JP7266777B1 - 発電蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構造でかつ安定して蓄電できる発電蓄電装置を提供する。【解決手段】 発電装置で発電される発電電力を漏れなく貯留し、平滑化した電力を出力する変動電力貯留装置と、変動電力貯留装置から出力される電力を蓄電電力に変換する電力変換装置と、電力変換装置から出力された蓄電電力を蓄電し、蓄電した電力を外部に出力できる蓄電装置と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、発電電力を蓄電できる装置に関する。

各種の動力源によって発電する装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９－１３８５６号公報 特開２００５－３３２７９１号公報 特開平１１－２８８７４２号公報

従来の発電装置は、機械的エネルギー及び位置エネルギーを利用したり、フライホイールを利用したりするものがあった。これらは、安定した電力を得るために機構的に工夫されたものであった。しかしながら、複雑な構造とならざるを得なかった。

また、発電モータから出力された電流を整流して出力するものもあった。しかしながら、十分に整流できず、安定した電力を得ることが困難であった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものである。その目的は、簡素な構造でかつ安定して蓄電できる発電蓄電装置を提供することにある。

本発明による発電蓄電装置の特徴は、
発電装置で発電される発電電力を漏れなく貯留し、平滑化した電力を出力する変動電力
貯留装置と、
前記変動電力貯留装置から出力される電力を蓄電電力に変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置から出力された蓄電電力を蓄電し、蓄電した電力を外部に出力できる
蓄電装置と、
前記電力変換装置と前記蓄電装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する第１の開閉装置と、
発電電力を検出し、発電電力が第１の所定電力未満のときには、前記第１の開閉装置を非通電状態にし、発電電力が前記第１の所定電力以上のときには、前記第１の開閉装置を通電状態にする制御部と、を備え、
前記第１の開閉装置が非通電状態であるときには、発電電力が前記制御部に供給され、 前記第１の開閉装置が通電状態であるときには、前記蓄電装置に蓄電された電力が前記制御部に供給されることである。

簡素な構造でかつ安定して蓄電できる。

本実施の形態による発電蓄電装置の概略を示す斜視図である。 発電蓄電装置の機能を示す機能ブロック図である。 制御部２００がスイッチング素子ＳＷ１を制御する処理を示すフローチャートである。 制御部２００がスイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を制御する処理を示すフローチャートである。 発電蓄電装置１０－２（ピストン・クランク機構）の例を示す斜視図である。 発電蓄電装置１０－２（ピストン・クランク機構）の例を示す斜視図である。 発電蓄電装置１０－４（歯車とラックギアによる回転機構）の例を示す斜視図である。 発電蓄電装置１０－１の応用例（自転車の漕ぎによる回転機構）を示す斜視図である。 発電蓄電装置１０－１の応用例（両手回しによる回転機構）を示す斜視図である。 発電蓄電装置１０－１の応用例（足踏みによる回転機構）を示す斜視図である。

＜＜＜＜本実施の形態の概要＞＞＞＞
以下では、本実施の形態の概要について、第１の態様～第５の態様として説明する。

＜＜第１の態様＞＞
第１の態様の一つの目的は、簡素な構造でかつ安定して蓄電できる発電蓄電装置を提供することである。また、第１の態様の別の目的は、発電装置によって発電された電力が変動するような場合であっても、的確に蓄電できる発電蓄電装置を提供することである。

第１の態様によれば、
発電装置（例えば、後述する発電装置２１０など）で発電される発電電力を漏れなく貯留し、平滑化した電力を出力する変動電力貯留装置（例えば、後述する電気二重層キャパシタ部２２０など）と、
前記変動電力貯留装置から出力される電力を蓄電電力に変換する電力変換装置（例えば、後述する電力変換装置２３０など）と、
前記電力変換装置から出力された蓄電電力を蓄電し、蓄電した電力を外部に出力できる蓄電装置（例えば、後述するリチウムイオン二次電池部２４０など）と、を備える発電蓄電装置が提供される。

発電蓄電装置は、変動電力貯留装置と、電力変換装置と、蓄電装置と、を備える。

変動電力貯留装置は、発電装置で発電される発電電力を漏れなく貯留する。発電装置は、発電された発電電力を出力する。変動電力貯留装置は、貯留された後に、平滑化した電力を出力する。

発電電力は、動作環境などにより急峻に変動する場合がある。例えば、経時劣化などにより発電装置の動作が不安定となって、発電電圧が変動することも想定される。さらに、人力（例えば、手によるものや足によるものなど）や風力や水力などを動力源とした場合には、急峻に変動することも想定される。リチウムイオン二次電池などの蓄電池は、様々な要因で変動する電力には追随できず、発電した電力を無駄にせざるを得なかった。変動電力貯留装置は、急峻に変化する発電電力であっても漏れなく貯留することができ、発電電力を有効に利用することができる。

電力変換装置は、変動電力貯留装置から出力される電力を蓄電電力に変換する。

蓄電装置は、電力変換装置から出力された蓄電電力を蓄電する。蓄電装置は、蓄電した電荷を外部の負荷に電力として出力することができる。

発電電力を蓄電装置に直接に供給するのではなく、発電電力を漏れなく貯留できる変動電力貯留装置に一旦貯留し、さらに、電力変換装置を介して、蓄電装置に蓄電するので、急激に変動するような発電電力であっても、的確に蓄電することができる。

発電蓄電装置は、ポータブルバッテリ電源として機能させることができる。

発電蓄電装置は、変動電力貯留装置と電力変換装置と蓄電装置とを備え、簡素な構造を有し、電力変換装置によって安定して蓄電することができる。

＜＜第２の態様＞＞
第２の態様の一つの目的は、発電された発電電力に応じて、制御部に供給する電力を適宜に切り替えて、制御部によって的確に制御される発電蓄電装置を提供することである。言い換えれば、発電を開始した直後から安定して蓄電の制御をすることができる発電蓄電装置を提供することである。

第２の態様は、第１の態様において、
前記電力変換装置と前記蓄電装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する第１の開閉装置（例えば、後述するスイッチング素子ＳＷ２など）と、
発電電力を検出し、発電電力が第１の所定電力未満のときには、前記第１の開閉装置を非通電状態にし、発電電力が前記第１の所定電力以上のときには、前記第１の開閉装置を通電状態にする制御部（例えば、後述する検出判断制御部２５０など）と、をさらに備え、
前記第１の開閉装置が非通電状態であるときには、発電電力が前記制御部に供給され（例えば、後述する経路（Ａ）など）、
前記第１の開閉装置が通電状態であるときには、前記蓄電装置に蓄電された電力が前記制御部に供給される（例えば、後述する経路（Ｂ）など）。

発電蓄電装置は、第１の開閉装置と制御部とをさらに備える。

第１の開閉装置は、電力変換装置と前記蓄電装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する。

制御部は、発電電力を検出する。制御部は、検出した発電電力が第１の所定電力未満のときには、第１の開閉装置を非通電状態にする。第１の開閉装置が非通電状態であるときには、発電電力が制御部に供給される。

一方、制御部は、検出した発電電力が第１の所定電力以上のときには、第１の開閉装置を通電状態にする。第１の開閉装置が通電状態であるときには、蓄電装置に蓄電された電力が前記制御部に供給される。

すなわち、発電電力が第１の所定電力未満のときには、発電電力が制御部に直接に供給される。これにより、発電開始の直後では、蓄電装置の蓄電よりも制御部の起動を優先し、制御部の制御を開始する。一方、発電電力が、ある程度に大きくなったときには、蓄電を開始し、蓄電装置に蓄電された電力を制御部に供給して、安定した制御をする。

＜＜第３の態様＞＞
第３の態様の一つの目的は、発電装置で発電された発電電力を効率よく蓄電電力に用いることができる発電蓄電装置を提供することである。

第３の態様は、第２の態様において、
前記発電装置と前記変動電力貯留装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する第２の開閉装置（例えば、後述するスイッチング素子ＳＷ１など）と、
前記発電装置と前記変動電力貯留装置との間に前記第２の開閉装置と並列に接続され、前記変動電力貯留装置から前記発電装置への電力の流れを遮断する第１の整流素子（例えば、後述するダイオードＤ１など）とを、さらに備え、
前記制御部は、発電電力が第２の所定電力未満のときには、前記第２の開閉装置を非通電状態にして前記第１の整流素子を介して前記発電装置から前記変動電力貯留装置に発電電力を供給し（例えば、後述する経路（Ａ）など）、発電電力が第２の所定電力以上のときには、前記第２の開閉装置を通電状態にして、前記第１の整流素子を介さずに前記発電装置から前記変動電力貯留装置に発電電力を供給する。

発電蓄電装置は、第２の開閉装置と第１の整流素子とをさらに備える。

第２の開閉装置は、発電装置と変動電力貯留装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する。

第１の整流素子は、発電装置と変動電力貯留装置との間に設けられる。第１の整流素子は、第２の開閉装置と並列に接続される。すなわち、第１の整流素子及び第２の開閉装置は、並列に接続されるとともに、発電装置と変動電力貯留装置との間に設けられる。

発電電力が第２の所定電力未満のときには、制御部は、第２の開閉装置を非通電状態にする。これにより、発電装置からの発電電力は、第１の整流素子を介して変動電力貯留装置に供給される。第１の整流素子を介すことによって、電力の逆流などを防止することができる。

一方、発電電力が第２の所定電力以上のときには、制御部は、第２の開閉装置を通電状態にする。これにより、発電装置からの発電電力は、第１の整流素子を介さずに、直接に、変動電力貯留装置に供給される。第１の整流素子を介さないようにすることで、発電装置からの発電電力を損失させることなく、変動電力貯留装置に供給することができる。

＜＜第４の態様＞＞
第４の態様の一つの目的は、蓄電装置に蓄電された電力を安定して維持し、蓄電された電力を効率よく活用できる発電蓄電装置を提供することである。

第４の態様は、第３の態様において、
前記発電装置と前記制御部との間に、前記発電装置への電力の流れを遮断する第２の整流素子（例えば、後述するダイオードＤ２など）を、さらに備える。

第２の整流素子を介すことによって、電力の逆流などを防止することができる。

＜＜第５の態様＞＞
第５の態様の一つの目的は、発電装置以外の電源の電力も蓄電電力に用いることができる発電蓄電装置を提供することである。

第５の態様は、第１の態様において、
前記発電装置と並列に接続され、外部からの電力が入力可能な入力部（例えば、後述する入力部３００など）と、
外部からの電力を変換する最適化装置（例えば、後述する最適化回路３１０など）と、をさらに備え、
前記制御部は、外部からの電力に応じた制御信号を前記最適化装置に供給する。

発電蓄電装置は、入力部と最適化装置とをさらに備える。

入力部は、発電装置と並列に接続される。入力部は、外部からの電力が入力可能である。

最適化装置は、外部からの電力を変換する。

外部からの電力も、変動電力貯留装置を介して蓄電装置に適切に蓄電することができる。

＜＜＜＜本実施の形態の詳細＞＞＞＞
以下に、実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態による発電蓄電装置１０の概略を示す斜視図である。図２は、発電蓄電装置１０の電気的な機能を示す機能ブロック図である。

図１に示すように、発電蓄電装置１０は、筐体１００－１とハンドル１１０－１とを有する。ハンドル１１０－１は、筐体１００－１に対して回転可能に設けられている。ハンドル１１０－１は、操作者によって回転されることができる。操作者は、筐体１００－１を把持し、ハンドル１１０－１を回転させることができる。発電蓄電装置１０は、ハンドル１１０－１の回転により、発電するとともに、蓄電することができる。

図２は、発電蓄電装置１０の電気的な機能を示す機能ブロック図である。発電蓄電装置１０は、制御部２００を有する。

＜＜＜制御部２００の構成＞＞＞
制御部２００は、主に、
発電装置２１０と、
電気二重層キャパシタ部２２０と、
電力変換装置２３０と、
リチウムイオン二次電池部２４０と、
検出判断制御部２５０と、
を有する。制御部２００は、さらに、
ダイオードＤ１と、
ダイオードＤ２と、
スイッチング素子ＳＷ１と、
スイッチング素子ＳＷ２と、
スイッチング素子ＳＷ３と、
手動スイッチＳＷ４と、
を有する。

＜＜発電装置２１０＞＞
発電装置２１０は、ハンドル１１０－１に連結されている。発電装置２１０は、ハンドル１１０－１と連動する。

本実施の形態では、発電装置２１０は、直流モータからなる。なお、発電装置２１０は、直流モータに限られず、電力を発電できるものであればよい。発電装置２１０は、コイルと磁石とを有する。発電装置２１０は、ハンドル１１０－１の回転動作に伴ってコイルが回転する。発電装置２１０は、コイルの動作に応じて発電電力が生成される。発電装置２１０は、ハンドル１１０－１の動作に応じた電力（電圧）が生成される。発電装置２１０は、ハンドル１１０－１の動作に応じて、変化する発電電圧が生成される。

本実施の形態では、ハンドル１１０－１は、人力を動力源として動作する。人力は、手や腕の動きを動力源としても、足の動きを動力源としても、人体のいずれかの動きを動力源にできればよい。

発電装置２１０は、遊星ギア機構を有してもよい。遊星ギア機構を搭載することによって、少ない段数で大きな減速比を得ることができ、大きなトルクを伝達することができる。また、入力軸と出力軸を同軸上に配置できる。さらに、複数の遊星歯車に負荷を分散できるので、磨耗や歯車の欠損を少なくできる。

＜＜電気二重層キャパシタ部２２０＞＞
電気二重層キャパシタ部２２０は、スイッチング素子ＳＷ１又はダイオードＤ１を介して発電装置２１０と電気的に接続される。電気二重層キャパシタ部２２０は、発電装置２１０で発電された発電電力を一時的に蓄電（貯留）する。

電気二重層キャパシタ部２２０は、少なくとも１つの電気二重層キャパシタ２２２（セル）を有する。複数の電気二重層キャパシタ２２２を用いる場合には、複数の電気二重層キャパシタ２２２は、直列に接続される。直列に接続する電気二重層キャパシタ２２２の数は、発電装置２１０から出力される可能性のある最大電圧の値に応じて適宜に定めればよい。複数の電気二重層キャパシタ２２２の各々に印加される電圧は、おおよそ等しい。
例えば、１Ｆ（ファラッド）／２．７Ｖ（ボルト）の電気二重層キャパシタ２２２を、５個、直列に接続して電気二重層キャパシタ部２２０とすることができる。

前述したように、発電装置２１０は、手動などの人力によって動作される。このため、発電電圧の時間変化が大きく、発電電圧は、鋸状の波形など急激に変動する。効率よく蓄電するためには、時間変化の大きい発電電力を漏れなく捉える必要がある。しかしながら、一般に、リチウムイオン二次電池部２４０は、急激に変化する電力を蓄電することができない。

これに対して、電気二重層キャパシタ部２２０は、時間変化の大きい発電電力を漏らすことなく捉えることができる。このため、電気二重層キャパシタ部２２０を設けない構成とした場合には、時間変化の大きい発電電力が生じても電流を流すことができず、ハンドルの動作に応じた発電電力をリチウムイオン二次電池部２４０に蓄電することが困難となる。電気二重層キャパシタ部２２０を設けることで、急激に変化する電力を電気二重層キャパシタ部２２０に一時的に漏れなく蓄電して、電気二重層キャパシタ部２２０から平滑化した電圧を出力することができる。

＜使用環境温度との関係＞
リチウムイオン二次電池部２４０の使用環境温度は、一般に、－２０～＋６０℃である。したがって、－２０℃以下では、リチウムイオン二次電池部２４０の使用環境温度の範囲外となる。このため、冬山や冬の北海道などの寒冷地では、リチウムイオン二次電池部２４０は、十分に機能できない可能性がある。

このような状況に対応するために、ヒーターなどの熱源により、リチウムイオン二次電池部２４０を温める方法が想定される。しかしながら、構成にヒーターを加える必要があり、構成が煩雑にならざるを得なかった。

また、極低温に対応した特殊なリチウムイオン電解液を採用する方法も想定される。しかしながら、特殊なリチウムイオン電解液の使用は、大幅にコストが嵩まざるを得なかったり、開発の難易度が高くならざる得なかったりする。

これに対して、電気二重層キャパシタ部２２０の使用環境温度は、－４０～＋８０℃である。すなわち、電気二重層キャパシタ部２２０は、極寒冷地でも十分に機能できる蓄電デバイスである。

発電装置２１０の発電電力は、まず、電気二重層キャパシタ部２２０に蓄電される。この時点での温度が、－２０℃以下であっても、電気二重層キャパシタ部２２０は問題なく機能する。なお、この時点では、リチウムイオン二次電池部２４０は、範囲外の温度であることから十分に機能しない。

次いで、電気二重層キャパシタ部２２０を経る電力は、リチウムイオン二次電池部２４０の内部抵抗により熱を生じさせる。この熱によって、リチウムイオン二次電池部２４０の内部の温度を上昇させる。すなわち、電気二重層キャパシタ部２２０を介して電力を供給することで、リチウムイオン二次電池部２４０での発熱現象を活用して、－２０℃以下では使用できなかったリチウムイオン二次電池部２４０を蓄電デバイスとして使えるようにできる。

＜＜電力変換装置２３０＞＞
電力変換装置２３０は、電気二重層キャパシタ部２２０と直列に接続されている。電力変換装置２３０は、電気二重層キャパシタ部２２０とリチウムイオン二次電池部２４０との間に設けられている。電気二重層キャパシタ部２２０から出力された電力が、電力変換装置２３０に供給される。電力変換装置２３０は、リチウムイオン二次電池部２４０を蓄電するための電力を出力する。電力変換装置２３０は、リチウムイオン二次電池部２４０に安定した直流電圧を供給する。電力変換装置２３０は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成される。

電力変換装置２３０は、電気二重層キャパシタ部２２０に蓄えられた電荷による電圧が所定の動作電圧以上になると動作し、電気二重層キャパシタ部２２０に蓄えられた電荷を供給して、リチウムイオン二次電池部２４０を蓄電する。電力変換装置２３０は、電気二重層キャパシタ部２２０から出力された電力をリチウムイオン二次電池部２４０に蓄電するための電力に変換する。

＜＜リチウムイオン二次電池部２４０＞＞
リチウムイオン二次電池部２４０は、電力変換装置２３０を介して電気二重層キャパシタ部２２０と直列に接続される。リチウムイオン二次電池部２４０は、電力変換装置２３０から出力された蓄電電力によって蓄電される。リチウムイオン二次電池部２４０は、少なくとも１つのリチウムイオン二次電池２４２（セル）を有する。複数のリチウムイオン二次電池２４２を用いる場合には、複数のリチウムイオン二次電池２４２は、直列に接続される。電力変換装置２３０から出力される最大の電圧値に応じてリチウムイオン二次電池２４２の数を定めればよい。

＜バッテリマネージメントシステム２４４＞
リチウムイオン二次電池部２４０は、バッテリマネージメントシステム２４４に接続されている。バッテリマネージメントシステム２４４は、リチウムイオン二次電池部２４０の状態を管理する。バッテリマネージメントシステム２４４は、リチウムイオン二次電池部２４０の蓄電や放電を管理する。バッテリマネージメントシステム２４４は、リチウムイオン二次電池部２４０が、過蓄電されたり、過熱したり、過剰放電したりなどをしないように管理する。バッテリマネージメントシステム２４４は、複数のリチウムイオン二次電池２４２を用いる場合に、各々のリチウムイオン二次電池２４２に均等に電圧が印加されるように管理する。

＜＜検出判断制御部２５０＞＞
検出判断制御部２５０は、制御部２００内の各所の電圧を監視し、後述する各種のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ３の動作を制御する。検出判断制御部２５０は、発電装置２１０から出力された発電電圧の値を検出する（図２の電圧検出１）。検出判断制御部２５０は、電気二重層キャパシタ部２２０から出力された平滑化電圧の値を検出する（図２の電圧検出２）。検出判断制御部２５０は、リチウムイオン二次電池部２４０から出力された蓄電電圧の値を検出する（図２の電圧検出３）。

検出判断制御部２５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ（ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ）、Ｉ／Ｏ（入力／出力）などを有する（図示せず）。検出判断制御部２５０は、リードオンリーメモリに書き込まれたプログラムを実行することで、前述した電圧の値の検出（電圧検出１～３）をして、検出結果に応じて、後述するスイッチング素子などの制御をする。なお、検出判断制御部２５０の具体的な処理や制御については、後述する。

＜制御部用電源装置２５２＞
制御部用電源装置２５２は、検出判断制御部２５０に安定した駆動電力を供給する。制御部用電源装置２５２は、例えば、レギュレータによって構成される。制御部用電源装置２５２は、具体的には、三端子レギュレータなどのリニアレギュレータによって構成される。なお、制御部用電源装置２５２は、スイッチングレギュレータによって構成されてもよい。

制御部用電源装置２５２によって、発電装置２１０から出力された駆動電力が安定して検出判断制御部２５０に供給される。リチウムイオン二次電池部２４０の蓄電が不十分なときには、発電装置２１０から出力された駆動電力を、制御部用電源装置２５２を介して検出判断制御部２５０に供給することで、検出判断制御部２５０を動作させることができる（後述する（Ａ）の経路）。

また、リチウムイオン二次電池部２４０の蓄電が十分なときには、リチウムイオン二次電池部２４０から出力された駆動電力が、制御部用電源装置２５２を介して検出判断制御部２５０に供給される（後述する（Ｂ）の経路）。

さらに、外部電源からの駆動電力を、制御部用電源装置２５２を介して検出判断制御部２５０に供給することもできる（後述する（Ｃ）の経路）。外部電源を利用することで、リチウムイオン二次電池部２４０の蓄電を消費することなく、検出判断制御部２５０を動作させることができる。

＜＜ダイオードＤ１＞＞
ダイオードＤ１は、リチウムイオン二次電池部２４０や外部電源からの電力が発電装置２１０に逆流することを防止する。ダイオードＤ１は、例えば、ボディダイオードからなる。ダイオードＤ１は、電流を一定方向のみに流す整流作用を有する素子であればよい。

＜＜ダイオードＤ２＞＞
ダイオードＤ２は、リチウムイオン二次電池部２４０からの電力が発電装置２１０に供給（逆流）されることを防止する。ダイオードＤ２は、電流を一定方向のみに流す整流作用を有する素子であればよい。

＜＜スイッチング素子ＳＷ１＞＞
スイッチング素子ＳＷ１は、検出判断制御部２５０からの制御信号に応じて開閉動作する。スイッチング素子ＳＷ１は、開となることで、非通電状態となり、閉となることで、通電状態となる。

発電装置２１０から発電電力が出力されているときには、スイッチング素子ＳＷ１を通電状態にすることで、ダイオードＤ１をバイパスさせる。ダイオードＤ１をバイパスさせることによって、ダイオードＤ１の電圧降下による発電電力のロスを防止できる。

一方、発電装置２１０から発電電力が出力されていないときには、スイッチング素子ＳＷ１を非通電状態にする。ダイオードＤ１によって、リチウムイオン二次電池部２４０や外部電源からの電力が発電装置２１０に逆流することを防止する。

スイッチング素子ＳＷ１は、例えば、ＦＥＴ（Field-effect transistor）で構成される。

＜＜スイッチング素子ＳＷ２＞＞
スイッチング素子ＳＷ２は、検出判断制御部２５０からの制御信号に応じて開閉動作する。スイッチング素子ＳＷ２は、開となることで、非通電状態となり、閉となることで、通電状態となる。検出判断制御部２５０の動作を継続させる場合には、検出判断制御部２５０は、スイッチング素子ＳＷ２の通電状態を維持する。

スイッチング素子ＳＷ２は、例えば、ＦＥＴ（Field-effect transistor）で構成される。

＜＜スイッチング素子ＳＷ３＞＞
スイッチング素子ＳＷ３は、検出判断制御部２５０からの制御信号に応じて開閉動作する。スイッチング素子ＳＷ３は、開となることで、非通電状態となり、閉となることで、通電状態となる。リチウムイオン二次電池部２４０から蓄電電力が出力されているときには、スイッチング素子ＳＷ３を通電状態にする。リチウムイオン二次電池部２４０から蓄電電力が出力されていないときには、スイッチング素子ＳＷ３を非通電状態にする。

スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、ＦＥＴ（Field-effect transistor）で構成される。

＜スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３の動作＞
発電装置２１０から発電電力が出力されていないときや、被充電装置を充電していないときには、検出判断制御部２５０は、スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を非通電状態にして、リチウムイオン二次電池部２４０を電気的に独立させて絶縁状態にする。保管しているときなどの非動作時に、リチウムイオン二次電池部２４０が放電するのを防止できる。

＜手動スイッチＳＷ４＞
操作者が、手動スイッチＳＷ４を操作することで制御部用電源装置２５２にリチウムイオン二次電池の電力を供給し、検出判断制御部２５０を起動させる。検出判断制御部２５０の起動によりスイッチング素子ＳＷ３が動作し、リチウムイオン二次電池部２４０と被充電装置とが通電状態となる。これにより、被充電装置を充電することができる。

また、手動スイッチＳＷ４の操作に基づいて検出判断制御部２５０が起動すると、スイッチング素子ＳＷ２が動作して、電力変換装置２３０とリチウムイオン二次電池部２４０と通電状態となる。このとき、操作者が、ハンドル１１０－１を操作した場合には、発電装置２１０からの発電電圧が、電気二重層キャパシタ部２２０及び電力変換装置２３０を介して、リチウムイオン二次電池部２４０に蓄電される。

なお、操作者が、手動スイッチＳＷ４を操作すると通電状態となり、操作者が、手動スイッチＳＷ４から手を離すと非通電状態となる。

＜外部電源及び入力部３００＞
ＤＣ１２Ｖ、ＡＣアダプタ、シガーソケット、ソーラーパネルや、商用電源などの外部電源から電力を供給できる。外部電源は、入力部３００に電気的に接続される。入力部３００は、例えば、コネクタや端子などからなる。図２に示す経路（Ｃ）に沿って、外部電源からの電力が制御部２００に供給される。

＜最適化回路３１０＞
最適化回路３１０は、いわゆるバックコンバータからなる。最適化回路３１０は、検出判断制御部２５０から出力される電圧選択信号に応じて、出力電圧を１２Ｖ、８Ｖ、５Ｖのいずれかにする。ＤＣ１２Ｖ、ＡＣアダプタ、シガーソケット、ソーラーパネルなどの外部電源の種類に応じて、最適化回路３１０の出力電圧を切り替えることができる。電気二重層キャパシタ部２２０の電圧が低いときには、変換比を高くして電流を多くする。

＜＜＜操作者によるハンドル１１０－１の操作＞＞＞
以下では、操作者によるハンドル１１０－１の操作と、発電装置２１０からの発電電力（電圧）について簡単に説明する。なお、

＜ハンドル１１０－１が操作された開始直後＞
ハンドル１１０－１の操作の開始直後では、ハンドル１１０－１の動きは未だ遅く、発電装置２１０から十分に発電されない。すなわち、ハンドル１１０－１の操作直後では、発電装置２１０から出力される電圧の値（以下、電圧値１と称する）は、電気二重層キャパシタ部２２０から出力される電圧の値（以下、電圧値２と称する）よりも小さくなりやすい。

＜ハンドル１１０－１が定常的に操作されているとき＞
ハンドル１１０－１が定常的に操作されているときには、ハンドル１１０－１は、ある程度、速く動かされており、発電装置２１０から十分に発電される。すなわち、ハンドル１１０－１が定常的に操作されているときには、発電装置２１０からの電圧値１は、電気二重層キャパシタ部２２０からの電圧値２よりも大きくなりやすい。

＜ハンドル１１０－１の操作を終える直前＞
ハンドル１１０－１の操作を終える直前にもハンドル１１０－１の動きは遅くなるため、発電装置２１０からは十分に発電されなくなる。すなわち、発電装置２１０から電圧値１は、電気二重層キャパシタ部２２０からの電圧値２よりも小さくなりやすい。

＜＜＜制御部２００の処理＞＞＞
以下では、制御部２００の処理について説明する。図３は、制御部２００がスイッチング素子ＳＷ１を制御する処理を示すフローチャートである。図４は、制御部２００がスイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を制御する処理を示すフローチャートである。

＜スイッチング素子ＳＷ１の制御＞
図３に示すように、まず、制御部２００のＣＰＵは、発電装置２１０から出力された電圧の値（以下、電圧値１と称する）を検出する（ステップＳ１１）。電圧値１は、発電装置２１０から出力された電圧の値であり、値が時間とともに変動している可能性がある。このため、所定の時間に複数回に亘って検出した電圧値を平均した値にしてもよい。例えば、１００ミリ秒ごとに１０回に亘って検出して平均した値を電圧値１としてもよい。電圧値が大きく変動する場合でも、後述するステップＳ１５の処理で的確に判断することができる。

次に、制御部２００のＣＰＵは、電気二重層キャパシタ部２２０から出力された電圧の値（以下、電圧値２と称する）を検出する（ステップＳ１３）。電気二重層キャパシタ部２２０から出力された電圧の値は、発電装置２１０から出力された電圧の値と比較すると、ある程度、安定化している。しかし、所定の時間に複数回に亘って検出した電圧値を平均した値にしてもよい。例えば、１００ミリ秒ごとに１０回に亘って検出して平均した値を電圧値２としてもよい。電圧値が大きく変動する場合でも、後述するステップＳ１５の処理で的確に判断することができる。

次に、制御部２００のＣＰＵは、電圧値１が、電圧値２に所定値を加えた値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１５）。電圧値２を基準にして電圧値１を判断することで、電圧値２をバックグラウンドとして電圧値１の大きさを判断でき、発電状態を的確に判断することができる。また、所定値は、０以上の値であればよい。所定値は、発電装置２１０及び電気二重層キャパシタ部２２０や、ダイオードＤ１やダイオードＤ２などの特性や、予測される電圧の変動状態などに応じて定めればよい。

制御部２００のＣＰＵは、電圧値１が、電圧値２に所定値を加えた値よりも大きいと判断したときは（ＹＥＳ）、スイッチング素子ＳＷ１を通電状態にし（ステップＳ１７）、本サブルーチンを終了する。スイッチング素子ＳＷ１を通電状態にすることで、ダイオードＤ１をバイパスさせて、ダイオードＤ１の電圧降下による発電電力のロスを防止できる。

一方、制御部２００のＣＰＵは、電圧値１が、電圧値２に所定値を加えた値以下である判断したときは（ＮＯ）、スイッチング素子ＳＷ１を非通電状態にし（ステップＳ１９）、本サブルーチンを終了する。スイッチング素子ＳＷ１を非通電状態にして、ダイオードＤ１を介することで、リチウムイオン二次電池部２４０や外部電源からの電力が発電装置２１０に逆流することを防止する。

＜スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３の制御＞
図４に示すように、まず、制御部２００のＣＰＵは、制御部２００への給電が開始された否かを判断する（ステップＳ２１）。具体的には、制御部２００への給電の開始は、発電装置２１０からの発電電力が制御部２００に供給され始めたときや（動作開始直後）、操作者によってスイッチング素子ＳＷ４が操作されてリチウムイオン二次電池部２４０から制御部２００への給電が開始されたときや、外部電源が接続されて制御部２００に給電が開始されるときがある。

制御部２００のＣＰＵは、制御部２００への給電が開始されたと判断したときには（ＹＥＳ）、スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を通電状態にし（ステップＳ２３）、本サブルーチンを終了する。スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３が通電状態となることで、発電装置２１０からの発電電圧が、電気二重層キャパシタ部２２０及び電力変換装置２３０を介して、リチウムイオン二次電池部２４０に供給される。また、リチウムイオン二次電池部２４０と被充電装置とが通電状態となることで、被充電装置を充電することができる。

制御部２００のＣＰＵは、制御部２００に給電されていないと判断したときには（ＮＯ）、被充電装置への充電を終えて所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２５）。被充電装置は、充電中であるか否かを示す信号を出力しており、制御部２００のＣＰＵは、この信号を受信することで、被充電装置が充電中であるか否かを判断することができる。ステップＳ２５の処理は、被充電装置から出力された信号によって、被充電装置の充電が停止し（終了し）、その後、所定時間が経過したか否かを判断する処理である。

制御部２００のＣＰＵは、ステップＳ２５の判断処理で、被充電装置への充電を終えて所定時間が経過したと判断したときには（ＹＥＳ）、スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を非通電状態にし（ステップＳ２７）、本サブルーチンを終了する。スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を非通電状態にすることで、リチウムイオン二次電池部２４０を電気的に独立させて絶縁状態にして、リチウムイオン二次電池部２４０の放電を防止できる。

制御部２００のＣＰＵは、被充電装置への充電を終えて所定時間が経過していないと判断したときには（ＮＯ）、処理をステップＳ２３に移す。

＜＜＜制御部２００の動作＞＞＞
以下では、制御部２００の動作について説明する。

＜＜蓄電動作時＞＞
＜検出判断制御部２５０の動作前＞
検出判断制御部２５０が動作する前の状態では、図３のステップＳ１９の処理及び図４のステップＳ２７の処理によって、図２に示す（Ａ）の経路が形成される。（Ａ）の経路を経て、電力が、発電装置２１０から検出判断制御部２５０に直接に供給される。

操作者によるハンドル１１０－１の操作開始の直後では、十分に発電されておらず、検出判断制御部２５０は、まだ動作していない。この状態では、スイッチング素子ＳＷ１は非通電状態となっている。このため、ダイオードＤ１は、バイパスされておらず、発電装置２１０からの発電電力は、ダイオードＤ１を流れる。

発電装置２１０からの発電電力は、ダイオードＤ１を流れた後、ダイオードＤ２を経て制御部用電源装置２５２に供給される。発電装置２１０からの発電電力は、制御部用電源装置２５２によって安定化されて、検出判断制御部２５０に供給される。検出判断制御部２５０に供給される発電電圧が動作電圧以上であれば、検出判断制御部２５０は動作を開始する。

＜検出判断制御部２５０の動作後＞
検出判断制御部２５０は動作を開始した後は、図３のステップＳ１７の処理及び図４のステップＳ２３の処理によって、図２に示す（Ｂ）の経路が形成される。（Ｂ）の経路を経て、電力が、リチウムイオン二次電池部２４０から検出判断制御部２５０に供給される。

検出判断制御部２５０が、動作を開始すると、スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を通電状態にする。発電装置２１０からの発電電力は、電気二重層キャパシタ部２２０及び電力変換装置２３０を経て、リチウムイオン二次電池部２４０に供給され蓄電される。リチウムイオン二次電池部２４０に蓄電された電力が、検出判断制御部２５０に供給される（経路（Ｂ））。これにより、さらに安定した電圧が検出判断制御部２５０に供給される。

このように、ハンドル１１０－１が操作された後に、発電装置２１０からの発電電力の経路を（Ａ）から（Ｂ）に切り替えることで、検出判断制御部２５０を的確に起動させ、検出判断制御部２５０による制御を安定して継続することができる。

＜放電動作時（対象物への蓄電動作）＞
携帯電話などの被充電装置（図示せず）が接続され、手動スイッチＳＷ４が操作されると、スイッチング素子ＳＷ３が通電状態となり、リチウムイオン二次電池部２４０の蓄電電力が被充電装置に供給され、被充電装置が充電される。

＜＜＜＜他の実施の形態＞＞＞＞
以下では、主に、人力を動力源として動作する発電蓄電装置について説明するが、動力源は、人力には限られない。動物、植物、水力、火力、原子力、風力、化学反応などを動力源として、発電装置２１０を作動させてもよい。

図５は、発電蓄電装置１０－２（ピストン・クランク機構）の例を示す斜視図である。発電蓄電装置１０－２は、筐体１００－２及びハンドル１１０－２を備える。ハンドル１１０－２を上下方向に往復移動させることで、発電及び蓄電をすることができる。ハンドル１１０－２は、図１に示すハンドル１１０－１に相当する。

図６は、発電蓄電装置１０－２（ピストン・クランク機構）の例を示す斜視図である。発電蓄電装置１０－３は、筐体１００－３及びハンドル１１０－２を備える。紐に連結されたハンドル１１０－２を引っ張ることで、発電蓄電装置１０－２の内部の回転機構（図示せず）が回転し、発電及び蓄電をすることができる。なお、紐は、バネなどの弾性体（図示せず）に連結されており、ハンドル１１０－２から手を離すことで、筐体１００－３に収納される。このように構成することで、ハンドル１１０－２を往復移動させることができる。ハンドル１１０－２は、図１に示すハンドル１１０－１に相当する。

図７は、発電蓄電装置１０－４（歯車とラックギアによる回転機構）の例を示す斜視図である。発電蓄電装置１０－４は、筐体１００－４及び歯車ラックギア機構１１０－４を備え、歯車ラックギア機構１１０－４を押し込むことにより歯車（図示せず）が回転し、発電及び蓄電をすることができる。なお、歯車ラックギア機構１１０－４は、バネなどの弾性体（図示せず）に連結されており、歯車ラックギア機構１１０－４から手を離すことで、筐体１００－４から突出する。このように構成することで、歯車ラックギア機構１１０－４を往復移動させることができる。歯車ラックギア機構１１０－４は、図１に示すハンドル１１０－１に相当する。

図８は、発電蓄電装置１０－１の応用例（自転車の漕ぎによる回転機構）を示す斜視図である。図８に示す自転車５０のペダルを漕ぐことにより、自転車５０内部のチェーンが回転運動し（図示せず）、発電蓄電装置１０－１の発電及び蓄電をすることができる。

図９は、発電蓄電装置１０－１の応用例（両手回しによる回転機構）を示す斜視図である。図９に示す両手発電機６０の両手回し機構６１を回すことにより、両手発電機６０内部のチェーンが回転運動し（図示せず）、発電蓄電装置１０－１の発電及び蓄電をすることができる。両手回し機構６１が、図１に示すハンドル１１０－１に相当する。

図１０は、発電蓄電装置１０－１の応用例（足踏みによる回転機構）を示す斜視図である。図１０に示す足踏み機７０の足踏み部７１を踏むことにより足踏み機７０の内部のチェーンが回転運動し（図示せず）、発電蓄電装置１０－１の発電及び蓄電をすることができる。足踏み部７１が、図１に示すハンドル１１０－１に相当する。

＜＜＜＜実施の形態の範囲＞＞＞＞
上述したように、本実施の形態を記載した。しかし、この開示の一部をなす記載及び図面は、限定するものと理解すべきでない。ここで記載していない様々な実施の形態等が含まれる。

１０－１、１０－２、１０－３、１０－４ 発電蓄電装置
２００ 制御部
２１０ 発電装置
２２０ 電気二重層キャパシタ部
２３０ 蓄電装置
２４０ リチウムイオン二次電池装置
２５０ 検出判断制御部
ＳＷ１ スイッチング素子
ＳＷ２ スイッチング素子
ＳＷ３ スイッチング素子

Claims (4)

1. 発電装置で発電される発電電力を漏れなく貯留し、平滑化した電力を出力する変動電力貯留装置と、
   前記変動電力貯留装置から出力される電力を蓄電電力に変換する電力変換装置と、
   前記電力変換装置から出力された蓄電電力を蓄電し、蓄電した電力を外部に出力できる蓄電装置と、
   前記電力変換装置と前記蓄電装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する第１の開閉装置と、
   発電電力を検出し、発電電力が第１の所定電力未満のときには、前記第１の開閉装置を非通電状態にし、発電電力が前記第１の所定電力以上のときには、前記第１の開閉装置を通電状態にする制御部と、を備え、
   前記第１の開閉装置が非通電状態であるときには、発電電力が前記制御部に供給され、 前記第１の開閉装置が通電状態であるときには、前記蓄電装置に蓄電された電力が前記制御部に供給される発電蓄電装置。
2. 発電装置で発電される発電電力を漏れなく貯留し、平滑化した電力を出力する変動電力貯留装置と、
   前記変動電力貯留装置から出力される電力を蓄電電力に変換する電力変換装置と、
   前記電力変換装置から出力された蓄電電力を蓄電し、蓄電した電力を外部に出力できる蓄電装置と、
   前記発電装置と前記変動電力貯留装置との間の通電状態又は非通電状態を制御する第２の開閉装置と、
   前記発電装置と前記変動電力貯留装置との間に前記第２の開閉装置と並列に接続され、前記変動電力貯留装置から前記発電装置への電力の流れを遮断する第１の整流素子と、
   発電電力が第２の所定電力未満のときには、前記第２の開閉装置を非通電状態にして前記第１の整流素子を介して前記発電装置から前記変動電力貯留装置に発電電力を供給し、発電電力が前記第２の所定電力以上のときには、前記第２の開閉装置を通電状態にして、前記第１の整流素子を介さずに前記発電装置から前記変動電力貯留装置に発電電力を供給する制御部と、を備える発電蓄電装置。
3. 前記発電装置と前記制御部との間に、前記発電装置への電力の流れを遮断する第２の整流素子を、さらに備える、請求項２に記載の発電蓄電装置。
4. 前記発電装置と並列に接続され、外部からの電力が入力可能な入力部と、
   外部からの電力を変換する最適化装置と、をさらに備え、
   前記制御部は、外部からの電力に応じた制御信号を前記最適化装置に供給する、請求項１または２に記載の発電蓄電装置。

Images