(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を発生する発電機と、
前記発電機の出力に同期したタイミングで該発電機の出力を低電圧系の第１のバッテリに振り分けて該第１のバッテリを充電する第１の充電系と、
前記発電機の出力に同期したタイミングであって前記第１のバッテリを充電するタイミングとは異なるタイミングで前記発電機の出力を高電圧系の第２のバッテリに振り分けて該第２のバッテリを充電する第２の充電系と、
デューティを有する前記発電機の出力信号に基づきスイッチングして前記第２のバッテリに振り分けるべき前記発電機の出力を断続させるスイッチ系と、
前記スイッチ系のスイッチング制御によって、前記発電機の入力軸の回転数が前記発電機の出力電圧を昇圧するか否かの境界を与える回転数を下回っている場合、前記第１のバッテリの充電時と前記第２のバッテリの充電時とで前記発電機の出力電力の変化を抑制するように該発電機の出力を断続させ、前記発電機の入力軸の回転数が前記境界を与える回転数を越えて変化する場合、前記発電機の出力のデューティの変化を抑制しながら該デューティを切り替えることにより、前記第２のバッテリの充電時と前記第１のバッテリの充電時との前記発電機の入力トルクの変動を抑えるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするバッテリ充電装置。
【請求項２】
前記第１の充電系として、
アノードが前記発電機の出力端子側に接続されると共にカソードが前記第１のバッテリの電極側に接続された第１の整流器と、
前記第１の整流器のカソードと前記第１のバッテリの電極との間に設けられ、前記第１のバッテリを充電すべきタイミングで導通状態とされると共に前記第２のバッテリを充電すべきタイミングで非導通状態とされる第１の電界効果トランジスタとを備え、
前記第２の充電系として、アノードが前記発電機の出力端子側に接続されると共にカソードが前記第２のバッテリの電極側に接続された第２の整流器を備え、
前記スイッチ系として、
前記発電機の出力端子と接地との間に設けられ、前記デューティを有するクロック信号に基づきスイッチングして前記発電機の出力を断続させる第２の電界効果トランジスタを備えたことを特徴とする請求項１に記載されたバッテリ充電装置。
【請求項３】
前記第２の電界効果トランジスタは、
前記第１のバッテリの充電時には前記発電機の出力位相の変化に従って導通制御され、前記第２のバッテリの充電時には前記クロック信号に基づき導通制御されることを特徴とする請求項２に記載されたバッテリ充電装置。
【請求項４】
前記発電機は、多相交流を発生するものであって、前記第１及び第２の整流器並びに第１及び第２の電界効果トランジスタは、前記多相交流の各相ごとに設けられたことを特徴とする請求項２または３に記載されたバッテリ充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばハイブリッド車に搭載される高電圧系のバッテリと低電圧系のバッテリとを充電するためのバッテリ充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護や省エネルギーなどの観点から、エンジンと電気モータを組み合わせた動力システムを搭載するハイブリッド車が注目されている。このハイブリッド車では、加速時には電気モータによってエンジンの出力を補助し、減速時には減速回生によってバッテリ等への充電を行う等、様々な制御を行うことにより、エンジン出力の補助を効率よく行うようになっている。このハイブリッド車には、走行用の電気モータに電気エネルギーを供給するための高電圧系（例えば３６Ｖ）のバッテリと、各種補機類の電源を供給するための低電圧系（例えば１２Ｖ）のバッテリが搭載されており、これら電圧仕様が異なるバッテリの双方を充電するためのバッテリ充電装置が必要とされている。
【０００３】
以下、この種の従来技術に係るバッテリ充電装置について、後述する図１を援用して説明する。
なお、同図に示す電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６は、後述する本願発明に係るバッテリ充電装置の特徴の一部をなすものであって、以下に説明する従来装置では、この電界効果トランジスタに相当するものとして整流器（ダイオード）が用いられ、この整流器は、整流器Ｄ１〜Ｄ３または整流器Ｄ４〜Ｄ６と共に全波整流器を形成している。
【０００４】
図１において、発電機ＡＣＧの入力軸はエンジンの出力軸に連結されており、エンジンの出力によって発電機ＡＣＧの入力軸を回転させ、交流出力を発生させる。この交流出力は、整流器Ｄ１〜Ｄ３と電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３からなる系（オープンレギュレータ）を介して低電圧系のバッテリＢＬに振り分けられると共に、整流器Ｄ４〜Ｄ６を介して高電圧系のバッテリＢＨに振り分けられる。この発電機ＡＣＧの交流出力の振り分けは、発電機ＡＣＧの交流出力（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各位相に同期して、低電圧側の系に設けられた電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３の導通をそれぞれ制御することにより行われる。
【０００５】
すなわち、図４に示すように、例えば、発電機ＡＣＧが発生するＵ相の電圧が高くなる期間Ｐ１において、電界効果トランジスタＱ１がオンして導通状態となり、整流器Ｄ１及び電界効果トランジスタＱ１を介してＵ相の出力が低圧系のバッテリＢＬに供給される。このとき、Ｕ相の電圧は、低電圧系のバッテリＢＬの端子電圧に引かれて低下するが、高電圧系側に設けられた整流器Ｄ４が逆バイアス状態とされるので、発電機の出力電圧が降下しても高電圧系のバッテリＢＨは放電されない。この後、期間Ｐ２においてＵ相の位相が反転して出力電圧が低下すると、整流器Ｄ１が逆バイアス状態となる。このとき、従来装置では、電界効果トランジスタＱ４に対応する図示しない整流器を介してバッテリＢＬの充電が行われる。
【０００６】
さらに、この後、Ｕ相の電圧が高くなる期間Ｐ３において、電界効果トランジスタＱ１がオフして非導通状態となる。これにより、低電圧系のバッテリＢＬに対する電力の供給が遮断され、発電機ＡＣＧから出力されるＵ相の電圧が上昇する。この結果、整流器Ｄ４が順バイアス状態とされ、この整流器Ｄ４を介して高電圧系のバッテリＢＨに発電機の出力電力が供給される。
同様に、他のＶ相およびＷ相についても、整流器Ｄ２，Ｄ３および電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３を介して低電圧系のバッテリＢＬの充電が行われ、整流器Ｄ５，Ｄ６を介して高電圧系のバッテリＢＨの充電が行われる。
【０００７】
このように、低電圧側の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３を制御することにより、低電圧系と高電圧系とが相補的に充電され、１台の発電機を用いて双方のバッテリを充電することが可能となっている。
なお、発電機の何れの位相の出力を低電圧系および高電圧系の何れの充電に振り分けるかについては、これらのバッテリの充電状態に応じて適宜決定される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エンジンの回転数が低く、発電機の出力電圧が充分でない場合、発電機の出力を昇圧して充電に必要とされる電圧を確保し、エンジン回転数が上昇した場合に昇圧を停止してバッテリを直接充電する充電方法がある。しかしながら、以下に説明するように、この種の充電方法を採用するバッテリ充電装置によれば、昇圧の有無を切り替える際、発電機の入力軸を回転駆動するために必要とされるトルク（以下、「入力トルク」と称す）が急激に変化し、このトルク変動に起因して異音が発生するという問題がある。
【０００９】
以下、この種のトルク変動の発生メカニズムを説明する。
図６に、発電機の入力軸の回転数に対する発電機の入力トルクおよび出力電流（充電電流）の特性を示す。発電機の回転数はエンジンの回転数に応じて変化する。同図に示すように、発電機の出力を昇圧して充電を行う場合（昇圧充電時）、低回転域においてバッテリの充電に必要とされる電圧が確保される結果、発電機の出力電流が充電電流として消費され、発電機に入力トルクが発生する。回転数の上昇に伴って、発電機の出力電流は増加する傾向を示し、これにより入力トルクも増加する。ただし、昇圧のためのスイッチングによる損失が伴うため、出力電流の増加は抑制される。
【００１０】
これに対し、発電機の出力を昇圧せずに直接的に充電を行う場合（直接充電時）、低回転域では、バッテリの充電に必要とされる電圧が得られないため、バッテリの充電が行われず、出力電流が充電電流として現れない。従って、発電機の入力トルクとして、機械的なフリクションや電機子の慣性等の充電以外の要因に起因するトルクが現れる。そして、エンジンの回転数が上昇して出力電圧が充電可能な電圧に到達すると、出力電流が充電電流として現れる。さらにエンジンの回転数が上昇すると、出力電流は増加し、点Ｂで昇圧充電時の出力電流を越える。この出力電流の増加に伴い、入力トルクも増加し、点Ｃで昇圧充電時の入力トルクを越える。なお、昇圧の有無、即ち昇圧充電と直接充電の切り替えは、昇圧のためのスイッチングのデューティを切り替えることにより可能である。
【００１１】
ここで、昇圧充電時と直接充電時の制御状態の相違により、出力電流の交点Ｂでの回転数は、入力トルクの交点Ｃでの回転数と必ずしも一致しない。従って、例えばバッテリの電圧安定性の観点から、昇圧の有無の切り替えを行う回転数として発電機の出力電流が一致する点Ｂでの回転数Ｒ（Ｂ）を選ぶと、入力トルクの差分Ｔｄに起因して発電機の入力トルクが急激に変化し、異音が発生する結果となる。即ち、図７において、時刻ｔ１で回転数が上昇を開始し、時刻ｔ２で回転数Ｒ（Ｂ）に到達すると、昇圧スイッチングのためのスイッチングのデューティＤＲを切り替える。これにより、上述のトルクの差分Ｔｄに起因して入力トルクＴが急激に変動する。同様に、回転数が降下する場合にも時刻ｔ６で回転数Ｒ（Ｂ）を越える際に入力トルクＴが急激に変動する。このように、昇圧の有無を切り替える際に入力トルクが急激に変動し、異音が発生する。
【００１２】
また、上述の問題に加えて、以下に説明するように、発電機の出力を低電圧系のバッテリと高電圧系のバッテリとに振り分ける際に発電機の入力トルクが変動し、同様に騒音や振動が発生するという問題がある。
即ち、入力トルクは、発電機の出力電圧と出力電流とにより決定され、発電機の入力トルクと充電に費やされる電力との間には相関関係が存在する。即ち、発電機の出力電圧が一定であれば、充電電流が大きいほど、発電機の入力トルクが大きく、発電機の出力電流が一定であれば、充電電圧が大きいほど、発電機の入力トルクが大きくなる。この入力トルクに抗し得る回転力（例えばエンジンの回転出力）を外部から発電機の入力軸に与えることにより、電気エネルギーである電力が発生する。従って、理想的には、発電機の入力軸に与えられる回転力が一定であれば、出力電圧と出力電流とが出力電力を一定とするように決定されるべきである。
【００１３】
しかしながら、現実には、発電機に与えられる回転力が一定であっても、負荷の変動により出力電圧が変わると、発電機の特性上、出力電力を一定とするように出力電流が応答せず、出力電力も変化する傾向がある。このため、図４に示すように、低電圧側のバッテリを充電している期間Ｐ１と、高電圧側のバッテリを充電している期間Ｐ３とでは、入力トルクＴの大きさが異なり、発電機の出力を各バッテリに振り分ける際に入力トルクＴに変動が生じる。このため、発電機の騒音や振動が発生し、静粛性や耐久性が阻害されることとなる。
【００１４】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電機の入力軸の回転数に応じて昇圧を切り替える際に入力トルクが急激に変動することなく、このトルク変動に起因した異音や振動を抑制することが可能なバッテリ充電装置を提供することを第１の目的とする。
また、この発明は、発電機の出力を高電圧系と低電圧系との各バッテリに振り分けることに伴う発電機の入力トルクの変動を有効に抑制することができ、この入力トルクの変動に起因する騒音や振動の発生を防止することが可能なバッテリ充電装置を提供することを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
すなわち、本発明に係るバッテリ充電装置は、交流電力を発生する発電機（例えば後述する発電機ＡＣＧに相当する構成要素）と、前記発電機の出力に同期したタイミングで該発電機の出力を低電圧系の第１のバッテリに振り分けて該第１のバッテリを充電する第１の充電系（例えば後述する整流器Ｄ１〜Ｄ３および電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３に相当する構成要素）と、前記発電機の出力に同期したタイミングであって前記第１のバッテリを充電するタイミングとは異なるタイミングで前記発電機の出力を高電圧系の第２のバッテリに振り分けて該第２のバッテリを充電する第２の充電系（例えば後述する整流器Ｄ４〜Ｄ６に相当する構成要素）と、前記発電機の入力軸の回転数が、前記発電機の出力電圧を昇圧するか否かの境界を与える回転数を下回っている場合、前記第１のバッテリの充電時と前記第２のバッテリの充電時とで前記発電機の出力電力の変化を抑制するように該発電機の出力を断続して昇圧すると共に、前記発電機の入力軸の回転数が前記境界を与える回転数を越えて変化する場合、前記発電機の出力のデューティの変化を抑制しながら該デューティを切り替えるスイッチ系（例えば後述する電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６に相当する構成要素）と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、発電機の入力軸の回転数が、前記境界を与える回転数を越えて変化する場合、前記スイッチ系は、発電機の出力のデューティの変化を抑制しながら、このデューティの切り替えを行う。例えば、発電機の入力軸の回転数が増加して、前記境界を与える回転数よりも大きい値となった場合、前記スイッチ系は、発電機の出力のデューティを徐々に変化させる。このデューティの変化に応じて発電機の出力電力も徐々に変化し、前記スイッチ手段で切り替えられたデューティに応じた値になる。従って、出力電力が急激に変化しないので、入力トルクの変動も緩和され、この結果、異音の発生が防止される。なお、回転数が上昇すれば、発電機の出力が増加し、出力電力が変化するが、この場合の出力電力の変化は、回転数に従ったものであるから、入力トルクの変動をもたらすものではない。
【００１７】
また、発電機の入力軸の回転数が、前記境界を与える回転数を下回っている場合（即ち回転数が低い場合）、前記スイッチ系により発電機の出力を断続させ、この出力のデューティを制御することにより、発電機の出力電圧を高電圧系の第２のバッテリを充電可能な電圧に維持したまま、発電機の出力電力を調節し、発電機の入力トルクを制御する。従って、発電機の出力のデューティを適切に設定すれば、低電圧側のバッテリを充電している状態での入力トルクと、高電圧側のバッテリを充電している状態での入力トルクとが等しくなる。よって、発電機の出力を高電圧系のバッテリと低電圧系のバッテリとに振り分ける際に発生する入力トルクの変動を有効に抑制し、この入力トルクの変動に起因する騒音や振動の発生を防止することが可能となる。なお、前記スイッチ系のスイッチング動作により、発電機の出力を昇圧するものとしてもよい。
【００１８】
また、前記バッテリ充電装置において、前記第１の充電系として、アノードが前記発電機の出力端子側に接続されると共にカソードが前記第１のバッテリの電極側に接続された第１の整流器（例えば後述する整流器Ｄ１〜Ｄ３に相当する構成要素）と、前記第１の整流器のカソードと前記第１のバッテリの電極との間に設けられ、前記第１のバッテリを充電すべきタイミングで導通状態とされると共に前記第２のバッテリを充電すべきタイミングで非導通状態とされる第１の電界効果トランジスタ（例えば後述する電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３に相当する構成要素）とを備え、前記第２の充電系として、アノードが前記発電機の出力端子側に接続されると共にカソードが前記第２のバッテリの電極側に接続された第２の整流器（例えば後述する整流器Ｄ４〜Ｄ６に相当する構成要素）を備え、前記スイッチ系として、前記発電機の出力端子と接地との間に設けられ、前記デューティを有するクロック信号に基づきスイッチングして前記発電機の出力を断続させる第２の電界効果トランジスタ（例えば後述する電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６に相当する構成要素）を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、第１の電界効果トランジスタがオンして導通状態になると、第１の整流器が順バイアス状態とされ、この第１の整流器を介して発電機の出力が低電圧系の第１のバッテリに振り分けられ、この第１のバッテリが充電される。これに対し、第１の電界効果トランジスタがオフして非導通状態となると、発電機の出力電圧が上昇する結果、第２の整流器が順バイアス状態とされ、この第２の整流器を介して発電機の出力が高電圧系の第２のバッテリに振り分けられ、この第２のバッテリが充電される。
【００２０】
このとき、第２の電界効果トランジスタは、発電機の入力軸の回転数が、前記境界を与える回転数を越えて変化する場合、クロック信号に基づきスイッチングし、第２のバッテリに供給される発電機の出力のデューティを徐々に変化させて切り替える。これにより、発電機の出力電力も徐々に変化する。従って、回転数の変化に応じて発電機の出力のデューティを切り替えても、この発電機の出力電力が緩やかに変化するため、入力トルクが急激に変化せず、入力トルクの変動による騒音や振動が防止される。
【００２１】
さらに、前記バッテリ充電装置において、前記第２の電界効果トランジスタは、前記第１のバッテリの充電時には前記発電機の出力位相の変化に従って導通制御され、前記第２のバッテリの充電時には前記クロック信号に基づき導通制御されることを特徴とする（例えば後述する制御部ＣＴＬの機能に相当する要素）。
この構成によれば、第１のバッテリの充電時には、第１の整流器と第２の電界効果トランジスタとが全波整流器を形成し、発電機の出力を全波整流して第１のバッテリに供給する。また、第２のバッテリの充電時には、第２の整流器と第２の電界効果トランジスタとが全波整流器を形成すると共に、第２の電界効果トランジスタが、発電機の出力電流を正弦波に近似させるためのスイッチ系として機能する。これにより、発電機の入力トルクの変動を抑えながら、低電圧系のバッテリと高電圧系のバッテリに発電機の出力を割り振ることが可能となる。
【００２２】
さらにまた、前記バッテリ充電装置において、前記発電機は、多相交流（例えば後述するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流に相当する要素）を発生するものであって、前記第１及び第２の整流器並びに第１及び第２の電界効果トランジスタは、前記多相交流の各相ごとに設けられたことを特徴とする。
この構成によれば、発電機の出力の各相を、独立した充電経路を介してバッテリに供給する。従って、充電経路での干渉や各充電経路の電流密度を抑えることができ、充電動作を安定化させることが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
この実施の形態にかかるバッテリ充電装置は、ハイブリッド車に搭載された高電圧系および低電圧系の双方のバッテリを充電するものであって、エンジンの回転数に応じて発電機の出力の昇圧の有無を切り替えながら高電圧系のバッテリを充電する機能を有する。
図１に、本発明の実施の形態に係るバッテリ充電装置の構成を示す。同図において、ＡＣＧは、３相交流（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）を発生する発電機である。この発電機ＡＣＧの入力軸は、エンジンの出力軸に連結されており、このエンジンから回転力が与えられる。ＬＦは発電機の界磁コイル、ＣＮＶは、発電機の交流出力を直流に変換して充電対象の低電圧系（例えば１２[Ｖ]）のバッテリＢＬおよび高電圧系（例えば４２[Ｖ]）のバッテリＢＨに振り分けるコンバータである。
【００２４】
また、コンバータＣＮＶにおいて、Ｄ１〜Ｄ３は、発電機ＡＣＧの交流出力を整流して低電圧側のバッテリＢＬに供給する整流器、Ｑ１〜Ｑ３は、発電機ＡＣＧの出力の振り分け先を制御する電界効果トランジスタ（ｎ型）であり、これら整流器Ｄ１〜Ｄ３および電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３は、低電圧系のバッテリＢＬを充電するための第１の充電系を構成する。Ｄ４〜Ｄ６は、発電機ＡＣＧの交流出力を整流して高電圧側のバッテリＢＨに供給する整流器であり、高電圧系のバッテリＢＨを充電するための第２の充電系を構成する。
Ｑ４〜Ｑ６は、発電機ＡＣＧの出力電圧を昇圧するための電界効果トランジスタ（ｎ型）であって、この発電機の出力電圧を断続（チョッピング：chopping）するスイッチ系を構成する。この電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６は、上述の低電圧系側の整流器Ｄ１〜Ｄ３または高電圧系側の整流器Ｄ４〜Ｄ６と共に全波整流器を形成する。
【００２５】
ＣＴＬは、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ６の導通を制御する制御部である。この制御部ＣＴＬは、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ６の導通を制御する際に、エンジン回転数に応じて発電機ＡＣＧの出力の昇圧の要否を判断し、昇圧を要する場合には電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ６をスイッチング動作させる。Ｄ７はダイオード、Ｑ７は電界効果トランジスタであり、これらは、制御部ＣＴＬの制御の下に界磁コイルＬＦに流れる電流量を調整するためのものである。
このように、充電経路をなす各整流器および各電界効果トランジスタは、発電機ＡＣＧが発生するＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相ごとに設けられている。
【００２６】
また、この実施の形態では、制御部ＣＴＬは、前述の図６に示すように、直接充電時の出力電流が昇圧充電時の出力電流を上回る回転数Ｒｔを境界として、昇圧の有無を制御する。具体的には、制御部ＣＴＬは、回転数Ｒｔ以下の領域では、電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６をスイッチング動作させて発電機の出力を昇圧し、この回転数Ｒｔ以上の領域では、スイッチング動作を停止させる。この回転数Ｒｔは、発電機ＡＣＧの出力電圧を昇圧するか否かの境界を与えるものとして、図６に示す特性から適切に設定される。バッテリの電圧安定性の観点からすれば、回転数Ｒｔは、交点Ｂの近傍が望ましいが、直接充電時の出力電流特性が安定していない領域であるため、回転数Ｒ（Ｂ）よりも高回転側に設定される。
【００２７】
次に、各構成要素の接続関係を具体的に説明する。
整流器Ｄ１〜Ｄ３のアノードは、発電機ＡＣＧの出力端子に接続される。電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３は、整流器Ｄ１〜Ｄ３のカソードとバッテリＢＬの正極との間に設けられ、バッテリＢＬを充電すべきタイミングで導通状態とされると共にバッテリＢＨを充電すべきタイミングで非導通状態とされる。整流器Ｄ４〜Ｄ６のアノードは、発電機ＡＣＧの出力端子に接続され、そのカソードはバッテリＢＨの正極に接続される。
【００２８】
電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６は、発電機ＡＣＧの出力端子と接地との間に設けられる。この電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６は、制御部ＣＴＬからのクロック信号ＣＬＫに基づきスイッチングして発電機ＡＣＧの出力を断続させるものとして機能する。このクロック信号ＣＬＫのデューティは、発電機ＡＣＧの出力を各バッテリに振り分ける際の出力電力の変動を抑制するように設定されている。ただし、後述するように、制御部ＣＴＬは、昇圧の有無を制御する上で、このクロック信号ＣＬＫのデューティを切り替える際に、このデューティの変化を抑制しながら緩やかに切り替える。
なお、この実施の形態では、クロック信号ＣＬＫのデューティとは、このクロック信号ＣＬＫの１サイクルにおいて、電界効果トランジスタＱ４（Ｑ５，Ｑ６）をオフ状態とするパルス幅が占める比率を意味するものとする。従って、このクロック信号ＣＬＫは、昇圧された発電機ＡＣＧの出力パルスのデューティを与える。この実施の形態では、クロック信号ＣＬＫのデューティと発電機ＡＣＧの出力のデューテイとは、同義語であるものとする。ただし、クロック信号ＣＬＫのデューティと発電機ＡＣＧの出力のデューテイとは同一である必要はなく、これらのデューティの間に一定の関係があれば足りる。
【００２９】
以下、この実施の形態に係るバッテリ充電装置の動作を説明する。
なお、この実施の形態では、発電機ＡＣＧは、昇圧するまでもなく低電圧系のバッテリＢＬを充電可能な電圧を発生し得るものとする。また、この実施の形態に係るバッテリ充電装置の動作は、Ｕ相〜Ｗ相の各相について同様であるから、Ｕ相に着目して説明する。さらに、説明の便宜上、上述の回転数Ｒｔ以下の領域を「低回転域」とし、この回転数Ｒｔ以上の領域を「高回転域」と称す。さらにまた、エンジンの回転数と発電機の入力軸の回転数とを同義語として取り扱う。
【００３０】
（１）低回転域での動作
エンジンの回転数（発電機の入力軸の回転数）が上述の回転数Ｒｔ以下では、低電圧系のバッテリを充電する場合には昇圧せず、高電圧系のバッテリＢＨを充電する場合にのみ発電機ＡＣＧの出力を昇圧する。図２に、低回転域での発電機の出力波形（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）と入力トルクＴの波形を示す。
まず、低電圧系のバッテリＢＬを充電する場合を説明する。制御部ＣＴＬは、発電機ＡＣＧのＵ相〜Ｗ相について各位相を検出し、この位相に同期したタイミングに従って電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３の導通をそれぞれ制御する。具体的には、制御部ＣＴＬは、Ｕ相の電圧が高くなる期間Ｐ１の始点で電界効果トランジスタＱ１をオンさせる。電界効果トランジスタＱ１がオンすると、整流器Ｄ１を介して発電機ＡＣＧのＵ相の出力が低電圧系のバッテリＢＬの正極に供給される。これにより、発電機ＡＣＧの出力に同期したタイミングで発電機ＡＣＧの出力が低電圧系のバッテリＢＬに振り分けられ、このバッテリが充電される。
【００３１】
この後、期間Ｐ２において発電機のＵ相の位相が切り替わって電圧が低下すると、制御部ＣＴＬは、電界効果トランジスタＱ４をオンさせる。ここで、バッテリＢＬの負極と電界効果トランジスタＱ４のソースは共にグランドを介して接続されているから、発電機ＡＣＧは、全波整流器を形成する電界効果トランジスタＱ４を介してバッテリＢＬを充電する。このように、電界効果トランジスタＱ４を用いて全波整流器を形成し、このトランジスタの導通を発電機の出力の位相変化に従って制御することにより、整流器のみから構成される従来の全波整流器に比較して、電界効果トランジスタＱ４での電圧降下が小さい分だけ充電効率が改善される。
このように、電界効果トランジスタはＱ４は、低電圧系のバッテリＢＬの充電時には、発電機ＡＣＧの出力位相の変化に従って導通制御され、クロック信号によるスイッチング動作を行わない。
【００３２】
次に、高電圧系のバッテリＢＨを充電する場合の動作を説明する。制御部ＣＴＬは、発電機ＡＣＧのＵ相の電圧が高くなる期間Ｐ３の始点で電界効果トランジスタＱ１をオフさせると共に、電界効果トランジスタＱ４のゲートに後述する所定のデューティを有するクロック信号ＣＬＫを印加し、この電界効果トランジスタＱ４をスイッチング動作させる。これにより、発電機ＡＣＧの出力電圧が昇圧されて高電圧系のバッテリＢＨに供給され、このバッテリＢＨが充電される。
【００３３】
即ち、電界効果トランジスタＱ４がオンの期間、発電機ＡＣＧの電機子コイルに電流が流れ、この電機子コイルに電気エネルギーが蓄積される。この期間に蓄えられた電気エネルギーは、電界効果トランジスタＱ４がオフの期間に発電機ＡＣＧが新たに発生する電気エネルギーに重畳して放出され、発電機ＡＣＧの出力電圧が昇圧される。この結果、整流器Ｄ４が順バイアス状態とされ、この整流器Ｄ４を介して発電機ＡＣＧのＵ相の出力が高電圧系のバッテリＢＨの正極に供給される。このようにして、発電機ＡＣＧの出力に同期したタイミングであって上述の低電圧系のバッテリＢＬを充電するタイミングとは異なるタイミングで、発電機ＡＣＧの出力がバッテリＢＨの充電に振り分けられる。
【００３４】
また、スイッチング制御用のクロック信号ＣＬＫに基づき電界効果トランジスタＱ４がスイッチングすると、発電機ＡＣＧの出力電圧が断続し、いわゆるチョッピング(chopping)が行われる。このクロック信号ＣＬＫのデューティを調節することにより、後述するように、発電機ＡＣＧの出力電力を調節し、発電機ＡＣＧの入力トルクＴの変動を小さく抑えることができる。
このように、高電圧系のバッテリＢＨの充電時には、電界効果トランジスタＱ４は、制御部ＣＴＬからのクロック信号ＣＬＫに基づき導通制御され、発電機ＡＣＧの出力電圧を昇圧すると共に、この発電機の入力トルクの変動を抑制するように機能する。
【００３５】
以下、図３を参照して、スイッチング制御用のクロック信号ＣＬＫのデューテイにより発電機ＡＣＧの入力トルクの変動が抑制される原理を説明する。
前述したように、発電機ＡＣＧの入力トルクはバッテリＢＬ，ＢＨの充電に要する電力に依存する。逆に言えば、高電圧系および低電圧系の充電に必要とされる電圧をそれぞれ確保することを条件に発電機ＡＣＧの出力電力（充電電力）の変化を小さく抑えることができれば、発電機の出力を振り分ける際の入力トルクの変動を小さくすることができ、しかも双方のバッテリの充電に対応することができる。
【００３６】
ここで、図３に示すように、高電圧系のバッテリＢＨを充電している状態での入力トルクＴは、電界効果トランジスタＱ４のスイッチングを制御するクロック信号ＣＬＫのデューティＤＲが大きくなるにつれて増加する傾向を示す。これに対し、低電圧系のバッテリＢＬを充電している状態では、クロック信号ＣＬＫによる電界効果トランジスタＱ４のスイッチングは行われないので、このときの入力トルクＴは、クロック信号ＣＬＫのデューティＤＲに依存せずに一定である。従って、高電圧系の充電時の特性線と低電圧系の充電時の特性線との交点Ａが存在し、この交点Ａでは、高電圧系の充電時と低電圧系の充電時とで入力トルクＴが等しくなる。
【００３７】
そこで、クロック信号ＣＬＫのデューティＤＲとして、上述の交点ＡでのデューティＤＲ（Ａ）を設定し、この状態で電界効果トランジスタＱ４をスイッチング動作させて発電機ＡＣＧの出力電圧を断続させれば、高電圧系の充電時と低電圧系の充電時とで発電機ＡＣＧの出力電力が略等しくなり、従って入力トルクＴの差分ｄが小さくなる。よって、発電機ＡＣＧの出力を低電圧系のバッテリＢＬと高電圧系のバッテリＢＨとに振り分ける際に発生する入力トルクＴの変動が抑制され、この入力トルクＴの変動に起因する発電機の振動や騒音の発生が防止されることとなる。このように、電界効果トランジスタＱ４は、発電機ＡＣＧの出力電力（即ち発電機の入力トルク）の変動を抑制するように、バッテリＢＨに振り分けられるべき発電機ＡＣＧの出力を断続させる。
【００３８】
上述のＵ相と同様に、Ｖ相およびＷ相による各バッテリの充電が行われる。この場合、整流器Ｄ２，Ｄ３は上述の整流器Ｄ１と同様に機能し、電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３は上述の電界効果トランジスタＱ１と同様に機能する。また整流器Ｄ５，Ｄ６は上述の整流器Ｄ４と同様に機能し、電界効果トランジスタＱ５，Ｑ６は上述の電界効果トランジスタＱ４と同様に機能する。
【００３９】
（２）高回転域での動作
エンジン回転数が上述の回転数Ｒｔを越えると、電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６のスイッチング制御は行われず、高電圧系および低電圧系の何れのバッテリを充電する場合にも、上述したように、低回転域で低電圧系のバッテリを充電する場合と同様に動作する。これにより、図４に示すように、例えば充電期間Ｐ１では、低電圧系のバッテリが発電機ＡＣＧのＵ相で充電され、充電期間Ｐ３では、高電圧系のバッテリが同様に充電される。このとき、Ｕ相の電圧波形は、各バッテリの端子電圧に応じた波高を有するものとなる。
【００４０】
この実施の形態では、高回転域で昇圧を停止するものとしているが、この理由は、以下の通りである。
ａ．回転数が高くなると、昇圧するまでもなく充電に必要とされる発電機の出力電圧が得られる。
ｂ．電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６のスイッチング動作により損失電流が発生し、充電効率が低下する。
ｃ．エンジン回転数が上昇すると、エンジンなどの騒音や振動が高まるため、発電機が発生する騒音や振動を抑制するメリットが少なくなる。
【００４１】
（３）低回転域から高回転域に移行する際の動作
次に、図５を参照して、エンジンの回転数が上述の回転数Ｒｔを越えて変化する場合の動作を説明する。この場合、以下に説明するように、電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６は、制御部ＣＴＬの制御の下に、高電圧系のバッテリを充電する際、発電機ＡＣＧの出力のデューティの変化を抑制しながら、この出力のデューティを切り替える。以下、高電圧系のバッテリに着目して説明する。
【００４２】
図５において、時刻ｔ１以前では、回転数Ｒは、回転数Ｒｔ以下の低回転域にあり、上述の図３に示すように、発電機ＡＣＧの出力を昇圧して高電圧系のバッテリＢＨの充電が行われる。このとき、電界効果トランジスタＱ４は、発電機の出力を振り分ける際の入力トルクの変動を抑制するように設定されたデューティＤＲ（Ａ）のクロック信号ＣＬＫに基づきスイッチングして発電機ＡＣＧの出力を断続させ、入力トルクＴの変動を抑制するように発電機ＡＣＧの出力電力を制御する。続いて、時刻ｔ１でエンジンの回転数が上昇を開始すると、発電機ＡＣＧの出力電力（図示なし）も上昇を開始し、この出力電力の上昇に従って入力トルクＴが増加する。
【００４３】
続いて、時刻ｔ２で回転数Ｒが回転数Ｒｔに達すると、制御部ＣＴＬは、クロック信号ＣＬＫのデューティＤＲをデューティＤＲ（Ａ）からデューティＤＲ（０）に向けて徐々に減少させる。ここで、デューティＤＲ（０）は、高回転域で設定されるべき値であって、この実施の形態ではゼロとする。デューティＤＲが徐々に減少すると、発電機の出力のデューティが徐々に減少する。換言すれば、クロック信号ＣＬＫのデューティの変化に応じて、発電機の出力のデューティの変化が抑制されながら減少する。この結果、発電機の出力電力が徐々に増加し、入力トルクＴが緩やかに増加する。即ち、入力トルクＴの変動が小さく抑制される。
【００４４】
続いて、時刻ｔ３で回転数Ｒが高回転域で安定すると、回転数の上昇に伴う出力電力の増加がなくなるので、クロック信号ＣＬＫのデューティＤＲの減少に従って入力トルクＴが増加を続ける。続いて、時刻ｔ４でデューティＤＲがデューティＤＲ（０）に達すると、クロック信号ＣＬＫがロウレベルに固定された状態となる。このため、電界効果トランジスタＱ４は、スイッチング状態にはなくなり、オフ状態に安定する。従って、図４に示すように、高電圧側のバッテリを充電する場合にも、発電機ＡＣＧの出力の昇圧が停止され、この出力が整流器Ｄ４を介して高電圧系のバッテリＢＨに振り分けられる。
【００４５】
続いて、時刻ｔ５で回転数Ｒが降下を開始すると、発電機ＡＣＧの出力電力が減少し、入力トルクＴが徐々に減少し始める。続いて、時刻ｔ６で回転数Ｒが回転数Ｒｔに達すると、制御部ＣＴＬは、クロック信号ＣＬＫのデューティＤＲをデューティＤＲ（０）からデューティＤＲ（Ａ）に向けて徐々に増加させる。このとき、上述の回転数Ｒの減少に加えてデューティＤＲが減少するため、発電機の出力電力が一層低下する傾向を示すが、デューティＤＲの変化が緩やかであるため、この出力電力は急激に変化せず、従って入力トルクＴは緩やかな減少を継続する。続いて、時刻ｔ７で回転数Ｒが低回転域に安定すると、入力トルクＴは、デューティＤＲの増加によって減少を継続する。そして、時刻ｔ８でデューティＤＲがデューティＤＲ（Ａ）に達すると、入力トルクＴが一定に安定する。
【００４６】
このように、制御部ＣＴＬの制御の下に、電界効果トランジスタＱ４は、発電機ＡＣＧの入力軸の回転数Ｒが、この発電機の出力電圧を昇圧するか否かの境界を与える回転数Ｒｔを下回っている場合、低電圧系のバッテリＢＬの充電時と高電圧系のバッテリＢＨの充電時とで発電機の出力電力の変化を抑制するように発電機ＡＣＧの出力を断続して昇圧する。そして、発電機ＡＣＧの入力軸の回転数Ｒが回転数Ｒｔを越えて変化する場合、この発電機ＡＣＧの出力のデューティの変化が抑制されるように、電界効果トランジスタＱ４のスイッチング動作を制御するクロック信号ＣＬＫのデューティＤＲを切り替える。これにより、回転数に応じて昇圧の有無を切り替える際の入力トルクの変化が緩やかとなり、入力トルクの変動が小さく抑制される。従って、この種のトルク変動に起因する異音の発生が防止される。
【００４７】
上述のように、発電機ＡＣＧの入力トルクの変動を抑制しながら、低電圧系のバッテリＢＬと高電圧系のバッテリＢＨに対して発電機ＡＣＧの出力が振り分けられる一方、発電機ＡＣＧの発電量そのものは、各バッテリの充電状態に応じて界磁コイルＬＦを流れる界磁電流により制御される。すなわち、充電対象のバッテリが満充電状態であれば、充電電力を必要としないため、制御部ＣＴＬは、電界効果トランジスタＱ７のスイッチングを制御して界磁電流を減少させ、発電量を抑制する。逆に未充電状態であれば、制御部ＣＴＬは界磁電流を増加させ、発電量を増やす。このように、この実施の形態に係るバッテリ充電装置によれば、入力トルクの変動を抑制しながら、各バッテリの充電状態に応じて発電機ＡＣＧの発電量が適切に制御される。従って、入力トルクの変動に起因する振動や騒音の発生を抑制しながら、効率よく各バッテリを充電することが可能となる。
【００４８】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、この実施の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変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述の実施の形態では、低電圧系のバッテリを充電する場合には、発電機の出力を昇圧せず、高電圧系のバッテリを充電する場合に、回転数に応じて昇圧の有無を切り替えるものとしたが、これに限定されることなく、例えば、低電圧系のバッテリについても、回転数に応じて昇圧の有無を切り替えて充電するものとしてもよい。
【００４９】
また、上述の実施の形態では、発電機ＡＣＧの出力を低電圧系のバッテリＢＬと高電圧系のバッテリＢＨとに振り分けて、これら双方のバッテリを充電するものとしたが、これに限定されることなく、回転数に応じて昇圧の有無を切り替えながら高電圧系のバッテリのみを充電するものとしてもよく、また同様に低電圧系のバッテリのみを充電するものとしてもよい。
【００５０】
また、昇圧用の電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６をスイッチングさせることにより、発電機ＡＣＧの出力電力を調節するものとしたが、発電機ＡＣＧの出力電圧を昇圧する必要がなければ、発電機ＡＣＧの出力端子と高電圧系のバッテリＢＨの電極との間に、整流器Ｄ４〜Ｄ６と直列に電界効果トランジスタＱ４〜Ｑ６を接続してもよい。この場合、トランジスタＱ４〜Ｑ６をスイッチングさせることによりバッテリに供給される充電電力が断続的に抑制されて発電機ＡＣＧの入力トルクが調整される。
【００５１】
また、上述の実施の形態では、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３を設けたが、これに限定されることなく、整流器Ｄ１〜Ｄ３のカソードを共通に接続し、この共通に接続されたカソードとバッテリＢＬとの間に、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３に対応する一つの電界効果トランジスタを設けるものとしてもよい。
さらに、上述の実施の形態では、整流器Ｄ４〜Ｄ６を介して発電機ＡＣＧの出力を高電圧系のバッテリＢＨに供給するものとしたが、これに限定されることなく、整流器Ｄ４〜Ｄ６に代えて、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３に対して相補的に導通制御される電界効果トランジスタを採用してもよい。
さらにまた、上述の実施の形態では、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ６としてｎ型電界効果トランジスタを用いたが、これに限定されることなく、ｐ型電界効果トランジスタを用いて構成することも可能である。
なお、本発明は、発電機ＡＣＧの出力の何れのサイクルを低電圧系および高電圧系の何れの充電に振り分けるかについては、特に限定されるものではなく、このバッテリ充電装置が適用されるシステムに応じて適宜取り決めればよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、以下の効果を得ることができる。
即ち、発電機の出力のデューティの変化を抑制しながら該デューティを切り替えるようにしたので、発電機の入力軸の回転数に応じて昇圧を切り替える際に入力トルクが急激に変動することなく、このトルク変動に起因した異音を抑制することが可能となり、また高電圧系の第１のバッテリの充電時と低電圧系の第２のバッテリの充電時とで発電機の出力電力の変化を抑制するようにしたので、発電機の出力を高電圧系と低電圧系との各バッテリに振り分けることに伴う発電機の入力トルクの変動を有効に抑制することができる。従って、入力トルクの変動に起因する異音、騒音、振動等の発生を防止することが可能となり、この発電機の静粛性や耐久性が向上する。
【００５３】
また、前記バッテリ充電装置において、前記第１の充電系として、発電機の出力端子側と第１のバッテリの電極側との間に接続された第１の整流器と、第１の整流器のカソードと前記第１のバッテリの電極との間に設けられた第１の電界効果トランジスタとを備え、前記第２の充電系として、前記発電機の出力端子側と第２のバッテリの電極側との間に接続された第２の整流器を備え、前記スイッチ系として、発電機の出力端子と接地との間に設けられてスイッチングする第２の電界効果トランジスタを備えたので、第２のバッテリに供給される発電機の出力を断続させ、この発電機の出力のデューティや入力トルクの変動を抑制するように、その出力電力を調節することが可能となる。
【００５４】
さらに、前記バッテリ充電装置において、前記第２の電界効果トランジスタは、第１のバッテリの充電時には発電機の出力の位相変化に従って導通し、第２のバッテリの充電時にはクロック信号に基づき導通するようにしたので、発電機の入力トルクの変動を抑えながら、低電圧系のバッテリと高電圧系のバッテリに発電機の出力を振り分けることが可能となる。
【００５５】
さらにまた、前記バッテリ充電装置において、前記発電機は、多相交流（例えば後述するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流に相当する要素）を発生するものであって、前記第１及び第２の整流器並びに第１及び第２の電界効果トランジスタを、前記多相交流の各相ごとに設けたので、発電機の出力の各相を、独立した充電経路を介してバッテリに供給することができる。従って、充電経路での干渉や各充電経路の電流密度を抑え、充電動作を安定化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態にかかるバッテリ充電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  この発明の実施の形態にかかるバッテリ充電装置の動作（低回転時）を説明するための波形図である。
【図３】  この発明の実施の形態にかかるバッテリ充電装置の動作原理を説明するための特性図である。
【図４】  この発明の実施の形態にかかるバッテリ充電装置の動作（高回転時）を説明するための波形図である。
【図５】  この発明の実施の形態にかかるバッテリ充電装置の動作（回転数変化時）を説明するための波形図である。
【図６】  回転数に応じて昇圧の有無を切り替える際に発生するトルク変動のメカニズムを説明するための図である。
【図７】  従来技術にかかるバッテリ充電装置の動作（回転数変化時）を説明するための波形図である。
【符号の説明】
ＡＣＧ：発電機
ＢＨ：高電圧系のバッテリ
ＢＬ：低電圧系のバッテリ
ＣＴＬ：制御部
ＣＮＶ：コンバータ
Ｄ１〜Ｄ７：整流器
ＬＦ：界磁コイル
Ｑ１〜Ｑ７：電界効果トランジスタ（ｎ型）
【図１】
0004306947.tif 000002
【図２】
0004306947.tif 000003
【図３】
0004306947.tif 000004
【図４】
0004306947.tif 000005
【図５】
0004306947.tif 000006
【図６】
0004306947.tif 000007
【図７】
0004306947.tif 000008