JP5412355B2 - バッテリ充電装置、バッテリ充電回路及び半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ充電技術に関し、特に、二輪車用のバッテリ充電装置、バッテリ充電回路、及びバッテリ充電制御用の半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関する。

従来より、二輪車用のバッテリ充電装置が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載のバッテリ充電装置では、同期整流によりバッテリ充電電圧を制御し、発電機出力が発生していない状態での充電制御回路及びその他回路部からの漏洩電流によるバッテリ電力損失を低減する方法が開示されている。

特開２００１−２８６０７４号公報

ところで、前記特許文献１に記載のバッテリ充電装置では、永久磁石式三相交流発電機の出力を入力とし、三相全波整流回路で整流された直流電圧により、バッテリを充電するバッテリ充電装置において、三相全波整流回路がプラス側に接続されたショットキバリアダイオード群と、マイナス側に接続されたＦＥＴ群により構成され、発電機起動検出回路が発電機の各相出力に接続され、その出力によりバッテリのプラス側と充電制御回路の間に接続された電源スイッチを制御する構成となっている。

上記構成において、交流入力電圧が負の時に各ＦＥＴのゲート端子を同期整流のタイミング（ゼロクロス）に従って正バイアス（Ｈレベル）すること、また交流入力電圧が正の時に各ＦＥＴのゲート端子をゼロクロスに従ってグラウンド電位（Ｌレベル）とすること、発電機起動検出回路が発電機出力は発生していないと判定した時に電源スイッチをＯＦＦするように制御することを特徴とする。

本構成では、バッテリ電圧が所定の電圧以下の場合にバッテリ充電状態、所定の電圧以上の場合にバッテリ非充電状態となる。しかし、バッテリ充電状態／非充電状態の期間に関する制御をしていないので、三相が均等にバッテリ充電に寄与しなくなったり、三相が均等にバッテリ非充電にならないことがある。例えば、バッテリ電力の消費量が比較的少ない場合に、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のいずれか一つ、または二つの相の正電圧時の充電によりバッテリ電圧が所定電圧以上になれば、次の相の正電圧時には充電されない。逆に、バッテリ電力の消費量が比較的多い場合は、非充電となった相の次の相から充電が再開される。このように充電−非充電状態間の遷移が短時間で発生すると、発電機出力の各相電圧がアンバランスとなってしまうことがある。これにより、充電−非充電状態遷移後の相電圧がゼロクロスしにくくなり、同期整流によるバッテリ充電の効率が低下してしまう。

そこで、本発明の代表的な目的は、バッテリ消費電力量がどのように変化しても、常に効率の高いバッテリ充電制御を可能とするバッテリ充電技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的なものの概要は、バッテリ充電装置等のバッテリ充電技術において、充電制御回路は、充電−非充電状態間の遷移が短時間で発生することで相電圧がアンバランスとなり、バッテリ充電効率が低下してしまうことを防止するため、バッテリ充電／非充電状態を任意の期間保持することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、代表的なものによって得られる効果は、バッテリ消費電力量がどのように変化しても、常に効率の高いバッテリ充電制御を可能とするバッテリ充電技術を提供することができる。

本発明の一実施の形態におけるバッテリ充電装置の構成例を示す図である。 従来技術におけるバッテリ充電装置の構成での電圧波形例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるバッテリ充電装置の構成での電圧波形例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるバッテリ充電装置において、充電制御回路の構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるバッテリ充電装置において、充電／非充電保持回路の構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるバッテリ充電装置において、ゼロクロス判定回路の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の一実施の形態におけるバッテリ充電装置の構成例を示す図である。

本実施の形態におけるバッテリ充電装置は、永久磁石式三相交流発電機ＡＣＧの出力を入力とし、三相全波整流回路で整流された直流電圧により、バッテリＢを充電するバッテリ充電装置であり、三相全波整流回路１０と、制御回路２０とから構成される。

三相全波整流回路１０は、三相交流発電機ＡＣＧの出力を入力とし、これを直流電圧に整流する回路である。この三相全波整流回路１０は、プラス側に接続された各相の整流素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３からなる整流素子群と、マイナス側に接続された各相のスイッチ素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３からなるスイッチ素子群とから構成される。整流素子群としては、例えば、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３をそれぞれ整流素子の一例であるショットキバリアダイオードで構成したショットキバリアダイオード群とすることができるが、本発明はそれに限定されず、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３をその他のダイオードで構成した整流素子群としてもよい。また、スイッチ素子群としては、例えば、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３をそれぞれスイッチ素子の一例であるＦＥＴで構成したＦＥＴ群とすることができるが、本発明はそれに限定されず、例えば、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３をバイポーラトランジスタで構成したバイポーラトランジスタ群としてもよい。

制御回路２０は、三相全波整流回路１０で整流された直流電圧によりバッテリＢを充電する際に、スイッチ素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３からなるスイッチ素子群を制御する回路である。この制御回路２０は、直流電圧又はバッテリＢの電力を制御回路２０に接続する電源スイッチＳＷと、三相交流発電機ＡＣＧの出力の有無又はバッテリＢの電圧と所定電圧との大小により電源スイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦ制御する発電機起動検出回路２１と、スイッチ素子群のゲートを制御する充電制御回路２２とから構成される。充電制御回路２２は、バッテリＢの充電／非充電期間を任意の期間保持するように構成される。

発電機起動検出回路２１は、三相交流発電機ＡＣＧが休止しているときに充電制御回路２２のリーク電流によりバッテリＢの電力を消費しないように電源スイッチＳＷをＯＦＦし、三相交流発電機ＡＣＧが動作しているときは電源スイッチＳＷをＯＮして充電制御回路２２に給電する。発電機起動検出回路２１と電源スイッチＳＷは本発明とは関係がないので詳細な動作説明は割愛する。

充電制御回路２２は、三相交流発電機ＡＣＧの出力のＵ，Ｖ，Ｗ相電圧を検出してスイッチ素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３をＯＮ／ＯＦＦし、三相交流発電機ＡＣＧの出力の交流電圧を同期整流してバッテリＢを充電し、バッテリＢの電圧が所定の電圧になるように制御する。また、充電制御回路２２は、充電−非充電状態を短時間内に発生させないように充電／非充電状態を任意の時間保持し、相電圧のアンバランスによる発電効率の低減が生じないように制御する。

図２は、従来技術におけるバッテリ充電装置の構成での電圧波形例を示す図である。具体的には、長時間充電状態が続き、短時間非充電状態となった場合の電圧波形例を示す。

時間Ｔ２０〜Ｔ２１，Ｔ２２〜Ｔ２３はバッテリ電圧が所定の値より低く充電状態であり、時間Ｔ２１〜Ｔ２２，Ｔ２３以降はバッテリ電圧が所定の値より高く非充電状態である。充電状態ではＵ，Ｖ，Ｗ相電圧のゼロクロスと共にスイッチ素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のゲート電圧を変化させて充電し、非充電状態ではＵ，Ｖ，Ｗ相電圧が負→正にゼロクロスしてもスイッチ素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のゲート電圧をＨレベルに保持する。

ここでは、例として時間Ｔ２１〜Ｔ２２までの非充電状態が短く、Ｖ相の正パルス１回だけ非充電となった場合に生じる相電圧アンバランスの波形を示す。非充電状態になって最初の負→正ゼロクロスがＶ相に時間Ｔ２ａで生じるが、非充電状態なのでスイッチ素子Ｍ２のゲート電圧はＨレベルに保持されてバッテリＢは充電されない。時間Ｔ２ｂではＵ相で正→負ゼロクロスが生じスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧はＨレベルに変化してバッテリ充電期間が終了する。時間Ｔ２ｂからバッテリに電荷が供給されないので、機器の電力消費に応じてバッテリ電圧が減少し、時間Ｔ２２でバッテリ電圧が所定の電圧より低くなり、再び充電状態になる。

次に、時間Ｔ２ｃでＷ相が負→正ゼロクロスするのでスイッチ素子Ｍ３のゲート電圧がＬレベルに変化するが、一度Ｖ相の正パルスを非充電としたばかりなので、三相交流発電機ＡＣＧ内の電圧バランスが崩れており、短期間（Ｔ２ｃ〜Ｔ２ｄ）しか充電されない。次は、Ｕ相で時間Ｔ２ｅに負→正ゼロクロスし、スイッチ素子Ｍ１のゲート電圧がＬレベルに変化するが、同様に短期間（Ｔ２ｅ〜Ｔ２ｆ）しか充電されない。この間、Ｖ相は時間Ｔ２ｄ〜Ｔ２ｅの間ゼロクロスしなかったのでＶ相からの充電は発生しない。その後、Ｗ相から時間Ｔ２ｇ〜Ｔ２ｈ、Ｕ相から時間Ｔ２ｉ〜Ｔ２ｋまで若干短い充電が発生し、時間Ｔ２ｊのＶ相からの充電以降は三相交流発電機ＡＣＧの電圧がバランスされて各相から通常の期間充電される。

このように非充電期間が短いと、その後三相交流発電機ＡＣＧの電圧バランスが崩れることにより、バッテリ充電効率が低下してしまうことがある。また、図示しないが、この逆で、充電期間が短い場合にも三相交流発電機ＡＣＧの電圧のアンバランスが発生し、バッテリ充電効率が低下してしまうこともある。但し、ここで示した三相交流発電機ＡＣＧの電圧のアンバランス度合いは、三相交流発電機ＡＣＧの特性に依存するので、必ずしも図示したものになるとは限らない。

図３は、本実施の形態におけるバッテリ充電装置の構成での電圧波形例を示す図である。具体的には、短時間非充電状態となった場合の電圧波形例を示す。

時間Ｔ３０〜Ｔ３１，Ｔ３２〜Ｔ３３はバッテリ電圧が所定値以下であり充電状態となり、時間Ｔ３１〜Ｔ３２，Ｔ３３以降はバッテリ電圧が所定値以上であり非充電状態となる。また、非充電とする相電圧パルスを少なくともＵ，Ｖ，Ｗ相一周期保持する制御をしており、時間Ｔ３ａでＶ相の負→正ゼロクロスが発生したときから、時間Ｔ３ｂ，Ｔ３ｃでＷ，Ｕ相の負→正ゼロクロスが発生してもスイッチ素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のゲート電圧はＨレベルを保持してバッテリＢに充電しない。このように、一定期間三相交流発電機ＡＣＧの出力を充電しないことにより三相交流発電機ＡＣＧの電圧のアンバランスが解消され、時間Ｔ３ｄ以降の充電動作においてバッテリ充電効率が低下しなくなる。図示しないが、この逆で、充電期間が短い場合でも、充電期間を一定以上設けることで、バッテリ充電効率の低下を防止することができる。また、ここではＵ，Ｖ，Ｗ相一周期分を状態保持の期間としたが、三相交流発電機ＡＣＧの特性等に応じて状態保持の期間を変化させることもできる。

本実施の形態における充電制御回路２２の構成は種々考えられるが、例えば図４に示す構成とすることができる。図４は、充電制御回路２２の構成例を示す図である。

充電制御回路２２は、ゼロクロス判定回路２２１，２２２，２２３、ゲート駆動回路２２４，２２５，２２６、充電／非充電保持回路２２７から構成される。ゼロクロス判定回路２２１，２２２，２２３は、三相交流発電機ＡＣＧの出力の相電圧を入力とし、正→負または負→正ゼロクロスが発生したかどうかを出力する。充電／非充電保持回路２２７は、バッテリＢの電圧と、ゼロクロス判定回路２２１，２２２，２２３の出力を入力とし、バッテリ電圧が所定の電圧以下になってから所定の期間充電状態を保持し、または所定の電圧以上になってから所定の期間非充電状態を保持し、保持している状態を出力する。ゲート駆動回路２２４，２２５，２２６は、ゼロクロス判定回路２２１，２２２，２２３と充電／非充電保持回路２２７の出力を入力とし、充電／非充電保持回路２２７の出力が充電状態ならば各相電圧のゼロクロス判定に従いＨ／Ｌレベルを出力し、非充電状態ならば相電圧が負→正ゼロクロスしてもＨレベルを出力し続けてゲートを駆動する。

この充電制御回路２２の構成例においては、この構成例の全て、または一部を集積回路化することで部品点数の削減、実装面積の低減によるコスト低減も可能である。この集積回路化する部分の回路は半導体チップに形成され、半導体集積回路装置として製品化される。この製品化される半導体集積回路装置には、充電制御回路２２の他に、図１に示す発電機起動検出回路２１と電源スイッチＳＷの一部又は全体も含めて集積回路化されることが多い。また、この集積回路化された半導体集積回路装置と、それ以外の部品を配線基板上に実装した形態のものが、バッテリ充電装置を構成するバッテリ充電回路となる。

充電／非充電保持回路２２７にはいくつかの実現方法が考えられるが、例えば図５に示す構成例とすることができる。図５は、充電／非充電保持回路２２７の構成例を示す図である。

ここでは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相電圧一周期分充電／非充電状態を保持する構成を示す。本回路は、負→正ゼロクロスカウンタ２２７１，２２７２，２２７３と、バッテリ電圧検出回路２２７４、ＡＮＤゲート回路ＡＮＤ、状態保持回路２２７５で構成される。負→正ゼロクロスカウンタ２２７１，２２７２，２２７３は、ゼロクロス判定回路２２１，２２２，２２３の出力を入力とし、負→正ゼロクロス発生とともにカウントアップして１以上でＨレベルを出力し、ＡＮＤゲート回路ＡＮＤの出力がＨレベルに変化するとともにカウントをリセットする。バッテリ電圧検出回路２２７４は、バッテリ電圧が所定値以下の場合には充電状態を出力し、バッテリ電圧が所定値以上の場合には非充電状態を出力する。状態保持回路２２７５は、負→正ゼロクロスカウンタ２２７１，２２７２，２２７３の出力の論理積と、バッテリ電圧検出回路２２７４の出力を入力とし、負→正ゼロクロスカウンタ２２７１，２２７２，２２７３の出力の論理積がＬ→Ｈになったときのバッテリ電圧検出回路２２７４の出力値を出力として保持する。この例ではゲート駆動回路２２４，２２５，２２６に同じ値を出力すればよいので、充電／非充電保持回路２２７の出力端子は一つとしたが、状態保持期間に応じてゲート駆動回路２２４，２２５，２２６毎に出力を分離してもよい。また、三相交流発電機ＡＣＧの特性等に合わせて一周期以外の期間充電／非充電状態を保持してもよいし、充電状態と非充電状態の状態保持期間が異なっていてもよい。その場合、上記負→正ゼロクロスカウンタとＡＮＤゲート回路の部分を、所望の期間状態を保持するのに適したカウンタや制御論理回路で置き換えればよい。

図５の負→正ゼロクロスカウンタ２２７１、２２７２、２２７３において、三相交流発電機ＡＣＧ等からのノイズが相電圧に重畳することで、ノイズがなければ１回の正→負ゼロクロスカウントが、複数回の正→負ゼロクロスカウントと誤カウントしてしまうことがある。こうなると、充電／非充電保持回路２２７は所定期間を正しく認識することができず、結果としてバッテリ充電効率が低下してしまう恐れがある。この誤カウントを防止する回路を負→正ゼロクロスカウンタ２２７１，２２７２，２２７３に挿入してもよい。誤カウント防止の方法はいくつか考えられるが、実現方法の例を図６に示す。図６は、負→正ゼロクロスカウンタ２２７１の構成例を示す図である。他の負→正ゼロクロスカウンタ２２７２、２２７３も同様である。

本構成例は、タイマ２２７１１、フリップフロップ２２７１２から構成される。ゼロクロス判定回路２２１からの負→正ゼロクロス判定を入力とし、タイマ２２７１１とフリップフロップ２２７１２が接続され、ノイズにより複数回の誤判定が発生した場合に、最初の判定からタイマ２２７１１で規定された時間だけ経過した後のゼロクロス判定回路２２１の出力を負→正ゼロクロスカウンタ２２７１の出力とする。なお、このタイマ２２７１１で規定された時間とは三相交流発電機ＡＣＧのノイズ特性に合わせて最適化した時間とし、タイマ２２７１１はワンショットでもリトリガブルでもよい。

以上説明した本実施の形態のバッテリ充電装置、バッテリ充電回路、及び半導体集積回路装置によれば、充電制御回路２２は、充電−非充電状態間の遷移が短時間で発生することで相電圧がアンバランスとなり、バッテリ充電効率が低下してしまうことを防止するため、バッテリＢの充電／非充電状態を任意の期間保持することにより、バッテリ消費電力量がどのように変化しても、常に効率の高いバッテリ充電制御を可能とすることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１０…三相全波整流回路
２０…制御回路
２１…発電機起動検出回路
２２…充電制御回路
２２１，２２２，２２３…ゼロクロス判定回路
２２４，２２５，２２６…ゲート駆動回路
２２７…充電／非充電保持回路
２２７１，２２７２，２２７３…負→正ゼロクロスカウンタ
２２７１１…タイマ
２２７１２…フリップフロップ
２２７４…バッテリ電圧検出回路
２２７５…状態保持回路
ＡＣＧ…三相交流発電機
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…整流素子
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…スイッチ素子
ＳＷ…電源スイッチ
Ｂ…バッテリ
ＡＮＤ…ＡＮＤゲート回路

Claims (9)

1. 永久磁石式発電機の出力を入力とし、全波整流回路で整流された直流電圧により、バッテリを充電するバッテリ充電装置であって、
   前記全波整流回路は、プラス側に接続された整流素子群と、マイナス側に接続されたスイッチ素子群とを具備して成り、
   前記バッテリ充電装置は、前記スイッチ素子群を制御する制御回路を具備して成り、
   前記制御回路は、前記スイッチ素子群のゲートを制御する充電制御回路を具備して成り、
   前記充電制御回路は、前記バッテリの充電／非充電期間を任意の期間保持するように構成されて成ることを特徴とするバッテリ充電装置。
2. 請求項１において、
   前記充電制御回路は、ノイズによる前記発電機の出力相電圧ゼロクロス誤判定を防止するように構成されて成ることを特徴とするバッテリ充電装置。
3. 請求項１において、
   前記充電制御回路は、
   前記発電機の出力相電圧の正から負または負から正へのゼロクロスを判定するゼロクロス判定回路と、
   前記バッテリの電圧が所定電圧以下になってから所定の期間充電状態を保持し、または所定電圧以上になってから所定の期間非充電状態を保持する充電／非充電保持回路と、
   前記充電／非充電保持回路の出力が充電状態ならば前記ゼロクロス判定回路の各相電圧のゼロクロス判定に従って出力し、非充電状態ならば相電圧が負から正へゼロクロスしてもＨレベルを出力し続けてゲートを駆動するゲート駆動回路とを具備して成ることを特徴とするバッテリ充電装置。
4. プラス側に接続された整流素子群と、マイナス側に接続されたスイッチ素子群とを具備し、永久磁石式発電機の出力を入力とし、これを整流する全波整流回路と、
   前記全波整流回路で整流された直流電圧によりバッテリを充電する際に、前記スイッチ素子群を制御する制御回路とを具備して成るバッテリ充電回路であって、
   前記制御回路は、前記スイッチ素子群のゲートを制御する充電制御回路を具備して成り、
   前記充電制御回路は、前記バッテリの充電／非充電期間を任意の期間保持するように構成されて成ることを特徴とするバッテリ充電回路。
5. 請求項４において、
   前記充電制御回路は、ノイズによる前記発電機の出力相電圧ゼロクロス誤判定を防止するように構成されて成ることを特徴とするバッテリ充電回路。
6. 請求項４において、
   前記充電制御回路は、
   前記発電機の出力相電圧の正から負または負から正へのゼロクロスを判定するゼロクロス判定回路と、
   前記バッテリの電圧が所定電圧以下になってから所定の期間充電状態を保持し、または所定電圧以上になってから所定の期間非充電状態を保持する充電／非充電保持回路と、
   前記充電／非充電保持回路の出力が充電状態ならば前記ゼロクロス判定回路の各相電圧のゼロクロス判定に従って出力し、非充電状態ならば相電圧が負から正へゼロクロスしてもＨレベルを出力し続けてゲートを駆動するゲート駆動回路とを具備して成ることを特徴とするバッテリ充電回路。
7. 永久磁石式発電機の出力を入力とする全波整流回路で整流された直流電圧によりバッテリを充電する際に、前記全波整流回路のスイッチ素子群を制御する制御回路を具備して成る半導体集積回路装置であって、
   前記制御回路は、前記スイッチ素子群のゲートを制御する充電制御回路を具備して成り、
   前記充電制御回路は、前記バッテリの充電／非充電期間を任意の期間保持するように構成されて成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
8. 請求項７において、
   前記充電制御回路は、ノイズによる前記発電機の出力相電圧ゼロクロス誤判定を防止するように構成されて成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
9. 請求項７において、
   前記充電制御回路は、
   前記発電機の出力相電圧の正から負または負から正へのゼロクロスを判定するゼロクロス判定回路と、
   前記バッテリの電圧が所定電圧以下になってから所定の期間充電状態を保持し、または所定電圧以上になってから所定の期間非充電状態を保持する充電／非充電保持回路と、
   前記充電／非充電保持回路の出力が充電状態ならば前記ゼロクロス判定回路の各相電圧のゼロクロス判定に従って出力し、非充電状態ならば相電圧が負から正へゼロクロスしてもＨレベルを出力し続けてゲートを駆動するゲート駆動回路とを具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。

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