JP2021044920A - 蓄電装置、制御装置及び蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】安全性を向上しつつ、電力の蓄電効率及び給電効率を向上させること。【解決手段】開示の技術の一態様に係る蓄電装置は、電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記蓄電部から電力供給対象に供給される供給電圧に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列へと切り替える直列復帰制御部と、を備える。【選択図】図１９

Description

本発明は、蓄電装置、制御装置及び蓄電システムに関する。

ＩｏＴ（Internet of Things）技術の進展に伴い、エッジデバイスへの給電をエネルギーハーベスティング技術により電池レス化する取り組みが進んでいる。圧電素子や発電ゴムによる剥離帯電及び摩擦帯電、或いはエレクトレット等による静電誘導により発生した電力でＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を駆動させる応用が実現されている。

しかし、圧電素子や摩擦帯電、静電誘導による発電では発生電圧が高く、発生電流が小さいため、ＬＥＤを直列に接続して瞬間的に光らせる等といった用途には向いているが、ＩｏＴのエッジデバイスに求められるＣＰＵ（Central Processing Unit）動作やセンサー駆動、無線伝送に必要な電圧、電流を満足することができない。そのため、発電電圧が高く電流が小さくても、効率よく発生した電力を活用する技術開発が求められている。

一般的に、微小な発電電力量の場合、発電電力をコンデンサに蓄電し、ＤＣ／ＤＣ（Direct Current／Direct Current）コンバータでエッジデバイスに必要な駆動電圧に変換している。しかし、圧電素子や静電誘導による発電デバイスは出力インピーダンスが高いため、インピーダンスの低いコンデンサに直接蓄電すると、蓄電時の低電圧状態で蓄電することになり、蓄電効率が低くなる場合がある。

そのため、特許文献１等には、高出力インピーダンスで、低電流を出力する発電素子によって発電された微小電力を用いて、電気回路の動作電力を生成する電源回路が開示されている。

しかしながら、特許文献１の電源回路には、安全性を向上しつつ、電力の蓄電効率及び給電効率を向上するという点で改善の余地があった。

開示の技術は、安全性を向上しつつ、電力の蓄電効率及び給電効率を向上させることを課題とする。

開示の技術の一態様に係る蓄電装置は、電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記蓄電部から電力供給対象に供給される供給電圧に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列へと切り替える直列復帰制御部と、を備える。

開示の技術によれば、安全性を向上しつつ、電力の蓄電効率及び給電効率を向上させることができる。

実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。 負荷駆動蓄電装置を備えた蓄電システムの構成例のブロック図である。 比較例に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。 蓄電システムの備える発電素子の動作例を示す図である。 発電素子に接続されるコンデンサを示す図であり、（ａ）は発電素子を用いた蓄電時の等価回路図、（ｂ）はコンデンサに蓄電する条件による蓄電効率例を示す図である。 発電素子に接続される抵抗負荷を示す図であり、（ａ）は発電素子を用いた抵抗負荷による給電時の等価回路図、（ｂ）抵抗負荷に給電する条件による給電効率例を示す図である。 ２つのコンデンサの直列接続例を示す図である。 ２つのコンデンサの並列接続例を示す図である。 直並切替制御部の第１構成例を示す図である。 直並切替制御部の第２構成例を示す図である。 実施形態に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。 実施形態に係る蓄電装置における電流の流れの一例を示す回路図であり、（ａ）は蓄電時を示す図、（ｂ）は給電時を示す図である。 実施形態に係る蓄電システムの回路構成例を示す図である。 通信モジュールによる制御回路を含んでＩＣ化された蓄電システムの構成例の図である。 実施形態に係る蓄電装置の動作例を示すタイミングチャートである。 比較例に係る蓄電、給電の際の電流の推移を示す図であり、（ａ）はコンデンサ容量を固定した回路図、（ｂ）は蓄電電流及び蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。 実施形態に係る蓄電、給電の際の電流の推移例を示す図であり、（ａ）はコンデンサの直並列を切り替える回路図、（ｂ）は蓄電電流及び蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。 ４つのコンデンサを直列接続する回路の構成例を示す図である。 コンデンサ多段接続回路の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。 第１実施形態に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。 図２０の蓄電装置の動作例を示すタイミングチャートである。 第１変形例に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。 第２変形例に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。 第３変形例に係る蓄電装置の回路構成例を示す図である。 図２４の蓄電装置の動作例を示すタイミングチャートである。 安定化回路を設けた蓄電装置の回路構成例を示す図である。 コンデンサ数を増やした場合の蓄電装置の回路構成例を示す図である。 第２実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。 第３実施形態に係る蓄電システムの構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。下記、各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

なお、実施形態の用語において、「電力」は「電気エネルギー」と同義とする。また、「電力の使用」、「電力の供給」、「給電」、「放電」は同義とする。

実施形態の用語において、「直並切替」とは、電気回路を直接接続から並列接続に切り替えること、又は電気回路を並列接続から直接接続に切り替えることをいう。また、複数の蓄電デバイスの接続を直列から並列に切り替えるための電圧値を直並切替電圧値といい、複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列に切り替えるための電圧値を並直切替電圧値という。

さらに、実施形態では、一時的にでも蓄電装置から電力が供給されるものを「電力供給対象」という。

＜実施形態に係る蓄電システム１００ａ及び１００ｂの構成例＞
まず、図１Ａを用いて蓄電システム１００ａについて説明する。図１Ａは、蓄電システム（エネルギー蓄電システム）１００ａの構成の一例を示すブロック図である。図１Ａに示すように、蓄電システム１００ａは、蓄電装置１と、発電素子２と、電力供給対象３と、整流回路４とを備える。

これらのうち、蓄電装置１は、直並切替制御部５と、直並切替部６と、蓄電部７とを備える。蓄電部７は、複数の蓄電デバイスの一例としてのコンデンサＣ１、Ｃ２によって構成されている。直並切替部６は、直並切替制御部５の制御下で、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を、直列又は並列の何れか一方に切り替えることができる。

発電素子２は、発電ゴムや圧電素子、静電誘導によって発電する素子であり、高電圧で、また低い電流の電力を生成する。発電素子２による発電については、別途、図３を用いて詳述する。

電力供給対象３は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）機能を有するＩＣ（Integrated Circuit）、センサー、無線伝送ＩＣ等から構成される負荷である。一例として、ＩｏＴデバイスが挙げられる。

蓄電システム１００ａは、発電素子２により発電された電力を、整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電する。蓄電された電力は、直並切替部６により並列接続に切り替えられたコンデンサＣ１、Ｃ２によって電力供給対象３に給電される。

より詳しくは、整流回路（整流部の一例）４は、発電素子２より発電された交流の電力を整流する。直並切替部６は、直並切替制御部５の制御下で、蓄電部７におけるコンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続の状態にし、コンデンサＣ１、Ｃ２は、整流回路４から入力される電力（蓄電電圧）を蓄電する。

その後、蓄電電圧が直並切替電圧値としての第１電圧値に達した場合に、直並切替制御部５は直並切替部６を作動させ、コンデンサＣ１、Ｃ２を並列接続に切り替える。コンデンサＣ１、Ｃ２は、並列接続された状態で電力供給対象３に給電する。

その後、コンデンサＣ１、Ｃ２から給電される電圧が、並直切替電圧値としての第２電圧値以下になった場合に、直並切替制御部５は直並切替部６を作動させ、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続に切り替える。コンデンサＣ１、Ｃ２には、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続された状態で、再び発電素子２が発電した電力が蓄電される。

次に、図１Ｂは、蓄電システム１００ｂの構成の一例を示すブロック図である。図１Ｂに示すように、蓄電システム１００ｂは、蓄電装置１と、電力供給対象３ａとを備える。また電力供給対象３ａは、負荷駆動蓄電装置１０と、電力供給対象回路３'とを備える。

蓄電システム１００ｂは、発電素子２により発電された電力を整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２により蓄電する。その後、蓄電部７の蓄電電圧が第１電圧値に達した場合に、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列に切り替え、並列接続状態で、蓄電部７から負荷駆動蓄電装置１０及び電力供給対象回路３'の両方に並行して給電する。

負荷駆動蓄電装置１０は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等の各種蓄電デバイスを備え、蓄電及び給電が可能な装置である。負荷駆動蓄電装置１０は、電力供給対象回路３'に駆動電力を給電できる。

負荷駆動蓄電装置１０による電力供給対象回路３'への給電の制御方法は特に限定されないが、例えば、外部装置からの制御信号に基づき制御されてもよい。または、負荷駆動蓄電装置１０にタイマーを備えさせ、タイマーによる計測時間に基づき、所定の時間周期で給電されるように制御されてもよい。

＜比較例に係る蓄電システム１００Ｘの構成例＞
ここで、比較例として、環境発電素子により発電された電力を蓄電し、電力供給対象に給電するシステムを説明する。図２は、比較例に係る蓄電システム１００Ｘの構成を示すブロック図である。なお、図２において、図１に示した蓄電システム１００と同様の機能を備える構成には、便宜的に同じ部品番号を付している。

蓄電システム１００Ｘは、一般的なエネルギーハーベストシステムである。蓄電システム１００Ｘは、環境発電素子が発電した電力を、整流回路４を介して蓄電装置１Ｘに蓄電し、蓄電した電力を電力供給対象３に給電する。

図２に示すように、蓄電装置１Ｘは、発電側蓄電部である第１蓄電部１０１と、電力変換回路１０２と、給電側蓄電部である第２蓄電部１０３とを備える。

第１蓄電部１０１に蓄電された電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換回路１０２により電力供給対象３の動作電圧に変換された後、第２蓄電部１０３に蓄電される。その後、第２蓄電部１０３に蓄電された電力は、電力供給対象３に給電される。

このような蓄電装置１Ｘでは、以下の問題が生じる場合がある。
（Ａ）：電力変換回路１０２における消費電流によるロスの発生
（Ｂ）：変換効率によるロスの発生
（Ｃ）：インダクタ等の構成部品の増加

より詳しくは、蓄電システム１００Ｘでは、第１蓄電部１０１に蓄電される電圧と第２蓄電部１０３に蓄電される電圧の関係で、電圧を昇圧変換または降圧変換することが好ましい。例えば、第１蓄電部１０１の蓄電電圧より第２蓄電部１０３の蓄電電圧が大きい場合は、昇圧変換することが好ましく、低い電圧で電力を蓄電するため、下記（式１）に基づき、蓄電装置１Ｘの第１蓄電部１０１を大きくすることが好ましい。

ここで、Ｗは蓄電電力、Ｃはコンデンサ容量、Ｖは蓄電電圧である。

また、蓄電電力は蓄電電圧の２乗に比例するため、圧電素子や発電ゴム、静電誘導により発電された高電圧で低い電流の電力を出力する発電素子２による蓄電では、蓄電電圧の上昇効率が悪く、かつ電力変換回路１０２における消費電流によるロスが発生することで、蓄電効率は低くなってしまう（Ａ）。

次に、第１蓄電部１０１の蓄電電圧が第２蓄電部１０３の蓄電電圧より大きい場合は、降圧変換することが好ましい。この場合は（式１）に基づき、高い電圧で第１蓄電部１０１に蓄電できるため、蓄電装置１Ｘの第１蓄電部１０１を小さくして高い電圧で蓄電できる。しかし、第１蓄電部１０１の蓄電電圧と第２蓄電部１０３の蓄電電圧の差が発生するため、電力変換回路１０２における消費電流がロスとなり、電力変換効率が低下する（Ｂ）。

以上のように、蓄電システム１００Ｘでは、電力変換回路１０２における電流消費量が大きくなってしまうロスと電圧変換によるロスが大きくなるとともに、構成部品が増加する分、蓄電装置が大型化する場合がある。

これと比較して、実施形態に係る蓄電システム１００では、複数のコンデンサを有する蓄電部７を蓄電時と給電時とで共通して用いることで、電圧変換時の電力のロスを抑制することができる。

＜発電素子例＞
次に、蓄電システム１００の備える発電素子２の動作を説明する。図３は、発電素子２の動作例を示す図である。

発電素子２は、発電ゴム等で構成され、剥離の力、摩擦の力、振動の力、或いは変形の力がかかることで、電荷を発生させて発電を行なう。また、発電素子２は、圧力によって発電してもよい。

発電素子２の発電量は、発電電圧１０〜１０００Ｖ（例えば、４０Ｖ）、発電電流５０ｎＡ〜１００μＡ（例えば６μＡ）である。

図３に示すように、発電ゴムや圧電素子で構成される発電素子２は、高抵抗で、所定の電荷による電流を出力するため、電流源２１と、内部抵抗２２で近似できる。内部抵抗２２の抵抗値は、１〜１００ＭΩ（メガオーム）（例えば、１０ＭΩ）である。

ここで、発電素子２に接続されるコンデンサと抵抗負荷について、図４〜図５を用いて説明する。

図４（ａ）は、発電素子２を用いた蓄電時の等価回路図であり、図４（ｂ）は、コンデンサに蓄電する条件による蓄電効率について説明する図である。

図４（ｂ）は、最大時の蓄電電力を１００％とし、発電素子２により発電されて蓄電される電力の、コンデンサ容量に伴う比率（％）の変化を表している。

コンデンサ容量を図４（ｂ）の白抜き矢印の部分に設定した場合、コンデンサと、定電流源と内部抵抗からなる発電素子２（出力側）と、インピーダンス整合が取れて、最も効率よく蓄電できる。

図５（ａ）は、発電素子２を用いた抵抗負荷による給電時の等価回路図であり、図５（ｂ）は、抵抗負荷に給電する条件による給電効率について説明する図である。

図５（ｂ）は、最大時の給電電力を１００％とし、発電素子２により発電されて給電される電力の、負荷抵抗の抵抗値に伴う比率（％）の変化を表している。

負荷抵抗の抵抗値を図５（ｂ）の白抜き矢印の部分に設定した場合、負荷抵抗と、発電素子２の内部抵抗とが等しい状態となり、内部抵抗と負荷抵抗が等しい時に、電力供給対象３（出力側）とインピーダンス整合が取れて、最も効率よく給電できる。

＜コンデンサの接続例＞
次に、蓄電部７におけるコンデンサＣ１、Ｃ２の接続例について、図６〜図７を参照して説明する。図６は、コンデンサＣ１、Ｃ２の直列接続の一例を示す図であり、図７は、コンデンサＣ１、Ｃ２の並列接続の一例を示す図である。

図６に示すように、直並切替部６は、３つのスイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３を備える。蓄電部７は、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備える。コンデンサは蓄電デバイスの一例であって、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等の各種蓄電デバイスを用いることができる。

図６に示すように、直並切替部６のスイッチＳｗ２がオン状態（接続した状態）で、スイッチＳｗ１及びＳｗ３がオフ状態（接続していない状態）であることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続状態になる。

また、図７に示すように、直並切替部６のスイッチＳｗ１及びＳｗ３がオン状態で、スイッチＳｗ２がオフ状態であることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２は、並列接続状態になる。

＜直並切替制御部５の構成例＞
次に、直並切替制御部５の構成について、図８〜図９を参照して説明する。図８は、直並切替制御部５の第１構成例について説明する図である。図８に示すように、直並切替制御部５は、直並切替スイッチ制御部５０と、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２と、２つのスイッチＳｗ４、Ｓｗ５とを備える。

直並切替スイッチ制御部５０は、直列又は並列の切替えの基準となる入力電圧Ｖｉｎを監視し、制御信号Ｓ１を出力する電圧監視回路（電圧監視部の一例）として機能する。そして、直並切替スイッチ制御部５０は、端子１１への入力電圧Ｖｉｎの検出結果に応じて、制御信号Ｓ１を生成し、生成した制御信号Ｓ１で、スイッチＳｗ４及びスイッチＳｗ５を制御する。

また、直並切替制御部５では、抵抗Ｒ１及びスイッチＳｗ４がハイインピーダンス駆動のインバータ５１を形成し、抵抗Ｒ２及びスイッチＳｗ５がハイインピーダンス駆動のインバータ５２を形成している。スイッチＳｗ４、Ｓｗ５は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のＮｃｈ（Ｎチャネル）トランジスタによって構成されている。

直並切替制御部５は、直並切替部６を制御する制御信号φ１を生成し、これを端子５３から出力する。また、直並切替制御部５は、直並切替部６を制御する制御信号φ２を生成し、これを端子５４から出力する。

直並切替制御部５において、直並切替スイッチ制御部５０及びインバータ５１は、ヒステリシス生成回路Ｈとして機能する。ヒステリシス生成回路Ｈは、入力電圧Ｖｉｎの変化を素早く検出するとともに、一旦Ｌｏｗレベル→Ｈｉｇｈレベル（或いはＨｉｇｈレベル→Ｌｏｗレベル）に切り替わった信号が不安定に切り替わることを防ぐように、切り替え閾値にヒステリシス（差）を設けている。実施形態では、ヒステリシス生成回路Ｈは、入力電圧Ｖｉｎが上昇して第１電圧値に達すると、制御信号φ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。また、第１電圧値から入力電圧Ｖｉｎが低下して第２電圧値に達すると、制御信号φ１をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替える。より詳しくは、図１４も参照して後述する。

実施形態では、インバータ５１にハイインピーダンスの抵抗Ｒ１を使用し、インバータ５２にハイインピーダンスの抵抗Ｒ２を使用する。これにより、圧電素子や静電誘導により発電された高電圧で低電流であるハイインピーダンス出力の発電素子２でも、蓄電装置１の回路を駆動することができる。抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値は、１ＭΩ〜５００ＭΩ等である。

次に、図９は、直並切替制御部５の第２構成例について説明する図である。図９に示す直並切替制御部５Ａは、直並切替スイッチ制御部５０と、２つの定電流源ＩＣ１、ＩＣ２と、２つのスイッチＳｗ４、Ｓｗ５とを備えている。

また、直並切替制御部５Ａでは、定電流源ＩＣ１及びスイッチＳｗ４がハイインピーダンス駆動のインバータ５１Ａを形成し、定電流源ＩＣ２及びスイッチＳｗ５がハイインピーダンス駆動のインバータ５２Ａを形成している。スイッチＳｗ４、Ｓｗ５は、Ｎｃｈトランジスタ等によって構成されている。

直並切替スイッチ制御部５０により生成された制御信号Ｓ１で、スイッチＳｗ４及びＳｗ５が制御され、直並切替部６を制御する制御信号φ１を生成して端子５３から出力する。また、直並切替部６を制御する制御信号φ２を生成して、端子５４から出力する。直並切替制御部５Ａにおいて、直並切替スイッチ制御部５０及びインバータ５１Ａは、ヒステリシス生成回路Ｈとして機能する。

実施形態では、インバータ５１Ａにハイインピーダンスの定電流源ＩＣ１を使用し、インバータ５２Ａにハイインピーダンスの定電流源ＩＣ２を使用することで、圧電素子や静電誘導により発電された高電圧で低電流であるハイインピーダンス出力の発電素子２でも、蓄電装置１の回路を駆動することができる。定電流源ＩＣ１、ＩＣ２のそれぞれが生成する電流値は１０ｎＡ〜１００μＡ等である。

＜蓄電装置１の回路構成例＞
次に、蓄電装置１の回路構成について説明する。図１０は、蓄電装置１の回路構成の一例を示す図である。

図１０に示すように、蓄電装置１は、直並切替制御部５Ｂと、直並切替部６と、蓄電部７と、出力スイッチ部８（出力部の一例）とを備える。なお、蓄電装置１は、１つのＩＣにまとめて蓄電ＩＣとして構成してもよい。

直並切替制御部５Ｂには、直並切替スイッチ制御部５０Ｂと、２つのディプリージョン型トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３と、２つのＮｃｈトランジスタＴｒ２、Ｔｒ４とを備える。

実施形態では、直並切替スイッチ制御部５０Ｂは、ＮｃｈトランジスタＴｒ５、及び３つの抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５によって構成されている。３つの抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は高い抵抗値（高インピーダンス）を有する高抵抗の抵抗器である。ＮｃｈトランジスタＴｒ５は、ヒステリシス生成スイッチであり、電力供給対象３の状態を示す信号が入力されてもよい。

直並切替スイッチ制御部５０Ｂは、直列接続を並列接続に切り替える電圧である入力電圧Ｖｉｎを監視し、制御信号Ｓ１を出力する。

直並切替制御部５Ｂは、直並切替スイッチ制御部５０Ｂにより生成された制御信号（Ｓ１）で制御される、２つのインバータ５１Ｂ、５２Ｂを備えている。

インバータ５１Ｂは、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１と、ＮｃｈトランジスタＴｒ２で構成されている。インバータ５１Ｂからの制御信号φ１は、端子５３で取り出される。

直並切替スイッチ制御部５０Ｂ及びインバータ５１Ｂは、ヒステリシス生成回路Ｈを構成する。インバータ５２Ｂは、ディプリージョン型トランジスタＴｒ３と、ＮｃｈトランジスタＴｒ４で構成されている。インバータ５２からの制御信号φ２は、端子５４で取り出される。なお、インバータ５１Ｂ、５２Ｂのそれぞれは、Ｎｃｈトランジスタと抵抗器とを含んで構成されてもよい。

なお、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３は、図９の定電流源ＩＣ１、ＩＣ２として機能する。ＮｃｈトランジスタＴｒ２、Ｔｒ４は、図９のスイッチＳｗ４，Ｓｗ５として機能する。

直並切替制御部５Ｂは、蓄電期間中は、複数のコンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続させるように、Ｈｉｇｈレベルの制御信号φ１及びＬｏｗレベルの制御信号φ２を出力する。そして、入力電圧Ｖｉｎが第１電圧値に達した時点で、コンデンサＣ１、Ｃ２を並列接続させるように、Ｌｏｗレベルの制御信号φ１及びＨｉｇｈレベルの制御信号φ２を出力する。

その後、電力供給対象による電力使用により、入力電圧Ｖｉｎが低下して第２電圧値より小さくなると、コンデンサＣ１、Ｃ２を、直列接続させるように、Ｈｉｇｈレベルの制御信号φ１及びＬｏｗレベルの制御信号φ２を出力する。

また、直並切替部６はＰｃｈ（Ｐチャネル）トランジスタＴｒ６、ＮｃｈトランジスタＴｒ７、アナログスイッチＴｒ８、Ｔｒ９で形成されている。

直並切替部６において、ＰｃｈトランジスタＴｒ６は、図６、図７のスイッチＳｗ１に対応し、ＮｃｈトランジスタＴｒ７はスイッチＳｗ３に対応し、スイッチＳｗ２は、２つのトランジスタＴｒ８，Ｔｒ９からなるアナログスイッチで構成されている。

直並切替部６及び出力スイッチ部８を、アナログスイッチであるトランジスタで構成することで、電圧損失（電位差）が発生しない。比較としてダイオードでスイッチを構成すると、電圧損失が発生する。直並切替部６及び出力スイッチ部８を、アナログスイッチであるトランジスタで構成することで、電位差なく、スイッチを作動させることが可能となる。

直並切替部６において、ＰｃｈトランジスタＴｒ６及びＮｃｈトランジスタＴｒ７をダイオードに置き換えてもよい。ＰｃｈトランジスタＴｒ６に対してはダイオードのカソードをＶｉｎラインに、アノードをアナログスイッチの一方の端子に接続し、ＮｃｈトランジスタＴｒ７に対してはダイオードのカソードをアナログスイッチの一方の端子にアノードをＧＮＤのラインに接続する。

また、直並切替部６において、ＰｃｈトランジスタＴｒ６及びＮｃｈトランジスタＴｒ７をダイオードと並列に接続してもよい。ＰｃｈトランジスタＴｒ６に対してはダイオードのカソードをＶｉｎラインに、アノードをアナログスイッチの一方の端子に接続し、ＮｃｈトランジスタＴｒ７に対してはダイオードのカソードをアナログスイッチの一方の端子にアノードをＧＮＤのラインに接続する。

なお、図１では示さなかったが、蓄電装置１は、図１０のように、並列接続時に電力供給対象に給電するための出力スイッチ部８を備えていてもよい。出力スイッチ部８は、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０とＮｃｈトランジスタＴｒ１１のアナログスイッチで形成されている。

蓄電装置１において、並列接続時に電力供給対象に給電する出力スイッチ部８は、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０のみで構成してもよい。

蓄電装置１において、高抵抗や定電流トランジスタは高い抵抗を有するものを用いるため、直並切替制御部５Ｂは高いインピーダンスを有している（ハイインピーダンスである）。そのため、発電素子２から発電される、高電圧で、低電流（例えば、４００Ｖ、６μＡ）な発電素子２よりも、さらに低い電流（例えば、６０ｎＡ）でも蓄電装置１を駆動できる。

また、図１０の構成において、直並切替制御部５Ｂ、直並切替部６、及び出力スイッチ部８を構成する素子が有するインピーダンスの合計を、発電素子２の内部インピーダンス以上にすることができる。これにより、蓄電装置１の直並切替に必要とする駆動消費電力を抑えることができ、蓄電効率を高めることができる。

直並切替部６、及び出力スイッチ部８を構成する素子はＭＯＳ（Metal Oxide semiconductor）トランジスタで構成されているため、直並切替制御部５Ｂにより制御される、直並切替部６及び出力スイッチ部８で消費される電力は、スイッチ部をオン、オフした時のＭＯＳトランジスタゲート駆動電力のみであり、蓄電効率を高めることができる。

さらに、蓄電時の蓄電装置１のインピーダンスは、給電時の蓄電装置１のインピーダンスよりも高くなっている。従って、蓄電装置１は高電圧、低電流で蓄電が可能となり、蓄電効率を高めることができる。また、給電時には蓄電装置１の給電電圧は例えば３Ｖであり、数ｍＡの消費電流を必要とするＣＰＵ等の電子機器を駆動することができる。

なお、図１０においてディプリージョン型トランジスタとＮｃｈトランジスタで構成されるインバータ５１Ｂ、５２Ｂは２段構成になっているが、ゲインが必要な場合は同様のインバータの段数を増やしても良い。その場合は、インバータ５１Ｂの制御信号φ１及びインバータ５２Ｂの制御信号φ２のそれぞれ信号変化のタイミングを、直並切替部６のスイッチ切替えタイミングに合わせると好適である。

ここで、図１０の蓄電装置１における電流の流れを、図１１を参照して説明する。図１１は、蓄電装置１における電流の流れを示す回路図であり、（ａ）は蓄電時のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続された状態を示す図、（ｂ）は給電時のコンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続された状態を示す図である。

スイッチＳｗ１を構成するＰｃｈトランジスタＴｒ６のゲートには、制御信号φ１が入力されているため、制御信号φ１がＬｏｗレベル、即ち給電時にオン状態になる。

スイッチＳｗ３を構成するＮｃｈトランジスタＴｒ７のゲートには、制御信号φ２が入力されているため、制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち給電時にオン状態になる。

スイッチＳｗ２を構成する、ＰｃｈトランジスタＴｒ８のゲートには、制御信号φ２が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ９のゲートには、制御信号φ２が入力されている。よってスイッチＳｗ２は、制御信号φ２がＬｏｗレベル且つ制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、即ち、蓄電時にオン状態になる。

また、出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４において、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０のゲートには、制御信号φ１が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ１１のゲートには、制御信号φ２が入力されている。よってスイッチＳｗ４は、制御信号φ１がＬｏｗレベル且つ制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち、電力供給対象への給電時にオン状態になる。

直並切替部６に含まれるスイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３と、出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４には、直並列の切り替え時のみ、スイッチの状態を変化させるために電流が流れる。そのため、蓄電時及び給電時の消費電流を小さくすることができる。

＜蓄電システム１００の回路構成例＞
次に、蓄電システム１００の回路構成について、図１２を参照して説明する。図１２は、蓄電システム１００の回路構成の一例を示す図である。

整流回路４は、４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４から成るダイオードブリッジによって構成されている。整流回路４は、発電素子２から出力された交流電力を全波整流する。

整流された電力を、蓄電装置１で直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電し、第１電圧値に達すると、図１１（ｂ）のコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続された状態に切り替えられ、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力は電力供給対象に給電される。

＜ＩＣ化の例＞
次に、蓄電システム１００をＩＣ化した場合の一例を、図１３を参照して説明する。図１３は、通信モジュール３１による制御回路を含んでＩＣ化された蓄電システム１００ｃの構成の一例を示す図である。

図１３に示すように、蓄電システム１００ｃにおける電力供給対象３は、通信モジュール３１と、センサー３２とを備える。また、蓄電装置１Ｃは、直並切替制御部５、直並切替部６、及び出力スイッチ部８が一体化された直並切替ＩＣ９を備えている。

直並切替ＩＣ９は、マイコン搭載の通信モジュール３１と連係して、直並切替のタイミングを制御する機能を備えている。蓄電システム１００ｃは、直並切替ＩＣ９の出力電圧Ｖｏｕｔにより通信モジュール３１と、センサー３２に給電する。

直並切替ＩＣ９は、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続状態になった時に、通信モジュール３１に備えられたマイコンに並列状態になったことを示す信号Ｓ_ＳＴを出力して、通信モジュール３１に給電が可能であることを通知する。

通信モジュール３１のシステム動作が完了した後、所定のタイミングで、通信モジュール３１から直並切替ＩＣ９に、マイコンに給電が必要なくなったことを示す信号Ｓ_ＥＮＤを出力して蓄電に移行させるように指示する。当該指示を受けた蓄電装置１は、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続状態に切替えて充電を開始させる。ここで、信号Ｓ_ＥＮＤは、図１１の直並切替制御部５のＮｃｈトランジスタＴｒ５のゲートに電圧を制御することでコンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に変化させる信号である。

蓄電システム１００ｃの構成により、蓄電装置１Ｃは、電力供給対象３側のＣＰＵと連携することで、蓄電効率を向上することができる。

また、蓄電システム１００ｃは、センサー３２からの信号が通信モジュール３１に備えられたマイコンで信号処理された結果を、無線等の通信手段を通じてＩｏＴエッジ端末として活用することもできる。

＜蓄電装置１の動作＞
次に、蓄電装置１（図１０参照）の動作について、図１４を参照して説明する。図１４は、蓄電装置１の直並切替動作の一例を示すタイミングチャートである。

発電素子２により発電された電力は、整流回路４で整流され、蓄電装置１に入力される。

時刻Ｔ０では、コンデンサＣ１、Ｃ２は蓄電されていない状態である。

時刻Ｔ１において、整流された電力が蓄電装置１に入力され始めると、直並切替制御部５Ｂがハイインピーダンス構成となっているため、発電素子２よりハイインピーダンスで出力された電力により回路が起動し制御信号φ１及びφ２が生成される。

蓄電が開始されると、制御信号φ１はＨｉｇｈレベル、制御信号φ２はＬｏｗレベルとなり、直並切替部６が作動してスイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態で、スイッチＳｗ２がオン状態となり、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続される。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続された状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖ（第１電圧値）に達すると、時刻Ｔ２において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ状態で、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオン状態となり、蓄電部７におけるコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。コンデンサＣ１，Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。ここで、Ｖ_Ｃ１はコンデンサＣ１の蓄電電圧、Ｖ_Ｃ２はコンデンサＣ２の蓄電電圧である。

時刻Ｔ３において、電力供給対象が駆動すると電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が電力供給対象に給電され、入力電圧Ｖｉｎも低下していく。

なお、ここでは、時刻Ｔ２〜Ｔ４までは発電素子２からの電力の入力は無いものとする。

入力電圧Ｖｉｎが低下して２Ｖ（第２電圧値）に達すると、時刻Ｔ４において、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態で、スイッチＳｗ２がオン状態となることで、蓄電部７のコンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、発電素子２からの電力は蓄電される。

この後、入力電圧Ｖｉｎが上昇して１０Ｖに達すると、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続に切り替えられる。

以上の動作が継続して行われる。

ここで、図１４では、入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖ（第１電圧値の一例）になるタイミングを時刻Ｔ２とし、入力電圧Ｖｉｎが２Ｖ（第２電圧値の一例）になるタイミングを時刻Ｔ４とする例を示したが、時刻Ｔ２及びＴ４に対応する第１電圧値及び第２電圧値は、これらに限定されるものではない。直並切替スイッチ制御部５０Ｂの抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の抵抗値を変えることで、第１電圧値及び第２電圧値のそれぞれを、任意の電圧に設定できる。

また、並列状態で発電素子２からの電力の入力を継続することも可能である。その場合は時刻Ｔ３〜Ｔ４までの入力電圧Ｖｉｎの電圧低下は緩やかになるか、上昇する場合もある。

次に、蓄電システム１００ｃ（図１３参照）の動作例について、図１４の時刻Ｔ６以後を参照して説明する。蓄電システム１００ｃにおいても、時刻Ｔ０〜Ｔ５までの動作は同じである。

時刻Ｔ６のタイミングで、直並切替ＩＣ９は、通信モジュール３１に備えられたマイコンに、並列状態になったことを示す信号Ｓ_ＳＴを出力して通信モジュール３１に給電が可能であることを通知する。なお、図１４中、時刻Ｔ３〜Ｔ４及び時刻Ｔ６〜Ｔ７の期間は、蓄電装置１が通信モジュール３１と同期して通信モジュール３１へ給電している、電力供給対象動作期間（給電期間、システム動作期間）に該当する。

時刻Ｔ７で通信モジュール３１のシステム動作が完了した後、時刻Ｔ８のタイミングで、通信モジュール３１から直並切替ＩＣ９に信号Ｓ_ＥＮＤが入力されると、コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続状態に切り替えられ、充電が開始される。

蓄電装置１が通信モジュール３１と連携して動作する場合は、給電期間中、電圧が２Ｖまで低下するか、信号Ｓ_ＥＮＤが出力されるか、何れか早い方で給電が停止される。図１４の例では、電圧が２Ｖまで低下する前に信号Ｓ_ＥＮＤが出力されたため、その時点で給電が停止され、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続状態が直列に切り替えられて、蓄電動作に移行されている。

＜蓄電電力例＞
ここで、コンデンサに蓄電する電力について説明する。

コンデンサに蓄電できる電力Ｗ(Ｊ)は、以下の（式１）で表せる。

また、コンデンサをｎ個、直列接続すると、容量Ｃｓｎは、以下の（式２）で表せる。

コンデンサをｎ個、並列接続すると、容量Ｃｐｎは、以下の（式３）で表せる。

コンデンサｎ個直列接続で蓄電できる電力Ｗｓは、以下の（式４）で表せる。

コンデンサｎ個並列接続で蓄電できる電力Ｗｐは、以下の（式５）で表せる。

例えば、具体的に、ｎ＝２、Ｃ＝１(μＦ；マイクロファラッド)、Ｖ＝５（Ｖ；ボルト）とすると、コンデンサ２個を直列接続で蓄電できる電力Ｗｓは、以下の（式６）のように計算できる。

コンデンサ２個並列接続で蓄電できる電力Ｗｐは、以下の（式７）のように計算できる。

以上のように、Ｗｓ＝Ｗｐになり、同じ容量のコンデンサをｎ個直列で蓄電しても、並列で蓄電しても同じ電力量をコンデンサに蓄電できる。ｎ個直列に接続したコンデンサに蓄電するためには、高電圧ｎ×Ｖ（Ｖ）の状態で蓄電する必要がある。

一方、蓄電された電力はＩｏＴのようなシステムでは、ＣＰＵを駆動したり、センサー等を接続する電子機器に給電することが求められる。これらの機器はリチウム電池１〜３本程度、例えば３〜１０Ｖ程度の電圧、数μＡ〜数ｍＡ程度の電流で駆動することが求められる。

ここで、同じ容量Ｃのコンデンサをｎ個直列に接続した高インピーダンスの状態で蓄電し、それらのコンデンサを直列接続から並列接続に切り替えることで、コンデンサに蓄電された電力を保持したまま、低い電圧で低インピーダンスの状態でＩｏＴシステム等を駆動できる。

回路上に設けられる抵抗の抵抗値をＲとすると、インピーダンスＺは以下の（式８）で定義される。

コンデンサをｎ個直列にした場合の回路のインピーダンスＺｓｎは、（式２）のように表されるため、以下の（式９）のように表すことができる。

コンデンサをｎ個並列にした場合の回路のインピーダンスＺｐｎは、（式３）のように表されるため、以下の（式１０）のように表すことができる。

となる。ここで、回路上に設けられる抵抗の抵抗値Ｒを小さくすると、直列時のインピーダンスＺｎｓ（式９）が高く、並列時のインピーダンスＺｐｎ（式１０）が低くなる。

以上のように、コンデンサの直並切替を行なうことで、蓄電時は（式４）と（式９）から高電圧ｎ×Ｖ（Ｖ）で高インピーダンスで蓄電し、給電時は（式５）と（式１０）から低い電圧Ｖ（Ｖ）で電力供給対象に効率よく給電できる。

圧電素子や発電ゴムの静電誘導による発電では数１０Ｖ〜数１００Ｖという高電圧が発生する。また、出力電流はｎＡ〜μＡといった単位の低電流であり、出力インピーダンスの高い定電流電源と見ることができる。このため、圧電素子や静電誘導により高電圧でコンデンサに蓄電した電力を、３〜１０Ｖ程度の電圧で数μＡ〜数ｍＡ程度の電流で駆動する電力供給対象への給電電力に、高効率で変換する回路が必要となる。

ここで、図１５に比較例として、コンデンサの容量を固定した場合の蓄電、給電の際の電流の推移を示し、図１６に実施形態のように、コンデンサの容量を直列と並列で切り替える場合の蓄電、給電の際の電流の推移を示す。

より詳しくは、図１５（ａ）は、コンデンサの容量を固定した回路図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の状態での蓄電電流及び蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。

図１５では、０．２５μＦの容量のコンデンサを１つ用いて、充電時、給電時ともに、容量０．２５μＦで動作させる例を示している。

一般的に、ＣＰＵ動作、センサー駆動、無線伝送ＩＣの駆動電圧は、２〜５Ｖ程度である。図１５（ｂ）に示すように、比較例では、給電時にコンデンサに蓄えている容量が少ないため急激に電圧値が降下し、電圧値が、２〜４．５Ｖの範囲にある時間は、２０ｍｓである。そのため、２０ｍｓしか電力を使用できない。

これに対して、図１６（ａ）はコンデンサの直並列を切り替える回路図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の状態での蓄電電流および蓄電電圧、給電の際のコンデンサ端子間電圧の推移を示す図である。

図１６では、０．５μＦの容量のコンデンサを２つ用いて、充電時は直列状態にして容量０．２５μＦで動作させ、給電時は並列状態にして容量１．０μＦで動作させる例を示している。

図１６（ｂ）に示すように、実施形態では、給電時はコンデンサを直列接続から並列接続に切り替えることで、切り替え時に電圧値は半分になるが、その後、容量が大きいコンデンサを用いた給電により電圧値が緩やかに降下する、そのため、電圧値が、２〜４．５Ｖの範囲にある時間は、８４ｍｓである。図１５（ｂ）と比較すると、充電時のコンデンサの容量は同じながら、直列接続から並列接続への切り替えにより、給電時に電力を使用できる時間が４倍以上に増える。

図１６に示したように、実施形態に係る蓄電システムでは、コンデンサの直列接続又は並列接続を切り替えることで、蓄電時に、高電圧、高インピーダンスでインピーダンス整合して蓄電できる。一方、給電時は、ＩｏＴシステムなどに対して必要な電圧で、低インピーダンスでインピーダンス整合して給電できる。

＜蓄電装置にコンデンサを多数設ける例＞
上記は、蓄電装置１に２つのコンデンサを含む構成について説明したが、コンデンサの数は２つに限られない。図１７は、４つのコンデンサを直列に接続する回路の構成例を説明する図である。図１７は、４つのコンデンサを備える蓄電部７０と、４つのコンデンサの接続を切り替える４直並切替ＩＣ９０の内部ブロックを示している。

直並切替スイッチ部６０は、図１０の直並切替部６と対応しており、スイッチ群６１、６２、６３で構成される。スイッチ群６１、６３は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を並列接続にするときにオン状態となり、直列接続にするときにオフ状態となる。スイッチ群６２は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を直列接続にするときにオン状態となり、並列接続にするときにオフ状態となる。また、スイッチ８０は図１０の出力スイッチ部８に対応する。

直並切替制御回路５Ｂ'は、図１０の２つのコンデンサ切り替え用の直並切替制御部５Ｂに対応するが、図１８のようにカスコード接続してコンデンサを多段直列接続する場合には、マスター側とスレーブ側の切替えをするためのマスター/スレーブ切替回路５５を備えている。

次に、図１８は、コンデンサ多段接続回路の構成例を示す図である。図１８において、コンデンサ多段接続回路９０Ｅは、４直並列切替マスターＩＣ９１と、４直並列切替スレーブＩＣ９２、９３、９４、９５で構成される。

マスターＩＣ９１に、図１７のマスター/スレーブ切替回路５５を設けることで、４つのＩＣ９２、９３、９４、９５はスレーブＩＣとしてカスコード接続できるよう構成し、それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ出力を４直並列切替えマスターＩＣ９１に接続でき多段接続が可能である。

このように、多段接続する場合、カスコード接続をマスタースレーブ方式で多段接続制御する。これにより、より多段のコンデンサを接続することができ、更なる高効率化が可能になる。

以上説明したように実施形態に係る蓄電装置は、高電圧、低電流で切替え電圧を検出でき、高電圧、低電流で動作して直並接続を切替え、高効率で蓄電できる。

なお、上述した実施形態では、直並切替制御部５が、ヒステリシス生成回路Ｈを内部に備えることで、制御信号φ１に対してヒステリシスを設けていた。しかし、直並切替制御部５でヒステリシスを設けることができれば、ヒステリシス生成回路は直並切替制御部５以外に設けられてもよい。

［第１実施形態］
次に、第１実施形態に係る蓄電システム２００について説明する。

ここで、上述した蓄電システム１００ａ（図１Ａ参照）では、給電時に並列接続に切り替えられたコンデンサＣ１、Ｃ２は、蓄電電圧が第２電圧値以下になると、コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続に復帰する。そして、直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２への充電が開始される。その後、蓄電電圧が第１電圧値に達するとコンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続に切り替わり、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続の状態で電力供給対象３に電力を供給する。

電力供給対象３への供給電力は、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力であるため、蓄電システム１００ａでは、蓄電部７への蓄電量と電力供給対象３による消費電力量で直列並列切り替えのタイミングが決まるように、第１電圧値と第２電圧値が予め設定されている。

しかし、電力供給対象３の電力消費量が少ない場合は、蓄電電圧が第２電圧値以下になるまで直列接続に切り替えることができず、並列接続状態で蓄電するため、蓄電部７は直列復帰することなく蓄電され続け、蓄電電圧が上昇し続ける場合がある。蓄電電圧の上昇により、電力供給対象３の動作が不安定になったり、電力供給対象３が劣化したりする場合がある。

そこで、本実施形態に係る蓄電システム２００では、電力供給対象３への供給電圧、又は蓄電部７の蓄電電圧が所定の変更電圧値以上になった場合に、並直切替電圧値を変更する。例えば、並直切替電圧値として設定していた第２電圧値を、第２電圧値より低い第４電圧値に変更することで、発電素子２による直列状態での充電のタイミングを遅らせる。

そして、電力供給対象３への供給電圧が変更電圧値以下になった場合に、直並切替電圧値として第１電圧値を用い、並直切替電圧値として第２電圧値を用いる直並列の切替制御に戻す。なお、上記の第１電圧値、第２電圧値、第４電圧値及び変更電圧値のそれぞれは、電力供給対象３の電力消費仕様等に合わせて予め定められている。

このようにして、電力供給対象３の動作電圧範囲及び保証電圧範囲に応じて、蓄電部７への蓄電電圧及び電力供給対象３への供給電圧を制御でき、電力供給対象３の安全動作および劣化を防止する。

以下において、このような蓄電システム２００の構成及び動作を詳細に説明する。

＜蓄電システム２００の構成例＞
蓄電システム２００の構成について、図１９を参照して説明する。図１９は、蓄電システム２００の構成の一例を示すブロック図である。

図１９に示すように、蓄電システム２００は、発電素子２と、整流回路４と、蓄電装置２０１と、電力供給対象３とを備えている。

発電素子２が発電した電力は、整流回路４により整流された後、蓄電装置２０１に入力される。蓄電装置２０１は、整流回路４から入力した電力を、蓄電部７において直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２により蓄電する。蓄電部７の蓄電電圧が第１電圧値に達した場合に、直並切替制御部５は直並切替部６を作動させ、コンデンサＣ１、Ｃ２を並列接続に切り替える。その後、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続された状態で電力供給対象３に給電する。

また、蓄電装置２０１は、電力供給対象電圧検出部１３と、直列復帰制御部１４とを備え、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切替える制御を行うことができる。

電力供給対象電圧検出部１３は、電力供給対象３の電圧を検出し、検出値を直列復帰制御部１４に出力する。直列復帰制御部１４は、電力供給対象電圧検出部１３による検出値が変更電圧値以上になった場合に、並直切替電圧値を、第２電圧値から第４電圧値に変更する。

直並切替制御部５は、並列接続状態のコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧が第４電圧値以下になった場合に、直並切替部６を作動させ、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替える。コンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続の状態で発電素子２による電力を蓄電する。
＜蓄電装置２０１の構成例＞
次に、蓄電システム２００に含まれる蓄電装置２０１の構成を、図２０を参照して説明する。図２０は、蓄電装置２０１の回路構成の一例を示す図である。

図２０に示すように、蓄電装置２０１は、直並切替制御部５Ｂと、直並切替部６と、蓄電部７と、出力スイッチ部８と、電力供給対象電圧検出部１３と、直列復帰制御部１４とを備えている。なお、蓄電装置２０１は、直並切替制御部５Ｂ、直並切替部６、蓄電部７、出力スイッチ部８、電力供給対象電圧検出部１３及び直列復帰制御部１４が一体化されたＩＣを備えてもよい。

電力供給対象電圧検出部１３は、電力供給対象３への供給電圧Ｖｓｕｐ（以下、供給電圧Ｖｓｕｐという）を検出する電流コンパレータを構成するディプリージョン型トランジスタＴｒ１３と、ＮｃｈトランジスタＴｒ１４とを備えている。

ここで、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１３に流れる電流は、定電流Ｉｔｒ１３となる。ＮｃｈトランジスタＴｒ１４とディプリージョン型トランジスタＴｒ１３は、電流コンパレータとして動作するため、ＮｃｈトランジスタＴｒ１４の電流Ｉｔｒ１４が定電流Ｉｔｒ１３より大きい時に、出力信号φ３はＬｏｗレベルとなる。一方、電流Ｉｔｒ１４が定電流Ｉｔｒ１３より小さい時に、出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなる。ＮｃｈトランジスタＴｒ１４とディプリージョン型トランジスタＴｒ１３のトランジスタサイズ比により、変更電圧値を設定することができる。

直列復帰制御部１４において、供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値以上の時に、直並切替スイッチ制御部５０ＢのＲ５のＧＮＤ側端子とＧＮＤ端子間に接続されたＮｃｈトランジスタＴｒ１５がオフ状態になる。また、直並切替スイッチ制御部５０ＢのＲ５のＧＮＤ側端子とＧＮＤ端子間に接続されたＲ６が、Ｒ５のＧＮＤ側端子に接続された状態になる。

コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続された状態において、ＮｃｈトランジスタＴｒ５がオフ状態であるため、ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧は、入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５＋Ｒ６の分圧比となる。これにより、並直切替電圧値は低下して、当初の第２電圧値から、第２電圧値より低い第４電圧値に変更される。

そして、入力電圧Ｖｉｎが第４電圧値以下になると、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続させるためのＨｉｇｈレベルの制御信号φ１とＬｏｗレベルの制御信号φ２が、直並切替制御部５Ｂに出力される。

また、直並切替部６は、ＰｃｈトランジスタＴｒ６、ＮｃｈトランジスタＴｒ７、アナログスイッチＴｒ８及びＴｒ９を含んで構成されている。

出力スイッチ部８のスイッチＳｗ４において、ＰｃｈトランジスタＴｒ１０のゲートには、制御信号φ１が入力され、ＮｃｈトランジスタＴｒ１１のゲートには、制御信号φ２が入力される。よってスイッチＳｗ４は、制御信号φ１がＬｏｗレベル且つ制御信号φ２がＨｉｇｈレベル、即ち、電力供給対象３に給電時にオン状態になる。

供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値より小さい時には、ＮｃｈトランジスタＴｒ１４がオフ状態になり、出力信号φ３がＨｉｇｈレベルになる。これにより、ＮｃｈトランジスタＴｒ１５がオン状態になって、ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧は、入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５の分圧比となり、並直切替電圧値は第４電圧値から第２電圧値に変更される。

このように、供給電圧Ｖｓｕｐが上昇して変更電圧値を超えた場合に、並直切替電圧値が低くなるように変更することで、直列状態における充電を抑制する。供給電圧Ｖｓｕｐを監視することで、蓄電部７の蓄電電力量と電力供給対象３の消費電力量を制御し、電力供給対象３の動作電圧範囲、及び／又は安全や劣化に伴う保証電圧範囲の範囲内に、供給電圧Ｖｓｕｐを収めることができる。
＜蓄電装置２０１の動作例＞
次に、蓄電装置２０１（図２０参照）の動作について、図２１を参照して説明する。図２１は、蓄電装置２０１の動作の一例を示すタイミングチャートである。

発電素子２により発電された電力は、整流回路４で整流され、蓄電装置２０１に入力される。

時刻Ｔ０では、コンデンサＣ１、Ｃ２は蓄電されていない状態である。

時刻Ｔ１において、整流された電力が蓄電装置２０１に入力され始めると、直並切替制御部５Ｂがハイインピーダンス構成となっているため、発電素子２よりハイインピーダンスで出力された電力により、回路が起動し、制御信号φ１及びφ２が生成される。

蓄電が開始されると、制御信号φ１はＨｉｇｈレベル、制御信号φ２はＬｏｗレベルとなり、直並切替部６が作動して、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態で、スイッチＳｗ２がオン状態となる。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続される。また、電力供給対象電圧検出部１３による出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなり、直列復帰制御部１４によるＮｃｈトランジスタＴｒ１５はオン状態となる。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２から入力される入力電圧Ｖｉｎが、１０Ｖ（第１電圧値の一例）に達すると、時刻Ｔ２において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。

これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ状態で、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオン状態となり、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。同時に、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が電力供給対象３に給電され、電力供給対象３の電圧が上昇する。

その後、時刻Ｔ２において、電力供給対象３への電力供給が始まる。そして、時刻Ｔ３において、入力電圧Ｖｉｎが３．５Ｖ（第２電圧値の一例）以下になると、出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなる。直列復帰制御部１４のＮｃｈトランジス１５はオン状態のままであり、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなる。スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態、スイッチＳｗ２がオン状態となることで、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、コンデンサＣ１、Ｃ２は発電素子２が発電した電力を蓄電する。

なお、時刻Ｔ２〜Ｔ３の間は、発電素子２からの電力の入力は無いものとする。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖに達すると、時刻Ｔ４において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ状態、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオン状態となり、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。同時に、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が電力供給対象３に給電され、電力供給対象３の電圧が上昇する。

電力供給対象３の電圧が上昇し、時刻Ｔ９において供給電圧Ｖｓｕｐの電圧が２．８Ｖ（変更電圧値の一例）に達すると、電力供給対象電圧検出部１３の出力信号φ３がＬｏｗレベルとなり、直列復帰制御部１４のＮｃｈトランジスタＴｒ５がオフ状態となる。ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧は、入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５＋Ｒ６の分圧比となり、並直切替電圧値が３．５Ｖから３．０Ｖ（第４電圧値の一例）に変更される。

その後、時刻Ｔ１１において、供給電圧Ｖｓｕｐは２．８Ｖ以上であるため、入力電圧Ｖｉｎが３．０Ｖ以下になると、出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなる。直列復帰制御部１４のＮｃｈトランジス１５はオン状態のままであり、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態、スイッチＳｗ２がオン状態となる。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、コンデンサＣ１、Ｃ２は発電素子２が発電した電力を蓄電する。

このようにして、蓄電システム２００は、電力供給対象電圧検出部１３による検出値に応じて、供給電圧Ｖｓｕｐを制御することができる。
＜蓄電システム２００の作用効果＞
以上説明してきたように、本実施形態では、供給電圧Ｖｓｕｐが上昇して変更電圧値を超えた場合に、並直切替電圧値が低くなるように変更することで、直列状態における充電を抑制できる。供給電圧Ｖｓｕｐに応じて発電素子２から入力される電力を制御することで、蓄電システム２００を、電力供給対象３の動作電圧範囲、及び／又は安全や劣化に伴う保証電圧範囲の範囲内で動作させることができる。また、供給電圧Ｖｓｕｐが低下した場合においても、発電素子２から入力される電力を制御できるため、発電素子２が発電する電力を効率よく活用しながら、電力供給対象３を安全に動作させ、且つ劣化を防止することができる。

なお、本実施形態は、発電ゴム等の低周波の発電素子２による電力を蓄電、給電する場合に特に好適であるが、これに限定されるものではない。エネルギーハーベスト等の高周波の発電素子による電力の蓄電、給電にも適用可能である。

また、本実施形態に係る蓄電システム２００と、蓄電装置２０１は各種の変形が可能である。以下に、各種変形例について、蓄電システム２００、又は蓄電装置２０１との相違点を中心に説明する。

（第１変形例）
まず、第１変形例に係る蓄電システム２００ａについて、図２２を参照して説明する。図２２は蓄電システム２００ａの構成の一例を示すブロック図である。図２２に示すように、蓄電システム２００ａは、負荷駆動蓄電装置１０を含む電力供給対象３ａを備えている。

蓄電システム２００ａでは、発電素子２により発電された電力を整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電する。その後、蓄電電圧が第１電圧値に達するとコンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続に切り替わり、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続の状態で、電力供給対象３ａに含まれる負荷駆動蓄電装置１０及び電力供給対象回路３'の両方に並行して給電する。

負荷駆動蓄電装置１０は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等の各種蓄電デバイスを備え、蓄電及び給電が可能な装置であり、電力供給対象回路３'に駆動電力を給電する。

負荷駆動蓄電装置１０による電力供給対象回路３'への給電の制御方法は特に限定されないが、例えば、外部装置からの制御信号に基づき制御されてもよいし、負荷駆動蓄電装置１０にタイマーを備えさせ、タイマーによる計測時間に基づき、所定の時間周期で給電されるように制御されてもよい。

上述したように、直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２の蓄電電圧が第１電圧値に達すると、直並切替部６が作動してコンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続される。そして、Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２＝Ｖｏｃｈになるように、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力は、負荷駆動蓄電装置１０に給電されて蓄電されるとともに、電力供給対象回路３'に給電される。ここで、Ｖｏｃｈは負荷駆動蓄電装置１０の蓄電電圧である。

但し、電力供給対象回路３'の起動電圧を設定した場合、蓄電電圧Ｖｏｃｈが電力供給対象回路３'の起動電圧より低い場合は、負荷駆動蓄電装置１０のみに給電される。そして、蓄電電圧Ｖｏｃｈが電力供給対象回路３'の起動電圧以上になった場合に、負荷駆動蓄電装置１０と電力供給対象回路３'の両方に給電される。

その後、蓄電部７の蓄電電圧が第２電圧値以下になると、直並切替制御部５の制御下で直並切替部６が作動して、コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続に切り替えられる。コンデンサＣ１、Ｃ２は直列接続された状態で、発電素子２による発電電力を蓄電する。

蓄電装置２０１は、電力供給対象回路３'及び負荷駆動蓄電装置１０に給電し、蓄電部７の蓄電電圧が第２電圧以下になった場合に、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続に切り替えられて、発電素子２による電力を蓄電できるため効率よく充電できる。

また、蓄電システム２００ａが蓄電中で、蓄電システム２００ａから電力供給対象回路３'に給電できない時にも、負荷駆動蓄電装置１０が蓄電した電力を電力供給対象回路３'に給電することができる。そのため、電力供給対象回路３'を継続して駆動させることができる。

また、電力供給対象３ａへの供給電圧Ｖｓｕｐを検出することで、電力供給対象３ａの動作電圧範囲、及び／又は安全や劣化に伴う保証電圧範囲の範囲内で、供給電圧Ｖｓｕｐを制御できる。

（第２変形例）
図２３は、第２変形例に係る蓄電装置２０１ｂの回路構成の一例を示す図である。図２３に示すように、蓄電装置２０１ｂは、電力供給対象電圧検出部１３ｂを備えている。

電力供給対象電圧検出部１３ｂは、供給電圧Ｖｓｕｐを検出する際に、電力供給対象３で発生するノイズ、及び／又は発電素子２で発生するノイズ等の影響で、蓄電装置２０１ｂの動作が不安定になることを防止するための安定化回路を備えている。電力供給対象電圧検出部１３ｂを設けることで、蓄電装置２０１ｂの動作を安定化させることができる。他の構成及び動作は、蓄電装置２０１と同様であるため、重複する説明を省略する。

（第３変形例）
（（構成例））
図２４は、第３変形例に係る蓄電装置２０１ｃの回路構成の一例を示す図である。図２４に示すように、蓄電装置２０１ｃは、電力供給対象電圧検出部１３ｃと、直並切替制御部５Ｂｃとを備えている。

電力供給対象電圧検出部１３ｃは、供給電圧Ｖｓｕｐを検出する電流コンパレータを構成するディプリージョン型トランジスタＴｒ１３とＮｃｈトランジスタＴｒ１４とを備えている。ここで、ディプリージョン型トランジスタＴｒ１３に流れる電流は定電流Ｉｔｒ１３となり、ＮｃｈトランジスタＴｒ１４とディプリージョン型トランジスタＴｒ１３は電流コンパレータとして動作する。そのため、ＮｃｈトランジスタＴｒ１４の電流Ｉｔｒ１４が定電流Ｉｔｒ１３より大きい時に、出力信号φ３はＬｏｗレベルとなる。一方、電流Ｉｔｒ１４が定電流Ｉｔｒ１３より小さい時に、出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなる。ＮｃｈトランジスタＴｒ１４とディプリージョン型トランジスタＴｒ１３のトランジスタサイズ比により、変更電圧値を設定することができる。

直列復帰制御部１４ｃにおいて、供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値以上の時に、直並切替スイッチ制御部５０ＢｃのＲ３のＶｉｎ側端子とＶｉｎ端子間に接続されたＰｃｈトランジスタＴｒ１５がオン状態となる。そして、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続状態においてＮｃｈトランジスタＴｒ５がオフ状態となる。これにより、ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧は、入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５の分圧比となり、並直切替電圧値は低下して、当初の第２電圧値から、第２電圧値より低い第４電圧値に変更される。

そして、入力電圧Ｖｉｎが第４電圧値以下になると直並切替制御部５Ｂｃに、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続させるためのＨｉｇｈレベルの制御信号φ１とＬｏｗレベルの制御信号φ２が出力される。

また、供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値以上の時にコンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で充電される場合においても、ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧は、入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５の分圧比となり、直並切替電圧値は低下して、当初の第１電圧値から、第１電圧値より低い第５電圧値に変更される。

供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値より小さい時には、ＮｃｈトランジスタＴｒ１４がオフ状態、出力信号φ３がＨｉｇｈ、ＰｃｈトランジスタＴｒ１５がオフ状態になる。ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧はＶｉｎに対してＲ３＋Ｒ６とＲ４＋Ｒ５の分圧比となり、並列から直列への復帰電圧は第４電圧値から第２電圧値に変更される。また、直列から並列への復帰電圧は第５電圧値から第１電圧値に変更される。

（（動作例））
次に、蓄電装置２０１ｃ（図２４参照）の動作について、図２５を参照して説明する。図２５は、蓄電装置２０１ｃの動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、図２５は、電力供給対象３ａに負荷駆動蓄電装置１０が含まれる蓄電システム２００ａに対して、蓄電装置２０１ｃを適用した場合の動作例を示している。

発電素子２により発電された電力は、整流回路４で整流され、蓄電装置２０１ｃに入力される。

時刻Ｔ０では、コンデンサＣ１、Ｃ２は蓄電されていない状態である。

時刻Ｔ１において、整流された電力が蓄電装置２０１ｃに入力され始めると、直並切替制御部５Ｂがハイインピーダンス構成となっているため、発電素子２よりハイインピーダンスで出力された電力により、回路が起動し、制御信号φ１及びφ２が生成される。

蓄電が開始されると、制御信号φ１はＨｉｇｈレベル、制御信号φ２はＬｏｗレベルとなり、直並切替部６が作動して、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態で、スイッチＳｗ２がオン状態となる。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続される。また、電力供給対象電圧検出部１３による出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなり、直列復帰制御部１４によるＮｃｈトランジスタＴｒ１５はオン状態となる。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２から入力される入力電圧Ｖｉｎが、１０Ｖ（第１電圧値の一例）に達すると、時刻Ｔ２において、直並切替スイッチ制御部５Ｂｃが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。

これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ状態で、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオン状態となり、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。同時に、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が電力供給対象３に給電され、電力供給対象３の電圧が上昇する。

その後、時刻Ｔ２において、電力供給対象３への電力供給が始まる。そして、時刻Ｔ３において、入力電圧Ｖｉｎが３．５Ｖ（第２電圧値の一例）以下になると、出力信号φ３はＨｉｇｈレベルとなる。直列復帰制御部１４ｃのＰｃｈトランジス１５はオフ状態のままであり、制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなる。スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態、スイッチＳｗ２がオン状態となることで、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、コンデンサＣ１、Ｃ２は発電素子２が発電した電力を蓄電する。

なお、時刻Ｔ２〜Ｔ３の間は、発電素子２からの電力の入力は無いものとする。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、発電素子２からの電力である入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖに達すると、時刻Ｔ４において、直並切替スイッチ制御部５Ｂｃが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ状態、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオン状態となり、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続から並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（１０Ｖ⇒５Ｖ）。同時に、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が電力供給対象３に給電され、電力供給対象３の電圧が上昇する。

時刻Ｔ９において供給電圧Ｖｓｕｐの電圧が２．８Ｖ（変更電圧値の一例）に達すると、電力供給対象電圧検出部１３の出力信号φ３がＬｏｗレベルとなる。また、直列復帰制御部１４のＰｃｈトランジスタＴｒ５がオン状態となる。ＮｃｈトランジスタＴｒ２に入力される電圧は入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５の分圧比となり、並直切替電圧値は低下して、３．５Ｖ（第２電圧値の一例）から３．０Ｖ（第４電圧値の一例）に変更される。また、入力電圧Ｖｉｎに対してＲ３とＲ４＋Ｒ５の分圧比が保持されたままであるため、直並切替電圧値は、第１電圧値から１０Ｖ（第１電圧値の一例）より低い８Ｖ（第５電圧値の一例）に切替わる。

その後、時刻Ｔ１１において供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値以上であるため、入力電圧Ｖｉｎが３．０Ｖ以下になると、出力信号φ３はＬｏｗレベルとなり、直列復帰制御部１４のＰｃｈトランジス１５はオン状態のままである。制御信号φ１がＨｉｇｈレベル、制御信号φ２がＬｏｗレベルとなり、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオフ状態、スイッチＳｗ２がオン状態となることで、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列接続となり、コンデンサＣ１、Ｃ２は、発電素子２が発電した電力を蓄電する。

コンデンサＣ１、Ｃ２が直列状態で、入力電圧Ｖｉｎが８Ｖに達すると、時刻Ｔ１２において、直並切替スイッチ制御部５０Ｂｃが動作し、制御信号φ１がＬｏｗレベル、制御信号φ２がＨｉｇｈレベルに切り替わる。これに応答して、直並切替部６が作動し、スイッチＳｗ２がオフ状態で、スイッチＳｗ１、Ｓｗ３がオン状態となって、コンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。

コンデンサＣ１、Ｃ２が並列接続に切り替わると、（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＋Ｖ_Ｃ２）の状態から（Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２）の状態へ電圧が変化するため、蓄電電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は半分に減る（８Ｖ⇒４Ｖ）。同時に、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力が電力供給対象３に給電され、電力供給対象３ａにおける負荷駆動蓄電装置１０の電圧が上昇する。

この時、直並切替電圧値が第５電圧値となっているため、並列接続時の電圧（Ｖｉｎ＝ＶＣ１＝ＶＣ２）が低くなっており、負荷駆動蓄電装置１０への供給電力が減少している。

時刻Ｔ９から時刻Ｔ１５において、供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値以下になるまでは、入力電圧Ｖｉｎが第４電圧値になった時に、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続が並列から直列に切り替わり、第５電圧値以上になると直並切替電圧値が継続する。

時刻Ｔ１５において、供給電圧Ｖｓｕｐが変更電圧値以下になると、時刻Ｔ１６において、第２電圧値でコンデンサＣ１、Ｃ２の接続が並列から直列に切り替わる。

続いて、時刻Ｔ１７において、第４電圧値でコンデンサＣ１、Ｃ２の接続が直列から並列へ切り替わる。

このようにして、蓄電装置２０１ｃは、負荷駆動蓄電装置１０を有する電力供給対象３ａを接続する場合に、電力供給対象電圧検出部１３ｃによる検出値に応じて、供給電圧Ｖｓｕｐを制御できる。

また、上述した例では、電力供給対象３ａに負荷駆動蓄電装置１０を含む蓄電システム２００ａに蓄電装置２０１ｃを適用した場合の動作を示したが、電力供給対象３ａに負荷駆動蓄電装置１０を含まない場合でも同様に動作可能である。つまり、蓄電装置２０１ｃが並列接続時に発電素子２から電力供給され続けることで蓄電部７の蓄電電圧が上昇し、蓄電装置２０１ｃからの供給電圧Ｖｓｕｐが２．８Ｖ以上になった場合に、供給電圧Ｖｓｕｐを制御できる。

また、蓄電装置２０１ｃにおいても、供給電圧Ｖｓｕｐを検出する際に、電力供給対象３ａで発生するノイズ、及び／又は発電素子２で発生するノイズ等の影響で、蓄電装置２０１ｄの動作が不安定になることを防止するための安定化回路を設けることができる。

図２６は、安定化回路を設けた蓄電装置２０１ｄの回路構成の一例を示している。図２６に示すように、蓄電装置２０１ｄは、電力供給対象電圧検出部１３ｄを備えている。

電力供給対象電圧検出部１３ｄは、供給電圧Ｖｓｕｐを検出する際に、電力供給対象３ａで発生するノイズ、及び／又は発電素子２で発生するノイズ等の影響で、蓄電装置２０１ｄの動作が不安定になることを防止するための安定化回路を備えている。電力供給対象電圧検出部１３ｄを設けることで、蓄電装置２０１ｄの動作を安定化させることができる。他の構成及び動作は、蓄電装置２０１と同様であるため、重複する説明を省略する。

（第４変形例）
上述した例では、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備える蓄電装置を示したが、コンデンサの数はこれに限定されるものではなく、さらに増やしてもよい。図２７は、コンデンサの数を増やした場合の蓄電装置２０１ｅの回路構成の一例を示す図であり、４つのコンデンサを備える蓄電部７０と、４つのコンデンサの接続を切り替える４直並切替ＩＣ９０Ａの内部ブロックを示している。

直並切替スイッチ部６０は、図２０の直並切替部６に対応しており、スイッチ群６１、６２、６３で構成されている。スイッチ群６１、６３のそれぞれは、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を並列接続にする時にオン状態となり、直列接続にする時にオフ状態となる。また、スイッチ群６２は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を直列接続にするときにオン状態となり、並列接続にするときにオフ状態となる。スイッチ８０は、図２０の出力スイッチ部８に対応する。

直並切替制御部５Ｄは、図２０の２つのコンデンサ切り替え用の直並切替制御部５Ｂに対応する。図１８に示したようにカスコード接続してコンデンサを多段直列接続する場合には、マスター側とスレーブ側の切替えをするためのマスター／スレーブ切替回路５５が搭載される。

マスター／スレーブ切替回路５５を設けることで、スレーブＩＣとして複数のＩＣをカスコード接続できるよう構成し、それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ出力を４直並列切替えマスターＩＣに接続でき多段接続が可能である。

このように、多段接続する場合、カスコード接続をマスタースレーブ方式で多段接続制御する。これにより、より多段のコンデンサを接続することができ、更なる高効率化が可能になる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る蓄電システム２００ｆについて説明する。

＜蓄電システム２００ｆの構成例＞
蓄電システム２００ｆの構成について、図２８を参照して説明する。図２８は、蓄電システム２００ｆの構成の一例を示すブロック図である。図２８に示すように、蓄電システム２００ｆは電力供給対象３ｆを備えている。また、電力供給対象３ｆは第２蓄電部１０ｆを備えている。

蓄電システム２００ｆでは、発電素子２により発電された電力を整流回路４により整流した後、蓄電部７において直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電する。その後、蓄電電圧が第１電圧値に達するとコンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続に切り替わり、コンデンサＣ１、Ｃ２は並列接続の状態で、第２蓄電部１０ｆ及び電力供給対象回路３'の両方に並行して給電する。

第２蓄電部１０ｆは、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン電池、又は鉛蓄電池等の各種蓄電デバイスを備え、蓄電及び給電が可能な装置である。第２蓄電部１０ｆは、電力供給対象回路３'に駆動電力を給電する。

第２蓄電部１０ｆによる給電の制御方法は特に限定されないが、例えば、外部装置からの制御信号に基づき制御されてもよいし、第２蓄電部１０ｆにタイマーを備えさせ、タイマーによる計測時間に基づき、所定の時間周期で給電されるように制御されてもよい。

直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２の蓄電電圧が第１電圧値に達すると、直並切替部６が作動してコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続される。そして、Ｖｉｎ＝Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｃ２＝Ｖａｃｃになるように、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄電された電力は、第２蓄電部１０ｆに給電されて蓄電されるとともに、電力供給対象回路３'に給電される。ここで、Ｖａｃｃは第２蓄電部１０ｆの蓄電電圧である。

但し、電力供給対象回路３'の起動電圧を設定した場合は、蓄電電圧Ｖａｃｃが電力供給対象回路３'の起動電圧より低い場合は、第２蓄電部１０ｆのみに給電される。そして、蓄電電圧Ｖａｃｃが電力供給対象回路３'の起動電圧以上になった場合に、第２蓄電部１０ｆと電力供給対象回路３'の両方に給電される。

その後、蓄電部７の蓄電電圧が第２電圧値以下になると、直並切替制御部５は直並切替部６を作動させ、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続に切り替える。コンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続された状態で、発電素子２による電力を蓄電する。

また、電力供給対象電圧検出部１３は、蓄電部７から供給する電力供給対象３の電圧を検出し、検出結果を直列復帰制御部１４に出力する。直列復帰制御部１４は、電力供給対象電圧検出部１３による検出値が変更電圧値以上になった場合に、直並切替制御部５により、並直切替電圧値を第２電圧値から第４電圧値に変更する。その後、並列接続状態のコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧が第４電圧値以下になると、直並切替制御部５は直並切替部６を作動させ、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続を並列から直列に切り替える。コンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続の状態で、発電素子２による発電電力を蓄電する。

また、蓄電システム２００ｆが蓄電中で、蓄電システム２００ｆから電力供給対象回路３'に給電できない時にも、第２蓄電部１０ｆに蓄電した電力を電力供給対象回路３'に給電できるため、電力供給対象回路３'を継続して駆動させることができる。
＜蓄電システム１００Ｃの作用効果＞
以上説明してきたように、本実施形態では、第２蓄電部１０ｆと電力供給対象回路３'とを接続する場合にも、電力供給対象３ｆへの供給電圧を検出することで、第２蓄電部１０ｆ及び電力供給対象回路３'の動作電圧範囲、及び／又は安全や劣化に伴う保証電圧範囲の範囲内で、蓄電システム２００ｆを動作させることができる。

また、複数のコンデンサが直列接続された状態で、電力供給対象３ｆに給電可能にし、給電効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、蓄電装置２０１が２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備える例を示したが、コンデンサの数はこれに限定されるものではなく、さらに増やしてもよい。コンデンサの数を増やすことで、電力供給対象３は発電素子２により発電されるタイミングによらず、継続的に動作することも可能になる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る蓄電システム２００ｇについて、図２９を参照して説明する。

図２９は、蓄電システム２００ｇの構成の一例を示すブロック図である。図２９に示すように、蓄電システム２００ｇは、電力供給対象３ｇと、ノーマリーオフ回路３６とを備えている。また、電力供給対象３ｇは、メモリ３３と、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）３４と、無線装置３５とを備えている。電力供給対象３ｇとしてＩｏＴデバイス等が挙げられる。

メモリ３３は、各種プログラムやデータ、ＩｏＴデバイスで取得される計測データ、画像等の種々の情報を記憶する。メモリ３３は、揮発性又は不揮発性の半導体メモリ等の記憶装置で構成される。なお、メモリ３３が、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び／又はＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでもよい。

ＭＰＵ３４はプロセッサ等で構成され、電力供給対象３ｇの各部の動作及び全体動作を制御する。

無線装置３５は、他の装置又はデバイスと接続され、情報を送受信するためのインタフェースとして機能する。無線装置３５は、ＵＳＢコネクタ等を含んでもよい。

ノーマリーオフ回路３６は、通常時は、蓄電装置１ｇ及び負荷駆動蓄電装置１０から電力供給対象３ｇへの給電を遮断し、動作すべきタイミングで給電を開始させる電気回路である。ノーマリーオフ回路３６は、ＭＯＳＦＥＴ等を含んで構成される。

蓄電システム２００ｇの構成により、通常時は給電を遮断し、動作すべきタイミングのみ給電を行うことで、消費電力を削減できる。通常時は給電を遮断し、予め定められた周期や条件下のみに、データ取得やデータの送受信を行うことが多いＩｏＴデバイス等において、特に好適である。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

上述した例では、全ての構成要素を電気回路等のハードウェアで構成するものを示したが、一部の機能をソフトウェアで実現する構成としてもよい。

また実施形態では、第１電圧値を１０Ｖ、第２電圧値を３．５Ｖ、変更電圧値を２．８Ｖ、第４電圧値を３．０Ｖ、第５電圧値を８Ｖとする例を示したが、これに限定されるものではなく、任意に変更可能である。

例えば、リチウム二次電池のように充電電圧を監視して過充電過放電保護する場合や充電電圧によりＳＯＣ（充電率）を管理することにより劣化抑制を行う場合がある。この場合に、発電素子２による発生電力量と電力供給対象３で消費する電力量から第１電圧値から第５電圧値を試算して予め設定しておき、供給電圧Ｖｓｕｐを検出してＳＯＣを管理することもできる。

また、実施形態は、制御装置も含む。例えば、制御装置は、電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、を有する蓄電装置を制御する制御装置であって、前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されている時に、前記蓄電部から電力供給対象に供給される供給電圧に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列へと切り替える直列復帰制御部と、を備える。このような制御装置により、上述した蓄電装置と同様の効果を得ることができる。

１ 蓄電装置
２ 発電素子
３ 電力供給対象
３３ メモリ
３４ ＭＰＵ
３５ 無線装置
４ 整流回路
５ 直並切替制御部
５０ 直並切替スイッチ制御部（電圧監視部の一例）
５５ マスター／スレーブ切替回路
６ 直並切替部
６０ 直並切替スイッチ部
６１、６２、６３ スイッチ群
７ 蓄電部
８ 出力スイッチ部
１０ 負荷駆動蓄電装置
１３ 電力供給対象電圧検出部
１４ 直列復帰制御部
３１ 通信モジュール
３２ センサー
１００ 蓄電システム
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサ（蓄電デバイスの一例）
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｓｕｐ 供給電圧
Ｖａｃｃ 蓄電電圧
φ１、φ２ 制御信号
φ３ 出力信号

特開２０１３−２３６５０６号公報

Claims (11)

1. 電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、
   前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、
   前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、
   前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記蓄電部から電力供給対象に供給される供給電圧に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列へと切り替える直列復帰制御部と、を備える
   蓄電装置。
2. 前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記供給電圧を検出する電力供給対象電圧検出部を備え、
   前記直列復帰制御部は、
   前記電力供給対象電圧検出部による検出値に基づき、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列へと切り替える
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記直並切替部は、
   前記蓄電部による蓄電時に、前記複数の蓄電デバイスの接続を直列にし、
   前記蓄電部からの給電時に、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列にする
   請求項１、又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記蓄電装置への入力電圧を監視する電圧監視部を備え、
   前記直並切替部は、
   前記複数の蓄電デバイスが直列に接続されているときに、前記入力電圧が所定の第１電圧値以上になった場合に、前記複数の蓄電デバイスの接続を、直列から並列に切り替え、
   前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されている時に、前記入力電圧が前記第１電圧値よりも低い所定の第２電圧値以下になった場合に、前記複数の蓄電デバイスの接続を、並列から直列に切り替える
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の蓄電装置。
5. 前記直並切替部は、
   前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記入力電圧が前記第１電圧値よりも低い所定の第２電圧値以下になった場合に、前記複数の蓄電デバイスの接続を、並列から直列に切り替え、
   前記直列復帰制御部は、
   前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記供給電圧が所定の変更電圧値以上になった場合に、前記第２電圧値を所定の電圧値に変更する
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の蓄電装置。
6. 蓄電した電力を前記電力供給対象に供給する負荷駆動蓄電装置をさらに備える
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の蓄電装置。
7. 電力を蓄電する複数の蓄電デバイスを有する蓄電部と、
   前記複数の蓄電デバイスの接続を直列又は並列の何れか一方に切り替える直並切替部と、
   前記直並切替部による切替を制御する直並切替制御部と、を有する蓄電装置を制御する制御装置であって、
   前記複数の蓄電デバイスが並列に接続されているときに、前記蓄電部から電力供給対象に供給される供給電圧に基づいて、前記複数の蓄電デバイスの接続を並列から直列へと切り替える直列復帰制御部と、を備える
   制御装置。
8. 発電素子と、
   前記発電素子に接続される整流部と、
   前記整流部に接続される請求項７に記載の前記制御装置と、
   前記蓄電装置から給電される前記電力供給対象と、を備える
   蓄電システム。
9. 発電素子と、
   前記発電素子に接続される整流部と、
   前記整流部に接続される請求項１乃至６の何れか一項に記載の蓄電装置と、
   前記蓄電装置から給電される前記電力供給対象と、を備える
   蓄電システム。
10. 蓄電した電力を前記電力供給対象に給電する負荷駆動蓄電装置を備える
    請求項９に記載の蓄電システム。
11. 前記負荷駆動蓄電装置は、
    前記蓄電装置から給電された電力を蓄電する
    請求項１０に記載の蓄電システム。

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