JP7450771B2 - バッテリ充電装置、及び電流制御装置 - Google Patents

バッテリ充電装置、及び電流制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリ充電装置、及び電流制御装置に関する。
本願は、２０２１年７月８日に、日本に出願された特願２０２１－１１３４４０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、自動二輪車などの内燃機関の回転を利用して、バッテリを充電するバッテリ充電装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような従来のバッテリ充電装置では、発電機が出力する交流信号を、例えば、サイリスタなどのスイッチング素子により半波整流して、バッテリを充電していた。
特開２０１３－１２３２９９号公報
ところで、例えば、自動二輪車において、近年、ＦＩ（Fuel Injection：電子制御燃料噴射装置）による電子制御やセンサの増加などにより、発電機及びバッテリに接続される負荷が増大している。しかしながら、上述した従来のバッテリ充電装置では、実用回転領域において発電機の出力電流を増加しようとすると、発電機が高回転時に過大な出力となり、スイッチング素子の電流定格値を高くする必要があった。また、高回転時にスイッチング素子を点弧させるタイミングを変更することで、バッテリの充電電流を制限して、スイッチング素子の電流定格値を低減する手法が考えられるが、例えば、交流信号の負電圧の期間に、発電機が発電した電力を消費する負荷が接続されている場合には、過剰に充電電流を制限してしまう可能性があった。
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、過剰に充電電流を制限させずに、接続される負荷の増大に対応させつつ、スイッチング素子の電流定格値を低減することができるバッテリ充電装置、及び電流制御装置を提供することにある。
上記問題を解決するために、本発明の一態様に係るバッテリ充電装置は、回転子の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する発電機と、前記発電機が出力する前記交流信号を整流して充電電力としてバッテリに供給するスイッチング素子と、前記交流信号の正負電圧の切り替えを判定する正負切替判定部と、前記正負切替判定部の判定結果に基づいて、前記スイッチング素子の導通タイミングを示すトリガ信号を出力するトリガ出力部と、前記交流信号の電圧を検出することで、前記回転子の回転数を検出し、検出した前記回転数が所定の閾値以上になった場合に、前記正負切替判定部に、前記交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる正負判定制御部と、前記交流信号の負電圧の期間に、前記発電機が発電した電力を消費する負荷部が接続されている場合に、前記正負判定制御部の機能を無効にする無効制御部とを備える。
また、本発明の一態様に係る上記のバッテリ充電装置において、前記無効制御部は、前記交流信号によって前記負電圧の期間に流れる電流が、所定の電流以上である場合に、前記負荷部が接続されていると判定する。
また、本発明の一態様に係る上記のバッテリ充電装置において、前記無効制御部は、前記負荷部が接続されていると判定した場合に、前記正負判定制御部の機能を無効にする。
また、本発明の一態様に係る上記のバッテリ充電装置において、前記交流信号によって前記負電圧の期間に流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記無効制御部は、前記電流検出部が検出した前記負電圧の期間に流れる電流に基づいて、前記負荷部が接続されているか否かを判定する。
また、本発明の一態様に係る上記のバッテリ充電装置において、前記正負判定制御部は、前記回転子の回転数の検出として、前記交流信号のうちの負電圧を検出する負電圧検出部と、前記負電圧検出部が検出した前記負電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、前記正負切替判定部に、前記交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる負電圧維持部とを備える。
また、本発明の一態様に係る上記のバッテリ充電装置において、前記トリガ出力部は、前記正負切替判定部が、前記交流信号の正電圧と判定した期間に前記スイッチング素子を導通状態にするように、前記トリガ信号を出力する。
また、本発明の一態様に係る上記のバッテリ充電装置において、前記正負判定制御部は、前記回転数が所定の閾値以上になった場合に、前記スイッチング素子の電流定格値を超えないように定められた前記所定の期間、前記正負切替判定部に前記負電圧の判定を追加で維持させる。
また、本発明の一態様に係る電流制御装置は、回転子の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する発電機と、前記発電機が出力する前記交流信号を整流して第１負荷部に供給するスイッチング素子と、前記交流信号の正負電圧の切り替えを判定する正負切替判定部と、前記交流信号の正負電圧のうちの第１極性の電圧を検出することで、前記回転子の回転数を検出し、検出した前記回転数が所定の閾値以上になった場合に、前記正負切替判定部に、前記交流信号の前記第１極性の電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる正負判定制御部と、前記正負切替判定部の判定結果のうち、前記第１極性の電圧と逆極性の電圧である第２極性の電圧の判定に基づいて、前記スイッチング素子の導通タイミングを示すトリガ信号を出力するトリガ出力部と、前記交流信号の前記第１極性の電圧の期間に前記発電機が発電した電力を消費する第２負荷部が接続されている場合に、前記正負判定制御部の機能を無効にする無効制御部とを備える。
本発明の一態様によれば、正負判定制御部が、交流信号の電圧を検出することで、回転子の回転数を検出し、検出した回転数が所定の閾値以上になった場合に、正負切替判定部に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる。これにより、バッテリ充電装置では、回転数が所定の閾値以上になった場合に、所定の期間追加されて負電圧の期間と判定され、この所定の期間分、トリガ信号のスイッチング素子の導通期間が短くなり、充電電力が抑制される。また、無効制御部が、交流信号の負電圧の期間に、発電機が発電した電力を消費する負荷部が接続されている場合に、当該正負判定制御部の機能を無効にする。そのため、バッテリ充電装置は、過剰に充電電流を制限させずに、高回転時にスイッチング素子の電流定格値を超えないように制限することができ、接続される負荷の増大に対応させつつ、スイッチング素子の電流定格値を低減することができる。
本実施形態によるバッテリ充電装置の一例を示すブロック図である。 本実施形態によるバッテリ充電装置の動作の一例を示す第１のタイムチャートである。 本実施形態によるバッテリ充電装置の動作の一例を示す第２のタイムチャートである。 本実施形態における発電機の回転数と充電電流との関係の一例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態によるバッテリ充電装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態によるバッテリ充電装置１の一例を示すブロック図である。
図１に示すように、バッテリ充電装置１は、発電機２及びバッテリ３に接続され、サイリスタ（１１、１３）と、灯火器１２と、正負切替判定部１４と、トリガ出力部１５と、正負判定制御部１６と、電流検出部１７と、無効制御部１８と、スイッチ１９とを備えている。
バッテリ充電装置１は、例えば、自動二輪車などの車両に搭載され、発電機２で発電した交流電力を半波整流して、バッテリ３に充電する装置である。また、バッテリ充電装置１には、ダイオード４を介して、ＦＩ負荷部５が接続され、発電機２が発電した電力、又はバッテリ３の出力電力をＦＩ負荷部５に供給する。また、バッテリ充電装置１は、サイリスタ１１を介して、発電機２で発電した交流電力の負側の電力を灯火器１２に供給して、灯火器１２を点灯させる。なお、バッテリ充電装置１は、電流制御装置の一例である。
発電機２は、例えば、単相磁石式交流発電機であり、回転子（不図示）の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する。ここで、回転子は、例えば、自動二輪車の内燃機関（エンジン）の回転軸に接続されたクランクシャフトなどである。発電機２は、発電した電力に応じた交流信号を、電力供給線Ｌ１を介して、サイリスタ１３に接続されている。また、発電機２は、電力供給線Ｌ１を介して、サイリスタ１１に接続されている。なお、本実施形態において、交流信号のうちの負電圧を第１極性の電圧とし、正電圧を第１極性の電圧と反対極性の電圧である第２極性の電圧とする。
バッテリ３は、例えば、鉛蓄電池であり、＋（プラス）電極（正極）が、サイリスタ１３のカソード端子に接続されており、－（マイナス）電極（負極）が、グランド端子（グランド線Ｌ２）に接続されている。バッテリ３は、電力供給線Ｌ１及びサイリスタ１３を介して供給された発電機２の発電電力を充電するとともに、充電した電力を、ダイオード４を介して、ＦＩ負荷部５に供給する。
ダイオード４は、アノード端子が、電力供給線Ｌ１に、カソード端子が、ＦＩ負荷部５にそれぞれ接続されており、ＦＩ負荷部５からの電流の逆流を防止する。
ＦＩ負荷部５（第１負荷部の一例）は、例えば、自動二輪車の電装部品であり、ＥＣＵ（Engine Control Unit）、フューエルポンプ、インジェクション、各種センサ類などである。ＦＩ負荷部５は、電力供給線Ｌ１とグランド線Ｌ２との間に接続され、ダイオード４を介して、電力供給線Ｌ１から発電機２の発電電力又はバッテリ３の出力電力を供給されて動作し、電力を消費する。
サイリスタ１１は、アノード端子が灯火器１２の一端に、カソード端子が電力供給線Ｌ１に、ゲート端子（制御端子）がトリガ出力部１５から出力される制御信号Ｓ１の信号線に、それぞれ接続されている。サイリスタ１１は、発電機２が出力する交流信号を整流して灯火器１２に供給するシリコン制御整流子である。サイリスタ１１は、トリガ出力部１５が出力する制御信号Ｓ１によりオン状態（導通状態）になるか否かが制御され、灯火器１２に点灯（発光）のための電力を供給する。
灯火器１２は、例えば、車両用のＬＥＤ（Light Emitting Diode）ライトである。灯火器１２は、サイリスタ１１がオン状態されると、電力供給線Ｌ１の交流信号が負側電圧であるタイミングで、スイッチ１９を介して電流が流れて発光する。すなわち、灯火器１２は、サイリスタ１１及びスイッチ１９がオン状態、且つ、発電機２が出力する交流信号が負電圧である場合に、発光する。
また、灯火器１２は、直列に接続された複数の発光ダイオードを備える。発光ダイオードのアノード端子は、電流検出部１７を介して、グランド端子（グランド線Ｌ２）に接続されている。また、発光ダイオードのカソード端子は、スイッチ１９の一端に接続されている。また、複数の発光ダイオードは、順方向に直列に接続されている。
なお、本実施形態において、灯火器１２は、発電機２が発電した電力を消費する負荷部の一例であり、第２負荷部に対応する。
電流検出部１７は、例えば、シャント抵抗などの電流検出手段であり、グランド端子（グランド線Ｌ２）と、灯火器１２との間に接続されている。電流検出部１７は発電機２が出力する交流信号によって負電圧の期間に流れる電流を検出する。
スイッチ１９は、灯火器１２を点灯（発光）させる点灯スイッチであり、灯火器１２とサイリスタ１１との間に接続されている。スイッチ１９がオン状態である場合にサイリスタ１１と灯火器１２（負荷部）とが接続され、スイッチ１９がオフ状態である場合にサイリスタ１１と灯火器１２（負荷部）とが切り離される。
サイリスタ１３（スイッチング素子の一例）は、発電機２が出力する交流信号を整流して充電電力としてバッテリ３に供給するシリコン制御整流子である。サイリスタ１３は、アノード端子が電力供給線Ｌ１に、カソード端子がバッテリ３の＋電極に、ゲート端子（制御端子）がトリガ出力部１５から出力される制御信号Ｓ２の信号線に、それぞれ接続されている。サイリスタ１３は、トリガ出力部１５の制御信号Ｓ２によって、オン状態にされることで、電力供給線Ｌ１の交流信号の正電圧をバッテリ３の＋電極に供給して、バッテリ３を充電するとともに、ＦＩ負荷部５に動作電力を供給する。
正負切替判定部１４は、発電機２が出力する交流信号の正負電圧の切り替えを判定する。正負切替判定部１４は、正負電圧の判定信号として、例えば、交流信号が正電圧の期間に、ハイ状態（Ｈｉｇｈ状態）を出力し、交流信号が負電圧の期間に、ロウ状態（Ｌｏｗ状態）を出力する。
正負切替判定部１４は、例えば、抵抗１４１～抵抗１４３と、コンデンサ１４４と、ツェナーダイオード１４５と、ツェナーダイオード１４６とを備えている。
抵抗１４１～抵抗１４３は、電力供給線Ｌ１とグランド線Ｌ２との間に直列に接続される。抵抗１４１は、第１端子が電力供給線Ｌ１に、第２端子がノードＮ１に、それぞれ接続されている。また、抵抗１４２は、第１端子がノードＮ１に、第２端子がノードＮ２に、それぞれ接続されている。また、抵抗１４３は、第１端子がノードＮ２に、第２端子がグランド線Ｌ２に、それぞれ接続されている。
コンデンサ１４４は、ノードＮ２とグランド線Ｌ２との間に、抵抗１４３と並列に接続されている。すなわち、コンデンサ１４４は、第１端子がノードＮ２に、第２端子がグランド線Ｌ２に、それぞれ接続されている。
なお、抵抗１４１～抵抗１４３、及びコンデンサ１４４は、ノードＮ１及びノードＮ２において、発電機２が出力する交流信号の電圧を分圧して出力するとともに、ノードＮ２のノイズを除去するフィルタ回路として機能する。
ここで、ノードＮ１の電圧は、後述する正負判定制御部１６による交流信号の負電圧検出に用いられる。また、ノードＮ２の電圧は、正負切替判定部１４の出力信号として用いられる。
ツェナーダイオード１４５とツェナーダイオード１４６とは、ノードＮ２とグランド線Ｌ２との間に、互いに逆方向に直列に接続されている。ツェナーダイオード１４５は、アノード端子がノードＮ２に、カソード端子がツェナーダイオード１４６のカソード端子に、それぞれ接続されている。また、ツェナーダイオード１４６は、アノード端子がグランド線Ｌ２に、カソード端子がツェナーダイオード１４５のカソード端子に、それぞれ接続されている。
ツェナーダイオード１４５及びツェナーダイオード１４６は、逆方向に所定の電圧以上（アノード端子を基準に、カソード端子に所定の電圧以上）が印加された場合に、オン状態（導通状態）になり、所定の電圧未満が印加された場合に、オフ状態（非導通状態）になる。
例えば、ノードＮ２に正電圧が印加されている状態では、ツェナーダイオード１４５は、順方向のバイアスでオン状態になる。また、この状態では、正電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、ツェナーダイオード１４６は、オン状態になり、所定の電圧未満である場合に、オフ状態になることで、ノードＮ２の正電圧は、所定の電圧にクランプされる。
また、例えば、ノードＮ２に負電圧が印加されている状態では、ツェナーダイオード１４６は、順方向のバイアスでオン状態になる。また、この状態では、負電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、ツェナーダイオード１４５は、オン状態になり、所定の電圧未満である場合に、オフ状態になることで、ノードＮ２の負電圧は、負電圧の所定の電圧にクランプされる。
このように、正負切替判定部１４は、正負電圧の判定信号を生成して、トリガ出力部１５に出力する。
トリガ出力部１５は、正負切替判定部１４の判定結果に基づいて、サイリスタ１１及びサイリスタ１３の導通タイミングを示すトリガ信号（制御信号）を出力する。
トリガ出力部１５は、例えば、正負切替判定部１４が、交流信号の負電圧と判定した期間の一部期間（例えば、後半の所定の期間）に、サイリスタ１１をオン状態にするように、制御信号Ｓ１を出力する。
具体的に、トリガ出力部１５は、サイリスタ１１をオン状態にする場合に、制御信号Ｓ１をハイ状態にし、サイリスタ１１をオフ状態にする場合に、制御信号Ｓ１をロウ状態にする。なお、サイリスタ１１は、制御信号Ｓ１がロウ状態になった後、サイリスタ１１に流れる電流が０Ａ（アンペア）になったタイミングで、オフ状態になる。
また、トリガ出力部１５は、例えば、正負切替判定部１４が、交流信号の正電圧（第２極性の電圧）と判定した期間にサイリスタ１３をオン状態にするように、トリガ信号（制御信号Ｓ２）を出力する。また、トリガ出力部１５は、例えば、正負切替判定部１４が、交流信号の負電圧と判定した期間にサイリスタ１３をオフ状態にするように、トリガ信号（制御信号Ｓ２）を出力する。すなわち、トリガ出力部１５は、正負切替判定部１４の判定結果のうち、正電圧（第２極性の電圧）の判定に基づいて、サイリスタ１３の導通タイミングを示すトリガ信号（制御信号Ｓ２）を出力する。
具体的に、トリガ出力部１５は、サイリスタ１３をオン状態にする場合に、制御信号Ｓ２をハイ状態にし、サイリスタ１３をオフ状態にする場合に、制御信号Ｓ２をロウ状態にする。なお、サイリスタ１３は、制御信号Ｓ２がロウ状態になった後、サイリスタ１３に流れる電流が０Ａになったタイミングで、オフ状態になる。
正負判定制御部１６は、発電機２が出力した交流信号の電圧を検出することで、回転子の回転数を検出し、検出した回転数が所定の閾値以上になった場合に、正負切替判定部１４に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる。
なお、発電機２が出力した交流信号の電圧及び電流は、回転子の回転数に応じて大きくなる。また、発電機２が出力した交流信号の正電圧は、サイリスタ１３がオン状態である場合に、バッテリ３の出力電圧にクランプ（固定）される。そのため、正負判定制御部１６は、発電機２が出力した交流信号のうちの負電圧を検出することで、回転子の回転数を検出する。
すなわち、正負判定制御部１６は、発電機２が出力した交流信号のうちの負電圧（第１極性の電圧）を検出することで、回転子の回転数を検出し、検出した回転数が所定の閾値以上になった場合に、正負切替判定部１４に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる。ここで、所定の期間は、例えば、回転数が所定の閾値以上になった場合に、サイリスタ１３の電流定格値を超えないように定められている。
なお、正負判定制御部１６は、後述する無効制御部１８からの無効要求に応じて、正負判定制御部１６の機能を無効にする。すなわち、正負判定制御部１６は、無効制御部１８から無効要求が出力されている場合に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる機能を停止する。
また、正負判定制御部１６は、負電圧検出部１６１と、負電圧維持部１６２とを備える。
負電圧検出部１６１は、回転子の回転数の検出として、発電機２が出力した交流信号のうちの負電圧を検出する。すなわち、負電圧検出部１６１は、交流信号を抵抗１４１～抵抗１４３により抵抗分圧したノードＮ１の負電圧を検出することで、回転子の回転数を検出する。
負電圧維持部１６２は、負電圧検出部１６１が検出した負電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、正負切替判定部１４に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる。すなわち、負電圧維持部１６２は、負電圧検出部１６１が検出したノードＮ１の負電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、ノードＮ１の電圧を調整して、正負切替判定部１４に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる。例えば、負電圧維持部１６２は、ノードＮ２の電圧が交流信号の負電圧であると判定をするように、所定の期間、ノードＮ１の負電圧を維持させる処理を実行する。
なお、負電圧維持部１６２は、無効制御部１８からの無効要求が出力された場合に、上述した交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる機能を停止する。すなわち、負電圧維持部１６２は、無効制御部１８からの無効要求が出力された場合に、特に何も行わず、ノードＮ１の電圧の調整を行わない。
また、負電圧維持部１６２は、ノードＮ１の負電圧の絶対値が所定の電圧未満である場合に、特に何も行わず、ノードＮ１の電圧の調整を行わない。
無効制御部１８は、発電機２が出力する交流信号の負電圧の期間に、発電機２が発電した電力を消費する灯火器１２が電力供給線Ｌ１に接続されている場合に、正負判定制御部１６の機能を無効にする。無効制御部１８は、例えば、上述した交流信号によって負電圧の期間に流れる電流が、所定の電流以上である場合に、灯火器１２がサイリスタ１１を介して、電力供給線Ｌ１に接続されていると判定する。
すなわち、無効制御部１８は、電流検出部１７が検出した負電圧の期間に流れる電流に基づいて、灯火器１２が接続されているか否かを判定する。具体的には、電流検出部１７が検出した負電圧の期間に流れる電流が、所定の電流以上である場合に、無効制御部１８は、灯火器１２が接続されていると判定し、正負判定制御部１６の機能を無効にする。無効制御部１８は、灯火器１２が接続されていると判定した場合に、正負判定制御部１６の機能を無効にする無効要求を正負判定制御部１６に出力する。
また、無効制御部１８は、電流検出部１７が検出した負電圧の期間に流れる電流が、所定の電流未満である場合に、灯火器１２が接続されていないと判定し、正負判定制御部１６の機能を有効にする有効要求を正負判定制御部１６に出力し、正負判定制御部１６の機能を有効にする。
次に、図面を参照して、本実施形態によるバッテリ充電装置１の動作について説明する。
図２は、本実施形態によるバッテリ充電装置１の動作の一例を示す第１のタイムチャートである。
図２では、スイッチ１９がオフ状態であり、バッテリ充電装置１に灯火器１２が接続されていない場合の動作について説明する。
図２において、各グラフは、上から順に、発電機２の出力電圧、発電機２による充電電流（出力電流）、灯火器１２（負荷部）に流れる電流、及び正負電圧の判定信号を示している。
また、波形Ｗ１は、サイリスタ１１及びサイリスタ１３をオン状態にしない場合の発電機２の出力電圧を示し、波形Ｗ２は、サイリスタ１１及びサイリスタ１３をオン状態にした場合の実際の発電機２の出力電圧（電力供給線Ｌ１の電圧）を示している。
また、波形Ｗ３は、発電機２によるバッテリ３への充電電流（サイリスタ１３に流れる電流）を示しており、波形Ｗ３Ａ、波形Ｗ３Ｂ、及び波形Ｗ３Ｃの各波形は、この充電電流の部分波形を示している。
また、波形Ｗ４は、灯火器１２に流れる電流波形を示している。また、波形Ｗ５は、正負切替判定部１４が出力する判定信号の電圧波形を示している。
なお、各グラフの横軸は、時間を示している。
図２において、発電機２の出力電圧が正電圧になると（波形Ｗ１を参照）、時刻Ｔ１において、正負切替判定部１４が正電圧と判定し、判定信号を所定の正電圧を出力する。これにより、トリガ出力部１５は、制御信号Ｓ２をハイ状態にし、サイリスタ１３がオン状態になるため、発電機２の出力電圧は、波形Ｗ２に示すように、バッテリ３の出力電圧にクランプ（固定）される。なお、トリガ出力部１５は、所定の期間、制御信号Ｓ２をハイ状態にした後、制御信号Ｓ２をロウ状態にする。サイリスタ１３は、制御信号Ｓ２がロウ状態になった後、発電機２の出力電圧が負電圧になるまでオン状態が維持される。
また、発電機２の出力電圧が負電圧になると（波形Ｗ２を参照）、時刻Ｔ２において、正負切替判定部１４が負電圧と判定し、判定信号に所定の負電圧を出力する。また、発電機２の出力電圧が負電圧になることにより、サイリスタ１３がオフ状態になる。また、波形Ｗ２に示すように、電力供給線Ｌ１には、発電機２の負電圧が出力される。なお、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間、波形Ｗ３Ａに示すように、サイリスタ１３を介して、バッテリ３に充電電流が供給される。
また、トリガ出力部１５は、正負切替判定部１４が交流信号の負電圧と判定した期間の一部期間（例えば、後半の所定の期間）に、制御信号Ｓ１をハイ状態にして、サイリスタ１１をオン状態にする。この場合、スイッチ１９がオフ状態であるため、灯火器１２には、電流が流れない（波形Ｗ４参照）。
また、時刻Ｔ２において、サイリスタ１３がオフ状態になると、正負判定制御部１６の負電圧検出部１６１は、ノードＮ１により、発電機２が出力する交流信号の負電圧を検出する。そして、正負判定制御部１６の負電圧維持部１６２は、負電圧検出部１６１が検出した負電圧の絶対値が所定の電圧以上（閾値電圧ＭＶｔｈ以上）であるか否かを判定する。ここでは、負電圧の絶対値が所定の電圧未満（閾値電圧ＭＶｔｈ未満）であるため、負電圧維持部１６２は、何も行わない（交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる処理を行わない）。
次に、再び、発電機２の出力電圧が正電圧になると（波形Ｗ１を参照）、時刻Ｔ３において、正負切替判定部１４が正電圧と判定し、判定信号を所定の正電圧を出力する。これにより、トリガ出力部１５は、制御信号Ｓ２をハイ状態にし、サイリスタ１３がオン状態になるため、発電機２の出力電圧は、波形Ｗ２に示すように、バッテリ３の出力電圧にクランプ（固定）される。
なお、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の負電圧の期間に、トリガ出力部１５は、制御信号Ｓ１をハイ状態にし、サイリスタ１１がオン状態になるが、スイッチ１９がオフ状態であるため、波形Ｗ２に示すように、発電機２の出力電圧は、灯火器１２が接続されていない場合の負電圧となる。また、灯火器１２に流れる電流は、波形Ｗ４に示すように、０Ａとなる。すなわち、この例では、灯火器１２は、点灯（発光）しない。
また、再び、発電機２の出力電圧が負電圧になると（波形Ｗ２を参照）、時刻Ｔ４において、正負切替判定部１４が負電圧と判定し、判定信号を所定の負電圧を出力する。これにより、サイリスタ１３がオフ状態になり、発電機２の出力電圧には、波形Ｗ２に示すように、発電機２の負電圧が出力される。なお、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、波形Ｗ３Ｂに示すように、サイリスタ１３を介して、バッテリ３に充電電流が供給される。
また、時刻Ｔ４において、サイリスタ１３がオフ状態になると、正負判定制御部１６の負電圧検出部１６１は、ノードＮ１により、発電機２が出力する交流信号の負電圧を検出する。そして、正負判定制御部１６の負電圧維持部１６２は、負電圧検出部１６１が検出した負電圧の絶対値が所定の電圧以上（閾値電圧ＭＶｔｈ以上）であるか否かを判定する。ここでは、負電圧の絶対値が所定の電圧以上（閾値電圧ＭＶｔｈ以上）であるため、負電圧維持部１６２は、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間（期間ＴＲ１）、追加で維持させる処理を実行する。
すなわち、負電圧維持部１６２は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの期間ＴＲ１の間、追加で、交流信号の負電圧の判定を維持させる。これにより、正負切替判定部１４は、時刻Ｔ６において、負電圧から正電圧に判定信号を切り替える。トリガ出力部１５は、時刻Ｔ６において、制御信号Ｓ２をハイ状態にし、サイリスタ１３がオン状態になるため、発電機２の出力電圧は、波形Ｗ２に示すように、バッテリ３の出力電圧にクランプ（固定）される。
また、再び、発電機２の出力電圧が負電圧になると（波形Ｗ２を参照）、時刻Ｔ７において、正負切替判定部１４が負電圧と判定し、判定信号に所定の負電圧を出力する。これにより、サイリスタ１３がオフ状態になるため、発電機２の出力電圧は、波形Ｗ２に示すように、発電機２の負電圧が出力される。なお、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間、波形Ｗ３Ｃに示すように、サイリスタ１３を介して、バッテリ３に充電電流が供給される。
ここでは、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の期間ＴＲ１、交流信号の負電圧の判定が追加で維持されていたため、その分、波形Ｗ３Ｃの充電電流が制限される。ここで、波形Ｗ３Ｄは、比較のために、正負判定制御部１６を備えない従来技術の場合におけるバッテリ３の充電電流を示している。波形Ｗ３Ｃと波形Ｗ３Ｄとを比較すると、本実施形態では、交流信号の負電圧の判定が、期間ＴＲ１だけ追加で維持されているため、充電電流を制限することができる。
また、時刻Ｔ７において、サイリスタ１３がオフ状態になると、正負判定制御部１６の負電圧検出部１６１は、ノードＮ１により、発電機２が出力する交流信号の負電圧を検出する。そして、正負判定制御部１６の負電圧維持部１６２は、負電圧検出部１６１が検出した負電圧の絶対値が所定の電圧以上（閾値電圧ＭＶｔｈ以上）であるか否かを判定する。ここでは、負電圧の絶対値が所定の電圧以上（閾値電圧ＭＶｔｈ以上）であるため、負電圧維持部１６２は、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間（期間ＴＲ１）、追加で維持させる処理を実行する。これにより、正負切替判定部１４は、時刻Ｔ８において、負電圧から正電圧に判定信号を切り替える。
また、図３は、本実施形態によるバッテリ充電装置１の動作の一例を示す第２のタイムチャートである。
図３では、スイッチ１９がオン状態であり、バッテリ充電装置１に灯火器１２が接続されている場合の動作について説明する。
図３において、各グラフは、上述した図２と同様であり、波形Ｗ１１から波形Ｗ１５の各波形は、上述した図２に示す本実施形態における波形Ｗ１から波形Ｗ５の各波形に対応する。また、波形Ｗ１３Ａ、波形Ｗ１３Ｂ、及び波形Ｗ１３Ｃの各波形は、この充電電流の部分波形を示している。なお、各グラフの横軸は、時間を示している。
また、時刻Ｔ１１、時刻Ｔ１３、時刻Ｔ１５、及び時刻Ｔ１７が、負電圧から正電圧に判定信号が切り替わるタイミングであり、時刻Ｔ１２、時刻Ｔ１４、及び時刻Ｔ１６が、正電圧から負電圧に判定信号が切り替わるタイミングである。
図３に示すスイッチ１９がオン状態である場合には、正負切替判定部１４が交流信号の負電圧と判定した期間の一部期間（例えば、後半の所定の期間）に、トリガ出力部１５が、サイリスタ１１をオン状態にするように、制御信号Ｓ１を出力するため、波形Ｗ１４に示すように、灯火器１２に電流が流れる。なお、波形Ｗ１４に示す灯火器１２に流れる電流では、灯火器１２からサイリスタ１１に流れる向きを正電流して示している。
図３に示す例では、交流信号の負電圧の期間において、灯火器１２に流れる電流が、所定の電流以上（閾値電流Ａｔｈ以上）であるため、無効制御部１８は、正負判定制御部１６の機能を無効にする。具体的には、無効制御部１８は、無効要求を正負判定制御部１６に出力し、時刻Ｔ１５、及び時刻Ｔ１７における所定の期間（期間ＴＲ１）、追加で維持させる処理を無効化する。
なお、図３に示す例では、交流信号の負電圧の期間に波形Ｗ１４に示すように灯火器１２に電流が流れるため、その分、交流信号の負電圧から正電圧に切り替わるタイミングが遅れる。これにより、発電機２による充電電流が、灯火器１２が接続されていない場合（スイッチ１９がオフ状態の場合）に比べて低下する（波形Ｗ１３Ｃを参照）。ここで、波形Ｗ１３Ｄは、スイッチ１９がオフ状態で正負判定制御部１６を備えない従来技術の場合におけるバッテリ３に充電電流を示し、波形Ｗ１３Ｅは、スイッチ１９がオフ状態で正負判定制御部１６の機能を有効にした場合の充電電流を示している。
また、図４は、本実施形態における発電機２の回転数と充電電流との関係の一例を示す図である。
図４において、横軸は、発電機２の回転数（ｒｐｍ：revolutions per minute）を示し、縦軸は、充電電流を示している。
また、波形Ｗ６は、スイッチ１９がオフ状態である場合の本実施形態における発電機２の回転数と充電電流との関係を示している。また、波形Ｗ７は、スイッチ１９がオン状態である場合の本実施形態における発電機２の回転数と充電電流との関係を示している。
また、波形Ｗ１６は、比較のために、正負判定制御部１６を備えない従来のバッテリ充電装置における、スイッチ１９がオフ状態である場合の発電機２の回転数と充電電流との関係を示している。また、波形Ｗ１７は、比較のために、無効制御部１８を備えない従来のバッテリ充電装置における、スイッチ１９がオン状態である場合の発電機２の回転数と充電電流との関係を示している。
図４の波形Ｗ１６に示すように、正負判定制御部１６を備えない従来のバッテリ充電装置では、回転数に応じて、充電電流が上昇し、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを超えてしまう。これに対して、本実施形態によるバッテリ充電装置１では、正負判定制御部１６により充電電流が制限されるため、波形Ｗ６に示すように、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを超えないように制限することができる。
また、波形Ｗ１７に示すように、正負判定制御部１６を備え、且つ、無効制御部１８を備えない従来のバッテリ充電装置では、スイッチ１９がオン状態である場合（灯火器１２が接続されている場合）、正負判定制御部１６によって、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔに対して、充電電流が大幅に低下する。すなわち、従来のバッテリ充電装置では、正負判定制御部１６によって、過剰に充電電流を制限される場合があった。
これに対して、本実施形態によるバッテリ充電装置１では、スイッチ１９がオン状態である場合（灯火器１２が接続されている場合）に、無効制御部１８により正負判定制御部１６の機能を無効化できるため、波形Ｗ７に示すように、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを超えない程度に、充電電流を増加することができる。
以上説明したように、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、発電機２と、サイリスタ１３（スイッチング素子）と、正負切替判定部１４と、トリガ出力部１５と、正負判定制御部１６と、無効制御部１８とを備える。発電機２は、回転子の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する。サイリスタ１３は、発電機２が出力する交流信号を整流して充電電力としてバッテリに供給する。正負切替判定部１４は、交流信号の正負電圧の切り替えを判定する。トリガ出力部１５は、正負切替判定部１４の判定結果に基づいて、サイリスタ１３の導通タイミングを示すトリガ信号を出力する。正負判定制御部１６は、交流信号の電圧を検出することで、回転子の回転数を検出し、検出した回転数が所定の閾値以上になった場合に、正負切替判定部１４に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる。無効制御部１８は、交流信号の負電圧の期間に、発電機２が発電した電力を消費する灯火器１２（負荷部）が接続されている場合に、正負判定制御部１６の機能を無効にする。
これにより、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、回転数が所定の閾値以上になった場合に、所定の期間追加されて負電圧の期間と判定され、この所定の期間分（例えば、図２の期間ＴＲ１分）、トリガ信号（制御信号Ｓ２）のサイリスタ１３の導通期間（オン期間）が短くなり、充電電力が抑制される。そのため、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、例えば、図４の波形Ｗ６に示すように、高回転時にサイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを超えないように制限することができ、接続される負荷（例えば、ＦＩ負荷部５の電流）の増大に対応させつつ、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを低減することができる。
すなわち、本実施形態によるバッテリ充電装置１では、ＦＩ負荷部５の消費電力の増大に応じて、サイリスタ１３の電流定格値を大きくする必要がなく、電流定格値の大きい高価なサイリスタ１３を使用する必要がない。
また、本実施形態によるバッテリ充電装置１では、無効制御部１８が、交流信号の負電圧の期間に、発電機が発電した電力を消費する灯火器１２（負荷部）が接続されている場合に、正負判定制御部１６の機能を無効にする。そのため、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、例えば、図４の波形Ｗ７に示すように、過剰に充電電流を制限させずに、高回転時にサイリスタ１３の電流定格値を超えないように制限することができ、接続される負荷（例えば、ＦＩ負荷部５の電流）の増大に対応させつつ、スイッチング素子の電流定格値を低減することができる。
また、本実施形態では、無効制御部１８は、交流信号によって負電圧の期間に流れる電流が、所定の電流以上（例えば、閾値電流Ａｔｈ以上）である場合に、灯火器１２が接続されていると判定する。無効制御部１８は、灯火器１２が接続されていると判定した場合に、正負判定制御部１６の機能を無効にする。
これにより、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、灯火器１２が接続されていることを適切に判定することができ、過剰に充電電流を制限させずに、高回転時にサイリスタ１３の電流定格値を超えないように適切に制限することができる。
また、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、交流信号によって負電圧の期間に流れる電流を検出する電流検出部１７を備える。無効制御部１８は、電流検出部１７が検出した負電圧の期間に流れる電流に基づいて、灯火器１２が接続されているか否かを判定する。
これにより、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、灯火器１２が接続されていることを、電流検出部１７が検出した電流値により簡易、且つ、適切に判定することができる。
また、本実施形態では、正負判定制御部１６は、負電圧検出部１６１と、負電圧維持部１６２とを備える。負電圧検出部１６１は、回転子の回転数の検出として、交流信号のうちの負電圧を検出する。負電圧維持部１６２は、負電圧検出部１６１が検出した負電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、正負切替判定部１４に、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間（例えば、図２に示す期間ＴＲ１）、追加で維持させる。
これにより、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、負電圧を検出することで、簡易な構成のより適切に、ＦＩ負荷部５の増大に対応させつつ、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを低減することができる。
また、本実施形態では、トリガ出力部１５は、正負切替判定部１４が、交流信号の正電圧と判定した期間にサイリスタ１３をオン状態（導通状態）にするように、トリガ信号を出力する。
これにより、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、正負判定制御部１６が、交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させることで、サイリスタ１３をオン状態（導通状態）の期間を容易に短くすることができ、容易に充電電力を抑制することができる。
また、本実施形態では、正負判定制御部１６は、回転数が所定の閾値以上になった場合に、サイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを超えないように定められた所定の期間、正負切替判定部１４に負電圧の判定を追加で維持させる。
これにより、本実施形態によるバッテリ充電装置１は、高回転時にサイリスタ１３の電流定格値Ａｒａｔを確実に超えないように制限することができる。
また、本実施形態による電流制御装置（例えば、バッテリ充電装置１）は、発電機２と、スイッチング素子（例えば、サイリスタ１３、又はサイリスタ１１）と、正負切替判定部１４と、正負判定制御部１６と、トリガ出力部１５と、無効制御部１８とを備える。発電機２は、回転子の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する。スイッチング素子（例えば、サイリスタ１３、又はサイリスタ１１）は、発電機２が出力する交流信号を整流して第１負荷部（例えば、ＦＩ負荷部５、又は灯火器１２）に供給する。正負切替判定部１４は、交流信号の正負電圧の切り替えを判定する。正負判定制御部１６は、交流信号の正負電圧のうちの第１極性の電圧（例えば、負電圧、又は正電圧）を検出することで、回転子の回転数を検出し、検出した回転数が所定の閾値以上になった場合に、正負切替判定部１４に、交流信号の第１極性の電圧（例えば、負電圧、又は正電圧）の判定を、所定の期間、追加で維持させる。トリガ出力部１５は、正負切替判定部１４の判定結果のうち、第１極性の電圧（例えば、負電圧、又は正電圧）と逆極性の電圧である第２極性の電圧（例えば、正電圧、又は負電圧）の判定に基づいて、スイッチング素子（例えば、サイリスタ１３、又はサイリスタ１１）の導通タイミングを示すトリガ信号を出力する。無効制御部１８は、交流信号の第１極性の電圧（例えば、負電圧、又は正電圧）の期間に発電機２が発電した電力を消費する第２負荷部（例えば、灯火器１２、又はＦＩ負荷部５）が接続されている場合に、正負判定制御部１６の機能を無効にする。
これにより、本実施形態による電流制御装置（例えば、バッテリ充電装置１）は、接続される負荷（例えば、ＦＩ負荷部５の電流、あるいは、灯火器１２の電流）の増大に対応させつつ、スイッチング素子（例えば、サイリスタ１３、又はサイリスタ１１）の電流定格値を低減することができる。また、本実施形態による電流制御装置（例えば、バッテリ充電装置１）は、第１負荷部（例えば、ＦＩ負荷部５、又は灯火器１２）に流れる電流を過剰に制限させずに、高回転時にスイッチング素子（例えば、サイリスタ１３、又はサイリスタ１１）の電流定格値を超えないように制限することができる。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の実施形態において、正負判定制御部１６は、交流信号の負電圧を検出することで回転数を検出する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、正負判定制御部１６は、発電機２の交流信号の正電圧が、バッテリ３の出力電圧によりクランプされない期間がある場合には、交流信号の正電圧を検出することで回転数を検出するようにしてもよい。
また、上記の実施形態において、スイッチング素子が、サイリスタ１３である例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、他のシリコン制御整流子などの他のスイッチング素子であってもよい。
また、正負切替判定部１４の構成は、図１に示す回路に限定されるものではなく、他の構成（回路）であってもよい。
また、上記の実施形態において、発電機２は、単相磁石式交流発電機である例を説明したが、これに限定されるものではなく、複数相（例えば、３相など）の交流信号を出力する発電機であってもよいし、他の発電機であってもよい。
また、上記の実施形態において、負荷部の一例として、灯火器１２に適用する例を説明したが、これに限定されるものではなく、他の負荷部に対して適用してもよい。
また、上記の実施形態において、電流制御装置の一例として、バッテリ３の充電電流を制御するバッテリ充電装置１である例を説明したが、これに限定されるものではなく、バッテリ３以外の負荷部に流れる電流を制御する他の電流制御装置であってもよい。
また、上記の実施形態において、正負判定制御部１６、及び無効制御部１８は、回路手段により実現されてもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にプログラムを実行させるソフトウェア処理により実現されてもよい。
また、上述の正負判定制御部１６、及び無効制御部１８の機能の一部又は全部を、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路として実現してもよい。上述した各機能は個別にプロセッサ化してもよいし、一部、又は全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず専用回路、又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりＬＳＩに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
本発明は、自動二輪車などの内燃機関の回転を利用して、バッテリを充電するバッテリ充電装置などに適用できる。
１ バッテリ充電装置
２ 発電機
３ バッテリ
４ ダイオード
５ ＦＩ負荷部
１１、１３ サイリスタ
１２ 灯火器
１４ 正負切替判定部
１５ トリガ出力部
１６ 正負判定制御部
１７ 電流検出部
１８ 無効制御部
１９ スイッチ
１４１、１４２、１４３ 抵抗
１４４ コンデンサ
１４５、１４６ ツェナーダイオード
１６１ 負電圧検出部
１６２ 負電圧維持部

Claims (8)

  1. 回転子の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する発電機と、
    前記発電機が出力する前記交流信号を整流して充電電力としてバッテリに供給するスイッチング素子と、
    前記交流信号の正負電圧の切り替えを判定する正負切替判定部と、
    前記正負切替判定部の判定結果に基づいて、前記スイッチング素子の導通タイミングを示すトリガ信号を出力するトリガ出力部と、
    前記交流信号の電圧を検出することで、前記回転子の回転数を検出し、検出した前記回転数が所定の閾値以上になった場合に、前記正負切替判定部に、前記交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる正負判定制御部と、
    前記交流信号の負電圧の期間に、前記発電機が発電した電力を消費する負荷部が接続されている場合に、前記正負判定制御部の機能を無効にする無効制御部と
    を備えるバッテリ充電装置。
  2. 前記無効制御部は、
    前記交流信号によって前記負電圧の期間に流れる電流が、所定の電流以上である場合に、前記負荷部が接続されていると判定する
    請求項１に記載のバッテリ充電装置。
  3. 前記無効制御部は、
    前記負荷部が接続されていると判定した場合に、前記正負判定制御部の機能を無効にする
    請求項２に記載のバッテリ充電装置。
  4. 前記交流信号によって前記負電圧の期間に流れる電流を検出する電流検出部を更に備え、
    前記無効制御部は、前記電流検出部が検出した前記負電圧の期間に流れる電流に基づいて、前記負荷部が接続されているか否かを判定する
    請求項２に記載のバッテリ充電装置。
  5. 前記正負判定制御部は、
    前記回転子の回転数の検出として、前記交流信号のうちの負電圧を検出する負電圧検出部と、
    前記負電圧検出部が検出した前記負電圧の絶対値が所定の電圧以上である場合に、前記正負切替判定部に、前記交流信号の負電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる負電圧維持部と
    を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバッテリ充電装置。
  6. 前記トリガ出力部は、
    前記正負切替判定部が、前記交流信号の正電圧と判定した期間に前記スイッチング素子を導通状態にするように、前記トリガ信号を出力する
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバッテリ充電装置。
  7. 前記正負判定制御部は、
    前記回転数が所定の閾値以上になった場合に、前記スイッチング素子の電流定格値を超えないように定められた前記所定の期間、前記正負切替判定部に前記負電圧の判定を追加で維持させる
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバッテリ充電装置。
  8. 回転子の回転に応じて発電し、発電した電力に応じた交流信号を出力する発電機と、
    前記発電機が出力する前記交流信号を整流して第１負荷部に供給するスイッチング素子と、
    前記交流信号の正負電圧の切り替えを判定する正負切替判定部と、
    前記交流信号の正負電圧のうちの第１極性の電圧を検出することで、前記回転子の回転数を検出し、検出した前記回転数が所定の閾値以上になった場合に、前記正負切替判定部に、前記交流信号の前記第１極性の電圧の判定を、所定の期間、追加で維持させる正負判定制御部と、
    前記正負切替判定部の判定結果のうち、前記第１極性の電圧と逆極性の電圧である第２極性の電圧の判定に基づいて、前記スイッチング素子の導通タイミングを示すトリガ信号を出力するトリガ出力部と、
    前記交流信号の前記第１極性の電圧の期間に前記発電機が発電した電力を消費する第２負荷部が接続されている場合に、前記正負判定制御部の機能を無効にする無効制御部と
    を備える電流制御装置。
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