JP2013510551A - ブートストラップ式充電器 - Google Patents

Abstract

本発明はチャージコントローラを備えた充電器にエネルギ蓄積デバイスが接続される環境発電方法およびシステムを提供する。
まず、チャージコントローラに接続されたブートストラップ回路は、チャージコントローラによりエネルギ蓄積デバイスへの供給電流に十分な電力を供給する。
続いて、充電器が、充電器およびエネルギ蓄積デバイスに動作可能に接続された多くの環境発電デバイスの出力を調整するために使用される。

Description

本発明は、環境発電（energy harvesting）およびエネルギ資源のより効率的な利用のための電子システムに関する。
特に、本発明は、使用可能な可変の電力エネルギ源から使用可能な電力への発電を促進するように構成された、電力制御方法、システム、および、回路に関するものであるとともに、使用可能な可変の電力エネルギ源から低電圧、非常に低電圧、あるいは可変電圧、あるいは光起電力環境発電システムのような入力電流を用いたバッテリ充電に関する。
[優先権]
本出願は、2009年11月4日付仮特許出願番号611257,854に基づいた優先権を主張する権利を与えられている。当該出願はこの参照によってすべての目的のために本出願に組込まれる。本出願および仮特許出願には少なくとも1人の共通の発明者がいる。

再生可能資源からエネルギを得るためのシステムは、技術的に長い間望まれてきた。
環境発電の開発に関係する問題の一つは、有効性および/または強さが断続的であるエネルギ源を最大限に利用するための取り組みである。
従来の発電所と異なり、代替エネルギ源は出力が可変的である傾向がある。
ソーラーパワーは、一般的には、たとえば太陽電池、あるいは光起電力（PV）電池に依存して負荷に電力を供給し得るバッテリやキャパシタのような電荷蓄積素子へ充電する。
しかしながら、太陽は、必ずしも等しい強さで太陽電池上で輝くとは限らず、かつ、そのようなシステムは、太陽電池の出力を変動させる天候条件、時刻、障害物からの影および一時的な影などに依存して変化する可能性があるパワーレベルにおいて動作することが必要とされている。
出力が変化するという同様の問題は、風、圧電性素子、回生ブレーキ、水力発電、波力などのような他の可変的な出力の電源も抱えている。
環境発電システムは、常にエネルギ源を最高出力量前後で送電できるという理論的な仮定の下で動作するように設計されていることが知られている。
この理論的な仮定は、実際にはほとんど一致をしない。
太陽電池の電流と電圧の出力は、例えば温度や自然光のような環境条件に依存して変動をする。
時には太陽電池の出力は非常に低いこともある。
太陽電池を電力源とするシステムは、非常に低電圧レベルで適切な動作をするための十分なヘッドルームを持たないかもしれず、すなわち、ヘッドルームの制約により頻繁に理想的な動作範囲を外れて動作をする可能性がある。

これらの問題、および現在の科学技術に関する他の問題と潜在的な問題により、環境開発のための改善された方法、装置および充電システムは、有用で都合の良いものである。

断続的で、時には低出力の資源からエネルギを得る問題は、新しい技術開発で研究されかつ、アプローチされている。
多くの場合、環境発電デバイスまたは装置の電流と電圧の出力は、例えば太陽電池やその配列の場合は、温度と光のような環境条件に依存して変化する。多くの場合、太陽電池の出力は有用ではあるが、非常に低いことである。
このような場合の太陽電池を電力源とするシステムは、適切な動作をするための十分なヘッドルームを持たない可能性があり、すなわち、ヘッドルームの制約により、理想的な動作範囲の外で動作をする可能性がある。
例えばバッテリの充電システムの場合、バッテリの電圧が太陽電池の電圧よりも大きい場合がよくあるが、昇圧調整装置はバッテリ充電電流を供給する必要がある。
本発明の原理を実施する際に、好ましい実施形態に従って、本発明は断続的および/または可変エネルギ源からエネルギを得ることについて充電システムと方法を提供することを目的とした、新しい方法および装置により科学技術の発展を提供する。

本発明の一つの構成によれば、好ましい実施形態の例では、エネルギ蓄積デバイスの充電システムは、充電器に接続されたエネルギ蓄積デバイスを具備している。
前記充電器は、エネルギ蓄積デバイスへの供給電流へのチャージコントローラおよび、低出力レベルで充電器を動作するのに十分な電力を提供するように構成されたブートストラップ回路を具備している。

本発明の別の構成によれば、典型的な好ましい実施形態の例では、エネルギ蓄積装置充電システムは、チャージコントローラを有する充電器に動作可能な接続をされたエネルギ蓄積デバイスを有する。
ブートストラップ回路は、チャージコントローラがエネルギ蓄積装置へ電流を供給するのに十分な電力を提供するように構成されている。
環境発電デバイスは充電器に動作可能に接続されている。
前記環境発電デバイスは並列接続と直列接続に切り替え可能な構成で互いに関して接続されている。

また、本発明の別の構成によれば、好ましい実施形態は、後述するように、エネルギ蓄積デバイス充電システムにエネルギを提供するために接続された光電池を具備している。

また、本発明の別の構成によれば、環境発電方法は、チャージコントローラを有する充電器に動作可能な接続をされたエネルギ蓄積と、チャージコントローラに動作可能な接続をされたブートストラップ回路とを提供するステップを具備している。
続くステップでは、前記ブートストラップ回路からの電力は、チャージコントローラからエネルギ蓄積デバイスへの供給電流として使用される。
その後、充電器は、充電器に動作可能に接続された環境発電デバイスの出力を調整する。

本発明は、以下の特徴の一または二以上を具備する利点を有するが、これらに限定されることはない。：
ある範囲の動作レベルの環境発電、および/または、リアルタイムの条件に適応可能な環境発電デバイスの設定可能な配列の提供。
本発明の上記または他の優れた特徴および利点は、添付図面に関連して本発明の代表的な実施形態の詳細な説明を慎重に考慮することにより当業者によって理解することができる。

明細書中での符号は、特に断りのない限り、様々な同じ図面中の符号に対応している。このような、右、左、上、下、上部、下部、などと書かれた説明で使用されている記載と方向の用語は特に断りがない限り、本発明の物理的な限定ではなく、紙面上に配置された図面上のレイアウトを示すものである。
図面は一定の縮尺に従っておらず、実施形態の一部の特徴を図示、あるいは説明するために、本発明の原理と、特徴だけでなく、予測されかつ予測されない利点が簡略化、あるいは強調して示されている。
本発明は、以下の詳細な説明と図面とを検討することにより、より明確に理解されるだろう。

図１は、本発明による好ましい実施形態の環境発電回路例の簡略図である。 図２は、本発明による別の好ましい実施形態による環境発電回路例の簡略図である。 図３Aは、本発明による好ましい実施形態の環境発電回路中の構成可能な配列例の簡略図である。 図３Bは、本発明による好ましい実施形態の環境発電回路中の構成可能な配置例の簡略図である。 図３Cは、本発明による好ましい実施形態の環境発電回路中の構成可能な配列例の簡略図である。 図４は、並列配列を直列にしたブートストラップスタックを有する本発明による環境発電回路の好ましい実施形態の例の簡略図である。

ここでは、本発明の様々な典型的な実施形態について製作方法と使用方法を記載をするが、本発明は広くて様々な種類の特定の文脈のもとで実施される発明の概念を提供することが認識されるべきである。
本発明がその原理を逸脱することなく、様々な構成要素で実施できることは理解されるはずである。
分かりやすさのために、利用可能なこの技術分野の当業者にとってよく知られている機能、構成要素及びシステムの詳細な説明はここでは記載をしない。
一般に、本発明は、様々な応用とシステムに利用できる環境発電制御装置を提供する。

図１に示された、前記充電回路100の構成と方法は、バッテリ12に、またはバッテリ配列のようなエネルギ蓄積デバイスと直列または並列に、一または二以上の太陽電池10のような環境発電デバイスを配置する。
充電器14は、後述するように環境発電デバイス10とエネルギ蓄積デバイス12の間の調整された接続（regulated connection）を提供する。
前記充電器14は、チャージコントローラ17を有するとともにブートストラップ回路に接続されている。前記ブートストラップ回路は、環境発電デバイス10の出力が低いとき、および/または、エネルギ蓄積デバイス12が消耗状態にあるとき、適切な起電力を保証するように構成されている。
起動時に、充電器14には太陽電池電圧とバッテリ電圧を合算した形の電力が供給される。

この構成は、充電器回路100の動作に追加の電力を供給する。
さらに、充電電流は、バッテリ電圧が太陽電池電圧より高くても、例えば充電器14に代表される電圧調整装置を利用することで、太陽電池10からバッテリ12に供給することができる。
複数の太陽電池の配列を使用する場合も、図１の単一の太陽電池10と置き換えても同じ原理が当てはまる。
追加のバッテリが使用される場合も同様である。
前記配列内の個々の太陽電池の要素は、効率的な環境発電および充電動作に適応した配列構造を考慮に入れた、所望の入力電流レベルを必要な範囲で達成するために並列に接続してもよい。
前記太陽電池がすべて並列接続されたこの構成を使用する潜在的課題の一つは、動作を起動するための十分な電圧を保証することである。
前記充電器を用いてバッテリ電圧および太陽電池電圧を合算して供給することは、前記充電器の動作に必要な十分なヘッドルームを提供する。
さらに、前記バッテリの電圧が前記太陽電池の電圧より高かったとしても、電圧調整器（boost charger）を用いて前記太陽電池からバッテリ電圧に対して充電電流を供給することができる。
すべての太陽電池要素は、単純な配列構造や、より効果的な動作の配列を考慮して、並列に配置することができる。
バッテリ12の電力が完全に放電された場合、例えば、前記並列接続された太陽電池10はバッテリを充電するのに十分な電圧を生成できない可能性がある。

図２に示されるように他の充電回路200および方法では、一連の直列接続された太陽電池はブートストラップ回路21内の起動スタック（startup stack）20として用いられる。
この構成の中で前記起動スタック20の出力は、前記充電器ＩＣ24のコントロール部分22を動作させるのに必要な起動電流を好ましくは十分に独立して供給することである。
この状態で、前記充電器24は100％の負荷サイクルで動作する。
この例では、前記充電器24の出力FET26はこの状態から変わらず、かつ適切なゲートを起動するために印加されるDC電圧しか要求しない。
したがって、前記ブートストラップ回路21からの最小限の出力のみが必要となる。
前記バッテリ28が、前記充電器24のスイッチングを要求するために十分に充電された場合、前記システム200は、例えば並列スタック29の前記太陽電池の配列から電力を取り出すことができる。好ましくは環境発電を実質的に最大化する。

起動に関する問題の別の解決策は、太陽電池配列をブートストラップ状態と完全に動作可能な充電状態との間で再構成可能にすることである。
このような構成を使用する場合、起動中に、前記配列は充電動作を開始するための十分な電圧を供給する直列接続で構成される。
前記エネルギ蓄積デバイスが十分なレベルに達した後、その後、前記配列は並列構成に再構成される。
本発明の範囲内の前記充電回路および方法の追加の別の実施形態は、図３A-３Cに示され、前記充電回路300には再構成可能な太陽電池配列33が設けられている。
前記再構成可能な太陽電池配列33は、スイッチ36、38に接続された個々の太陽電池34を有し、その配列の中では、前記電池34は、図３Bでは直列に符号36に接続され、または図３Cでは並列に符号38に接続されている。
好ましくは、起動中に、前記配列33は、前記ブートストラップモードの動作のために直列接続の構成に構成される。
例えば、直列接続のスイッチは“オン”に切り替わるとともに、並列接続のスイッチは“オフ”に切り替わる。
このような直列接続の構成は、前記個々の太陽電池34によって生成された電圧を合算して、前記太陽電池配列33から電圧を供給し、好ましくは、前記バッテリ39の充電を開始するのに十分な電圧レベルを供給する。
前記バッテリ39が十分な充電レベルに達した後、好ましくは前記配列33は並列の構成に再構成され、直列接続のスイッチ36は“オフ”に切り替わるとともに、並列接続のスイッチ38は“オン”に切り替わる。
その結果、並列接続の構造は、前記太陽電池配列33から個々の太陽電池34が生成した電流を合算した電流を供給し、前記バッテリ39に充電するには、前記太陽電池34が生成したエネルギの利用に適切な比較的高いレベルの電流を供給する。
この充電した状態での動作は、前記回路300は、好ましくは実質的に太陽電池による環境発電から得られかつ蓄積されたエネルギを最適化し、そうでなければ負荷への供給を最適化する。
すべての直列接続とすべての並列接続の処理に加えて、再構成可能な太陽電池33の一部は、選択された電圧/電流の出力レベルを供給するために、直列接続で動作可能であるが、一方他の一部が並列接続で動作することは当業者によって理解されるべきである。

ここで、まず図４を参照すると、充電回路400とその方法の実施形態はブートストラップ回路41を有し、前記ブートストラップ回路41は、比較的大きな並列環境発電配列44を補完する、比較的小さな起動環境発電電池または配置42を備えている。
前記起動環境発電配列42は、好ましくは前記充電器の起動後に、前記充電器48の制御回路46に電源を接続するとともに使用され、より大きな前記並列環境発電配列44は、充電器48の高電力出力の段階で電力を供給するように使用される。
図４に示される回路は、好ましい実施形態のある決まった構成の例を表している。
このアプローチの方法は、図３に関して記載された実施形態で図示された再構成可能な配列回路33と組み合わせて用いられることも認識されるべきである。

本発明の方法および装置は、一または二以上の利点を有するが、改善された環境発電システム、および/または起動方法、および/または環境発電システムにおける低出力の改善効率には限定されないものである。
本発明はある具体的な実施形態に関して記載されているが、ここに記載されたものは限定した意味で解釈されることを意図してはいない。
例えば、図示されかつ記載された実施形態の中のステップや材料の変化、あるいは組み合わせは、本発明から逸脱をすることなく特有の場合に使用される。
本発明の他の利点及び他の実施形態と同様に、実施形態の修正及び組み合わせは、図面、明細書、および特許請求の範囲を参照することにより、当業者には明白である。

１０、２９、３３、３４、４４ 環境発電デバイス
１１、２１，３３、４１ ブートストラップ回路
１４、２４、３０、４８ 充電器
１７、２２、４６ チャージコントローラ
１２、２８、３９ エネルギ蓄積デバイス
１００、２００、３００、４００環境発電方法およびシステム

Claims (25)

1. エネルギ蓄積デバイスと動作可能に接続された環境発電デバイスと、
   環境発電デバイスおよびエネルギ蓄積デバイスと動作可能に接続された充電器であって、チャージコントローラを有する充電器と、
   ブートストラップ回路とを有し、
   前記ブートストラップ回路はチャージコントローラが充電器を動作させる電流を供給するのに十分な電力を供給するように構成され、それにより、充電器は環境発電デバイスからエネルギ蓄積デバイスへのエネルギの伝送を調整するように構成される環境発電システム。
2. 前記充電器はさらに降圧充電器（buck charger）を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ブートストラップ回路は、チャージコントローラに電力を供給するために動作可能に接続された環境発電デバイスをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ブートストラップ回路はさらにバッテリを有する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記環境発電デバイスは、さらに光電池を有する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記環境発電デバイスは、さらに圧電性発電機を有する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記環境発電デバイスは、さらに機械式電力発電機を有する請求項１に記載のシステム。
8. 前記環境発電デバイスは、さらに無線周波数発電機を有する請求項１に記載のシステム。
9. 前記環境発電デバイスは、
   さらに並列接続と直列接続の間で切り替え可能な構成の中で個々の環境発電デバイスが互いに動作可能に接続された充電器に電力を供給するための個々の環境発電デバイスの配列を有する
   請求項1に記載のシステム。
10. 動作可能に接続されたエネルギ蓄積デバイスと、
    チャージコントローラを有する充電器と、
    ブートストラップ回路と、
    充電器と負荷に動作可能に接続された複数の環境発電デバイスとを有し、
    前記ブートストラップ回路は、チャージコントローラに、環境発電デバイスからエネルギ蓄積デバイスまで電流供給操作を開始するために十分な電力を提供するように構成され、
    前記環境発電デバイスは、並列接続の組み合わせと、直列接続の組み合わせとの間で切り替え可能な構成で、互いに動作可能に接続されたエネルギ蓄積システム。
11. 前記充電器はさらに降圧充電器を有する請求項10に記載のシステム。
12. 前記ブートストラップ回路はさらに、
    チャージコントローラに電力を提供するように構成された複数の環境発電デバイスを有し、
    前記環境発電デバイスは、並列接続の組み合わせと直列接続の組み合わせとの間で切り替え可能な構成で互いに動作可能に接続された
    請求項10に記載のシステム。
13. 前記ブートストラップ回路は、さらにチャージコントローラに電力を供給するように構成された環境発電デバイスを有する請求項10に記載のシステム。
14. 前記ブートストラップ回路はさらに光電池を有する請求項10に記載のシステム。
15. 前記ブートストラップ回路はさらにバッテリを有する請求項10に記載のシステム。
16. 前記ブートストラップ回路はさらに圧電性発電機を有する請求項10に記載のシステム。
17. 前記ブートストラップ回路はさらに機械式電力発電機を有する請求項10に記載のシステム。
18. 前記ブートストラップ回路はさらに無線周波数発電機を有する請求項10に記載のシステム。
19. 前記エネルギ蓄積デバイスは携帯電子装置に動作可能に接続された請求項10に記載のエネルギ蓄積デバイス。
20. 前記エネルギ蓄積デバイスは携帯通信装置に動作可能に接続された請求項10に記載のエネルギ蓄積デバイス。
21. 前記エネルギ蓄積デバイスは携帯画像診断装置に動作可能に接続された請求項10に記載のエネルギ蓄積デバイス。
22. 前記エネルギ蓄積デバイスは携帯ディスプレイ装置に動作可能に接続された請求項10に記載のエネルギ蓄積デバイス。
23. 前記エネルギ蓄積デバイスは携帯オーディオ装置に動作可能に接続された請求項10に記載のエネルギ蓄積デバイス。
24. 前記エネルギ蓄積デバイスは携帯コンピュータに動作可能に接続された請求項10に記載のエネルギ蓄積デバイス。
25. チャージコントローラを有する充電器に動作可能に接続されたエネルギ蓄積デバイスへ電力を供給するステップと、
    前記チャージコントローラに動作可能に接続されたブートストラップ回路へ電力を供給するステップと、
    前記チャージコントローラがエネルギ蓄積デバイスへの電流を供給するようにブートストラップ回路からの電力を使用するステップと、
    その後、充電器およびエネルギ蓄積デバイスに、動作可能に接続された複数の環境発電デバイスの出力を調整するように充電器を使用するステップとを有する環境発電方法。
    

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