JP2007060857A - 三相交流発電機バッテリ充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 三相交流発電機の出力電圧が上昇した場合であっても、サイリスタを的確に制御できるバッテリ充電装置を提供する。
【解決手段】 三相交流発電機１０とバッテリ８とがそれぞれ相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３で交流発電機１０の出力をサイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６を含む整流手段及び点弧回路１ｄ、１ｅ、１ｆを介して接続され、バッテリ８はバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段に接続され、バッテリ電圧検出手段が所定値以上の電圧を検出したときに、サイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６をＯＦＦさせる三相交流発電機バッテリ充電装置であって、それぞれの相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３のサイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６に直列にサイリスタＳ１、Ｓ２、Ｓ３及び点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃを接続し、点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆの点弧タイミングを制御する位相制御部１００により、サイリスタＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の点弧を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三相交流発電機を用いてバッテリの充電を行う三相交流発電機バッテリ充電装置に関する。

従来、三相交流発電機を用いたオープン式バッテリ充電装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。従来のオープン式バッテリ充電装置は、図４に示すように、三相交流発電機２０と、三相交流発電機２０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ１８の陽極との間に設けられたダイオード群Ｄ１１〜Ｄ１３と、三相交流発電機２０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ１８の陰極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ１１〜Ｓ１３と、点弧回路１１と、点弧トリガ回路１３と、比較器１６と、基準電圧１７と、バッテリ１８と、外部負荷１９とから構成されている。

三相交流発電機２０の出力とバッテリ１８の陽極との間に設けられたダイオード群Ｄ１１〜Ｄ１３と三相交流発電機２０の出力とバッテリ１８の陰極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ１１〜Ｓ１３は、三相交流発電機２０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）を整流してバッテリ１８に供給する。

点弧回路１１は、後述する点弧トリガ回路１３からの信号により、サイリスタＳ１１〜Ｓ１３のゲートにゲート信号を供給する。点弧トリガ回路１３は、後述する比較器１６からの出力信号に応じて、点弧回路１１に対する点弧トリガ信号を生成する。比較器１６は、基準電圧１７とバッテリ１８の端子電圧とを比較して、その比較結果を点弧トリガ回路１３に出力する。なお、図４の従来例において、三相交流電圧（線間電圧）に対するバッテリ基準電圧と、比較器１６の出力および点弧回路１１の動作は、図５のようになる。また、図４の従来例における全出力時の充電電流波形は図６のようになる。

また、他の従来例として図７に示すような、位相制御を備えたオープン式バッテリ充電装置が知られている。このオープン式バッテリ充電装置は、図７に示すように、三相交流発電機２０と、三相交流発電機２０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ１８の陽極との間に設けられたダイオード群Ｄ１１〜Ｄ１３と、三相交流発電機２０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ１８の陰極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ１１〜Ｓ１３と、点弧回路１１ａ〜１１ｃと、ＡＣ検出回路１２ａ〜１２ｃと、点弧トリガ回路１３ａ〜１３ｃと、三角波生成回路１４ａ〜１４ｃと、比較器回路１５ａ〜１５ｃと、差動増幅器１６と、基準電圧１７と、バッテリ１８と、外部負荷１９とから構成されている。
特開平１０−７０８５１号公報

しかしながら、図４のバッテリ充電装置では、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３を同時に点孤させるため、充電電流を取ることは可能であるが、バッテリ電圧の速度特性が悪く、発電機と外部負荷のバランスによって、各サイリスタの通電幅が異なってしまうことがあった。そこで、図７のように、サイリスタＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３に対して位相制御を行うと、バッテリ電圧の速度特性と各サイリスタの通電幅の違いを解決することができる。図８に、図７の回路において、三相交流電圧（線間電圧）に対する各回路の動作シーケンスを示す。しかし、数１からわかるようにこの方法では充電電流が０．７１７Ｐと大きく落ち込んでしまう。その理由は、例えば、図７に示すような従来のオープン式バッテリ充電装置では、例えば、サイリスタＳ１１に着目すると、その充電経路は、三相交流発電機の出力であるＡＣ２からダイオードＤ１２、バッテリの陽極から陰極を通ってサイリスタＳ１１に至る経路（ＡＣ２−ＡＣ１間）と、三相交流発電機の出力であるＡＣ３からダイオードＤ１３、バッテリの陽極から陰極を通ってサイリスタＳ１１に至る経路（ＡＣ３−ＡＣ１間）との２つの経路が存在する。

この場合、サイリスタＳ１１を点弧すると、ＡＣ２−ＡＣ１間の出力電圧とＡＣ３−ＡＣ１の出力電圧のうち出力電圧が高い方に充電経路が形成される。つまり、三相交流発電機２０の各出力間（ＡＣ２−ＡＣ１、ＡＣ２−ＡＣ３、ＡＣ３−ＡＣ１等）には、所定の線間電圧が発生するが、上記の例の場合、ＡＣ２−ＡＣ１の線間電圧とＡＣ３−ＡＣ１の線間電圧のクロスポイントに対して、左側では、ＡＣ３−ＡＣ１の充電ループ後に、ＡＣ２−ＡＣ１の充電ループに転流され、また、ＡＣ２−ＡＣ１の線間電圧とＡＣ３−ＡＣ１の線間電圧のクロスポイントに対して、右側では、ＡＣ２−ＡＣ１の充電ループとなる。

したがって、負荷が小さくバッテリの状態が満充電に近い場合には、充電電流が少なくてよいため、ＡＣ２−ＡＣ１側の充電ループで制御を行うべきであるが、図７に示すような従来のオープン式バッテリ充電装置では、そうした制御を行うことができるようになる。ただし、従来のオープン式バッテリ充電装置では、２つの充電ループを形成する線間電圧のクロスポイントからしかサイリスタをＯＮすることができないため、全出力時の充電電流波形は、図９に示すように、クロスポイントで出力電流がゼロとなる波形となり、数１に示すように、全出力時の充電電流の平均値が０．７１７Ｉｐとなって、位相制御を行わない場合に対して２５％充電電流が低下するという問題があった。

また、図７の点弧回路１１ａ〜１１ｃでは、バッテリ電圧（測定値）が差動増幅器１６の出力電圧に近い場合には、その制御角が１８０ｄｅｇに近い角度となり、バッテリ電圧（測定値）が差動増幅器１６の出力電圧から離れている場合には、その制御角が６０ｄｅｇに近い角度となる。そのため、位相制御角が狭いという問題がある。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、三相交流発電機の出力電圧が上昇した場合であっても、サイリスタを的確に制御できる三相交流発電機バッテリ充電装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、三相交流発電機１０とバッテリ８とがそれぞれ相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３で前記交流発電機１０の出力をサイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６を含む整流手段及び点弧回路１ｄ、１ｅ、１ｆを介して接続され、前記バッテリ８はバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段に接続され、前記バッテリ電圧検出手段が所定値以上の電圧を検出したときに、前記サイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６をＯＦＦするようにした三相交流発電機バッテリ充電装置において、前記それぞれの相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３のサイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６に直列にサイリスタＳ１、Ｓ２、Ｓ３及び点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃを接続し、該点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆの点弧タイミングを制御する位相制御部１００により、サイリスタＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の点弧を制御することを特徴とする三相交流発電機バッテリ充電装置を提案している。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の三相交流発電機バッテリ充電装置について、前記位相制御部１００が、前記三相交流発電機１０の各相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３の線間電圧を検出するＡＣ検出回路２ａ〜２ｃと、該ＡＣ検出回路が検出したＡＣ電圧から三角波を生成する三角波生成回路４ａ〜４ｃと、前記バッテリ電圧検出手段の検出結果と該三角波生成回路により生成された三角波とを比較する比較器回路５ａ〜５ｃと、該比較器回路５ａ〜５ｃの比較結果に基づいて前記点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆに点弧信号を出力する点弧トリガ回路３ａ〜３ｆとを備えたことを特徴とする三相交流発電機バッテリ充電装置を提案している。

本発明によれば、基準電圧とバッテリ電圧との電位差を差動増幅器で計算させて、その出力結果と三角波の比較によって、サイリスタを点弧しなければならない制御角が決定され、任意にサイリスタの制御角を制御できるため、全出力時の平均充電電流値を最適化することができるという効果がある。また、位相制御角を広くすることができるため、最適な制御が可能となるという効果がある。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態に係る三相交流発電機バッテリ充電装置は、図１に示すように、三相交流発電機１０と、三相交流発電機１０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ８の陽極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ１〜Ｓ３と、三相交流発電機１０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ８の陰極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ４〜Ｓ６と、点弧回路１ａ〜１ｆと、位相制御部（位相制御手段に相当）１００をなすＡＣ検出回路２ａ〜２ｆと、点弧トリガ回路３ａ〜３ｆと、三角波生成回路４ａ〜４ｃと、比較器回路５ａ〜５ｃと、差動増幅器６と、基準電圧７と、バッテリ８と、外部負荷９とから構成されている。

三相交流発電機１０の出力とバッテリ８の陽極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ１〜Ｓ３と三相交流発電機１０の出力とバッテリ８の陰極との間に設けられたサイリスタ群Ｓ４〜Ｓ６は、三相交流発電機１０の出力電圧（ＡＣ１〜ＡＣ３）を整流してバッテリ８に供給する。

点弧回路１ａ〜１ｆは、後述する点弧トリガ回路３ａ〜３ｆからの信号に基づいて、サイリスタ群Ｓ１〜Ｓ６のゲートにゲート信号を供給し、サイリスタ群Ｓ１〜Ｓ６を点弧する。

ＡＣ検出回路２ａ〜２ｃは、三相交流発電機１０の出力間（ＡＣ１−ＡＣ２、ＡＣ２−ＡＣ３、ＡＣ３−ＡＣ１等）のＡＣ成分を検出し、検出したＡＣ成分を三角波生成回路４ａ〜４ｃに供給する。三角波生成回路４ａ〜４ｃは、ＡＣ検出回路２ａ〜２ｃから入力したＡＣ成分に基づいて三角波を生成する。

比較器回路５ａ〜５ｃは、後述する差動増幅器６からの出力電圧値と三角波生成回路４ａ〜４ｃから供給される三角波とを比較し、三角波が差動増幅器６からの出力電圧値を下回ったときに、「Ｈｉ」レベルの信号を点弧トリガ回路３ａ〜３ｆに出力する。点弧トリガ回路３ａ〜３ｆは、比較器回路５ａ〜５ｃから「Ｈｉ」レベルの信号を入力すると、制御信号を点弧回路１ａ〜１ｆに対して供給する。差動増幅器６は、バッテリ８の端子電圧と基準電圧７との差分値を比較器回路５ａ〜５ｃに供給する。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る三相交流発電機バッテリ充電装置におけるシーケンスを説明する。まず、線間電圧としてＡＣ１−ＡＣ２、ＡＣ２−ＡＣ３、ＡＣ３−ＡＣ１に着目した場合、ＡＣ検出回路２ａは、ＡＣ１−ＡＣ２の線間電圧が正の電圧のときに、「Ｈｉ」レベルの信号を出力する。同様に、ＡＣ検出回路２ｂは、ＡＣ２−ＡＣ３の線間電圧が正の電圧のときに、ＡＣ検出回路２ｃは、ＡＣ３−ＡＣ１の線間電圧が正の電圧のときに、「Ｈｉ」レベルの信号を出力する。

三角波生成回路４ａは、ＡＣ１−ＡＣ２の線間電圧がゼロをよぎってその位相角が３０°になったポイントから、ＡＣ１−ＡＣ２の線間電圧が再びゼロをよぎるまでの間、三角波を出力する。なお、三角波生成回路４ｂ、４ｃについても同様である。三角波生成回路４ａで生成された三角波は、比較器回路５ａに入力される。比較器回路５ａでは、三角波生成回路４ａから入力された三角波と差動増幅器６から入力される出力電圧とを比較する。具体的には、三角波が差動増幅器６から入力される出力電圧を下回ったときに、「Ｈｉ」レベルの信号が点弧トリガ回路３ａに出力される。点弧トリガ回路３ａは、比較器回路５ａからの信号を入力すると、制御信号を生成して点弧回路１ａに出力する。なお、この一連の動作は、三角波生成回路４ｂ、４ｃ、比較器回路５ｂ、５ｃ、点弧トリガ回路３ｂ、３ｃにおいても同様である。

ここで、本実施形態に係るバッテリ充電装置は、図１に示すように、三相交流発電機１０の出力（ＡＣ１〜ＡＣ３）とバッテリ８の陽極との間にサイリスタ群Ｓ１〜Ｓ３を設け、サイリスタ群Ｓ１〜Ｓ６の点弧タイミングを制御する位相制御部１００を設けた点において従来例との差異を有する。

本実施形態の三相交流発電機バッテリ充電装置は、図１に示すような構成となっているため、例えば、サイリスタＳ４に着目して充電経路を考えると、三相交流発電機の出力であるＡＣ２からサイリスタＳ２、バッテリの陽極から陰極を通ってサイリスタＳ４に至る経路（ＡＣ２−ＡＣ１間）と、三相交流発電機の出力であるＡＣ３からサイリスタＳ３、バッテリの陽極から陰極を通ってサイリスタＳ４に至る経路（ＡＣ３−ＡＣ１間）との２つの経路が存在する。

しかし、本実施形態に係る三相交流発電機バッテリ充電装置では、従来例と異なり、バッテリ１の陽極側および陰極側にそれぞれサイリスタ群Ｓ１〜Ｓ３およびＳ４〜Ｓ６を設けているため、例えば、サイリスタＳ１とサイリスタＳ４とに対して点弧回路１ａおよび点弧回路１ｄから同時にゲート信号を供給するように、動作させるサイリスタＳ１〜Ｓ６を任意に決めて制御することができる。そのため、位相制御のタイミングによって充電経路が変化することがない。

また、従来例では、２つの充電ループを形成する線間電圧のクロスポイントからしか制御を行うことができないため、全出力時の充電電流波形は、図９に示すように、クロスポイントで出力電流がゼロとなる波形となり、全出力時の充電電流の平均値が位相制御を行わない場合に対して低下していたが、本実施形態の場合には、動作させたいサイリスタＳ１〜Ｓ６の組み合わせを任意に決定できることから、図３に示すように、全出力時の充電電流波形には、従来例に見られるようなクロスポイントでの落ち込みもない。なお、全出力時の充電電流の平均値は、数２に示すように、０．８３Ｉｐとなり、位相制御を行わない場合に対しては、１３．４％減少するが、従来例と対比すると、１１．６％の改善効果が見られる。

また、図１に示す本実施形態における点弧回路１ａ〜１ｆは、差動増幅器６の出力電圧と三角波生成回路４ａ〜４ｃで生成される三角波のクロスポイントで各サイリスタにゲート信号を供給するため、図２に示すように、バッテリ電圧（測定値）が差動増幅器６の出力電圧に近い場合には、その制御角が１８０ｄｅｇに近い角度となり、バッテリ電圧（測定角度）が差動増幅器６の出力電圧から離れている場合には、その制御角が３０ｄｅｇに近い角度となる。そのため、位相制御角が従来よりも広くなるという効果がある。

さらに、図１に示す本実施形態における点弧回路１ａ〜１ｆは、トランジスタで構成され、各サイリスタＳ１〜Ｓ６のゲート電流経路が、例えば、三相交流発電機の出力ＡＣ１から点弧回路１ａを経て、サイリスタＳ１のゲート−カソード間を通って点弧回路１ｅ、点弧回路１ｅからサイリスタＳ５のゲート−カソード間を通って三相交流発電機の出力ＡＣ２に至るループになる。したがって、三相交流発電機の出力電圧が大きくなっても、上記のように、ゲート電流経路に２つの半導体素子（点弧回路１ａ〜１ｆ）が入る構成となり、電圧を的確に制御できないという問題が発生しない。

したがって、本実施形態によれば、任意にサイリスタの制御角を制御できるため、全出力時の平均充電電流値を最適化することができる。また、位相制御角を広くすることができるため、最適な制御が可能となる。

以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本実施形態に係るバッテリ充電装置の構成図である。 本実施形態に係る三相交流電圧波形および回路各部の波形を示した図である。 本実施形態に係る全出力時の充電電流波形を示した図である。 従来例に係るバッテリ充電装置の構成図である。 従来例に係る三相交流電圧波形および回路各部の波形を示した図である。 従来例に係る全出力時の充電電流波形を示した図である。 従来例に係るバッテリ充電装置の構成図である。 従来例に係る三相交流電圧波形および回路各部の波形を示した図である。 従来例に係る全出力時の充電電流波形を示した図である。

符号の説明

１ａ〜１ｆ・・・点弧回路、２ａ〜２ｃ・・・ＡＣ検出回路、３ａ〜３ｆ・・・点弧トリガ回路、４ａ〜４ｃ・・・三角波生成回路、５ａ〜５ｃ・・・比較器回路、６・・・差動増幅器、７・・・基準電圧、８・・・バッテリ、９・・・外部負荷、１０・・・三相交流発電機、Ｓ１〜Ｓ６・・・サイリスタ群、１００・・・位相制御部（位相制御手段に相当）

Claims (2)

1. 三相交流発電機１０とバッテリ８とがそれぞれ相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３で前記交流発電機１０の出力をサイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６を含む整流手段及び点弧回路１ｄ、１ｅ、１ｆを介して接続され、前記バッテリ８はバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段に接続され、前記バッテリ電圧検出手段が所定値以上の電圧を検出したときに、前記サイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６をＯＦＦするようにした三相交流発電機バッテリ充電装置において、
   前記それぞれの相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３のサイリスタＳ４、Ｓ５、Ｓ６に直列にサイリスタＳ１、Ｓ２、Ｓ３及び点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃを接続し、該点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆの点弧タイミングを制御する位相制御部１００により、サイリスタＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の点弧を制御することを特徴とする三相交流発電機バッテリ充電装置。
2. 前記位相制御部１００が、前記三相交流発電機１０の各相ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３の線間電圧を検出するＡＣ検出回路２ａ〜２ｃと、
   該ＡＣ検出回路が検出したＡＣ電圧から三角波を生成する三角波生成回路４ａ〜４ｃと、
   前記バッテリ電圧検出手段の検出結果と該三角波生成回路により生成された三角波とを比較する比較器回路５ａ〜５ｃと、
   該比較器回路５ａ〜５ｃの比較結果に基づいて前記点弧回路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆに点弧信号を出力する点弧トリガ回路３ａ〜３ｆと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の三相交流発電機バッテリ充電装置。
   
   
   

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