JP2018533346A - 摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理の方法、回路および装置 - Google Patents

摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理の方法、回路および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、ナノ発電の分野に関し、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法及びその管理回路、並びにこの管理回路を備える装置を開示する。当該エネルギー管理方法は、摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵することと、エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーをエネルギー蓄積器に伝達すること、とを含む。これによると、エネルギー一時貯蔵器を周期的に充放電させることでエネルギー蓄積器に対する充電を実現することができ、摩擦式ナノ発電機とエネルギー蓄積器とのインピーダンス整合を実現し、エネルギー蓄積効率を大幅に向上し、摩擦式ナノ発電機から出力される交流の電気的エネルギーを効率的に定電圧の直流電力に変換して出力することができる。

Description

本開示は、ナノ発電の分野に関し、特に、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法およびその管理回路、並びにこの管理回路を備える管理装置に関する。
摩擦静電効果によるナノ発電機は、２０１２年から急速に発展され、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換して電子デバイスを駆動するために、応用将来性のあるアプローチを提供している。しかしながら、従来の摩擦式ナノ発電機は、内部インピーダンスが高いため、エネルギー蓄積手段のインピーダンスとの不整合を引き起こしやすい。このように、整流された電圧を直接にエネルギー蓄積手段に蓄える従来の摩擦式ナノ発電機のエネルギー蓄積技術では、エネルギーの蓄積効率が極めて低くなる。実験によって測定されたエネルギーの蓄積効率は、１％未満であり、大量のエネルギーが無駄に浪費されている。
上述した課題について、従来技術にはまだ良い解決手段がなかった。
本発明は、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法およびその管理回路、並びにこの管理回路を備える装置を提供する。
本発明の１つの局面によれば、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法を提供し、当該エネルギー管理方法は、摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵することと、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーをエネルギー蓄積器に伝達することと、を含む。
さらに、摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵することについて、具体的に、前記摩擦式ナノ発電機から出力される交流の電気的エネルギーを直流に変換してから前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵する。
さらに、当該エネルギー管理方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達することを含み、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。
さらに、前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチと、第１のスイッチを介して前記エネルギー一時貯蔵器に並列に接続されている第１のインダクタと、第２のスイッチと、第２のスイッチを介して前記エネルギー蓄積器に並列に接続されている第２のインダクタと、を備え、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互インダクタンスを構成する。
さらに、当該エネルギー管理方法は、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達すると、前記エネルギー蓄積器に電気的エネルギーを伝達することを含む。
さらに、当該エネルギー管理方法は、電気的エネルギーを前記エネルギー一時貯蔵器から前記エネルギー蓄積器に伝達する過程において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器への伝達を停止することを含む。
さらに、当該エネルギー管理方法は、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達する前に、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチを、オフさせることと、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチをオンさせることと、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチをオフさせるとともに前記第２のスイッチをオンさせることと、を含む。
さらに、前記電気的エネルギーの全てが前記第２のインダクタから前記エネルギー蓄積器に伝達されると、前記第２のスイッチを再びオフさせる。
さらに、前記第２の所定値は、前記第１の所定値以下である。
さらに、前記第１の所定値の範囲は、１５Ｖ〜１０００Ｖである。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器は、１ｐＦ〜１ｍＦのコンデンサである。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器は、電池であり、制御回路によって方形波クロック信号を生成して、前記第１のスイッチ及び／又は前記第２のスイッチのオンタイミングを制御し、前記制御回路の出力信号がローレベルである場合、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチを、オフさせ、前記制御回路の出力信号がハイレベルである場合、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチをオンさせ、前記制御回路の出力信号がハイレベルから再びローレベルに戻る場合、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチがオフされるとともに前記第２のスイッチをオンさせる。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器は、少なくとも電池を１つ備え、合計電圧が１０Ｖ〜５００Ｖであり、内部抵抗が１ＭΩ以下であり、リーク電流が１０ｍＡ以下である。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器の電圧は、前記エネルギー蓄積器の電圧の３〜１０００倍である。
さらに、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互誘導係数が０．５よりも大きく、インダクタンスの値がいずれも１０ｎＨ以上であり、寄生抵抗がいずれも１ＭΩ以下である。
さらに、前記エネルギー蓄積器は、内部抵抗が１ＭΩ以下で、且つリーク電流が１００ｍＡ以下である充電電池またはコンデンサである。
本発明の別の局面によれば、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路を提供し、当該エネルギー管理回路は、順次に前記摩擦式ナノ発電機に並列に接続されている第１段の回路と第２段の回路と、を備え、前記第１段の回路は、エネルギー一時貯蔵器を備え、前記第２段の回路は、並列に接続されているＤＣ／ＤＣコンバータとエネルギー蓄積器と、を備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達するように設けられている。
さらに、前記第１段の回路は、前記摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーを直流電力に整流して前記エネルギー一時貯蔵器に供給するように設けられている整流器を更に備える。
さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。
さらに、前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチと、第１のスイッチを介して前記エネルギー一時貯蔵器に並列に接続されている第１のインダクタと、第２のスイッチと、第２のスイッチを介して前記エネルギー蓄積器に並列に接続されている第２のインダクタと、を備え、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互インダクタンスを構成する。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達すると、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達するように設けられている。
さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電気的エネルギーが伝達される過程において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器への伝達を停止するように設けられている。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達する前に、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、オフされ、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチがオンされ、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチがオフされるとともに前記第２のスイッチがオンされる。
さらに、前記電気的エネルギーの全てが前記第２のインダクタから前記エネルギー蓄積器に伝達された後、前記第２のスイッチは、再びオフされる。
さらに、前記第２の所定値は、前記第１の所定値以下である。
さらに、前記第１の所定値の範囲は、１５Ｖ〜１０００Ｖである。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器は、１ｐＦ〜１ｍＦのコンデンサである。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器は、電池であり、制御回路によって方形波クロック信号を生成して、前記第１のスイッチ及び／又は前記第２のスイッチのオンタイミングを制御し、前記制御回路の出力信号がローレベルである場合、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、オフされ、前記制御回路の出力信号がハイレベルである場合、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチがオンされ、前記制御回路の出力信号がハイレベルから再びローレベルに戻る場合、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチがオフされるとともに、前記第２のスイッチがオンされる。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器は、少なくとも電池を１つ備え、合計電圧が１０Ｖ〜５００Ｖであり、内部抵抗が１ＭΩ以下であり、リーク電流が１０ｍＡ以下である。
さらに、前記エネルギー一時貯蔵器の電圧は、前記エネルギー蓄積器の電圧の３〜１０００倍である。
さらに、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互誘導係数が０．５より大きく、インダクタンスの値がいずれも１０ｎＨ以上であり、寄生抵抗がいずれも１ＭΩ以下である。
さらに、前記エネルギー蓄積器は、内部抵抗が１ＭΩ以下で、且つリーク電流が１００ｍＡ以下である充電電池またはコンデンサである。
さらに、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、電子スイッチである。
本発明のさらに別の局面によれば、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理装置を提供しており、当該エネルギー管理装置は、上述したエネルギー管理回路を備える。
上記した技術案によれば、エネルギー一時貯蔵器を周期的に充放電させることでエネルギー蓄積器に対する充電を実現することができ、摩擦式ナノ発電機とエネルギー蓄積器とのインピーダンス整合を実現し、エネルギー蓄積効率を大幅に向上し、摩擦式ナノ発電機から出力された交流の電気的エネルギーを効率的に定電圧の直流電力に変換して出力することができる。
本発明の他の特徴および利点は、以下の具体的な実施形態で詳細に説明する。
図面は、本発明を更に理解することに用いられ、明細書の一部を構成し、以下の具体的な実施形態とともに本発明を説明することに用いられるが、本発明を限定するものではない。
図１は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法のフローチャートである。 図２は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路のブロック模式図である。 図３は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路の典型的な作動状態の模式図である。 図４Ａは、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路の交流平均電力と負荷抵抗との関係図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路の測定電圧と時間との関係図である。 図５は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理装置のブロック図である。 図６は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理装置のブロック図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。なお、ここで記載する具体的な実施形態は、本発明の説明及び解釈のみに用いられ、本発明を限定するものではない。
図１は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法のフローチャートである。図１に示すように、本発明では、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法を提供し、このエネルギー管理方法は、摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵するステップＳ２０１と、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーをエネルギー蓄積器に伝達するステップＳ２０２と、を備える。
摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーが交流電力である場合、ステップＳ２０１では、摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵する。具体的には、摩擦式ナノ発電機から出力される交流の電気的エネルギーを直流に変換して、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵する。
実施形態において、このエネルギー管理方法は、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達すると、前記エネルギー蓄積器に電気的エネルギーを伝達するステップを含んでもよい。さらに、このエネルギー管理方法は、前記エネルギー一時貯蔵器から前記エネルギー蓄積器に電気的エネルギーを伝達する過程において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器への伝達を停止するステップを含む。
実施形態において、このエネルギー管理方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ）を用いて、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達するステップを含み、前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチと、第１のスイッチを介して前記エネルギー一時貯蔵器に並列に接続されている第１のインダクタと、第２のスイッチと、第２のスイッチを介して前記エネルギー蓄積器に並列に接続されている第２のインダクタと、を備え、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとは、相互インダクタンスを構成する。
実施形態において、このエネルギー管理方法は、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチをオンさせるステップと、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチをオフさせると共に前記第２のスイッチをオンさせるステップと、を含む。そして、電気的エネルギーの全部が第２のインダクタから前記エネルギー蓄積器に伝達されると、前記第２のスイッチを再びオフさせる。好ましい実施形態において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達する前に、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、オフされている。
本発明の実施形態によるエネルギー管理方法は、複数のサイクルに分けられてもよく、各サイクルを２段階によって管理してもよい。第１の段階で、摩擦式ナノ発電機から整流回路を介してエネルギー一時貯蔵器（例えば、一時貯蔵のコンデンサＣｔｅｍｐ）に充電する。第２の段階で、一時貯蔵のコンデンサＣｔｅｍｐの電圧が予め設定された値Ｖ１に達すると、一時貯蔵のコンデンサ内のエネルギーを最終エネルギー蓄積器Ｃ蓄積に伝送する。そして、一時貯蔵のコンデンサが放電してその電圧がＶ２（Ｖ２≦Ｖ１）に達すると、次の充電サイクルに入り、摩擦式ナノ発電機によって一時貯蔵のコンデンサへ継続に充電し、一時貯蔵のコンデンサのエネルギーは最終エネルギー蓄積器に継続に伝送される。
図２は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路のブロック模式図である。図２に示すように、本発明の別の局面では、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路を提供する。エネルギー管理回路は、エネルギー一時貯蔵器を備える第１段の回路と、一時貯蔵のコンデンサから最終エネルギー蓄積器への高効率のエネルギー伝達を実現するための第２段の回路と、を備える。
第１段の回路と第２段の回路は、順次に前記摩擦式ナノ発電機に並列に接続される。前記第１段の回路は、エネルギー一時貯蔵器（例えば、一時貯蔵のコンデンサＣｔｅｍｐ）を備え、前記第２段の回路は、並列に接続されているＤＣ／ＤＣコンバータと、エネルギー蓄積器（例えば、充電電池またはコンデンサＣ蓄積）と、を備える。第１段の回路は、前記摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーを、直流電力に整流して前記エネルギー一時貯蔵器に供給するように設けられている整流器をさらに備えてもよい。
また、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達するように設けられ、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよく、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。実施形態において、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達すると、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーが前記エネルギー蓄積器に伝達される。さらに、実施形態において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電気的エネルギーの伝達において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器への伝達を停止するように設けられている。前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチＪ１と、第１のスイッチＪ１を介して前記エネルギー一時貯蔵器に並列に接続されている第１のインダクタＬ１と、第２のスイッチＪ２と、第２のスイッチＪ２を介して前記エネルギー蓄積器に並列に接続されている第２のインダクタＬ２と、を備えてもよい。前記第１のインダクタＬ１と前記第２のインダクタＬ２とは、相互インダクタンスを構成する。
実施形態において、エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達する前に、前記第１のスイッチＪ１と前記第２のスイッチＪ２は、オフされており、エネルギー蓄積器に対する急速な充電を実現することができる。前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタＬ１に伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１がオンされる。そして、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタＬ１から第２のインダクタＬ２を介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１がオフされるとともに、前記第２のスイッチＪ２がオンされる。
実施形態において、図２に示すように、摩擦式ナノ発電機は、Ｄ１〜Ｄ４の４つのダイオードからなるフルブリッジ整流器によって、一時貯蔵のコンデンサＣｔｅｍｐに充電し（例えば、５００ｎＦである一時貯蔵のコンデンサを選択することができる）、第２段の回路のＤＣ／ＤＣコンバータは、２つの電子スイッチＪ１及びＪ２と、１つの相互インダクタンス（例えば、１次がインダクタＬ１で、２次がインダクタＬ２である）との組み合わせを選択することができる。また、２つの電子スイッチＪ１及びＪ２を制御するための制御回路をさらに備える。
一時貯蔵のコンデンサは、１ｐＦ〜１ｍＦの範囲で選択することができる。最終エネルギー蓄積器は、充電可能な電池（リチウムイオン電池、ニッケル水素充電池などを含む）や、スーパーコンデンサ、普通のコンデンサ（セラミックコンデンサ、電解コンデンサ等を含む）から選択可能であり、その内部抵抗は１ＭΩ以下であり、リーク電流は１００ｍＡ以下である。
第１段の回路における整流器は、ダイオードのブリッジ形全波整流器、または、ブリッジ形の半波整流器が用いられる。
第２段の回路のＤＣ／ＤＣコンバータは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧チョッパ、昇圧チョッパ、降圧・昇圧チョッパ等を含む）や、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（フォワードコンバータ、フライバックコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ、プッシュプルコンバータ等を含む）を含んでもよい。
ＤＣ／ＤＣコンバータの電子スイッチは、トランジスタ（様々な電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタ等を含む）や、ダイオード等のスイッチ素子を含んでもよい。
ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる相互インダクタンスは、相互誘導係数が０．５より大きく、１次のインダクタ及び２次のインダクタは、いずれもインダクタンス値が１０ｎＨ以上であり、それらの寄生抵抗がいずれも１ＭΩ以下である。
回路全体の作動態様は、以下の通りである（ここで、１つの充電サイクルを例とする）。まず、電子スイッチＪ１とＪ２をオフさせ、摩擦式ナノ発電機がブリッジ整流回路によって一次貯蔵のコンデンサに充電する。そして、一次貯蔵のコンデンサの電圧が前記所定値Ｖ１に達すると、制御回路の制御によって、スイッチＪ１をオンさせ、一時貯蔵のコンデンサの電圧が低減し始まる。そして、一次貯蔵のコンデンサの電圧が前記所定値Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）を下回ると、制御回路（又はコントローラ）の制御によって、スイッチＪ１をオフさせ、スイッチＪ２をオンさせる。最終的に、インダクタＬ２のエネルギーが最終エネルギー蓄積器に伝送された後、制御回路の制御によって、スイッチＪ２をオフさせる。これによって、１つの充電サイクルが終了する。
エネルギー一時貯蔵器は、電池であってもよいが、制御回路によって方形波クロック信号を生成して、第１のスイッチＪ１及び／又は第２のスイッチＪ２のオフタイミングを制御することができる。制御回路の出力信号がローレベルである場合、前記第１のスイッチＪ１と前記第２のスイッチＪ２を、オフさせる。前記制御回路の出力信号がハイレベルである場合、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１をオンさせる。そして、制御回路の出力信号が再びローレベルに戻る場合、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１をオフさせるとともに、前記第２のスイッチＪ２をオンさせる。
Ｖ１の選択可能な範囲は、１５Ｖ〜１０００Ｖであり、Ｖ２の選択可能な範囲は、０〜０．９９９×Ｖ１である。
エネルギー一時貯蔵器は、少なくとも電池を１つ備え、各電池が直列又は並列に接続されて電池セットを構成することができるが、電圧の合計は１０Ｖ〜５００Ｖであり、内部抵抗は１ＭΩ以下であり、リーク電流は１０ｍＡ以下である。エネルギー一時貯蔵器の電圧は、エネルギー蓄積器の電圧の３〜１０００倍であってもよい。
制御回路全体の作動状態は、図３に示すとおりである。図３において、１５層の積層摩擦式ナノ発電機を収集待ち電源として使用する。摩擦式ナノ発電機は、絶えずに押圧されることによって、交流信号を発生してシステム全体に入力する。このとき、一時貯蔵のコンデンサの電圧Ｖｔｅｍｐは、２３０Ｖ〜０Ｖの間で振動し始まる。Ｖｔｅｍｐが低減する毎に、一時貯蔵のコンデンサのエネルギーは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して最終蓄積コンデンサに伝達され、蓄積コンデンサの電圧Ｖｓｔｏｒｅ（Ｖ蓄積）が増加される。計算によると、一時貯蔵のコンデンサＣｔｅｍｐから伝達されたエネルギーは９．１６０ｍＪであるが、最終的に蓄積コンデンサＣｓｔｏｒｅ（Ｃ蓄積）に蓄積されたエネルギーは８．２４３ｍＪである。そのため、このＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギー変換効率は、９０％である。
エネルギー管理回路全体の最も重要なパラメータは、全体的なエネルギー変換効率である。全体的なエネルギー変換効率は、摩擦式ナノ発電機システムが出力可能な直流電力を、抵抗から出力可能な最大平均交流電力で割ることで得られた値で定義する。このエネルギー管理回路の全体的なエネルギー変換効率について測定を行ったが、その測定結果は、図４Ａと図４Ｂに示すとおりである。外部抵抗を変更することによって、４．２６ＭΩの整合抵抗の条件で、摩擦式ナノ発電機の出力可能な最大平均交流電力が０．３３８４ｍＷであることを測定し、同様な条件で、エネルギー管理回路によって出力可能な最大直流電力が０．２０２ｍＷであることを測定した。したがって、このエネルギー管理回路の全体的なエネルギー変換効率ηｔｏｔａｌは６０％に達し、シングルステップによる充電の全体的なエネルギー変換効率（１％未満）よりはるかに高い。
図５は、本発明の実施形態による摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理装置のブロック図である。図５に示すように、本発明は、摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理装置をさらに提供し、このエネルギー管理装置は、摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーを一時的に貯蔵するように設けられたエネルギー一時貯蔵器１０２（管理回路のエネルギー一時貯蔵器に対応）と、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーをエネルギー蓄積器に伝達するように設けられた伝達手段１０３（管理回路のＤＣ／ＤＣコンバータに対応）と、前記エネルギー一時貯蔵器から伝達された電気的エネルギーを蓄積するように設けられたエネルギー蓄積器１０４（管理回路のエネルギー蓄積器に対応）と、備えることができる。上記した構成によれば、エネルギー一時貯蔵器を充放電させることによって、エネルギー蓄積器に対する充電、及び、摩擦式ナノ発電機とエネルギー蓄積器とのインピーダンス整合を実現し、エネルギー蓄積効率を大幅に向上し、摩擦式ナノ発電機から出力される交流の電気的エネルギーを効率的に定電圧の直流電力に変換して出力することができる。
実施形態において、摩擦式ナノ発電機は、前記摩擦式ナノ発電機から受け取った交流の電気的エネルギーを直流に変換して出力するように設けられた整流器を備えてもよい。異なる実施形態において、摩擦式ナノ発電機の出力が交流である場合、本発明の装置は整流器１０１（管理回路の整流器に対応）を備えてもよい（図６を参照）。
実施形態において、前記伝達手段１０３は、更に、前記エネルギー一時貯蔵器１０２に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値（Ｖ１）に達すると、前記エネルギー蓄積器１０４に電気的エネルギーを伝達するように設けられている。前記エネルギー一時貯蔵器１０２は、更に、前記エネルギー蓄積器１０４に電気的エネルギーを伝達する過程において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値（Ｖ２）に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器１０４への伝達を停止するように設けられてもよい。このような設置によって、エネルギー一時貯蔵器の周期的な充放電を実現し、エネルギー蓄積器１０４に対する複数回の充電を実現することができる。このため、Ｖ１の値は、Ｖ２以上である。
エネルギー一時貯蔵器１０２に貯蔵された電気的エネルギーが直流の電力であるため、この電気的エネルギーをエネルギー蓄積器１０４に伝達または伝送するために、伝達手段１０３はＤＣ／ＤＣコンバータを備えてもよい。実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、降圧チョッパ、昇圧チョッパ、降圧・昇圧チョッパ等）や、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、フォワードコンバータ、フライバックコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ、プッシュプルコンバータ等）を含んでもよい。好ましい実施形態において、本発明に用いられるＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチＪ１と、第１のスイッチＪ１を介して前記エネルギー一時貯蔵器１０２に並列に接続されている第１のインダクタＬ１と、第２のスイッチＪ２と、第２のスイッチＪ２を介して前記エネルギー蓄積器１０４に並列に接続されている第２のインダクタＬ２と、を備え、前記第１のインダクタＬ１と前記第２のインダクタＬ２は、相互インダクタンスを形成してもよい。
実施形態において、前記エネルギー一時貯蔵器１０２に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値Ｖ１に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器１０２から前記第１のインダクタＬ１に伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１がオンされ、前記エネルギー一時貯蔵器１０２に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタＬ１から前記第２のインダクタＬ２を介して前記エネルギー蓄積器１０４に伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１がオフされるとともに、前記第２のスイッチＪ２がオンされる。実施形態において、電気的エネルギーがＬ２からエネルギー蓄積器１０４に伝達し、且つ、前記エネルギー一時貯蔵器１０２に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達する前に、エネルギー一時貯蔵器が整流器１０１からの電気的エネルギーを迅速に貯蔵できるように、前記第１のスイッチＪ１と前記第２のスイッチＪ２はオフされるべきである。
エネルギー伝達を効果的に実現するために、第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２は、相互誘導係数が０．５よりも大きく、インダクタンスの値がいずれも１０ｎＨ以上であり、寄生抵抗がいずれも１ＭΩ以下であってもよい。実施形態において、前記第１の所定値の範囲は、通常の電圧範囲を覆うように、例えば１５Ｖ〜１０００Ｖであってもよい。そして、エネルギー伝達全体を周期的に実現するために、第２の所定値は第１の所定値よりも小さいべきであり、例えば、第２の所定値の範囲が０Ｖ＜Ｖ２≦Ｖ１であってもよい。
実施形態において、伝達手段１０３は、コントローラ（又はプロセッサ）を更に備えてもよい（図示なし）。このコントローラは、エネルギー管理装置における各構成要素と結合することができ、エネルギー一時貯蔵器１０２及び／又はエネルギー蓄積器１０４の電圧をモニタリングし、本発明の上記した原理に応じて第１のスイッチＪ１と第２のスイッチＪ２のオン／オフ状態を制御するように配置されることができる。実施形態において、スイッチの状態を容易に制御するために、第１のスイッチＪ１と第２のスイッチＪ２は、例えば、トランジスタ（バイポーラトランジスタや、電界効果トランジスタ等を含む）、ダイオード等の電子スイッチであってもよい。実施形態において、エネルギー一時貯蔵器１０２は、電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、スーパーキャパシタ等の１ｐＦ〜１ｍＦのコンデンサであってもよい。エネルギー蓄積器１０４は、内部抵抗が１ＭΩ以下で、リーク電流が１００ｍＡ以下の充電電池（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素蓄電池など）又はコンデンサ（例えば、スーパーキャパシタ、ノーマルキャパシタ等）であってもよい。整流器１０１（または整流回路）は、ダイオードの整流ブリッジまたはブリッジ形の半波整流器であってもよい。
他の実施例において、エネルギー一時貯蔵器は電池であってもよいが、制御回路によって方形波クロック信号を生成して、第１のスイッチＪ１及び／又は第２のスイッチＪ２のオフタイミングを制御することができる。制御回路の出力信号がローレベルである場合、前記第１のスイッチＪ１と前記第２のスイッチＪ２は、オフされる。前記制御回路の出力信号がハイレベルである場合、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１がオンされる。そして、制御回路の出力信号が再びローレベルに戻る場合、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチＪ１がオフされるとともに、前記第２のスイッチＪ２がオンされる。
エネルギー一時貯蔵器がコンデンサを採用する場合と同様に、エネルギーが第２のインダクタからエネルギー蓄積器に完全に伝達されると、第２のスイッチＪ２は再びオフされる。
電池の電圧は、Ｍ１であり、エネルギー蓄積器の電圧は、Ｍ２であり、第１のスイッチＪ１と第２のスイッチＪ２のスイッチングデューティー比は重要なパラメータであるが、電圧比とＤＣ／ＤＣコンバータのタイプに応じて適切なデューティー比を選択することができる。
以上、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態における具体的な詳細に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲で、本発明の技術案に対して、種々の簡単な変形を行ってもよいが、このような簡単な変形も本発明の保護範囲に属する。例えば、発明の原理から逸脱しない限り、本発明の実施形態の回路は、回路性能に影響がない他の部品、例えば抵抗等を備えてもよい。
なお、上述した具体的な実施形態において説明した各技術的特徴は、矛盾がない限り、任意の適切な方法によって組み合わせることができる。不必要な繰り返しを避けるために、本発明は様々な可能な組合せを別途説明しない。
また、本発明の様々な異なる実施形態は任意に組み合わせることができ、本発明の思想から逸脱しない限り、本発明に開示された内容であると考えられるべきである。

Claims (34)

  1. 摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵することと、
    前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーを、エネルギー蓄積器に伝達することと、を含むことを特徴とする摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理方法。
  2. 摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーをエネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵することは、前記摩擦式ナノ発電機から出力される交流の電気的エネルギーを直流に変換してから前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵することであることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー管理方法。
  3. 前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーをエネルギー蓄積器に伝達することは、ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達することであり、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー管理方法。
  4. 前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチと、第１のスイッチを介して前記エネルギー一時貯蔵器に並列に接続されている第１のインダクタと、第２のスイッチと、第２のスイッチを介して前記エネルギー蓄積器に並列に接続されている第２のインダクタと、を備え、
    前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互インダクタンスを構成することを特徴とする請求項３に記載のエネルギー管理方法。
  5. 前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達すると、前記エネルギー蓄積器に電気的エネルギーを伝達すること、を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエネルギー管理方法。
  6. 電気的エネルギーを前記エネルギー一時貯蔵器から前記エネルギー蓄積器に伝達する過程において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器への伝達を停止すること、を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエネルギー管理方法。
  7. 前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達する前に、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチを、オフさせることと、
    前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチをオンさせることと、
    前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチをオフさせるとともに前記第２のスイッチをオンさせることと、を含むことを特徴とする請求項６に記載のエネルギー管理方法。
  8. 前記電気的エネルギーの全てが前記第２のインダクタから前記エネルギー蓄積器に伝達されると、前記第２のスイッチを再びオフさせることを特徴とする請求項７に記載のエネルギー管理方法。
  9. 前記第２の所定値は、前記第１の所定値以下であることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー管理方法。
  10. 前記第１の所定値の範囲は、１５Ｖ〜１０００Ｖであることを特徴とする請求項９に記載のエネルギー管理方法。
  11. 前記エネルギー一時貯蔵器は、１ｐＦ〜１ｍＦのコンデンサであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のエネルギー管理方法。
  12. 前記エネルギー一時貯蔵器は、電池であり、
    制御回路によって方形波クロック信号を生成して、前記第１のスイッチ及び／又は前記第２のスイッチのオンタイミングを制御し、
    前記制御回路の出力信号がローレベルである場合、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチを、オフさせ、
    前記制御回路の出力信号がハイレベルである場合、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチをオンさせ、
    前記制御回路の出力信号がハイレベルから再びローレベルに戻る場合、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチがオフされるとともに前記第２のスイッチをオンさせることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー管理方法。
  13. 前記エネルギー一時貯蔵器は、少なくとも電池を１つ備え、合計電圧が１０Ｖ〜５００Ｖであり、内部抵抗が１ＭΩ以下であり、リーク電流が１０ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー管理方法。
  14. 前記エネルギー一時貯蔵器の電圧は、前記エネルギー蓄積器の電圧の３〜１０００倍であることを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー管理方法。
  15. 前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互誘導係数が０．５よりも大きく、インダクタンスの値がいずれも１０ｎＨ以上であり、寄生抵抗がいずれも１ＭΩ以下であることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー管理方法。
  16. 前記エネルギー蓄積器は、内部抵抗が１ＭΩ以下で、且つリーク電流が１００ｍＡ以下である充電電池またはコンデンサであることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のエネルギー管理方法。
  17. 摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路であって、
    当該エネルギー管理回路は、順次に前記摩擦式ナノ発電機に並列に接続されている第１段の回路と第２段の回路と、を備え、
    前記第１段の回路は、エネルギー一時貯蔵器を備え、
    前記第２段の回路は、並列に接続されているＤＣ／ＤＣコンバータとエネルギー蓄積器と、を備え、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達するように設けられていることを特徴とする摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理回路。
  18. 前記第１段の回路は、前記摩擦式ナノ発電機から出力される電気的エネルギーを直流電力に整流して前記エネルギー一時貯蔵器に供給するように設けられている整流器を、更に備えることを特徴とする請求項１７に記載のエネルギー管理回路。
  19. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１７または１８に記載のエネルギー管理回路。
  20. 前記絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチと、第１のスイッチを介して前記エネルギー一時貯蔵器に並列に接続されている第１のインダクタと、第２のスイッチと、第２のスイッチを介して前記エネルギー蓄積器に並列に接続されている第２のインダクタと、を備え、
    前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互インダクタンスを構成することを特徴とする請求項１９に記載のエネルギー管理回路。
  21. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第１の所定値に達すると、前記エネルギー一時貯蔵器に貯蔵された電気的エネルギーを前記エネルギー蓄積器に伝達するように設けられていることを特徴とする前記請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路。
  22. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電気的エネルギーが伝達される過程において、前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が第２の所定値に達すると、電気的エネルギーの前記エネルギー蓄積器への伝達を停止するように設けられていることを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路。
  23. 前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達する前に、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、オフされ、
    前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第１の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチがオンされ、
    前記エネルギー一時貯蔵器に一時的に貯蔵された電気的エネルギーの電圧が前記第２の所定値に達すると、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチがオフされるとともに前記第２のスイッチがオンされることを特徴とする請求項２２に記載のエネルギー管理回路。
  24. 前記電気的エネルギーの全てが前記第２のインダクタから前記エネルギー蓄積器に伝達された後、前記第２のスイッチは、再びオフされることを特徴とする請求項２３に記載のエネルギー管理回路。
  25. 前記第２の所定値は、前記第１の所定値以下であることを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路。
  26. 前記第１の所定値の範囲は、１５Ｖ〜１０００Ｖであることを特徴とする請求項２１に記載のエネルギー管理回路。
  27. 前記エネルギー一時貯蔵器は、１ｐＦ〜１ｍＦのコンデンサであることを特徴とする請求項１８乃至２６のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路。
  28. 前記エネルギー一時貯蔵器は、電池であり、
    制御回路によって方形波クロック信号を生成して、前記第１のスイッチ及び／又は前記第２のスイッチのオンタイミングを制御し、
    前記制御回路の出力信号がローレベルである場合、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、オフされ、
    前記制御回路の出力信号がハイレベルである場合、電気的エネルギーが前記エネルギー一時貯蔵器から前記第１のインダクタに伝達されるように、前記第１のスイッチがオンされ、
    前記制御回路の出力信号がハイレベルから再びローレベルに戻る場合、電気的エネルギーが前記第１のインダクタから前記第２のインダクタを介して前記エネルギー蓄積器に伝達されるように、前記第１のスイッチがオフされるとともに、前記第２のスイッチがオンされることを特徴とする請求項２０に記載のエネルギー管理回路。
  29. 前記エネルギー一時貯蔵器は、少なくとも電池を１つ備え、合計電圧が１０Ｖ〜５００Ｖであり、内部抵抗が１ＭΩ以下であり、リーク電流が１０ｍＡ以下であることを特徴とする請求項２８に記載のエネルギー管理回路。
  30. 前記エネルギー一時貯蔵器の電圧は、前記エネルギー蓄積器の電圧の３〜１０００倍であることを特徴とする請求項２８に記載のエネルギー管理回路。
  31. 前記第１のインダクタと前記第２のインダクタは、相互誘導係数が０．５より大きく、インダクタンスの値がいずれも１０ｎＨ以上であり、寄生抵抗がいずれも１ＭΩ以下であることを特徴とする請求項１７乃至３０のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路。
  32. 前記エネルギー蓄積器は、内部抵抗が１ＭΩ以下で、且つリーク電流が１００ｍＡ以下である充電電池またはコンデンサであることを特徴とする請求項１７乃至３１のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路。
  33. 前記第１のスイッチと前記第２のスイッチは、電子スイッチであることを特徴とする請求項２１に記載のエネルギー管理回路。
  34. 請求項１７乃至３３のいずれか１項に記載のエネルギー管理回路を備えることを特徴とする摩擦式ナノ発電機のエネルギー管理装置。
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