用いて本実施形態におけるバッテリ充電器における充電保護回路５の動作を説明する。このバッテリＢを取り付ける際、車が停止した状態にあり、発電機１は動作していない。
［バッテリＢが正常にバッテリ充電器に接続された場合］
バッテリＢの＋側端子が端子Ｔ１に接続され、−側端子が端子Ｔ２に接続されるため、直列接続された抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２間にバッテリＢの電圧がかかり、これら抵抗の抵抗値の比に対応した分圧電圧ＶS1（検出電圧）が接続点Ｓ１に発生する。

すなわち、発電機１が起動していないため、端子１４の電圧はほぼバッテリＢの−側の電位と同様であり（実際にはバッテリＢの−側端子の電圧に対してダイオードＤ１の順方向電圧）、ＭＯＳトランジスタＭ１はゲートの電圧が、ソースの電圧及びドレインの電圧より高く、閾値電圧を超えるためオン状態となる。端子Ｔ１及び端子Ｔ２間に、バッテリＢが正常に接続された場合、接続点Ｓ１にＭＯＳトランジスタＭ１の閾値電圧を超える電圧が生成されるよう、抵抗Ｒ１及びＲ２の比を構成する。
このとき、端子１２に＋側電圧、端子１４に−側電圧が印加された状態となるため、整流ダイオード２に対して逆方向の電圧が印加され、異常電流が流れない状態である。

［バッテリＢが逆にバッテリ充電器に接続された場合]
バッテリＢの−側端子が端子Ｔ１に接続され、＋側端子が端子Ｔ２に接続されるため、バッテリＢの−電位が端子Ｔ１に印加される。
しかしながら、逆電圧のために端子ＭＯＳトランジスタＭ１の寄生ダイオードＤ１に電流が流れない。
また、直列接続された抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の間に逆電圧が印加され、ＭＯＳトランジスタＭ１のソースの電圧より低い分圧電圧ＶS1が接続点Ｓ１に発生する。

このとき、ＭＯＳトランジスタＭ１はゲートの電圧が、ソースの電圧及びドレインの電圧より低いため、閾値電圧を超えることなくオフ状態となる。
このため、端子１２に−側電圧、端子１４に＋側電圧が印加され、整流ダイオード２に対して順方向の電圧が印加される状態であるが、ＭＯＳトランジスタＭ１がオフし、寄生ダイオードＤ１が逆方向であるため、バッテリＢからの異常電流は整流ダイオード２に対して流れない

また、他の実施形態として、図２に示すように、充電器保護部５を構成しても良い。
この他の実施形態における充電器保護部５は、上述した一実施形態と同様に、バッテリＢが逆の極性にて接続した場合、逆接続がされたバッテリは上記整流ダイオード２に対して接続されない。
以下に、この他の実施形態による充電保護回路５の構成を詳細に説明する。
充電器保護部５は、ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ２と、抵抗Ｒ３及びＲ４とから構成されている。図において上記ＭＯＳトランジスタＭ２と並列に接続されているダイオードＤ２は、ＭＯＳトランジスタＭ２の寄生ダイオードである。
抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４とは、整流ダイオード２における充電電圧ＶBを出力する＋側 （アノード側）の端子１２と、整流ダイオード２の−側（カソード側）の端子１４との間に直列接続されている。

ＭＯＳトランジスタＭ２は、ソースが整流ダイオード２の＋側端子１２と接続され、ゲートが上記抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４の接続点Ｓ２に接続され、ドレインがバッテリＢの＋側端子に接続される端子Ｔ１に接続されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＭ２の寄生ダイオードであるダイオードＤ２はアノードが端子Ｔ１に接続され、カソードが端子１２に接続されている。
ここで、バッテリＢは正常接続状態において、＋側端子が整流ダイオード２の＋側端子に接続される端子Ｔ１に接続され、−側端子が整流ダイオード２の−側端子１４に、ＭＯＳトランジスタＭ１を介して接続される端子Ｔ２に接続される。
上記ＭＯＳトランジスタＭ２の代わりに、ＩＧＢＴを利用することができる。この場合、ＩＧＢＴはエミッタが整流ダイオード２の＋側端子１２と接続され、ゲートが上記抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４の接続点Ｓ２に接続され、コレクタがバッテリＢの＋側端子に接続される端子Ｔ１に接続される。また、寄生ダイオードＤ２の代わりに、ダイオードを各々ＩＧＢＴに並列に図２と同一方向の極性に接続する必要がある。

次に、次に、図２を用いて他の実施形態におけるバッテリ充電器における充電保護回路５の動作を説明する。上述した一実施形態の説明と同様に、バッテリＢを取り付ける際、車が停止した状態にあり、発電機１は動作していない。
［バッテリＢが正常にバッテリ充電器に接続された場合］
バッテリＢの＋側端子が端子Ｔ１に接続され、−側端子が端子Ｔ２に接続されるため、ダイオードＤ２に順方向電流が流れ、直列接続された抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２間にバッテリＢの電圧がかかり、これら抵抗の抵抗値の比に対応した分圧電圧ＶS2（検出電圧）が接続点Ｓ２に発生する。

すなわち、発電機１が起動していないため、端子１４の電圧はほぼバッテリＢの−側の電位と同様であり（実際にはバッテリＢの−側端子の電圧に対してダイオードＤ１の順方向電圧）、ＭＯＳトランジスタＭ２はゲートの電圧が、ソースの電圧及びドレインの電圧より低くなり、閾値電圧を超えるためオン状態となる。端子Ｔ１及び端子Ｔ２間に、バッテリＢが正常に接続された場合、接続点Ｓ２にＭＯＳトランジスタＭ２の閾値電圧を超える電圧が生成されるよう、抵抗Ｒ３及びＲ４の比を構成する。
このとき、端子１２に＋側電圧、端子１４に−側電圧が印加された状態となるため、整流ダイオード２に対して逆方向の電圧が印加され、異常電流が流れない状態である。

［バッテリＢが逆にバッテリ充電器に接続された場合]
バッテリＢの−側端子が端子Ｔ１に接続され、＋側端子が端子Ｔ２に接続されるため、バッテリＢの−電位が端子Ｔ１に印加される。
しかしながら、逆電圧のために端子ＭＯＳトランジスタＭ２の寄生ダイオードＤ２に電流が流れない。
また、直列接続された抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４の間に逆電圧が印加されるため、ＭＯＳトランジスタＭ２のソースの電圧より高い分圧電圧ＶS1が接続点Ｓ１に発生する。

このとき、ＭＯＳトランジスタＭ２はゲートの電圧が、ソースの電圧及びドレインの電圧より高いため、閾値電圧を超えることなくオフ状態となる。
このため、端子１２に−側電圧、端子１４に＋側電圧が印加され、整流ダイオード２に対して順方向の電圧が印加される状態であるが、ＭＯＳトランジスタＭ２がオフし、寄生ダイオードＤ２が逆方向であるため、バッテリＢからの異常電流は整流ダイオード２に対して流れない。

本発明の一実施形態によるバッテリ充電器の構成例を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリ充電器の構成例を示すブロック図である。 従来のバッテリ充電器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…発電機
２…整流ダイオード
３…充電電圧調整部
４…制御回路
５…充電器保護部
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード
Ｍ１…ＭＯＳトランジスタ（ｎチャネル型）
Ｍ２…ＭＯＳトランジスタ（ｐチャネル型）
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…抵抗
Ｓ１，Ｓ２…接続点

Claims (5)

1. 発電機と、
   ＋側端子がバッテリの＋側端子に接続される、発電機の出力する交流電圧を整流して、直流の充電電圧を出力する整流器と、
   前記充電電圧の電圧値を前記バッテリに充電する充電電圧となるよう制御する制御回路と、
   前記整流器の＋側端子と−側端子との間に設けられ、複数の抵抗が直列に接続された分圧回路で構成されており、正常にバッテリが接続されていることの検出に用いる検出電圧を、各抵抗の接続点のいずれかから出力するよう設定されている電圧検出手段と、
   前記整流器の−側端子と、前記バッテリの−側端子との間に介挿され、前記検出電圧の電圧値に応じてオン／オフするスイッチ手段と、
   前記整流器の−側端子にアノードが接続され、前記バッテリの−側端子にカソードが接続されたダイオードと
   を有し、
   前記バッテリを接続する際、前記整流器の＋側端子と前記バッテリの＋側端子とが接続され、かつ前記整流器の−側端子が前記ダイオードを介して前記バッテリの−側端子に接続されると、前記ダイオードに電流が流れ、前記電圧検出手段の前記抵抗により分圧された検出電圧が前記スイッチ手段に出力され、前記電圧検出手段から検出される検出電圧が、正常にバッテリが接続されていることを示す閾値電圧以上である場合に当該スイッチ手段がオン状態となることを特徴とするバッテリ充電器。
2. 前記スイッチ手段がＮチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、ゲートに前記検出電圧が入力され、ドレインが前記整流器の−側端子に接続され、ソースが前記バッテリの−側端子に接続され、前記ダイオードが前記Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電器。
3. 前記スイッチ手段がＩＧＢＴであり、ゲートに前記検出電圧が入力され、エミッタが前記整流器の−側端子に接続され、コレクタが前記バッテリの−側端子に接続さ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器。
4. 発電機と、
   −側端子がバッテリの−側端子に接続される、発電機の出力する交流電圧を整流して、直流の充電電圧を出力する整流器と、
   前記充電電圧の電圧値を前記バッテリに充電する充電電圧となるよう制御する制御回路と、
   前記整流器の＋側端子と−側端子との間に設けられ、複数の抵抗が直列に接続された分圧回路で構成されており、正常にバッテリが接続されていることの検出に用いる検出電圧を、各抵抗の接続点のいずれかから出力するよう設定されている電圧検出手段と、
   前記整流器の＋側端子と、前記バッテリの＋側端子との間に介挿され、前記検出電圧の電圧値に応じてオン／オフするスイッチ手段と、
   前記バッテリの＋側端子にアノードが接続され、前記整流器の＋側端子にカソードが接続されたダイオードと
   を有し、
   前記バッテリを接続する際、前記整流器の−側端子と前記バッテリの−側端子とが接続され、かつ前記整流器の＋側端子が前記ダイオードを介して前記バッテリの＋側端子に接続されると、前記ダイオードに電流が流れ、前記電圧検出手段の前記抵抗により分圧された検出電圧が前記スイッチ手段に出力され、前記電圧検出手段から検出される検出電圧が、正常にバッテリが接続されていることを示す閾値電圧以上である場合に当該スイッチ手段がオン状態となることを特徴とするバッテリ充電器。
5. 前記スイッチ手段がＰチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、ゲートに前記検出電圧が入力され、ソースが前記整流器の＋側端子に接続され、ドレインが前記バッテリの＋側端子に接続され、前記ダイオードが前記Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードであることを特徴とする請求項４に記載のバッテリ充電器。

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