JP2018085801A - 電源装置、電源システムおよびセンサシステム - Google Patents

電源装置、電源システムおよびセンサシステム Download PDF

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Abstract

【課題】回路規模を抑制するとともに、１つまたは複数の発電素子からの電力を複数の負荷回路に安定して供給する。【解決手段】本発明の実施形態としての電源装置は、発電素子により生成された電力の電圧を変換する電圧変換回路と、それぞれ複数の負荷回路のうちの異なる１つに並列に接続される複数の蓄電素子と、前記電圧変換回路と、前記複数の蓄電素子のそれぞれとの電気的な接続を切り換えるスイッチ回路と、前記複数の蓄電素子の電圧を測定し、前記測定した電圧に基づき、前記スイッチ回路を制御する制御回路とを備える。【選択図】図１

Description

この発明の実施形態は、電源装置、電源システムおよびセンサシステムに関する。
１次蓄電素子と、複数の２次蓄電素子と、当該複数の２次蓄電素子と複数の負荷回路との間にそれぞれ設けられた複数の電圧変換回路（レギュレータ）とを備えた電源装置が知られている。発電素子で発電された電力を、１次蓄素子に優先的に充電し、その電荷を各２次蓄電素子に振り分けることにより、高速な起動と、各負荷回路への所望電圧の供給とを両立する。
この電源装置では、負荷回路ごとに電圧変換回路を設ける必要があるため、部品点数（回路規模）およびコストが増大する。また発電素子が複数種類存在する場合、これらの発電素子のそれぞれの出力側にも電圧変換回路を設ける必要がある。つまり、発電素子側と負荷回路側の双方に、発電素子数および負荷回路数分の電圧変換回路が必要になる。このため、部品点数（回路規模）およびコストが倍増する。
特開２０１５−０１５８４８号公報
本発明の実施形態は、回路規模を抑制するとともに、１つまたは複数の発電素子からの電力を複数の負荷回路に安定して供給可能な電源装置、電源システムおよびセンサシステムを提供する。
本発明の実施形態としての電源装置は、発電素子により生成された電力の電圧を変換する電圧変換回路と、それぞれ複数の負荷回路のうちの異なる１つに並列に接続される複数の蓄電素子と、前記電圧変換回路と、前記複数の蓄電素子のそれぞれとの電気的な接続を切り換えるスイッチ回路と、前記複数の蓄電素子の電圧、前記発電素子または前記電圧変換回路の出力電圧を測定し、前記測定した電圧に基づき、前記スイッチ回路を制御する制御回路とを備える。
第１の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第２の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第３の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第４の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第５の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第６の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第７の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第８の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 第９の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図。 図９の電源システムと高周波発信装置とを備えた無線給電システムの構成図。 第１０の実施形態に係るセンサシステムの構成図。
図１は第１の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。
この電源システムは、発電素子１０１と、電源装置２０１と、負荷回路１、２とを備え、発電素子１０１で発電された電力を、電源装置２０１により変換して、負荷回路１、２へ供給するものである。
発電素子１０１は、環境エネルギー等のエネルギー源から発電を行う素子である。発電素子１０１は、環境に応じて発電が変動する、出力が不安定な電力源である。発電素子１０１の例として、太陽電池、熱電発電素子（ペルチェ素子）、または圧電素子（ピエゾ素子）等がある。
電源装置２０１は、電圧変換回路１１、スイッチ回路１２、蓄電素子１３、１４、制御回路１５を備える。
電圧変換回路１１は、発電素子１０１により生成された電力の電圧を変換する。電圧変換回路１１として、ＤＣ／ＤＣコンバータ、または、整流器（ＡＣ／ＤＣコンバータ）とＤＣ／ＤＣコンバータの組などを用いることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を昇圧または降圧（昇降圧と記載）することで、入力電圧を、異なる電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータの具体例として、バックコンバータ、ブーストコンバータ、スイッチドキャパシタ、またはリニアレギュレータなどを用いることができる。
スイッチ回路１２は、電圧変換回路１１と、複数の蓄電素子１３、１４のそれぞれとの電気的な接続を切り換える。すなわち、電圧変換回路１１の出力端子の接続先を、負荷回路１または負荷回路２に切り換える。スイッチ回路１２は、ＭＯＳトランジスタまたはバイポーラジャンクショントランジスタなどを用いて構成できる。
スイッチ回路１２は１つの入力端子Ｉ１と、２つの出力端子Ｏ１、Ｏ２を備えている。入力端子Ｉ１は、電圧変換回路１１の出力端子に電気的に接続されている。出力端子Ｏ１は、負荷回路１および蓄電素子１３に電気的に接続されており、出力端子Ｏ２は負荷回路２および蓄電素子１４に電気的に接続されている。
スイッチ回路１２は、入力端子Ｏ１と出力端子Ｏ２間の電気的な接続を切り換えるスイッチを含み、当該スイッチをオンすることで、入力端子Ｉ１と出力端子Ｏ１間の電源供給経路１を形成し、オフにすることで、電源供給経路１を切断する。また、スイッチ回路１２は、入力端子Ｉ１と出力端子Ｏ２間の電気的な接続を切り換えるスイッチを含み、当該スイッチをオンすることで、入力端子Ｉ１と出力端子Ｏ２間に電源供給経路２を形成し、オフにすることで、電源供給経路２を切断する。図の例では、入力端子Ｉ１と出力端子Ｏ１間に電源供給経路１が形成されており（実線でＩ１およびＯ１間が結合されている）、入力端子Ｉ１と出力端子Ｏ２間に電源供給経路２が形成されていない（破線でＩ１およびＯ１間が結合されている）状態が示される。以下、電源供給経路を形成することを、電源供給経路をオンにする、電源供給経路を切断することを、電源供給経路をオフにすると呼ぶことがある。
本実施形態では、いずれか一方の電源供給経路をオンにするが、両方の電源供給経路を同時にオンにする形態も可能である。この場合、電圧変換回路１１の出力電流は、負荷回路１、２の両方に分散して供給される。あるいは、両方の電源供給経路ともオフにする構成も可能である。この場合、発電素子１０１の発電電力はグランド端子または電圧保護素子を介して廃棄される。
負荷回路１の入力側には、蓄電素子１３が並列に接続されており、負荷回路２の入力側には、蓄電素子１４が並列に接続されている。蓄電素子１３、１４は、キャパシタ等の容量素子を含む。蓄電素子１３の一端は、スイッチ回路１２の出力端子Ｏ１および負荷回路１の入力端子に接続されており、他端は、基準端子（グランド端子）に接続されている。蓄電素子１４の一端は、スイッチ回路１２の他方の出力端子Ｏ２および負荷回路２の入力端子に接続されており、他端は、基準端子（グランド端子）に接続されている。負荷回路の例として、例えばセンサ、無線ＩＣ、アクチュエータ、モータなどがある。アクチュエータの具体例として、バイブレータなどがある。ここで述べた負荷回路の例は一例に過ぎず、様々な回路を用いることができる。
制御回路１５は、蓄電素子１３、１４の電圧（負荷回路１、２の入力電圧）を測定し、測定した電圧に基づき、スイッチ回路１２を制御する。制御回路１５は、電圧変換回路１に接続されている蓄電素子（電圧変換回路との電源供給経路がオンになっている）のみならず、電圧変換回路１１に接続されていない（電圧変換回路との電源供給経路がオンになっていない）蓄電素子の電圧も測定する。蓄電素子１３、１４の電圧以外にまたは当該電圧に代えて、発電素子１０１の出力電圧または電流、電圧変換回路１１の出力電圧または電流、および、負荷回路１、２の電流の少なくとも１つを測定し、測定した電圧または電流を用いてもよい。電圧変換回路１１の内部電圧、例えば整流器（ＡＣ／ＤＣコンバータ）とＤＣ／ＤＣコンバータを有する場合に、整流器とＤＣ／ＤＣコンバータ間の中間ノードの電圧を用いてもよい。
制御回路１５は、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）またはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）など、プログラムコードを解釈して実行するプロセッサでもよいし、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）などでもよい。本実施形態では、制御回路１５がＭＰＵの場合を想定して説明する。
制御回路１５の動作例として、負荷回路１の負荷電流が、負荷回路２のそれより大きい、または負荷回路１の蓄電素子１３の電圧が、目標とする値よりも低い状況では、制御回路１５は、負荷回路１への電力供給が、時間的に優先されるように、スイッチ回路１２を制御する。すなわち、スイッチ回路１２を負荷回路１に優先的に接続する。
負荷回路１、２の優先度、または各電源供給経路１、２を設定する時間的割合は、例えば制御回路１５に内臓された、または制御回路１５に接続された不揮発メモリに予め記憶されている。ただし、制御回路１５内のプログラムによって機械学習等を用いて最適にスイッチ回路１２を制御する構成も可能である。また、制御回路１５が負荷回路１への電源供給経路１を設定している状況でも、負荷回路２の負荷電流・蓄電素子１４の蓄電電圧の両方またはいずれかの測定を継続することで、それらが急激に変動して目標値・目標範囲から逸脱する状況を回避するよう迅速に、スイッチ回路１２を制御する。
例えば、負荷回路１がセンサ、負荷回路２が、無線機（無線ＩＣ）である場合を想定する。この場合、本電源システムは、センサで検出したデータを、無線ＩＣで送信する、センサ端末（ワイヤレスセンサ装置）として用いられる。多くの場合は、センサを連続的に動作させることが好ましく、無線ＩＣは、センサデータが一定量以上蓄積された段階で送信動作することが求められる。そのためセンサ用の蓄電素子１３は常時一定以上の電圧を維持して、センサを安定して（一時的に発電素子１０１の発電が停止しても）継続して動作可能なようにスイッチ回路１２を制御する。無線ＩＣ用の蓄電素子１４は、無線ＩＣから送信の要求が発生することを制御回路１５が予測または検知した場合や、外部装置（図示せず）からの指令を受けた場合に、充電を優先することが考えられる（例えば所定の電圧に達するまで蓄電素子１４の充電を優先して行う）。センサデータが異常を示すなど無線ＩＣからアラート信号を送信するような場面では、無線ＩＣ用の蓄電素子１４への充電の優先度を高めることも有効である。
図１の構成では、蓄電素子１３、１４を、スイッチ回路１２と負荷回路１、２との間に設けることにより、負荷回路１、２の負荷電流または目標動作電圧が大きく異なる場合でも、蓄電素子１３、１４の充放電時間の観点から、各負荷回路１、２に最適な蓄電素子を選択することで、この違いに対応可能である。電圧変換回路１１は、インダクタ等の外付け素子により占有容積が大きくなりがちであるが、発電素子１０１側に１つ設けるだけでよく、負荷回路毎に電圧変換回路を設ける必要がない。よって、装置の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。
以上、本実施形態によれば、負荷回路側に電圧変換回路を設ける必要はなく、発電素子側のみに電圧変換回路を設ければよい。よって、装置の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。
（第２の実施形態）
図２は第２の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。図１と同一または対応する部分には同一の符号を付して、説明を省略する。
制御回路１５が起動していない状況、または、制御回路１５が制御動作を行っていない状況（スリープ状態の場合など）では、スイッチ回路１２における２つの電源供給経路をいずれもオフにしておく。これにより、制御回路１５の動作開始時に、予期しない負荷回路および蓄電素子に電力が流れ込み、本来必要な経路の電圧の立ち上がりが遅れることを防止する。
なお、スイッチ回路１２における２つの電源供給経路をいずれもオフにする構成は、以下のようにすることができる。スイッチ回路１２を、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラジャンクショントランジスタまたはダイオード素子などのスイッチ素子により構成する。制御回路１５からの制御信号入力がない場合には、プルアップ・ダウン抵抗等でバイアス電圧・電流を与えることで、２つの電源供給経路をいずれもオフにする。制御回路１５の動作開始後は、制御回路１５からの制御信号により、スイッチ回路１２内のスイッチ素子を制御することで、所望の電源供給経路をオンにすればよい。
（第３の実施形態）
図３は第３の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。図１と同一または対応する部分には同一の符号を付して、説明を省略する。
負荷回路の１つ（ここでは負荷回路２）が、セラミックコンデンサまたはスーパーキャパシタなどの蓄電容量、もしくは、２次電池とする。２次電池の例として、リチウムイオン電池や固体電池などがある。図の例では、負荷回路２が２次電池の場合が示される。
スイッチ回路１２は、負荷回路１と、負荷回路２（蓄電容量または２次電池）間の接続を切り換える。すなわち、スイッチ回路１２は、第１または第２の実施形態の構成に加えて、２つの出力端子Ｏ１、Ｏ２間を接続する電源供給経路をオン・オフする構成を有する。これにより、例えば負荷回路１に接続された蓄電素子１３の端子電圧が負荷回路１の許容上限電圧に達し、更なる充電ができない状況となっても、出力端子Ｏ１、Ｏ２間を接続することで、負荷回路２（蓄電容量または２次電池）にエネルギーを蓄積できる。また、発電素子１０１の出力電力が不足する状況では、負荷回路２の蓄積エネルギーを、負荷回路１に供給することもできる。その結果、発電素子１０１の安定性が低く、上限出力電力が小さい場合であっても、負荷回路１を安定的に動作させることができる。
（第４の実施形態）
図４は第４の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。図１と同一または対応する部分には同一の符号を付して、説明を省略する。
本実施形態では、制御回路１５が、負荷回路の１つとして電源が供給されることができる。制御回路１５の電源端子が、スイッチ回路１２の出力端子Ｏ２に電気的に接続されている。これにより制御回路１５に、独立の電源回路を設ける必要なく、環境エネルギーなどの発電電力だけで、賄うことも可能となる。または、制御回路１５に、２次電池等の独立の電源回路が存在する場合であっても、電池容量が足りなくなった場合に、発電エネルギーを制御回路１５に供給することで、制御回路１５の動作を維持できる。
本実施形態によれば、制御回路１５用の電源回路が独立して設けられなくても、発電エネルギーを用いて、制御回路１５を起動し、制御動作を開始することができる。
（第５の実施形態）
図５は第５の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。基本的な構成は、第４の実施形態と同様であるが、動作が第４の実施形態と異なる。
本実施形態では、制御回路１５が制御動作を行っていない状況（電源装置の電源オフ時またはスリープ時）では、発電電力が制御回路１５および蓄電素子１４に供給されるように、スイッチ回路１２が設定される。これにより、本電源装置の起動時に、優先的に制御回路１５を起動し、その後、負荷回路１と蓄電素子１３への電力供給を、適切に開始することができる。
本実施形態によれば、制御回路１５用の電源回路が独立して設けられなくても、発電エネルギーを用いて、制御回路１５を起動し、制御動作を開始することができる。
（第６の実施形態）
図６は第６の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態では、制御回路１５が、スイッチ回路１２に加えて、電圧変換回路１１の変換比を同時に制御する。制御回路１５は、パルス幅変調により電圧変換回路１１の動作を制御する。具体的に、制御回路１５が、電圧変換回路１１のパルス幅およびパルスのオン・オフなどの制御信号を出力する。スイッチ回路１２の制御と連動または非連動で、電圧変換回路１１の制御を行う。
環境発電を用いた電源システムにおいて、発電素子１０１の内部インピーダンスが一般的に高い。また、各負荷回路に組み合わせられる蓄電素子の容量値が大きくかつインピーダンスが低い。したがって、負荷回路１、２の電圧は、蓄電素子１３、１４の端子電圧が主要な決定要素となる。この背景から、本実施形態の電圧変換回路１１のように、スイッチング型の電圧変換回路を用いる場合、蓄電素子１３、１４の電圧が目標値より低い条件では、電圧変換回路１１のスイッチング動作を継続し、高い条件ではスイッチング動作を中断する、バースト制御が用いられることが多い。また一般的なスイッチングレギュレータで行われるスイッチングパルスのデューティ比制御は、ここでは電圧の制御ではなく電圧変換回路の効率を最適化するための手段として用いられる。そのため負荷回路１、２の目標電圧が異なる状況では、制御回路１５は負荷回路１、２の電圧値を測定し、スイッチ回路１２の接続状態に応じて、それぞれの電圧目標値より高いか低いかにより、電圧変換回路１１の制御パルス出力有無を決定する。また制御回路１５は、負荷回路１、２の上記各条件で変換効率が最適化されるよう、同様にスイッチ回路１２の接続状態に応じて、電圧変換回路１１のパルス幅を調整する。
本実施形態によれば、電圧変換回路１１の変換比を適切に制御することで、電圧変換回路１１を高効率状態に維持しながら、負荷回路へ電力供給を行うことができる。
（第７の実施形態）
図７は第７の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。
本実施形態では、蓄電素子１３が、２つの容量素子１３Ａ、２１Ａと、２つのスイッチ１３Ｂ、２１Ｂとを備え、蓄電素子１４が、２つの容量素子１４Ａ、２２Ａと、２つのスイッチ１４Ｂ、２２Ｂとを備える。蓄電素子１３において、２つの容量素子１３Ａ、２１Ａが、それぞれスイッチ１３Ｂ、２１Ｂを介して、負荷回路１に接続されている。蓄電素子１４において、２つの容量素子１４Ａ、２２Ａが、それぞれスイッチ１４Ｂ、２２Ｂを介して、負荷回路２に接続されている。
スイッチ１３Ｂ、２１Ｂのオン・オフにより、容量素子１３Ａ、２１Ａの接続・非接続が選択可能になっている。スイッチ１４Ｂ、２２Ｂのオン・オフにより、容量素子１４Ａ、２２Ａの接続・非接続が選択可能になっている。
スイッチ１３Ｂ、２１Ｂ、１４Ｂ、２２Ｂは、制御回路１５により制御される。第６の実施形態において説明したように、負荷回路に組み合わせられる蓄電素子の容量値は一般的に大きなものが用いられ、これにより、不安定な発電条件でも安定的に負荷回路を動作させることができる。しかし容量値が大きい場合、目標電圧まで充電を行うには長時間を要し、特に起動時における負荷回路の動作開始が遅れる。そこで、制御回路１５は、蓄電素子を複数の容量素子により構成し、複数のスイッチを段階的にオンにすることで、複数の容量素子を順番に充電する。この動作を負荷回路ごとに行う。
例えば、負荷回路１を起動させる場合、制御回路１５は、最初にスイッチ１３Ｂをオン、スイッチ２１Ｂをオフにして、発電素子１０１からの電力を容量素子１３Ａに充電するよう制御する。なお、制御回路１５は、スイッチ回路１２において負荷回路１への電源供給経路をオンにしているとする。制御回路１５は、容量素子１３Ａの電圧が閾値を超えたことを検出したら、スイッチ２１Ｂを追加的にオンにして、以降は、容量素子１３Ａ、２１Ａの両方への充電を行う。なお、スイッチ２１Ｂをオンにした時点で、容量素子１３Ａの蓄電量の半分が容量素子２１Ａへ移る（容量素子１３Ａと容量素子２１の容量値は同じとする）。容量素子１３Ａ、２１Ａの電圧、すなわち負荷回路１の入力電圧が、動作電圧に達したら、負荷回路１が動作を開始する。このような制御により、高速な負荷回路の起動と、安定した電力供給との両立が可能となる。なお、ここで述べたスイッチ回路１２の制御は一例であり、他にも様々な制御が可能である。
（第８の実施形態）
図８は第８の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。
第１〜６の実施形態では、発電素子が１つであったが、本実施形態では２つである。それぞれ発電素子１０１、１０２である。また、電圧源または電流源（以下、電圧/電流源）１０３が設けられている。つまり、本装置への電力入力源は３つ存在する。
発電素子１０１で発電された電力は、電圧変換回路１１１で昇降圧（昇圧または降圧）されて、スイッチ回路３２へ供給される。発電素子１０２で発電された電力は、電圧変換回路１１２で昇降圧（昇圧または降圧）されて、スイッチ回路３２へ供給される。電圧／電流源１０３から供給された電力は、電圧変換回路１１３で昇降圧（昇圧または降圧）されて、スイッチ回路３２へ供給される。なお、電圧／電流源１０３からの電力供給が不要な場合は、電圧変換回路１１３の変換比を制御することで、電力供給を停止することも可能である。電圧／電流源１０３には例えば電池や蓄電素子を用いることもできる。
スイッチ回路３２は、３つの入力端子Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を備えている。入力端子Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３は、それぞれ、電圧変換回路１１１、１１２、１１３に接続されている。
電源装置の出力側には、３つの負荷回路が存在する。具体的には、負荷回路１、２および制御回路１５が存在する。制御回路１５も負荷回路の１つである。負荷回路が３つ存在することに対応して、スイッチ回路３２は、３つの出力端子Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３を備える。
負荷回路１には、２つの容量素子１３Ａ、２１Ａが並列に、それぞれスイッチ１３Ｂ、２１Ｂを介して接続されている。負荷回路２には、２つの容量素子１４Ａ、２２Ａが並列に、それぞれスイッチ１４Ｂ、２２Ｂを介して接続されている。制御回路１５には、２つの容量素子１９Ａ、２３Ａが並列に、それぞれスイッチ１９Ｂ、２３Ｂを介して接続されている。
スイッチ回路３２は、入力端子Ｉ１から出力端子Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３のそれぞれへの電源供給経路、入力端子Ｉ２から出力端子Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３のそれぞれへの電源供給経路、入力端子Ｉ３から出力端子Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３のそれぞれへの電源供給経路を有する。また、出力端子Ｏ１、Ｏ２間を接続する電源供給経路、出力端子Ｏ２、Ｏ３間を接続する電源供給経路も有する。これらの経路の任意の１つ、または任意の組合せを同時にオンに制御できる。なお、図では、いずれの経路もオンにされていない状態が示されている（いずれの端子間も破線で接続されている）。
制御回路１５は、各容量素子の電圧に応じて、スイッチ回路３２における最適な電源供給経路を選択し、各容量素子用のスイッチを制御することで、各負荷回路および各容量素子への電力供給量の最適化を図る。各容量素子の電圧以外に、発電素子１０１、１０２の発電電圧、電圧変換回路の出力電圧、および各負荷回路の要求電力の少なくとも１つを用いてもよい。また電圧変換回路の内部電圧、例えば電圧変換回路にＡＣ−ＤＣ変換回路とＤＣ−ＤＣ変換回路が含まれる場合に、ＡＣ−ＤＣ変換回路とＤＣ−ＤＣ変換回路間の中間ノードの電圧を用いても良い。制御回路１５は、常時、電圧／電流源１０３からの電力を用いて動作するよう、スイッチ回路３２に入力端子Ｉ３と出力端子Ｏ３間の電源供給経路をオンに設定しておいてもよい。
動作例として、例えば発電素子１０１が、振動発電を行うピエゾ素子、発電素子１０２が熱温度差発電を行うペルチェ素子であるとする。この場合、発電素子１０１は、高い出力電圧が確保しやすい一方で連続的な出力が得られない利用条件が多い。一方、発電素子２は、一般的に出力電圧が低いものの、変化の小さな出力電力が得られる利用条件が多い。そこで、より高い電源電圧を要求する負荷回路に振動発電出力が用いられ、低い電源電圧を要求する負荷回路に熱温度差発電出力が用いられる時間が多くなるよう、スイッチ回路３２を制御すると、システム全体の効率を高めることができる。なお、ここで述べたケースでは、電圧変換回路１１１は、降圧回路、電圧変換回路１１２は、昇圧回路であるとする。
また、一時的には熱電発電出力のみを全負荷回路に同時に供給したり、特定の負荷回路が大きな電流を要求する条件では、振動発電と熱電発電の両出力を同時に該当負荷回路に供給したりするよう、スイッチ回路３２を設定してもよい。
このように、複数の発電素子および電圧／電流源からの複数の入力電力経路がある場合でも、出力側に負荷回路ごとに電圧変換回路を設ける必要なく、システム全体の電力供給量と、蓄電量の最適化を図ることができる。
（第９の実施形態）
図９は第９の実施形態に係る電源装置を備えた電源システムの構成図である。
第８の実施形態（図８参照）と同様、２つの発電素子１０１、１０２と、電圧変換回路１１１、１１２を備えている。なお、図８と異なり、電圧変換回路１１１、１１２の出力端子は、スイッチ回路３２の入力端子Ｉ２、Ｉ３に接続されている。
また、発電素子１０１、１０２に並んで、受電回路１１５が設けられている。受電回路１１５は、アンテナ１０４と、アンテナ１０４に接続された整流回路１１４とを含む。整流回路１１４は、アンテナ１０４を介して受信した無線周波数信号（ＲＦ信号）を整流して、直流電力を生成する。整流回路１１４はＡＣ−ＤＣ変換回路と昇降圧動作が可能なＤＣ−ＤＣ回路を含む場合もある。変換ＲＦ信号は、高周波発信装置から送信される給電用信号である。受電回路１１５の出力端子は、スイッチ回路３２の入力端子Ｉ１に接続されている。受電回路１１５により生成された電力は、スイッチ回路３２で設定された電源供給経路に応じて、負荷回路に供給される。
このように受電回路１１５を設けることで、負荷回路の要求電力が大きな場合や、発電素子の発電量が十分でない状況でも、安定的に電力を供給することができる。この際、スイッチ回路３２の制御では、受電回路１１５の出力を、発電素子の出力と同等に扱うことが可能である。
本実施形態は、受電回路１１５は、無線で電力を受電したが、有線で電力を受電する回路であってもよい。例えば、受電回路１１５は、交流電源から出力される交流電力を、ケーブルを介して受電し、受電した交流電力を整流する回路であってもよい。
図１０は、図９の電源システムに、高周波発信装置を組み合わせた無線給電システムの構成図である。この例では、負荷回路２は、無線機である。無線機２はアンテナを含む。制御回路１５は、受電回路１１５、発電素子１０１および発電素子１０２の少なくとも１つから供給される電力を用いて動作してもよいし、図示しない独立の電源回路から電力供給を受けてもよい。
高周波発信装置７１は、無線機７２と、送電回路７３と、アンテナ７４とを備える。無線機７２は、所定の通信プロトコルに従って、電源システムの無線機２と無線通信する。無線機７２は、アンテナを含む。無線機７２は、送電回路７３に接続されている。送電回路７３は、アンテナ７４を介して、無線給電用のＲＦ信号（給電信号）を送信する。
動作例として、制御回路１５が、負荷回路１または負荷回路（無線機２）への電力供給が不足したこと（負荷回路１または２に対応する蓄電素子の蓄電量が不足したこと）を検出する。例えば、負荷回路１または２の入力電圧が、閾値を下回ったことを検出する。或いは発電素子の出力電圧や、電圧変換回路の内部電圧を検出して電力供給が不足していることを検出する。このとき、制御回路１５は、無線機２に送電指令の送信を指示する。無線機２は、指示に従って、送電指令のデータを送信する。高周波発信装置７１の無線機７２は、送電指令を受信し、送電回路７３にＲＦ信号（給電信号）の送信を指示する。送電回路７３は、指示に従って、アンテナ７４を介して、給電信号を送信する。受電回路１１５は、アンテナ１０４で給電信号を受信し、整流回路１１４で整流して、直流電力を出力する。
このように、高周波発信装置を設けることで、負荷回路の要求電力に応じて、必要十分な電力を負荷回路に供給し、電源システム全体の安定動作及び高効率化を図ることができる。すなわち、発電素子による発電量が不足している状況、または負荷回路の要求電力が高い状況において、選択的に無線給電による電力供給を行うことで、負荷回路へ電力供給を安定化するとともに、システム全体の電力効率を高めることができる。
（第１０の実施形態）
図１１は第１１の実施形態に係るセンサシステムの構成図である。センサシステムは、図１の電源システムと、データ収集装置８１とを備える。電源システムの負荷回路１はセンサ、負荷回路２は無線機である。無線機２はアンテナを含む。無線機２はセンサ１と接続されており、センサ１で検出されたデータを受け取り、データをデータ収集装置８１に送信する。電源システムは、通信ネットワーク上に配置されたセンサ端末である。ここでは１台のセンサ端末が示されるが、複数台のセンサ端末が存在してもよい。
データ収集装置８１は、無線機８２と、処理回路８３と、記憶部８４とを備え、センサ端末からデータを収集する。無線機８２は、電源システムの無線機２からデータを受信する。無線機８２はアンテナを含む。無線機８２は、受信したデータを処理回路８３に提供する。処理回路８３は、データを記憶部８４のデータベースに格納する。記憶部８４は、メモリ、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄｅ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、またはハードディスク等のハードウェア記憶装置である。メモリは、不揮発性メモリでも、揮発性メモリでも、これらの組合せでもよい。
本センサシステムでは、図１の電源システムを用いたが、代わりに、図２〜図９の電源システム、または図１０の無線給電システムを用いることも可能である。
本実施形態によれば、前述したいずれかの実施形態を用いて、環境発電等の不安定な電源（発電素子）から安定的に電力を供給できるため、センサ端末へ１次電池を組み込む必要はなくなり（または１次電池の交換が不要、或いは交換頻度を抑えることができ）、これに応じてサイズの小型化が可能になる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１、２：負荷回路
１１、１１１、１１２、１１３：電圧変換回路
１２、３２：スイッチ回路
１３、１４：蓄電素子
１３Ａ、１４Ａ、１９Ａ、２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ：容量素子
１３Ｂ、１４Ｂ、１９Ｂ、２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ：スイッチ
１５：制御回路
７１：高周波発信装置
７２、８２：無線機
７３：送電回路
７４、１０４：アンテナ
８１：データ収集装置
８２：無線機
８３：処理回路
８４：記憶部
１０１、１０２：発電素子
１０３：電圧／電流源
１１４：整流回路
１１５：受電回路
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３：入力端子
Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３：出力端子

Claims (15)

  1. 発電素子により生成された電力の電圧を変換する電圧変換回路と、
    それぞれ複数の負荷回路のうちの異なる１つに並列に接続される複数の蓄電素子と、
    前記電圧変換回路と、前記複数の蓄電素子のそれぞれとの電気的な接続を切り換えるスイッチ回路と、
    前記複数の蓄電素子の電圧を測定し、前記測定した電圧に基づき、前記スイッチ回路を制御する制御回路と
    を備えた電源装置。
  2. 前記制御回路は、前記電圧変換回路と電気的に接続されている蓄電素子に加えて、前記電圧変換回路と電気的に接続されていない蓄電素子の電圧も測定する
    請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記制御回路は、前記電圧変換回路と電気的に接続されている蓄電素子に加えて、前記発電素子の出力電圧、前記電圧変換回路の入力電圧、前記電圧変換回路の出力電圧および前記電圧変換回路の内部電圧の少なくとも１つを測定する
    請求項１または２に記載の電源装置。
  4. 前記制御回路が起動していないとき、前記電圧変換回路は、前記複数の蓄電素子のいずれとも接続されていない
    請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電源装置。
  5. 前記スイッチ回路は、前記複数の蓄電素子のうちの２つの蓄電素子間の電気的な接続を切り換え、
    前記２つの蓄電素子のうちの１つに接続されている前記負荷回路は、蓄電容量または２次電池を含む
    請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電源装置。
  6. 前記複数の負荷回路のうちの１つは、前記制御回路である
    請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電源装置。
  7. 前記制御回路が起動していないとき、前記スイッチ回路は前記電圧変換回路を前記制御回路に接続する
    請求項６に記載の電源装置。
  8. 前記制御回路は、前記測定した電圧に基づき、前記電圧変換回路の変換比を制御する
    請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電源装置。
  9. 前記複数の蓄電素子のそれぞれは、互いに並列に接続された複数の容量素子と、前記複数の容量素子と前記負荷回路との間を接続する複数のスイッチとを備え、
    前記制御回路は、前記測定された電圧に基づき、前記複数の蓄電素子における前記複数のスイッチを制御する
    請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電源装置。
  10. 電力を無線または有線で受電する受電回路、電流源および電圧源の少なくとも１つをさらに備え、
    前記スイッチ回路は、前記受電回路、前記電流源および前記電圧源の少なくとも１つと、前記複数の蓄電素子のそれぞれとの電気的な接続を切り換える
    請求項１ないし９のいずれか一項に記載の電源装置。
  11. 前記受電回路は、アンテナと、整流回路とを含み、前記整流回路は、前記アンテナを介して給電用信号を受信し、受信した給電用信号を整流し、整流された信号を出力する
    請求項１０に記載の電源装置。
  12. 前記複数の負荷回路のうちの１つは無線機であり、
    前記制御回路は、前記給電用信号の送信指令を生成し、
    前記無線機は、前記送信指令を、前記給電用信号を発信する信号発信装置に送信する
    請求項１１に記載の電源装置。
  13. 請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の電源装置と、
    前記発電素子と
    を備えた電源システム。
  14. 前記複数の負荷回路をさらに備えた
    請求項１３に記載の電源システム。
  15. 請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の電源装置と、前記発電素子と、前記複数の負荷回路とを備え、前記複数の負荷回路のうちの１つはセンサを含み、前記複数の負荷回路のうちの別の１つは、前記センサで検出されたデータを送信する第１無線機を含む、センサ端末と、
    前記第１無線機から前記データを受信する第２無線機と、前記第２無線機で受信されたデータを記憶する記憶部と、を含むデータ収集装置と
    を備えたセンサシステム。
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