JP2014121135A - Storage battery charging system - Google Patents
Storage battery charging system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014121135A JP2014121135A JP2012273187A JP2012273187A JP2014121135A JP 2014121135 A JP2014121135 A JP 2014121135A JP 2012273187 A JP2012273187 A JP 2012273187A JP 2012273187 A JP2012273187 A JP 2012273187A JP 2014121135 A JP2014121135 A JP 2014121135A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power
- storage battery
- charging system
- battery charging
- capacitor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
Abstract
Description
本発明は、蓄電池充電システムに関する。 The present invention relates to a storage battery charging system.
従来、太陽光や照明光、機械の発する振動、熱などのエネルギーを採取し、電力を得る技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このようなエネルギーハーベストによれば、身の回りにあるわずかなエネルギーを電力に変換し、活用することができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a technique for collecting power such as sunlight, illumination light, vibration generated by a machine, or heat to obtain electric power is known (see, for example, Patent Document 1). According to such an energy harvest, a slight amount of energy around us can be converted into electric power and utilized.
ところで、蓄電池の給電手段として、通常の充電以外にエネルギーハーベストを加えると、電池寿命を向上させることができる。しかしながら、給電手段が増加すると、部品点数が増加し、コスト・スペースが増大するという問題がある。 By the way, when energy harvesting is added as a power supply means for the storage battery in addition to normal charging, the battery life can be improved. However, when the power supply means is increased, there is a problem that the number of parts increases and the cost and space increase.
本発明の目的は、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a storage battery charging system capable of improving battery life while saving space and reducing costs.
本発明の一態様によれば、第1交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子と、第2交流電力を出力する無線給電の受電部と、前記エネルギーハーベスタ素子と前記受電部のいずれかの出力を選択するための第1スイッチと、前記第1スイッチを介して供給される前記第1交流電力もしくは前記第2交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記直流電力を蓄電する蓄電池と、前記無線給電が可能であるか否かを認証し、前記無線給電が可能である場合は前記受電部から給電されるように前記第1スイッチを切り替え、前記無線給電が可能でない場合は前記エネルギーハーベスタ素子から給電されるように前記第1スイッチを切り替える認証回路とを備える蓄電池充電システムが提供される。 According to an aspect of the present invention, the energy harvester element that outputs the first AC power, the wireless power receiving unit that outputs the second AC power, and the output of the energy harvester element and the power receiving unit are selected. A rectifier circuit that converts the first AC power or the second AC power supplied through the first switch into DC power, a storage battery that stores the DC power, and the wireless Authenticates whether or not power supply is possible. When the wireless power supply is possible, the first switch is switched so that power is supplied from the power receiving unit, and when the wireless power supply is not possible, the energy harvester element A storage battery charging system is provided that includes an authentication circuit that switches the first switch so that power is supplied.
本発明によれば、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the storage battery charging system which can improve battery life can be provided, aiming at space saving and cost reduction.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness of each component and the planar dimensions is different from the actual one. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, and structure of each component. The arrangement is not specified below. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
《実施の形態》
〔蓄電池充電システムの構成〕
実施の形態に係る蓄電池充電システムの模式的回路構成は、図1に示すように表される。この蓄電池充電システムは、第1交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子(振動発電素子)10と、第2交流電力を出力する無線給電の受電部20と、エネルギーハーベスタ素子10と受電部20のいずれかの出力を選択するための第1スイッチSW10と、第1スイッチSW10を介して供給される第1交流電力もしくは第2交流電力を直流電力に変換する整流回路30と、直流電力を蓄電する蓄電池50と、無線給電が可能であるか否かを認証し、無線給電が可能である場合は受電部20から給電されるように第1スイッチSW10を切り替え、無線給電が可能でない場合はエネルギーハーベスタ素子10から給電されるように第1スイッチSW10を切り替える認証回路60とを備える。
<< Embodiment >>
[Configuration of storage battery charging system]
A schematic circuit configuration of the storage battery charging system according to the embodiment is expressed as shown in FIG. The storage battery charging system includes an energy harvester element (vibration power generation element) 10 that outputs first AC power, a wireless
また、整流回路30と蓄電池50との間に接続され、直流電力を安定化させる電源回路40を備え、蓄電池50には、安定化された直流電力が供給されてもよい。
Moreover, the
また、第1交流電力と第2交流電力は、周波数が互いに異なってもよい。 Further, the first AC power and the second AC power may have different frequencies.
また、エネルギーハーベスタ素子10は、振動を第1交流電力に変換して出力する振動発電素子10であってもよい。
The
また、振動発電素子10は、電磁誘導型、エレクトレット型、圧電型、磁歪型のいずれかであってもよい。
Further, the vibration
また、整流回路30は、無線給電が可能である場合は同期整流回路として動作してもよい。
The
また、整流回路30は、無線給電が可能でない場合はダイオードブリッジ整流回路として動作してもよい。
The
また、整流回路30は、無線給電が可能でない場合は低入力モードで動作してもよい。
The
また、整流回路30は、ブリッジ構造のMOSFET31a、31b、31c、31dを有してもよい。
The
また、蓄電池50に蓄電された電力の供給先である負荷を備えてもよい。
Moreover, you may provide the load which is the supply destination of the electric power stored in the
また、負荷は、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計(登録商標)、電気自動車、それらの機器の構成部品のいずれかであってもよい。 The load may be a mobile phone, an audio device, a game device, a tablet terminal, a pedometer (registered trademark), an electric vehicle, or a component of those devices.
実施の形態に係る蓄電池充電システムは、図1(a)に示すように、振動発電素子10と、受電部20と、第1スイッチSW10と、整流回路30と、電源回路40と、蓄電池50と、認証回路60とを備える。振動発電素子10は、振動を第1交流電力に変換して出力する。振動発電の方式には、電磁誘導型、エレクトレット型、圧電型、磁歪型などがある。受電部20は、無線給電の受電部であり、第2交流電力を出力する。例えば、図1(b)に示すように、ワイヤレス充電器などが備える給電部21の近傍に受電部20を配置すると、給電部21側の給電コイル14と受電部20側の受電コイル16との電磁結合により、給電による電力伝送が行われる(後述する)。第1交流電力と第2交流電力は、周波数が互いに異なってもよい。例えば、第1交流電力の周波数としては様々な周波数帯のものを採用することができる。一方、第2交流電力の周波数としてメガヘルツ帯などの高い周波数帯のものを採用すればインダクタンスを小さくすることができる。第1スイッチSW10は、振動発電素子10と受電部20のいずれかの出力を選択するためのスイッチである。整流回路30は、第1スイッチSW10を介して供給される第1交流電力もしくは第2交流電力を直流電力に変換する。電源回路40は、直流電力を安定化させる回路であり、ステップダウンレギュレータ、電池監視・保護回路などを備える。蓄電池50は、安定化された直流電力を蓄電するリチウムイオン電池などである。認証回路60は、ワイヤレス充電器などの給電側の機器と通信して、例えば、コイルの位置合わせや給電のワット数などの情報をやり取りし、無線給電が可能であるか否かを認証する。そして、無線給電が可能である場合は受電部20から給電されるように第1スイッチSW10を切り替え、無線給電が可能でない場合は振動発電素子10から給電されるように第1スイッチSW10を切り替える。図示していないが、蓄電池50の後段には、電力供給先である負荷が接続される。この負荷は、例えば、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計(登録商標)、電気自動車、それらの機器の構成部品などである。
As shown in FIG. 1A, the storage battery charging system according to the embodiment includes a vibration
実施の形態に係る蓄電池充電システムの具体的な回路構成は、図2に示すように表される。図2に示すように、第1スイッチSW11、SW12の接点(A)は受電コイル16に接続され、第1スイッチSW11、SW12の接点(B)は振動発電素子10に接続される。また、第1スイッチSW11、SW12には、ブリッジ構造のMOSFET31a、31b、31c、31d(以下、「コンバータ31」という場合がある。)が接続される。MOSFET31a、31b、31c、31dの各ゲートは同期整流コントローラ32に接続され、同期整流コントローラ32によりオン/オフ制御される。コンバータ31と同期整流コントローラ32で整流回路30を形成している。MOSFET31a、31b、31c、31dがオフの場合、整流回路30はダイオードブリッジ整流回路として動作する。コンバータ31はバイパスコンデンサC12と電源回路40を介して蓄電池50に接続される。受電コイル16と共振コンデンサC11で並列共振回路を形成し、この並列共振回路に認証回路60が接続される。認証回路60は、無線給電が可能であるか否かを認証し、その認証結果に基づいて第1スイッチSW11、SW12と同期整流コントローラ32を制御する。すなわち、無線給電時は、例えば5W〜10W程度の相対的に大きな電力を扱うことができるので、整流回路30を同期整流回路として動作させる。一方、振動発電時は、例えば数十μW〜1mW程度の相対的に小さな電力しか扱うことができないので、同期整流を止め、整流回路30をダイオードブリッジ整流回路として動作させる。振動発電時は、整流回路30の動作モードを切り替え、低入力モードで動作させてもよい。
A specific circuit configuration of the storage battery charging system according to the embodiment is expressed as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the contacts (A) of the first switches SW11 and SW12 are connected to the
なお、ここでは、4つのMOSFET31a、31b、31c、31dを用いてコンバータ31を構成しているが、MOSFET31a、31b、31c、31dの数は適宜変更することが可能である。また、MOSFET31a、31b、31c、31dに代えて、例えば、炭化珪素(シリコンカーバイド:SiC)や窒化物半導体(ガリウムナイトライド:GaN)などのトランジスタを用いることも可能である。
Here, the
〔蓄電池充電システムの動作〕
実施の形態に係る蓄電池充電システムの動作は、図3に示すように表される。
[Operation of storage battery charging system]
The operation of the storage battery charging system according to the embodiment is expressed as shown in FIG.
まず、認証回路60は、ワイヤレス充電器などの給電側の機器と通信し、無線給電が可能であるか否かを認証する(ステップS1)。そして、無線給電が可能である場合(ステップS1:Yes)、第1スイッチSW11、SW12の接点(A)をオンにするとともに(ステップS2)、同期整流コントローラ32にイネーブル信号を転送する(ステップS3)。一方、無線給電が可能でない場合(ステップS1:No)、第1スイッチSW11、SW12の接点(B)をオンにするとともに(ステップS5)、同期整流コントローラ32にディセーブル信号を転送する(ステップS6)。
First, the
次いで、同期整流コントローラ32は、認証回路60からイネーブル信号を受信すると、必要なタイミングでMOSFET31a、31b、31c、31dのゲートをオン/オフ制御して同期整流方式で動作させる。この状態では、第1スイッチSW11、SW12の接点(A)がオンになっているため、受電コイル16から出力される第2交流電力がMOSFET31a、31b、31c、31dに入力され、同期整流方式で直流電力に変換される(ステップS4)。
Next, when receiving the enable signal from the
一方、同期整流コントローラ32は、認証回路60からディセーブル信号を受信すると、MOSFET31a、31b、31c、31dのスイッチングをオフにしてダイオード整流方式で動作させる。この状態では、第1スイッチSW11、SW12の接点(B)がオンになっているため、振動発電素子10から出力される第1交流電力がMOSFET31a、31b、31c、31dに入力され、ダイオード整流方式で直流電力に変換される(ステップS7)。
On the other hand, when the
MOSFET31a、31b、31c、31dから出力された直流電力は、バイパスコンデンサC12及び電源回路40で安定化され、蓄電池50に蓄電される。このような蓄電池充電システムを携帯電話に適用した場合は、無線給電により蓄電池50を充電することができるだけでなく、携帯電話を持ち歩いているときの歩行による振動で補助的に蓄電池50を充電することが可能である。
MOSFET31a, 31b, 31c, DC power output from 31d is stabilized in the bypass capacitor C 12 and the
〔蓄電池充電システムの変形例〕
実施の形態に係る別の蓄電池充電システムの具体的な回路構成は、図4に示すように表される。図4に示すように、MOSFET31a、31b、31c、31dのソース・ドレイン間にショットキーバリアダイオードBD1、BD2、BD3、BD4が接続されてもよい。このようにすれば、ショットキーバリアダイオードBD1、BD2、BD3、BD4を接続しない場合に比べて、電圧降下を低減することができる。その他の点は、図2と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。
[Modification of storage battery charging system]
A specific circuit configuration of another storage battery charging system according to the embodiment is expressed as shown in FIG. As shown in FIG. 4, Schottky barrier diodes BD1, BD2, BD3, and BD4 may be connected between the sources and drains of
以上のように、実施の形態に係る蓄電池充電システムでは、振動発電と無線給電の出力が共に交流電力であることに着目し、振動発電の整流回路・電源回路と、無線給電の整流回路・電源回路とを共有化している。そのため、振動発電と無線給電とを相互に切り替え、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能となる。 As described above, in the storage battery charging system according to the embodiment, focusing on the fact that the output of vibration power generation and wireless power feeding are both AC power, the rectification circuit / power circuit of vibration power generation and the rectifier circuit / power supply of wireless power feeding The circuit is shared. Therefore, it is possible to improve the battery life while switching between vibration power generation and wireless power feeding to save space and reduce costs.
〔エナジーハーベスト〕
図1〜図4ではエネルギーハーベスタ素子として振動発電素子10を例示したが、交流電力を出力するエネルギーハーベスタ素子であれば同様の効果を得ることができる。また、そのようなエネルギーハーベスタ素子を用いて様々な構成のエネルギーハーベスタシステムを構築することが可能である。以下、実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いるエネルギーハーベスタシステムについて詳しく説明する。
[Energy Harvest]
1 to 4 exemplify the vibration
(エネルギーハーベスタシステム)
実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いるエネルギーハーベスタシステム10aは、図5に示すように、エネルギーハーベスタ素子4と、エネルギーハーベスタ素子4に並列接続されたエネルギーハーベスタ素子4によって発電されたエネルギーを充電するためのキャパシタ3と、キャパシタ3に並列接続された負荷RLとを備える。ここで、キャパシタ3の値をC1、充電電圧をV1とすると、キャパシタC1に充電されるエネルギーは、CV1 2/2で表される。
(Energy harvester system)
As shown in FIG. 5, the
エネルギーハーベスタシステム10aにおいて、負荷RLの値R1、R2、R3(R1<R2<R3)をパラメータとする発電に伴うキャパシタ電圧V1の時間変化の波形例は、図6に示すように表される。
In the
図6において、キャパシタ電圧V1は、時刻tpにおいて、負荷RLの値R1、R2、R3(R1<R2<R3)に対して、それぞれピーク値Vp1、Vp2、Vp3を示す。ここで、図6に示す例では、キャパシタ電圧V1のピーク値が得られる時刻は、同じ時刻tpに設定されているが、ピーク値が得られる時刻は、必ずしも一致していない場合もあり得る。
6, the capacitor voltages V 1 at time tp, the load R value R 1 of the L, R 2, R 3 (
エネルギーハーベスタシステム10aにおいては、図6に示すように、負荷RLのインピーダンスが小さい程、キャパシタ電圧V1のピーク値が、Vp1<Vp2<Vp3のように変化しており、キャパシタC1に蓄電されるエネルギーが小さくなる。結果として、エネルギーハーベスタ素子4から、負荷RL1へ供給されるエネルギー量も小さくなる。すなわち、エネルギーハーベスタ素子4においては、発電したエネルギーを供給する対象のインピーダンスによって、発電効率が変動する。
In the
また、エネルギーハーベスタシステム10aにおいて、発電エネルギーEの時間変化の波形例は、図7(a)に示すように、例えば、時刻tpにおいてピーク値Epを有する振動波形のように表される。
Moreover, in the
また、負荷抵抗RLをパラメータとするキャパシタ電圧V1の時間変化の波形例は、図7(b)に示すように表される。エネルギーハーベスタシステム10aにおいては、負荷抵抗RLの値に応じて、RC時定数が変化し、R1C1<R2C1<R3C1の関係が成立する。このため、負荷抵抗RLの値が大きいと、キャパシタC1を充電するのに時間を要する。
Further, a waveform example of the time change of the capacitor voltage V 1 using the load resistance R L as a parameter is expressed as shown in FIG. In the
エネルギーハーベスタシステム10aの具体的な回路構成例は、図8に示すように、エネルギーハーベスタ素子4と、エネルギーハーベスタ素子4に並列接続され、エネルギーハーベスタ素子4によって発電されたエネルギーを充電するためのキャパシタ3と、キャパシタ3に並列接続された電源5と、電源5に接続されたシステム負荷6とを備える。ここで、キャパシタ3から見たシステム負荷6を含む電源5側のインピーダンスをRL1、システム負荷6のインピーダンスをRL2で表している。
As shown in FIG. 8, a specific circuit configuration example of the
このような負荷RL(電源5側のインピーダンスをRL1、システム負荷6のインピーダンスをRL2)を、適切に駆動させるためには、負荷RLに対して必要なエネルギーを供給する必要があるが、負荷RLのインピーダンスが高いと図7(b)に示すように、キャパシタC1を充電するのに時間を要する。このため、負荷RLのインピーダンスを適宜切り替えて、時定数を短くする必要がある。すなわち、十分なエネルギーを電子機器に供給するために、キャパシタC1の充電時間を短く確保すると共に、キャパシタC1に充電されたエネルギーハーベスタ素子4の発電エネルギーを負荷RLへ効率よく供給する必要がある。
In order to properly drive such a load R L (impedance on the
(エネルギーハーベスタシステムの変形例1)
実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる別のエネルギーハーベスタシステム10bは、図9に示すように、エネルギーハーベスタ素子4と、エネルギーハーベスタ素子4に接続されたエネルギーハーベスタ装置1と、エネルギーハーベスタ装置1に接続されたエネルギー供給先である負荷7とを備える。
(
As shown in FIG. 9, another
ここで、負荷7は、電源5と、電源5に接続され、電力を消費するシステム負荷6とを備える。電源5は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源5は、例えば、DC−DCコンバータ、LDO(Low Drop Out)等のような供給電圧安定化電源である。システム負荷6は、携帯電話、スマートフォン、PDA、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
Here, the
(エネルギーハーベスタ装置)
エネルギーハーベスタシステム10bに適用可能なエネルギーハーベスタ装置1の模式的回路構成は、図10に示すように表される。
(Energy harvester device)
A schematic circuit configuration of the
エネルギーハーベスタシステム10bに適用可能なエネルギーハーベスタ装置1は、図9および図10に示すように、エネルギーハーベスタ素子4に接続され、エネルギーハーベスタ素子4により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタ3と、キャパシタ3に接続され、キャパシタ3に充電されたキャパシタ電圧V1に基づいて、キャパシタ3から7負荷へのエネルギー供給を切り替える第2スイッチ2とを備える。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
第2スイッチ2は、キャパシタ3と負荷7との間に接続され、キャパシタ電圧V1に基づいて、キャパシタ3から負荷7への電力供給を切り替える。
The
ここで、第2スイッチ2は、図10に示すように、キャパシタ3に並列接続される抵抗R1・R2を備える。
Here, as shown in FIG. 10, the
第2スイッチは、図10に示すように、第1ソースがキャパシタ3に接続され、第1ドレインが負荷7に接続されるpチャネルの第1絶縁ゲート電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)Q1と、キャパシタ3に並列接続され、キャパシタ電圧V1を分圧する第1抵抗R1および第2抵抗R2と、第1MOSFETQ1の第1ゲートに、第2ドレインが接続され、第2ゲートがキャパシタ電圧V1の分圧に接続され、第2ソースが接地電位になされたnチャネルの第2MOSFETQ2と、第1MOSFETQ1の第1ゲートと第1ソース間に接続された第3抵抗R3とを備えていても良い。ここで、第1抵抗R1および第2抵抗R2によって分圧されたゲート電圧V2は、R2・V1/(R1+R2)で表される。また、第1MOSFETQ1の第1ゲートおよび第2MOSFETQ2の第2ドレインの電圧は、ドレイン電圧V3で表される。尚、図10において、BD1は、pチャネルの第1MOSFETQ1のバックゲートボディーダイオードを表す。キャパシタ3に所定のキャパシタ電圧V1が充電された状態で、第1MOSFETQ1がオフ状態では、第1MOSFETQ1のゲート・ソース間には逆バイアスが印加され、第1MOSFETQ1のドレイン・ソース間およびバックゲートボディーダイオードBD1にも逆バイアスが印加される。
As shown in FIG. 10, the second switch includes a p-channel first insulated gate field effect transistor (MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field) having a first source connected to the
また、抵抗R1・R2は、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有する。すなわち、抵抗R1および抵抗R2の値によって、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有する。 The resistors R 1 and R 2 have a resistance value equal to or higher than a predetermined impedance. That is, the resistance value is equal to or higher than a predetermined impedance depending on the values of the resistance R 1 and the resistance R 2 .
第2スイッチ2においては、分圧されたゲート電圧V2=R2・V1/(R1+R2)とnチャネルの第2MOSFETQ2の閾値電圧Vth2との大小関係によって、第2MOSFETQ2のオンオフ状態を調整することができる。
In the
エネルギーハーベスタシステム10bに適用可能なエネルギーハーベスタ装置1において、キャパシタ電圧V1、ゲート電圧V2の動作波形例は、図11(a)に示すように表され、ドレイン電圧V3の動作波形例は、図11(b)に示すように表され、負荷7への供給電流I1の動作波形例は、図11(c)に示すように表される。
In the
エネルギーハーベスタシステム10bにおいては、ハイインピーダンス状態で、キャパシタ電圧V1が起動できるので、効率よく後段を起動できる。
In the
まず、時刻t1までは、図11(a)および図11(b)に示すように、第2MOSFETQ2の閾値電圧Vth2以上の電圧をゲート電圧V2は発生していない。このため、第2MOSFETQ2はオフしている。 First, until time t1, as shown in FIGS. 11A and 11B, the gate voltage V 2 is not generated with a voltage equal to or higher than the threshold voltage V th2 of the second MOSFET Q 2 . For this reason, the second MOSFET Q 2 is turned off.
次に、図11(a)および図11(b)に示すように、時間tの経過と共にキャパシタ電圧V1が上昇し、ゲート電圧V2=R2・V1/(R1+R2)が、時刻t1において、第2MOSFETQ2の閾値電圧Vth2よりも高くなると、第2MOSFETQ2がオン状態になる。この結果、ドレイン電圧V3が接地電位になり、第1MOSFETQ1の第1ゲートのゲート電位は第2MOSFETQ2のドレイン電圧V3に等しくなるため、pチャネルの第1MOSFETQ1はオン状態になる。この結果、キャパシタ3に充電されたエネルギーは、第1MOSFETQ1を介して負荷7に供給される。ここで、図11(c)に示すように、第1MOSFETQ1を導通する負荷7への供給電流I1は、オン状態においてオン電流IONで表される。
Next, as shown in FIG. 11 (a) and FIG. 11 (b), the capacitor voltage V 1 increases with the passage of time t, and the gate voltage V 2 = R 2 · V 1 / (R 1 + R 2 ) at time t1, it becomes higher than the threshold voltage V th2 of the 2MOSFETQ 2, the 2MOSFETQ 2 is turned on. As a result, the drain voltage V 3 becomes the ground potential, and the gate potential of the first gate of the first MOSFET Q 1 becomes equal to the drain voltage V 3 of the second MOSFET Q 2 , so that the p-channel first MOSFET Q 1 is turned on. As a result, the energy charged in the
エネルギーハーベスタシステム10bに適用可能なエネルギーハーベスタ装置1において、キャパシタ電圧V1、ゲート電圧V2のオンオフ動作波形例は、図12(a)に示すように表され、ドレイン電圧V3のオンオフ動作波形例は、図12(b)に示すように表され、負荷7への供給電流I1のオンオフ動作波形例は、図12(c)に示すように表される。オン動作は、図11と同様であるため、説明を省略し、オフ動作について説明する。
In the
図12(a)および図12(b)に示すように、時間tの経過と共にキャパシタ3に充電されるキャパシタ電圧V1の値が低下し、ゲート電圧V2が第2MOSFETQ2の閾値電圧Vth2よりも低くなると、第2MOSFETQ2がオフ状態になり、ドレイン電圧V3が閾値電圧Vth2よりも高いハイレベルの電位になり、pチャネルの第1MOSFETQ1は、オフ状態になる。この結果、図12(c)に示すように、第1MOSFETQ1を導通する負荷7への供給電流I1は遮断され、負荷7への電流供給は停止される。尚、時刻t2以降のドレイン電圧V3の波形は、キャパシタ電圧V1の波形と等しくなるため、図12(b)に示すように、0Vに収束する。時刻t2において、第1MOSFETQ1のゲート・ソース間電圧VGSが0Vとなり、第1MOSFETQ1がオフするからである。
As shown in FIGS. 12A and 12B, the value of the capacitor voltage V 1 charged in the
エネルギーハーベスタシステム10bにおいて、ゲート電圧V2の連続波形例は図13(a)に示すように表され、キャパシタ3に蓄積されるエネルギーE1の連続動作波形例は、図13(b)に示すように表され、負荷7への供給電流I1の連続動作波形例は、図13(c)に示すように表され、負荷7への供給エネルギーELの連続動作波形例は、図13(d)に示すように表される。
In the
キャパシタ電圧V1の連続動作に伴い、ゲート電圧V2の連続波形が図13(a)に示すように変化し、ゲート電圧V2の値が第2MOSFETQ2の閾値電圧Vth2よりも高くなると、第2MOSFETQ2がオン状態になり、第1MOSFETQ1もオン状態になり、負荷7への供給電流I1は、オン電流ION若しくはオン電流ION以上の電流が導通する。この結果、負荷7への供給エネルギーELは、図13(d)に示すような連続波形例で表される。
With the continuous operation capacitor voltage V 1, a continuous waveform of the gate voltage V 2 is changed as shown in FIG. 13 (a), the value of the gate voltage V 2 is higher than the threshold voltage V th2 of the 2MOSFETQ 2, the 2MOSFETQ 2 is turned on, the 1MOSFETQ 1 also turned on, the supply current I 1 to the
エネルギーハーベスタシステム10bによれば、キャパシタ3に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で、負荷7にエネルギーを供給することができるので、エネルギーハーベスタ素子4により発電したエネルギーを効率よく負荷7に供給することができる。
According to the
エネルギーハーベスタシステム10bによれば、エネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。
According to the
(エネルギーハーベスタシステムの変形例2)
実施の形態に係る蓄電池充電システムで用いる更に別のエネルギーハーベスタシステム10cの模式的回路構成は、図14に示すように、複数のエネルギーハーベスタ素子41、42、…、4nと、複数のエネルギーハーベスタ素子41、42、…、4nに接続され、複数のエネルギーハーベスタ素子41、42、…、4nにそれぞれ対応して設けられたエネルギーハーベスタ装置111、112、…、11nと、エネルギーハーベスタ装置111、112、…、11nに接続されたエネルギー供給先である負荷7(51、52、…、5n、6)とを備える。
(
Schematic circuit configuration of still another
ここで、負荷7は、図14に示すように、複数のエネルギーハーベスタ装置111、112、…、11nにそれぞれ接続された複数の電源51、52、…5nと、複数の電源51、52、…、5nに共通に接続され、電力を消費するシステム負荷6とを備える。
Here, as shown in FIG. 14, the
電源5は、システム負荷6への供給電圧を安定化させる機能を備える。電源5は、例えば、DC−DCコンバータ、LDO(Low Drop Out)等のような供給電圧安定化電源である。
The
システム負荷6は、携帯電話、スマートフォン、PDA、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
The
また、複数のエネルギーハーベスタ装置111、112、…、11nは、それぞれキャパシタC1と、キャパシタC1に接続された第2スイッチSW1、SW2、…、SWnとを備える。複数のエネルギーハーベスタ素子41、42、…、4nの発電状態によって、各キャパシタC1には、キャパシタ電圧V11、V12、…、V1nが発生しており、第2スイッチSW1、SW2、…、SWnの切替動作によって、エネルギー供給先である負荷7(5,6)に対して、複数のエネルギーハーベスタ素子41、42、…、4nのいずれか1つ若しくは複数からエネルギー供給が行われる。
Further, a plurality of
エネルギーハーベスタシステム10cによれば、複数のエネルギーハーベスタ素子41、…、4i、…、4nにそれぞれ対応して設けられた複数のエネルギーハーベスタ装置111、…、11i、…、11nの各キャパシタ3に十分に蓄電された後に、ハイインピーダンス状態で負荷7(51、52、…、5n、6)にエネルギーを供給することができるので、複数のエネルギーハーベスタ素子41、…、4i、…、4nにより発電したエネルギーを効率よく負荷7に供給することができる。
According to the
エネルギーハーベスタシステム10cによれば、複数のエネルギーハーベスタ素子により発電したエネルギーを効率よく供給可能なエネルギーハーベスタ装置およびエネルギーハーベスタシステムを提供することができる。
According to the
〔無線給電〕
実施の形態に係る蓄電池充電システムを適用した携帯電話11を無線給電により充電する様子を示す模式的鳥瞰構造は、図15に示すように表される。図15に示すように、ワイヤレス充電器12と携帯電話11との間において、ワイヤレスで電力伝送PTが行われる。このとき、光通信によってワイヤレス(ファイバレス)でデータ伝送DTが行われてもよい。
[Wireless power supply]
A schematic bird's-eye view structure showing a state in which the
実施の形態に係る蓄電池充電システムで行われる無線給電の電力伝送PTは、図16に示すように表される。図16に示すように、給電(1次側)コイル14と受電(2次側)コイル16の電磁結合によって給電による電力伝送PTを行う。
The power transmission PT of wireless power feeding performed in the storage battery charging system according to the embodiment is expressed as shown in FIG. As shown in FIG. 16, power transmission PT is performed by power feeding by electromagnetic coupling between a power feeding (primary side)
実施の形態に係る蓄電池充電システムにおいて、無線給電によるコイルパラメータαと最大伝送効率ηMAXとの関係を示すグラフは、図17に示すように表される。 In the storage battery charging system according to the embodiment, a graph showing the relationship between the coil parameter α by wireless power feeding and the maximum transmission efficiency η MAX is expressed as shown in FIG.
ここで、給電コイル14のインダクタンスをL1、直列抵抗をr1、受電コイル16のインダクタンスをL2、直列抵抗をr2とすると、給電コイル14、受電コイル16のQ(Quality Factor)の値Q1、Q2は、(1)式および(2)式で表される。
Here, the inductance of the
Q1=ωL1/r1 (1)
Q2=ωL2/r2 (2)
また、給電コイル14と受電コイル16の相互インダクタンスをMとすると、コイルパラメータαは(3)式で表され、最大伝送効率ηMAXは(4)式で表される。
Q 1 = ωL1 / r 1 (1)
Q 2 = ωL2 / r 2 (2)
Further, when the mutual inductance of the feeding
α≡k2Q1Q2 (3)
ηMAX=α/[1+(1+α)1/2]2 (4)
ここで、kは、給電コイル14と受電コイル16の結合係数である。すなわち、図17に示すように、給電によるコイルパラメータαが最大伝送効率ηMAXを支配し、コイルパラメータαが約104以上で最大伝送効率ηMAXが100%近くになる。このコイルパラメータαの値を増大するためには、コイルのQ値を表すωL/rの式の形から周波数ωを上げることが好適である。コイルパラメータαの値を増大するためにコイルのインダクタンスの値Lを大きくするという手段もあるが、それではコイルが大きくなってしまい、特にモバイル機器などの「小ささ」が特長である機器にとっては好ましいことではない。給電部21におけるスイッチング素子(電界効果トランジスタQ1・Q2)をシリコンで構成すると、周波数ωを上げるのが困難である。そこで、本実施の形態では、このような電界効果トランジスタQ1・Q2を窒化ガリウム(GaN)系材料で構成している。これにより、シリコンを用いる場合と比べて、周波数ωを上げることができるため、コイルパラメータαの値を大きくすることができ、最大伝送効率ηMAXを上げることが可能となる。
α≡k 2 Q 1 Q 2 (3)
η MAX = α / [1+ (1 + α) 1/2 ] 2 (4)
Here, k is a coupling coefficient between the feeding
以上説明したように、本発明によれば、省スペース化・低コスト化を図りながら電池寿命を向上させることが可能な蓄電池充電システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a storage battery charging system that can improve battery life while saving space and reducing costs.
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, the description and drawing which make a part of this indication are an illustration, Comprising: It should not be understood that this invention is limited. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.
本発明に係る蓄電池充電システムは、携帯電話、オーディオ機器、ゲーム機器、タブレット端末、万歩計(登録商標)、電気自動車、それらの機器の構成部品などに利用することができる。 The storage battery charging system according to the present invention can be used for a mobile phone, an audio device, a game device, a tablet terminal, a pedometer (registered trademark), an electric vehicle, a component of those devices, and the like.
20…受電部
30…整流回路
31a、31b、31c、31d…MOSFET(トランジスタ)
40…電源回路
50…蓄電池
60…認証回路
10…振動発電素子(エネルギーハーベスタ素子)
SW10、SW11、SW12…第1スイッチ
BD1、BD2、BD3、BD4…ショットキーバリアダイオード
1、111、…、11i、…、11n…エネルギーハーベスタ装置
2、SW1、…、SWi、…、SWn…第2スイッチ
3、31、32、…、3i、…、3n…キャパシタ(C1)
4、41、42、…、4i、…、4n…エネルギーハーベスタ素子
7…負荷
V1、V11、…、V1i、…、V1n…キャパシタ電圧
Q1、Q3…pMOSFET
Q2…nMOSFET
R1、R2、R3…抵抗
20 ...
40 ...
SW10, SW11, SW12 ... first switches BD1, BD2, BD3, BD4 ...
4,4 1, 4 2, ..., 4 i, ..., 4 n ...
Q 2 ... nMOSFET
R 1 , R 2 , R 3 ... resistance
Claims (17)
第2交流電力を出力する無線給電の受電部と、
前記エネルギーハーベスタ素子と前記受電部のいずれかの出力を選択するための第1スイッチと、
前記第1スイッチを介して供給される前記第1交流電力もしくは前記第2交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記直流電力を蓄電する蓄電池と、
前記無線給電が可能であるか否かを認証し、前記無線給電が可能である場合は前記受電部から給電されるように前記第1スイッチを切り替え、前記無線給電が可能でない場合は前記エネルギーハーベスタ素子から給電されるように前記第1スイッチを切り替える認証回路と
を備えることを特徴とする蓄電池充電システム。 An energy harvester element that outputs first AC power;
A power receiving unit for wireless power feeding that outputs second AC power;
A first switch for selecting an output of either the energy harvester element or the power receiving unit;
A rectifier circuit for converting the first AC power or the second AC power supplied through the first switch into DC power;
A storage battery for storing the DC power;
Whether the wireless power supply is possible is authenticated, and if the wireless power supply is possible, the first switch is switched so that power is supplied from the power receiving unit, and if the wireless power supply is not possible, the energy harvester And an authentication circuit that switches the first switch so that power is supplied from the element.
前記エネルギーハーベスタ装置は、
前記エネルギーハーベスタ素子により発電されたエネルギーを蓄電するキャパシタと、
前記キャパシタに接続され、前記キャパシタに充電されたキャパシタ電圧に基づいて、前記キャパシタから負荷へのエネルギー供給を切り替える第2スイッチと
を備えることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。 An energy harvester device connected to the energy harvester element;
The energy harvester device is:
A capacitor for storing energy generated by the energy harvester element;
A second switch connected to the capacitor and switching energy supply from the capacitor to a load based on a capacitor voltage charged in the capacitor. The storage battery charging system described.
第1ソースが前記キャパシタに接続され、第1ドレインが前記負荷に接続されるpチャネルの第1MOSFETと、
前記キャパシタに並列接続され、前記キャパシタ電圧を分圧する第1抵抗および第2抵抗と、
前記第1MOSFETの第1ゲートに、第2ドレインが接続され、第2ゲートが前記キャパシタ電圧の分圧に接続され、第2ソースが接地電位になされたnチャネルの第2MOSFETと、
前記第1MOSFETの第1ゲートと第1ソース間に接続された第3抵抗と
を備えたことを特徴とする請求項13に記載の蓄電池充電システム。 The second switch is
A p-channel first MOSFET with a first source connected to the capacitor and a first drain connected to the load;
A first resistor and a second resistor connected in parallel to the capacitor and dividing the capacitor voltage;
An n-channel second MOSFET having a second drain connected to the first gate of the first MOSFET, a second gate connected to the divided voltage of the capacitor voltage, and a second source at a ground potential;
The storage battery charging system according to claim 13, further comprising: a third resistor connected between a first gate and a first source of the first MOSFET.
前記第1ソースと前記キャパシタ間に配置され、第3ドレインが前記キャパシタに接続され、第3ソースが前記第1ソースに接続され、第3ゲートが前記第1ゲートに接続されるpチャネルの第3MOSFETをさらに備えることを特徴とする請求項16に記載の蓄電池充電システム。 The second switch is
A p-channel first transistor disposed between the first source and the capacitor, having a third drain connected to the capacitor, a third source connected to the first source, and a third gate connected to the first gate; The storage battery charging system according to claim 16, further comprising 3MOSFET.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012273187A JP2014121135A (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Storage battery charging system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012273187A JP2014121135A (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Storage battery charging system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014121135A true JP2014121135A (en) | 2014-06-30 |
Family
ID=51175543
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012273187A Pending JP2014121135A (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Storage battery charging system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014121135A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015119582A (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-25 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Power-supply circuit |
KR20160019249A (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-19 | 경북대학교 산학협력단 | Device, system and method for energy harvesting |
WO2017172012A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | Intel Corporation | Multifunction battery charging and haptic device |
JP2018064439A (en) * | 2016-10-13 | 2018-04-19 | 嘉二郎 渡邊 | Energy type conversion device |
-
2012
- 2012-12-14 JP JP2012273187A patent/JP2014121135A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015119582A (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-25 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Power-supply circuit |
KR20160019249A (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-19 | 경북대학교 산학협력단 | Device, system and method for energy harvesting |
KR101648261B1 (en) * | 2014-08-11 | 2016-08-23 | 경북대학교 산학협력단 | Device, system and method for energy harvesting |
WO2017172012A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | Intel Corporation | Multifunction battery charging and haptic device |
US10193374B2 (en) | 2016-03-31 | 2019-01-29 | Intel Corporation | Multifunction battery charging and haptic device |
JP2018064439A (en) * | 2016-10-13 | 2018-04-19 | 嘉二郎 渡邊 | Energy type conversion device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8253389B2 (en) | Battery protection circuit and method for energy harvester circuit | |
EP3002863B1 (en) | Single inductor dc-dc converter with regulated output, energy storage and energy harvesting system | |
US9142979B2 (en) | Active balancing circuit for balancing battery units | |
KR101428161B1 (en) | Apparatus for receiving wireless power and method for controlling power thereof | |
US9024604B2 (en) | Power circuit | |
JP5954788B2 (en) | Electronic component, power receiving device, and power feeding system | |
CN103891094A (en) | Battery system | |
US11563337B2 (en) | High efficiency wireless charging system and method | |
RU2306654C1 (en) | Wireless charging system (variants) | |
US9484773B2 (en) | Energy harvesting apparatus and energy harvesting system | |
US10355527B2 (en) | Wireless charging receiver with variable resonant frequency | |
JP5941656B2 (en) | Charging circuit and electronic device using the same | |
CN112542899A (en) | Advanced overvoltage protection strategy for wireless power transfer | |
TWI448044B (en) | Power management systems and controls thereof | |
JP2014121135A (en) | Storage battery charging system | |
JP6067308B2 (en) | Wireless power receiving circuit and electronic device using the same | |
JP6274289B1 (en) | Power circuit | |
KR101835125B1 (en) | Apparatus for receiving wireless power and method for controlling power thereof | |
US9755456B1 (en) | Control circuit for wireless power | |
JP6789524B2 (en) | Energy harvesting circuit | |
JP2011045183A (en) | Charging/discharging device | |
JP5815010B2 (en) | Balancing circuit for battery unit balancing | |
Joseph et al. | A simple ac-dc converter with indirect feedback | |
US20070210865A1 (en) | Method and apparatus for recharging portable electronic devices from audio sources | |
KR101654087B1 (en) | Secondary battery charging circuit using asymmetric pulse width modulation synchronous driving |