JP2014121135A - Storage battery charging system - Google Patents

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淳 前出
Koichi Miyanaga
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a storage battery charging system capable of improving battery life while achieving space saving and cost reduction.SOLUTION: A storage battery charging system includes: a vibration power generating element 10 that outputs a first AC power; a power receiving unit 20 that outputs a second AC power as a wireless power supply; a first switch SW10 for selecting either of outputs of the vibration power generating element 10 and the power receiving unit 20; a rectifier circuit 30 that converts the first AC power or the second AC power supplied through the first switch SW10 into DC power; a storage battery 50 that stores DC power; and an authentication circuit 60 that authenticates whether the wireless power supply can be performed, and switches the first switch SW10 such that power is supplied from the power receiving unit 20 when the wireless power supply can be performed and such that power is supplied from the vibration power generating element 10 when the wireless power supply cannot be performed.

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.

特表2009−528009号公報Special table 2009-528209

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.

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図であって、(a)蓄電池充電システムの構成例、(b)給電部と受電部の配置例。It is a typical circuit block diagram of the storage battery charging system which concerns on embodiment, Comprising: (a) The structural example of a storage battery charging system, (b) The example of arrangement | positioning of a feed part and a power receiving part. 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図。The specific circuit block diagram of the storage battery charging system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る蓄電池充電システムの動作を示すフローチャート。The flowchart which shows operation | movement of the storage battery charging system which concerns on embodiment. 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図。The specific circuit block diagram of another storage battery charging system which concerns on embodiment. 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の模式的回路構成図。The typical circuit block diagram of the energy harvester system used with the storage battery charging system which concerns on embodiment. 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の発電に伴うキャパシタ電圧V1の時間変化の波形例。Waveform example of time variation of the capacitor voltages V 1 caused by the power generation of the energy harvester system for use in battery charging system according to an embodiment. 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おいて、(a)発電エネルギーEの時間変化の波形例、(b)負荷抵抗RLの値R1、R2、R3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。In the energy harvester system used in the storage battery charging system according to the embodiment, (a) a waveform example of time variation of the generated energy E, (b) a capacitor having values R 1 , R 2 and R 3 of the load resistance R L as parameters waveform example of time variation of the voltage V 1. 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の具体的な回路構成図。The specific circuit block diagram of the energy harvester system used with the storage battery charging system which concerns on embodiment. 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の模式的回路構成図。The typical circuit block diagram of another energy harvester system used with the storage battery charging system which concerns on embodiment. 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に適用可能なエネルギーハーベスタ装置の模式的回路構成図。The typical circuit block diagram of the energy harvester apparatus applicable to another energy harvester system used with the storage battery charging system which concerns on embodiment. 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に適用可能なエネルギーハーベスタ装置において、(a)キャパシタ電圧V1、ゲート電圧V2の動作波形例、(b)ドレイン電圧V3の動作波形例、(c)負荷への供給電流I1の動作波形例。In an energy harvester device applicable to another energy harvester system used in the storage battery charging system according to the embodiment, (a) operation waveform examples of the capacitor voltage V 1 and the gate voltage V 2 , (b) operation of the drain voltage V 3 waveform example, (c) an operation waveform example of the supply current I 1 to the load. 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に適用可能なエネルギーハーベスタ装置において、(a)キャパシタ電圧V1、ゲート電圧V2のオンオフ動作波形例、(b)ドレイン電圧V3のオンオフ動作波形例、(c)負荷への供給電流I1のオンオフ動作波形例。In an energy harvester device applicable to another energy harvester system used in the storage battery charging system according to the embodiment, (a) ON / OFF operation waveform examples of the capacitor voltage V 1 and the gate voltage V 2 , (b) the drain voltage V 3 ON / OFF operation waveform example, (c) ON / OFF operation waveform example of supply current I 1 to the load. 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において、(a)ゲート電圧V2の連続動作波形例、(b)キャパシタに蓄積されるエネルギーE1の連続動作波形例、(c)負荷への供給電流I1の連続動作波形例、(d)負荷への供給エネルギーELの連続動作波形例。In another energy harvester system used in the storage battery charging system according to the embodiment, (a) a continuous operation waveform example of the gate voltage V 2 , (b) a continuous operation waveform example of the energy E 1 stored in the capacitor, (c) Example of continuous operation waveform of supply current I 1 to load, (d) Example of continuous operation waveform of supply energy E L to load. 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の模式的回路構成図。The typical circuit block diagram of another energy harvester system used with the storage battery charging system which concerns on embodiment. 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を無線給電により充電する様子を示す模式的鳥瞰構造図。The typical bird's-eye view structure figure which shows a mode that the mobile telephone to which the storage battery charging system which concerns on embodiment is applied is charged by wireless electric power feeding. 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を説明するための図。The figure for demonstrating the electric power transmission of the wireless electric power feeding performed with the storage battery charging system which concerns on embodiment. 実施の形態に係る蓄電池充電システムにおいて、コイルパラメータと最大伝送効率との関係を示すグラフ。The storage battery charging system which concerns on embodiment, The graph which shows the relationship between a coil parameter and maximum transmission efficiency.

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 power receiving unit 20 that outputs second AC power, and one of the energy harvester element 10 and the power receiving unit 20. A first switch SW10 for selecting the output, a rectifier circuit 30 for converting the first AC power or the second AC power supplied via the first switch SW10 to DC power, and a storage battery 50 for storing DC power. Whether the wireless power supply is possible or not. When the wireless power supply is possible, the first switch SW10 is switched so that power is supplied from the power receiving unit 20. When the wireless power supply is not possible, the energy harvester element 10 is switched. And an authentication circuit 60 that switches the first switch SW10 so as to be fed with power.

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 power supply circuit 40 connected between the rectifier circuit 30 and the storage battery 50 and stabilizing DC power may be provided, and the stabilized DC power may be supplied to the storage battery 50.

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 energy harvester element 10 may be a vibration power generation element 10 that converts vibrations into first AC power and outputs the first AC power.

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 power generation element 10 may be any one of an electromagnetic induction type, an electret type, a piezoelectric type, and a magnetostrictive type.

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 rectifier circuit 30 may operate as a synchronous rectifier circuit when wireless power feeding is possible.

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 rectifier circuit 30 may operate as a diode bridge rectifier circuit when wireless power feeding is not possible.

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 rectifier circuit 30 may operate in a low input mode when wireless power feeding is not possible.

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 rectifier circuit 30 may include MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d having a bridge structure.

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 storage battery 50. FIG.

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 power generation element 10, a power receiving unit 20, a first switch SW10, a rectifier circuit 30, a power supply circuit 40, and a storage battery 50. And an authentication circuit 60. The vibration power generation element 10 converts the vibration into first AC power and outputs it. The vibration power generation methods include an electromagnetic induction type, an electret type, a piezoelectric type, and a magnetostrictive type. The power receiving unit 20 is a power receiving unit for wireless power feeding, and outputs second AC power. For example, as illustrated in FIG. 1B, when the power receiving unit 20 is disposed in the vicinity of the power feeding unit 21 included in the wireless charger, the power feeding coil 14 on the power feeding unit 21 side and the power receiving coil 16 on the power receiving unit 20 side are arranged. Electric power transmission by power feeding is performed by electromagnetic coupling (described later). The first AC power and the second AC power may have different frequencies. For example, the frequency of the first AC power can be selected from various frequency bands. On the other hand, if a high frequency band such as a megahertz band is used as the frequency of the second AC power, the inductance can be reduced. The first switch SW10 is a switch for selecting one of the outputs from the vibration power generation element 10 and the power receiving unit 20. The rectifier circuit 30 converts the first AC power or the second AC power supplied via the first switch SW10 into DC power. The power supply circuit 40 is a circuit that stabilizes DC power, and includes a step-down regulator, a battery monitoring / protection circuit, and the like. The storage battery 50 is a lithium ion battery or the like that stores stabilized DC power. The authentication circuit 60 communicates with a power supply side device such as a wireless charger, and exchanges information such as coil positioning and power supply wattage to authenticate whether wireless power supply is possible. When wireless power feeding is possible, the first switch SW10 is switched so that power is supplied from the power receiving unit 20, and when wireless power feeding is not possible, the first switch SW10 is switched so that power is supplied from the vibration power generation element 10. Although not shown, a load that is a power supply destination is connected to the subsequent stage of the storage battery 50. This load is, for example, 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 power receiving coil 16, and the contacts (B) of the first switches SW11 and SW12 are connected to the vibration power generation element 10. The first switches SW11 and SW12 are connected to bridge-structure MOSFETs 31a, 31b, 31c and 31d (hereinafter sometimes referred to as “converter 31”). The gates of the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d are connected to the synchronous rectification controller 32, and are on / off controlled by the synchronous rectification controller 32. A rectifier circuit 30 is formed by the converter 31 and the synchronous rectifier controller 32. When the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d are off, the rectifier circuit 30 operates as a diode bridge rectifier circuit. Converter 31 is connected to storage battery 50 via bypass capacitor C 12 and power supply circuit 40. The power receiving coil 16 and the resonant capacitor C 11 form a parallel resonant circuit, and the authentication circuit 60 is connected to the parallel resonant circuit. The authentication circuit 60 authenticates whether or not wireless power feeding is possible, and controls the first switches SW11 and SW12 and the synchronous rectification controller 32 based on the authentication result. That is, at the time of wireless power feeding, for example, relatively large power of about 5 W to 10 W can be handled, so the rectifier circuit 30 is operated as a synchronous rectifier circuit. On the other hand, at the time of vibration power generation, only relatively small power of, for example, several tens of μW to 1 mW can be handled, so that synchronous rectification is stopped and the rectifier circuit 30 is operated as a diode bridge rectifier circuit. During vibration power generation, the operation mode of the rectifier circuit 30 may be switched to operate in the low input mode.

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 converter 31 is configured using four MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d, but the number of MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d can be changed as appropriate. Further, instead of the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d, for example, transistors such as silicon carbide (silicon carbide: SiC) and nitride semiconductor (gallium nitride: GaN) can be used.

〔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 authentication circuit 60 communicates with a power supply side device such as a wireless charger, and authenticates whether wireless power supply is possible (step S1). If wireless power feeding is possible (step S1: Yes), the contact (A) of the first switches SW11 and SW12 is turned on (step S2), and an enable signal is transferred to the synchronous rectification controller 32 (step S3). ). On the other hand, when wireless power feeding is not possible (step S1: No), the contact (B) of the first switches SW11 and SW12 is turned on (step S5), and a disable signal is transferred to the synchronous rectification controller 32 (step S6). ).

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 authentication circuit 60, the synchronous rectification controller 32 controls the gates of the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d to operate on the synchronous rectification method at a necessary timing. In this state, since the contact (A) of the first switches SW11 and SW12 is turned on, the second AC power output from the power receiving coil 16 is input to the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d, and is synchronously rectified. It is converted into DC power (step S4).

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 synchronous rectification controller 32 receives the disable signal from the authentication circuit 60, the synchronous rectification controller 32 turns off the switching of the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d and operates the diode rectification method. In this state, since the contact (B) of the first switches SW11 and SW12 is turned on, the first AC power output from the vibration power generation element 10 is input to the MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d, and the diode rectification method Is converted into DC power (step S7).

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 power supply circuit 40, are accumulated in the accumulator 50. When such a storage battery charging system is applied to a mobile phone, not only can the storage battery 50 be charged by wireless power feeding, but the storage battery 50 is supplementarily charged by vibration caused by walking while carrying the mobile phone. Is possible.

〔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 MOSFETs 31a, 31b, 31c, and 31d. In this way, the voltage drop can be reduced compared to the case where the Schottky barrier diodes BD1, BD2, BD3, and BD4 are not connected. Since other points are the same as those in FIG. 2, detailed description thereof is omitted here.

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 power generation element 10 as the energy harvester element, the same effect can be obtained if the energy harvester element outputs AC power. It is also possible to construct energy harvester systems with various configurations using such energy harvester elements. Hereinafter, the energy harvester system used in the storage battery charging system according to the embodiment will be described in detail.

(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 energy harvester system 10 a used in the storage battery charging system according to the embodiment is charged with energy generated by the energy harvester element 4 and the energy harvester element 4 connected in parallel to the energy harvester element 4. And a load R L connected in parallel to the capacitor 3. Here, C 1 and the value of the capacitor 3, when the charging voltage and V 1, the energy charged in the capacitor C 1 is represented by CV 1 2/2.

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 energy harvester system 10a, a waveform example of the time variation of the capacitor voltages V 1 caused by the power generation of the load values of R L R 1, R 2, R 3 (R 1 <R 2 <R 3) and parameter 6 It is expressed as shown in

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 ( R 1 <R 2 <R 3) relative to each peak value V p1, V p2, V p3 is shown. Here, in the example shown in FIG. 6, the time at which the peak value of the capacitor voltage V 1 is obtained is set to the same time tp, but the time at which the peak value is obtained may not necessarily match. .

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 energy harvester system 10a, as shown in FIG. 6, the smaller the impedance of the load R L , the more the peak value of the capacitor voltage V 1 changes as V p1 <V p2 <V p3. The energy stored in 1 is reduced. As a result, the amount of energy supplied from the energy harvester element 4 to the load R L1 is also reduced. That is, in the energy harvester element 4, the power generation efficiency varies depending on the impedance of the target to which the generated energy is supplied.

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 energy harvester system 10a, the waveform example of the time change of the generated energy E is represented as a vibration waveform having a peak value E p at the time tp as shown in FIG. 7A, for example.

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、R11<R21<R31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 energy harvester system 10a, the RC time constant changes according to the value of the load resistance R L , and the relationship R 1 C 1 <R 2 C 1 <R 3 C 1 is established. For this reason, when the value of the load resistance R L is large, it takes time to charge the capacitor C 1 .

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 energy harvester system 10a includes an energy harvester element 4 and a capacitor connected in parallel to the energy harvester element 4 for charging energy generated by the energy harvester element 4. 3, a power supply 5 connected in parallel to the capacitor 3, and a system load 6 connected to the power supply 5. Here, the impedance on the power source 5 side including the system load 6 viewed from the capacitor 3 is represented by R L1 , and the impedance of the system load 6 is represented by R L2 .

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 power source 5 side is R L1 and impedance of the system load 6 is R L2 ), it is necessary to supply necessary energy to the load R L. However, when the impedance of the load R L is high, it takes time to charge the capacitor C 1 as shown in FIG. For this reason, it is necessary to switch the impedance of the load R L appropriately to shorten the time constant. That is, in order to supply sufficient energy to the electronic device, while ensuring shorter charging time of the capacitor C 1, effectively needs to be supplied to the power generation energy of the energy harvester device 4 charged in the capacitor C 1 to the load R L There is.

(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。
(Variation 1 of energy harvester system)
As shown in FIG. 9, another energy harvester system 10 b used in the storage battery charging system according to the embodiment includes an energy harvester element 4, an energy harvester apparatus 1 connected to the energy harvester element 4, and an energy harvester apparatus 1. And a load 7 that is a connected energy supply destination.

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 load 7 includes a power source 5 and a system load 6 connected to the power source 5 and consuming power. The power supply 5 has a function of stabilizing the supply voltage to the system load. The power source 5 is a supply voltage stabilized power source such as a DC-DC converter, LDO (Low Drop Out), or the like. The system load 6 is a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, a PDA, an optical disk device, a digital camera, and a wireless communication device, an automobile, an industrial device, a medical device, and a component part of those devices, and consumes energy. Equipment.

(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 energy harvester apparatus 1 applicable to the energy harvester system 10b is expressed as shown in FIG.

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 energy harvester device 1 applicable to the energy harvester system 10 b is connected to the energy harvester element 4, and includes a capacitor 3 that stores energy generated by the energy harvester element 4, and a capacitor 3. And a second switch 2 that switches the energy supply from the capacitor 3 to the seven loads based on the capacitor voltage V 1 charged in the capacitor 3.

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 second switch 2 is connected between the capacitor 3 and the load 7 and switches power supply from the capacitor 3 to the load 7 based on the capacitor voltage V 1 .

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 second switch 2 includes resistors R 1 and R 2 connected in parallel to the capacitor 3.

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 capacitor 3 and a first drain connected to the load 7. The second drain is connected to the first transistor R 1 and the second resistor R 2 that are connected in parallel to the Effect Transistor) Q 1 and the capacitor 3 and divide the capacitor voltage V 1 , and the first gate of the first MOSFET Q 1 , An n-channel second MOSFET Q 2 whose second gate is connected to the divided voltage of the capacitor voltage V 1 and whose second source is the ground potential, and a third connected between the first gate and the first source of the first MOSFET Q 1 . A resistor R 3 may be provided. Here, the gate voltage V 2 which is divided by a first resistor R 1 and a second resistor R 2 is represented by R 2 · V 1 / (R 1 + R 2). The voltage of the first gate of the first MOSFET Q 1 and the second drain of the second MOSFET Q 2 is represented by the drain voltage V 3 . In FIG. 10, BD 1 represents the back gate body diode of the p-channel first MOSFET Q 1 . In a state where a predetermined capacitor voltages V 1 to the capacitor 3 is charged, in the first 1MOSFETQ 1 is turned off, between the gate and source of 1MOSFETQ 1 reverse bias is applied, between the first 1MOSFETQ 1 of the drain-source and back A reverse bias is also applied to the gate body diode BD 1 .

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 second switch 2, the gate voltage V 2 = R 2 · V 1 / (R 1 + R 2 ) of the divided voltage and the threshold voltage V th2 of the n-channel second MOSFET Q 2 are set according to the magnitude relationship of the second MOSFET Q 2 . The on / off state can be adjusted.

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 energy harvester device 1 applicable to the energy harvester system 10b, the operation waveform examples of the capacitor voltage V 1 and the gate voltage V 2 are expressed as shown in FIG. 11A, and the operation waveform example of the drain voltage V 3 is 11 (b), and an example of the operation waveform of the supply current I 1 to the load 7 is represented as shown in FIG. 11 (c).

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 energy harvester system 10b, in a high impedance state, since it started the capacitor voltage V 1, it can be efficiently launch later stage.

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 capacitor 3 is supplied to the load 7 via the first MOSFET Q1. Here, as shown in FIG. 11C, the supply current I 1 to the load 7 that conducts the first MOSFET Q 1 is represented by the on-current I ON in the on-state.

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 energy harvester device 1 applicable to the energy harvester system 10b, an on / off operation waveform example of the capacitor voltage V 1 and the gate voltage V 2 is represented as shown in FIG. 12A, and an on / off operation waveform of the drain voltage V 3. An example is represented as shown in FIG. 12B, and an example of an on / off operation waveform of the supply current I 1 to the load 7 is represented as shown in FIG. Since the on operation is the same as that in FIG. 11, the description is omitted, and the off operation will be described.

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 capacitor 3 decreases with the passage of time t, and the gate voltage V 2 becomes the threshold voltage V th2 of the second MOSFET Q 2. becomes lower than, the 2MOSFETQ 2 is turned off, becomes higher high-level potential than the drain voltage V 3 is the threshold voltage V th2, the 1MOSFETQ 1 of p-channel is turned off. As a result, as shown in FIG. 12C, the supply current I 1 to the load 7 that conducts the first MOSFET Q 1 is cut off, and the current supply to the load 7 is stopped. Since the waveform of the drain voltage V 3 after time t2 is equal to the waveform of the capacitor voltage V 1 , it converges to 0V as shown in FIG. At time t2, the gate-source voltage V GS to 0V of the 1MOSFETQ 1, first 1MOSFETQ 1 is because off.

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 energy harvester system 10b, a continuous waveform example of the gate voltage V 2 is represented as shown in FIG. 13A, and a continuous operation waveform example of the energy E 1 stored in the capacitor 3 is shown in FIG. 13B. The continuous operation waveform example of the supply current I 1 to the load 7 is expressed as shown in FIG. 13C, and the continuous operation waveform example of the supply energy E L to the load 7 is shown in FIG. It is expressed as shown in d).

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 load 7, the oN current I oN or oN current I oN more current conduction. As a result, the supply energy E L to the load 7 is represented by a continuous waveform example as shown in FIG.

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 energy harvester system 10b, since the energy can be supplied to the load 7 in a high impedance state after being sufficiently stored in the capacitor 3, the energy generated by the energy harvester element 4 is efficiently supplied to the load 7. can do.

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 energy harvester system 10b, an energy harvester device and an energy harvester system that can efficiently supply energy generated by the energy harvester element can be provided.

(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。
(Variation 2 of energy harvester system)
Schematic circuit configuration of still another energy harvester system 10c used in battery charging system according to the embodiment, as shown in FIG. 14, a plurality of energy harvester device 4 1, 4 2, ..., and 4 n, a plurality of energy harvester device 4 1, 4 2, ..., 4 are connected to the n, a plurality of energy harvester device 4 1, 4 2, ..., 4 energy harvester device provided corresponding to the n 1 11, 1 12, ... , 1 1n and loads 7 (5 1 , 5 2 ,..., 5 n , 6) that are energy supply destinations connected to the energy harvester devices 1 11 , 1 12 ,.

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 load 7 includes a plurality of power supplies 5 1 , 5 2 ,... 5 n connected to a plurality of energy harvester devices 1 11 , 1 12 ,. power 5 1, 5 2, ..., are connected in common to 5 n, and a system load 6 consumes power.

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 power supply 5 has a function of stabilizing the supply voltage to the system load 6. The power source 5 is a supply voltage stabilized power source such as a DC-DC converter, LDO (Low Drop Out), or the like.

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 system load 6 is a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, a PDA, an optical disk device, a digital camera, and a wireless communication device, an automobile, an industrial device, a medical device, and a component part of those devices, and consumes energy. Equipment.

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 energy harvester device 1 11, 1 12, ..., 1 1n is provided with a capacitor C 1, respectively, the second switch SW1, SW2 connected to the capacitor C 1, ..., and SWn. A plurality of energy harvester device 4 1, 4 2, ..., the power generation state of the 4 n, and each capacitor C 1, the capacitor voltage V 11, V 12, ..., V 1n has occurred, the second switch SW1, SW2, ..., by the switching operation of SWn, relative to energy supply destination in a load 7 (5,6), a plurality of energy harvester device 4 1, 4 2, ..., any one or energy from a plurality of 4 n Supply is made.

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 energy harvester system 10c, a plurality of energy harvester device 4 1, ..., 4 i, ..., a plurality of energy harvester device 1 11 provided corresponding to 4 n, ..., 1 1i, ..., 1 1n Can be supplied to the load 7 (5 1 , 5 2 ,..., 5 n , 6) in a high impedance state after being sufficiently stored in each capacitor 3, the plurality of energy harvester elements 4 1 , .., 4 i ,..., 4 n can be efficiently supplied to the load 7.

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 energy harvester system 10c, an energy harvester device and an energy harvester system capable of efficiently supplying energy generated by a plurality of energy harvester elements can be provided.

〔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 mobile phone 11 to which the storage battery charging system according to the embodiment is applied is charged by wireless power feeding is expressed as shown in FIG. As shown in FIG. 15, power transmission PT is performed wirelessly between the wireless charger 12 and the mobile phone 11. At this time, data transmission DT may be performed wirelessly (fiberless) by optical communication.

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) coil 14 and a power receiving (secondary side) coil 16.

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 power supply coil 14 L1, r 1 series resistance, inductance L2 of the power receiving coil 16, when the series resistance and r 2, the feeding coil 14, the value to Q 1 Q of the power receiving coil 16 (Quality Factor) , Q 2 are represented by the formulas (1) and (2).

1=ωL1/r1 (1)
2=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 coil 14 and the receiving coil 16 is M, the coil parameter α is expressed by the equation (3), and the maximum transmission efficiency η MAX is expressed by the equation (4).

α≡k212 (3)
ηMAX=α/[1+(1+α)1/22 (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 coil 14 and the receiving coil 16. That is, as shown in FIG. 17, the coil parameters α by feeding dominates the maximum transmission efficiency eta MAX, the coil parameters α maximum transmission efficiency eta MAX is close to 100% in about 10 4 or more. In order to increase the value of the coil parameter α, it is preferable to increase the frequency ω from the form of the equation of ωL / r representing the Q value of the coil. In order to increase the value of the coil parameter α, there is a means of increasing the value L of the coil inductance. However, this increases the coil, which is particularly preferable for a device that features “smallness” such as a mobile device. Not that. If the switching elements (field effect transistors Q1 and Q2) in the power supply unit 21 are made of silicon, it is difficult to increase the frequency ω. Therefore, in this embodiment, such field effect transistors Q1 and Q2 are made of a gallium nitride (GaN) material. As a result, since the frequency ω can be increased as compared with the case where silicon is used, the value of the coil parameter α can be increased, and the maximum transmission efficiency η MAX can be increased.

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
1、V11、…、V1i、…、V1n…キャパシタ電圧
1、Q3…pMOSFET
2…nMOSFET
1、R2、R3…抵抗
20 ... Power receiving unit 30 ... Rectifier circuit 31a, 31b, 31c, 31d ... MOSFET (transistor)
40 ... power supply circuit 50 ... storage battery 60 ... authentication circuit 10 ... vibration power generation element (energy harvester element)
SW10, SW11, SW12 ... first switches BD1, BD2, BD3, BD4 ... Schottky barrier diodes 1, 1 11 , ... 1 1i , ... 1 1n ... energy harvester devices 2, SW1, ..., SWi, ..., SWn ... second switch 3, 3 1 , 3 2 , ... 3 i , ... 3 n ... capacitor (C 1 )
4,4 1, 4 2, ..., 4 i, ..., 4 n ... energy harvester device 7 ... load V 1, V 11, ..., V 1i, ..., V 1n ... capacitor voltage Q 1, Q 3 ... pMOSFET
Q 2 ... nMOSFET
R 1 , R 2 , R 3 ... resistance

Claims (17)

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.
前記整流回路と前記蓄電池との間に接続され、前記直流電力を安定化させる電源回路を備え、前記蓄電池には、安定化された前記直流電力が供給されることを特徴とする請求項1に記載の蓄電池充電システム。   The power supply circuit which stabilizes the said DC power is connected between the said rectifier circuit and the said storage battery, The said DC power stabilized is supplied to the said storage battery, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. The storage battery charging system described. 前記第1交流電力と前記第2交流電力は、周波数が互いに異なることを特徴とする請求項1または2に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to claim 1 or 2, wherein the first AC power and the second AC power have different frequencies. 前記エネルギーハーベスタ素子は、振動を前記第1交流電力に変換して出力する振動発電素子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。   4. The storage battery charging system according to claim 1, wherein the energy harvester element is a vibration power generation element that converts vibration into the first AC power and outputs the first AC power. 5. 前記振動発電素子は、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ることを特徴とする請求項4に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to claim 4, wherein the vibration power generation element is one of an electromagnetic induction type, an electret type, a piezoelectric type, and a magnetostrictive type. 前記整流回路は、前記無線給電が可能である場合は同期整流回路として動作することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to any one of claims 1 to 5, wherein the rectifier circuit operates as a synchronous rectifier circuit when the wireless power feeding is possible. 前記整流回路は、前記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することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to any one of claims 1 to 5, wherein the rectifier circuit operates as a diode bridge rectifier circuit when the wireless power feeding is not possible. 前記整流回路は、前記無線給電が可能でない場合は低入力モードで動作することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to any one of claims 1 to 5, wherein the rectifier circuit operates in a low input mode when the wireless power feeding is not possible. 前記整流回路は、ブリッジ構造のトランジスタを有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to claim 1, wherein the rectifier circuit includes a transistor having a bridge structure. 前記トランジスタのソース・ドレイン間にショットキーバリアダイオードが接続されることを特徴とする請求項9に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to claim 9, wherein a Schottky barrier diode is connected between a source and a drain of the transistor. 前記蓄電池に蓄電された電力の供給先である負荷を備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to any one of claims 1 to 10, further comprising a load that is a supply destination of electric power stored in the storage battery. 前記負荷は、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ることを特徴とする請求項11に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery according to claim 11, wherein the load is any one of a mobile phone, an audio device, a game device, a tablet terminal, a pedometer (registered trademark), an electric vehicle, and a component of those devices. Charging system. 前記エネルギーハーベスタ素子に接続されるエネルギーハーベスタ装置を備え、
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.
前記第2スイッチは、前記キャパシタに並列接続される抵抗を備える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 storage battery charging system according to claim 13, wherein the second switch includes a resistor connected in parallel to the capacitor. 前記抵抗は、所定のインピーダンス以上の抵抗値を有することを特徴とする請求項14に記載の蓄電池充電システム。   The storage battery charging system according to claim 14, wherein the resistor has a resistance value equal to or higher than a predetermined impedance. 前記第2スイッチは、
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2スイッチは、
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.
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