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JP7456100B2 - Power storage devices, control devices, and power storage systems - Google Patents
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JP7456100B2 - Power storage devices, control devices, and power storage systems - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置、制御装置及び蓄電システムに関する。 The present invention relates to a power storage device, a control device, and a power storage system.

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。 With the advancement of IoT (Internet of Things) technology, efforts are underway to make the power supply to edge devices battery-less using energy harvesting technology. Applications have been realized in which LEDs (Light Emitting Diodes) and the like are driven by power generated by peel-off charging and frictional charging by piezoelectric elements and power-generating rubber, or by electrostatic induction by electrets.

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。 However, power generation using piezoelectric elements, frictional charging, and electrostatic induction generates a high voltage and a small current, so although it is suitable for applications such as connecting LEDs in series to light them up momentarily, it does not meet the voltage and current required for the CPU (Central Processing Unit) operation, sensor drive, and wireless transmission required for IoT edge devices. For this reason, there is a demand for the development of technology that can efficiently utilize generated power even if the generated voltage is high and the current is small.

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。 Generally, in the case of a small amount of generated power, the generated power is stored in a capacitor and converted to a driving voltage required for an edge device using a DC/DC (Direct Current/Direct Current) converter. However, since power generation devices using piezoelectric elements and electrostatic induction have high output impedance, if electricity is directly stored in a capacitor with low impedance, electricity will be stored in a low voltage state during storage, and the storage efficiency may be low.

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。 Therefore, Patent Document 1 and the like disclose a power supply circuit that generates operating power for an electric circuit using minute power generated by a power generation element that has high output impedance and outputs a low current.

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。 However, the power supply circuit of Patent Document 1 has room for improvement in terms of improving power storage efficiency or power supply efficiency.

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。 The disclosed technology aims to improve power storage efficiency and power supply efficiency.

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
A power storage device according to one aspect of the disclosed technology includes: a power storage unit including a plurality of power storage devices that store electric power; a series-parallel switching unit that switches the connection of the plurality of power storage devices to either series or parallel; a series-parallel switching control unit that controls switching by the series-parallel switching unit; and a series-parallel switching control unit that controls the series-parallel switching control unit so that the connection of the plurality of power storage devices is switched from parallel to series based on the output current of the power storage unit. a return control section, the series-to-parallel switching control section includes hysteresis generated by a hysteresis generation circuit, and when the input voltage increases and reaches a predetermined first voltage value, the hysteresis generation circuit A control signal that controls the series-parallel switching unit is switched from a high level to a low level, and when the input voltage decreases and reaches a predetermined second voltage value different from the first voltage value, the control signal is switched from the low level. Switch to High level .

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。 According to the disclosed technology, power storage efficiency and power supply efficiency can be improved.

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。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power storage system according to an embodiment. 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。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a power storage system according to a comparative example. 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。It is a figure showing an example of operation of a power generation element with which a power storage system is provided. 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。FIG. 3 is a diagram showing a capacitor connected to a power generating element, in which (a) is an equivalent circuit diagram when storing power using the power generating element, and (b) is a diagram showing an example of power storage efficiency depending on conditions for storing power in the capacitor. 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。2 is a diagram showing a resistive load connected to a power generation element, (a) is an equivalent circuit diagram when power is supplied by a resistive load using a power generation element, and (b) is a diagram showing an example of power supply efficiency depending on conditions for supplying power to a resistive load. be. 2つのコンデンサの直列接続例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a series connection of two capacitors. 2つのコンデンサの並列接続例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of parallel connection of two capacitors. 直並切替制御部の第1構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a first configuration example of a series/parallel switching control unit. 直並切替制御部の第2構成例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of a structure of a serial-parallel switching control part. 実施形態に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power storage device according to an embodiment. 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。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the flow of current in the power storage device according to the embodiment, in which (a) is a diagram showing when power is being stored, and (b) is a diagram showing when power is being supplied. 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。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power storage system according to an embodiment. 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。1 is a diagram illustrating a configuration example of an IC-based power storage system including a control circuit using a communication module. 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。4 is a timing chart showing an example of the operation of the power storage device according to the embodiment. 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。FIG. 3 is a diagram showing the transition of current during power storage and power supply according to a comparative example, where (a) is a circuit diagram with a fixed capacitor capacity, and (b) is a diagram showing the power storage current and voltage, and the voltage between the capacitor terminals during power supply. It is a diagram showing the transition. 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。It is a figure which shows the transition example of the electric current at the time of power storage and power supply based on embodiment, (a) is a circuit diagram which switches the series and parallel of a capacitor, (b) is a power storage current, a power storage voltage, and the between capacitor terminals at the time of power supply. FIG. 3 is a diagram showing changes in voltage. 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。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a circuit in which four capacitors are connected in series. コンデンサ多段接続回路の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a capacitor multi-stage connection circuit. 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。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a power storage system according to a first embodiment. 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。1 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power storage device according to a first embodiment; 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。2 is a circuit diagram showing a flow of current during charging of the power storage device according to the first embodiment. FIG. 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。2 is a circuit diagram showing a flow of current during power supply in the power storage device according to the first embodiment. FIG. 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。5 is a timing chart showing an example of the operation of the power storage device in the first embodiment. 第1変形例に係る蓄電装置の回路構成例の図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a power storage device according to a first modification. 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。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a power storage system according to a second embodiment. 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。7 is a timing chart showing an example of the operation of the power storage device in the second embodiment. 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。It is a block diagram showing the example of composition of the electricity storage system concerning the 2nd modification.

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。 Below, a description will be given of an embodiment of the present invention with reference to the drawings. In the following drawings, the same components are given the same reference numerals, and duplicated descriptions may be omitted.

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。 In addition, in the terminology of the embodiment, "electric power" is synonymous with "electrical energy". Furthermore, "use of power", "supply of power", "power supply", and "discharge" are synonymous.

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。 Moreover, in the terminology of the embodiment, "series-parallel switching" refers to switching an electric circuit from direct connection to parallel connection, or switching an electric circuit from parallel connection to direct connection.

<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。
<Configuration example of power storage system 100 according to embodiment>
First, the power storage system 100 will be described using FIG. 1. FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a power storage system (energy storage system) 100. As shown in FIG. 1 , power storage system 100 includes power storage device 1 , power generation element 2 , load circuit 3 , and rectifier circuit 4 .

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。 Of these, the energy storage device 1 includes a series/parallel switching control unit 5, a series/parallel switching unit 6, and an energy storage unit 7. The energy storage unit 7 is composed of capacitors C1 and C2, which are an example of a plurality of energy storage devices. Under the control of the series/parallel switching control unit 5, the series/parallel switching unit 6 can switch the connection of the capacitors C1 and C2 between either series or parallel.

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。 The power generating element 2 is an element that generates power using power generating rubber, a piezoelectric element, or electrostatic induction, and generates power at high voltage and low current. Power generation by the power generation element 2 will be described in detail separately using FIG. 3.

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。 The load circuit 3 is a load composed of, for example, an LED (Light Emitting Diode), an IC (Integrated Circuit) having a CPU (Central Processing Unit) function, a sensor, a wireless transmission IC, and the like. An example is an IoT device.

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。 In the power storage system 100, the power generated by the power generation element 2 is rectified by the rectifier circuit 4, and then stored in capacitors C1 and C2 connected in series in the power storage unit 7. The stored power is supplied to the load circuit 3 by the capacitors C1 and C2, which are switched to parallel connection by the series-parallel switching section 6.

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。 More specifically, the rectifier circuit (an example of a rectifier unit) 4 rectifies the AC power generated by the power generating element 2. Under the control of the series-parallel switching control unit 5, the series-parallel switching unit 6 connects the capacitors C1 and C2 in the power storage unit 7 in series, and the capacitors C1 and C2 store the power (storage voltage) input from the rectifier circuit 4.

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。 After that, when the stored voltage reaches a predetermined voltage value (first voltage value), the series-parallel switching unit 6 is activated under the control of the series-parallel switching control unit 5, and the capacitors C1 and C2 are switched to parallel connection. It will be done. The capacitors C1 and C2 supply power to the load circuit 3 while being connected in parallel.

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。 Thereafter, when the voltage supplied from the capacitors C1 and C2 becomes lower than a predetermined voltage (second voltage value), the series-parallel switching section 6 is activated under the control of the series-parallel switching control section 5, and the capacitor C1 , C2 are switched to series connection. The power generated by the power generation element 2 is stored in the capacitors C1 and C2 again with the capacitors C1 and C2 connected in series.

<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。
<Configuration example of power storage system 100X according to comparative example>
Here, as a comparative example, a system that stores power generated by an energy harvesting element and supplies power to a load circuit will be described. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a power storage system 100X according to a comparative example. Note that in FIG. 2, components having the same functions as the power storage system 100 shown in FIG. 1 are given the same part numbers for convenience.

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。 The energy storage system 100X is a typical energy harvesting system. The energy storage system 100X stores the power generated by the energy harvesting element in the energy storage device 1X via the rectifier circuit 4, and supplies the stored power to the load circuit 3.

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。 As shown in FIG. 2, power storage device 1X includes a first power storage unit 101 that is a power generation side power storage unit, a power conversion circuit 102, and a second power storage unit 103 that is a power supply side power storage unit.

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。 The voltage stored in the first power storage unit 101 is converted into the operating voltage of the load circuit 3 by a power conversion circuit 102 such as a DC/DC converter, and then stored in the second power storage unit 103. Thereafter, the power stored in the second power storage unit 103 is supplied to the load circuit 3.

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
In such power storage device 1X, the following problems may occur.
(A): Occurrence of loss due to current consumption in the power conversion circuit 102 (B): Occurrence of loss due to conversion efficiency (C): Increase in number of components such as inductors

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。 More specifically, in power storage system 100X, it is necessary to convert the voltage up or down depending on the relationship between the voltage stored in first power storage unit 101 and the voltage stored in second power storage unit 103. For example, if the stored voltage of the second power storage unit 103 is higher than the stored voltage of the first power storage unit 101, step-up conversion is required, and in order to store power at a lower voltage, the power storage device It is necessary to increase the size of the 1X first power storage unit 101.

Figure 0007456100000001
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。
Figure 0007456100000001
Here, W is stored power, C is capacitor capacity, and V is stored voltage.

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)。 In addition, since the stored power is proportional to the square of the stored voltage, storage using the power generating element 2, which outputs high voltage and low current power generated by piezoelectric elements, power generating rubber, and electrostatic induction, is not efficient in increasing the stored voltage. Since the power consumption is poor and a loss occurs due to current consumption in the power conversion circuit 102, the power storage efficiency becomes low (A).

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)。 Next, if the stored voltage of the first power storage unit 101 is higher than the stored voltage of the second power storage unit 103, step-down conversion is required. In this case, based on (Formula 1), since electricity can be stored in the first power storage unit 101 at a high voltage, the first power storage unit 101 of the power storage device 1X can be made smaller and power can be stored at a high voltage. However, since a difference occurs between the stored voltage of the first power storage unit 101 and the stored voltage of the second power storage unit 103, the current consumption in the power conversion circuit 102 becomes a loss, and the power conversion efficiency decreases (B).

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。 As described above, in the power storage system 100X, the loss due to the increased current consumption in the power conversion circuit 102 and the loss due to voltage conversion become large, and the power storage device may become larger due to the increase in the number of components. Ta.

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。 In comparison, in the power storage system 100 according to the embodiment, power loss during voltage conversion can be suppressed by using the power storage unit 7 having a plurality of capacitors both during power storage and power supply. can.

<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。
<Example of power generating element>
Next, a description will be given of the operation of the power generating element 2 included in the power storage system 100. FIG.

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。 The power generating element 2 is made of power generating rubber or the like, and generates electric power by generating electric charges when subjected to peel force, friction force, vibration force, or deformation force. Further, the power generation element 2 may generate power using pressure.

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。 The amount of power generated by the power generation element 2 is a power generation voltage of 10 to 1000V (for example, 40V) and a power generation current of 50 nA to 100 μA (for example, 6 μA).

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。 As shown in FIG. 3, the power generating element 2 made of power generating rubber or a piezoelectric element has a high resistance and outputs a current due to a predetermined charge, so it can be approximated by a current source 21 and an internal resistance 22. The resistance value of the internal resistor 22 is 1 to 100 MΩ (megaohm) (for example, 10 MΩ).

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。 Here, the capacitor and resistive load connected to the power generation element 2 will be explained using FIGS. 4 and 5.

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。 FIG. 4(a) is an equivalent circuit diagram during power storage using the power generation element 2, and FIG. 4(b) is a diagram illustrating power storage efficiency depending on conditions for storing power in the capacitor.

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。 FIG. 4B shows a change in the ratio (%) of the power generated and stored by the power generation element 2 with the capacitor capacity, assuming that the maximum stored power is 100%.

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。 When the capacitor capacity is set to the area indicated by the white arrow in Figure 4(b), impedance matching is achieved between the capacitor and the power generating element 2 (output side), which consists of a constant current source and internal resistance, and power can be stored most efficiently. .

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。 Figure 5(a) is an equivalent circuit diagram when power is supplied from a resistive load using the power generating element 2, and Figure 5(b) is a diagram explaining the power supply efficiency depending on the conditions for supplying power to the resistive load.

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。 FIG. 5B shows a change in the ratio (%) of the power generated and supplied by the power generation element 2 with the resistance value of the load resistance, assuming that the maximum power supply is 100%.

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。 When the resistance value of the load resistor is set to the part indicated by the white arrow in FIG. (output side) and impedance matching can be achieved to provide the most efficient power supply.

<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。
<Example of capacitor connection>
Next, a connection example of capacitors C1 and C2 in power storage unit 7 will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a diagram showing an example of series connection of capacitors C1 and C2, and FIG. 7 is a diagram showing an example of parallel connection of capacitors C1 and C2.

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。 As shown in FIG. 6, the serial-parallel switching unit 6 includes three switches Sw1, Sw2, and Sw3. Power storage unit 7 includes two capacitors C1 and C2. A capacitor is an example of a power storage device, and various power storage devices such as an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, a lithium ion battery, or a lead storage battery can be used.

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。 As shown in FIG. 6, the switch Sw2 of the series-parallel switching section 6 is on and the switches Sw1 and Sw3 are off, so that the capacitors C1 and C2 of the power storage section 7 are connected in series.

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。 Further, as shown in FIG. 7, the switches Sw1 and Sw3 of the series-parallel switching section 6 are on and the switch Sw2 is off, so that the capacitors C1 and C2 of the power storage section 7 are connected in parallel.

<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。
<Configuration example of serial-parallel switching control section 5>
Next, the configuration of the serial-parallel switching control section 5 will be explained with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a diagram illustrating a first configuration example of the serial-parallel switching control section 5. As shown in FIG. As shown in FIG. 8, the series-parallel switching control section 5 includes a series-parallel switching control section 50, two resistors R1 and R2, and two switches Sw4 and Sw5.

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。 The series/parallel changeover switch control section 50 functions as a voltage monitoring circuit (an example of a voltage monitoring section) that monitors the input voltage Vin, which is a reference for switching between series and parallel, and outputs a control signal S1. Then, the serial/parallel changeover switch control section 50 generates a control signal S1 according to the detection result of the input voltage Vin to the terminal 11, and controls the switch Sw4 and the switch Sw5 with the generated control signal S1.

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。 Furthermore, in the series-parallel switching control section 5, the resistor R1 and switch Sw4 form an inverter 51 driven by high impedance, and the resistor R2 and switch Sw5 form an inverter 52 driven by high impedance. The switches Sw4 and Sw5 are configured by, for example, Nch (N channel) transistors such as FETs (Field Effect Transistors).

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。 The serial-parallel switching control section 5 generates a control signal φ1 for controlling the serial-parallel switching section 6, and outputs it from the terminal 53. Further, the serial-parallel switching control section 5 generates a control signal φ2 for controlling the serial-parallel switching section 6, and outputs this from the terminal 54.

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。 In the serial-parallel switching control section 5, the serial-parallel switching control section 50 and the inverter 51 function as a hysteresis generation circuit H. The hysteresis generation circuit H quickly detects changes in the input voltage Vin, and also applies hysteresis to the switching threshold to prevent the signal from switching unstablely once it has switched from Low level to High level (or from High level to Low level). (difference) is established. In the embodiment, when the input voltage Vin increases and reaches a predetermined first voltage value, the hysteresis generation circuit H switches the control signal φ1 from High level to Low level. Further, when the input voltage Vin decreases from the first voltage value and reaches a predetermined second voltage value, the control signal φ1 is switched from the Low level to the High level. More details will be described later in conjunction with FIG.

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。 In the embodiment, by using a high-impedance resistor R1 for the inverter 51 and a high-impedance resistor R2 for the inverter 52, a high-impedance output that is a high voltage and low current generated by a piezoelectric element or electrostatic induction is achieved. It is possible to drive the circuit of the power storage device 1 even with the power generating element 2 . The resistance values of the resistors R1 and R2 are 1MΩ to 500MΩ, etc.

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。
Next, FIG. 9 is a diagram illustrating a second configuration example of the series/parallel switching control unit 5. In FIG.
The series-parallel switching control section 5A shown in FIG. 9 includes a series-parallel switching control section 50, two constant current sources IC1 and IC2, and two switches Sw4 and Sw5.

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。 Further, in the series/parallel switching control section 5A, the constant current source IC1 and the switch Sw4 form a high impedance driven inverter 51A, and the constant current source IC2 and the switch Sw5 form a high impedance driven inverter 52A. The switches Sw4 and Sw5 are composed of Nch (N channel) transistors and the like.

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。 The control signal S1 generated by the serial-parallel changeover switch control section 50 controls the switches Sw4 and Sw5, and generates the control signal φ1 that controls the serial-parallel changeover section 6 and outputs it from the terminal 53. A control signal φ2 for controlling the section 6 is generated and outputted from 54. In the serial-parallel switching control section 5A, the serial-parallel switching control section 50 and the inverter 51A function as a hysteresis generation circuit H.

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。 In the embodiment, by using the high impedance constant current source IC1 for the inverter 51A and the high impedance constant current source IC2 for the inverter 52A, high voltage and low current generated by piezoelectric elements and electrostatic induction can be generated. Even a certain high-impedance output power generating element 2 can drive the circuit of the power storage device 1. The current value generated by each of the constant current sources IC1 and IC2 is 10 nA to 100 μA or the like.

<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。
<Example of circuit configuration of power storage device 1>
Next, the circuit configuration of power storage device 1 will be explained. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of power storage device 1.

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。 As shown in FIG. 10, power storage device 1 includes a serial-parallel switching control section 5B, a serial-parallel switching section 6, a power storage section 7, and an output switch section 8 (an example of an output section). Note that the power storage device 1 may be combined into one IC and configured as a power storage IC.

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。 The serial-parallel switching control section 5B includes a serial-parallel switching control section 50B, two depletion type transistors Tr1 and Tr3, and two Nch transistors Tr2 and Tr4.

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。 In the embodiment, the series/parallel changeover switch control section 50B includes an Nch transistor Tr5 and three resistors R3, R4, and R5. The three resistors R3, R4, and R5 are high resistance resistors with high resistance values (high impedance). The Nch transistor Tr5 is a hysteresis generating switch, and a signal indicating the state of the load circuit 3 may be input thereto.

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。 The series/parallel changeover switch control unit 50B monitors the input voltage Vin, which is a voltage for switching from series connection to parallel connection, and outputs a control signal S1.

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。 The serial-parallel switching control section 5B includes two inverters 51B and 52B that are controlled by a control signal (S1) generated by the serial-parallel switching control section 50B.

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。 The inverter 51B includes a depletion type transistor Tr1 and an Nch transistor Tr2. Control signal φ1 from inverter 51B is taken out at terminal 53.

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。 The series/parallel changeover switch control section 50B and the inverter 51B constitute a hysteresis generation circuit H. The inverter 52B is composed of a depletion type transistor Tr3 and an Nch transistor Tr4. Control signal φ2 from inverter 52 is taken out at terminal 54. Note that each of the inverters 51B and 52B may be configured to include an Nch transistor and a resistor.

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。 Note that the depletion type transistors Tr1 and Tr3 function as constant current sources IC1 and IC2 in FIG. 9. Nch transistors Tr2 and Tr4 function as switches Sw4 and Sw5 in FIG. 9.

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。 During the charge storage period, the series-parallel switching control unit 5B outputs a high-level control signal φ1 and a low-level control signal φ2 to connect the multiple capacitors C1 and C2 in series. Then, when the input voltage Vin reaches a predetermined first voltage value, it outputs a low-level control signal φ1 and a high-level control signal φ2 to connect the capacitors C1 and C2 in parallel.

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。 Thereafter, when the voltage Vin decreases and becomes smaller than a predetermined second voltage value due to power usage by the load circuit, a high-level control signal φ1 and a low-level control signal φ2 are activated to connect the capacitors C1 and C2 in series. Output.

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。 Further, the serial-parallel switching section 6 is formed by a Pch (P channel) transistor Tr6, an Nch transistor Tr7, and analog switches Tr8 and Tr9.

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。 In the series/parallel switching unit 6, the Pch transistor Tr6 corresponds to the switch Sw1 in FIGS. 6 and 7, the Nch transistor Tr7 corresponds to the switch Sw3, and the switch Sw2 is an analog switch consisting of two transistors Tr8 and Tr9. has been done.

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。 By configuring the series-parallel switching section 6 and the output switch section 8 using transistors that are analog switches, no voltage loss (potential difference) occurs. For comparison, if the switch is constructed with a diode, voltage loss occurs. By configuring the serial-parallel switching section 6 and the output switch section 8 using transistors that are analog switches, it becomes possible to operate the switches without a potential difference.

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。 In the series-parallel switching unit 6, the Pch transistor Tr6 and the Nch transistor Tr7 may be replaced with diodes. For the Pch transistor Tr6, the cathode of the diode is connected to the Vin line and the anode is connected to one terminal of the analog switch, and for the Nch transistor Tr7, the cathode of the diode is connected to one terminal of the analog switch and the anode is connected to the GND line.

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。 Furthermore, in the series-parallel switching section 6, the Pch transistor Tr6 and the Nch transistor Tr7 may be connected in parallel with the diode. For the Pch transistor Tr6, connect the cathode of the diode to the Vin line and the anode to one terminal of the analog switch, and for the Nch transistor Tr7, connect the cathode of the diode to one terminal of the analog switch and the anode to the GND line. Connect to.

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。 Although not shown in FIG. 1 described above, the power storage device 1 may include an output switch section 8 for supplying power to the load circuit 3 when connected in parallel, as shown in FIG. 10. The output switch section 8 is formed of an analog switch including a Pch transistor Tr10 and an Nch transistor Tr11.

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。 In the power storage device 1, the output switch section 8 that supplies power to the load circuit when connected in parallel may be configured only with the Pch transistor Tr10.

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。 In power storage device 1, since high resistance and constant current transistors are used that have high resistance, series-parallel switching control section 5B has high impedance (high impedance). Therefore, power storage device 1 can be driven with even lower current (for example, 60 nA) than power generation element 2 which generates power at high voltage and low current (for example, 400 V, 6 μA).

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。 In the configuration of FIG. 10, the total impedance of the elements constituting the series-parallel switching control section 5B, the series-parallel switching section 6, and the output switch section 8 can be made equal to or greater than the internal impedance of the power generation element 2. Thereby, the drive power consumption required for serial-parallel switching of power storage device 1 can be suppressed, and power storage efficiency can be increased.

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。 Since the elements constituting the serial-parallel switching section 6 and the output switch section 8 are composed of MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors, the serial-parallel switching section 6 and the output switch section 8 are controlled by the serial-parallel switching control section 5B. The power consumed in 8 is only the power for driving the gate of the MOS transistor when the switch section is on and off, and the power storage efficiency can be increased.

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。 Furthermore, the impedance of power storage device 1 during power storage is higher than the impedance of power storage device 1 during power supply. Therefore, the power storage device 1 can store power at high voltage and low current, and can improve power storage efficiency. Further, when power is supplied, the power supply voltage of the power storage device 1 is, for example, 3V, and it is possible to drive an electronic device such as a CPU that requires a current consumption of several mA.

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。 In FIG. 10, the inverters 51B and 52B composed of depletion type transistors and Nch transistors have a two-stage configuration, but if a gain is required, the number of stages of similar inverters may be increased. In that case, it is preferable to synchronize the signal change timings of the control signal φ1 of the inverter 51B and the control signal φ2 of the inverter 52B with the switch switching timing of the serial-parallel switching unit 6.

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。 Here, the flow of current in power storage device 1 of FIG. 10 will be explained with reference to FIG. 11. FIG. 11 is a circuit diagram showing the flow of current in the power storage device 1. (a) is a diagram showing a state in which capacitors C1 and C2 are connected in series during power storage, and (b) is a diagram showing a state in which capacitors C1 and C2 are connected in series during power supply. FIG.

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。 Since the control signal φ1 is input to the gate of the Pch transistor Tr6 constituting the switch Sw1, the control signal φ1 is at a low level, that is, turned on during power supply.

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。 Since the control signal φ2 is input to the gate of the Nch transistor Tr7 constituting the switch Sw3, the control signal φ2 is turned on at a high level, that is, when power is supplied.

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。 A control signal φ2 is input to the gate of the Pch transistor Tr8 constituting the switch Sw2, and a control signal φ2 is input to the gate of the Nch transistor Tr9. Therefore, the switch Sw2 is turned on when the control signal φ2 is at a low level and the control signal φ1 is at a high level, that is, when power is stored.

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。 Further, in the switch Sw4 of the output switch unit 8, the control signal φ1 is input to the gate of the Pch transistor Tr10, and the control signal φ2 is input to the gate of the Nch transistor Tr11. Therefore, the switch Sw4 is turned on when the control signal φ1 is at a low level and the control signal φ2 is at a high level, that is, when power is supplied to the load circuit 3.

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。 Current flows through the switches Sw1, Sw2, and Sw3 included in the series/parallel switching section 6 and the switch Sw4 of the output switch section 8 in order to change the states of the switches only when switching between series and parallel. Therefore, current consumption during power storage and power supply can be reduced.

<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。
<Example of circuit configuration of power storage system 100>
Next, the circuit configuration of power storage system 100 will be described with reference to FIG. 12. FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of power storage system 100.

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。 The rectifier circuit 4 is constituted by a diode bridge consisting of four diodes D1, D2, D3, and D4. The rectifier circuit 4 performs full-wave rectification of the AC power output from the power generation element 2.

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。 The rectified power is stored in the capacitors C1 and C2 connected in series in the power storage device 1, and when the first voltage value is reached, the capacitors C1 and C2 in FIG. 11(b) are switched to a state in which they are connected in parallel. , the power stored in the capacitors C1 and C2 is supplied to the load circuit 3.

<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。
<Example of IC conversion>
Next, an example in which the power storage system 100 is integrated into an IC will be described with reference to FIG. 13. FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the configuration of an IC-based power storage system 100C including a control circuit based on the communication module 31.

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。 As shown in FIG. 13, load circuit 3 in power storage system 100C includes a communication module 31 and a sensor 32. Furthermore, the power storage device 1C includes a serial-parallel switching IC 9 in which a serial-parallel switching control section 5, a serial-parallel switching section 6, and an output switch section 8 are integrated.

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。 The serial-parallel switching IC 9 has a function of controlling the timing of serial-parallel switching in cooperation with the communication module 31 equipped with a microcomputer. The power storage system 100C supplies power to the communication module 31 and the sensor 32 using the output voltage Vout of the series-parallel switching IC 9.

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SST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。 When the capacitors C1 and C2 are connected in parallel, the series-parallel switching IC 9 outputs a signal SST to the microcomputer included in the communication module 31 to indicate that they are connected in parallel, and the communication module 31 is powered on. Let us know that it is possible.

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SEND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SEND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。 After the system operation of the communication module 31 is completed, at a predetermined timing, the communication module 31 outputs a signal SEND to the series/parallel switching IC 9 indicating that power supply is no longer required to the microcomputer, instructing it to shift to power storage. do. Upon receiving the instruction, power storage device 1 switches capacitors C1 and C2 to a series connection state and starts charging. Here, the signal S END is a signal that changes the connection of the capacitors C1 and C2 from parallel to series by controlling the voltage at the gate of the Nch transistor Tr5 of the series-parallel switching control section 5 in FIG.

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。 With the configuration of the power storage system 100C, the power storage device 1C can improve power storage efficiency by cooperating with the CPU on the load side.

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。 Moreover, the power storage system 100C can also utilize the result of signal processing of the signal from the sensor 32 by a microcomputer provided in the communication module 31 as an IoT edge terminal through communication means such as wireless.

<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。
<Operation of power storage device 1>
Next, the operation of power storage device 1 will be explained with reference to FIG. 14. FIG. 14 is a timing chart showing an example of the serial-parallel switching operation of power storage device 1.

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。 Electric power generated by power generation element 2 is rectified by rectifier circuit 4 and input to power storage device 1 .

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。 At time T0, capacitors C1 and C2 are not charged.

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。 At time T1, when the rectified power starts to be input to the power storage device 1, the circuit is activated by the power outputted from the power generation element 2 at high impedance because the series/parallel switching control section 5B has a high impedance configuration. Control signals φ1 and φ2 are generated.

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。 When power storage starts, the control signal φ1 becomes High level, the control signal φ2 becomes Low level, the series/parallel switching section 6 is activated, switches Sw1 and Sw3 are turned off, switch Sw2 is turned on, and the capacitor of the power storage section 7 is turned off. C1 and C2 are connected in series.

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=VC1+VC2)の状態から(Vin=VC1=VC2)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、VC1はコンデンサC1の蓄電電圧、VC2はコンデンサC2の蓄電電圧である。 When the input voltage Vin, which is the power from the power generation element 2, reaches 10V (first voltage value) in a state where the capacitors C1 and C2 are connected in series, the series/parallel changeover switch control section 50B operates at time T2, The control signal φ1 is switched to Low level, and the control signal φ2 is switched to High level. In response to this, the series/parallel switching section 6 is activated, the switch Sw2 is turned off, the switches Sw1 and Sw3 are turned on, and the capacitors C1 and C2 in the power storage section 7 are connected in parallel. When capacitors C1 and C2 switch from series connection to parallel connection, the voltage changes from the state of (Vin=V C1 +V C2 ) to the state of (Vin=V C1 =V C2 ), so the storage voltage (input voltage Vin) is reduced by half (10V ⇒ 5V). Here, V C1 is the voltage stored in the capacitor C1, and V C2 is the voltage stored in the capacitor C2.

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。 At time T3, when the load circuit 3 is driven, power (output voltage Vout) is supplied to the load circuit 3, and the input voltage Vin also decreases.

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。 Note that here, it is assumed that no power is input from the power generation element 2 from time T2 to time T4.

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。 When the input voltage Vin decreases and reaches 2V (second voltage value), at time T4, the control signal φ1 becomes High level, the control signal φ2 becomes Low level, switches Sw1 and Sw3 are off, and switch Sw2 is on. As a result, the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are connected in series, and the power from the power generation element 2 is stored.

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。 After this, when the input voltage Vin increases and reaches 10V, the capacitors C1 and C2 are switched to parallel connection.

以上の動作が継続して行われる。 The above operation continues.

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。 Here, although FIG. 14 shows an example in which the timing at which the input voltage Vin becomes 10V is time T2, and the timing at which the input voltage Vin becomes 2V is time T4, the first voltage value corresponding to time T2 and T4 is and the second voltage value are not limited to these. By changing the resistance values of the resistors R3, R4, and R5 of the series/parallel changeover switch control section 50B, each of the first voltage value and the second voltage value can be set to an arbitrary voltage.

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。 It is also possible to continue inputting power from the power generation elements 2 in parallel. In that case, the voltage drop of the input voltage Vin from time T3 to time T4 may be gradual or may increase.

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。 Next, an example of the operation of the power storage system 100C (see FIG. 13) will be described with reference to the right side of FIG. 14. In the power storage system 100C, the operation from time T0 to time T5 is the same.

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SST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。 At time T6, the serial-parallel switching IC 9 outputs a signal SST indicating that the parallel state has been established to the microcomputer included in the communication module 31, and notifies the communication module 31 that power can be supplied. . Note that in FIG. 14, the periods from time T3 to T4 and from time T6 to T7 are the load circuit operation period (power supply period, system operation period) during which the power storage device 1 is synchronizing with the communication module 31 and feeding power to the communication module 31. ).

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SEND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。 After the system operation of the communication module 31 is completed at time T7, when the signal SEND is input from the communication module 31 to the series/parallel switching IC9 at time T8, the capacitors C1 and C2 are switched to the series connection state, Charging will start.

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SEND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SEND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。 When power storage device 1 operates in cooperation with communication module 31, power supply is stopped during the power supply period when the voltage drops to 2V or when signal SEND is output, whichever comes first. In the example of FIG. 14, since the signal SEND was output before the voltage dropped to 2V, the power supply was stopped at that point, the connection state of capacitors C1 and C2 was switched in series, and the state was shifted to power storage operation. There is.

<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。
<Example of stored power>
Here, the electric power stored in the capacitor will be explained.

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。 The electric power W(J) that can be stored in the capacitor can be expressed by the following (Formula 1).

Figure 0007456100000002
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。
Figure 0007456100000002
Further, when n capacitors are connected in series, the capacitance Csn can be expressed by the following (Formula 2).

Figure 0007456100000003
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。
Figure 0007456100000003
When n capacitors are connected in parallel, the capacitance Cpn can be expressed by the following (Equation 3).

Figure 0007456100000004
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。
Figure 0007456100000004
The electric power Ws that can be stored by connecting n capacitors in series can be expressed by the following (Equation 4).

Figure 0007456100000005
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。
Figure 0007456100000005
The power Wp that can be stored by connecting n capacitors in parallel can be expressed by the following (Formula 5).

Figure 0007456100000006
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。
Figure 0007456100000006
For example, specifically, if n = 2, C = 1 (μF; microfarad), and V = 5 (V; volt), the power Ws that can be stored by connecting two capacitors in series is calculated using the following (Equation 6). It can be calculated as follows.

Figure 0007456100000007
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。
Figure 0007456100000007
The electric power Wp that can be stored by connecting two capacitors in parallel can be calculated as shown in (Equation 7) below.

Figure 0007456100000008
Figure 0007456100000008

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。 As described above, Ws=Wp, and the same amount of power can be stored in the capacitors even if n capacitors of the same capacity are stored in series or in parallel. In order to store electricity in n capacitors connected in series, it is necessary to store electricity at a high voltage n×V (V).

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。 On the other hand, in systems such as IoT, the stored power is required to drive a CPU or supply power to electronic devices connected to sensors and the like. These devices are required to be driven by about 1 to 3 lithium batteries, for example, with a voltage of about 3 to 10 V and a current of about several μA to several mA.

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。 Here, n capacitors with the same capacity C are connected in series to store electricity in a high impedance state, and by switching those capacitors from series connection to parallel connection, the power stored in the capacitors can be maintained and the voltage can be lowered. It is possible to drive IoT systems etc. in a low impedance state.

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。 When the resistance value of the resistor provided on the circuit is R, the impedance Z is defined by the following (Equation 8).

Figure 0007456100000009
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。
Figure 0007456100000009
Since the impedance Zsn of the circuit when n capacitors are connected in series is expressed as in (Formula 2), it can be expressed as in (Formula 9) below.

Figure 0007456100000010
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。
Figure 0007456100000010
Since the impedance Zpn of the circuit when n capacitors are connected in parallel is expressed as in (Formula 3), it can be expressed as in (Formula 10) below.

Figure 0007456100000011
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。
Figure 0007456100000011
becomes. Here, if the resistance value R of the resistor provided on the circuit is reduced, the impedance Zns (Formula 9) when connected in series becomes high, and the impedance Zpn (Formula 10) when connected in parallel becomes low.

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。 As described above, by switching the capacitors in series, electricity is stored at high impedance at a high voltage n×V (V) from (Equation 4) and (Equation 9) during power storage, and (Equation 5) during power supply. From (Equation 10), power can be efficiently supplied to the load circuit with a low voltage V (V).

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。 When power is generated by electrostatic induction in piezoelectric elements or power generating rubber, a high voltage of several tens of volts to several hundred volts is generated. Furthermore, the output current is a low current in the order of nA to μA, and can be seen as a constant current power supply with high output impedance. Therefore, the power stored in a capacitor at a high voltage using a piezoelectric element or electrostatic induction is converted with high efficiency into power supplied to a load circuit driven with a voltage of about 3 to 10 V and a current of several μA to several mA. A circuit is required to do this.

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。 Here, Figure 15 shows, as a comparative example, the progress of the current during storage and power supply when the capacitance of the capacitor is fixed, and Figure 16 shows the progress of the current during storage and power supply when the capacitance of the capacitor is switched between series and parallel as in the embodiment.

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。 More specifically, FIG. 15(a) is a circuit diagram in which the capacity of the capacitor is fixed, and FIG. 15(b) is a diagram showing the storage current and voltage in the state of FIG. 15(a), and the voltage between the capacitor terminals during power supply. FIG.

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。 Figure 15 shows an example in which one capacitor with a capacity of 0.25 μF is used and the device operates at a capacity of 0.25 μF both during charging and power supply.

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。 Generally, the driving voltage for CPU operation, sensor driving, and wireless transmission IC is about 2 to 5V. As shown in FIG. 15(b), in the comparative example, the voltage value suddenly drops due to the small capacity stored in the capacitor during power supply, and the time when the voltage value is in the range of 2 to 4.5 V is 20 ms. It is. Therefore, power can only be used for 20ms.

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。 In contrast, Figure 16(a) is a circuit diagram for switching between series and parallel capacitors, and Figure 16(b) is a diagram showing the changes in the storage current and storage voltage in the state of Figure 16(a), and the voltage between the capacitor terminals when power is supplied.

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。 Figure 16 shows an example in which two capacitors with a capacitance of 0.5 μF are connected in series and operated with a capacitance of 0.25 μF during charging, and are connected in parallel and operated with a capacitance of 1.0 μF during power supply. There is.

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。 As shown in FIG. 16(b), in the embodiment, when power is supplied, by switching the capacitors from series connection to parallel connection, the voltage value is halved at the time of switching, but after that, power supply using a capacitor with a large capacity The voltage value drops slowly, so the time period during which the voltage value is in the range of 2 to 4.5 V is 84 ms. Compared to FIG. 15(b), although the capacity of the capacitor during charging is the same, switching from series connection to parallel connection increases the time during which power can be used during power supply by more than four times.

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。 As shown in FIG. 16, in the energy storage system according to the embodiment, by switching between series and parallel connection of the capacitors, during energy storage, it is possible to store energy with impedance matching at high voltage and high impedance. On the other hand, during power supply, it is possible to supply energy with impedance matching at low impedance at the voltage required for an IoT system or the like.

<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。
<Example of installing multiple capacitors in a power storage device>
Although the above describes the configuration in which the power storage device 1 includes two capacitors, the number of the plurality of capacitors is not limited to two. FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of a circuit that connects four capacitors in series. FIG. 17 shows an internal block of a power storage unit 70 including four capacitors and a four-series/parallel switching IC 90 that switches connections between the four capacitors.

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。 The serial-parallel changeover switch section 60 corresponds to the serial-parallel changeover section 6 of FIG. 10, and is composed of switch groups 61, 62, and 63. The switch groups 61 and 63 are turned on when the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected in parallel, and turned off when they are connected in series. The switch group 62 is turned on when the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected in series, and turned off when they are connected in parallel. Further, the switch 80 corresponds to the output switch section 8 in FIG.

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。 The series-parallel switching control section 5B' corresponds to the series-parallel switching control section 5B for switching two capacitors in FIG. and a master/slave switching circuit 55 for switching between the slave side and the slave side.

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。 Next, FIG. 18 is a diagram showing a configuration example of a capacitor multistage connection circuit. In FIG. 18, a capacitor multi-stage connection circuit 90E includes a 4-series/parallel switching master IC 91 and 4-series/parallel switching slave ICs 92, 93, 94, and 95.

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。 By providing the master IC 91 with the master/slave switching circuit 55 shown in FIG. 17, the four ICs 92, 93, 94, and 95 are configured to be connected in cascode as slave ICs, and the respective output voltages Vout can be switched in four series/parallel to the master IC 91. It can be connected to IC91 and multi-stage connection is possible.

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。 In this way, when performing multi-stage connection, the cascode connection is controlled in a master-slave manner. This allows more multi-stage capacitors to be connected, making it possible to further improve efficiency.

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。 As described above, the energy storage device according to the embodiment can detect the switching voltage at high voltage and low current, and can operate at high voltage and low current to switch between series and parallel connections and store energy with high efficiency.

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。 Note that in the above-described embodiment, the series-parallel switching control section 5 provided hysteresis for the control signal φ1 by providing the hysteresis generation circuit H therein, but the series-parallel switching control section 5 provides hysteresis. If possible, the hysteresis generation circuit may be provided outside the series/parallel switching control section 5.

[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。
[First embodiment]
Next, a power storage system 100a according to the first embodiment will be described.

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。 In the power storage system 100 according to the embodiment described above, the capacitors C1 and C2, which are switched to parallel connection during power supply, maintain the parallel connection state until the storage voltage becomes equal to or lower than the second voltage value. Therefore, when storing power after power supply to the load circuit ends, switching to series connection may not be possible until the stored power voltage becomes equal to or lower than the second voltage value, and the power storage efficiency may not increase.

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。 For example, in power storage device 1 (see Figure 1), when capacitors C1 and C2 are connected in parallel to supply power to load circuit 3, load circuit 3 stops operating and the output current becomes 0A (ampere). In this case, the capacitors C1 and C2 remain connected in parallel until the stored voltage becomes equal to or lower than the second voltage value. When power is input from the power generation element 2 in this state, the capacitors C1 and C2 store power in a parallel connection state, so that the power storage efficiency may not increase.

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。 In contrast, in this embodiment, the connection of the multiple power storage devices is switched from parallel to series based on the output current of a power storage unit having multiple power storage devices. For example, when the output current becomes equal to or lower than a first current value while the multiple power storage devices are connected in parallel, the connection of the multiple power storage devices is switched from parallel to series. This allows power to be stored in the multiple power storage devices connected in series without waiting for the storage voltage to become equal to or lower than a second voltage value, improving power storage efficiency.

<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。
<Configuration example of power storage system 100a>
The configuration of power storage system 100a will be described with reference to FIG. 19. FIG. 19 is a block diagram showing an example of the configuration of power storage system 100a.

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。 As shown in FIG. 19, the energy storage system 100a includes an energy storage device 1a. The energy storage device 1a also includes an output current series return control device 15 that includes an output current detection unit 13 and a series return control unit 14.

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。 Similar to the power storage system 100 described above, the power storage system 100a rectifies the power generated by the power generation element 2 by the rectifier circuit 4, and then stores the power by the capacitors C1 and C2 connected in series in the power storage unit 7. Then, when the stored voltage reaches the first voltage value, the series-parallel switching section 6 is activated under the control of the series-parallel switching control section 5, and the capacitors C1 and C2 are switched to parallel connection. Capacitors C1 and C2 supply power to the load circuit 3 in a parallel-connected state.

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。 Further, the output current detection unit 13 detects the current output from the power storage device 1a to the load circuit 3, and outputs the detection result to the series return control unit 14. The series return control unit 14 causes the series-parallel switching control unit 5 to connect the capacitors C1 and C2 when the output current detected by the output current detection unit 13 becomes equal to or less than a predetermined current value (first current value). Switch from parallel to series. The series-parallel switching section 6 operates under the control of the series-parallel switching control section 5, and the connection of the capacitors C1 and C2 is switched from parallel to series. The capacitors C1 and C2 are connected in series and store the power generated by the power generation element 2.

<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。
<Configuration example of power storage device 1a>
Next, an example of the circuit configuration of power storage device 1a will be described with reference to FIG. 20. FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of power storage device 1a.

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。 As shown in FIG. 20, the power storage device 1a includes a series-parallel switching control section 5B, a series-parallel switching section 6, a power storage section 7, an output switch section 8, an output current detection section 13, and a series return control section 14. Equipped with. Note that the power storage device 1a includes an IC in which a series-parallel switching control section 5B, a series-parallel switching section 6, a power storage section 7, an output switch section 8, an output current detection section 13, and a series return control section 14 are integrated. Good too.

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。 The output current detection unit 13 includes a Pch transistor Tr12, which is SW5, which is turned on during a period when the output current Iout is output, a Pch transistor Tr13 that detects the output current Iout, and a Pch transistor Tr14 that constitutes a current comparator. , and a depletion type transistor Tr15. Here, the Pch transistor Tr13 is an example of a "monitor transistor". Furthermore, the output current detection section 13 may include a resistor instead of the depletion transistor Tr15.

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。 Here, the current flowing through the depletion type transistor Tr15 becomes a constant current Itr15, and since the Pch transistor Tr14 and the depletion type transistor Tr15 operate as a current comparator, when the current Itr14 of the Pch transistor Tr14 is larger than the constant current Itr15, the output The signal φ3 becomes High level. On the other hand, when the current Itr14 is smaller than the constant current Itr15, the output signal φ3 becomes Low level. The first current value can be set by the transistor size ratio of the Pch transistor Tr14 and the depletion type transistor Tr15.

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。 Furthermore, since the output current of power storage device 1a depends on the size of Pch transistor Tr10, which is Sw4, the first current value can be set by adjusting the size ratio of Pch transistor Tr10 and Pch transistor Tr13. However, since the Pch transistor Tr13 and the Pch transistor Tr14 are configured by a current mirror circuit, the size ratio of the Pch transistor Tr13 and the Pch transistor Tr14 may be adjusted.

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。 The series return control unit 14 includes an Nch transistor Tr17, which is Sw6, which is turned on during the period when the output current Iout is output, a depletion type transistor Tr16, which constitutes an inverter that generates the series return signal φ4, and an Nch transistor. Tr18, a capacitor C3, and an Nch transistor Tr19 that controls the series-parallel switching control section 5B. The series return control unit 14 may include a resistor instead of the depletion transistor Tr16.

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。 Here, when the output current Iout is larger than the first current value, the output signal φ3 is at High level and the series return signal φ4 is at Low level, but when the output current Iout becomes smaller than the first current value, the series return signal φ4 becomes High level, and the Nch transistor Tr19 is turned on. As a result, a high-level control signal φ1 and a low-level control signal φ2 for connecting the capacitors C1 and C2 in series are output to the series/parallel switching control section 5B.

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。 Further, the serial-parallel switching unit 6 includes a Pch transistor Tr6, an Nch transistor Tr7, and analog switches Tr8 and Tr9.

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。 Here, FIGS. 21A to 21B show the flow of current in power storage device 1A of FIG. 20. FIG. 21A is a diagram showing the flow of current during power storage, and FIG. 21B is a diagram showing the flow of current during power supply.

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。 Since the control signal φ1 is input to the gate of the Pch transistor Tr6 constituting the switch Sw1, the control signal φ1 is at a low level, that is, turned on during power supply.

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。 The control signal φ2 is input to the gate of the Nch transistor Tr7 that constitutes the switch Sw2, so that the control signal φ2 is at a high level, i.e., when power is being supplied, the transistor is turned on.

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。 A control signal φ2 is input to the gate of the Pch transistor Tr8 constituting the switch Sw3, and a control signal φ1 is input to the gate of the Nch transistor Tr9. Therefore, the switch Sw3 is turned on when the control signal φ2 is at a low level and the control signal φ1 is at a high level, that is, when power is stored.

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。 Further, in the switch Sw4 of the output switch unit 8, the control signal φ1 is input to the gate of the Pch transistor Tr10, and the control signal φ2 is input to the gate of the Nch transistor Tr11. Therefore, the switch Sw4 is turned on when the control signal φ1 is at a low level and the control signal φ2 is at a high level, that is, when power is supplied to the load circuit 3.

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。 A control signal φ1 is input to the gate of the Pch transistor Tr12 constituting the switch Sw5. The switch Sw5 is turned on when the control signal φ1 is at a low level, that is, when power is supplied to the load circuit 3.

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。 A control signal φ2 is input to the gate of the Nch transistor Tr17 constituting the switch Sw6. The switch Sw6 is turned on when the control signal φ2 is at a high level, that is, when power is supplied to the load circuit 3.

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。 The switches Sw1, Sw2, and Sw3 included in the series/parallel switching section 6, the switch Sw4 of the output switch section 8, the switch Sw5 of the output current detection section 13, and the switch Sw6 of the series return control section are set only when switching between series and parallel. , a current flows to change the state of the switch. Therefore, current consumption during power storage and power supply can be reduced.

<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。
<Example of operation of power storage device 1a in the first embodiment>
Next, the operation of power storage device 1a will be explained with reference to FIG. 22. FIG. 22 is a timing chart showing an example of the operation of power storage device 1a in this embodiment.

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。 The electric power generated by the power generation element 2 is rectified by the rectifier circuit 4, and is supplied to the power storage device 1a.

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。 At time T0, capacitors C1 and C2 are not charged.

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。 At time T1, when the rectified power starts to be supplied to the power storage device 1a, the series-parallel switching control unit 5B is in a high impedance configuration, so the circuit is started by the power output at high impedance from the power generating element 2, and control signals φ1 and φ2 are generated.

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。 When power storage starts, the control signal φ1 becomes High level, the control signal φ2 becomes Low level, the series/parallel switching unit 6 is activated, switches Sw1 and Sw3 are turned off, switch Sw2 is turned on, and the power storage unit 7 is turned off. Capacitors C1 and C2 are connected in series. Furthermore, the output signal φ3 from the output current detection section 13 becomes Low level, and the series return signal φ4 from the series return control section 14 becomes Low level.

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=VC1+VC2)の状態から(Vin=VC1=VC2)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)。 When the capacitors C1 and C2 are connected in series and the input voltage Vin, which is the power from the power generating element 2, reaches 10V (becomes equal to or greater than the first voltage value), at time T2, the series-parallel changeover switch control unit 50B operates, switching the control signal φ1 to a low level and the control signal φ2 to a high level. In response to this, the series-parallel changeover unit 6 operates, the switch Sw2 is turned off, the switches Sw1 and Sw3 are turned on, and the capacitors C1 and C2 are connected in parallel. When the capacitors C1 and C2 are switched from a series connection to a parallel connection, the voltage changes from (Vin=V C1 +V C2 ) to (Vin=V C1 =V C2 ), and the storage voltage (input voltage Vin) is reduced to half (10V⇒5V).

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。 At time T3, when the load circuit 3 is driven, power (output voltage Vout) is supplied to the load circuit 3. Further, the output signal φ3 from the output current detection section 13 becomes High level, and the serial return signal φ4 from the series return control section 14 becomes Low level. Furthermore, the input voltage Vin also decreases.

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。 Note that here, it is assumed that no power is input from the power generation element 2 from time T2 to time T4.

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。 When the input voltage Vin decreases and reaches 2V (second voltage value) at time T4, the control signal φ1 becomes High level, the control signal φ2 becomes Low level, switches Sw1 and Sw3 are turned off, and switch Sw2 is turned on. . Thereby, the capacitors C1 and C2 are connected in series, and the power from the power generation element 2 is stored. Further, the output of the output current Iout to the load circuit 3 is stopped, the output signal φ3 becomes Low level, and the series return signal φ4 becomes Low level.

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=VC1+VC2)の状態から(Vin=VC1=VC2)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)。 When the capacitors C1 and C2 are connected in series and the input voltage Vin, which is the power from the power generation element 2, reaches 10V, the series/parallel changeover switch control section 50B operates at time T5, and the control signal φ1 goes to Low level, and the control The signal φ2 switches to High level. In response to this, the series/parallel switching unit 6 is activated, the switch Sw2 is turned off, the switches Sw1 and Sw3 are turned on, and the capacitors C1 and C2 are connected in parallel. When the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are switched from series connection to parallel connection, the voltage changes from the state (Vin=V C1 +V C2 ) to the state (Vin=V C1 =V C2 ), so the storage voltage ( The input voltage Vin) is reduced by half (10V⇒5V).

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。 After that, at time T6, when the load circuit 3 is driven, power (output voltage Vout) is supplied to the load circuit 3, the output signal φ3 of the output current detection section 13 becomes High level, and the series return control section 14 returns to series. The signal φ4 becomes Low level. Furthermore, the input voltage Vin also decreases.

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。 Thereafter, at time T7, when the current in the load circuit 3 changes, the input voltage Vin decreases in accordance with the magnitude of the output current Iout.

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。 Note that here, it is assumed that no power is input from the power generation element 2 from time T5 to time T11.

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。 After that, at time T8, if the operation of the load circuit 3 stops and the output current Iout becomes 0A, or if the current of the load circuit 3 becomes 0.5 mA or less (first current value) or less, the output current The detection unit 13 detects the current flowing through the Pch transistor Tr13, and at time T9, the output signal φ3 of the output current detection unit 13 becomes Low level.

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。 After that, at time T10, the serial restoration signal φ4 by the serial restoration control section 14 becomes High level.

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。 Thereafter, at time T11, the serial/parallel changeover switch control section 50B operates, and the control signal φ1 is switched to High level and the control signal φ2 is switched to Low level. In response to this, the serial-parallel switching unit 6 is activated, the switch Sw2 is turned on, and the switches Sw1 and Sw3 are turned off. The capacitors C1 and C2 are connected in series, and the power from the power generating element 2 is stored.

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。 Thereafter, at time T12, the output signal φ3 of the output current detection section 13 becomes Low level, and the series return signal φ4 from the series return control section 14 becomes Low level.

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。 In this way, the power storage device 1a stores the power generated by the power generation element 2 in the capacitors C1 and C2 connected in series, and when the stored voltage reaches the first voltage value, the power storage device 1a stores the power generated by the power generation element 2 in the capacitors C1 and C2. Can be switched to parallel connection. Furthermore, the power storage device 1a can switch the connection of the capacitors C1 and C2 from parallel to series when the output current detected by the output current detection unit 13 becomes equal to or less than the first current value.

<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。
<Functions and Effects of Power Storage System 100a>
As described above, in this embodiment, the connection of the capacitors C1 and C2 is switched from parallel to series based on the output current of the power storage unit 7 having the capacitors C1 and C2. For example, when the capacitors C1 and C2 are connected in parallel during power supply from the power storage device 1a, if the output current becomes equal to or lower than the first current value, the connection of the capacitors C1 and C2 is switched from parallel to series. This allows the series-connected capacitors C1 and C2 to store the power from the power generating element 2 without waiting for the storage voltage to become equal to or lower than the second voltage value, and allows for more efficient power storage.

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。 The embodiment is particularly suitable for storing and supplying power from a low-frequency power generating element such as power generating rubber, but is not limited thereto. It can also be applied to power storage and power supply using high-frequency power generating elements such as energy harvesters.

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。 In the above example, the first current value of the output current detection section 13 was set to 0.5 mA, but it is not limited to this and can be changed arbitrarily.

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。 In addition, in FIG. 20, an example is shown in which the energy storage device 1a has two capacitors C1 and C2, but the number of capacitors is not limited to this and may be increased. Below, an energy storage device 1b having four capacitors will be described as a modified example of this embodiment.

(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。
(First modification)
FIG. 23 is a diagram illustrating an example of the circuit configuration of power storage device 1b according to the first modification.

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。 FIG. 23 shows an internal block of a power storage unit 70 including four capacitors and a four-series/parallel switching IC 90b that switches connections between the four capacitors.

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。 The serial-parallel changeover switch section 60 corresponds to the serial-parallel changeover section 6 of FIG. 20, and is composed of switch groups 61, 62, and 63. Each of the switch groups 61 and 63 is turned on when the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected in parallel, and turned off when they are connected in series. Further, the switch group 62 is turned on when the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected in series, and turned off when the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected in parallel. Switch 80 corresponds to output switch section 8 in FIG. 20.

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。 The series-to-parallel switching control section 5B' is the same as the series-to-parallel switching control section 5B for switching two capacitors in FIG. 20, and the output current detection section 13 and the series return control section 14 are the same as in FIG. 22. When capacitors are connected in series in multiple stages in a cascode connection as shown in FIG. 18, a master/slave switching circuit 55 is installed to switch between the master side and the slave side.

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。 By providing the master/slave switching circuit 55, a plurality of ICs can be connected in cascode as slave ICs, and each output voltage Vout can be connected to a four-series/parallel switching master IC, allowing multi-stage connection.

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。 In this way, when performing multi-stage connection, the cascode connection is controlled in a master-slave manner. This allows more multi-stage capacitors to be connected, making it possible to further improve efficiency.

[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。
[Second embodiment]
Next, a power storage system 100e according to a second embodiment will be described.

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。 In the power storage system 100 according to the embodiment described above, when the power storage device 1 is connected to a load-driven power storage device that can store and supply power, and the power stored in the power storage device 1 is stored in the load-driven power storage device, the load-driven power storage device The power storage device 1 maintains the state in which the plurality of capacitors are connected in parallel until the power storage voltage of the device becomes equal to or lower than the second voltage value. Therefore, until the storage voltage of the load-driven power storage device becomes equal to or lower than the second voltage value, power storage device 1 cannot be switched to a state in which a plurality of capacitors are connected in series, and the power storage efficiency may not increase.

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。 Furthermore, in the power storage system 100, when a plurality of capacitors are connected in series, power cannot be supplied to the load circuit, and the power supply efficiency may not be improved.

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。 On the other hand, in this embodiment, as in the first embodiment, the connection of the plurality of power storage devices is switched from parallel to series based on the output current of the power storage unit having the plurality of power storage devices. For example, when a plurality of power storage devices are connected in parallel and the output current becomes equal to or less than a first current value, the connection of the plurality of power storage devices is switched from parallel to series. Also, when connecting a load-driven power storage device and power storage device 1, power can be stored using multiple power storage devices connected in series without waiting for the power storage voltage of the load-driven power storage device to become equal to or lower than the second voltage value. , improve energy storage efficiency. Furthermore, it is possible to supply power to a load circuit with multiple capacitors connected in series, improving power supply efficiency.

<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。
<Example of configuration of power storage system 100e>
The configuration of power storage system 100e will be described with reference to FIG. 24. It is a block diagram showing an example of a composition of electricity storage system 100e. As shown in FIG. 24, power storage system 100e includes power storage device 1a and load-driven power storage device 10. The configuration of power storage device 1a is similar to that described in the first embodiment.

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。 In the power storage system 100e, the power generated by the power generation element 2 is rectified by the rectifier circuit 4, and then stored in series-connected capacitors C1 and C2 in the power storage unit 7. Thereafter, power is supplied to both the load driving power storage device 10 and the load circuit 3 in parallel with the capacitors C1 and C2 connected in parallel.

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。 Power storage device 1 a supplies power stored in power storage unit 7 to load driving power storage device 10 together with load circuit 3 .

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。 The load-driven power storage device 10 is a device that includes various power storage devices such as an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, a lithium ion battery, or a lead storage battery, and is capable of storing and supplying power. Load drive power storage device 10 supplies power to load circuit 3 to drive load circuit 3 .

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。 The method of controlling the power supply to the load circuit 3 by the load driving power storage device 10 is not particularly limited, but for example, it may be controlled based on a control signal from an external device, or the load driving power storage device 10 may be equipped with a timer. The power supply may be controlled to be supplied at predetermined time intervals based on the time measured by .

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=VC1=VC2=Voch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、Vochは負荷駆動蓄電装置10の蓄電電圧である。 As described above, when the stored voltage of the series-connected capacitors C1 and C2 reaches the first voltage value, the series-parallel switch 6 operates to connect the capacitors C1 and C2 in parallel. Then, the power stored in the capacitors C1 and C2 is supplied to and stored in the load driving power storage device 10 and is also supplied to the load circuit 3 so that Vin = V C1 = V C2 = V och is satisfied. Here, V och is the stored voltage of the load driving power storage device 10.

但し、負荷回路3の起動電圧を設定した場合は、蓄電電圧Voch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Voch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。 However, when the startup voltage of the load circuit 3 is set, if the storage voltage Voch is lower than the startup voltage of the load circuit 3, power is supplied only to the load driving storage device 10, and if the storage voltage Voch becomes equal to or higher than the startup voltage of the load circuit 3, power is supplied to both the load driving storage device 10 and the load circuit 3.

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。 Thereafter, when the stored voltage of the power storage unit 7 becomes equal to or lower than the second voltage value, the series-parallel switching unit 6 is activated under the control of the series-parallel switching control unit 5, and the capacitors C1 and C2 are switched to be connected in series. The capacitors C1 and C2 are connected in series and store the power generated by the power generation element 2.

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。 Further, output current detection section 13 detects the current output from power storage device 1a to load circuit 3 and load drive power storage device 10, and outputs the detection result to series return control section 14. The series return control unit 14 causes the series/parallel switching control unit 5 to switch the connection of the capacitors C1 and C2 from parallel to series when the output current detected by the output current detection unit 13 becomes equal to or less than the first current value. let The series-parallel switching section 6 operates under the control of the series-parallel switching control section 5, and the connection of the capacitors C1 and C2 is switched from parallel to series. The capacitors C1 and C2 are connected in series and store the power generated by the power generation element 2.

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。 The power storage device 1a supplies power to the load circuit 3 and the load driving power storage device 10, and either when the storage voltage of the power storage unit 7 becomes a first voltage or less, or when the output current becomes a first current value or less In one case, the capacitors C1 and C2 are switched to be connected in series, and the power generated by the power generating element 2 can be stored, so that charging can be performed efficiently.

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。 Furthermore, even when the power storage system 100e is storing power and power cannot be supplied from the power storage system 100e to the load circuit 3, the power stored in the load driving power storage device 10 can be supplied to the load circuit 3. It can be driven by

<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。
<Operation of power storage device 1a in second embodiment>
Next, the operation of power storage device 1a in this embodiment will be described with reference to FIG. 25. FIG. 25 is a timing chart showing an example of the operation of power storage device 1a in this embodiment. The operation up to time T1 is the same as that described with reference to FIG. 22, so a duplicate explanation will be omitted.

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=VC1+VC2)の状態から(Vin=VC1=VC2)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。 When the capacitors C1 and C2 are in series and the input voltage Vin, which is the power from the power generation element 2, reaches 10V (first voltage), the series/parallel changeover switch control section 50B operates at time T2, and the control signal φ1 changes. The low level control signal φ2 switches to high level. In response to this, the series/parallel switching unit 6 is activated, the switch Sw2 is turned off, the switches Sw1 and Sw3 are turned on, and the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are connected in parallel. When the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are switched from series connection to parallel connection, the voltage changes from the state (Vin=V C1 +V C2 ) to the state (Vin=V C1 =V C2 ), so the storage voltage ( At the same time, the input voltage Vin) is reduced by half (from 10 V to 5 V), and at the same time, the power stored in capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 is supplied to the load circuit 3 and the load drive power storage device 10, and the potential of the load drive power storage device 10 is increased. rises.

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。 Further, at time T2, the output current Iout of the power storage device 1a starts flowing, and at time T3, the output signal φ3 of the output current detection section 13 becomes High level, and the series return signal φ4 from the series return control section 14 becomes Low level. . Furthermore, the input voltage Vin also decreases.

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。 Note that here, it is assumed that no power is input from the power generation element 2 from time T2 to time T4. Further, it is assumed that no power is supplied to the load circuit 3.

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。 When the input voltage Vin decreases and reaches 2V at time T4, the control signal φ1 goes to High level, the control signal φ2 goes to Low level, switches Sw1 and Sw3 are turned off, and switch Sw2 is turned on, so that the power storage unit 7 is turned off. Capacitors C1 and C2 are connected in series to store power from power generating element 2.

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。 Further, at time T4, the output of the output current Iout to the load circuit 3 and the load driving power storage device 10 is stopped, and at time T5, the output signal φ3 becomes Low level and the series return signal φ4 becomes Low level.

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=VC1+VC2)の状態から(Vin=VC1=VC2)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。 When the capacitors C1 and C2 are in a series state and the input voltage Vin, which is the power from the power generating element 2, reaches 10V, the series/parallel changeover switch control section 50B operates at time T6, and the control signal φ1 goes to Low level, and the control signal φ2 switches to High level. In response to this, the series/parallel switching unit 6 is activated, the switch Sw2 is turned off, the switches Sw1 and Sw3 are turned on, and the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are connected in parallel. When the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are switched from series connection to parallel connection, the voltage changes from the state (Vin=V C1 +V C2 ) to the state (Vin=V C1 =V C2 ), so the storage voltage ( At the same time, the input voltage Vin) is reduced by half (from 10 V to 5 V), and at the same time, the power stored in capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 is supplied to the load circuit 3 and the load drive power storage device 10, and the potential of the load drive power storage device 10 is increased. rises.

負荷駆動蓄電装置10の電圧Voch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。 As the potential of the voltage V och of the load driving power storage device 10 increases, the input voltage Vin becomes 2V or more at time T8. Thereafter, when the output current Iout of the power storage device 1a decreases to 5 mA or less, at time T9, the output signal φ3 of the output current detection section 13 becomes Low level, and at the time T10, the series recovery signal φ4 from the series recovery control section 14 becomes High level.

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。 After that, at time T11, the control signal φ1 becomes High level, the control signal φ2 becomes Low level, the switches Sw1 and Sw3 are turned off, and the switch Sw2 is turned on. Thereby, the capacitors C1 and C2 are connected in series, and the power from the power generation element 2 is stored.

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。 Thereafter, at time T12, the serial restoration signal φ4 by the serial restoration control unit 14 becomes High level.

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。 Note that here, it is assumed that no power is input from the power generation element 2 from time T6 to time T11. Further, it is assumed that the power supplied to the load circuit 3 is smaller than 5 mA.

以上の動作が継続して行われる。 The above operation continues.

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。 In this way, even when connecting the load-driven power storage device and the power storage device 1, the power storage device 1a can be connected in series without waiting for the storage voltage of the load-driven power storage device to become equal to or lower than the second voltage value. Power can be stored using multiple power storage devices. Additionally, power can be supplied to a load circuit with multiple capacitors connected in series.

<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。
<Effects of power storage system 100e>
As explained above, in this embodiment, even when connecting the load-driven power storage device and the power storage device 1, the series connection is performed without waiting for the storage voltage of the load-driven power storage device to become equal to or lower than the second voltage value. Power can be stored using multiple connected power storage devices, and power storage efficiency can be improved. Furthermore, it is possible to supply power to a load circuit with a plurality of capacitors connected in series, thereby improving power supply efficiency.

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。 Note that in the above example, the first current detection value of the output current detection section 13 was set to 5 mA, but it can be changed arbitrarily. In addition, the capacitance values, the first voltage value, the second voltage value, and the storage voltage of the load driving power storage device 10 of the capacitors C1 and C2 of the power storage unit 7 are adjusted according to the current consumption of the load circuit 3. Can be set to any operating voltage range. Thereby, the load circuit 3 can be operated continuously regardless of the timing of power generation by the power generation element 2.

[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。
[Second modification]
In the above-mentioned example, a method based on a control signal from an external device and a method based on time measurement using a timer have been shown for controlling the power supply to the load circuit 3 by the load driving power storage device 10, but power supply control using a normally-off circuit is shown. You can also do
FIG. 26 is a block diagram showing an example of the configuration of a power storage system 100f including such a normally-off circuit. As shown in FIG. 26, the power storage system 100f includes a load circuit 3f and a normally-off circuit 36. The load circuit 3f also includes a memory 33, an MPU (Micro Processing Unit) 34, and a wireless device 35. An IoT device etc. can be mentioned as the load circuit 3f.

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。 The memory 33 stores various information such as various programs, data, measurement data acquired by IoT devices, and images. The memory 33 is composed of a storage device such as a volatile or nonvolatile semiconductor memory. Note that the memory 33 may include a ROM (Read Only Memory) and/or a RAM (Random Access Memory).

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。 The MPU 34 is composed of a processor and the like, and controls the operation of each part of the load circuit 3 and the overall operation.

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。 The wireless device 35 is connected to other devices or devices and functions as an interface for transmitting and receiving information. The wireless device 35 may include a USB connector or the like.

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。 The normally-off circuit 36 is an electric circuit that normally cuts off power supply from the power storage device 1a and the load driving power storage device 10 to the load circuit 3f, and supplies power at the timing when it should be operated. The normally-off circuit 36 is configured to include MOSFETs and the like.

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。 With the configuration of the power storage system 100f, power consumption can be reduced by cutting off power supply during normal times and supplying power only when it is necessary to operate. This is particularly suitable for IoT devices, etc., which normally cut off power supply and often acquire data or transmit/receive data only at predetermined intervals or under predetermined conditions.

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。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and within the scope of the embodiments of the present invention described in the claims. Various modifications and changes are possible.

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。 In the above-mentioned example, all the components are configured by hardware such as electric circuits, but some functions may be implemented by software.

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。 Embodiments also include a controller. For example, the control device includes a plurality of power storage devices that store electric power, a series-parallel switching unit that switches the connection of the plurality of power storage devices to either series or parallel, and a series-parallel switching unit that controls switching by the series-parallel switching unit. A control device for controlling a power storage device including a parallel switching control unit, wherein the power storage device switches the connection of the plurality of power storage devices from parallel to series based on the output current of the power storage device. A control unit. With such a control device, effects similar to those of the power storage device described above can be obtained.

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
1, 1a Power storage device 2 Power generation element 3 Load circuit 33 Memory 34 MPU
35 Wireless device 4 Rectifier circuit (an example of a rectifier)
5 Series-to-parallel switching control unit 50 Series-to-parallel switching control unit (an example of a voltage monitoring unit)
51, 52 Inverter 55 Master/slave switching circuit 6 Series/parallel switching section 60 Series/parallel switching section 61, 62, 63 Switch group 7 Power storage section 8 Output switch section (an example of an output section)
9 Straight-to-parallel switching IC
91 Master IC
92, 93, 94, 95 Slave IC
10 Load drive power storage device 13 Output current detection section 14 Series return control section 15 Output current series return control device 31 Communication module 32 Sensors 100, 100C, 100a, 100e, 100f Power storage system C1, C2, C3, C4 Capacitor (power storage device)
H Hysteresis generation circuit Tr1, Tr3 Depletion type transistor Tr2, Tr4 Nch transistor φ1, φ2 Control signal φ3 Output signal φ4 Series return signal

特開2013-236506号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-236506

Claims (19)

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。
a power storage unit having a plurality of power storage devices for storing power;
a series/parallel switching unit that switches the connection of the plurality of power storage devices to either series or parallel;
a series/parallel switching control unit for controlling switching by the series/parallel switching unit;
a series recovery control unit that controls the series/parallel switching control unit so that a connection of the plurality of power storage devices is switched from parallel to series based on an output current of the power storage unit ;
the series/parallel switching control section includes a hysteresis generated by a hysteresis generating circuit,
The hysteresis generation circuit switches a control signal for controlling the series-parallel switching unit from a high level to a low level when the input voltage increases and reaches a predetermined first voltage value, and switches the control signal from a low level to a high level when the input voltage decreases and reaches a predetermined second voltage value different from the first voltage value.
Energy storage device.
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。
The straight-to-parallel switching section is
When storing electricity by the electricity storage unit, the plurality of electricity storage devices are connected in series,
The power storage device according to claim 1, wherein the plurality of power storage devices are connected in parallel when power is supplied from the power storage unit.
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。
comprising a voltage monitoring unit that monitors the input voltage to the power storage device,
The straight-to-parallel switching section is
switching the connection of the plurality of power storage devices from series to parallel when the input voltage becomes equal to or higher than a first voltage value during power storage by the power storage unit ;
2. The connection of the plurality of power storage devices is switched from parallel to series if the input voltage becomes equal to or lower than a second voltage value lower than the first voltage value when power is supplied from the power storage unit, or 2. The power storage device according to 2.
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。
The series return control section is
When the output current becomes equal to or less than a first current value in a state where the plurality of power storage devices are connected in parallel, the series/parallel switching control section switches the connection of the plurality of power storage devices from parallel to series. The power storage device according to any one of claims 1 to 3.
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。
The load circuit connected to the power storage device includes an output section that outputs a voltage,
The total impedance of each of the series-parallel switching control section, the series-parallel switching section, and the output section is greater than or equal to the internal impedance of the power generating element that generates the electric power. Power storage device.
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。
The hysteresis generation circuit is
The power storage device according to any one of claims 1 to 5, comprising a resistor, an inverter, and a transistor.
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乃至の何れか1項に記載の蓄電装置。
The series return control section is
The power storage device according to any one of claims 1 to 6 , comprising a resistor, an N-channel transistor, and a capacitor.
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乃至の何れか1項に記載の蓄電装置。
The series return control section is
The power storage device according to any one of claims 1 to 7 , comprising a depletion type transistor, an N-channel transistor, and a capacitor.
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。
multiple power storage devices that store electricity,
a series-parallel switching unit that switches the connection of the plurality of power storage devices to either series or parallel;
A control device for controlling a power storage device including a serial-parallel switching control unit that controls switching by the serial-parallel switching unit,
a series return control unit that controls the series/parallel switching control unit so that the connection of the plurality of electricity storage devices changes from parallel to series based on the output current of the electricity storage device ;
The series-to-parallel switching control unit includes hysteresis generated by a hysteresis generation circuit,
When the input voltage increases and reaches a predetermined first voltage value, the hysteresis generation circuit switches a control signal that controls the series/parallel switching unit from a High level to a Low level, and when the input voltage decreases and reaches a predetermined first voltage value. When a predetermined second voltage value different from the first voltage value is reached, the control signal is switched from Low level to High level.
Control device.
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。
A power generation element,
a rectifier connected to the power generating element;
The control device according to claim 9 connected to the rectifier,
A power storage system comprising: a load circuit supplied with power from the power storage device.
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。
A power generation element,
a rectifier connected to the power generating element;
The power storage device according to any one of claims 1 to 8 , which is connected to the rectifier;
A power storage system comprising: a load circuit supplied with power from the power storage device.
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。
The signal that the power storage system sends from the load circuit to the power storage device is:
The power storage system according to claim 11 , wherein the signal is a signal that changes a voltage in response to a hysteresis input generated by a hysteresis generation circuit provided in the series-parallel switching control section.
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。
The amount of power generated by the power generation element is
The power storage system according to any one of claims 10 to 12 , wherein the generated voltage is 10 V to 1000 V, and the generated current is 50 nA to 100 μA.
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。
The power generation element is
The electricity storage system according to any one of claims 10 to 13 , which generates electricity using at least one of peeling force, frictional force, vibrational force, or deformation force.
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。
The power generation element is
The electricity storage system according to any one of claims 14 to 15, including a power generating rubber that generates electricity by at least one of peel force, friction force, vibration force, and deformation force.
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。
The power storage system according to any one of claims 10 to 15 , wherein the power generation element generates power using pressure.
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。
The power storage system according to any one of claims 10 to 16 , wherein the power generation element generates power by electrostatic induction.
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。
The power storage system according to any one of claims 10 to 17 , further comprising a load driving power storage device that supplies stored power to the load circuit.
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。
The load-driven power storage device includes:
The power storage system according to claim 18 , wherein the power storage system stores power supplied from the power storage device.
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