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JP6838169B2 - バッテリ充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、磁石式交流発電機の整流出力でバッテリを充電するバッテリ充電装置に関するものである。
バッテリを充電する装置として、エンジンや風車等の駆動源により駆動される磁石式交流発電機の整流出力でバッテリを充電するように構成されたものが知られている。
一般にこの種の充電装置は、発電機の出力を整流してバッテリに供給する整流回路と、バッテリの両端の電圧（バッテリ電圧）を検出するバッテリ電圧検出回路と、この検出回路により検出されたバッテリ電圧に応じてバッテリを充電する必要があるのかバッテリの充電を休止する必要があるのかを判定する充電要否判定手段と、充電要否判定手段によりバッテリを充電する必要があると判定されているときに発電機から整流回路を通してバッテリに充電電流を供給し、充電要否判定手段により過充電を防ぐためにバッテリの充電を休止する必要があると判定されたときにバッテリへの充電電流の供給を停止するようにバッテリへの充電電流の供給を制御する制御部とにより構成される。
バッテリに充電電流を供給する電源として磁石式交流発電機が用いられる場合には、充電要否判定手段によりバッテリを充電する必要があると判定されているときに発電機の出力を整流してバッテリに充電電流を供給し、充電要否判定手段によりバッテリの充電を休止する必要があると判定されたときに発電機の出力端子間を短絡する短絡制御を行うことによりバッテリへの充電電流の供給を停止するように制御部を構成することが多い。
磁石式交流発電機の出力を整流する整流回路としては、ブリッジ回路の上下のアームをダイオードにより構成したダイオードブリッジ全波整流回路が広く用いられている。しかし、ダイオードは順方向電流が流れた際に生じる損失が大きいため、この整流回路を用いると、発電機の出力を整流する際に生じる電力損失が大きくなるのを避けられない。整流回路で大きな電力損失が生じると、整流回路の温度が上昇するだけでなく、バッテリに必要な充電電流を供給するために大形の発電機を用いることが必要になるため好ましくない。
そこで、特許文献１に示されているように、発電機の出力を整流する整流回路として、ブリッジ回路の上下のアームをＭＯＳＦＥＴにより構成したフルブリッジ形の全波整流回路を用いることが提案された。ＭＯＳＦＥＴは、オン状態にされた際にその主回路（ドレイン・ソース間回路）で生じる損失が極めて少ないため、発電機の出力を整流する整流回路の各アームをＭＯＳＦＥＴにより構成しておくと、発電機から整流回路を通してバッテリに供給する電流を、整流回路のいずれかのアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間を通して流すように各ＭＯＳＦＥＴを制御することにより、整流回路で生じる電力損失を少なくすることができる。
発電機から整流回路を通してバッテリに供給する電流を、整流回路のいずれかのアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間を通して流すには、発電機から整流回路の各アームを構成しているＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間に印加される電圧の極性が、各アームを構成しているＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間に形成された寄生ダイオードを順方向にバイアスする極性であるときに各アームを構成しているＭＯＳＦＥＴをオン状態にするように制御すればよい。各ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間に印加されている電圧の極性は、整流回路の各入力端子の電位の極性を検出することにより判別することができる。
例えば、整流回路の各入力端子の電位の極性が各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに順方向電圧を印加する極性であるときに各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴ及び下側アームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態をオン状態及びオフ状態と決定し、入力電位極性検出回路により検出されている整流回路の各入力端子の電位の極性が各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに逆方向電圧を印加する極性であるときに各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴ及び下側アームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態をオフ状態及びオン状態と決定することができる。
また、発電機の出力を整流する整流回路として、ブリッジ回路の各アームがＭＯＳＦＥＴにより構成されたフルブリッジ形の全波整流回路を用いる場合には、整流回路の下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にすることにより発電機の出力端子間を短絡することができるため、充電要否判定手段によりバッテリの充電を休止する必要があると判定されたときに、バッテリへの充電電流の供給を停止するための短絡制御を容易に行うことができる。磁石式交流発電機の出力を整流するフルブリッジ形の整流回路の下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にすることにより発電機の出力端子間を短絡することは、例えば特許文献２に記載されている。
特開平４−１３８０３０号公報 特開平１１−２２５４４６号公報
上記のように、発電機の出力を整流する整流回路として、上下の各アームがＭＯＳＦＥＴにより構成されたフルブリッジ形の全波整流回路を用いると、各時刻において整流回路の各入力端子に接続された上下のアームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを、整流回路の各入力端子の電位の極性に基づいて決定して、各ＭＯＳＦＥＴの状態を決定された状態に一致させるように制御することにより電力損失が少ない整流回路を構成して、バッテリの充電を低損失で行わせることができる。
しかしながら、バッテリ電圧が規定電圧を超えて、バッテリの充電を休止させる必要があると判定されたときに、整流回路のすべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にして発電機の出力を短絡する短絡制御を行った場合には、短絡制御が行われている間、整流回路の各入力端子の電位がゼロ電位に保たれるため、各時刻において整流回路の各ＭＯＳＦＥＴがとるべき状態を決定するための情報を得ることができなくなるという問題が生じる。
従って、上記のように構成した場合には、短絡制御を終了してバッテリの充電を再開する際に、整流回路の各入力端子に接続された上アームのＭＯＳＦＥＴ及び下アームのＭＯＳＦＥＴの何れをオン状態にし、何れをオフ状態にすべきかを直ちに決定することができないため、バッテリを充電する際のＭＯＳＦＥＴのオンオフ制御を速やかに再開することができない。従って、この種のバッテリ充電装置では、短絡制御を終了して充電時の制御に移行する過程ですべてのＭＯＳＦＥＴがオフ状態にされる過渡期間が生じ、この過渡期間の間は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードにより構成された全波整流回路を通してバッテリに充電電流が供給され、電力損失が大きい寄生ダイオードで多くの熱が発生する。負荷が接続されているバッテリを充電する場合には、充電を必要とする状態と充電を休止する必要がある状態とが短い周期で繰り返されることがあるため、短絡制御から充電時の制御に移行する過程でＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通して電流が流れる過渡期間が生じると、電力損失が大きい寄生ダイオードから発生する熱により整流回路の温度が過度に上昇するという問題があった。
上記の問題が生じるのを防ぐため、発電機の磁石回転子の各瞬時における回転角度位置の情報を得るセンサを別途設けて、このセンサにより得られる回転子の回転角度位置情報から、整流回路の各入力端子に印加される電圧の位相を推測し、この位相情報に基づいて整流回路の各入力端子に接続されている上下のＭＯＳＦＥＴの何れをオン状態にし、何れをオフ状態にすべきかを決定することが考えられる。しかしながら、磁石回転子の各瞬時における回転角度位置の情報を得るセンサを別途設けると、充電装置を構成する部品の点数が多くなってコストが上昇するのを避けられない。
本発明の目的は、磁石式交流発電機の出力を整流する整流回路として、ブリッジ回路の各アームがＭＯＳＦＥＴにより構成された全波整流回路を用いるバッテリ充電装置において、発電機の出力電圧の位相を検出するセンサを特別に設けることなく、短絡制御時にも随時整流回路の各入力端子の電位の極性の情報を得て、短絡制御を終了した後速やかに充電時のＭＯＳＦＥＴの制御を再開させることができるようにすることにある。
本発明は、磁石式交流発電機の整流出力でバッテリを充電するバッテリ充電装置を対象とする。本発明に係るバッテリ充電装置は、ブリッジ回路を構成する各アームがＭＯＳＦＥＴからなっていて、発電機の出力が入力される入力端子と、バッテリのプラス端子及びマイナス端子にそれぞれ接続されるプラス側及びマイナス側の出力端子とを有するフルブリッジ形の整流回路と、バッテリの両端の電圧を検出するバッテリ電圧検出回路と、整流回路の各入力端子の電位の極性を検出する入力電位極性検出回路と、バッテリ電圧検出回路及び入力電位極性検出回路の検出出力に応じて前記整流回路のＭＯＳＦＥＴを制御するＦＥＴ制御部とを備えている。
本発明においては、上記ＦＥＴ制御部が、バッテリ電圧検出回路が検出している電圧に基づいてバッテリを充電する必要があるかバッテリの充電を休止する必要があるかを判定する充電要否判定手段と、発電機の出力を整流してバッテリに供給する際に整流回路の各ＭＯＳＦＥＴがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを入力電位極性検出回路が検出している各入力端子の電位の極性に基づいて決定するオンオフ状態決定処理を行うオンオフ状態決定手段と、充電要否判定手段によりバッテリを充電する必要があると判定されているときに整流回路の各ＭＯＳＦＥＴの状態をオンオフ状態決定手段が決定した状態に一致させるように制御する充電時ＦＥＴ制御を行う充電時ＦＥＴ制御手段と、充電要否判定手段によりバッテリの充電を休止する必要があると判定されているときに整流回路のすべての上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にするか又はすべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にして発電機の出力端子間を短絡する短絡制御を行う短絡制御手段と、少なくとも短絡制御を行う際に整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴがオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせるＦＥＴオフ手段とを備えている。上記オンオフ状態決定手段は、短絡制御手段が短絡制御を行っている間も、各ＦＥＴオフ期間の間に入力電位極性検出回路が検出した整流回路の各入力端子の電位の極性に基づいてオンオフ状態決定処理を行うように構成されている。
上記のように、短絡制御を行っている間に、整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴがオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせると、短絡制御を行っている間も、各ＦＥＴオフ期間の間に整流回路の各入力端子の電位の極性を検出することができるため、各時刻において整流回路の各入力端子に接続されている上アームのＭＯＳＦＥＴ及び下アームのＭＯＳＦＥＴの何れをオン状態とし、何れをオフ状態とするかを決定することができ、短絡制御を終了した後速やかに充電時ＦＥＴ制御を再開させることができる。従って、短絡制御から充電時ＦＥＴ制御に移行する過程で、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで生じる発熱を少なくすることができ、短絡制御が繰り返し行われた場合に整流回路の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
上記のように、短絡制御を行う際に整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴがオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせた場合、各ＦＥＴオフ期間の間は発電機の出力端子間の短絡が解除されるため、発電機の出力が整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードからなる全波整流回路により整流されてバッテリに供給される。ＦＥＴオフ期間は短絡制御が行われている間繰り返し生じるため、各ＦＥＴオフ期間の間にＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードからなる全波整流回路により整流された発電機の出力によりバッテリが充電されると、バッテリが過充電状態になるおそれがある。
従って本発明を実施するに当たっては、短絡制御が行われている間に発電機から整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通して単位時間毎に出力される電力量［Ｗｓ］を単位時間毎にバッテリが負荷に供給する必要がある電力量［Ｗｓ］の最小値以下に抑えるように、ＦＥＴオフ期間の長さを設定しておくことが好ましい。このようにＦＥＴオフ期間を設定しておくと、ＦＥＴオフ期間の間に発電機から整流回路のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通して出力される電力はすべてバッテリの負荷に供給され、整流回路からバッテリに電力が供給されることがないため、バッテリが過充電状態にされるおそれを無くすことができる。
充電要否判定手段は、バッテリ電圧が規定電圧以下であるときにバッテリの充電が必要であると判定し、バッテリ電圧が規定電圧を超えているときにバッテリの充電を休止する必要があると判定するように構成することができる。このように充電要否判定手段を構成する場合、バッテリ電圧を連続的に検出して、バッテリ電圧の変動に追従して充電の要否を判定すると、バッテリの負荷が細かく変動する場合に、バッテリ電圧の変動に合わせて、充電時ＦＥＴ制御と短絡制御とが非常に短い周期で切り換えられる状態が生じ、整流回路が発振状態になることがある。整流回路が発振状態になると、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴが頻繁にオンオフさせられるため、ＭＯＳＦＥＴで生じるスイッチング損失によりＭＯＳＦＥＴが過熱して破壊するおそれがある。
そこで、本発明の他の態様では、一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせるサンプリングタイミング発生手段が設けられ、充電要否判定手段は、サンプリングタイミング発生手段が生じさせる各サンプリングタイミングでのみバッテリ電圧検出回路が検出している電圧をサンプリングして、サンプリングした電圧に基づいてバッテリの充電が必要であるか、バッテリの充電を休止する必要があるかを判定するように構成される。
上記のように、一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせて、各サンプリングタイミングでのみバッテリ電圧をサンプリングしてバッテリの充電の要否を判定するようにすると、各サンプリングタイミングから次のサンプリングタイミングまでの間、制御が充電時ＦＥＴ制御又は短絡制御のいずれかに固定されるため、バッテリ電圧が高頻度で変動した場合に、バッテリ電圧の変動に合わせて短絡制御と充電時ＦＥＴ制御とが短い周期で切り換えられる状態が生じるのを防ぐことができる。従って、整流回路が発振状態になるのを防ぐことができ、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴが頻繁にオンオフさせられて、スイッチング損失により過熱するのを防ぐことができる。
本発明の他の態様は、以下に記載される発明を実施するための形態についての説明中で明らかにされる。
本発明によれば、少なくとも短絡制御を行っている間、整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴがオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせて、短絡制御を行っている間も、各ＦＥＴオフ期間の間に整流回路の各入力端子の電位の極性を検出することができるようにしたので、短絡制御を行っている間も、整流回路の各入力端子に接続されている上アームのＭＯＳＦＥＴ及び下アームのＭＯＳＦＥＴの何れをオン状態とし、何れをオフ状態とするかを決定するオンオフ状態決定処理を行うことができる。従って本発明によれば、短絡制御を終了した後速やかに充電時ＦＥＴ制御を再開させて、整流回路で生じる電力損失の低減を図った状態でバッテリの充電を再開させることができ、短絡制御から充電時ＦＥＴ制御に移行する過程で、整流回路を構成するＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通して電流が流れる時間を無くすか又は極めて短くして、電力損失が大きい寄生ダイオードから発生する熱により整流回路の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
また本発明において、一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせて、各サンプリングタイミングでのみバッテリ電圧をサンプリングしてサンプリングした電圧に基づいてバッテリの充電の要否を判定するように充電要否判定手段を構成した場合には、各サンプリングタイミングから次のサンプリングタイミングまでの間、制御が充電時ＦＥＴ制御又は短絡制御のいずれかに固定されるため、バッテリ電圧が高頻度で変動した場合に、バッテリ電圧の変動に合わせて短絡制御と充電時ＦＥＴ制御とが短い周期で切り換えられる状態が生じるのを防ぐことができ、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴが頻繁にオンオフさせられて、スイッチング損失により過熱するのを防ぐことができる。
図１は、本発明の一実施形態の構成を示した回路図である。 図２は、図１の実施形態で用いるＦＥＴ制御部の構成例を示したブロック図である。 図３は、本発明の実施形態において充電時ＦＥＴ制御を行う際の整流回路の動作を説明するための回路図である。 図４は、本発明の実施形態において短絡制御を行う際の整流回路の動作を説明するための回路図である。 図５は、本発明の他の実施形態の構成を示した回路図である。 図６は、本発明の実施形態で用いる磁石式交流発電機が出力する３相交流電圧の波形を示した波形図である。 図７（Ａ）ないし（Ｋ）は、図１の実施形態において、充電時ＦＥＴ制御を行う際の各部の電圧波形を示した波形図である。 図８（Ａ）ないし（Ｋ）は、図１の実施形態において、短絡制御を行う際の各部の電圧波形を示した波形図である。 図９は、本発明の実施形態で用いるＦＥＴ制御部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 図１０は、本発明の実施形態で用いるＦＥＴ制御部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムの他の例を示したフローチャートである。 図１１は、本発明の実施形態においてＦＥＴ制御部を構成するマイクロプロセッサが整流回路の各ＭＯＳＦＥＴをオン状態にするかオフ状態にするかを決定する際に参照するテーブルの構造を示した図表である。
＜実施形態の構成＞
図１を参照すると、本発明に係るバッテリ充電装置の一実施形態の全体的な構成が示されている。同図において、１はエンジンや風車等の動力源により回転駆動される磁石式交流発電機、２は発電機１の出力を整流する全波整流回路、３は整流回路２の出力で充電されるバッテリである。
発電機１は、動力源により回転駆動される磁石回転子と、この磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心にＵ，Ｖ，Ｗ３相の発電コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗを巻回してなる固定子とにより構成されている。図１に示した例では、発電コイルＬｕ〜Ｌｗがスター結線されていて、これらの発電コイルの非中性点側の端部から３相の出力端子１ｕ，１ｖ及び１ｗが引き出されている。
＜整流回路＞
整流回路２は、ブリッジ回路の各アームをＭＯＳＦＥＴにより構成したフルブリッジ形の３相全波整流回路で、３相の入力端子２ｕ〜２ｗと、プラス側及びマイナス側の出力端子２ａ及び２ｂとを有している。図示の整流回路は、入力端子２ｕ〜２ｗにソースが接続され、ドレインがプラス側直流出力端子２ａに共通接続されたＵ，Ｖ，Ｗ３相の上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ３と、入力端子２ｕ〜２ｗにそれぞれドレインが接続されソースがマイナス側直流出力端子２ｂに共通接続された下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６とにより構成されていて、入力端子２ｕ〜２ｗはそれぞれ発電機１の出力端子１ｕ〜１ｗに接続されている。また整流回路２のプラス側出力端子２ａは、バッテリ３の正極端子に接続され、整流回路２のマイナス側出力端子２ｂは、バッテリ３の負極端子と共に接地されている。
本実施形態で用いる整流回路２においては、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のドレイン・ソース間に形成された寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６によってもフルブリッジ形の３相全波整流回路が構成されているため、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６をオフにした状態でも、発電機の整流出力がバッテリに供給される。この場合、寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６は、順方向電流が流れた際に生じる損失が大きいため、寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６により構成された整流回路に発電機１の出力を整流する整流動作を行わせた場合には、整流動作に伴って生じる電力損失が大きくなり、バッテリ３の充電を効率よく行うことができない。
そこで本実施形態では、発電機１の出力を整流する過程で寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６のそれぞれに順方向電圧が印加される期間、それぞれの寄生ダイオードが形成されているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６をオン状態にして、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のドレイン・ソース間を通して電流を流しながら整流動作を行わせることにより、整流回路２で生じる電力損失の低減を図る。
図１において、４はバッテリ３の両端の電圧（バッテリ電圧）を検出するバッテリ電圧検出回路、５は整流回路２の３相の入力端子２ｕ〜２ｗの電位の極性を検出する入力電位極性検出回路、６はバッテリ電圧検出回路４の検出出力及び入力電位極性検出回路５の検出出力に応じて整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６を制御するＦＥＴ制御部である。図１に示した例では、整流回路２と、バッテリ電圧検出回路４と、入力電位極性検出回路５と、ＦＥＴ制御部６とによりバッテリ充電装置７が構成されている。バッテリ３の両端には、スイッチ８を通して負荷９が接続されている。
本実施形態では、エンジンにより駆動される機器にバッテリ３が搭載されているものとし、バッテリ３が駆動する負荷の中には、エンジンを動作させるために必要不可欠な電装品が含まれるものとする。エンジンを動作させるために必要不可欠な電装品とは、例えば、エンジンに燃料を供給するインジェクタ（燃料噴射弁）、燃料タンク内の燃料をインジェクタに供給する燃料ポンプ、エンジンを点火する点火装置、インジェクタや点火装置を制御するＥＣＵ（Electrical Control Unit）等である。エンジンのスロットルバルブを電子的に制御する場合には、これらに加えて更にスロットルバルブを駆動するアクチュエータが設けられる。
＜バッテリ電圧検出回路＞
バッテリ電圧検出回路４は、バッテリ電圧の情報を含む電気信号を発生する回路で、例えば、バッテリ３の両端に並列に接続されて、バッテリ電圧に比例した電圧を出力する抵抗分圧回路により構成される。バッテリ電圧検出回路４の出力はＦＥＴ制御部６を構成するマイクロプロセッサのポートＡo に入力されている。ＦＥＴ制御部６を構成するマイクロプロセッサは、エンジンの電装品を制御するＥＣＵ内に設けられているものでもよく、バッテリ充電装置専用に設けられたものでもよい。
＜入力電位極性検出回路＞
入力電位極性検出回路５は、発電機１の出力を整流する動作を整流回路２に行わせる際に、各時刻において整流回路２の何れのＭＯＳＦＥＴをオン状態とし、何れのＭＯＳＦＥＴをオフ状態とすべきかを決定するための情報を得るために設けられている。図示の入力電位極性検出回路５は、整流回路の入力端子２ｕ〜２ｗにそれぞれ対応して設けられて、バッテリの負極の電位（アース電位）に対する入力端子２ｕ〜２ｗの電位の極性が正極性のときと負極性のときとでオンオフの状態を異にする極性検出スイッチＳｕ〜Ｓｗを備えていて、極性検出スイッチＳｕ〜Ｓｗの状態により整流回路の入力端子の電位が正極性であるか負極性であるかを検出するように構成されている。
図示の例で用いられている各極性検出スイッチは、エミッタが接地されたＮＰＮトランジスタＴｒと、トランジスタＴｒのコレクタと図示しない定電圧直流電源の出力端子Ｂとの間を接続する抵抗器ｒ1 と、トランジスタＴｒのベースに一端が接続された抵抗ｒ2 と、抵抗ｒ2 の他端にカソードが接続されたダイオードＤa と、トランジスタＴｒのベースエミッタ間に接続された抵抗ｒ3 とからなり、極性検出スイッチＳｕ〜ＳｗのそれぞれのトランジスタＴｒのベースがダイオードＤａ を通して整流回路２のＵ相，Ｖ相及びＷ相の入力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗに接続されている。
極性検出スイッチＳｕ〜Ｓｗは、整流回路２の入力端子２ｕ〜２ｗの接地電位に対する電位の極性が正極性であるときにそれぞれのトランジスタＴｒにベース電流が与えられてオン状態になり、整流回路２の入力端子２ｕ〜２ｗの接地電位に対する電位の極性が負極性であるとき又は整流回路２の入力端子２ｕ〜２ｗの接地電位に対する電位がしきい値未満であるときにオフ状態になる。極性検出スイッチＳｕ〜ＳｗのそれぞれのトランジスタＴｒのコレクタがＦＥＴ制御部６を構成するマイクロプロセッサのポートＡ１，Ａ２及びＡ３に接続され、極性検出スイッチＳｕ〜ＳｗからそれぞれポートＡ１〜Ａ３にＬレベル（ローレベルまたは零レベル）の状態又はＨレベル（高レベル）の状態の何れかの状態をとる二値信号が与えられる。
整流回路２の入力端子２ｕ〜２ｗの電位の極性が正極性で極性検出スイッチＳｕ〜Ｓｗがオン状態にあるときに、Ｌレベルの信号がＦＥＴ制御部６を構成するマイクロプロセッサのポートＡ１，Ａ２及びＡ３に入力され、整流回路２の入力端子２ｕ〜２ｗの電位の極性が負極性で極性検出スイッチＳｕ〜Ｓｗがオフ状態にあるときに、Ｈレベルの信号がＦＥＴ制御部６を構成するマイクロプロセッサのポートＡ１〜Ａ３に入力される。ここでは、Ｌレベルの信号が二進数の「０」に対応し、Ｈレベルの信号が二進数の「１」に対応するものとする。
＜ＦＥＴ制御部＞
図２に示されているように、本実施形態で用いるＦＥＴ制御部６には、サンプリングタイミング発生手段６０１と、充電要否判定手段６０２と、オンオフ状態決定手段６０３と、充電時ＦＥＴ制御手段６０４と、短絡制御手段６０５と、ＦＥＴオフ手段６０６と、ＦＥＴ駆動回路６０７とが設けられている。
サンプリングタイミング発生手段６０１は、一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせる手段である。サンプリングタイミング発生手段６０１は、マイクロプロセッサ内で発生するクロックパルスに基づいて、各サンプリングタイミングを決定する処理を行う手段により構成されていてもよく、所定のデータをサンプリングすることを指示するサンプリングパルスを一定のサンプル周期で発生する発振器からなっていてもよい。
充電要否判定手段６０２は、バッテリ３の充電の要否を判定する手段で、バッテリ３を充電する必要があるか、バッテリ３の充電を休止する必要があるかを、バッテリ電圧検出回路４が検出している電圧に基づいて判定するように構成される。充電要否判定手段６０２は、例えば、バッテリ電圧検出回路４により検出されているバッテリ電圧が規定電圧以下のときにバッテリ３の充電が必要であると判定し、バッテリ電圧検出回路４により検出されているバッテリ電圧が規定電圧を超えているときにバッテリ３の充電を休止する必要があると判定するように構成することができる。
本実施形態で用いる充電要否判定手段６０２は、サンプリングタイミング発生手段６０１が生じさせた各サンプリングタイミングでのみバッテリ電圧検出回路４が検出している電圧をサンプリングして、サンプリングした電圧が規定電圧以下であるときにバッテリの充電が必要であると判定し、サンプリングした電圧が規定電圧を超えているときにバッテリの充電を休止する必要があると判定するように構成されている。
オンオフ状態決定手段６０３は、発電機１の出力を整流してバッテリ３に供給する際に整流回路２で生じる電力損失を最小にするために、各時刻において整流回路２の各ＭＯＳＦＥＴがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを、入力電位極性検出回路５が検出している入力端子２ｕ〜２ｗの電位の極性に基づいて決定するオンオフ状態決定処理を行う手段である。
本実施形態で用いるオンオフ状態決定手段６０３は、入力電位極性検出回路５により検出されている整流回路２の各入力端子の電位の極性が各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに順方向電圧を印加する極性（正極性）であるときに各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴ及び下側アームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態をオン状態及びオフ状態と決定し、入力電位極性検出回路５により検出されている整流回路２の各入力端子の電位の極性が各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに逆方向電圧を印加する極性（負極性）であるときに各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴ及び下側アームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態をオフ状態及びオン状態と決定するように構成されている。
更に詳細に説明すると、本実施形態で用いるオンオフ状態決定手段６０３は、整流回路のＵ相の入力端子２ｕの電位が正極性であるときに、入力端子２ｕに接続されている上下のアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのうち、上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１がとるべき状態及び下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ４がとるべき状態をそれぞれオン状態及びオフ状態と決定し、整流回路のＵ相の入力端子２ｕの電位が負極性であるときには、入力端子２ｕに接続されている上下のアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのうち、上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１がとるべき状態及び下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ４がとるべき状態をそれぞれオフ状態及びオン状態と決定する。
本実施形態で用いるオンオフ状態決定手段６０３はまた、整流回路のＶ相の入力端子２ｖの電位が正極性であるときに、入力端子２ｖに接続されている上下のアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのうち、上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ２がとるべき状態及び下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ５がとるべき状態をそれぞれオン状態及びオフ状態と決定し、整流回路のＶ相の入力端子２ｖの電位が負極性であるときには、入力端子２ｖに接続されている上下のアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのうち、上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ２がとるべき状態及び下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴＦ５がとるべき状態をそれぞれオフ状態及びオン状態と決定する。
本実施形態で用いるオンオフ状態決定手段６０３はまた、整流回路のＷ相の入力端子２ｗの電位が正極性であるときに、入力端子２ｗに接続されている上下のアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのうち、上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ３がとるべき状態及び下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴＦ６がとるべき状態をそれぞれオン状態及びオフ状態と決定し、整流回路のＷ相の入力端子２ｗの電位が負極性であるときには、入力端子２ｗに接続されている上下のアームを構成しているＭＯＳＦＥＴのうち、上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ３がとるべき状態及び下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ６がとるべき状態をそれぞれオフ状態及びオン状態と決定する。
ＦＥＴ制御部６を構成するマイクロプロセッサのポートＡ１，Ａ２及びＡ３に入力される２値信号（０又は１）と整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴの状態（ＯＮ状態又はＯＦＦ状態）との関係を示したテーブルを図１１に示した。このテーブルは、マイクロプロセッサのＲＯＭに記憶させておく。
オンオフ状態決定手段６０３は、入力電位極性検出回路５からポートＡ１，Ａ２及びＡ３に入力されている二値信号を、サンプリングタイミング発生手段６０１が生じさせる各サンプリングタイミングで読み込み、ポートＡ１，Ａ２及びＡ３に入力されている二値信号を読み込む毎に、図１１に示したテーブルを参照することにより、整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の何れをオン状態にし、何れをオフ状態にするかを決定する。
マイクロプロセッサは、充電要否判定手段６０２による判定の結果に応じて、充電時ＦＥＴ制御手段６０４又は短絡制御手段６０５の何れかに制御動作を行わせる。充電時ＦＥＴ制御手段６０４は、充電要否判定手段６０２によりバッテリ３を充電する必要があると判定されているときに整流回２のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のそれぞれの状態をオンオフ状態決定手段６０３が決定した状態に一致させるように制御する充電時ＦＥＴ制御を行う手段である。また短絡制御手段６０５は、充電要否判定手段６０２によりバッテリ３の充電を休止する必要があると判定されているときに整流回路２のすべての上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ３を同時にオン状態にするか又はすべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にして発電機１の出力端子間を短絡する短絡制御を行う手段である。
本実施形態で用いる短絡制御手段６０５は、充電要否判定手段６０２によりバッテリ３の充電を休止する必要があると判定されているときに整流回路２のすべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にすることにより発電機１の出力端子間を短絡する短絡制御を行うように構成されている。
従来のバッテリ充電装置においては、短絡制御が行われているときに、発電機１の出力端子１ｕ−１ｖ間、１ｖ−１ｗ間及び１ｗ−１ｕ間が短絡されていて、入力電位極性検出回路５が検出する電位が０に保たれていたため、発電機の出力を整流してバッテリに供給するために整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の何れをオン状態とし、何れをオフ状態とすべきかを決定するために必要な情報を得ることができなかった。短絡制御を行っている間に充電時ＦＥＴ制御を行う際に整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の何れをオン状態とし、何れをオフ状態とすべきかを決定するための情報が得られないと、短絡制御を終了して充電時ＦＥＴ制御を再開する際に直ちにＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のそれぞれがとるべきオンオフの状態を決定することができないため、充電時ＦＥＴ制御の再開が遅れ、その間ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードにより構成される整流回路を通して電流が流れて大きな損失が生じるという問題が生じる。
このような問題が生じるのを防ぐため、本実施形態では、少なくとも短絡制御を行う際に整流回路２のすべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６への駆動信号の供給を停止させて、これらのＭＯＳＦＥＴがオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせるＦＥＴオフ手段６０６を設けている。ＦＥＴオフ手段６０６は、短絡制御時にのみＦＥＴオフ期間を生じさせるように構成されていてもよいが、本実施形態では、充電時ＦＥＴ制御を行う際にも、整流回路２のすべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせるようにＦＥＴオフ手段６０６が構成されている。
ＦＥＴオフ手段６０６は、サンプリングタイミング発生手段が発生するサンプリングタイミングとは別個のタイミングでＦＥＴオフ期間を生じさせるように構成されていてもよいが、本実施形態では、制御を簡単にするため、充電時ＦＥＴ制御を行う際も、短絡制御を行う際も、サンプリングタイミング発生手段６０１が生じさせた各サンプリングタイミングで整流回路を構成しているすべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６をオフ状態にするＦＥＴオフ期間を生じさせるようにＦＥＴオフ手段６０６が構成されている。
ＦＥＴオフ手段６０６が生じさせるＦＥＴオフ期間は、常に一定の長さを示す期間であってもよく、一定の周期で到来するタイミングで開始し、オンオフ状態決定手段が整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態を決定するために必要な情報を取得した時に終了する期間、又は一定の周期で到来するタイミングで開始し、オンオフ状態決定手段が整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態を決定するためのオンオフ状態決定処理を完了した時点で終了する期間であってもよい。
少なくとも短絡制御を行う際に整流回路２のすべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がオフ状態になるＦＥＴオフ期間Δｔを設定された周期で生じさせるようにしておくと、短絡制御が行われている状態でも、各ＦＥＴオフ期間の間に整流回路２の入力端子の電位の極性を検出して、発電機の出力を整流してバッテリに供給する際に整流回路の各ＭＯＳＦＥＴがとるべき状態を決定するオンオフ状態決定処理を行うことができるため、短絡制御を終了した後、速やかに充電時ＦＥＴ制御を再開させることができる。
ＦＥＴ駆動回路６０７は、整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ〜Ｆ６のゲートに駆動信号を与える回路で、充電時ＦＥＴ制御手段６０３、短絡制御手段６０５及びＦＥＴオフ手段６０６から与えられる指令に応じて、整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴＦ１〜Ｆ６を所定のタイミングでオンオフさせるように各ＭＯＳＦＥＴのゲートに駆動信号を供給する。
図２に示されたＦＥＴ制御部６の構成要素のうち、充電要否判定手段６０２と、オンオフ状態決定手段６０３と、充電時ＦＥＴ制御手段６０４と、短絡制御手段６０５と、ＦＥＴオフ手段６０６とは、マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより構成される。サンプリングタイミング発生手段６０１は、マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより構成してもよく、パルス発振器により構成してもよい。
＜動作説明＞
本実施形態で用いる磁石式交流発電機１は、図６に示したように、Ｕ，Ｖ，Ｗ３相の交流電圧Ｖu ,Ｖv ，Ｖwを出力する。バッテリ充電装置７は、バッテリ電圧が規定電圧以下で、充電要否判定手段６０２がバッテリ３を充電する必要があると判定しているときに、充電時ＦＥＴ制御を行って、発電機１の整流出力をバッテリ３に供給する。またバッテリ電圧が規定電圧を超えていて、バッテリ３の過充電を防止するために、バッテリ３の充電を休止する必要があると充電要否判定手段６０２が判定しているときに、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にすることにより発電機の出力端子間を短絡する短絡制御を行って発電機１からバッテリ３への充電電流の供給を停止させる。以下これらの制御について説明する。
＜充電時ＦＥＴ制御＞
図７を参照すると、充電時ＦＥＴ制御を行う際の各部の電圧波形が示されており、図８を参照すると、短絡制御を行う際の各部の電圧波形が示されている。図７及び図８において、（Ａ）は、図６に示された３相交流電圧の時刻ｔ１とｔ２との間のＺ部の波形を拡大して示しており、（Ｂ）は、サンプリングタイミング生成手段６０１が一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせるために出力するサンプリングパルスＰs を示している。また（Ｃ）ないし（Ｅ）はそれぞれ入力電位極性検出回路５によ検出された整流回路２のＵ相ないしＷ相の入力端子２ｕないし２ｗの電位の極性を示し、（Ｆ）ないし（Ｋ）はそれぞれ整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態を示している。
マイクロプロセッサは、サンプリングパルスＰs が発生する毎にバッテリ電圧検出回路４が検出しているバッテリ電圧を読み込んで、読み込んだバッテリ電圧が規定電圧以下であるか規定電圧を超えているかを判定する。この判定により、バッテリ電圧が規定電圧以下であると判定されたときにバッテリの充電を行う必要があると判定し、バッテリ電圧が規定電圧を超えていると判定されたときに、過充電を防止するためにバッテリの充電を休止する必要があると判定する。
発電機１の出力電圧が図７（Ａ）の波形を示す区間では、発電機１のＵ相の出力電圧が正の半波にある間同図（Ｃ）に示すように整流回路２のＵ相の入力端子２ｕの電位が正極性を示し、発電機１のＵ相の出力電圧が負の半波にある間整流回路２のＵ相の入力端子２ｕの電位が負極性を示す。また図７（Ａ）に示した区間においては、発電機１のＶ相の出力電圧が正の半波にあるため、図７（Ｄ）に示すように整流回路２のＶ相の入力端子２ｖの電位が正極性を示し、発電機１のＷ相の出力電圧が負の半波にあるため、図７（Ｅ）に示すように整流回路のＷ相の入力端子２ｗの電位が負極性を示す。
マイクロプロセッサが構成するオンオフ状態決定手段６０３は、ポートＡ１〜Ａ３に入力されている入力電位極性検出回路５の検出出力を各サンプリングタイミングで読み込んで、図１１のテーブルを参照することにより、整流回路２の各入力端子に接続されている上下のアームのＭＯＳＦＥＴのいずれをオン状態にし、何れをオフ状態にすべきかを決定する。充電時ＦＥＴ制御手段６０４は、整流回路２の各入力端子に接続されている上下のアームのＭＯＳＦＥＴのオンオフの状態をオンオフ状態決定手段６０３により決定された状態に一致させるように整流回路の所定のＭＯＳＦＥＴに駆動信号を与える。
また本実施形態で用いるＦＥＴオフ手段６０６は、サンプリングタイミング発生手段６０１が各サンプリングタイミングを生じさせる毎に、各サンプリングパルスのパルス幅に相当する時間をＦＥＴオフ期間Δｔとして、各ＦＥＴオフ期間Δｔの間整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする。
図７に示した区間でバッテリの充電を行う際には、整流回路のＵ相の入力端子２ｕの電位が正極性を示している間、図７（Ｆ）に示すように入力端子２ｕに接続されている上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１がオン状態にされ、図７（Ｉ）に示すように、入力端子２ｕに接続されている下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４がオフ状態にされる。またＵ相の入力端子の電位が負極性を示している間入力端子２ｕに接続されている上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１がオフ状態にされ、入力端子２ｕに接続されている下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４がオン状態にされる。
図７に示した区間でバッテリの充電を行う際にはまた、同図（Ｄ）に示すように整流回路のＶ相の入力端子２ｖの電位が正極性を示しているため、同図（Ｇ）に示すように整流回路の入力端子２ｖに接続された上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ２がオン状態にされ、同図（Ｊ）に示すように、入力端子２ｖに接続された下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ５がオフ状態にされる。また図７（Ｅ）に示すように、整流回路のＷ相の入力端子の電位が負極性であるため、同図（Ｈ）に示すように、入力端子２ｗに接続されている上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ３がオフ状態にされ、同図（Ｋ）に示したように、入力端子２ｗに接続されている下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ６がオン状態にされる。
本実施形態では、充電時ＦＥＴ制御が行われる際にも、サンプリングタイミング発生手段６０１が図７（Ｂ）に示したサンプリングパルスを発生してサンプリングタイミングを生じさせる毎にＦＥＴオフ手段６０６がＦＥＴオフ期間Δｔの間整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６への駆動信号の供給を停止してすべてのＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする。従って、充電時ＦＥＴ制御が行われる際にオンオフ状態決定手段６０３による決定に基づいてオン状態にされたＭＯＳＦＥＴは、各サンプリングタイミングが到来する毎に一定のＦＥＴオフ期間Δｔの間オフ状態にされる。
充電時ＦＥＴ制御が行われる際には、図３に矢印で示したように、整流回路２の各ＭＯＳＦＥＴに電流ｉが流れ，バッテリ３に充電電流Ｉｃが供給される。
本実施形態のように、バッテリ電圧が規定電圧以下であるときにバッテリの充電が必要であると判定し、バッテリ電圧が規定電圧を超えているときにバッテリの充電を休止する必要があると判定するように充電要否判定手段を構成する場合、バッテリ電圧を連続的に検出して、バッテリ電圧の変動に追従して充電の要否を判定すると、バッテリの負荷が高い頻度で変動してバッテリ電圧が頻繁に変動した場合に、充電時ＦＥＴ制御と短絡制御とが非常に短い周期で切り換えられて、整流回路２が発振状態になり、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴがスイッチング損失により過熱して破壊するおそれがある。このような問題が生じるのを防ぐためには、バッテリ電圧が第１の規定電圧を超えたときにバッテリの充電を休止する必要があると判定し、バッテリ電圧が第１の規定電圧よりも小さい値に設定された第２の規定電圧以下になったときにバッテリの充電を行う必要があると判定するように充電要否判定手段を構成してバッテリ充電装置の動作にヒステリシス特性を持たせる等の手段を講じる必要がある。
これに対し、本実施形態のように、一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせて、各サンプリングタイミングでのみバッテリ電圧をサンプリングしてバッテリの充電の要否を判定するようにすると、各サンプリングタイミングから次のサンプリングタイミングまでの間、制御が充電時ＦＥＴ制御又は短絡制御のいずれかに固定されるため、バッテリ電圧が高頻度で変動した場合に、バッテリ電圧の変動に合わせて短絡制御と充電時ＦＥＴ制御とが短い周期で切り換えられる状態が生じるのを防ぐことができ、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴが頻繁にオンオフさせられて、スイッチング損失により過熱するのを防ぐことができる。
本実施形態のように、一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせて、各サンプリングタイミングでのみバッテリ電圧を検出してバッテリの充電の要否を判定するように充電要否判定手段を構成する場合、サンプル周期が長すぎるとバッテリ電圧の変動を適確に検出することができなくなり、バッテリの充電を適確に制御することができなくなる。また本実施形態のように一定の周期（本実施形態ではサンプル周期）でＦＥＴオフ期間を生じさせる場合に、ＦＥＴオフ期間を生じさせる周期を短くし過ぎると、ＦＥＴオフ期間が頻繁に生じるため短絡制御を適確に行うことができなくなる。サンプリングタイミング発生手段６０１がサンプリングタイミングを生じさせる周期は、実験結果に基づいて、バッテリの充電制御を適確に行うことができ、かつ短絡制御に支障を来すことがない長さに設定する。エンジンを動作させるために必要な電装品を駆動するバッテリを充電する場合、上記サンプル周期は、例えば１２５μsec程度に設定するのが適当であることが実験により確認されている。
ＦＥＴオフ期間は、一定でもよく、一定の周期で開始され、常に一定の長さを示す期間であってもよく、一定の周期で到来するタイミングで開始し、オンオフ状態決定手段が整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態を決定するために必要な情報を取得した時に終了する期間、又は一定の周期で到来するタイミングで開始し、オンオフ状態決定手段が整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態を決定するためのオンオフ状態決定処理を完了した時点で終了す期間であってもよいが、図７及び図８に示した例では、サンプリングパルスＰｓのパルス幅に相当する一定の期間ΔｔをＦＥＴオフ期間としている。
＜短絡制御＞
充電要否判定手段６０２が、バッテリの充電を休止する必要があると判定すると、短絡制御手段６０５が、整流回路２のすべての上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ３を同時にオン状態にするか、又はすべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にして、発電機の出力端子１ｕ，１ｖ間，１ｖ，１ｗ間及び１ｗ，１ｕ間を短絡する短絡制御を行う。
本実施形態では、図８（Ｆ）ないし（Ｈ）に示すように整流回路２のすべての上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ３をオフ状態にし、すべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にすることにより、発電機の出力端子間を短絡する短絡制御を行うようにしている。ＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にして短絡制御を行っている間、ＦＥＴオフ手段６０６が各サンプリングタイミングで整流回路２のすべてのＭＯＳＦＥＴを一定のＦＥＴオフ期間Δｔの間オフ状態にするＦＥＴオフ制御を行うため、図８（Ｉ）ないし（Ｋ）に見られるように、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６は周期的にオフ状態にされる。オンオフ状態決定手段６０３は、短絡制御手段６０５が短絡制御を行っている間も、各ＦＥＴオフ期間Δｔの間にオンオフ状態決定処理を行って、充電時ＦＥＴ制御の再開に備える。
短絡制御が行われているときには、図４に示したように、整流回路２の下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６と３相の発電コイルとを通して短絡電流ｉが流れ、バッテリ３への充電電流の供給が停止される。短絡制御が行われている間にバッテリ電圧が規定電圧以下になると短絡制御手段６０５による短絡制御が停止し、充電時ＦＥＴ制御手段６０４による充電時ＦＥＴ制御が再開される。このようにして充電時ＦＥＴ制御と短絡制御とが繰り返されることにより、バッテリ電圧が規定電圧付近に保たれる。
本実施形態では、図８（Ｉ）ないし（Ｋ）に示すように、短絡制御が行われているときに周期的にＦＥＴオフ期間Δｔを生じさせるため、各ＦＥＴオフ期間Δｔの間に入力電位極性検出回路５の検出出力を読み込んで、図１１のテーブルを参照することにより、整流回路２を構成するＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６に整流動作を行わせるために各時刻においてＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のそれぞれがとるべきオンオフの状態が求められる。短絡制御が行われる過程で各ＦＥＴオフ期間Δｔの間に求められたＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態はＲＡＭからなるオンオフ状態記憶手段（図示せず。）に記憶される。オンオフ状態記憶手段に記憶されるＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態は、各ＦＥＴオフ期間において、新たなオンオフ状態が求められる毎に更新される。
上記のように、短絡制御が行われている間も、整流回路２を構成するＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６に整流動作を行わせるために各時刻においてＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のそれぞれがとるべきオンオフの状態を随時求めておくようにすると、短絡制御を終了した後速やかに充電時ＦＥＴ制御を再開させることができる。従って、短絡制御から充電時ＦＥＴ制御に移行する過程で、整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで生じる発熱を少なくすることができ、短絡制御が繰り返し行われた場合に整流回路の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
上記のように、短絡制御を行う際に、整流回路２のすべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がオフ状態になるＦＥＴオフ期間Δｔを周期的に生じさせると、各ＦＥＴオフ期間Δｔの間、発電機１から整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６により構成される全波整流回路を通して電力が出力される。ＦＥＴオフ期間Δｔは、短絡制御が行われている間繰り返し生じるため、ＦＥＴオフ期間Δｔの間に整流回路２から出力される電力によりバッテリ３が充電されると、バッテリが過充電状態になるおそれがある。
従って本発明を実施するに当たっては、短絡制御が行われている状態で発電機１から整流回路２を構成しているＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６からなる全波整流回路を通して単位時間毎に出力される電力量［Ｗｓ］を、単位時間毎にバッテリから負荷に供給する必要がある電力量［Ｗｓ］の最小値以下に抑えるべく、ＦＥＴオフ期間Δｔの長さを設定しておくのが好ましい。
短絡制御が行われている間に、発電機１から寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６を通して単位時間毎に出力される電力量［Ｗｓ］を、単位時間毎にバッテリ３から負荷９に供給する必要がある電力量［Ｗｓ］の最小値以下に抑えるようにＦＥＴオフ期間Δｔを設定しておくと、ＦＥＴオフ期間Δｔの間に発電機１から寄生ダイオードＤ１〜Ｄ６により構成される整流回路を通して出力される電力はすべてバッテリ３の負荷９に供給され、整流回路２からバッテリ３に電力が供給されることがないため、バッテリが過充電状態にされるおそれを無くすことができる。
但し、ＦＥＴオフ期間Δｔが短すぎると、整流回路の入力端子の電位の極性を適確に検出することができなくなって、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６が各時刻にとるべきオンオフの状態を適確に決定することができなくなるため、ＦＥＴオフ期間Δｔを一定とする場合、その長さは短すぎないように設定する必要がある。
バッテリ３から負荷９に供給する必要がある電力量の最小値は、例えばバッテリ３が搭載された機器を動作させるために必要不可欠な負荷が消費する電力量の最小値である。
バッテリ３が搭載された機器が、エンジン発電機やエンジンにより駆動される乗り物のようにエンジンにより駆動される機器である場合、バッテリ３から負荷９に供給する必要がある電力量の最小値は、例えば、エンジンのアイドリング時にインジェクタ、燃料ポンプ、点火装置等のエンジンを動作させるために必要な電装品を駆動するために必要な電力量である。
エンジを動作させるために必要な電装品を負荷とするバッテリ３を充電する場合、ＦＥＴオフ期間Δｔの長さは、例えば１０μsec程度に設定することができる。
上記のように、充電時ＦＥＴ制御を行う際にも、短絡制御を行う際にも一定の周期でＦＥＴオフ期間を生じさせる場合に、充電要否判定手段６０２、オンオフ状態決定手段６０３、充電時ＦＥＴ制御手段６０４，短絡制御手段６０５及びＦＥＴオフ手段６０６を構成するために微小時間毎にマイクロプロセッサに繰り返し実行させる処理のアルゴリズムの一例を図９に示した。なお図９に示した処理では、各ＦＥＴオフ期間が、各サンプリングタイミングで開始され、整流回路のＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６のオンオフの状態を決定するためのオンオフ状態決定処理を完了した時点で終了する期間であるとしている。
図９に示した処理が開始されると、先ずステップＳ１０１でこの処理の今回の実施タイミングが整流回路の入力端子の電位の極性を検出するタイミング（サンプリングタイミング）であるか否かを判定する。その結果、今回の実施タイミングが整流回路の入力端子の電位の極性を検出するタイミングではないと判定された場合には以後何もしないでこの処理を終了する。ステップＳ１０１で今回の実施タイミングが整流回路の入力端子の電位の極性を検出するタイミングであると判定されたときにはステップＳ１０２でＦＥＴ駆動回路６０７にＦＥＴオフ指令を与えて、すべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６への駆動信号の供給を停止させる。ステップＳ１０２によりＦＥＴオフ手段６０６が構成される。
ステップＳ１０２でＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６への駆動信号の供給を停止させた後ステップＳ１０３に進んでポートＡ１〜Ａ３に与えられている二値信号の値に応じて、図１１のテーブルを検索することによりＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がとるべきオンオフの状態を決定する。このステップによりオンオフ状態決定手段６０３が構成される。
次いでステップＳ１０４に進んでサンプリングされているバッテリ電圧が規定電圧を超えているか否かを判定する。その結果、バッテリ電圧が規定電圧を超えていないと判定されたときにはステップＳ１０５に進んで、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の状態をステップＳ１０３で決定された状態に一致させるように、ＦＥＴ駆動回路６０７から整流回路の所定のＭＯＳＦＥＴに駆動信号を与えることにより充電時ＦＥＴ制御を行わせる。このステップＳ１０５により充電時ＦＥＴ制御手段が構成される。
ステップＳ１０４でバッテリ電圧が規定電圧を超えていると判定されたときには、ステップＳ１０６に進んで、ＦＥＴ駆動回路６０７からＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６に同時に駆動信号を与えてこれらのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にすることにより短絡制御を行う。このステップＳ１６０により短絡制御制御手段６０５が構成される。
上記の説明では、整流回路２のすべての上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ３をオフ状態にし、すべての下アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にすることにより短絡制御を行うとしたが、整流回路２のすべての上アームのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ３を同時のオン状態にすることにより短絡制御を行うようにしても良い。
図９に示したアルゴリズムによる場合、ＦＥＴオフ期間は、各サンプリングタイミングで開始され、オンオフ状態決定処理が完了した時点で終了させられる。
＜他の実施形態＞
上記の実施形態では、充電時ＦＥＴ制御を行う際にも、短絡制御を行う際にも一定の周期でＦＥＴオフ期間を生じさせるようにしたが、本発明の他の実施形態では、短絡制御時にのみＦＥＴオフ期間の生じさせる。このように構成する場合に、充電要否判定手段６０２、オンオフ状態決定手段６０３、充電時ＦＥＴ制御手段６０４、短絡制御手段６０５及びＦＥＴオフ手段６０６を構成するために微小時間毎にマイクロプロセッサに繰り返し実行させる処理のアルゴリズムの一例を図１０に示した。
図１０に示した処理が開始されると、先ずステップＳ２０１でこの処理の今回の実施タイミングが整流回路の入力端子の電位の極性を検出するタイミングであるか否かを判定する。その結果、今回のタイミングが整流回路の入力端子の電位の極性を検出するタイミングではないと判定された場合には以後何もしないでこの処理を終了する。
ステップＳ２０１で今回のタイミングが整流回路の入力端子の電位の極性を検出するタイミングであると判定されたときにはステップＳ２０２でサンプリングされたバッテリ電圧が規定電圧を超えているか否かを判定する。その結果、バッテリ電圧が規定電圧以下であると判定されたときにはステップＳ２０３に進んで、短絡制御フラグが１にセットされているか否かを判定する。短絡制御フラグは、短絡制御を開始する場合に１にセットされるフラグであり、バッテリ電圧が規定電圧を超えていると判定されたときにステップＳ２１１で１にセットされる。
ステップＳ２０２でバッテリ電圧が規定電圧以下であると判定され、ステップＳ２０３で短絡制御フラグが１にセットされていないと判定されたとき（バッテリを充電する必要があるとき）には、ステップＳ２０５に進んでポートＡ１〜Ａ３に与えられている二値信号の値に応じて、図１１のテーブルを検索することによりＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がとるべきオンオフの状態を決定した後、ステップＳ２０６に進んでＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の状態をステップＳ２０５で決定された状態に一致させるように、ＦＥＴ駆動回路６０７から整流回路の所定のＭＯＳＦＥＴに駆動信号を与えることにより充電時ＦＥＴ制御を行わせる。次いでステップＳ２０７で短絡制御フラグをクリアしてこの処理を終了する。
ステップＳ２０２でバッテリ電圧が規定電圧を超えていると判定されたときにはステップＳ２０８でＦＥＴ駆動回路６０７にＦＥＴオフ指令を与えて、すべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６への駆動信号の供給を停止させる。次いでステップＳ２０９でポートＡ１〜Ａ３に与えられている二値信号の値に応じて、図１１のテーブルを検索することによりＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がとるべきオンオフの状態を決定した後、ステップ２１０でＦＥＴ駆動回路６０７からＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６に同時に駆動信号を与えてこれらのＭＯＳＦＥＴ Ｆ４〜Ｆ６を同時にオン状態にすることにより短絡制御を行う。次いでステップＳ２１１で短絡制御フラグを１にセットしてこの処理を終了する。ステップＳ２０２でバッテリ電圧が規定電圧を超えていると判定される状態が続いている間、ステップＳ２０８ないしＳ２１１が実行されて短絡制御が行われる。
短絡制御を行っている状態でステップＳ２０２でバッテリ電圧が規定電圧以下であると判定されたときには、ステップＳ２０３で短絡制御フラグが１にセットされていると判定されるためステップＳ２０４でＦＥＴ駆動回路６０７にＦＥＴオフ指令を与えて、すべてのＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６への駆動信号の供給を停止させた後、ステップＳ２０５に進んでポートＡ１〜Ａ３に与えられている二値信号の値に応じて、ＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６がとるべきオンオフの状態を決定する。次いでステップステップＳ２０６に進んでＭＯＳＦＥＴ Ｆ１〜Ｆ６の状態をステップＳ２０５で決定された状態に一致させるように、ＦＥＴ駆動回路６０７から整流回路の所定のＭＯＳＦＥＴに駆動信号を与えることにより充電時ＦＥＴ制御を行わせた後ステップＳ２０７で短絡制御フラグを０にクリアする。
短絡制御フラグがクリアされた状態で図１０の処理が実行された際にステップＳ２０２でバッテリ電圧が規定電圧以下であると判定される場合には、ステップＳ２０３で短絡フラグが１にセットされていないと判定されるため、ステップ２０４が実行されることなくステップＳ２０５ないしＳ２０７が実行されて充電時ＦＥＴ制御が行われる。従って、ＦＥＴオフ制御は、短絡制御時にのみ実行され、充電時バッテリ制御を行う際には実行されない。
図１０に示したアルゴリズムによる場合には、ステップＳ２０２により充電要否判定手段６０２が構成され、ステップＳ２０４及びＳ２０８によりＦＥＴオフ手段が構成される。またステップＳ２０５及びＳ２０９によりオンオフ状態決定手段６０３が構成され、ステップＳ２０６及びステップＳ２１０によりそれぞれ充電時ＦＥＴ制御手段６０４及び短絡制御手段６０５が構成される。
図９又は図１０に示した処理によりＦＥＴ制御部の各手段を構成する場合、ＦＥＴオフ手段は、一定の周期でＦＥＴオフ期間を開始させ、オンオフ状態決定処理が完了した時点でＦＥＴオフ期間を終了させるように構成されるが、このようにＦＥＴオフ手段を構成しておくと、ＦＥＴオフ期間が必要最小限の長さになるため、短絡制御時にバッテリが過充電状態にされるおそれをなくすことができる。
図９及び図１０に示した処理は、短い時間間隔で繰り返し実行されるが、図９及び図１０に示した処理を、サンプリングタイミング発生手段がサンプリングタイミングを生じさせる毎に実行される割込処理とすることもできる。この場合には、図９に示されたステップＳ１０１及び図１０に示されたステップＳ２０１が省略される。
図１に示した例では、磁石式交流発電機１の３相の発電コイルＬｕ〜Ｌｗがスター結線されているが、図５に示したように３相の発電コイルＬｕ〜ＬｗがΔ結線された磁石式交流発電機を用いることができるのはもちろんである。
上記の各実施形態では、磁石式交流発電機として３相交流電圧を発生するものを用いたが、単相交流電圧を発生する磁石式交流発電機を用いる場合にも本発明を適用できるのはもちろんである。
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された技術的範囲から逸脱することがない範囲で各部に種々の変形を加えることができるのはもちろんである。
本発明に係るバッテリ充電装置は、エンジン、風車、水車等の動力源により駆動される磁石式交流発電機を電源としてバッテリを充電することが必要とされる産業分野で広く利用することができる。
１ 磁石式交流発電機
１ｕ〜１ｗ 発電機の出力端子
Ｌｕ〜Ｌｗ 発電機の発電コイル
２ 整流回路
２ｕ〜２ｗ 整流回路の入力端子
Ｆ１〜Ｆ６ ＭＯＳＦＥＴ
Ｄ１〜Ｄ６ 寄生ダイオード
３ バッテリ
４ バッテリ電圧検出回路
５ 入力電位極性検出回路
６ ＦＥＴ制御部
６０１ サンプリングタイミング発生手段
６０２ 充電要否判定手段
６０３ オンオフ状態決定手段
６０４ 充電時ＦＥＴ制御部
６０５ 短絡制御手段
６０６ ＦＥＴオフ手段
６０７ ＦＥＴ駆動回路
９ バッテリの負荷

Claims (10)

  1. 磁石式交流発電機の整流出力でバッテリを充電するバッテリ充電装置であって、
    ブリッジ回路を構成する各アームがＭＯＳＦＥＴからなっていて、前記発電機の出力が入力される入力端子と前記バッテリのプラス端子及びマイナス端子にそれぞれ接続されるプラス側及びマイナス側の出力端子とを有するフルブリッジ形の整流回路と、前記バッテリの両端の電圧を検出するバッテリ電圧検出回路と、前記整流回路の各入力端子の電位の極性を検出する入力電位極性検出回路と、前記バッテリ電圧検出回路及び入力電位極性検出回路の検出出力に応じて前記整流回路のＭＯＳＦＥＴを制御するＦＥＴ制御部とを具備し、
    前記ＦＥＴ制御部は、前記バッテリ電圧検出回路が検出している電圧に基づいて前記バッテリを充電する必要があるか前記バッテリの充電を休止する必要があるかを判定する充電要否判定手段と、前記発電機の出力を整流して前記バッテリに供給する際に前記整流回路の各ＭＯＳＦＥＴがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを前記入力電位極性検出回路が検出している各入力端子の電位の極性に基づいて決定するオンオフ状態決定処理を行うオンオフ状態決定手段と、前記充電要否判定手段により前記バッテリを充電する必要があると判定されているときに前記整流回路の各ＭＯＳＦＥＴの状態を前記オンオフ状態決定手段が決定した状態に一致させるように制御する充電時ＦＥＴ制御を行う充電時ＦＥＴ制御手段と、前記充電要否判定手段により前記バッテリの充電を休止する必要があると判定されているときに前記整流回路のすべての上アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にするか又はすべての下アームを構成しているＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にして前記発電機の出力端子間を短絡する短絡制御を行う短絡制御手段と、少なくとも前記短絡制御を行う際に前記整流回路のすべてのＭＯＳＦＥＴがオフ状態になるＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせるＦＥＴオフ手段とを備え、
    前記オンオフ状態決定手段は、前記短絡制御手段が短絡制御を行っている間も、各ＦＥＴオフ期間の間に前記入力電位極性検出回路が検出した前記整流回路の各入力端子の電位の極性に基づいて前記オンオフ状態決定処理を行うように構成されていること、
    を特徴とするバッテリ充電装置。
  2. 一定の周期でサンプリングタイミングを生じさせるサンプリングタイミング発生手段を備え、
    前記充電要否判定手段は、前記サンプリングタイミング発生手段が生じさせる各サンプリングタイミングでのみ前記バッテリ電圧検出回路が検出している電圧をサンプリングして、サンプリングした電圧に基づいてバッテリの充電が必要であるか、バッテリの充電を休止する必要があるかを判定するように構成されている請求項１に記載のバッテリ充電装置。
  3. 前記ＦＥＴオフ手段は、前記サンプリングタイミング発生手段がサンプリングタイミングを生じさせる毎に前記ＦＥＴオフ期間を生じさせるように構成されている請求項２に記載のバッテリ充電装置。
  4. 前記ＦＥＴオフ手段は、前記充電時ＦＥＴ制御が行われる過程でも、前記ＦＥＴオフ期間を設定された周期で生じさせるように構成されている請求項１、２又は３に記載のバッテリ充電装置。
  5. 前記短絡制御が行われている間に前記発電機から前記整流回路を構成しているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通して単位時間毎に出力される電力量を単位時間毎に前記バッテリが負荷に供給する必要がある電力量の最小値以下に抑えるように、前記ＦＥＴオフ期間の長さが設定されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のバッテリ充電装置。
  6. 前記バッテリが電力を供給する負荷は、前記バッテリが搭載された機器を動作させるために必要不可欠な負荷を含む請求項５に記載のバッテリ充電装置。
  7. 前記バッテリが搭載された機器は、エンジンにより駆動される機器であり、前記バッテリが電力を供給する負荷は、前記エンジンを動作させるために必要な電装品である請求項６に記載のバッテリ充電装置。
  8. 前記ＦＥＴオフ手段は、一定の周期で前記ＦＥＴオフ期間を開始させ、前記オンオフ状態決定手段がオンオフ状態決定処理を完了したときに前記ＦＥＴオフ期間を終了させるように構成されている請求項２に記載のバッテリ充電装置。
  9. 前記整流回路の各入力端子に接続された上側アーム及び下側アームはそれぞれドレインが前記プラス側の出力端子に接続され、ソースが各入力端子に接続された上側ＭＯＳＦＥＴ及びソースが前記マイナス側の出力端子に接続され、ドレインが各入力端子に接続された下側ＭＯＳＦＥＴからなり、
    前記オンオフ状態決定手段は、前記入力電位極性検出回路により検出されている整流回路の各入力端子の電位の極性が各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに順方向電圧を印加する極性であるときに各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴ及び下側アームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態をオン状態及びオフ状態と決定し、前記入力電位極性検出回路により検出されている整流回路の各入力端子の電位の極性が各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに逆方向電圧を印加する極性であるときに各入力端子に接続されている上側アームのＭＯＳＦＥＴ及び下側アームのＭＯＳＦＥＴがそれぞれとるべき状態をオフ状態及びオン状態と決定するように構成されている請求項１ないし８の何れか一つに記載のバッテリ充電装置。
  10. 前記入力電位極性検出回路は、前記整流回路の各入力端子の電位の極性が正極性のときと負極性のときとでオンオフの状態を異にするように設けられた極性検出スイッチを前記整流回路の各入力端子毎に備え、
    前記ＦＥＴ制御部は、前記整流回路の各入力端子に対して設けられた極性検出スイッチの状態から前記整流回路の各入力端子の電位の極性を検出するように構成されている請求項１ないし９の何れか一つに記載のバッテリ充電装置。
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