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

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 Download PDF

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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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