JP7123886B2 - 電力制御回路、発電機、及び発電システム - Google Patents

電力制御回路、発電機、及び発電システム Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、電力制御回路、発電機、及び発電システムに関する。
振動発電機は、環境振動（例えば、車や電車の振動、雨が地面をたたく振動）を利用して発電する。振動発電機により発電した電力は、センサなどの装置に用いる電源（例えば電池）の代替として期待されている。
振動発電機の発電性能や寿命を向上させる制御手法として、最大電力点追従制御や変位抑制制御が提案されている。しかし、両手法は逐次的な制御であるため、所望の状態に移行するまでに時間がかかるという問題がある。
特許第５４０５１２７号公報
本発明が解決しようとする課題は、発電機の発電性能及び動作寿命を向上させることができる電力制御回路、並びに、電力制御回路を用いた発電機及び発電システムを提供することである。
一実施形態に係る電力制御回路は、コンバータ、信号発生回路、推定部、及びコントローラを備える。コンバータは、スイッチング回路を含み、発電機の出力電圧を変圧する。信号発生回路は、前記スイッチング回路を動作させる。推定部は、前記発電機に印加される振動を示す振動情報に基づいてスイッチング動作条件を決定する。コントローラは、前記決定されたスイッチング動作条件に基づいて前記スイッチング回路の動作を制御する。
図１は、一実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。 図２Ａは、整流・平滑回路とコンバータを組み合わせた電気回路の一例を示す図である。 図２Ｂは、コンバータを駆動するパルス信号の一例を示す図である。 図３は、推定部と訓練データとの関係の一例を示す図である。 図４は、一実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下に説明する実施形態を通して、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重ねての説明を省略する。なお、図面は、模式的又は概念的なものである。
図１は、一実施形態に係る発電システム１００を概略的に示している。図１に示すように、発電システム１００は振動発電機１０１及び電力制御回路１１０を備える。振動発電機１０１は発電機の一例である。図１の例では、電力制御回路１１０は、整流・平滑回路１１１、コンバータ１１２、推定部１１３、コントローラ１１４、及び信号発生回路１１５を備える。発電システム１００は、図示しない負荷に接続され、負荷に対して電力を供給する。負荷は、センサなどの任意の装置であって、発電システム１００からの電力供給を受けて駆動される。
振動発電機１０１は、例えば電磁誘導素子又は圧電素子を備え、環境振動などに起因する機械的振動による機械的エネルギーを交流電力に変換して出力する。一構造例では、振動発電機１０１は、可動部と、可動部を可動に支持する静止部と、を備える。例えば、可動部がコイルを含み、静止部がコイルの内側に配置される磁石を含む。振動発電機１０１に振動が加わると、可動部が振動する。これにより、磁石がコイルに対して相対運動し、コイルに鎖交する磁束が時間的に変化する。その結果、電磁誘導によって起電力が発生する。このようにして、振動発電機１０１に印加される振動が交流電力に変換される。
整流・平滑回路１１１は、振動発電機１０１から出力される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を平滑化する。整流・平滑回路１１１は、例えば、整流回路及び平滑回路を有する。整流回路は、振動発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する。発電機が振動発電機であるとき、整流回路から出力される直流電力は、通常、脈流である。整流回路は、例えば、１つ又は複数のダイオードを含む。例えば、整流回路は、４つのダイオードをブリッジ接続した全波整流器を含み得る。平滑回路は、整流回路から出力される直流電力を平滑化する。平滑回路は、例えば１つのキャパシタを含む。平滑回路は、複数のキャパシタを含んでいてもよい。また、平滑回路は、キャパシタとインダクタの組み合わせを含んでいてもよい。平滑回路は、電流を一時的に電荷として蓄積し、蓄積した電荷を放出することで、電圧を平滑化する。すなわち、平滑回路は、電力を蓄積する一種の蓄電回路である。
コンバータ１１２は、スイッチング回路（スイッチング素子ともいう）を含み、スイッチング回路のスイッチング動作に基づいて、整流・平滑回路１１１から出力される直流電力を変圧する。スイッチング回路は、信号発生回路１１５からのパルス信号（矩形波）によって駆動される。スイッチング回路は、例えば、バイポーラトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）を含む。コンバータ１１２から出力される電力は、発電システム１００に接続される負荷、言い換えれば、センサなどの任意の装置に適宜供給される。
図２Ａは、整流・平滑回路１１１とコンバータ１１２を合わせた電気回路の一例を示している。ここで、図２Ａでは、コンバータ１１２がバックブーストコンバータである例が示されている。
バックブーストコンバータは、スイッチング回路のスイッチングを利用して昇圧と降圧の両方を行うことができるコンバータである。図２Ａに示すように、バックブーストコンバータは、キャパシタＣ、スイッチング回路Ｓ、インダクタＬ、及びダイオードＤを備える。整流・平滑回路１１１の出力は、スイッチング回路Ｓの一端に接続されている。スイッチング回路Ｓの他端は、ダイオードＤのカソードに接続されている。ダイオードＤのアノードは、負荷に接続される。また、インダクタＬは、スイッチング回路ＳとダイオードＤとの間にスイッチング回路Ｓに対して並列に接続されている。キャパシタＣは、ダイオードＤと負荷との間にダイオードＤに対して並列に接続されている。
スイッチング回路Ｓは、図２Ｂに示されるようなパルス信号により駆動される。スイッチング回路Ｓは、パルス信号の信号レベルがハイ（Ｈｉｇｈ）であるときにオン状態となり、パルス信号の信号レベルがロー（Ｌｏｗ）であるときにオフ状態となる。図２Ｂにおいて、パルス信号の信号レベルがハイである時間がスイッチオン時間ｔｏｎである。また、図２Ｂにおいて、信号レベルがハイになる周期がスイッチング周期ｔｓｗである。スイッチオン時間ｔｏｎとスイッチング周期ｔｓｗとにより、スイッチング回路Ｓのデューティ比が決まる。デューティ比は、スイッチオン時間ｔｏｎとスイッチング周期ｔｓｗとの比である。デューティ比に応じて、整流・平滑回路１１１の出力電圧は昇圧又は降圧される。昇圧又は降圧されたコンバータの出力電圧ｖｏｕｔは、負荷に印加される。
図１を再び参照すると、推定部１１３は、振動情報に基づいてスイッチング動作条件を決定する。スイッチング動作条件はコンバータ１１２のスイッチング回路のスイッチングを動作させる条件を示す。スイッチング動作条件はスイッチオン時間を含んでもよい。スイッチング動作条件はスイッチング周期を含んでもよい。スイッチング動作条件はデューティ比を含んでもよい。以降では、スイッチング周期が一定であり、推定部１１３により決定されるスイッチング動作条件がスイッチオン時間であるとして説明する。推定部１１３の具体的な処理については後で説明する。
振動情報は、振動発電機１０１に印加される振動を示す情報である。一例では、振動情報は加速度計１２０により取得される。加速度計１２０は、振動発電機１０１に取り付けられ、振動発電機１０１に印加される振動の加速度を計測して振動情報を生成する。他の例では、振動情報は図示しない加速度推定回路により取得される。加速度推定回路は、振動発電機１０１から出力される電気信号に逆特性フィルタを適用することにより、振動発電機１０１に印加される振動の加速度を推定する。加速度に代えて又は追加して、角速度などの他の特徴量を計測又は推定するようにしてもよい。加速度計１２０又は加速度推定回路は振動情報を取得する取得部に相当する。
推定部１１３は、ＣＰＵ（central processing unit）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）、又はＤＳＰ（digital signal processor）などのハードウェアプロセッサを含む。また、推定部１１３は、ＤＲＡＭ（dynamic random access memory）、ＳＲＡＭ（static random access memory）などのメモリをさらに含んでいてもよい。また、推定部１１３は、複数のハードウェアプロセッサや、メモリを含んでいてもよい。
コントローラ１１４は、推定部１１３により決定されたスイッチング動作条件に基づいて、コンバータ１１２のスイッチング回路のスイッチング動作を制御する。例えば、コントローラ１１４は、推定部１１３により決定されたスイッチング動作条件に基づいて、コンバータ１１２のスイッチング回路を駆動するパルス信号のスイッチオン時間を変更する。具体的には、コントローラ１１４は、信号発生回路１１５に、継続時間が推定部１１３により決定されたスイッチオン時間であるパルス信号を固定のスイッチング周期で発生させる。なお、コントローラ１１４は、スイッチオン時間に代えて、スイッチング周期又はデューティ比を制御（変更）するようにしてもよい。コントローラ１１４の動作の詳細については後で説明する。
コントローラ１１４は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰなどのハードウェアプロセッサを含む。また、コントローラ１１４は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどのメモリをさらに含んでいてもよい。また、コントローラ１１４は、複数のハードウェアプロセッサや、メモリを含んでいてもよい。
信号発生回路１１５は、コントローラ１１４から指示されたスイッチオン時間を有するパルス信号を発生し、このパルス信号をコンバータ１１２に出力する。
電力制御回路１１０は、１以上のハードウェアプロセッサを含む処理回路を備える。処理回路は、推定部１１３及びコントローラ１１４として機能する。具体的には、処理回路は、加速度計１２０から受け取った振動情報に基づいて、スイッチング動作条件を決定することと、決定されたスイッチング動作条件に基づいてコンバータ１１２のスイッチング回路の動作を制御することと、を行うように構成される。
ここで、振動発電機１０１から見込む回路抵抗とスイッチング動作条件の関係について説明する。振動発電機１０１に図２Ａに示される整流・平滑回路１１１とバックブーストコンバータを接続した場合、振動発電機１０１から見込む回路抵抗ｒｃｉｒｃｕｉｔは式１のように表される。
Figure 0007123886000001
 ここで、ｌｄｃはインダクタＬのインダクタンスを表す。一般的に、インダクタンスｌｄｃは設計時に決まる値であり定数である。したがって、回路抵抗ｒｃｉｒｃｕｉｔはスイッチング周期ｔｓｗ又はスイッチオン時間ｔｏｎを制御することで制御され得る。例えば、スイッチング周期ｔｓｗを一意に決めれば、スイッチオン時間ｔｏｎのみを制御することで回路抵抗ｒｃｉｒｃｕｉｔを制御することができる。
図３を参照して推定部１１３を説明する。推定部１１３は、予め用意された複数のスイッチング動作条件を使用してスイッチング動作条件を決定してよい。例えば、複数のスイッチング動作条件は複数種類の振動にそれぞれ関連付けられる。振動の種類としては、正弦波、ランダム波などが例として挙げられる。推定部１１３は、振動情報に基づいて振動発電機１０１に印加される振動の種類を判定し、予め用意された複数のスイッチング動作条件の中から振動の種類に関連付けられたスイッチング動作条件を選択する。
推定部１１３は、ニューラルネットワークなどのモデルを含んでよい。モデルは、複数種類の振動と複数種類の振動にそれぞれ対応する複数のスイッチング動作条件とを示す訓練データを用いて訓練される。図３に示す例では、訓練データは、複数種類の振動ごとにスイッチング動作条件の確率分布を示すデータを含む。例えば、振動Ｂに関する確率分布は、スイッチング動作条件Ａの確率が０であり、スイッチング動作条件Ｂの確率が１であり、スイッチング動作条件Ｃの確率が０であるといったものとなっている。
予め用意される複数のスイッチング動作条件は、スイッチング回路が完全導通状態となるスイッチング動作条件を含んでよい。このスイッチング動作条件を完全導通条件と呼ぶ。完全導通条件はスイッチオフ時間が０秒であるという条件、すなわち、スイッチオン時間がスイッチング周期と等しいという条件である。
予め用意される複数のスイッチング動作条件は、スイッチング回路が非完全導通状態となるスイッチング動作条件を含む。このスイッチング動作条件を非完全導通条件と呼ぶ。非完全導通条件では、スイッチオン時間はスイッチング周期より短い。
図３に示される訓練データを用いて訓練されたニューラルネットワークは、任意の振動情報が入力されると、スイッチング動作条件の確率分布（具体的にはスイッチング動作条件Ａ、Ｂ、Ｃなどのそれぞれの確率）を出力する。推定部１１３は、ニューラルネットワークから出力された確率分布に基づいて複数のスイッチング動作条件の中からスイッチング動作条件を選択する。例えば、推定部１１３は確率が最も高いスイッチング動作条件を選択する。
次に、本実施形態に係る発電システム１００の動作例について説明する。
図４は、発電システム１００の動作手順の一例を示している。
図４のステップＳ４０１において、振動発電機１０１は環境振動を受けて発電する。発電開始時に回路抵抗ｒｃｉｒｃｕｉｔは、環境振動が振動発電機１０１の固有振動数と一致する周波数を有する正弦波状であるときの適正抵抗ｒｒ,ｓｉｎに設定されてよい。適正抵抗は振動発電機１０１の出力電力を最大化する回路抵抗を指す。環境振動が振動発電機１０１の固有振動数と一致する周波数を有する正弦波状であるときの適正抵抗ｒｒ,ｓｉｎは式２で表される。
Figure 0007123886000002
 ここで、ｋｖは振動発電機１０１の電圧定数、ｃｍは振動発電機１０１の機械的減衰係数、ｒｃは振動発電機１０１内部の発電用コイルの抵抗、ｌｃは発電用コイルのインダクタンス、ωｎは振動発電機１０１の固有振動数を表す。
インダクタンス成分が十分に小さいと仮定できるとき、適正抵抗ｒｒ,ｓｉｎは式３で表される。
Figure 0007123886000003
なお、発電開始時に回路抵抗ｒｃｉｒｃｕｉｔは、環境振動がランダム波状であるときの適正抵抗ｒｒ,ｒａｎｄｏｍに設定されてもよい。環境振動がランダム波状であるときの適正抵抗ｒｒ,ｒａｎｄｏｍは式４で表される。
Figure 0007123886000004
ステップＳ４０２において、加速度計１２０が振動発電機１０１に印加される環境振動の加速度を計測する。
ステップＳ４０３において、推定部１１３が加速度計１２０から出力される振動情報に基づいて環境振動の種類を判定する。
環境振動が過度に大きいと推定部１１３が判定すると、ステップＳ４０４において、コントローラ１１４がスイッチオフ時間を０秒に変更し、コンバータ１１２のスイッチング回路を完全導通状態にする。これにより、振動発電機１０１は短絡状態となり、電気的な減衰力がもっとも大きくなるため、振動発電機１０１内部の可動部の振動振幅を小さくすることができる。例えば可動部が静止部に衝突することがなくなる。その結果、振動発電機１０１が故障することが防止される。
環境振動が正弦波であると推定部１１３が判定すると、ステップＳ４０５において、コントローラ１１４がスイッチオン時間をｔｘ秒に変更する。ｔｘは、例えば、式１及び式２又は式１及び式３に基づいて決定される。
環境振動がランダム波であると推定部１１３が判定すると、ステップＳ４０６において、コントローラ１１４がスイッチオン時間をｔｙ秒に変更する。ｔｙは、例えば、式１及び式４に基づいて決定される。
環境振動がその他であると推定部１１３が判定すると、ステップＳ４０７において、コントローラ１１４がスイッチオン時間をｔｚ秒に変更する。
図４に示す動作手順は、振動発電機１０１が発電を開始してから発電を終了するまでに１度のみ行ってもよいし、予め定めた状況ごとに複数回行ってもよい。
環境振動が予め用意された振動のいずれかに完全に一致するとは限らない。このため、推定部１１３はあいまいな判定結果を出力し得る。例えば、推定部１１３は、スイッチオン時間がｔｘ秒である確率がＰｘ、スイッチオン時間がｔｙ秒である確率がＰｙであるという判定結果を算出する。この場合、推定部１１３は、確率Ｐｘ、Ｐｙでスイッチオン時間ｔｘ、ｔｙ秒を組み合わせることにより、スイッチオン時間を決定する。例えば、コントローラ１１４は、式５に基づいてスイッチオン時間ｔｘｙを決定する。
Figure 0007123886000005
確率分布の配列（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ、・・・）の長さが３以上の場合でも式５と同様の方法でスイッチオン時間を算出することができる。
以上のように、本実施形態に係る発電システム１００の電力制御回路１１０は、振動発電機１０１に印加される環境振動の加速度に応じてスイッチング動作条件を変更する。これにより、振動発電機１０１の可動部の変位振幅の抑制及び適正なスイッチング動作条件での発電が可能となる。すなわち、電力制御回路１１０は、振動発電機１０１の動作寿命及び発電性能を向上させることができる。
上述した実施形態に係る電力制御回路１１０は発電機に含まれてよい。他の実施形態に係る発電機は、印加される機械的振動を電力に変換する発電部（発電回路）と、電力制御回路と、を含む。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１００…発電システム、１０１…振動発電機、１１０…電力制御回路、１１１…整流・平滑回路、１１２…コンバータ、１１３…推定部、１１４…コントローラ、１１５…信号発生回路、１２０…加速度計。

Claims (11)

  1. スイッチング回路を含み、発電機の出力電圧を変圧するコンバータと、
    前記スイッチング回路を動作させる信号発生回路と、
    前記発電機に印加される振動を示す振動情報に基づいてスイッチング動作条件を決定する推定部と、
    前記決定されたスイッチング動作条件に基づいて前記スイッチング回路の動作を制御するコントローラと、
    を備える電力制御回路。
  2. 前記推定部は、複数の振動と前記複数の振動に対応する複数のスイッチング動作条件とを示す訓練データを用いて訓練される、
    請求項１に記載の電力制御回路。
  3. 前記振動情報を取得する取得部をさらに備える
    請求項１又は２に記載の電力制御回路。
  4. 前記取得部は、前記発電機に印加される前記振動の加速度を計測する加速度計を含む、
    請求項３に記載の電力制御回路。
  5. 前記取得部は、前記発電機から出力される電気信号に逆特性フィルタを適用することにより前記発電機に印加される前記振動の加速度を推定する、
    請求項３に記載の電力制御回路。
  6. 前記推定部は、予め用意された複数のスイッチング動作条件を使用して前記スイッチング動作条件を決定し、
    前記複数のスイッチング動作条件は、前記スイッチング回路が完全導通状態になる第１のスイッチング動作条件と、前記スイッチング回路が非完全導通状態になる第２のスイッチング動作条件と、を含む、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力制御回路。
  7. 前記第２のスイッチング動作条件は、前記発電機の発電電力を最大にする回路抵抗である適正抵抗に基づいて決定される、
    請求項６に記載の電力制御回路。
  8. 前記推定部は、前記振動情報に基づいて前記複数のスイッチング動作条件の確率分布を算出し、前記確率分布で前記複数のスイッチング動作条件を組み合わせることにより前記スイッチング動作条件を決定する、
    請求項６又は７に記載の電力制御回路。
  9. 前記推定部はニューラルネットワークを含む、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電力制御回路。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電力制御回路と、
    振動を電力に変換する発電部と、
    を備える発電機。
  11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電力制御回路と、
    振動を電力に変換する発電機と、
    を備える発電システム。
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