JPWO2014181459A1 - バッテリ充電装置およびバッテリ充電制御方法 - Google Patents

Abstract

満充電状態付近での間欠的な充電に起因したバッテリ電圧の変動を抑制すると共に、急激な負荷変動が発生した場合でもバッテリ電圧の変動を抑制することができるバッテリ充電装置およびバッテリ充電制御方法を提供する。発電機は、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる。第１スイッチとしてのサイリスタは、バッテリの電圧が前記バッテリの目標電圧よりも低い所定の第１閾値電圧を下回った場合に前記第１出力を前記バッテリに供給する。第２スイッチとしてのサイリスタは、前記バッテリの電圧が前記目標電圧に対応する所定の第２閾値電圧を下回った場合に前記第２出力を前記バッテリに供給する。定電圧回路は、前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧を設定する。

Description

本発明は、バッテリ充電装置およびバッテリ充電制御方法に関する。

発電機出力をサイリスタ等のスイッチ素子により整流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（特許文献１）。
図６は、従来技術によるバッテリ充電装置１０の構成例を示す回路図である。バッテリ充電装置１０は、発電機１１、サイリスタ１２、ＤＣ制御部１３を備える。ここで、発電機１１は、グランド電位を基準とした出力電圧Ｖｇｅｎ１を発生させるためのものである。発電機１１の出力部にはサイリスタ１２のアノードが接続され、サイリスタ１２のカソードには、バッテリ充電装置１０の出力端子１４が接続されている。ＤＣ制御部１３は、サイリスタ１２の導通状態を制御するためのものである。バッテリ充電装置１０の出力端子１４には、バッテリＢの正極が接続され、その負極は接地されている。また、バッテリＢの正極とグランドとの間には、バッテリＢに対する負荷ＬＤとして、例えばランプが接続されている。

バッテリ充電装置１０によれば、バッテリＢに接続された負荷ＬＤを流れる負荷電流によりバッテリＢが放電し、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値を下回ると、ＤＣ制御部１３がサイリスタ１２をオンさせる。サイリスタ１２がオンすると、発電機１１の出力電圧Ｖｇｅｎに応じた電流がサイリスタ１２を通じてバッテリＢに供給される。これによりバッテリＢが充電され、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値以上の電圧に回復する。このように、バッテリ充電装置１０によれば、ＤＣ制御部１３の制御の下、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔを所定の閾値以上の電圧に維持するためのフィードバック動作が実施される。

特開２０１２−２３４７０５号公報

上述の従来技術によれば、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔを所定の閾値以上の電圧に維持するためのフォードバック動作の過程で充電が間欠的に実施される。即ち、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値以上であればバッテリＢの充電は行われず、バッテリＢが放電してバッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値を下回った場合にのみバッテリＢの充電が行われる。

ここで、バッテリＢの充電が間欠的であり、且つ、発電機１１の出力電圧Ｖｇｅｎが高い場合、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの変動が大きくなるおそれがある。即ち、この場合、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値付近にある状態からバッテリＢの充電が開始され、このときに発電機１１からバッテリＢに供給される電流は、発電機１１の出力電圧Ｖｇｅｎに応じて大きくなる。このため、バッテリＢは急速に充電され、短時間でバッテリＢが満充電状態になる。以後、バッテリＢが満充電状態から放電し、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値に到達するたびにバッテリＢの急速な充電が繰り返される。この結果、満充電状態付近で充電が間欠的に行われる。そして、この間欠的な充電に起因して、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが、所定の閾値で示される電圧と満充電状態での電圧との間で変動する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、満充電状態付近での間欠的な充電に起因したバッテリ電圧の変動を抑制すると共に、急激な負荷変動が発生した場合でもバッテリ電圧の変動を抑制することができるバッテリ充電装置およびバッテリ充電制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる発電機と、バッテリの電圧が前記バッテリの目標電圧よりも低い所定の第１閾値電圧を下回った場合に前記第１出力を前記バッテリに供給する第１スイッチと、前記バッテリの電圧が前記目標電圧に対応する所定の第２閾値電圧を下回った場合に前記第２出力を前記バッテリに供給する第２スイッチと、前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧を設定する定電圧回路と、を備えたバッテリ充電装置を提案している。

本発明の一態様によれば、発電機により、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる段階と、定電圧回路により、バッテリの目標電圧よりも低い第１閾値電圧と、前記バッテリの目標電圧に対応する第２閾値電圧とを設定する段階と、前記バッテリの電圧が前記第１閾値電圧を下回った場合、第１スイッチにより前記第１出力を前記バッテリに供給する段階と、前記バッテリの電圧が前記第２閾値電圧を下回った場合、第２スイッチにより前記第２出力を前記バッテリに供給する段階と、を含むバッテリ充電制御方法を提案している。

本発明の一態様によれば、満充電状態付近での間欠的な充電動作に起因したバッテリ電圧の変動と、負荷変動に起因したバッテリ電圧の変動を抑制することができる。

本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置が備えるサイリスタの切り替え動作を説明するための図ある。 本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置の低出力電圧による充電動作を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の変形例よるバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態によるバッテリ充電装置の構成例を示す回路図である。 従来技術によるバッテリ充電装置の構成例を示す回路図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
なお、本実施形態における構成要素は、適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
また、全図面にわたって、共通する符号は共通する要素を表している。

[第１実施形態]
（構成の説明）
図１を参照して、本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置１００の構成を説明する。図１は、本実施形態によるバッテリ充電装置１００の構成例を示す回路図である。同図に示すバッテリ充電装置１００は、バッテリＢを充電するためのものであり、バッテリ充電装置１００の出力端子１６０にはバッテリＢの正極が接続され、バッテリＢの負極は接地されている。また、バッテリＢの正極とグランドとの間には、バッテリＢに対する負荷ＬＤとして、例えばランプが接続される。

バッテリ充電装置１００の構成を具体的に説明する。
バッテリ充電装置１００は、発電機１１０、スイッチ回路１２０、定電圧回路１３０、出力端子１６０を備えている。発電機１１０は、交流の高出力電圧Ｖｇｅｎ１（第１出力）と、高出力電圧Ｖｇｅｎ１よりも低い交流の低出力電圧Ｖｇｅｎ２（第２出力）とを発生させるものである。本実施形態では、発電機１１０は、所定の固定電位（例えばグランド電位）を基準として高出力電圧Ｖｇｅｎ１および低出力電圧Ｖｇｅｎ２をそれぞれ発生させる二つのノードＮ１１１およびノードＮ１１２を有する巻線Ｌを備えている。

ここで、ノードＮ１１１は巻線Ｌの一端に設定され、巻線Ｌの他端は接地され、ノードＮ１１２は巻線Ｌの中間部に設定されている。高出力電圧Ｖｇｅｎ１の振幅は、巻線Ｌの一端に設けられたノードＮ１１１から巻線Ｌの他端に設けられたノードＮ１１３までの巻数に比例し、低出力電圧Ｖｇｅｎ２の振幅は、巻線Ｌの一端に設けられたノードＮ１１１から巻線Ｌの中間部に設けられたノードＮ１１２までの巻数に比例する。

本実施形態では、発電機１１０の低出力電圧Ｖｇｅｎ２は、スイッチ回路１２０を構成する後述のサイリスタＳ２（第２スイッチ）の導通電流がバッテリＢの負荷電流ＩＬと対応するように設定されている。具体的には、負荷ＬＤの変動がほとんどない状況、即ち負荷ＬＤがほぼ一定の状況下において、後述のサイリスタＳ２の導通電流がバッテリＢの負荷電流ＩＬとほぼ同じになるように発電機１１０の低出力電圧Ｖｇｅｎ２が設定されており、そのような低出力電圧Ｖｇｅｎ２が得られるように、巻線Ｌの中間部のノードＮ１１２から他端のノードＮ１１３までの巻数が設定されている。これに対し、巻線Ｌの一端のノードＮ１１１から他端のノードＮ１１３までの巻数は、負荷ＬＤの急激な変動に対してバッテリＢに充分な充電電流を供給し得る高出力電圧Ｖｇｅｎ１が得られるように設定されている。このような発電機１１０の高出力電圧Ｖｇｅｎ１および低出力電圧Ｖｇｅｎ２は、例えば、負荷電流ＩＬに関する負荷ＬＤの特性が既知である場合には、この特性に基づいて事前に設定される。
なお、この例に限らず、後述のサイリスタＳ２の導通電流をバッテリＢの負荷電流ＩＬとほぼ同じに設定するための手法は任意である。

スイッチ回路１２０は、発電機１１０の高出力電圧Ｖｇｅｎ１と低出力電圧Ｖｇｅｎ２を選択するためのものであり、サイリスタＳ１とサイリスタＳ２から構成される。ここで、サイリスタＳ１のアノードは、発電機１１０の巻線ＬのノードＮ１１１に接続され、そのカソードは出力端子１６０に接続されている。また、サイリスタＳ１のゲートには後述の第１定電圧Ｖ１３１が印加されている。これにより、サイリスタＳ１は、バッテリＢの電圧Ｖｂａｔｔ（以下、「バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ」と称す。）がバッテリＢの目標電圧（満充電状態でのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔ）よりも低い所定の第１閾値電圧ＶＴＨ１を下回った場合に高出力電圧Ｖｇｅｎ１をバッテリＢに供給するための第１スイッチとして機能する。逆に言えば、後述するように、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１を下回った場合にサイリスタＳ１を通じて高出力電圧Ｖｇｅｎ１がバッテリＢに供給されるように、サイリスタＳ１のゲートに印加される第１定電圧Ｖ１３１が設定される。

本実施形態では、第１閾値電圧ＶＴＨ１は、バッテリＢが満充電状態付近にある場合のバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの下限値を示す。即ち、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１以上にある場合、バッテリＢは概ね満充電状態にあると言える。第１閾値電圧ＶＴＨ１は、前述の間欠的な充電を抑制する観点から、例えばバッテリＢまたは負荷ＬＤの特性に応じて任意に設定し得る。例えば、バッテリＢが放電した場合にバッテリＢを充電するための前述のフィードバック動作を起動するときのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの値を第１閾値電圧ＶＴＨ１とすることができる。または、例えば負荷ＬＤの仕様上の電源電圧の下限値を第１閾値電圧ＶＴＨ１とすることができる。このような第１閾値電圧ＶＴＨ１は、前述のフィードバック動作を可能とする限度において任意に設定し得る。

サイリスタＳ２のアノードは発電機１１０の巻線Ｌの中間部に設定されたノードＮ１１２に接続され、そのカソードは出力端子１６０に接続されている。また、サイリスタＳ２のゲートには後述の第２定電圧Ｖ１３２が印加されている。これにより、サイリスタＳ２は、バッテリ電圧ＶｂａｔｔがバッテリＢの目標電圧に相当する所定の第２閾値電圧ＶＴＨ２を下回った場合に低出力電圧Ｖｇｅｎ２をバッテリＢに供給するための第２スイッチとして機能する。逆に言えば、後述するように、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第２閾値電圧ＶＴＨ２を下回った場合にサイリスタＳ２を通じて低出力電圧Ｖｇｅｎ２がバッテリＢに供給されるように、サイリスタＳ２のゲートに印加される第２定電圧Ｖ１３２が設定される。

定電圧回路１３０は、上述の第１閾値電圧ＶＴＨ１および第２閾値電圧ＶＴＨ２を設定するためのものである。ここで、第１閾値電圧ＶＴＨ１は、サイリスタＳ１のゲート電圧を一定とした場合、サイリスタＳ１の導通状態がオフ状態とオン状態との間を遷移するときのカソード電圧の境界値を指す。また、第１閾値電圧ＶＴＨ２は、サイリスタＳ２のゲート電圧を一定とした場合、サイリスタＳ２の導通状態がオフ状態とオン状態との間を遷移するときのカソード電圧の境界値を指す。定電圧回路１３０は、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１を下回った場合にサイリスタＳ１をオンさせるための第１定電圧Ｖ１３１を発生させてサイリスタＳ１のゲートに供給する。また、定電圧回路１３０は、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第２閾値電圧ＶＴＨ２を下回った場合にサイリスタＳ２をオンさせるための第２定電圧Ｖ１３２を発生させてサイリスタＳ２のゲートに供給する。

以下の説明では、サイリスタＳ１のカソード電圧に対するゲート電圧（即ち、サイリスタＳ１のゲート電圧からカソード電圧を減じた電圧）を「第１制御電圧Ｖ１」と称し、サイリスタＳ２のカソード電圧に対するゲート電圧（即ち、サイリスタＳ２のゲート電圧からカソード電圧を減じた電圧）を「第２制御電圧Ｖ２」と称す。本実施形態では、サイリスタＳ１のゲートには第１定電圧Ｖ１３１が印加され、サイリスタＳ２のゲートには第２定電圧Ｖ１３２が印加され、サイリスタＳ１，Ｓ２の各カソード電圧はバッテリ電圧Ｖｂａｔｔとなるから、次の関係式が成り立つ。

Ｖ１＝Ｖ１３１−Ｖｂａｔｔ …（１）
Ｖ２＝Ｖ１３２−Ｖｂａｔｔ …（２）

ここで、サイリスタＳ１の導通状態がオフ状態からオン状態に遷移するときのサイリスタＳ１のカソード電圧に対するゲート電圧の境界値を「ゲートオン電圧Ｖｏｎ１」と定義し、式（１）において、Ｖ１＝Ｖｏｎ１とし、Ｖｂａｔｔ＝ＶＴＨ１とすると、第１閾値電圧ＶＴＨ１は、サイリスタＳ１のゲートに印加される第１定電圧Ｖ１３１からサイリスタＳ１のゲートオン電圧Ｖｏｎ１を減算して得られるサイリスタＳ１のカソード電圧に相当する。同様に、サイリスタＳ２の導通状態がオフ状態からオン状態に遷移するときのサイリスタＳ２のカソード電圧に対するゲート電圧の境界値を「ゲートオン電圧Ｖｏｎ２」と定義し、式（２）において、Ｖ２＝Ｖｏｎ２とし、Ｖｂａｔｔ＝ＶＴＨ２とすると、第２閾値電圧ＶＴＨ２は、サイリスタＳ２のゲートに印加される第２定電圧Ｖ１３２からサイリスタＳ２のゲートオン電圧Ｖｏｎ２を減算して得られるサイリスタＳ２のカソード電圧に相当する。即ち、次の関係式が成り立つ。

ＶＴＨ１＝Ｖ１３１−Ｖｏｎ１ …（３）
ＶＴＨ２＝Ｖ１３２−Ｖｏｎ２ …（４）

本実施形態では、一例として、満充電状態でのバッテリＢの電圧（以下、「目標電圧」と称す。）は１４．５[V]であり、第１閾値電圧ＶＴＨ１は目標電圧より０．５[V]だけ低い１４．０[V]であり、第２閾値電圧ＶＴＨ２はバッテリＢの目標電圧に相当する１４．５[V]であり、ゲートオン電圧Ｖｏｎ１,Ｖｏｎ２のそれぞれは１．０[V]である。以下では、ゲートオン電圧Ｖｏｎ１,Ｖｏｎ２のそれぞれをゲートオン電圧Ｖｏｎと称す。この場合、上記関係式（３），（４）から、第１定電圧Ｖ１３１は１５．０[V]となり、第２定電圧Ｖ１３２は１５．５[V]となる。また、本実施形態では、サイリスタＳ１，Ｓ２がオン状態にあるときのサイリスタＳ１，Ｓ２の各降下電圧ＶＦＳを０．８[V]とする。ただし、各電圧の値は、この例に限定されず、上記の各関係式を満足する限度において任意である。

定電圧回路１３０は、抵抗ＲとダイオードＤとツェナーダイオードＺとの直列回路から構成されている。抵抗Ｒの一端には、発電機１１０から高出力電圧Ｖｇｅｎ１が印加される。ただし、この例に限定されず、第１定電圧Ｖ１３１および第２定電圧Ｖ１３２が得られる限度において、抵抗Ｒの一端には、高出力電圧Ｖｇｅｎ１に代えて低出力電圧Ｖｇｅｎ２が印加されてもよい。即ち、抵抗Ｒの一端には、第１定電圧Ｖ１３１および第２定電圧Ｖ１３２が得られる限度において、発電機１１０の高出力電圧Ｖｇｅｎ１および低出力電圧Ｖｇｅｎ２の何れかが印加され得る。定電圧回路１３０によれば、抵抗ＲとダイオードＤとツェナーダイオードＺとの直列回路に対して発電機１１０から高出力電圧Ｖｇｅｎ１が印加されると、ツェナーダイオードＺの降伏電圧を利用して第１定電圧Ｖ１３１（１５．０[V]）が発生し、ダイオードＤの順方向の降下電圧ＶＦ（例えば０．５[V]）を利用して、第１定電圧Ｖ１３１よりも降下電圧ＶＦ分だけ高い第２定電圧Ｖ１３２（１５．５[V]）が発生する。

抵抗Ｒの他端には、ダイオードＤのアノードが接続されている。このダイオードＤのカソードには、ツェナーダイオードＺのカソードが接続され、このツェナーダイオードＺのアノードは所定の固定電位ノード（例えばグランド）に接続されている。サイリスタＳ１のゲートには、ダイオードＤとツェナーダイオードＺとの間の接続点（即ち、ダイオードＤのカソードおよびツェナーダイオードＺのカソード）が接続されている。サイリスタＳ２のゲートには、抵抗ＲとダイオードＤとの間の接続点（即ち、抵抗Ｒの他端およびダイオードＤのアノード）が接続されている。

なお、本実施形態では、スイッチ回路１２０の構成要素として、サイリスタＳ１およびサイリスタＳ２を用いているが、これに代えて、例えば電界効果トランジスタやIGBT(Insulated-Gate Bipolar transistor)等を用いることもできる。
また、本実施形態では、定電圧回路１２０の構成要素として、抵抗Ｒ、ダイオードＤ、ツェナーダイオードＺを用いているが、第１閾値電圧Ｖ１および第２閾値電圧Ｖ２を得ることができることを限度に、定電圧回路１２０の構成は任意である。

（動作の説明）
次に、図２および図３を参照して、本実施形態によるバッテリ充電装置１００の動作を説明する。
概略的には、バッテリ充電装置１００は、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの値に応じてサイリスタＳ１，Ｓ２の導通状態を切り替えることにより、発電機１１０の高出力電圧Ｖｇｅｎ１および低出力電圧Ｖｇｅｎ２の何れかを選択的にバッテリＢに供給してバッテリＢを充電する。

図２は、本実施形態によるバッテリ充電装置１００が備えるサイリスタＳ１，Ｓ２の切り替え動作を説明するための図あり、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ[V]と、第１制御電圧Ｖ１[V]および第２制御電圧Ｖ２[V]との関係を示す図である。
図３は、本実施形態によるバッテリ充電装置１００の充電動作を説明するための図であり、高出力電圧Ｖｇｅｎ１、低出力電圧Ｖｇｅｎ２、出力電流Ｉｏｕｔ、負荷電流ＩＬの関係を示す図である。図３において、波形Ｗ１は、高出力電圧Ｖｇｅｎ１または低出力電圧Ｖｇｅｎ２の波形例を表し、波形Ｗ２は、バッテリ充電装置１００の出力電流Ｉｏｕｔの波形例を示し、波形Ｗ３は、負荷ＬＤを流れる負荷電流ＩＬ（即ち、バッテリＢの放電電流）の波形例を示す。

図１の構成において、例えばバッテリ充電装置１００が搭載された車両の動力により発電機１１０が回転されると、発電機１１０は、高出力電圧Ｖｇｅｎ１（第１出力）と低出力電圧Ｖｇｅｎ２（第２出力）とを発生させる。これら高出力電圧Ｖｇｅｎ１および低出力電圧Ｖｇｅｎ２は、次に説明するように、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの値に応じて導通状態が切り替えられるサイリスタＳ１またはサイリスタＳ２を通じてバッテリＢに供給される。

Ａ．バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１未満の場合
図２に示すように、サイリスタＳ１のカソード電圧に対するゲート電圧を示す制御電圧Ｖ１は、前述の式（１）に従って、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの値に応じて増減するが、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１（１４．０[V]）未満の場合、制御電圧Ｖ１（サイリスタＳ１のゲート−カソード間電圧）は、サイリスタＳ１のゲートトリガ電圧、即ちサイリスタＳ１のゲートオン電圧Ｖｏｎで飽和する。この場合、サイリスタＳ１のカソード電圧およびゲート電圧はオン条件を満足し、サイリスタＳ１がオン状態となる。これにより、サイリスタＳ１を通じて発電機１１０の高出力電圧Ｖｇｅｎ１に基づくサイリスタＳ１の導通電流がバッテリ充電装置１００の出力電流Ｉｏｕｔとなり、この出力電流Ｉｏｕｔが充電電流ＩｃとしてバッテリＢに供給され、バッテリＢが充電される。このとき、高出力電圧Ｖｇｅｎ２に応じて比較的大きな充電電流ＩｃがバッテリＢに供給される。このため、急激な負荷ＬＤの変動が発生しても、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの変動を抑制しつつ、バッテリＢを充電することが可能になる。

また、サイリスタＳ１がオン状態にある場合、サイリスタＳ２のゲートとカソードがサイリスタＳ１を介して電気的に接続される。このため、図２において、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１未満となる領域に示すように、制御電圧Ｖ１がサイリスタＳ１の順方向の降下電圧ＶＦＳ（例えば０．８[V]）に制限される。この結果、制御電圧Ｖ２がゲートオン電圧Ｖｏｎを下回り、サイリスタＳ２は強制的にオフ状態とされる。ただし、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１未満となる領域において、サイリスタＳ１と共にサイリスタＳ２もオン状態となるように構成することも可能である。

Ｂ．バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１以上、第２閾値電圧ＶＴＨ２未満の場合
バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１（１４．０[V]）以上であれば、サイリスタＳ１のカソードに対するゲート電圧を示す制御電圧Ｖ１はゲートオン電圧Ｖｏｎ未満となる。このため、サイリスタＳ１のカソード電圧およびゲート電圧はオン条件を満足せず、サイリスタＳ１がオフ状態となる。サイリスタＳ１がオフ状態になれば、サイリスタＳ２のカソード電圧に対するゲート電圧を示す制御電圧Ｖ２は、サイリスタＳ１の順方向の降下電圧ＶＦＳに制限されることがなくなり、前述の式（２）に従って、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの値に応じて増減するようになる。

この場合、図２に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１以上、第２閾値電圧ＶＴＨ２未満となる領域において、制御電圧Ｖ２（サイリスタＳ２のゲート−カソード間電圧）は、サイリスタＳ２のゲートトリガ電圧、即ちサイリスタＳ２のゲートオン電圧Ｖｏｎで飽和する。このため、サイリスタＳ２のカソード電圧およびゲート電圧はオン条件を満足し、サイリスタＳ２がオン状態になる。これにより、発電機１１０の低出力電圧Ｖｇｅｎ２に基づくサイリスタＳ２の導通電流がバッテリ充電装置１００の出力電流Ｉｏｕｔとなり、この出力電流Ｉｏｕｔが充電電流ＩｃとしてバッテリＢに供給される。本実施形態では、低出力電圧Ｖｇｅｎ２に基づくサイリスタＳ２の導通電流は、高出力電圧Ｖｇｅｎ１に基づくサイリスタＳ１の導通電流よりも小さく設定され、バッテリＢの負荷電流ＩＬとほぼ同等の電流である。

ここで、低出力電圧Ｖｇｅｎ２に基づくサイリスタＳ２の導通電流がバッテリＢの負荷電流ＩＬとほぼ同等であれば、図３に示すように、出力電流Ｉｏｕｔの積分値（平均値）が負荷電流ＩＬと概ね等しくなる。このため、発電機１１０の低出力電圧Ｖｇｅｎ２の各周期においてバッテリＢの充電電流ＩｃがバッテリＢの放電電流（即ち負荷電流ＩＬ）とほぼ等しくなり、低出力電圧Ｖｇｅｎ２の毎周期においてバッテリＢの充電が実施される。これにより、バッテリＢの過剰な充電が行われず、低出力電圧Ｖｇｅｎ２の毎波形（毎周期の正相成分の波形）でバッテリＢが充電され、間欠的な充電が抑制される。

Ｃ．バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第２閾値電圧ＶＴＨ２以上の場合
サイリスタＳ１およびサイリスタＳ２の各ゲート電圧とカソード電圧はオン条件を満たさない。このため、サイリスタＳ１およびサイリスタＳ２は共にオフ状態になる。従って、バッテリＢの充電は行われない。

以上から、本実施形態によれば、満充電状態付近での間欠的な充電が抑制され、この間欠的な充電に起因したバッテリの電圧Vbattの変動を抑制することができる。また、充電時のバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの変動が抑制されるので、充電時のバッテリＢの負担を軽減することができる。具体的には、例えば、バッテリＢの充電電流のピーク値を抑えることができ、バッテリＢのライフサイクルを延ばすことができる。

また、本実施形態によれば、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが第１閾値電圧ＶＴＨ１を下回った場合、サイリスタＳ１を通じて発電機１１０の高出力電圧Ｖｇｅｎ１に基づく電流がバッテリＢに供給されるので、負荷ＬＤが急激に変動し、負荷電流ＩＬが急増した場合においても、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの変動を抑制することができる。

＜変形例＞
次に、図４を参照して、第１実施形態の変形例を説明する。
図４は、第１実施形態の変形例によるバッテリ充電装置１００ａの構成を示す回路図である。同図に示すバッテリ充電装置１００ａは、上述の図１に示すバッテリ充電装置１００の構成において、発電機１１０に代えて発電機１１０ａを備えている。発電機１１０ａは、高出力電圧Ｖｇｅｎ１（第１出力）を発生させる第１巻線Ｌ１と、低出力電圧Ｖｇｅｎ２（第２出力）を発生させる第２巻線Ｌ２とを個別に備えている。その他の構成は、図１のバッテリ充電装置１００と同様である。

本変形例によれば、高出力電圧Ｖｇｅｎ１を発生させるための第１巻線Ｌ１と、低出力電圧Ｖｇｅｎ２を発生させる第２巻線Ｌ２を個別に備えたので、高出力電圧Ｖｇｅｎ１と低出力電圧Ｖｇｅｎ２を独立に調整することができる。従って、例えば、多様な仕様のバッテリＢの充電に柔軟に対応することが可能になる。

[第２実施形態]
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
図５は、本発明の第２実施形態によるバッテリ充電装置２００の構成例を示す回路図である。同図に示すように、バッテリ充電装置２００は、前述の第１実施形態による図１のバッテリ充電装置１００の構成において、さらに、負荷電流検出回路１４０と、電流調整回路１５０とを備えている。その他の構成は、第１実施形態によるバッテリ充電装置１００と同様である。

本実施形態において、負荷電流検出回路１４０は、負荷ＬＤに流れる負荷電流ＩＬを検出するためのものであり、この負荷電流ＩＬはバッテリＢの放電電流を形成する。
電流調整回路１５０は、バッテリＢの充電電流となるバッテリ充電装置１００の出力電流Ｉｏｕｔが、負荷電流検出回路１４０により検出された負荷電流ＩＬと対応するように、サイリスタＳ２の導通電流を制御するためのものである。例えば、電流調整回路１５０は、出力電流Ｉｏｕｔが負荷電流ＩＬとほぼ等しくなるように、サイリスタＳ２の導通電流を制御する。電流調整回路１５０は、サイリスタＳ２の導通電流を制御することができることを限度として、低出力電圧Ｖｇｅｎ１の伝送経路上の任意の位置に配置し得る。

本実施形態によれば、バッテリＢが満充電状態付近にあるときに負荷ＬＤの負荷電流ＩＬが変動した場合であっても、低出力電圧Ｖｇｅｎ２の毎波形でバッテリＢの充電が可能になる。従って、第１実施形態に比較して、満充電状態付近での間欠的な充電を安定的に抑制し、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの変動を抑制することが可能になる。

上述した第１実施形態および第２実施形態では、本発明をバッテリ充電装置として表現したが、本発明は、バッテリ充電制御方法として表現することもできる。この場合、本発明は、例えば、発電機１１０により、高出力電圧Ｖｇｅｎ１（第１出力）と前記高出力電圧Ｖｇｅｎ１よりも低い低出力電圧Ｖｇｅｎ２（第２出力）とを発生させる段階と、定電圧回路１３０により、バッテリＢの目標電圧よりも低い第１閾値電圧ＶＴＨ１と、前記バッテリＢの目標電圧に対応する第２閾値電圧ＶＴＨ２とを設定する段階と、前記バッテリＢのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔが前記第１閾値電圧ＶＴＨ１を下回った場合、サイリスタＳ１（第１スイッチ）により前記高出力電圧Ｖｇｅｎ１を前記バッテリＢに供給する段階と、前記バッテリＢのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔが前記第２閾値電圧ＶＴＨ２を下回った場合、サイリスタＳ２（第２スイッチ）により前記低出力電圧Ｖｇｅｎ２を前記バッテリＢに供給する段階と、を含むバッテリ充電制御方法として表現することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の変形、修正、置換、付加等が可能である。
例えば、上述の第１実施形態および第２実施形態では、発電機の巻線から低出力電圧Ｖｇｅｎ２を直接的に取り出す構成としたが、電力損失の発生が許容される場合には、高出力電圧Ｖｇｅｎ１を降圧することにより低出力電圧Ｖｇｅｎ２を発生させてもよい。
また、上述の第１実施形態および第２実施形態では、発電機が高出力電圧Ｖｇｅｎ１および低出力電圧Ｖｇｅｎ２の各電圧を発生させるものとしたが、発電機が高出力電圧Ｖｇｅｎ１に対応した電流と、低出力電圧Ｖｇｅｎ２に対応した電流とを発生させるものとしてもよい。この場合、例えば、低出力電圧Ｖｇｅｎ２に対応した電流は、高出力電圧Ｖｇｅｎ１に対応した電流よりも小さい値に設定される。

バッテリを充電するための充電装置のほか、電源装置等にも適用できる。

１００，１００ａ，２００ バッテリ充電装置
１１０，１１０ａ 発電機
１２０ スイッチ回路
１３０ 定電圧回路
１４０ 負荷電流検出回路
１５０ 電流調整回路
１６０ 出力端子
Ｂ バッテリ
Ｄ ダイオード
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ 巻線
ＬＤ 負荷
Ｒ 抵抗
Ｓ１，Ｓ２ サイリスタ
Ｚ ツェナーダイオード

【０００２】
特許文献
［０００４］
特許文献１：特開２０１２−２３４７０５号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００５］
上述の従来技術によれば、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔを所定の閾値以上の電圧に維持するためのフォードバック動作の過程で充電が間欠的に実施される。即ち、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値以上であればバッテリＢの充電は行われず、バッテリＢが放電してバッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値を下回った場合にのみバッテリＢの充電が行われる。
［０００６］
ここで、バッテリＢの充電が間欠的であり、且つ、発電機１１の出力電圧Ｖｇｅｎが高い場合、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの変動が大きくなるおそれがある。即ち、この場合、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値付近にある状態からバッテリＢの充電が開始され、このときに発電機１１からバッテリＢに供給される電流は、発電機１１の出力電圧Ｖｇｅｎに応じて大きくなる。このため、バッテリＢは急速に充電され、短時間でバッテリＢが満充電状態になる。以後、バッテリＢが満充電状態から放電し、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが所定の閾値に到達するたびにバッテリＢの急速な充電が繰り返される。この結果、満充電状態付近で充電が間欠的に行われる。そして、この間欠的な充電に起因して、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔが、所定の閾値で示される電圧と満充電状態での電圧との間で変動する。
［０００７］
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、満充電状態付近での間欠的な充電に起因したバッテリ電圧の変動を抑制すると共に、急激な負荷変動が発生した場合でもバッテリ電圧の変動を抑制することができるバッテリ充電装置およびバッテリ充電制御方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明の一態様によれば、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる発電機と、バッテリの電圧が前記バッテリの目標電圧よりも低

【０００３】
い所定の第１閾値電圧を下回った場合に前記第１出力を前記バッテリに供給する第１スイッチと、前記バッテリの電圧が前記目標電圧に対応する所定の第２閾値電圧を下回った場合に前記第２出力を前記バッテリに供給する第２スイッチと、前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧を設定する定電圧回路と、を備え、前記第２スイッチの導通電流は、負荷変動がない場合の前記バッテリの負荷電流と対応するように設定された、バッテリ充電装置を提案している。
［０００９］
本発明の一態様によれば、発電機により、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる段階と、定電圧回路により、バッテリの目標電圧よりも低い第１閾値電圧と、前記バッテリの目標電圧に対応する第２閾値電圧とを設定する段階と、前記バッテリの電圧が前記第１閾値電圧を下回った場合、第１スイッチにより前記第１出力を前記バッテリに供給する段階と、前記バッテリの電圧が前記第２閾値電圧を下回った場合、第２スイッチにより前記第２出力を前記バッテリに供給する段階と、を含み、前記第２スイッチの導通電流は、負荷変動がない場合の前記バッテリの負荷電流と対応するように設定された、バッテリ充電制御方法を提案している。
発明の効果
［００１０］
本発明の一態様によれば、満充電状態付近での間欠的な充電動作に起因したバッテリ電圧の変動と、負荷変動に起因したバッテリ電圧の変動を抑制することができる。
図面の簡単な説明
［００１１］
［図１］本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置の構成例を示す回路図である。
［図２］本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置が備えるサイリスタの切り替え動作を説明するための図ある。
［図３］本発明の第１実施形態によるバッテリ充電装置の低出力電圧による充電動作を説明するための図である。
［図４］本発明の第１実施形態の変形例よるバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。
［図５］本発明の第２実施形態によるバッテリ充電装置の構成例を示す回路図である。

本発明の一態様によれば、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる発電機と、バッテリの電圧が前記バッテリの目標電圧よりも低い所定の第１閾値電圧を下回った場合にオン状態となって前記第１出力を前記バッテリに供給する第１スイッチと、前記バッテリの電圧が前記目標電圧に対応する所定の第２閾値電圧を下回った場合にオン状態となって前記第２出力を前記バッテリに供給する第２スイッチと、前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧を設定する定電圧回路と、を備え、前記第２スイッチの導通電流は、前記バッテリに接続されている負荷の変動がない場合の前記バッテリの負荷電流と対応するように設定され、前記第２スイッチは、前記バッテリの電圧が、前記第２閾値電圧を下回り、且つ、前記第１閾値電圧を下回った場合、オフ状態に制御され、またはオン状態に維持される、バッテリ充電装置を提案している。

本発明の一態様によれば、発電機により、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる段階と、定電圧回路により、バッテリの目標電圧よりも低い第１閾値電圧と、前記バッテリの目標電圧に対応する第２閾値電圧とを設定する段階と、前記バッテリの電圧が前記第１閾値電圧を下回った場合に第１スイッチがオン状態となって、前記第１スイッチにより前記第１出力を前記バッテリに供給する段階と、前記バッテリの電圧が前記第２閾値電圧を下回った場合に第２スイッチがオン状態となって、前記第２スイッチにより前記第２出力を前記バッテリに供給する段階と、を含み、前記第２スイッチの導通電流は、前記バッテリに接続されている負荷の変動がない場合の前記バッテリの負荷電流と対応するように設定され、前記第２スイッチは、前記バッテリの電圧が、前記第２閾値電圧を下回り、且つ、前記第１閾値電圧を下回った場合、オフ状態に制御され、またはオン状態に維持される、バッテリ充電制御方法を提案している。

Claims (7)

1. 第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる発電機と、
   バッテリの電圧が前記バッテリの目標電圧よりも低い所定の第１閾値電圧を下回った場合に前記第１出力を前記バッテリに供給する第１スイッチと、
   前記バッテリの電圧が前記目標電圧に対応する所定の第２閾値電圧を下回った場合に前記第２出力を前記バッテリに供給する第２スイッチと、
   前記第１閾値電圧および前記第２閾値電圧を設定する定電圧回路と、
   を備えたバッテリ充電装置。
2. 前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、それぞれ、サイリスタから構成され、
   前記定電圧回路は、前記バッテリの電圧が前記第１閾値電圧を下回った場合に前記第１スイッチをオンさせるための第１定電圧と、前記バッテリの電圧が前記第２閾値電圧を下回った場合に前記第２スイッチをオンさせるための第２定電圧とを発生させ、
   前記第１定電圧は、前記第１スイッチを構成するサイリスタのゲートに印加され、前記第２定電圧は、前記第２スイッチを構成するサイリスタのゲートに印加された、請求項１に記載のバッテリ充電装置。
3. 前記定電圧回路は、
   前記発電機の前記第１出力および前記第２出力の何れかが一端に印加された抵抗と、
   アノードが前記抵抗の他端に接続されたダイオードと、
   カソードが前記ダイオードのカソードに接続され、アノードが所定の固定電位ノードに接続されたツェナーダイオードと、を備え、
   前記第１スイッチを構成するサイリスタのゲートが、前記ダイオードと前記ツェナーダイオードとの間の接続点に接続され、前記第２スイッチを構成するサイリスタのゲートが、前記抵抗と前記ダイオードとの間の接続点に接続された、請求項２に記載のバッテリ充電装置。
4. 前記第２出力は、前記第２スイッチの導通電流が前記バッテリの負荷電流と対応するように設定された、請求項１から３の何れか１項に記載のバッテリ充電装置。
5. 前記発電機は、前記第１出力および前記第２出力をそれぞれ発生させる二つのノードを有する巻線を備えた、請求項４に記載のバッテリ充電装置。
6. 前記発電機は、前記第１出力を発生させる第１巻線と、前記第２出力を発生させる第２巻線とを備えた、請求項４に記載のバッテリ充電装置。
7. 発電機により、第１出力と前記第１出力よりも低い第２出力とを発生させる段階と、
   定電圧回路により、バッテリの目標電圧よりも低い第１閾値電圧と、前記バッテリの目標電圧に対応する第２閾値電圧とを設定する段階と、
   前記バッテリの電圧が前記第１閾値電圧を下回った場合、第１スイッチにより前記第１出力を前記バッテリに供給する段階と、
   前記バッテリの電圧が前記第２閾値電圧を下回った場合、第２スイッチにより前記第２出力を前記バッテリに供給する段階と、
   を含むバッテリ充電制御方法。

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