JP5780687B2 - バッテリ充電装置およびバッテリ充電制御方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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)
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (6)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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1から3の何れか1項に記載のバッテリ充電装置。
- 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1から3の何れか1項に記載のバッテリ充電装置。
- 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。
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