7456100 蓄電装置、制御装置及び蓄電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-18

(45)【発行日】2024-03-27

(54)【発明の名称】蓄電装置、制御装置及び蓄電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240319BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240319BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 K

H02J7/00 303Z

H01M10/48 P

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2019148392

(22)【出願日】2019-08-13

(65)【公開番号】P2021035061

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2022-06-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】高井 正巳

(72)【発明者】

【氏名】岸 和人

(72)【発明者】

【氏名】大島 淳

(72)【発明者】

【氏名】今井 崇尋

【審査官】右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２３６５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第７０９５３３１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１５－１５４６２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｍ １０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、
前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、
前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、
前記蓄電部の出力電流に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続が並列から直列に切り替わるよう前記直並切替制御部を制御する直列復帰制御部と、を備え、
前記直並切替制御部は、ヒステリシス生成回路で生成されたヒステリシスを含み、
前記ヒステリシス生成回路は、入力電圧が上昇して所定の第１電圧値に達すると、前記直並切替部を制御する制御信号をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替え、前記入力電圧が下降して前記第１電圧値とは異なる所定の第２電圧値に達すると、前記制御信号をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える
蓄電装置。

【請求項2】

前記直並切替部は、
前記蓄電部による蓄電時に、前記複数の蓄電デバイスの接続を直列にし、
前記蓄電部からの給電時に、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列にする
請求項１に記載の蓄電装置。

【請求項3】

前記蓄電装置への入力電圧を監視する電圧監視部を備え、
前記直並切替部は、
前記蓄電部による蓄電時に、前記入力電圧が第１電圧値以上になった場合に、前記複数の蓄電デバイスの接続を、直列から並列に切り替え、
前記蓄電部からの給電時に、前記入力電圧が前記第１電圧値よりも低い第２電圧値以下になった場合に、前記複数の蓄電デバイスの接続を、並列から直列に切り替える
請求項１、又は２に記載の蓄電装置。

【請求項4】

前記直列復帰制御部は、
前記複数の蓄電デバイスが並列に接続された状態で、前記出力電流が第１電流値以下になった場合に、前記直並切替制御部に、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えさせる
請求項１乃至３の何れか１項に記載の蓄電装置。

【請求項5】

前記蓄電装置に接続される負荷回路に、電圧を出力する出力部を備え、
前記直並切替制御部、前記直並切替部及び前記出力部のそれぞれのインピーダンスの合計が、前記電力を発電する発電素子の内部インピーダンス以上である
請求項１乃至４の何れか一項に記載の蓄電装置。

【請求項6】

前記ヒステリシス生成回路は、
抵抗器と、インバータと、トランジスタとを備える
請求項１乃至５の何れか１項に記載の蓄電装置。

【請求項7】

前記直列復帰制御部は、
抵抗器と、Ｎチャネルトランジスタと、コンデンサと、を含む
請求項１乃至６の何れか１項に記載の蓄電装置。

【請求項8】

前記直列復帰制御部は、
ディプリージョン型トランジスタと、Ｎチャネルトランジスタと、コンデンサと、を含む
請求項１乃至７の何れか１項に記載の蓄電装置。

【請求項9】

電力を蓄電する複数の蓄電デバイスと、
前記複数の蓄電デバイスの接続を、直列又は並列の何れかに切り替える直並切替部と、
前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、を有する蓄電装置を制御する制御装置であって、
前記蓄電装置の出力電流に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続が並列から直列となるよう前記直並切替制御部を制御する直列復帰制御部と、を備え、
前記直並切替制御部は、ヒステリシス生成回路で生成されたヒステリシスを含み、
前記ヒステリシス生成回路は、入力電圧が上昇して所定の第１電圧値に達すると、前記直並切替部を制御する制御信号をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替え、前記入力電圧が下降して前記第１電圧値とは異なる所定の第２電圧値に達すると、前記制御信号をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える
制御装置。

【請求項10】

発電素子と、
前記発電素子に接続される整流部と、
前記整流部に接続される請求項９に記載の前記制御装置と、
前記蓄電装置から給電される負荷回路と、を備える
蓄電システム。

【請求項11】

発電素子と、
前記発電素子に接続される整流部と、
前記整流部に接続される請求項１乃至８の何れか一項に記載の蓄電装置と、
前記蓄電装置から給電される負荷回路と、を備える
蓄電システム。

【請求項12】

前記蓄電システムが前記負荷回路から前記蓄電装置に対して送る信号は、
前記直並切替制御部に備えられたヒステリシス生成回路で生成されたヒステリシスの入力に対して電圧を変化させる信号である
請求項１１に記載の蓄電システム。

【請求項13】

前記発電素子による発電量は、
発電電圧１０Ｖ～１０００Ｖであり、発電電流は５０ｎＡ～１００μＡである
請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の蓄電システム。

【請求項14】

前記発電素子は、
剥離の力、摩擦の力、振動の力、又は変形の力の少なくとも何れか１つによって発電する
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の蓄電システム。

【請求項15】

前記発電素子は、
剥離の力、摩擦の力、振動の力、又は変形の力の少なくとも何れか１つによって発電する発電ゴムを含む
請求項１４のいずれか一項に記載の蓄電システム。

【請求項16】

前記発電素子は、圧力によって発電する
請求項１０乃至１５の何れか一項に記載の蓄電システム。

【請求項17】

前記発電素子は、静電誘導によって発電する
請求項１０乃至１６の何れか一項に記載の蓄電システム。

【請求項18】

蓄電した電力を前記負荷回路に給電する負荷駆動蓄電装置を備える
請求項１０乃至１７の何れか１項に記載の蓄電システム。

【請求項19】

前記負荷駆動蓄電装置は、
前記蓄電装置から給電された電力を蓄電する
請求項１８に記載の蓄電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電装置、制御装置及び蓄電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ＩｏＴ（Internet of Things）技術の進展に伴い、エッジデバイスへの給電をエネルギーハーベスティング技術により電池レス化する取り組みが進んでいる。圧電素子や発電ゴムによる剥離帯電及び摩擦帯電、或いはエレクトレット等による静電誘導により発生した電力でＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を駆動させる応用が実現されている。

【0003】

しかし、圧電素子や摩擦帯電、静電誘導による発電では発生電圧が高く、発生電流が小さいため、ＬＥＤを直列に接続して瞬間的に光らせる等といった用途には向いているが、ＩｏＴのエッジデバイスに求められるＣＰＵ（Central Processing Unit）動作やセンサー駆動、無線伝送に必要な電圧、電流を満足することができない。そのため、発電電圧が高く電流が小さくても、効率よく発生した電力を活用する技術開発が求められている。

【0004】

一般的に、微小な発電電力量の場合、発電電力をコンデンサに蓄電し、ＤＣ／ＤＣ（Direct Current／Direct Current）コンバータでエッジデバイスに必要な駆動電圧に変換している。しかし、圧電素子や静電誘導による発電デバイスは出力インピーダンスが高いため、インピーダンスの低いコンデンサに直接蓄電すると、蓄電時の低電圧状態で蓄電することになり、蓄電効率が低くなる場合がある。

【0005】

そのため、特許文献１等には、高出力インピーダンスで、低電流を出力する発電素子によって発電された微小電力を用いて、電気回路の動作電力を生成する電源回路が開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の電源回路には、電力の蓄電効率又は給電効率の向上という点で改善の余地があった。

【0007】

開示の技術は、電力の蓄電効率及び給電効率を向上させることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

開示の技術の一態様に係る蓄電装置は、電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、前記蓄電部の出力電流に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続が並列から直列に切り替わるよう前記直並切替制御部を制御する直列復帰制御部と、を備え、前記直並切替制御部は、ヒステリシス生成回路で生成されたヒステリシスを含み、前記ヒステリシス生成回路は、入力電圧が上昇して所定の第１電圧値に達すると、前記直並切替部を制御する制御信号をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替え、前記入力電圧が下降して前記第１電圧値とは異なる所定の第２電圧値に達すると、前記制御信号をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。

【発明の効果】

【0009】

開示の技術によれば、電力の蓄電効率及び給電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。

【図2】比較例に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。

【図3】蓄電システムの備える発電素子の動作例を示す図である。

【図4】発電素子に接続されるコンデンサを示す図であり、（ａ）は発電素子を用いた蓄電時の等価回路図、（ｂ）はコンデンサに蓄電する条件による蓄電効率例を示す図である。

【図5】発電素子に接続される抵抗負荷を示す図であり、（ａ）は発電素子を用いた抵抗負荷による給電時の等価回路図、（ｂ）抵抗負荷に給電する条件による給電効率例を示す図である。

【図6】２つのコンデンサの直列接続例を示す図である。

【図7】２つのコンデンサの並列接続例を示す図である。

【図8】直並切替制御部の第１構成例を示す図である。

【図9】直並切替制御部の第２構成例を示す図である。

【図10】実施形態に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。

【図11】実施形態に係る蓄電装置における電流の流れの一例を示す回路図であり、（ａ）は蓄電時を示す図、（ｂ）は給電時を示す図である。

【図12】実施形態に係る蓄電システムの回路構成例を示す図である。

【図13】通信モジュールによる制御回路を含んでＩＣ化された蓄電システムの構成例の図である。

【図14】実施形態に係る蓄電装置の動作例を示すタイミングチャートである。

【図15】比較例に係る蓄電、給電の際の電流の推移を示す図であり、（ａ）はコンデンサ容量を固定した回路図、（ｂ）は蓄電電流及び蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。

【図16】実施形態に係る蓄電、給電の際の電流の推移例を示す図であり、（ａ）はコンデンサの直並列を切り替える回路図、（ｂ）は蓄電電流及び蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。

【図17】４つのコンデンサを直列接続する回路の構成例を示す図である。

【図18】コンデンサ多段接続回路の構成例を示す図である。

【図19】第１実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。

【図20】第１実施形態に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。

【図21A】第１実施形態に係る蓄電装置の蓄電時電流の流れを示す回路図である。

【図21B】第１実施形態に係る蓄電装置の給電時電流の流れを示す回路図である。

【図22】第１実施形態における蓄電装置の動作例を示すタイミングチャートである。

【図23】第１変形例に係る蓄電装置の回路構成例の図である。

【図24】第２実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。

【図25】第２実施形態における蓄電装置の動作例を示すタイミングチャートである。

【図26】第２変形例に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。下記、各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0012】

なお、実施形態の用語において、「電力」は「電気エネルギー」と同義とする。また、「電力の使用」、「電力の供給」、「給電」、「放電」は同義とする。

【0013】

また、実施形態の用語において、「直並切替」は、電気回路を直接接続から並列接続に切り替えること、又は電気回路を並列接続から直接接続に切り替えることをいう。

【0014】

＜実施形態に係る蓄電システム１００の構成例＞
まず、図１を用いて蓄電システム１００について説明する。図１は、蓄電システム（エネルギー蓄電システム）１００の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、蓄電システム１００は、蓄電装置１と、発電素子２と、負荷回路３と、整流回路４とを備える。

【0015】

これらのうち、蓄電装置１は、直並切替制御部５と、直並切替部６と、蓄電部７とを備える。蓄電部７は、複数の蓄電デバイスの一例としてのコンデンサＣ１、Ｃ２によって構成されている。直並切替部６は、直並切替制御部５の制御下で、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を、直列又は並列の何れか一方に切り替えることができる。

【0016】

発電素子２は、発電ゴムや圧電素子、静電誘導によって発電する素子であり、高電圧で、また低い電流の電力を生成する。発電素子２による発電については、別途図３を用いて詳述する。

【0017】

負荷回路３は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）機能を有するＩＣ（Integrated Circuit）、センサー、無線伝送ＩＣ等から構成される負荷である。一例として、ＩｏＴデバイスが挙げられる。

【0018】

蓄電システム１００は、発電素子２により発電された電力を、整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電する。蓄電された電力は、直並切替部６により並列接続に切り替えられたコンデンサＣ１、Ｃ２によって負荷回路３に給電される。

【0019】

より詳しくは、整流回路（整流部の一例）４は、発電素子２より発電された交流の電力を整流する。直並切替部６は、直並切替制御部５の制御下で、蓄電部７におけるコンデンサＣ１，Ｃ２を直列接続の状態にし、コンデンサＣ１、Ｃ２は、整流回路４から入力される電力（蓄電電圧）を蓄電する。

【0020】

その後、蓄電電圧が所定の電圧値（第１電圧値）に達した場合に、直並切替制御部５の制御下で直並切替部６が作動して、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２は、並列接続された状態で負荷回路３に給電する。

【0021】

その後、コンデンサＣ１、Ｃ２から給電される電圧が所定の電圧（第２電圧値）以下になった場合に、直並切替制御部５の制御下で直並切替部６が作動して、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２には、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続された状態で、再び発電素子２が発電した電力が蓄電される。

【0022】

＜比較例に係る蓄電システム１００Ｘの構成例＞
ここで、比較例として、環境発電素子により発電された電力を蓄電し、負荷回路に給電するシステムを説明する。図２は、比較例に係る蓄電システム１００Ｘの構成を示すブロック図である。なお、図２において、図１に示した蓄電システム１００と同様の機能を備える構成には、便宜的に同じ部品番号が付されている。

【0023】

蓄電システム１００Ｘは、一般的なエネルギーハーベストシステムである。蓄電システム１００Ｘは、環境発電素子が発電した電力を、整流回路４を介して蓄電装置１Ｘに蓄電し、蓄電した電力を負荷回路３に給電する。

【0024】

図２に示すように、蓄電装置１Ｘは、発電側蓄電部である第１蓄電部１０１と、電力変換回路１０２と、給電側蓄電部である第２蓄電部１０３とを備える。

【0025】

第１蓄電部１０１に蓄電された電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換回路１０２により負荷回路３の動作電圧に変換された後、第２蓄電部１０３に蓄電される。その後、第２蓄電部１０３に蓄電された電力は、負荷回路３に給電される。

【0026】

このような蓄電装置１Ｘでは、以下の問題が生じる場合がある。
（Ａ）：電力変換回路１０２における消費電流によるロスの発生
（Ｂ）：変換効率によるロスの発生
（Ｃ）：インダクタ等の構成部品の増加

【0027】

より詳しくは、蓄電システム１００Ｘでは、第１蓄電部１０１に蓄電される電圧と第２蓄電部１０３に蓄電される電圧の関係で、電圧を昇圧変換または降圧変換する必要がある。例えば、第１蓄電部１０１の蓄電電圧より第２蓄電部１０３の蓄電電圧が大きい場合は、昇圧変換が必要になり、低い電圧で電力を蓄電するため、下記（式１）に基づき、蓄電装置１Ｘの第１蓄電部１０１を大きくする必要がある。

【0028】

【数1】

ここで、Ｗは蓄電電力、Ｃはコンデンサ容量、Ｖは蓄電電圧である。

【0029】

また、蓄電電力は蓄電電圧の２乗に比例するため、圧電素子や発電ゴム、静電誘導により発電された高電圧で低い電流の電力を出力する発電素子２による蓄電では、蓄電電圧の上昇効率が悪く、かつ電力変換回路１０２における消費電流によるロスが発生することで、蓄電効率は低くなってしまう（Ａ）。

【0030】

次に、第１蓄電部１０１の蓄電電圧が第２蓄電部１０３の蓄電電圧より大きい場合は、降圧変換が必要になる。この場合は（式１）に基づき、高い電圧で第１蓄電部１０１に蓄電できるため、蓄電装置１Ｘの第１蓄電部１０１を小さくして高い電圧で蓄電できる。しかし、第１蓄電部１０１の蓄電電圧と第２蓄電部１０３の蓄電電圧の差が発生するため、電力変換回路１０２における消費電流がロスとなり、電力変換効率が低下する（Ｂ）。

【0031】

以上のように、蓄電システム１００Ｘでは、電力変換回路１０２における電流消費量が大きくなってしまうロスと電圧変換によるロスが大きくなるとともに、構成部品が増加する分、蓄電装置が大型化する場合があった。

【0032】

これと比較して、実施形態に係る蓄電システム１００では、複数のコンデンサを有する蓄電部７を蓄電時と給電時とで共通して用いることで、電圧変換時の電力のロスを抑制することができる。

【0033】

＜発電素子例＞
次に、蓄電システム１００の備える発電素子２の動作を説明する。図３は、発電素子２の動作例を示す図である。

【0034】

発電素子２は、発電ゴム等で構成され、剥離の力、摩擦の力、振動の力、或いは変形の力がかかることで、電荷を発生させて発電を行なう。また、発電素子２は、圧力によって発電してもよい。

【0035】

発電素子２の発電量は、発電電圧１０～１０００Ｖ（例えば、４０Ｖ）、発電電流５０ｎＡ～１００μＡ（例えば６μＡ）である。

【0036】

図３に示すように、発電ゴムや圧電素子で構成される発電素子２は、高抵抗で、所定の電荷による電流を出力するため、電流源２１と、内部抵抗２２で近似できる。内部抵抗２２の抵抗値は、１～１００ＭΩ（メガオーム）（例えば、１０ＭΩ）である。

【0037】

ここで、発電素子２に接続されるコンデンサと抵抗負荷について、図４及び図５を用いて説明する。

【0038】

図４（ａ）は、発電素子２を用いた蓄電時の等価回路図であり、図４（ｂ）は、コンデンサに蓄電する条件による蓄電効率について説明する図である。

【0039】

図４（ｂ）は、最大時の蓄電電力を１００％とし、発電素子２により発電されて蓄電される電力の、コンデンサ容量に伴う比率（％）の変化を表している。

【0040】

コンデンサ容量を図４（ｂ）の白抜き矢印の部分に設定した場合、コンデンサと、定電流源と内部抵抗からなる発電素子２（出力側）と、インピーダンス整合が取れて、最も効率よく蓄電できる。

【0041】

図５（ａ）は、発電素子２を用いた抵抗負荷による給電時の等価回路図であり、図５（ｂ）は、抵抗負荷に給電する条件による給電効率について説明する図である。

【0042】

図５（ｂ）は、最大時の給電電力を１００％とし、発電素子２により発電されて給電される電力の、負荷抵抗の抵抗値に伴う比率（％）の変化を表している。

【0043】

負荷抵抗の抵抗値を図５（ｂ）の白抜き矢印の部分に設定した場合、負荷抵抗と、発電素子２の内部抵抗とが等しい状態となり、内部抵抗＝負荷抵抗のときに、負荷回路３（出力側）とインピーダンス整合が取れて、最も効率よく給電できる。

【0044】

＜コンデンサの接続例＞
次に、蓄電部７におけるコンデンサＣ１、Ｃ２の接続例について、図６～図７を参照して説明する。図６は、コンデンサＣ１、Ｃ２の直列接続の一例を示す図であり、図７は、コンデンサＣ１，Ｃ２の並列接続の一例を示す図である。

【0045】

図６に示すように、直並切替部６は、３つのスイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３を備える。蓄電部７は、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備える。コンデンサは蓄電デバイスの一例であって、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等の各種蓄電デバイスを用いることができる。

【0046】

図６に示すように、直並切替部６のスイッチＳｗ２がオンで、スイッチＳｗ１及びＳｗ３がオフであることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続状態になる。

【0047】

また、図７に示すように、直並切替部６のスイッチＳｗ１及びＳｗ３がオンで、スイッチＳｗ２がオフであることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２は、並列接続状態になる。

【0048】

＜直並切替制御部５の構成例＞
次に、直並切替制御部５の構成について、図８～図９を参照して説明する。図８は、直並切替制御部５の第１構成例について説明する図である。図８に示すように、直並切替制御部５は、直並切替スイッチ制御部５０と、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２と、２つのスイッチＳｗ４、Ｓｗ５とを備える。

【0049】

直並切替スイッチ制御部５０は、直列又は並列の切替えの基準となる入力電圧Ｖｉｎを監視し、制御信号Ｓ１を出力する電圧監視回路（電圧監視部の一例）として機能する。そして、直並切替スイッチ制御部５０は、端子１１への入力電圧Ｖｉｎの検出結果に応じて、制御信号Ｓ１を生成し、生成した制御信号Ｓ１で、スイッチＳｗ４及びスイッチＳｗ５を制御する。

【0050】

また、直並切替制御部５では、抵抗Ｒ１及びスイッチＳｗ４がハイインピーダンス駆動のインバータ５１を形成し、抵抗Ｒ２及びスイッチＳｗ５がハイインピーダンス駆動のインバータ５２を形成している。スイッチＳｗ４、Ｓｗ５は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のＮｃｈ（Ｎチャネル）トランジスタによって構成されている。

【0051】

直並切替制御部５は、直並切替部６を制御する制御信号φ１を生成し、これを端子５３から出力する。また、直並切替制御部５は、直並切替部６を制御する制御信号φ２を生成し、これを端子５４から出力する。

【0052】

直並切替制御部５において、直並切替スイッチ制御部５０及びインバータ５１は、ヒステリシス生成回路Ｈとして機能する。ヒステリシス生成回路Ｈは、入力電圧Ｖｉｎの変化を素早く検出するとともに、一旦Ｌｏｗレベル→Ｈｉｇｈレベル（或いはＨｉｇｈレベル→Ｌｏｗレベル）に切り替わった信号が不安定に切り替わることを防ぐように、切り替え閾値にヒステリシス（差）を設けている。実施形態では、ヒステリシス生成回路Ｈは、入力電圧Ｖｉｎが上昇して所定の第１電圧値に達すると、制御信号φ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。また、第１電圧値から入力電圧Ｖｉｎが低下して所定の第２電圧値に達すると、制御信号φ１をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。より詳しくは、図１４とともに後述する。

【0053】

実施形態では、インバータ５１にハイインピーダンスの抵抗Ｒ１を使用し、インバータ５２にハイインピーダンスの抵抗Ｒ２を使用することで、圧電素子や静電誘導により発電された高電圧で低電流であるハイインピーダンス出力の発電素子２でも、蓄電装置１の回路を駆動することができる。抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値は、１ＭΩ～５００ＭΩ等である。

【0054】

次に、図９は、直並切替制御部５の第２構成例について説明する図である。
図９に示す直並切替制御部５Ａは、直並切替スイッチ制御部５０と、２つの定電流源ＩＣ１、ＩＣ２と、２つのスイッチＳｗ４、Ｓｗ５とを備えている。

【0055】

また、直並切替制御部５Ａでは、定電流源ＩＣ１及びスイッチＳｗ４がハイインピーダンス駆動のインバータ５１Ａを形成し、定電流源ＩＣ２及びスイッチＳｗ５がハイインピーダンス駆動のインバータ５２Ａを形成している。スイッチＳｗ４、Ｓｗ５は、Ｎｃｈ（Ｎチャネル）トランジスタ等によって構成されている。

【0056】

直並切替スイッチ制御部５０により生成された制御信号Ｓ１で、スイッチＳｗ４およびＳｗ５を制御し、直並切替部６を制御する制御信号φ１を生成して端子５３から出力し、また、直並切替部６を制御する制御信号φ２を生成して、５４から出力する。直並切替制御部５Ａにおいて、直並切替スイッチ制御部５０及びインバータ５１Ａは、ヒステリシス生成回路Ｈとして機能する。

【0057】

実施形態では、インバータ５１Ａにハイインピーダンスの定電流源ＩＣ１を使用し、インバータ５２Ａにハイインピーダンスの定電流源ＩＣ２を使用することで、圧電素子や静電誘導により発電された高電圧で低電流であるハイインピーダンス出力の発電素子２でも、蓄電装置１の回路を駆動することができる。定電流源ＩＣ１、ＩＣ２のそれぞれが生成する電流値は１０ｎＡ～１００μＡ等である。

【0058】

＜蓄電装置１の回路構成例＞
次に、蓄電装置１の回路構成について説明する。図１０は、蓄電装置１の回路構成の一例を示す図である。

【0059】

図１０に示すように、蓄電装置１は、直並切替制御部５Ｂと、直並切替部６と、蓄電部７と、出力スイッチ部８（出力部の一例）とを備える。なお、蓄電装置１は、１つのＩＣにまとめて蓄電ＩＣとして構成してもよい。

【0060】

直並切替制御部５Ｂには、直並切替スイッチ制御部５０Ｂと、２つのディプリージョン型トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３と、２つのＮｃｈトランジスタＴｒ２、Ｔｒ４とを備える。

【0061】

実施形態では、直並切替スイッチ制御部５０Ｂは、ＮｃｈトランジスタＴｒ５、及び３つの抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５によって構成されている。３つの抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は高い抵抗値（高インピーダンス）を有する高抵抗の抵抗器である。ＮｃｈトランジスタＴｒ５は、ヒステリシス生成スイッチであり、負荷回路３の状態を示す信号が入力されてもよい。

【0062】

直並切替スイッチ制御部５０Ｂは、直列接続を並列接続に切り替える電圧である入力電圧Ｖｉｎを監視し、制御信号Ｓ１を出力する。

【0063】

直並切替制御部５Ｂは、直並切替スイッチ制御部５０Ｂにより生成された制御信号（Ｓ１）で制御される、２つのインバータ５１Ｂ、５２Ｂを備えている。

【0064】

インバータ５１Ｂは、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１と、ＮｃｈトランジスタＴｒ２で構成されている。インバータ５１Ｂからの制御信号φ１は、端子５３で取り出される。

【0065】

直並切替スイッチ制御部５０Ｂ及びインバータ５１Ｂは、ヒステリシス生成回路Ｈを構成する。インバータ５２Ｂは、ディプリージョン型トランジスタＴｒ３と、ＮｃｈトランジスタＴｒ４で構成されている。インバータ５２からの制御信号φ２は、端子５４で取り出される。なお、インバータ５１Ｂ、５２Ｂのそれぞれは、Ｎｃｈトランジスタと抵抗器とを含んで構成されてもよい。

【0066】

なお、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３は、図９の定電流源ＩＣ１、ＩＣ２として機能する。ＮｃｈトランジスタＴｒ２、Ｔｒ４は、図９のスイッチＳｗ４，Ｓｗ５として機能する。

【0067】

直並切替制御部５Ｂは、蓄電期間中は、複数のコンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続させるように、Ｈｉｇｈレベルの制御信号φ１及びＬｏｗレベルの制御信号φ２を出力する。そして、入力電圧Ｖｉｎが、所定の第１電圧値に達した時点で、コンデンサＣ１、Ｃ２を並列接続させるように、Ｌｏｗレベルの制御信号φ１及びＨｉｇｈレベルの制御信号φ２を出力する。

【0068】

その後、負荷回路による電力使用により、電圧Ｖｉｎが低下して所定の第２電圧値より小さくなると、コンデンサＣ１、Ｃ２を、直列接続させるように、Ｈｉｇｈレベルの制御信号φ１及びＬｏｗレベルの制御信号φ２を出力する。

【0069】

また、直並切替部６はＰｃｈ（Ｐチャネル）トランジスタＴｒ６、ＮｃｈトランジスタＴｒ７、アナログスイッチＴｒ８、Ｔｒ９で形成されている。

【0070】

直並切替部６において、ＰｃｈトランジスタＴｒ６は、図６、図７のスイッチＳｗ１に対応し、ＮｃｈトランジスタＴｒ７はスイッチＳｗ３に対応し、スイッチＳｗ２は、２つのトランジスタＴｒ８，Ｔｒ９からなるアナログスイッチで構成されている。

【0071】

直並切替部６及び出力スイッチ部８を、アナログスイッチであるトランジスタで構成することで、電圧損失（電位差）が発生しない。比較としてダイオードでスイッチを構成すると、電圧損失が発生する。直並切替部６及び出力スイッチ部８を、アナログスイッチであるトランジスタで構成することで、電位差なく、スイッチを作動させることが可能となる。

【0072】

直並切替部６において、ＰｃｈトランジスタＴｒ６及びＮｃｈトランジスタＴｒ７をダイオードに置き換えてもよい。ＰｃｈトランジスタＴｒ６に対してはダイオードのカソードをＶｉｎラインに、アノードをアナログスイッチの一方の端子に接続し、ＮｃｈトランジスタＴｒ７に対してはダイオードのカソードをアナログスイッチの一方の端子にアノードをＧＮＤのラインに接続する。

【0073】

また、直並切替部６において、ＰｃｈトランジスタＴｒ６及びＮｃｈトランジスタＴｒ７をダイオードと並列に接続してもよい。ＰｃｈトランジスタＴｒ６に対してはダイオードのカソードをＶｉｎラインに、アノードをアナログスイッチの一方の端子に接続し、ＮｃｈトランジスタＴｒ７に対してはダイオードのカソードをアナログスイッチの一方の端子にアノードをＧＮＤのラインに接続する。

【0074】

なお、上述した図１では示さなかったが、蓄電装置１は、図１０のように、並列接続時に負荷回路３に給電するための出力スイッチ部８を備えていてもよい。出力スイッチ部８は、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０とＮｃｈトランジスタＴｒ１１のアナログスイッチで形成されている。

【0075】

蓄電装置１において、並列接続時に負荷回路に給電する出力スイッチ部８は、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０のみで構成してもよい。

【0076】

蓄電装置１において、高抵抗や定電流トランジスタは高い抵抗を有するものを用いるため、直並切替制御部５Ｂは高いインピーダンスを有している（ハイインピーダンスである）。そのため、発電素子２から発電される、高電圧で、低電流（例えば、４００Ｖ、６μＡ）な発電素子２よりも、さらに低い電流（例えば、６０ｎＡ）でも蓄電装置１を駆動できる。

【0077】

また、図１０の構成において、直並切替制御部５Ｂ、直並切替部６、及び出力スイッチ部８を構成する素子が有するインピーダンスの合計を、発電素子２の内部インピーダンス以上にすることができる。これにより、蓄電装置１の直並切替に必要とする駆動消費電力を抑えることができ、蓄電効率を高めることができる。

【0078】

直並切替部６、及び出力スイッチ部８を構成する素子はＭＯＳ（Metal Oxide semiconductor）トランジスタで構成されているため、直並切替制御部５Ｂにより制御される、直並切替部６及び出力スイッチ部８で消費される電力は、スイッチ部オン、オフ時のＭＯＳトランジスタゲート駆動電力のみであり、蓄電効率を高めることができる。

【0079】

さらに、蓄電時の蓄電装置１のインピーダンスは、給電時の蓄電装置１のインピーダンスよりも高くなっている。従って、蓄電装置１は高電圧、低電流で蓄電が可能となり、蓄電効率を高めることができる。また、給電時には蓄電装置１の給電電圧は例えば３Ｖであり、数ｍＡの消費電流を必要とするＣＰＵ等の電子機器を駆動することができる。

【0080】

なお、図１０においてディプリージョン型トランジスタとＮｃｈトランジスタで構成されるインバータ５１Ｂ、５２Ｂは２段構成になっているが、ゲインが必要な場合は同様のインバータの段数を増やしても良い。その場合は、インバータ５１Ｂの制御信号φ１及びインバータ５２Ｂの制御信号φ２のそれぞれ信号変化のタイミングを、直並切替部６のスイッチ切替えタイミングに合わせると好適である。

【0081】

ここで、図１０の蓄電装置１における電流の流れを、図１１を参照して説明する。図１１は、蓄電装置１における電流の流れを示す回路図であり、（ａ）は蓄電時のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続された状態を示す図、（ｂ）は給電時のコンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続された状態を示す図である。

【0082】

スイッチＳｗ１を構成するＰｃｈトランジスタＴｒ６のゲートには、制御信号φ１が入力されているため、制御信号φ１がＬｏｗレベル、即ち給電時にオンになる。

【0083】

スイッチＳｗ３を構成するＮｃｈトランジスタＴｒ７のゲートには、制御信号φ２が入力されているため、制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち給電時にオンになる。

【0084】

スイッチＳｗ２を構成する、ＰｃｈトランジスタＴｒ８のゲートには、制御信号φ２が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ９のゲートには、制御信号φ２が入力されている。よってスイッチＳｗ２は、制御信号φ２がＬｏｗレベル且つ制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、即ち、蓄電時にオンになる。

【0085】

また、出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４において、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０のゲートには、制御信号φ１が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ１１のゲートには、制御信号φ２が入力されている。よってスイッチＳｗ４は、制御信号φ１がＬｏｗレベル且つ制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち、負荷回路３への給電時にオンになる。

【0086】

直並切替部６に含まれるスイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３と、出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４には、直並列の切り替え時のみ、スイッチの状態を変化させるために電流が流れる。そのため、蓄電時及び給電時の消費電流を小さくすることができる。

【0087】

＜蓄電システム１００の回路構成例＞
次に、蓄電システム１００の回路構成について、図１２を参照して説明する。図１２は、蓄電システム１００の回路構成の一例を示す図である。

【0088】

整流回路４は、４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４から成るダイオードブリッジによって構成されている。整流回路４は、発電素子２から出力された交流電力を全波整流する。

【0089】

整流された電力を、蓄電装置１で直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電し、第１電圧値に達すると、図１１（ｂ）のコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続された状態に切り替えられ、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力は負荷回路３に給電される。

【0090】

＜ＩＣ化の例＞
次に、蓄電システム１００をＩＣ化した場合の一例を、図１３を参照して説明する。図１３は、通信モジュール３１による制御回路を含んでＩＣ化された蓄電システム１００Ｃの構成の一例を示す図である。

【0091】

図１３に示すように、蓄電システム１００Ｃにおける負荷回路３は、通信モジュール３１と、センサー３２とを備える。また、蓄電装置１Ｃは、直並切替制御部５、直並切替部６、及び出力スイッチ部８が一体化された直並切替ＩＣ９を備えている。

【0092】

直並切替ＩＣ９は、マイコン搭載の通信モジュール３１と連係して、直並切替のタイミングを制御する機能を備えている。蓄電システム１００Ｃは、直並切替ＩＣ９の出力電圧Ｖｏｕｔにより通信モジュール３１と、センサー３２に給電する。

【0093】

直並切替ＩＣ９は、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続状態になった時に、通信モジュール３１に備えられたマイコンに並列状態になったことを示す信号Ｓ_ＳＴを出力して、通信モジュール３１に給電が可能であることを通知する。

【0094】

通信モジュール３１のシステム動作が完了した後、所定のタイミングで、通信モジュール３１から直並切替ＩＣ９に、マイコンに給電が必要なくなったことを示す信号Ｓ_ＥＮＤを出力して蓄電に移行させるように指示する。当該指示を受けた蓄電装置１は、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続状態に切替えて充電を開始させる。ここで、信号Ｓ_ＥＮＤは、図１１の直並切替制御部５のＮｃｈトランジスタＴｒ５のゲートに電圧を制御することでコンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に変化させる信号である。

【0095】

蓄電システム１００Ｃの構成により、蓄電装置１Ｃは、負荷側のＣＰＵと連携することで、蓄電効率を向上することができる。

【0096】

また、蓄電システム１００Ｃは、センサー３２からの信号が通信モジュール３１に備えられたマイコンで信号処理された結果を、無線等の通信手段を通じてＩｏＴエッジ端末として活用することもできる。

【0097】

＜蓄電装置１の動作＞
次に、蓄電装置１の動作について、図１４を参照して説明する。図１４は、蓄電装置１の直並切替動作の一例を示すタイミングチャートである。

【0098】

発電素子２により発電された電力は、整流回路４で整流され、蓄電装置１に入力される。

【0099】

時刻Ｔ０では、コンデンサＣ１、Ｃ２は蓄電されていない状態である。

【0100】

時刻Ｔ１において、整流された電力が蓄電装置１に入力され始めると、直並切替制御部５Ｂがハイインピーダンス構成となっているため、発電素子２よりハイインピーダンスで出力された電力により回路が起動し制御信号φ１及びφ２が生成される。

【0101】

蓄電が開始されると、制御信号φ１はＨｉｇｈレベル、制御信号φ２はＬｏｗレベルとなり、直並切替部６が作動してスイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフで、スイッチＳｗ２がオンとなり、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続される。

【0102】

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続された状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖ（第１電圧値）に達すると、時刻Ｔ２において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフで、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオンとなり、蓄電部７におけるコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。コンデンサＣ１，Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。ここで、Ｖ_Ｃ１はコンデンサＣ１の蓄電電圧、Ｖ_Ｃ２はコンデンサＣ２の蓄電電圧である。

【0103】

時刻Ｔ３において、負荷回路３が駆動すると電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が負荷回路３に給電され、入力電圧Ｖｉｎも低下していく。

【0104】

なお、ここでは、時刻Ｔ２～Ｔ４までは発電素子２からの電力の入力は無いものとする。

【0105】

入力電圧Ｖｉｎが低下して２Ｖ（第２電圧値）に達すると、時刻Ｔ４において、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフで、スイッチＳｗ２がオンとなることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、発電素子２からの電力は蓄電される。

【0106】

この後、入力電圧Ｖｉｎが上昇して１０Ｖに達すると、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続に切り替えられる。

【0107】

以上の動作が継続して行われる。

【0108】

ここで、図１４では、入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖになるタイミングを時刻Ｔ２とし、入力電圧Ｖｉｎが２Ｖになるタイミングを時刻Ｔ４とする例を示したが、時刻Ｔ２及びＴ４に対応する第１電圧値及び第２電圧値は、これらに限定されるものではない。直並切替スイッチ制御部５０Ｂの抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の抵抗値を変えることで、第１電圧値及び第２電圧値のそれぞれを、任意の電圧に設定できる。

【0109】

また、並列状態で発電素子２からの電力の入力を継続することも可能である。その場合は時刻Ｔ３～Ｔ４までの入力電圧Ｖｉｎの電圧低下は緩やかになるか、上昇する場合もある。

【0110】

次に、蓄電システム１００Ｃ（図１３参照）の動作例について、図１４の右側を参照して説明する。蓄電システム１００Ｃにおいても、時刻Ｔ０～Ｔ５までの動作は同じである。

【0111】

時刻Ｔ６のタイミングで、直並切替ＩＣ９は、通信モジュール３１に備えられたマイコンに、並列状態になったことを示す信号Ｓ_ＳＴを出力して通信モジュール３１に給電が可能であることを通知する。なお、図１４中、時刻Ｔ３～Ｔ４及び時刻Ｔ６～Ｔ７の期間は、蓄電装置１が通信モジュール３１と同期して通信モジュール３１へ給電している、負荷回路動作期間（給電期間、システム動作期間）に該当する。

【0112】

時刻Ｔ７で通信モジュール３１のシステム動作が完了した後、時刻Ｔ８のタイミングで、通信モジュール３１から直並切替ＩＣ９に信号Ｓ_ＥＮＤが入力されると、コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続状態に切り替えられ、充電が開始される。

【0113】

蓄電装置１が通信モジュール３１と連携して動作する場合は、給電期間中、電圧が２Ｖまで低下するか、信号Ｓ_ＥＮＤが出力されるか、何れか早い方で給電が停止される。図１４の例では、電圧が２Ｖまで低下する前に信号Ｓ_ＥＮＤが出力されたため、その時点で給電が停止され、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続状態が直列に切り替えられて、蓄電動作に移行されている。

【0114】

＜蓄電電力例＞
ここで、コンデンサに蓄電する電力について説明する。

【0115】

コンデンサに蓄電できる電力Ｗ(Ｊ)は、以下の（式１）で表せる。

【0116】

【数1】

また、コンデンサをｎ個、直列接続すると、容量Ｃｓｎは、以下の（式２）で表せる。

【0117】

【数2】

コンデンサをｎ個、並列接続すると、容量Ｃｐｎは、以下の（式３）で表せる。

【0118】

【数3】

コンデンサｎ個直列接続で蓄電できる電力Ｗｓは、以下の（式４）で表せる。

【0119】

【数4】

コンデンサｎ個並列接続で蓄電できる電力Ｗｐは、以下の（式５）で表せる。

【0120】

【数5】

例えば、具体的に、ｎ＝２、Ｃ＝１(μＦ；マイクロファラッド)、Ｖ＝５（Ｖ；ボルト）とすると、コンデンサ２個を直列接続で蓄電できる電力Ｗｓは、以下の（式６）のように計算できる。

【0121】

【数6】

コンデンサ２個並列接続で蓄電できる電力Ｗｐは、以下の（式７）のように計算できる。

【0122】

【数7】

【0123】

以上のように、Ｗｓ＝Ｗｐになり、同じ容量のコンデンサをｎ個直列で蓄電しても、並列で蓄電しても同じ電力量をコンデンサに蓄電できる。ｎ個直列に接続したコンデンサに蓄電するためには、高電圧ｎ×Ｖ（Ｖ）の状態で蓄電する必要がある。

【0124】

一方、蓄電された電力はＩｏＴのようなシステムでは、ＣＰＵを駆動したり、センサー等を接続する電子機器に給電することが求められる。これらの機器はリチウム電池１～３本程度、例えば３～１０Ｖ程度の電圧、数μＡ～数ｍＡ程度の電流で駆動することが求められる。

【0125】

ここで、同じ容量Ｃのコンデンサをｎ個直列に接続した高インピーダンスの状態で蓄電し、それらのコンデンサを直列接続から並列接続に切り替えることで、コンデンサに蓄電された電力を保持したまま、低い電圧で低インピーダンスの状態でＩｏＴシステム等を駆動できる。

【0126】

回路上に設けられる抵抗の抵抗値をＲとすると、インピーダンスＺは以下の（式８）で定義される。

【0127】

【数8】

コンデンサをｎ個直列にした場合の回路のインピーダンスＺｓｎは、（式２）のように表されるため、以下の（式９）のように表すことができる。

【0128】

【数9】

コンデンサをｎ個並列にした場合の回路のインピーダンスＺｐｎは、（式３）のように表されるため、以下の（式１０）のように表すことができる。

【0129】

【数10】

となる。ここで、回路上に設けられる抵抗の抵抗値Ｒを小さくすると、直列時のインピーダンスＺｎｓ（式９）が高く、並列時のインピーダンスＺｐｎ（式１０）が低くなる。

【0130】

以上のように、コンデンサの直並切替を行なうことで、蓄電時は（式４）と（式９）から高電圧ｎ×Ｖ（Ｖ）で高インピーダンスで蓄電し、給電時は（式５）と（式１０）から低い電圧Ｖ（Ｖ）で負荷回路に効率よく給電できる。

【0131】

圧電素子や発電ゴムの静電誘導による発電では数１０Ｖ～数１００Ｖという高電圧が発生する。また、出力電流はｎＡ～μＡといった単位の低電流であり、出力インピーダンスの高い定電流電源と見ることができる。このため、圧電素子や静電誘導により高電圧でコンデンサに蓄電した電力を、３～１０Ｖ程度の電圧で数μＡ～数ｍＡ程度の電流で駆動する負荷回路への給電電力に、高効率で変換する回路が必要となる。

【0132】

ここで、図１５に比較例として、コンデンサの容量を固定した場合の蓄電、給電の際の電流の推移を示し、図１６に実施形態のように、コンデンサの容量を直列と並列で切り替える場合の蓄電、給電の際の電流の推移を示す。

【0133】

より詳しくは、図１５（ａ）は、コンデンサの容量を固定した回路図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の状態での蓄電電流及び蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。

【0134】

図１５では、０．２５μＦの容量のコンデンサを１つ用いて、充電時、給電時ともに、容量０．２５μＦで動作させる例を示している。

【0135】

一般的に、ＣＰＵ動作、センサー駆動、無線伝送ＩＣの駆動電圧は、２～５Ｖ程度である。図１５（ｂ）に示すように、比較例では、給電時にコンデンサに蓄えている容量が少ないため急激に電圧値が降下し、電圧値が、２～４．５Ｖの範囲にある時間は、２０ｍｓである。そのため、２０ｍｓしか電力を使用できない。

【0136】

これに対して、図１６（ａ）はコンデンサの直並列を切り替える回路図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の状態での蓄電電流および蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。

【0137】

図１６では、０．５μＦの容量のコンデンサを２つ用いて、充電時は直列状態にして容量０．２５μＦで動作させ、給電時は並列状態にして容量１．０μＦで動作させる例を示している。

【0138】

図１６（ｂ）に示すように、実施形態では、給電時はコンデンサを直列接続から並列接続に切り替えることで、切り替え時に電圧値は半分になるが、その後、容量が大きいコンデンサを用いた給電により電圧値が緩やかに降下する、そのため、電圧値が、２～４．５Ｖの範囲にある時間は、８４ｍｓである。図１５（ｂ）と比較すると、充電時のコンデンサの容量は同じながら、直列接続から並列接続への切り替えにより、給電時に電力を使用できる時間が４倍以上に増える。

【0139】

図１６に示したように、実施形態に係る蓄電システムでは、コンデンサの直列接続又は並列接続を切り替えることで、蓄電時に、高電圧、高インピーダンスでインピーダンス整合して蓄電できる。一方、給電時は、ＩｏＴシステムなどに対して必要な電圧で、低インピーダンスでインピーダンス整合して給電できる。

【0140】

＜蓄電装置にコンデンサを多数設ける例＞
上記は、蓄電装置１に２つのコンデンサを含む構成について説明したが、複数のコンデンサの数は２つに限られない。図１７は、４つのコンデンサを直列に接続する回路の構成例を説明する図である。図１７は、４つのコンデンサを備える蓄電部７０と、４つのコンデンサの接続を切り替える４直並切替ＩＣ９０の内部ブロックを示している。

【0141】

直並切替スイッチ部６０は、図１０の直並切替部６と対応しており、スイッチ群６１、６２、６３で構成される。スイッチ群６１、６３は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を並列接続にするときにオンとなり、直列接続にするときにオフとなる。スイッチ群６２は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を直列接続にするときにオンとなり、並列接続にするときにオフとなる。また、スイッチ８０は図１０の出力スイッチ部８に対応する。

【0142】

直並切替制御部５Ｂ'は、図１０の２つのコンデンサ切り替え用の直並切替制御部５Ｂに対応するが、図１８のようにカスコード接続してコンデンサを多段直列接続する場合には、マスター側とスレーブ側の切替えをするためのマスター/スレーブ切替回路５５を備えている。

【0143】

次に、図１８は、コンデンサ多段接続回路の構成例を示す図である。図１８において、コンデンサ多段接続回路９０Ｅは、４直並列切替マスターＩＣ９１と、４直並列切替スレーブＩＣ９２、９３、９４、９５で構成される。

【0144】

マスターＩＣ９１に、図１７のマスター/スレーブ切替回路５５を設けることで、４つのＩＣ９２、９３、９４、９５はスレーブＩＣとしてカスコード接続できるよう構成し、それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ出力を４直並列切替えマスターＩＣ９１に接続でき多段接続が可能である。

【0145】

このように、多段接続する場合、カスコード接続をマスタースレーブ方式で多段接続制御する。これにより、より多段のコンデンサを接続することができ、更なる高効率化が可能になる。

【0146】

以上説明したように実施形態に係る蓄電装置は、高電圧、低電流で切替え電圧を検出でき、高電圧、低電流で動作して直並接続を切替え、高効率で蓄電できる。

【0147】

なお、上述した実施形態では、直並切替制御部５が、ヒステリシス生成回路Ｈを内部に備えることで、制御信号φ１に対してヒステリシスを設けていたが、直並切替制御部５でヒステリシスを設けることができれば、ヒステリシス生成回路は直並切替制御部５以外に設けられてもよい。

【0148】

［第１実施形態］
次に、第１実施形態に係る蓄電システム１００ａについて説明する。

【0149】

上述した実施形態に係る蓄電システム１００では、給電時に並列接続に切り替えられたコンデンサＣ１、Ｃ２は、蓄電電圧が第２電圧値以下になるまで並列接続の状態を維持する。そのため、負荷回路への給電が終了した後で蓄電を行う場合に、蓄電電圧が第２電圧値以下になるまで直列接続に切り替えることができず、蓄電効率が上がらなくなる場合がある。

【0150】

例えば、蓄電装置１（図１参照）において、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続されて負荷回路３に給電している時に、負荷回路３が動作を停止し、出力電流が０Ａ（アンペア）になった場合、蓄電電圧が第２電圧値以下になるまで、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続の状態を維持する。この状態で発電素子２から電力が入力された場合、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続状態で蓄電するため、蓄電効率が上がらなくなる場合がある。

【0151】

これに対し、本実施形態では、複数の蓄電デバイスを有する蓄電部の出力電流に基づき、複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えさせる。例えば、複数の蓄電デバイスが並列に接続された状態で、出力電流が第１電流値以下になった場合に、複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えさせる。これにより、蓄電電圧が第２電圧値以下になるのを待たずに、直列接続された複数の蓄電デバイスで蓄電でき、蓄電効率を向上させる。

【0152】

＜蓄電システム１００ａの構成例＞
蓄電システム１００ａの構成について、図１９を参照して説明する。図１９は、蓄電システム１００ａの構成の一例を示すブロック図である。

【0153】

図１９に示すように、蓄電システム１００ａは、蓄電装置１ａを備える。また、蓄電装置１ａは、出力電流検出部１３と、直列復帰制御部１４とを含む出力電流直列復帰制御装置１５を備える。

【0154】

蓄電システム１００ａは、上述した蓄電システム１００と同様に、発電素子２により発電された電力を、整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２により蓄電する。そして、蓄電電圧が第１電圧値に達した場合に、直並切替制御部５の制御下で直並切替部６が作動して、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続された状態で負荷回路３に給電する。

【0155】

また、出力電流検出部１３は、蓄電装置１ａから負荷回路３に出力される電流を検出し、検出結果を直列復帰制御部１４に出力する。直列復帰制御部１４は、出力電流検出部１３により検出された出力電流が所定の電流値（第１電流値）以下になった場合に、直並切替制御部５により、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替えさせる。直並切替制御部５の制御下で直並切替部６は作動し、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続は並列から直列に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続の状態で、発電素子２による電力を蓄電する。

【0156】

＜蓄電装置１ａの構成例＞
次に、蓄電装置１ａの回路構成の一例を、図２０を参照して説明する。図２０は、蓄電装置１ａの回路構成の一例を示す図である。

【0157】

図２０に示すように、蓄電装置１ａは、直並切替制御部５Ｂと、直並切替部６と、蓄電部７と、出力スイッチ部８と、出力電流検出部１３と、直列復帰制御部１４とを備える。なお、蓄電装置１ａは、直並切替制御部５Ｂ、直並切替部６、蓄電部７、出力スイッチ部８、出力電流検出部１３、及び直列復帰制御部１４が一体化されたＩＣを備えてもよい。

【0158】

出力電流検出部１３は、出力電流Ｉｏｕｔが出力されている期間中にオンしているＳｗ５であるＰｃｈトランジスタＴｒ１２と、出力電流Ｉｏｕｔを検出するＰｃｈトランジスタＴｒ１３と、電流コンパレータを構成するＰｃｈトランジスタＴｒ１４と、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１５とを備えている。ここで、ＰｃｈトランジスタＴｒ１３は「モニタトランジスタ」の一例である。また、出力電流検出部１３は、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１５の代わりに抵抗器を備えてもよい。

【0159】

ここで、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１５に流れる電流は、定電流Ｉｔｒ１５となり、ＰｃｈトランジスタＴｒ１４とディプリージョン型トランジスタＴｒ１５は電流コンパレータとして動作するため、ＰｃｈトランジスタＴｒ１４の電流Ｉｔｒ１４が定電流Ｉｔｒ１５より大きい時に、出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなる。一方、電流Ｉｔｒ１４が電流が定電流Ｉｔｒ１５より小さい時に、出力信号φ３はＬｏｗレベルとなる。ＰｃｈトランジスタＴｒ１４とディプリージョン型トランジスタＴｒ１５のトランジスタサイズ比により、第１電流値を設定することができる。

【0160】

さらに、蓄電装置１ａの出力電流は、Ｓｗ４であるＰｃｈトランジスタＴｒ１０のサイズに依存するため、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０とＰｃｈトランジスタＴｒ１３のサイズ比を調整することで、第１電流値を設定できる。但し、ＰｃｈトランジスタＴｒ１３とＰｃｈトランジスタＴｒ１４は、カレントミラー回路で構成されているため、ＰｃｈトランジスタＴｒ１３とＰｃｈトランジスタＴｒ１４とのサイズ比を調整してもよい。

【0161】

直列復帰制御部１４は、出力電流Ｉｏｕｔが出力されている期間中にオンしているＳｗ６であるＮｃｈトランジスタＴｒ１７と、直列復帰信号φ４を生成するインバータを構成するディプリージョン型トランジスタＴｒ１６と、ＮｃｈトランジスタＴｒ１８と、コンデンサＣ３と、直並切替制御部５Ｂを制御するＮｃｈトランジスタＴｒ１９とを備えている。直列復帰制御部１４は、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１６の代わりに抵抗器を備えてもよい。

【0162】

ここで、出力電流Ｉｏｕｔが第１電流値より大きい時は、出力信号φ３がＨｉｇｈレベルで、直列復帰信号φ４がＬｏｗレベルであるが、出力電流Ｉｏｕｔが第１電流値より小さくなると、直列復帰信号φ４がＨｉｇｈレベルとなり、ＮｃｈトランジスタＴｒ１９がオンされる。これにより、直並切替制御部５Ｂに、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続させるためのＨｉｇｈレベルの制御信号φ１及びＬｏｗレベルの制御信号φ２が出力される。

【0163】

また、直並切替部６は、ＰｃｈトランジスタＴｒ６、ＮｃｈトランジスタＴｒ７、アナログスイッチＴｒ８及びＴｒ９を含んで構成されている。

【0164】

ここで、図２１Ａ～図２１Ｂに、図２０の蓄電装置１Ａにおける電流の流れを示す。図２１Ａは蓄電時の電流の流れを示す図、図２１Ｂは給電時の電流の流れを示す図である。

【0165】

スイッチＳｗ１を構成するＰｃｈトランジスタＴｒ６のゲートには、制御信号φ１が入力されているため、制御信号φ１がＬｏｗレベル、即ち給電時にオンになる。

【0166】

スイッチＳｗ２を構成するＮｃｈトランジスタＴｒ７のゲートには、制御信号φ２が入力されているため、制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち給電時にオンになる。

【0167】

スイッチＳｗ３を構成する、ＰｃｈトランジスタＴｒ８のゲートには、制御信号φ２が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ９のゲートには、制御信号φ１が入力されている。よってスイッチＳｗ３は、制御信号φ２がＬｏｗレベル且つ制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、即ち、蓄電時にオンになる。

【0168】

また、出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４において、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０のゲートには、制御信号φ１が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ１１のゲートには、制御信号φ２が入力されている。よってスイッチＳｗ４は、制御信号φ１がＬｏｗレベル且つ制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち、負荷回路３に給電時にオンになる。

【0169】

スイッチＳｗ５を構成するＰｃｈトランジスタＴｒ１２のゲートには、制御信号φ１が入力されている。スイッチＳｗ５は、制御信号φ１がＬｏｗレベル、即ち、負荷回路３に給電時にオンになる。

【0170】

スイッチＳｗ６を構成するＮｃｈトランジスタＴｒ１７のゲートには、制御信号φ２が入力されている。スイッチＳｗ６は、制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち、負荷回路３に給電時にオンになる。

【0171】

直並切替部６に含まれるスイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３と、出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４と、出力電流検出部１３のスイッチＳｗ５と直列復帰制御部のスイッチＳｗ６には、直並列の切り替え時のみ、スイッチの状態を変化させるために電流が流れる。そのため、蓄電時及び給電時の消費電流を小さくすることができる。

【0172】

＜第１実施形態における蓄電装置１ａの動作例＞
次に、蓄電装置１ａの動作について、図２２を参照して説明する。図２２は、本実施形態における蓄電装置１ａの動作の一例を示すタイミングチャートである。

【0173】

発電素子２により発電された電力は、整流回路４で整流され、蓄電装置１ａに給電される。

【0174】

時刻Ｔ０では、コンデンサＣ１、Ｃ２は蓄電されていない状態である。

【0175】

時刻Ｔ１において、整流された電力が蓄電装置１ａに給電され始めると、直並切替制御部５Ｂがハイインピーダンス構成となっているため、発電素子２よりハイインピーダンスで出力された電力により、回路が起動し、制御信号φ１及びφ２が生成される。

【0176】

蓄電が開始されると、制御信号φ１はＨｉｇｈレベル、制御信号φ２はＬｏｗレベルとなり、直並切替部６が作動して、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフで、スイッチＳｗ２がオンとなり、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続される。また、出力電流検出部１３による出力信号φ３はＬｏｗレベルとなり、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＬｏｗレベルとなる。

【0177】

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖに達すると（第１電圧値以上になると）、時刻Ｔ２において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフで、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオンとなり、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。

【0178】

時刻Ｔ３において、負荷回路３が駆動されると電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が負荷回路３に給電される。また、出力電流検出部１３による出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなり、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＬｏｗレベルとなる。また、入力電圧Ｖｉｎも低下していく。

【0179】

なお、ここでは時刻Ｔ２～Ｔ４までは、発電素子２からの電力の入力は無いものとする。

【0180】

入力電圧Ｖｉｎが低下し、時刻Ｔ４において、２Ｖ（第２電圧値）に達すると、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ、スイッチＳｗ２がオンとなる。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、発電素子２からの電力が蓄電される。また、出力電流Ｉｏｕｔの負荷回路３への出力が停止され、出力信号φ３がＬｏｗレベル、直列復帰信号φ４がＬｏｗレベルとなる。

【0181】

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖに達すると、時刻Ｔ５において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオンとなり、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。

【0182】

その後、時刻Ｔ６において、負荷回路３が駆動されると電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が負荷回路３に給電され、出力電流検出部１３の出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなり、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＬｏｗレベルとなる。また、入力電圧Ｖｉｎも低下していく。

【0183】

その後、時刻Ｔ７において、負荷回路３の電流が変化すると入力電圧Ｖｉｎは出力電流Ｉｏｕｔの大きさに対応して低下していく。

【0184】

なお、ここでは時刻Ｔ５～Ｔ１１までは、発電素子２からの電力の入力は無いものとする。

【0185】

その後、時刻Ｔ８において、負荷回路３の動作が停止し、出力電流Ｉｏｕｔが０Ａになった場合、或いは負荷回路３の電流が０．５ｍＡ以下（第１電流値）以下になった場合、出力電流検出部１３はＰｃｈトランジスタＴｒ１３に流れる電流を検出し、時刻Ｔ９において、出力電流検出部１３の出力信号φ３がＬｏｗレベルとなる。

【0186】

その後、時刻Ｔ１０において、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４がＨｉｇｈレベルになる。

【0187】

その後、時刻Ｔ１１において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオン、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフとなる。そして、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続され、発電素子２からの電力が蓄電される。

【0188】

その後、時刻Ｔ１２において、出力電流検出部１３の出力信号φ３は、Ｌｏｗレベル、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＬｏｗレベルとなる。

【0189】

このようにして、蓄電装置１ａは、発電素子２により発電された電力を、直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２により蓄電し、蓄電電圧が第１電圧値に達した場合に、コンデンサＣ１、Ｃ２を並列接続に切り替えることができる。また、蓄電装置１ａは、出力電流検出部１３により検出された出力電流が第１電流値以下になった場合に、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替えさせることができる。

【0190】

＜蓄電システム１００ａの作用効果＞
以上説明してきたように、本実施形態では、コンデンサＣ１、Ｃ２を有する蓄電部７の出力電流に基づき、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替えさせる。例えば、蓄電装置１ａによる給電時にコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続された状態で、出力電流が第１電流値以下になった場合に、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替えさせる。これにより、蓄電電圧が第２電圧値以下になるのを待たずに、直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２によって発電素子２による電力を蓄電でき、より効率よく蓄電を行うことができる。

【0191】

実施形態は、発電ゴム等の低周波の発電素子による電力を蓄電、給電する場合に特に好適であるが、これに限定されるものではない。エネルギーハーベスト等の高周波の発電素子による電力の蓄電、給電にも適用可能である。

【0192】

なお、上述した例では、出力電流検出部１３の第１電流値を０．５ｍＡとしたが、これに限定されるものではなく、任意に変更可能である。

【0193】

また、図２０では、蓄電装置１ａが２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備える例を示したが、コンデンサの数はこれに限定されるものではなく、さらに増やしてもよい。以下に、本実施形態の変形例として、４つのコンデンサを備える蓄電装置１ｂについて説明する。

【0194】

（第１変形例）
図２３は、第１変形例に係る蓄電装置１ｂの回路構成の一例を説明する図である。

【0195】

図２３は、４つのコンデンサを備える蓄電部７０と、４つのコンデンサの接続を切り替える４直並切替ＩＣ９０ｂの内部ブロックを示している。

【0196】

直並切替スイッチ部６０は、図２０の直並切替部６に対応しており、スイッチ群６１、６２、６３で構成される。スイッチ群６１、６３のそれぞれは、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を並列接続にするときにオンとなり、直列接続にするときにオフとなる。また、スイッチ群６２は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を直列接続にするときにオンとなり、並列接続にするときにオフとなる。スイッチ８０は、図２０の出力スイッチ部８に対応する。

【0197】

直並切替制御部５Ｂ'は、図２０の２つのコンデンサ切り替え用の直並切替制御部５Ｂと同様であり、出力電流検出部１３と直列復帰制御部１４は、図２２と同様である。図１８のようにカスコード接続してコンデンサを多段直列接続する場合には、マスター側とスレーブ側の切替えをするためのマスター／スレーブ切替回路５５が搭載される。

【0198】

マスター／スレーブ切替回路５５を設けることで、スレーブＩＣとして複数のＩＣをカスコード接続できるよう構成し、それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ出力を４直並列切替えマスターＩＣに接続でき多段接続が可能である。

【0199】

このように、多段接続する場合、カスコード接続をマスタースレーブ方式で多段接続制御する。これにより、より多段のコンデンサを接続することができ、更なる高効率化が可能になる。

【0200】

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る蓄電システム１００ｅについて説明する。

【0201】

上述した実施形態に係る蓄電システム１００では、蓄電及び給電が可能な負荷駆動蓄電装置と蓄電装置１とを接続し、蓄電装置１の蓄電した電力を負荷駆動蓄電装置に蓄電させる場合、負荷駆動蓄電装置の蓄電電圧が第２電圧値以下になるまで、蓄電装置１は複数のコンデンサが並列接続された状態を維持する。そのため、負荷駆動蓄電装置の蓄電電圧が第２電圧値以下になるまで、蓄電装置１を複数のコンデンサが直列接続された状態に切り替えることができず、蓄電効率が上がらなくなる場合がある。

【0202】

また、蓄電システム１００では、複数のコンデンサが直列接続された状態では、負荷回路に給電できず、給電効率が上がらなくなる場合がある。

【0203】

これに対し、本実施形態では、第１実施形態と同様に、複数の蓄電デバイスを有する蓄電部の出力電流に基づき、複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えさせる。例えば、複数の蓄電デバイスが並列に接続された状態で、出力電流が第１電流値以下になった場合に、複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えさせる。そして、負荷駆動蓄電装置と蓄電装置１とを接続する場合にも、負荷駆動蓄電装置の蓄電電圧が第２電圧値以下になるのを待たずに、直列接続された複数の蓄電デバイスで蓄電でき、蓄電効率を向上させる。また、複数のコンデンサが直列接続された状態で負荷回路に給電可能にし、給電効率を向上させる。

【0204】

＜蓄電システム１００ｅの構成例＞
蓄電システム１００ｅの構成について、図２４を参照して説明する。蓄電システム１００ｅの構成の一例を示すブロック図である。図２４に示すように、蓄電システム１００ｅは、蓄電装置１ａと、負荷駆動蓄電装置１０とを備える。蓄電装置１ａの構成は、第１実施形態で説明したものと同様である。

【0205】

蓄電システム１００ｅでは、発電素子２により発電された電力を整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電する。その後、コンデンサＣ１、Ｃ２を並列に接続した状態で、負荷駆動蓄電装置１０及び負荷回路３の両方に並行して給電する。

【0206】

蓄電装置１ａは、蓄電部７に蓄電された電力を、負荷回路３とともに負荷駆動蓄電装置１０に給電する。

【0207】

負荷駆動蓄電装置１０は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等の各種蓄電デバイスを備え、蓄電及び給電が可能な装置である。負荷駆動蓄電装置１０は、負荷回路３を駆動させるための電力を、負荷回路３に給電する。

【0208】

負荷駆動蓄電装置１０による負荷回路３への給電の制御方法は特に限定されないが、例えば、外部装置からの制御信号に基づき制御されてもよいし、負荷駆動蓄電装置１０にタイマーを備えさせ、タイマーによる計測時間に基づき、所定の時間周期で給電されるように制御されてもよい。

【0209】

上述したように、直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２の蓄電電圧が第１電圧値に達すると、直並切替部６が作動してコンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続される。そして、Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２＝Ｖ_ｏｃｈになるように、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力は、負荷駆動蓄電装置１０に給電されて蓄電されるとともに、負荷回路３に給電される。ここで、Ｖ_ｏｃｈは負荷駆動蓄電装置１０の蓄電電圧である。

【0210】

但し、負荷回路３の起動電圧を設定した場合は、蓄電電圧Ｖ_ｏｃｈが負荷回路３の起動電圧より低い場合は、負荷駆動蓄電装置１０のみに給電され、蓄電電圧Ｖ_ｏｃｈが負荷回路３の起動電圧以上になった場合に、負荷駆動蓄電装置１０と負荷回路３の両方に給電される。

【0211】

その後、蓄電部７の蓄電電圧が第２電圧値以下になると、直並切替制御部５の制御下で直並切替部６が作動して、コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続された状態で、発電素子２による電力を蓄電する。

【0212】

また、出力電流検出部１３は、蓄電装置１ａから負荷回路３及び負荷駆動蓄電装置１０に出力される電流を検出し、検出結果を直列復帰制御部１４に出力する。直列復帰制御部１４は、出力電流検出部１３により検出された出力電流が第１電流値以下になった場合に、直並切替制御部５に、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替えさせる。直並切替制御部５の制御下で直並切替部６が作動して、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続は並列から直列に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続の状態で、発電素子２による電力を蓄電する。

【0213】

蓄電装置１ａは、負荷回路３及び負荷駆動蓄電装置１０に給電し、蓄電部７の蓄電電圧が第１電圧以下になった場合、又は出力電流が第１電流値以下になった場合の何れか一方の場合に、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続に切り替えられて、発電素子２による電力を蓄電できるため効率よく充電できる。

【0214】

また、蓄電システム１００ｅが蓄電中で、蓄電システム１００ｅから負荷回路３に給電できない時にも、負荷駆動蓄電装置１０が蓄電した電力を負荷回路３に給電することができるため、負荷回路３を継続して駆動させることができる。

【0215】

＜第２実施形態における蓄電装置１ａの動作＞
次に、本実施形態における蓄電装置１ａの動作について、図２５を参照して説明する。図２５は、本実施形態における蓄電装置１ａの動作例を示すタイミングチャートである。時刻Ｔ１までの動作は、図２２で説明したものと同様であるため、重複した説明を省略する。

【0216】

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖ（第１電圧）に達すると、時刻Ｔ２において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して直並切替部６が作動してスイッチＳｗ２がオフ、スイッチＳｗ１，Ｓｗ３がオンとなり、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）と同時に、負荷回路３と負荷駆動蓄電装置１０へ蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が給電され、負荷駆動蓄電装置１０の電位が上昇する。

【0217】

また、時刻Ｔ２において、蓄電装置１ａの出力電流Ｉｏｕｔが流れ始め、時刻Ｔ３において、出力電流検出部１３の出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなり、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＬｏｗレベルとなる。また、入力電圧Ｖｉｎも低下していく。

【0218】

なお、ここでは時刻Ｔ２～Ｔ４までは、発電素子２からの電力の入力は無いものとする。また、負荷回路３への給電はないものとする。

【0219】

入力電圧Ｖｉｎが低下し、時刻Ｔ４において２Ｖに達すると、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ、スイッチＳｗ２がオンとなることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、発電素子２からの電力を蓄電する。

【0220】

また、時刻Ｔ４において、出力電流Ｉｏｕｔは負荷回路３と負荷駆動蓄電装置１０への出力が停止され、時刻Ｔ５において、出力信号φ３がＬｏｗレベル、直列復帰信号φ４がＬｏｗレベルとなる。

【0221】

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖに達すると、時刻Ｔ６において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオンとなり、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）と同時に、負荷回路３と負荷駆動蓄電装置１０へ蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が給電され、負荷駆動蓄電装置１０の電位が上昇する。

【0222】

負荷駆動蓄電装置１０の電圧Ｖ_ｏｃｈの電位の上昇に伴い、時刻Ｔ８において、入力電圧Ｖｉｎが２Ｖ以上になる。その後、蓄電装置１ａの出力電流Ｉｏｕｔが減少し、５ｍＡ以下になると、時刻Ｔ９において、出力電流検出部１３の出力信号φ３はＬｏｗレベルとなり、時刻Ｔ１０において、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＨｉｇｈレベルとなる。

【0223】

その後、時刻Ｔ１１において、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ、スイッチＳｗ２がオンとなる。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、発電素子２からの電力が蓄電される。

【0224】

その後、時刻Ｔ１２において、直列復帰制御部１４による直列復帰信号φ４はＨｉｇｈレベルとなる。

【0225】

なお、ここでは、時刻Ｔ６～Ｔ１１までは、発電素子２からの電力の入力は無いものとする。また、負荷回路３への給電は５ｍＡより小さいものとする。

【0226】

以上の動作が継続して行われる。

【0227】

このようにして、蓄電装置１ａは、負荷駆動蓄電装置と蓄電装置１とを接続する場合にも、負荷駆動蓄電装置の蓄電電圧が第２電圧値以下になるのを待たずに、直列接続された複数の蓄電デバイスで蓄電できる。また、複数のコンデンサが直列接続された状態で負荷回路に給電できる。

【0228】

＜蓄電システム１００ｅの作用効果＞
以上説明してきたように、本実施形態では、負荷駆動蓄電装置と蓄電装置１とを接続する場合にも、負荷駆動蓄電装置の蓄電電圧が第２電圧値以下になるのを待たずに、直列接続された複数の蓄電デバイスで蓄電でき、蓄電効率を向上させることができる。また、複数のコンデンサが直列接続された状態で負荷回路に給電可能にし、給電効率を向上させることができる。

【0229】

なお、上述した例では、出力電流検出部１３の第１電流検出値を５ｍＡとしたが、任意に変更可能である。また、負荷回路３の消費電流に合わせて、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２の容量値、第１電圧値、第２電圧値、負荷駆動蓄電装置１０の蓄電電圧、を調整し負荷回路３の動作電圧範囲に設定することができる。これにより、負荷回路３は発電素子２により発電されるタイミングによらず、負荷回路３を継続的に動作させることができる。

【0230】

［第２変形例］
上述した例では、負荷駆動蓄電装置１０による負荷回路３への給電制御について外部装置からの制御信号に基づく方法やタイマーによる時間計測に基づく方法を示したが、ノーマリーオフ回路を用いて給電制御を行うこともできる。
図２６は、このようなノーマリーオフ回路を備える蓄電システム１００ｆの構成の一例を示すブロック図である。図２６に示すように、蓄電システム１００ｆは、負荷回路３ｆと、ノーマリーオフ回路３６とを備える。また、負荷回路３ｆは、メモリ３３と、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）３４と、無線装置３５とを備える。負荷回路３ｆとしてＩｏＴデバイス等が挙げられる。

【0231】

メモリ３３は、各種プログラムやデータ、ＩｏＴデバイスで取得される計測データ、画像等の種々の情報を記憶する。メモリ３３は、揮発性又は不揮発性の半導体メモリ等の記憶装置で構成される。なお、メモリ３３が、ＲＯＭ（Read Only Memory）及び／又はＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでもよい。

【0232】

ＭＰＵ３４はプロセッサ等で構成され、負荷回路３の各部の動作及び全体動作を制御する。

【0233】

無線装置３５は、他の装置又はデバイスと接続され、情報を送受信するためのインタフェースとして機能する。無線装置３５は、ＵＳＢコネクタ等を含んでもよい。

【0234】

ノーマリーオフ回路３６は、通常時は、蓄電装置１a及び負荷駆動蓄電装置１０から負荷回路３fへの給電を遮断し、動作すべきタイミングで給電させる電気回路である。ノーマリーオフ回路３６は、ＭＯＳＦＥＴ等を含んで構成される。

【0235】

蓄電システム１００ｆの構成により、通常時は給電を遮断し、動作すべきタイミングのみ給電を行うことで、消費電力を削減できる。通常時は給電を遮断し、予め定められた周期や条件下のみに、データ取得やデータの送受信を行うことが多いＩｏＴデバイス等において、特に好適である。

【0236】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

【0237】

上述した例では、全ての構成要素を電気回路等のハードウェアで構成するものを示したが、一部の機能をソフトウェアで実現する構成としてもよい。

【0238】

また、実施形態は、制御装置も含む。例えば、制御装置は、電力を蓄電する複数の蓄電デバイスと、前記複数の蓄電デバイスの接続を、直列又は並列の何れかに切り替える直並切替部と、前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、を有する蓄電装置を制御する制御装置であって、前記蓄電装置の出力電流に基づいて、前記蓄電装置により、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えさせる直列復帰制御部と、を備える。このような制御装置により、上述した蓄電装置と同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0239】

１、１ａ 蓄電装置
２ 発電素子
３ 負荷回路
３３ メモリ
３４ ＭＰＵ
３５ 無線装置
４ 整流回路（整流部の一例）
５ 直並切替制御部
５０ 直並切替スイッチ制御部（電圧監視部の一例）
５１、５２ インバータ
５５ マスター／スレーブ切替回路
６ 直並切替部
６０ 直並切替スイッチ部
６１、６２、６３ スイッチ群
７ 蓄電部
８ 出力スイッチ部（出力部の一例）
９ 直並切替ＩＣ
９１ マスターＩＣ
９２、９３、９４、９５ スレーブＩＣ
１０ 負荷駆動蓄電装置
１３ 出力電流検出部
１４ 直列復帰制御部
１５ 出力電流直列復帰制御装置
３１ 通信モジュール
３２ センサー
１００、１００Ｃ、１００ａ、１００ｅ、１００ｆ 蓄電システム
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサ（蓄電デバイス）
Ｈ ヒステリシス生成回路
Ｔｒ１、Ｔｒ３ ディプリージョン型トランジスタ
Ｔｒ２、Ｔｒ４ Ｎｃｈトランジスタ
φ１、φ２ 制御信号
φ３ 出力信号
φ４ 直列復帰信号

【先行技術文献】

【特許文献】

【0240】

【文献】特開２０１３－２３６５０６号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】