JP2010142044A

JP2010142044A - 微弱電力変換器

Info

Publication number: JP2010142044A
Application number: JP2008317111A
Authority: JP
Inventors: Shin Suzuki; 伸鈴木; Yuki Hori; 裕基堀
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】微弱な発電により発生した微弱な電力を外部より入力して蓄電し、出力側に接続される電気装置が使用可能な大きさの電力へと変換することが可能な微弱電力変換器を提供すること。
【解決手段】外部の発電機より電力が入力される１段目の電圧変換器であるＤＣ／ＤＣコンバータ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力が入力される１段目の二次電池４と、二次電池４の出力側に設置されたスイッチ素子５と、スイッチ素子５を介して接続された２段目のＤＣ／ＤＣコンバータ６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力が入力される２段目の二次電池７と、二次電池４に蓄積された電力量を検知する電力検知制御回路８とを有し、二次電池４に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合に電力検知制御回路８がスイッチ素子５を導通させるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微弱な発電により発生した微弱な電力を外部より入力して蓄電することにより、目的とする負荷装置が使用可能なレベルの電力へと変換する微弱電力変換器に関する。

最近、環境に配慮し、様々なエネルギーを利用して電力を得る発電方法が開発されている。代表的なものは特許文献１に示される太陽電池を用いるものや風力発電機などであり、また、特許文献２に示される住居の排水を利用する発電などもある。さらに、卓上ソーラーや小型の風力発電、小型の水洗力発電など、身近にある運動エネルギー、位置エネルギー、熱エネルギーなどあらゆるエネルギーを利用して小型の発電機を構成して小さな電力を発生させ、これを利用することも行なわれている。

特開２００８−９０６７２号公報特開２００７−１４６８２０号公報

しかし、発電される電力が小さい場合、パソコンや液晶テレビ、扇風機等のモーター駆動による機器などに必要とされる一定の電力量が得られないため、十分には利用されず捨てられているエネルギーは多い。

一般的に、発電により発生した電力は、特許文献１に示されるように、電力変換部において電圧変換器により必要とされる電圧に変換され、コンデンサや二次電池に蓄電されて電気機器に供給される。図２は、コンデンサを用いた従来の小型電子機器用の電力変換器を示す回路図である。図２において、電気入力は入力側に並列に挿入されたツェナーダイオードなどの電圧クランプ素子３により電圧がクランプされて電圧変換器である低消費電力のＤＣ／ＤＣコンバータ３１に入力され、電圧変換された出力はダイオード２を介してコンデンサ３４に接続され、それに電力が蓄えられる。しかし、コンデンサ３４は電圧を安定化させる機能が主であり、またコンデンサは一般的にリークが大きいため電力保持性能が低い。そこで図２の電力変換器では、発電され電圧変換された電力をその都度使用することのみしかできなく、電力量を大きく変換して使用することはできない。

図３は、鉛電池やニッケル水素電池を蓄電に用いた従来の小型電子機器用の電力変換器を示す回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１により変換された出力を二次電池４４に蓄えることで、図２のコンデンサの場合より長期間エネルギーを蓄えて電力量を大きくすることが可能となるが、鉛電池やニッケル水素電池では内部での損失が大きく、自己放電が大きいため、微弱な発電による電力を保持し続けることは困難である。

図４は、リチウムイオン電池を蓄電に用いた従来の小型電子機器用の電力変換器を示す回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により変換された出力を二次電池５４に蓄える構成である。リチウムイオン電池は図３の鉛電池やニッケル水素電池より自己放電や損失が小さいが、過充電に対する保護回路が必要となる。すなわち、図４に示すように充電される電力が大きくなり過充電が生じた場合、それを検知し、電源ラインに挿入した過充電スイッチ５６を開放する制御回路５５を有する保護回路である。特に、コバルト酸リチウムイオン電池の場合には結晶構造が熱に対して壊れやすく、充電によりイオンが移動した後などの熱的安定性が低いため、保護回路などによって過充電に対する保護を厳しく管理する必要がある。これに対してマンガン酸リチウムイオン電池では、結晶構造が強固な結合を有するため熱的安定性が高く、このため保護回路の設定において、コバルト酸リチウムイオン電池の場合より過充電に対して１００ｍＶ〜３００ｍＶの範囲で余裕を持った設定が可能である。また、内部インピーダンスが高いと蓄電時に内部で消費される電力が大きくなるが、最近は内部インピーダンスが小さく電力の受け入れ性も改善されたマンガン酸リチウムイオン電池が開発されている。

しかし、いずれの場合でも、図４の構成の電力変換器では過充電に対する保護回路が必要であり、その保護回路を動作させるための消費電力が必ず発生する。そこで、微弱な電力を蓄電し外部の機器に供給できるレベルの電力を保持するために十分な性能は得られない。

これを解決する方法として、電圧変換器を２段構成とした図５の回路図に示す電力変換器が考えられる。図５においては、初段では低損失と受け入れ性に重点を置いてＤＣ／ＤＣコンバータ６１の出力を二次電池６４によって蓄電し、この二次電池６４に蓄えた小さな電力をさらに２段目のＤＣ／ＤＣコンバータ６７によって外部の電気機器に使用可能なレベルまで昇圧して出力のコンデンサ６５に蓄え、大きな電力を得る方式である。しかし、この方式でも、１段目で得られた微弱な電力のまま２段目で電圧変換をして出力した場合、出力側に接続された電気機器の負荷が大きい場合その影響が発電部にまで及び、小さなエネルギーによる微弱な電力の発電を妨げることとなってしまう。

以上より、本発明の課題は、微弱な発電により発生した微弱な電力を外部より入力して蓄電し、出力側に接続される電気装置が使用可能な大きさの電力へと変換することが可能な微弱電力変換器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による微弱電力変換器は、外部より電力が入力される１段目の電圧変換器と、該電圧変換器の出力が入力される１段目の二次電池と、該１段目の二次電池の出力側に設置されたスイッチ素子と、該スイッチ素子を介して接続された２段目の電圧変換器と、該電圧変換器の出力が入力される２段目の二次電池を有し、前記１段目の二次電池に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合に前記スイッチ素子を導通させることを特徴とする。

ここで、前記1段目の二次電池に蓄積された電力量を検知する電力検知制御回路を有し、前記１段目の二次電池に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合に前記電力検知制御回路が前記スイッチ素子を導通させるように制御してもよい。

また、前記電圧変換器はＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

また、前記前記１段目の二次電池および２段目の二次電池はリチウムイオン電池であることが望ましく、さらにはそれらのリチウムイオン電池はマンガン酸リチウムイオン電池であることが望ましい。

上記のように、本発明では、１段目の電圧変換器の出力を１段目の二次電池に蓄電し、その電力量が一定の大きさになった後、スイッチ素子を導通させて２段目の電圧変換器に入力し２段目の二次電池に蓄電して負荷となる電気機器に出力することにより、負荷の影響を発電部に及ぼすことなく、微弱な電力を使用可能な大きさの電力へと変換することが可能となる。また二次電池としてリチウムイオン電池を使用することにより電池の内部損失の低減が可能となり、さらに安定性が高いマンガン酸リチウムイオン二次電池を使用して、電圧変換器の調整により保護回路の機能を持たせることにより電力変換回路内部での電力消費の低減が可能となる。

以上のように、本発明により、微弱な発電により発生した微弱な電力を外部より入力して蓄電し、出力側に接続される電気装置が使用可能な大きさの電力へと変換することが可能な微弱電力変換器が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明による微弱電力変換器の実施の形態の一例を示す回路図である。図１において、外部の発電機より電力が入力される１段目の電圧変換器であるＤＣ／ＤＣコンバータ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力が入力される１段目の二次電池４と、二次電池４の出力側に設置されたスイッチ素子５と、スイッチ素子５を介して接続された２段目のＤＣ／ＤＣコンバータ６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力が入力される２段目の二次電池７を有し、二次電池４に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合にスイッチ素子５を導通させるように構成されている。

また、本実施の形態においては、二次電池４に蓄積された電力量を検知する電力検知制御回路８を有し、二次電池４に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合に電力検知制御回路８がスイッチ素子５を導通させるように制御する。また、二次電池４および二次電池７はマンガン酸リチウムイオン電池であり、出力側では複数の二次電池７が直列に接続されて二次電池ブロック１１が構成されている。

従来と同様、発電機からの電気入力は入力側に並列に挿入されたツェナーダイオードなどの電圧クランプ素子３により電圧がクランプされて低消費電力のＤＣ／ＤＣコンバータ１に入力され、電圧変換された出力はダイオード２を介して二次電池４に接続されている。また、スイッチ素子５としてはＦＥＴなどの半導体スイッチ素子を用いることができ、電力検知制御回路８としてはＩＣ化された回路を用いることができる。

本実施の形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１と二次電池４などからなる入力制御部９は、二次電池４をマンガン酸リチウムイオン電池とすること、および、ＤＣ／ＤＣコンバータ１においてその出力を安全な領域の電圧値に制限して二次電池４の過充電を抑制することにより保護回路の機能を持たせることにより低消費電力を実現している。

また、電力検知制御回路８、スイッチ素子５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、二次電池７などからなる出力制御部１０では、二次電池４に蓄電された微弱な入力電力が十分な蓄電量となるまで次段への接続を遮断することにより、負荷の影響を発電部に及ぼすことなく、かつ、電力変換による損失を抑制して効率よく電力変換を行い、外部の電気機器に使用可能な電力量となるまで蓄電することが可能となる。

得られる電力量の一例として、例えば、入力される発電機の発電能力を０．００１ｍＷと仮定すると、これを１０００秒間持続して蓄電すると蓄電されたエネルギー量は、１ｍＷ・ｓｅｃとなり、さらにこの発電が１０００回繰り返されたとすると１Ｗ・ｓｅｃの電力量が蓄電され利用可能となる。

また、一般的な携帯電気機器及び家庭電器製品で用いられている電源電圧２４Ｖまたは４８Ｖへの電圧変換と蓄電を行なう構成とすることにより、多くの電気機器への利用が可能となる。

また、発電機において、発電モーターは高負荷を接続した状態ではエンジンブレーキのように発電モーターの駆動に大きな運動エネルギーが必要となるため、小さな運動エネルギーでは発電モーターの駆動はできず、エネルギーは十分には有効利用できていなかった。本発明では、出力側の負荷の発電機に対する影響を小さくすることにより、小さな運動エネルギーでも有効に発電がなされ、この発電された小さな電力を長時間蓄積することにより電力量を高めてから使用することで、小さな運動エネルギーの有効利用が可能となる。

また、負荷の接続が無い場合にも電力変換回路での消費電力が必要となるため、従来は発電量が微弱な場合、その回路の動作電力の確保のみで変換する電力を生み出せなかったが、本発明では電力を貯蔵して変換することにより電力を生成することが可能となる。

また、本発明による微弱電力変換器は発電能力が異なる複数の発電機からの入力がなされるように入力ポートを構成することも可能である。電力が大きい発電機と組み合わせた電源を構成する場合には、微弱電力の入力ポートの他に、本発明の構成の電力変換が不要な出力の大きい発電機からの入力ポートを別途設けて共に２段目の二次電池に蓄電するように構成し、両者の出力電力およびその有無に応じて二段目の二次電池への充電と外部への給電を制御しても良い。

上記のような構成により、微弱な発電を含む複数種類の発電機からの電力を有効に蓄電することにより、従来利用していなかったエネルギーなど、電力として利用できる可能性のある多くのエネルギーを有効活用することができる。

以上述べたように、本発明により、小さなエネルギーを使った微弱な発電により発生した微弱な電力を外部より入力して蓄電し、出力側に接続される電気装置が使用可能な大きさの電力へと変換して有効活用することが可能となり、身近に存在しながら利用できなかったエネルギーの利用により、化石燃料の消費などによる環境負荷を低減することが可能となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的に合わせて任意に設計変更可能である。例えば、電力検知制御回路を設けなくても、ある一定の電力が入力される場合に導通動作するスイッチ素子を用いることも可能であり、電圧変換器としてＤＣ／ＤＣコンバータ以外の回路を適用することも可能である。また、本発明の微弱電力変換器に入力や出力の監視機能などを付加することや他の電力変換器との複合化も可能である。

本発明による微弱電力変換器の実施の形態の一例を示す回路図。コンデンサを用いた従来の小型電子機器用の電力変換器を示す回路図。鉛電池やニッケル水素電池を用いた従来の小型電子機器用の電力変換器を示す回路図。リチウムイオン電池を用いた従来の小型電子機器用の電力変換器を示す回路図。電圧変換器を２段構成とした電力変換器の回路図。

符号の説明

１、６、３１、４１、５１、６１、６７ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ダイオード
３電圧クランプ素子
４、７、４４、５４、６４二次電池
５スイッチ素子
８電力検知制御回路
９入力制御部
１０出力制御部
１１二次電池ブロック
３４コンデンサ
５５制御回路
５６過充電スイッチ

Claims

外部より電力が入力される１段目の電圧変換器と、該電圧変換器の出力が入力される１段目の二次電池と、該１段目の二次電池の出力側に設置されたスイッチ素子と、該スイッチ素子を介して接続された２段目の電圧変換器と、該電圧変換器の出力が入力される２段目の二次電池を有し、前記１段目の二次電池に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合に前記スイッチ素子を導通させることを特徴とする微弱電力変換器。
前記１段目の二次電池に蓄積された電力量を検知する電力検知制御回路を有し、前記１段目の二次電池に蓄積された電力量が予め定めた規定値に達した場合に前記電力検知制御回路が前記スイッチ素子を導通させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の微弱電力変換器。
前記電圧変換器はＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１または２に記載の微弱電力変換器。
前記１段目の二次電池および２段目の二次電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微弱電力変換器。
前記１段目の二次電池および２段目の二次電池はマンガン酸リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項４に記載の微弱電力変換器。