JPWO2015046594A1 - 電源回路および電力供給方法 - Google Patents

Abstract

電源回路（１）は、発電した電力に、出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する最大効率点制御を行って出力する発電素子（２）と、電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電デバイス（３）と、発電素子（２）から供給される電力と、蓄電デバイス（３）から供給される電力とを外部負荷に出力するフィルタ回路（４）と、発電素子（２）からフィルタ回路（４）への電力供給と、蓄電デバイス（３）からフィルタ回路（４）への電力供給とを制御する供給制御部（５）と、を備える。供給制御部（５）は、発電素子（２）から供給される電力の電流が予め定められた範囲内にあるときには、発電素子（２）からフィルタ回路（４）へ電力を供給させ、発電素子（２）から供給される電力の電流が予め定められた範囲の外にあるときには、蓄電デバイス（３）からフィルタ回路（４）へ電力を供給させる。

Description

本発明は、電源回路および電力供給方法に関する。

近年、いわゆる環境発電（エネルギーハーベスティング）が注目されている。環境発電とは、太陽光発電・熱電発電・振動発電など、実環境に存在する微弱なエネルギーを活用して発電する技術を指す。環境発電によれば、電力が消費される場所付近で、発電のためのエネルギー（燃料など）の人為的な補給なくして電力を供給することができる。そのため、環境発電は、遠隔タイプのセンシング端末等の電力源としてよく利用されている。

環境発電に用いられる発電素子には、発電電圧が数十ｍＶから数百ｍＶと低いものが多い。これらの発電素子から出力される電力は、そのままでは機器を稼動させるために不十分である。また、太陽光発電素子一部の発電素子では、素子の出力インピーダンス特性により、発電した電力をそのまま出力したのでは効率が悪くなるものもある。そのため、環境発電による発電素子を用いる場合、出力電圧を、機器が利用でき、かつ発電効率が望ましい水準となるように調整することが必要になる。

大型の太陽光発電システムでは、電力制御システムによる最大効率点制御（最大電力点追従：ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）が用いられるケースが多い。最大効率点制御とは、発電素子からの電力出力を受ける回路の入力インピーダンスを調整し、発電素子にとって出力効率が大きくなる電流域（および電圧域）で発電素子から電力を出力する技術である。

一方、出力電力が小さい発電素子では、電力制御システムによる電力消費が効率悪化に繋がるため、電力制御システムによる制御が難しい。そのため、出力電力が小さい発電素子を用いる場合、発電素子が発電した電圧を昇圧コンバータ回路によって昇圧し、蓄電デバイスに蓄電する技術が利用される。発電された電力を一旦蓄電デバイスに蓄積し、蓄電デバイスから機器に供給することで、稼動させるために十分な電圧で電力を供給することが可能となる。

例えば、特許文献１に開示されている電力供給システムは、ソーラーモジュールが発電した電力を、補助電源となるバッテリーモジュールに蓄電する。この電力供給システムは、電力を供給する対象の機器が一次電源に接続されているか否かを判定し、接続されていると判定した場合は一次電源に、接続されていないと判定した場合は補助電源に、対象機器を接続する。

特許文献２は、利用者の運動によって発電フィルムが発電した電力に、整流処理と電圧変換を行ったうえで蓄電手段に電力を貯蔵し、後に貯蔵した電力を機器へ供給する電源システムを開示している。

特開２０１０−２５９３２０号公報 特開２０１１−１９３６６５号公報

しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２に開示されている、昇圧回路や蓄電デバイスを用いた技術では、以下のような事由により、発電された電力を効率よく利用することができていない。

第１に、昇圧回路および蓄電デバイスが稼動できる電流域および電圧域と、発電素子にとって出力効率が大きくなる電流域および電圧域が一致しない。発電素子が、昇圧回路および蓄電デバイスが稼動できる電流域および電圧域（すなわち発電効率が低い電流域および電圧域）で発電することにより、望ましい発電効率を得られなくなる。

第２に、発電素子から対象機器までの間に存在する昇圧回路および蓄電デバイスで電力ロスが発生する。例えば、熱電変換素子や小型太陽光発電モジュール等で得られる発電電圧（数十ｍＶ〜数百ｍＶ程度）を、リチウムイオン電池の充電電圧（４Ｖ程度）まで昇圧する場合、数十〜数百倍の昇圧が必要となる。このように昇圧比の大きな昇圧では大きな電力ロスが生じ、電力を利用する上で効率を悪化させる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発電素子が発電した電力をより効率よく利用することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る電源回路は、
発電した電力に、出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する最大効率点制御を行って出力する発電デバイスと、
電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電デバイスと、
前記発電デバイスから供給される電力と、前記蓄電デバイスから供給される電力とを外部負荷に出力するフィルタ回路と、
前記発電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給と、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給とを制御する供給制御部と、を備え、
前記供給制御部は、前記発電デバイスから供給される電力の電流が予め定められた範囲内にあるときには、前記発電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させ、前記発電デバイスから供給される電力の電流が前記予め定められた範囲の外にあるときには、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させる、
ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る電力供給方法は、
出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する効率点制御を行いつつ発電した電力を出力する発電ステップと、
電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電ステップと、
前記発電ステップで発電された電力を、前記効率点制御により、予め設定された範囲内の電流で引き出すことができるときには、前記発電ステップで発電された電力を、前記効率点制御により、前記設定された範囲内の電流で引き出すことができないときには、前記蓄電ステップで蓄電された電力を、負荷に供給する供給ステップと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、発電素子によって発電された電力をより効率よく利用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電源回路の基本的な構成を示す図である。 発電素子から出力される電力量と電流量の関係を説明するための図である。 出力処理モードにおける電力の供給経路を示す模式図である。 充電処理モードにおける電力の供給経路を示す模式図である。 出力処理モードにおける発電素子、蓄電デバイス、フィルタ回路から出力される電力波形を示す図である。 第１の実施の形態に係る電源回路から出力される電力波形を示す図である。 第１の実施の形態に係る電源回路における電力の供給経路を示すための模式図である。 第１の実施の形態に係る電源回路と対比するための参考回路における電力の供給経路を示すための模式図である。 第１の実施の形態に係る電源回路の変形例における電力の供給経路を示すための模式図である。 第１の実施の形態に係る電源回路の変形例と対比するための参考回路における電力の供給経路を示すための模式図である。 第２の実施の形態に係る電源システムの回路構成を示す図である。 最大効率点制御を説明するための図である。 第１の電力パルスの波形を示した図である。 第２の電力パルスの波形を示した図である。 第１の状態における電力の供給経路を示す図である。 第２の状態における電力の供給経路を示す図である。 出力処理モードにおいてフィルタ回路に供給される電力波形を示す図である。 第３の状態における電力の供給経路を示す図である。 第４の状態における電力の供給経路を示す図である。 第２の実施の形態に係る制御処理を説明するためのフローチャートである。 実施例１に係る電源システムの回路図である。 実施例２に係る電源システムの回路図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る電源回路について説明する。本実施の形態に係る電源回路１は、図１に示すように、発電素子２と、蓄電デバイス３と、フィルタ回路４と、供給制御部５と、を備える。発電素子２は、第１の経路Ｃ₁を介してフィルタ回路４に接続されており、また第２の経路Ｃ₂を介して蓄電デバイス３に接続されている。蓄電デバイス３は、第３の経路Ｃ₃を介してフィルタ回路４に接続されている。

発電素子２は、太陽光発電素子や熱電素子などの発電素子を含むものである。発電素子２は、電力を発電し、発電した電力を第１の経路Ｃ₁を介して蓄電デバイス３に、あるいは第２の経路Ｃ₂を介してフィルタ回路４に供給する。また、後述されるように、発電素子２は出力する電力効率が大きくなるように最大効率点制御（最大電力点追従：ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）を行い、出力する電流を調整する。このように、発電素子２は、発電した電力に最大出力点制御機能を有する発電デバイスの一例として機能する。

蓄電デバイス３は、発電素子２から供給された電力を蓄電し、また蓄電した電力を第３の経路Ｃ₃を介してフィルタ回路４に出力する。蓄電デバイス３は、リチウムイオン電池、あるいは化学二次電池等により構成され、所定の動作電圧により供給された電力を蓄電する。蓄電デバイス３は、蓄電した電力を外部に供給する際の出力電圧を制御し変化させることができるものであってもよい。

フィルタ回路４は、インダクタとキャパシタを用いたＬＣフィルタ等により構成される。フィルタ回路４は、発電素子２および蓄電デバイス３から電力の供給を受け、それを合成して外部負荷に出力する。そのとき、フィルタ回路４は、発電素子２および蓄電デバイス３から供給される電力を平滑化して外部負荷に出力する。

供給制御部５は、その時々の状況に応じ、第１の経路Ｃ₁、第２の経路Ｃ₂および第３の経路Ｃ₃の各経路に含まれるスイッチを切り替えることにより、各経路の両端を低インピーダンスで接続（電気的に導通）させ、あるいは各経路の両端を高インピーダンスで接続（電気的に切断）する。例えば、蓄電デバイス３の蓄電量が予め定められた量を下回った場合、供給制御部５は、第１の経路Ｃ₁および第３の経路Ｃ₃を電気的に切断し、第２の経路Ｃ₂を導通する。こうすることにより、供給制御部５は、蓄電デバイス３の蓄電量が少ない場合には、発電素子２が供給する電力が蓄電デバイス３に供給されて蓄電されるように制御し、フィルタ回路４には電力が供給されないように制御する。ほかにも、供給制御部５は、発電素子２から供給される電力の電流が予め定められた範囲内にあるときには、発電素子２からフィルタ回路４へ電力を供給させ、発電素子２から供給される電力の電流が予め定められた範囲の外にあるときには、蓄電デバイス３からフィルタ回路４へ電力を供給させる機能も有する。

発電素子２は、図２の波形Ｌ１によって示される出力特性を有し、出力する電流（図中横軸）に応じて出力する電力量（図中縦軸）が変化する。発電素子２は、最大出力点Ｐ１の電流を出力している場合に最も出力する電力量が大きくなる。最大出力点よりも多い電流を出力する場合も、少ない電流を出力する場合も、発電素子２から出力される電力は、最大出力点Ｐ１での出力電力よりも小さくなる。

上述したように、発電素子２は出力する電力が大きくなるように電流を調整する（最大効率点制御する）機能を有する。具体的には、最大出力点Ｐ１における出力電力の所定割合（例えば、９０％）となる電力値を閾値とし、出力電力量が閾値以上となる電流の範囲の上限値および下限値を、発電素子２は予め記録する。そして発電素子２は、出力する電流が、記録された範囲の上限値よりも出力する電流量が多くなった場合には出力電流を減少させ、その範囲の下限値よりも出力する電流量が少なくなった場合には出力電流を増加させるように制御する。この制御を行うことにより、発電素子２は、出力する電力効率が高く保たれるように制御する。なお、この電流の範囲（上限値および下限値）を設定する際は、その範囲内に最大出力点Ｐ１が含まれるように設定する。

なお、発電素子２は、発電した電力を蓄電デバイス３に供給する場合、上述の最大効率点制御を行わず、蓄電デバイス３の動作電圧に適合した電流量で出力する。これは、蓄電デバイス３の動作電圧に対応した電流量が、上述の「発電素子２の出力電力量が閾値以上となる電流の範囲」の中にない場合に備え、発電効率が悪くとも蓄電デバイス３に適合した電圧で蓄電するためである。

上述したとおり、電源回路１において、発電素子２が発電した電力は、それぞれ第１の経路Ｃ₁、第２の経路Ｃ₂、第３の経路Ｃ₃を経由し、最終的にフィルタ回路４を経て出力される。発電された電力は、フィルタ回路４から出力されるまでに、各素子（蓄電デバイス３、フィルタ回路４）および各経路（第１の経路Ｃ₁、第２の経路Ｃ₂、第３の経路Ｃ₃）を経由して出力される。各素子および各経路に含まれる抵抗や容量などにより電力ロスが生じるため、電源回路１から出力される出力電力量Ｗ_OOUTは、発電素子２によって出力された発電量Ｗ_INよりも小さくなる。

第１の実施の形態に係る電源回路１は、発電素子２が発電した電力をフィルタ回路４から出力するモードである出力処理モードと、発電素子２が発電した電力を蓄電デバイス３に蓄積し、フィルタ回路４からは電力を出力しないモードである充電処理モードとを切り替えながら稼動する。出力処理モードとは、図３Ａに示すように、フィルタ回路４に発電素子２と蓄電デバイス３から電力が供給され、フィルタ回路４が外部負荷に電力を出力するモードである。充電処理モードとは、図３Ｂに示すように、発電素子２から出力された電力は蓄電デバイス３に蓄電され、フィルタ回路４は外部負荷に電力を供給しないモードである。

蓄電デバイス３の蓄電量が、予め規定された蓄電量（出力開始基準）を超えると、電源回路１は稼動モードを充電処理モードから出力処理モードに切り替える。この切り替えのため、供給制御部５は、第１の経路Ｃ₁および第３の経路Ｃ₃を導通させるとともに、第２の経路Ｃ₂を電気的に切断する。これにより、電源回路１は、フィルタ回路４から外部負荷への電力供給を開始する。

一方、外部への電力供給により蓄電デバイス３の蓄電量が減少し、予め規定された蓄電量（蓄電開始基準）を下回ると、電源回路１は稼動モードを充電処理モードに切り替える。この切り替えに伴い、供給制御部５は、第１の経路Ｃ₁および第３の経路Ｃ₃を電気的に切断させ、第２の経路Ｃ₂を導通させる。これにより、電源回路１は、発電素子２により発電された電力を蓄電デバイス３に供給し、フィルタ回路４から外部負荷への電力供給を停止する。

電源回路１は、蓄電デバイス３に十分電力がある間は出力処理モードで外部負荷に電力を供給する。蓄電デバイス３の蓄電量が蓄電開始基準を下回ると、電源回路１は処理モードを出力処理モードから充電処理モードに切り替え、発電素子２に発電された電力により蓄電デバイス３を蓄電する。そして、蓄電デバイス３の蓄電量が出力開始基準を上回ると、電源回路１は処理モードを充電処理モードから出力処理モードに切り替え、外部負荷に電力を供給する。このように、電源回路１は処理モードを出力処理モードと充電処理モードとを切り替えながら外部負荷に電力を供給する。

発電した電力を最大効率点制御して出力するため、発電素子２が出力する電力の波形は、図４の波形Ｌ２に示すように、パルス状、あるいは矩形波状となる。すなわち、最大効率点制御により、発電素子２は、（１）出力電力量が閾値以上となる電流の範囲で電力を出力する時間帯（時間帯Ａ）と、（２）出力電力量が閾値より低くなるために電力を出力しない、あるいは微弱な電力を出力する時間帯（時間帯Ｂ）とを短時間で交互に繰り返すこととなる。

さらに供給制御部５は、発電素子２から出力される電力を監視しており、時間帯Ａ（発電素子２が電力を出力している時間帯）では、第３の経路Ｃ₃の両端子間を高インピーダンスで接続し、時間帯Ｂ（発電素子２からフィルタ回路４への電力供給がない、あるいは非常に小さい時間帯）では第３の経路Ｃ₃の両端子間を低インピーダンスで接続する。これにより、時間帯Ａには、蓄電デバイス３からフィルタ回路４への電力供給は非常に小さくなる。一方、時間帯Ｂには、蓄電デバイス３からフィルタ回路４へ電力が供給される。ここで、蓄電デバイス３は、出力する電力をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）やＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation：パルス周波数変調）といった変調方式により変調された周波数として出力する。そのため、蓄電デバイス３からフィルタ回路４へは、図４の波形Ｌ３に示すようなパルス状あるいは矩形波状の波形を有する電力が供給されるものとする。フィルタ回路４は、時間帯Ａでは発電素子２から供給される電力を受け取り、時間帯Ｂでは蓄電デバイス３から供給された電力を受け取る。これにより、フィルタ回路４は、図４の波形Ｌ４に示されるように、発電素子２および蓄電デバイス３が出力する電力波形（Ｌ２およびＬ３）に比べると安定した電力（波形Ｌ４）を受け取り、これを平滑化して外部負荷に供給する。

ここまで述べた処理の結果、フィルタ回路４に入力される電力波形は、図５に示される波形となる。すなわち、充電処理モードにあるときは、フィルタ回路４には電力が出力されない、あるいは微弱な電力のみが出力される。出力処理モードにあるときは、発電素子２から出力される波形と、蓄電デバイス３から出力される波形とを合わせた波形の電力がフィルタ回路４に供給される。フィルタ回路４は、この波形の電力を平滑化し、外部負荷に供給する。

電源回路１から出力される電力の効率について、具体的に計算し説明する。

電源回路１がフィルタ回路４から電力を出力する場合、発電素子２からフィルタ回路４への電力供給は、図６Ａに示すように、２つのルートを介して行われる。すなわち、発電素子２から第１の経路Ｃ₁を介して直接にフィルタ回路４に電力が供給されるルート（第１のルート）と、発電素子２から第２の経路Ｃ_２を介して蓄電デバイス３に一旦電力が蓄積され、蓄電デバイス３から第３の経路Ｃ_３を介してフィルタ回路４に電力が供給されるルート（第２のルート）が存在する。

第１のルートによって供給される電力量をＷ_OUT1とすると、これは、発電素子２で発電された電力量Ｗ_INに、発電素子２での発電効率η₁、および発電素子２からフィルタ回路４へ電力を伝達する際の電力効率η₂を乗じた値となり、すなわちＷ_OUT1＝Ｗ_INη₁η₂となる。ここで、発電素子２での発電効率η₁は、最大点出力制御によって高い水準に保たれている。さらに、第１のルートで電力が供給されるのは、電源回路１が出力処理モードにある間に発電素子２が発電した電力に限られる。そのため、電源回路１がモードを１サイクル切り替える期間内に第１のルートにより供給する電力量は、出力処理モードに充てられる時間の割合をＤ（すなわち、充電処理モードに充てられる時間の割合を１−Ｄ）とすると、Ｗ_OUT1＝Ｄ・Ｗ_INη₁η₂となる。

次に、第２のルートによって供給される電力量Ｗ_OUT２を計算する。Ｗ_OUT２は、発電素子２で発電された電力量Ｗ_INに、発電素子２から蓄電デバイス３に電力が出力される場合の発電効率η_３、および蓄電デバイス３からフィルタ回路４へ電力を伝達する際の電力効率η_４を乗じた値となり、Ｗ_OUT2＝Ｗ_INη₃η₄となる。さらに、第２のルートで電力が供給されるのは、電源回路１が充電処理モードにある間に発電素子２が発電した電力に限られる。そのため、１サイクルあたりで電源回路１が第２のルートにより供給する電力量は、さらに充電処理モードに充てられる時間の割合（１−Ｄ）を乗じ、Ｗ_OUT２＝（１−Ｄ）・Ｗ_INη_３η_４となる。

電源回路１が出力できる電力量Ｗ_OUTは、ここまで述べたＷ_OUT1とＷ_OUT2の和で表される。すなわち、Ｗ_OUT＝Ｄ（Ｗ_INη₁η₂）＋（１−Ｄ）（Ｗ_INη₃η₄）となる。

ここで、対比のため、電源回路１から第１の経路Ｃ₁を削除した、図６Ｂに示される参考電源回路１’による場合を検討する。参考電源回路１’では、常時、発電素子２が発電した電力が蓄電デバイス３に蓄積される。また、フィルタ回路４は、蓄電デバイス３から供給された電力を外部に出力する。従って、参考電源回路１’から出力される電力Ｗ_OUT’は、Ｗ_OUT’＝Ｗ_INη₃η₄で表現される。電源回路１による電力量Ｗ_OUTと、参考電源回路１’による電力量Ｗ_OUT’の差ΔＷを計算すると、ΔＷ＝ＤＷ_IN（η₁η₂−η₃η₄）となる。

ここで、発電素子２からフィルタ回路４に出力される際の発電効率η₁は、上述のとおり最大効率点制御によって高い水準に保たれている。一方で、発電素子２から蓄電デバイス３に出力される際の発電効率η_３は、最大効率点制御がなされておらず、発電効率η₁に比べて低い値となり、η₁＞η₃の不等式が成立する。さらに、回路間のロスを示す電力効率η_２および電力効率η₄にはそれほど大きな差が生じにくい。これをうけて電力効率η_２＝電力効率η₄と近似した場合、η₁η₂＞η₃η₄となる。そのため、電源回路１は、第１の経路Ｃ₁を有することにより、ΔＷ＝ＤＷ_IN（η₁η₂−η₃η₄）だけ電力量を多く出力できることとなる。

このように、本実施形態に係る電源回路１は、第１の経路Ｃ₁を備えることにより、発電素子２が発電した電力をより効率よくフィルタ回路４から出力することができる。

ここから、上述の第１の実施の形態にかかる電源回路１の変形例として、図７Ａに示す電源回路１ａについて説明する。電源回路１ａは、図７Ａに示すように、発電素子２と、蓄電デバイス３と、フィルタ回路４と、供給制御部５と、充電回路６と、を備える。電源回路１ａは、発電素子２と蓄電デバイス３との間に充電回路６を備える。蓄電デバイス３が、発電素子２から直接に電力を供給されるのではなく、発電素子２から充電回路６を介して電力の供給を受ける点で、電源回路１ａは電源回路１と相違する。

充電回路６は、供給された電力の電圧を昇圧して出力するコンバータ回路である。充電回路６は、発電素子２から出力された電力の電圧を、蓄電デバイス３の動作電圧にまで昇圧して、蓄電デバイス３に供給する。

電源回路１ａは、電源回路１と同様に、処理モードを出力処理モードと充電処理モードとを切り替えながら外部負荷に電力を供給する。出力処理モードでは、電源回路１と同様、電源回路１ａは、第１のルート（発電素子２から直接にフィルタ回路４に電力が供給されるルート）と、第２のルート（発電素子２は蓄電デバイス３に一旦電力を蓄積し、蓄電デバイス３からフィルタ回路４に電力が供給されるルート）を経由して外部負荷に電力を供給する。電源回路１ａが第１のルートを介して供給する電力Ｗ_OUT１は、電源回路１と同一であり、Ｗ_OUT1＝Ｄ・Ｗ_INη₁η₂となる。

電源回路１ａが第２のルートを経由して外部負荷に供給する電力量Ｗ_OUT２は、発電素子２で発電された電力量Ｗ_INに、発電素子２から充電回路６に電力が出力される場合の発電効率η_３、充電回路６から蓄電デバイス３に電力が出力される場合の電力効率η_５、および蓄電デバイス３からフィルタ回路４へ電力を伝達する際の電力効率η_４を乗じた値となり、Ｗ_OUT2＝Ｗ_INη₃η₄η_５となる。さらに、第２のルートで電力が供給されるのは、電源回路１が充電処理モードにある間に発電素子２が発電した電力に限られる。そのため、１サイクルあたりで電源回路１ａが第２のルートにより外部負荷に供給する電力量Ｗ_OUT２は、さらに充電処理モードに充てられる時間の割合（１−Ｄ）を乗じ、Ｗ_OUT２＝（１−Ｄ）・Ｗ_INη_３η_４η_５となる。

電源回路１ａが出力できる電力量Ｗ_OUTは、ここまで述べたＷ_OUT1とＷ_OUT2の和で表される。すなわち、Ｗ_OUT＝Ｄ（Ｗ_INη₁η₂）＋（１−Ｄ）（Ｗ_INη₃η₄η_５）となる。

ここで、電源回路１ａから第１の経路Ｃ₁を削除した、図７Ｂに示す参考電源回路１ａ’による出力電力量との差を計算する。参考電源回路１ａ’では、常時、第２のルートを介して電力が出力されるため、出力される電力量Ｗ_OUT’は、Ｗ_OUT’＝Ｗ_OUT2＝Ｗ_INη₃η₄η_５で表現される。そのため、電源回路１ａによる電力量Ｗ_OUTと、参考電源回路１ａ’による電力量Ｗ_OUT’の差ΔＷを計算すると、ΔＷ＝ＤＷ_IN（η₁η₂−η₃η₄η_５）となる。

第１の実施の形態の変形例にかかる電源回路１ａでは、発電素子２と蓄電デバイス３との間に充電回路６を備える。上述のとおり、充電回路６は発電素子２から供給された電力の電圧を昇圧し、昇圧した電力を蓄電デバイス３に供給する。発電素子２が充電回路６に電力を供給する際は、蓄電デバイス３が稼動できる電流域および電圧域でなくとも電力供給が可能であるため、最大効率点制御がなされた場合の発電効率η₁に近い水準の発電効率η₃により、発電素子２は充電回路６に電力供給が可能である。一方、充電回路６は蓄電デバイス３に電力を供給するにあたり、電圧を大幅に昇圧する必要があるため、電力ロスが発生し、電力効率η_５はη₁よりも小さくなる。その結果、η₁η₂＞η₃η₄η_５となり、ΔＷ＝ＤＷ_IN（η₁η₂−η₃η₄η_５）は正の値となる。すなわち、電源回路１ａは、参考電源回路１ａ’に比べて第１の経路Ｃ₁を有することにより、ΔＷだけ電力量を多く出力することができ、電力効率を改善することができる。

このように、電源回路１ａは、発電素子２から最大効率点制御のもと出力された電力を第１のルートを介して出力するため、発電した電力を効率よく出力することができる。また、発電素子２から直接出力するルート（第１のルート）と、蓄電デバイス３を介して出力するルート（第２のルート）を併用して電力を供給することで、安定した電力を供給することもできる。

（第２の実施の形態）
ここから、上述した第１の実施の形態の具体的な例として、第２の実施の形態に係る電源システムの具体的な回路構成について説明する。本実施の形態に係る電源システム１０は、図８に示すように、発電素子１１、充電回路１２、蓄電デバイス１３、ＭＰＰＴ回路１４、コントローラ１５、１６、フィードバック（ＦＢ）回路１７およびフィルタ回路１８を備え、これらが配線や、切替スイッチＳＷ₁、切替スイッチＳＷ_２、切替スイッチＳＷ_３および切替スイッチＳＷ_４等を介して接続された構成を有する。図中において、実線は電力伝達のための配線を示し、破線は制御信号を伝達するための配線を示す。

発電素子１１は、太陽光発電素子や熱電発電素子などにより構成され、周辺環境からのエネルギーを活用して電力を発電する機能を有する。発電素子１１は、上述した発電素子２の一具体例に該当する。発電素子１１は、接地用端子を有し、設置用端子によりグランドに接地されている。また発電素子１１は、電力出力用端子を２つ有し、そのうち一方の電力出力用端子は、切替スイッチＳＷ₁を介して充電回路１２に接続されている。発電素子１１の他方の電力出力用端子は、切替スイッチＳＷ₂を介してフィルタ回路１８に接続されている。さらに、発電素子１１は信号出力用端子を備え、信号出力用端子を介して後述するＭＰＰＴ回路１４に接続されている。発電素子１１は、発電した電力を、２つの電力出力用端子から出力するとともに、出力電力の電流値（もしくは電圧値）を示す値信号を信号出力用端子から出力する。

充電回路１２は例えば、一般的な昇圧コンバータ、降圧コンバータなどにより構成される。充電回路１２は、上述した充電回路６の一具体例であり、発電素子１１から供給された電力の電圧を調整し、蓄電デバイス１３の動作電圧に変圧した上で蓄電デバイス１３に供給する。充電回路１２は、入力側端子が切替スイッチＳＷ₁を介して発電素子１１に接続されている。また、充電回路１２は、出力側端子が蓄電デバイス１３に接続されている。すなわち、切替スイッチＳＷ₁がＯＮ状態のときに、充電回路１２は、発電素子１１から電力の供給を受け、それを蓄電デバイス１３の動作電圧に変圧し、蓄電デバイス１３に供給する。

蓄電デバイス１３は例えば、リチウムイオン電池などで構成される。蓄電デバイス１３は、第１の実施の形態で述べた蓄電デバイス３の一具体例であり、充電回路１２から供給された電力を蓄積し、適宜出力する。蓄電デバイス１３は、接地用端子により接地されている。また蓄電デバイス１３は入力用端子は充電回路１２に接続されている。また蓄電デバイス１３の出力用端子は、切替スイッチＳＷ₃を介してフィルタ回路１８と接続されている。さらに、蓄電デバイス１３は、信号出力用の端子を備え、そのときに蓄電デバイス１３に蓄電されている電力量を示す蓄電量信号を出力する。蓄電デバイス１３の信号出力用の端子は、コントローラ１５に接続されている。

ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１を最大効率点制御するための制御回路である。ＭＰＰＴ回路１４は、例えば、電圧を比較するためのロジック回路（コンパレータ回路や基準電圧回路などを含む）や、信号出力のためのアナログ回路などを含む。ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１が出力した値信号を受け取ることにより、発電素子１１がそのとき出力している出力電力の電流値（もしくは電圧値）を取得する。ＭＰＰＴ回路１４は、取得した出力電力の電流値（もしくは電圧値）に基づいて出力電流値を調整することにより、発電素子１１から出力される電力を最大効率点制御する。詳しくは後述する。

切替スイッチＳＷ₁、ＳＷ₂、ＳＷ₃、ＳＷ₄はそれぞれ、例えばＦＥＴスイッチやバイポーラトランジスタなど、一般的なスイッチ素子やダイオードにより構成される。切替スイッチＳＷ₁、ＳＷ₂、ＳＷ₃、ＳＷ₄はいずれも、制御入力端子を１つと、スイッチ端子を２つ備える。切替スイッチＳＷ₁、ＳＷ₂、ＳＷ₃、ＳＷ₄はいずれも、制御入力端子にＯＮ信号が入力されると、２つのスイッチ端子の間を導通（低インピーダンスで接続）させ、制御入力端子にＯＦＦ信号が入力されると、２つのスイッチ端子の間を電気的に切断（高インピーダンスで接続）させる。すなわち、いずれの切替スイッチも、受信した制御信号に基づいて、ＯＮ状態（両スイッチ端子間を低インピーダンスで電気的に接続する状態）とＯＦＦ状態（両スイッチ端子間を高インピーダンスで電気的に接続する状態）との間で状態を切り替える。

切替スイッチＳＷ₁は、制御入力端子がコントローラ１５に接続されており、一方のスイッチ端子が発電素子１１の電力出力用端子に、他方のスイッチ端子が充電回路１２の入力側端子に接続されている。切替スイッチＳＷ₁は、コントローラ１５からＯＮ信号が供給されると、発電素子１１から供給される電力を充電回路１２に出力し、コントローラ１５からＯＦＦ信号が供給されると、発電素子１１から充電回路１２への電力供給を遮断する。すなわち、切替スイッチＳＷ₁は、発電素子１１から充電回路１２への電力供給を、コントローラ１５から供給される制御信号に基づいて制御する。

切替スイッチＳＷ_２は、制御入力端子がコントローラ１５に接続されており、一方のスイッチ端子が発電素子１１の電力出力用端子に、他方のスイッチ端子がフィルタ回路１８の入力側端子に接続されている。切替スイッチＳＷ_２は、コントローラ１５からＯＮ信号が供給されると、発電素子１１から供給される電力をフィルタ回路１８に出力し、コントローラ１５からＯＦＦ信号が供給されると、発電素子１１からフィルタ回路１８への電力供給を遮断する。すなわち、切替スイッチＳＷ_２は、発電素子１１からフィルタ回路１８への電力供給を、コントローラ１５から供給される制御信号に基づいて制御する。

切替スイッチＳＷ_３は、制御入力端子がコントローラ１６に接続されており、一方のスイッチ端子が蓄電デバイス１３の出力端子に、他方のスイッチ端子がフィルタ回路１８の入力側端子に接続されている。切替スイッチＳＷ_３は、コントローラ１６からＯＮ信号が供給されると、蓄電デバイス１３から供給される電力をフィルタ回路１８に出力し、コントローラ１６からＯＦＦ信号が供給されると、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給を遮断する。すなわち、切替スイッチＳＷ_３は、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給を、コントローラ１６から供給される制御信号に基づいて制御する。

切替スイッチＳＷ_４は、制御入力端子がコントローラ１６に接続されており、一方のスイッチ端子がフィルタ回路１８の入力端子に接続されており、他方のスイッチ端子は接地されている。切替スイッチＳＷ_４は、コントローラ１６からＯＮ信号が供給されると、フィルタ回路１８の入力端子を接地し、コントローラ１６からＯＦＦ信号が供給されると、フィルタ回路１８の入力端子を接地点と高インピーダンスで接続する。すなわち、切替スイッチＳＷ_４は、フィルタ回路１８の入力端子の接地を、コントローラ１６から供給される制御信号に基づいて制御する。

コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ₁および切替スイッチＳＷ_２を制御することにより、発電素子１１が発電した電力の供給先を制御する。コントローラ１５は、発電素子１１が出力する電力の電流値（もしくは電圧値）を示す値信号をＭＰＰＴ回路１４から受け取り、また、蓄電デバイス１３に蓄電されている電力量を示す値信号を蓄電デバイス１３から受け取り、受け取った値信号に基づいて切替スイッチＳＷ₁および切替スイッチＳＷ₂を動作させる。コントローラ１５による制御動作については後述する。

コントローラ１６は、切替スイッチＳＷ_３を制御することにより、蓄電デバイス１３から外部負荷への電力供給を制御する。コントローラ１６は、ＦＢ回路１７から制御信号を受け取り、受け取った制御信号に基づいて切替スイッチＳＷ_３および切替スイッチＳＷ_４を動作させる。また、コントローラ１５およびコントローラ１６は、互いに制御信号を送受信し、送受信した制御信号に基づいて各切替スイッチ（ＳＷ₁、ＳＷ₂、ＳＷ₃、ＳＷ₄）を制御することもできる。具体的なコントローラ１６の動作については後述する。

コントローラ１５およびコントローラ１６は、任意の回路で構成することができ、例えば発振回路やアナログ回路、ロジック回路、ＦＥＴゲートドライブ回路などを含む。コントローラ１５およびコントローラ１６は、本実施の形態においては別個の回路として構成したが、これに限られず、一体として形成したものにより実装することも可能である。コントローラ１５およびコントローラ１６は、一体として、供給制御部としての機能を提供する。

発電素子１１が発電した電力をフィルタ回路１８に出力する場合には、コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ₁にＯＦＦ信号を出力し、切替スイッチＳＷ_２にＯＮ信号を出力する。これにより、切替スイッチＳＷ₁の両スイッチ端子間のインピーダンスは高く、切替スイッチＳＷ_２の両スイッチ端子間のインピーダンスは低くなる。そのため、発電素子１１が発電した電力は、その大部分が切替スイッチＳＷ_２を経由してフィルタ回路１８に供給され、切替スイッチＳＷ_１を経由して充電回路１２に供給される電力はわずかとなる。また、この場合、コントローラ１６は切替スイッチＳＷ_３および切替スイッチＳＷ_４にＯＦＦ信号を出力し、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給を遮断するとともに、発電素子１１から供給される電力がグランドに流出することを防ぐ。

また、蓄電デバイス１３に蓄積した電力をフィルタ回路１８に出力する場合には、コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ₂にＯＦＦ信号を出力する。また、コントローラ１６は切替スイッチＳＷ_３にＯＮ信号を送信し、切替スイッチＳＷ_４にＯＦＦ信号を送信する。これにより、切替スイッチＳＷ_２の両スイッチ端子間のインピーダンスが高くなり、発電素子１１からフィルタ回路１８への電力供給を遮断する。また、切替スイッチＳＷ_３の両スイッチ端子間のインピーダンスが低くなり、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８へ電力が供給される。このように、コントローラ１５およびコントローラ１６は、連携して各切替スイッチの状態を制御することにより、上述した供給制御部５に対応する機能を提供する。

ＦＢ回路１７は、フィルタ回路１８の出力端子の電圧を検知し、検知した電圧を示す値信号をアナログ出力信号としてコントローラ１６に出力する。

フィルタ回路１８は、例えば、インダクタやキャパシタを用いたＬＣフィルタなどにより構成される。フィルタ回路１８は、発電素子１１および蓄電デバイス１３から供給される電力を合成し、平滑化した上で負荷１９へ出力する。

ここから、本実施の形態において、ＭＰＰＴ回路１４が発電素子１１からの出力電力を最大効率点制御する動作について具体的に説明する。

発電素子１１が出力する電力の電流値は、電源回路１０の状態や、また発電するエネルギー源となる環境の状態によって変動する。その結果、例えば図９に示すＰ１のように最大出力点の電流値となる場合もある。一方で、Ｐ２のように、出力電力量が閾値以上となる電流範囲の上限を超えた電流値や、Ｐ３のように、出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限に満たない電流値を取ることもある。

発電素子１１が出力している電流値が、出力電力量が閾値以上となる電流範囲の上限を超えた場合（例えば図中Ｐ２）、ＭＰＰＴ回路１４は、制御信号としてＯＦＦ信号をコントローラ１５に出力する。コントローラ１５は、ＭＰＰＴ回路１４からＯＦＦ信号を受け取ると、切替スイッチＳＷ₂にＯＦＦ信号を出力する。その結果、切替スイッチＳＷ₂の両スイッチ端子間は高インピーダンスで接続され、発電素子１１からフィルタ回路１８への供給される電力は非常に弱くなる。これにより、発電素子１１が出力する電流量が減少し、最大出力点の電流値に近づくことになる。これにより、出力電力量が増加し、発電素子１１から出力される電力の効率が改善する。

一方、発電素子１１が出力している電流値が、出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限に満たない場合（例えば図中Ｐ３）、ＭＰＰＴ回路１４は、制御信号としてＯＮ信号をコントローラ１５に出力する。コントローラ１５は、ＭＰＰＴ回路１４からＯＮ信号を受け取ると、切替スイッチＳＷ₂にＯＮ信号を出力する。その結果、切替スイッチＳＷ₂の両スイッチ端子間は低インピーダンスで接続され、発電素子１１からフィルタ回路１８へ流れる電流が増加する。これにより、発電素子１１が出力する電流量が増加し、最大出力点の電流値に近づくことになる。これにより、出力電力量が増加し、発電素子１１から出力される電力の効率が改善する。このように、発電素子１１と、ＭＰＰＴ回路１４と、コントローラ１５と、切替スイッチＳＷ₂とは、協働して動作することにより、発電した電力に最大出力点制御機能を有する発電デバイスの一例として機能する。

このように、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１が出力している電流値が、出力電力量が閾値以上となる電流の範囲から外れると、範囲内に近づく方向に電流量を調整する。その結果、ＭＰＰＴ回路１４がＯＮ信号を出力しているときには、発電素子１１からフィルタ回路１８へ大きな電力が供給される。一方、ＭＰＰＴ回路１４がＯＦＦ信号を出力しているときには、発電素子１１からフィルタ回路１８へは非常に小さな電力が供給され、あるいは、フィルタ回路１８への電力供給が停止する。

このようなＭＰＰＴ回路１４の動作の結果、発電素子１１がフィルタ回路１８に供給する電力の波形は、図１０Ａに示すようなパルス状となる。

また、コントローラ１６は、ＰＷＭまたはＰＦＭといった変調方式により変調されたパルス信号を用いて切替スイッチＳＷ_３を制御する。その結果、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８に供給される電力は、図１０Ｂに示されたようなパルス状の波形（第２の電力パルス）となる。コントローラ１６は、負荷１９に加えられた電圧信号をＦＢ回路１７を介して受け取り、負帰還制御により出力する電力パルスの形状を制御する。

上述した構成を備える電源システム１０では、コントローラ１５、１６の制御のもと、以下に説明する３つの状態（第１の状態、第２の状態および第３の状態）を交互に遷移することにより、電力を負荷１９に出力する。以下、各状態について説明する。

蓄電デバイス１３に閾値以上の電力が蓄電されており、発電素子１１から出力される電流が、発電素子１１の出力電力量が閾値以上となる電流範囲にある場合、電源システム１０は第１の状態をとり、発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給する。この状態では、蓄電デバイス１３に十分な電力があるため、コントローラ１５は、蓄電デバイス１３から供給された蓄電量を示す制御信号に基づいて、電源システム１０が出力処理モードにあると判断し、切替スイッチＳＷ_１にＯＦＦ信号を出力している。さらに、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１の出力電力量が閾値以上であることを示す制御信号を発電素子１１から受信しているため、コントローラ１５にＯＮ信号を出力している。コントローラ１５は、ＭＰＰＴ回路１４からのＯＮ信号に基づいて、切替スイッチＳＷ_２にＯＮ信号を出力している。さらに、コントローラ１５のこれらの動作に同期し、コントローラ１６は切替スイッチＳＷ_３にＯＦＦ信号を出力している。

コントローラ１５およびコントローラ１６の上記の動作の結果、発電素子１１が発電した電力は、図１１に示すように、フィルタ回路１８に供給される一方、発電素子１１から蓄電デバイス１３へ、あるいは蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給は遮断される。
ここで、環境の変化等により、発電素子１１から出力される電流が、発電素子１１の出力電力量が閾値以上となる電流範囲よりも大きくなると、ＭＰＰＴ回路１４はＯＦＦ信号を出力する。ＯＦＦ信号に応答して、コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ_２にＯＦＦ信号を出力する。これにより、発電素子１１からフィルタ回路１８への電流は遮断される（これにより、第２の状態に移行する）。その後、一定の遅延時間が経過すると、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１から出力される電流が、発電素子１１の出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限値よりも小さいことを検出し、ＯＮ信号を出力する。ＯＮ信号に応答して、コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ_２にＯＮ信号を出力することにより、発電素子１１からフィルタ回路１８への電流が再び流れ出す。このような動作を繰り返すことにより、発電素子１１は、図１０Ａに示すように、第１のパルス列Ｐ１１、Ｐ１２、．．．を出力する。

前述したように、発電素子１１から出力される電流が、出力電力量が閾値以上となる電力範囲の上限値より大きくなると、電源システム１０は第２の状態に移行する。この状態では、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８に電力が供給される。また、コントローラ１５は、蓄電デバイス１３から、蓄電量が十分にあることを示す制御信号から、電源システム１０が出力処理モードにあると判断している。コントローラ１５は、この状態において、ＭＰＰＴ回路１４からＯＦＦ信号が出力されたことに応答して、切替スイッチＳＷ_１と切替スイッチＳＷ_２にＯＦＦ信号を出力し、電源システム１０は第２の状態に移行する。

さらに、コントローラ１５は、コントローラ１６に、ＰＷＭまたはＰＦＭといった変調方式により変調されたパルス信号を用いて切替スイッチＳＷ_３を制御することを指示する。
コントローラ１６は、フィルタ回路１８から負荷１９へ提供される電力の電圧を示す情報を、ＦＢ回路１７を介して受信し、それに応じて蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８パルス幅やパルス周期、パルス強度等を調整する。この結果、コントローラ１６は、発電素子１１から切替スイッチＳＷ_２を介して１８に電力を供給する処理が休止している間（第２の状態にある間）に、複数のパルス状（第２のパルス列Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４、Ｐ２５、Ｐ２６）の電力を１８に供給する。
この第２の状態は、ＭＰＰＴ回路１４がＯＮ信号を出力して、第１の状態が再開するすることにより終了する。その後、発電素子１１から出力される電流が、出力電力量が閾値以上となる電力範囲の上限値より大きくなると、再び第１の状態が終了することで、第２の状態が再開する。
この結果、フィルタ回路１８には、図１０Ｂに示すように、時間帯Ｂごとにパルス状の電力が印加されることになる。なお、図１０Ｂでは、理解を容易にするために、各第２の状態で、２つのパルス状電力がフィルタ回路１８に供給される例を示しているが、印加される電力の状態はこれに限られない。ＰＷＭまたはＰＦＭといった変調方式により任意の形に変調された電力が可能であり、時間帯Ｂごとに含まれるパルス状電力の数は任意である。

コントローラ１５およびコントローラ１６の上記の動作の結果、図１２に示すように、蓄電デバイス１３から電力がフィルタ回路１８に供給される一方、発電素子１１から蓄電デバイス１３へ、あるいは発電素子１１からフィルタ回路１８への電力供給は遮断される。フィルタ回路１８は、図１０Ｂに示される第２の電力パルスを受信し、供給された電力を平滑化して負荷１９に出力する。

以上の動作をまとめると、電源システム１０が出力処理モードにあるとき（すなわち蓄電デバイス１３に十分な電力が蓄積されているとき）、最初に電源システム１０は、発電素子１１からの電流が発電素子１１の出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限値よりも少ないことを検出し、第１の状態をとる。その後、発電素子１１からの電流が増加し、発電素子１１の出力電力量が閾値以上となる電流範囲の上限値を超えると、電源システム１０は第２の状態に遷移する。遷移に伴い、電源システム１０は発電素子１１からフィルタ回路１８への電力供給を遮断する一方、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給を開始する。また逆に、第２の状態にあるときに、発電素子１１からの電流が出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限値を下回ると、電源システム１０は第１の状態に遷移し、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給を遮断したうえで、発電素子１１からフィルタ回路１８への電力供給を開始する。このように、電源システム１０が上記の第１の状態と第２の状態を周期的に遷移しつつ動作することにより、フィルタ回路１８には、図１３に示されるように、第１の電力パルスの波形と第２の電力パルスの波形を合成した波形の電力が供給される。フィルタ回路１８は、供給された電力を平滑化して負荷１９に提供する。

上述の第１の状態と第２の状態とを繰り返すことにより、蓄電デバイス１３に蓄積されている電力量は徐々に減少する。コントローラ１５は、蓄電デバイス１３から出力される蓄電量を示す信号により検出する蓄電量が、所定の閾値（充電開始基準値）以下となると、コントローラ１５は、充電処理モードへの移行すべき状態と判別する。コントローラ１５は、電源システム１０を充電処理モードに設定するため、切替スイッチＳＷ_１にＯＮ信号を出力し、切替スイッチＳＷ_２にＯＦＦ信号を出力する。コントローラ１５は、さらに、コントローラ１６に切替スイッチＳＷ_３へＯＦＦ信号を出力するように指示する。これにより、電源システム１０は、フィルタ回路１８への電力供給を停止し、発電素子１１の発電電力を蓄電デバイス１３に充電する第３の状態となる。

コントローラ１５およびコントローラ１６の上記の動作の結果、図１４に示すように、発電素子１１から充電回路１２を介して蓄電デバイス１３に発電された電力が供給される一方、フィルタ回路１８への電力供給は停止する。蓄電デバイス１３が、発電素子１１から供給された電力を蓄積し、蓄電量が所定の閾値（出力開始基準値）を上回ると、コントローラ１５は、出力処理モードに移行すべき状態と判別する。一方、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１から出力される電流量が０であるため、切替スイッチＳＷ_２にＯＮ信号を出力する。これにより、電源システム１０は、第１の状態に移行することになる。これ以降、電源システム１０は、第１の状態または第２の状態により外部負荷１９へ再び電力を供給する。

ここまで示した第１から第３の状態の間で状態遷移を繰り返すことにより、電源回路１０は、図５に示した波形の電力をフィルタ回路１８に供給する。これをフィルタ回路１８が平滑化することで、第１の電力パルスおよび第２の電力パルスから構成される電力を安定化した上で負荷１９に供給する。

ここまで示した動作により、電源回路１０は、発電素子１１が発電した電力をより効率よく負荷１９に供給することができる。特に、本実施の形態に係る電源回路１０においては、フィルタ回路１８に発電素子１１の発電効率が高くなる電力パルスを割り込ませることにより、よりよい電力効率を実現している。また、上述した方法により電源供給方法も、本発明の範囲内に含まれる。

なお、電源回路１０は、上述した第１から第３の状態とは異なる他の状態をとることがあってもよい。例えば、発電素子１１から蓄電デバイス１３に電力を供給しつつ、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８に電力を供給する第４の状態を電源回路１０がとってもよい。この場合、コントローラ１５およびコントローラ１６による制御により、切替スイッチＳＷ_１にＯＮ信号が、切替スイッチＳＷ_２にＯＦＦ信号が、切替スイッチＳＷ_３にＯＮ信号が、切替スイッチＳＷ_４にＯＦＦ信号が供給される。この結果、図１５に示されるように、発電素子１１が発電した電力が充電回路１２を介して蓄電デバイス１３に蓄積される。それと平行して、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８に電力が供給される。

本実施の形態においては、環境条件の変動によって発電素子１１の出力電圧が降下した場合に、ＭＰＰＴ回路１４によってフィードフォワード制御が行われ、発電素子１１から出力される第１の電力パルスの出力時間が短縮され、その結果、発電素子１１からフィルタ回路１８に供給される電力強度が減少する。それと並行し、ＦＢ回路１７を介してコントローラ１６によりフィードバック制御が行われ、蓄電デバイス１３から供給される電力量が強化され、全体としてフィルタ回路１８に供給される電力強度を保つ制御が行われる。

例えば、蓄電デバイス１３としてリチウムイオン電池を用いる場合、一般に動作電圧が２．６Ｖ〜３．７Ｖ程度であり、多くの発電素子とは稼動電圧が一致しない。しかしながら、本実施の形態によれば、発電素子１１の発電効率を高く保ったまま発電された電力を供給することができる。また、発電素子１１および蓄電デバイス１３からパルス電力を出力し、それをフィルタ回路１８で平滑化して出力するため、１．２Ｖや１．８Ｖ、２．５Ｖといった最近用いられる低消費電力ＩＣなど、蓄電デバイス１３から供給される電圧値に必ずしも合致しない機器にも電力を提供することが可能である。

また、負荷において電力を消費する時間帯には、電源回路１０は上述の動作により負荷に電力を提供し、それ以外の時間には発電素子１１で発電された電力を主とし蓄電デバイス１３の充電に当てることにより、蓄電デバイス１３の蓄電量を高く保つことができる。

ここから、本実施の形態に係る電源回路１０における、電力供給に関する制御処理について説明する。電源回路１０は、発電素子１１が発電処理を開始すると、図１６に示される制御処理を開始する。

制御処理の最初に、電源システム１０は、蓄電デバイス１３の蓄電量を検知する（ステップＳ１）。具体的には、コントローラ１５が、蓄電デバイス１３から出力される、蓄電量を示す制御信号を受信する。

次にコントローラ１５は、電源回路１０が出力処理モードにあるか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、コントローラ１５は、ステップＳ１で蓄電デバイス１３から受信した制御信号が示す蓄電量が、（１）蓄電開始基準よりも低いか、（２）蓄電開始基準と出力開始基準との間にあるか、（３）出力開始基準よりも高いか、を判定する。もし、（１）制御信号が示す蓄電量が蓄電開始基準より低い場合、コントローラ１５は、電源回路１０が出力処理モードにない（充電処理モードにある）と判定する。（２）制御信号が示す蓄電量が、蓄電開始基準と出力開始基準との間にある場合、コントローラ１５は、前回の判定時と同じ処理モードと判定する。すなわちこの場合、前回の判定時にコントローラ１５が電源回路１０を出力処理モードと判定していた場合は今回も出力処理モードと判定し、前回の判定時にコントローラ１５が電源回路１０を出力処理モードにないと判定していた場合は今回も出力処理モードにないと判定する。（３）制御信号が示す蓄電量が出力開始基準より高い場合、コントローラ１５は、電源回路１０が出力処理モードにあると判定する。

ステップＳ２で、コントローラ１５が、電源回路１０が出力処理モードにないと判定した場合（ステップＳ２：ＮＯ）、コントローラ１５は、蓄電デバイス１３への蓄電を開始させる（ステップＳ３）。具体的には、コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ₁にＯＮ信号を出力して発電素子１１から充電回路１２を低インピーダンスで接続するとともに、切替スイッチＳＷ_２にＯＦＦ信号を出力し、さらにコントローラ１６に切替スイッチＳＷ₁へＯＦＦ信号を出力させ、それぞれ発電素子１１および蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８への電力供給を遮断する。これにより、発電素子１１が発電した電力は、主として蓄電デバイス１３に蓄電される。ステップＳ３を終えると、電源回路１０は、処理をステップＳ１に戻す。

ステップＳ２で、コントローラ１５が、電源回路１０が出力処理モードにあると判定すると（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、充電回路１２への電力供給を停止させる（ステップＳ４）。具体的には、コントローラ１５は、切替スイッチＳＷ₁にＯＦＦ信号を出力し、発電素子１１と充電回路１２との間を高インピーダンスとすることで、発電素子１１から充電回路１２への電力供給を停止させる。

ステップＳ４の次に、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１の電力発電状態を検知する（ステップＳ５）。具体的には、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１がそのとき出力している出力電力の電流値（もしくは電圧値）を取得する。

次に、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１から出力されている電流値に基づいて、発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態であるか否か判定する（ステップＳ６）。そのために、ＭＰＰＴ回路１４は、ステップＳ５で発電素子１１から受信した値信号が示す電流量が、（１）発電素子１１からの出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限値よりも低いか、（２）発電素子１１からの出力電力量が閾値以上となる電流範囲内にあるか、（３）発電素子１１からの出力電力量が閾値以上となる電流範囲の上限値よりも高いか、を判定する。

ＭＰＰＴ回路１４は、（１）値信号が示す電流量が、発電素子１１からの出力電力量が閾値以上となる電流範囲の下限値よりも低いと判定した場合、発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態と判定する。（２）発電素子１１からの出力電力量が閾値以上となる電流範囲内にある場合、ＭＰＰＴ回路１４は、前回の判定時と同じ状態にあると判定する。すなわちこの場合、前回の判定時にＭＰＰＴ回路１４が発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態と判定していた場合、今回も発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態と判定する。前回の判定時にＭＰＰＴ回路１４が発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態ではないと判定していた場合、今回も発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態ではないと判定する。（３）発電素子１１からの出力電力量が閾値以上となる電流範囲の上限値よりも高い場合、ＭＰＰＴ回路１４は、発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態ではないと判定する。

ステップＳ６において、ＭＰＰＴ回路１４が、発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態であると判定した場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、コントローラ１５は切替スイッチＳＷ_２にＯＮ信号を出力する。これにより、発電素子１１とフィルタ回路１８とが低インピーダンスで接続され、フィルタ回路１８に第１の電力パルスが供給される（ステップＳ７）。

ステップＳ６において、ＭＰＰＴ回路１４が、発電素子１１からフィルタ回路１８に電力を供給すべき状態ではないと判定すると（ステップＳ６；Ｎｏ）、コントローラ１６は切替スイッチＳＷ_３にＯＮ信号を出力する。これにより、蓄電デバイス１３とフィルタ回路１８とが低インピーダンスで接続され、蓄電デバイス１３からフィルタ回路１８に第２の電力パルスが供給される（ステップＳ８）。

ステップＳ７またはステップＳ８によってフィルタ回路１８に電力が供給されると、次にコントローラ１５は、負荷１９への電力供給を継続すべき状態であるか否か判定する（ステップＳ９）。継続すべき状態と判定する（ステップＳ９：Ｙｅｓ）と、電源回路１０は処理をステップＳ１に戻し、それ以降の処理を継続する。継続すべき状態ではないと判定する（ステップＳ９：Ｎｏ）と、電源回路１０は処理を終了し、負荷１９への電源供給を停止する。

電源回路１０では、上述したとおり、発電素子１１からフィルタ回路１８に直接第１の電力パルスを出力する（電力を供給する）ことで、電力出力の効率を改善する。さらに、電源回路１０は、第１の電力パルスを補う第２の電力パルスを出力することで、フィルタ回路１８が負荷１９に出力する電力を安定化する。

本実施の形態において、フィルタ回路１８から負荷１９へ出力される電力の電圧をＦＢ回路１７が検出し、その電圧を示す値信号をアナログ信号としてコントローラ１６へ供給する。コントローラ１６は、ＦＢ回路１７から供給された値信号に基づき、蓄電デバイス１３から出力される電圧を調整してもよい。

これは例えば、フィルタ回路１８から負荷１９に供給される電力の電圧が、予め定められた電圧値を下回った場合、コントローラ１６が蓄電デバイス１３を制御し、蓄電デバイス１３が出力する電力の電圧を高めることで実現される。このようにすることで、フィルタ回路１８から負荷１９に供給される電力の電圧が低下した場合に、コントローラ１６およびＦＢ回路１７の動作によってフィルタ回路１８から負荷１９に出力される電力の電圧を再び高めることができる。

また逆に、フィルタ回路１８から負荷１９に供給される電力の電圧が、予め定められた電圧値を上回った場合、コントローラ１６が蓄電デバイス１３を制御し、蓄電デバイスが出力する電力の電圧を低下させることも可能である。このようにすることで、フィルタ回路１８から負荷１９に供給される電力の電圧が上昇した場合に、コントローラ１６およびＦＢ回路１７の動作によってフィルタ回路１８から負荷１９に出力される電力の電圧を望ましい水準まで低下させることができる。

このように、ＦＢ回路１７とコントローラ１６を協同して動作させることにより、フィルタ回路から負荷に供給される電力の電圧を安定させることができる。すなわち、ＦＢ回路１７とコントローラ１６は、蓄電デバイス制御部としての機能を提供する。

（実施例１）
次に、上述した第２の実施の形態に係る電源回路の一実施例について説明する。この実施例に係る電源システム１０ａは、図１７に示すように、発電素子１１、充電回路１２、蓄電デバイス１３、コントローラ１５、１６、負荷１９、コンパレータ回路２０、インダクタ２１およびキャパシタ２２を備える。

本実施例においては、コンパレータ回路２０が、ＭＰＰＴ回路１４としての機能を提供する。コンパレータ回路２０は、発電素子１１から出力される電圧信号を受け取り、それと基準電圧とを比較する。コンパレータ回路２０は、発電素子１１から出力される電圧信号のほうが基準電圧より高ければ、ＯＮ信号をコントローラ１５に出力し、発電素子１１から出力される電圧信号のほうが基準電圧より低ければ、ＯＦＦ信号をコントローラ１５に出力する。

本実施例においては、インダクタ２１およびキャパシタ２２が、フィルタ回路１８としての機能を提供する。インダクタ２１およびキャパシタ２２は、インダクタ２１の一方の端子に供給された電力（発電素子１１および蓄電デバイス１３から供給されるもの）を、平滑化し、負荷１９に出力する。

コントローラ１５は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ダイオード、抵抗素子、インダクタ、キャパシタなどのディスクリート素子を含んで構成される。また、コントローラ１６として市販のＦＥＴ外付け降圧コンバータ回路を用い、そのスイッチング信号をコントローラ１５へ送ることによって小型化する。

本実施例においては、発電素子１１として、一般的に市販される太陽光発電素子を用いる。

蓄電デバイス１３として、固体リチウム二次電池を用いる。

この電源システム１０ａでは、蓄電デバイス１３の充電開始基準として２．８Ｖ、出力開始基準として３．５Ｖを有する。すなわち、蓄電デバイス１３が蓄電されることにより電圧が３．５Ｖ以上となった場合、それから電力が消費されて電圧が２．８Ｖ以下に低下するまで、コントローラ１５の制御により電源システム１０ａから負荷１９に電力を供給する。また、蓄電デバイス１３の蓄電容量が２．８Ｖ以下となった場合には、その後、発電素子１１からの電力供給により電圧が３．５Ｖ以上に上昇するまでは、電源システム１０ａから負荷１９へ電力を供給せず、蓄電デバイス１３への充電を行う。

（実施例２）
次に、上述した第２の実施の形態に係る電源システムの他の実施例（実施例２）について説明する。実施例２に係る電源システム１０ｂは、図１８に示すように、発電素子１１、充電回路１２、蓄電デバイス１３、コントローラ１６、ＦＢ回路１７、フィルタ回路１８、負荷１９、インダクタ２３および切替スイッチＳＷ₅を備える。

電源システム１０ｂは、第１の経路Ｃ₁上にインダクタ２３および切替スイッチＳＷ₅を備える。

電源システム１０ｂは、切替スイッチＳＷ₂の状態をＯＦＦからＯＮに切り替える動作に先立ち、切替スイッチＳＷ₅を一定期間ＯＮにする動作を行うことで、発電素子１１からインダクタ２３に供給された電圧を昇圧する。いわば、インダクタ２３および切替スイッチＳＷ₅は、発電素子１１から供給された電圧を昇圧し、フィルタ回路１８に供給する昇圧部としての機能を提供する。

このように、電源システム１０ｂは、発電素子１１から出力される電圧が、負荷１９の要求する最終出力電圧よりも小さい場合であっても、発電素子１１とフィルタ回路１８との間に備えられた昇圧部により、負荷１９の要求する最終出力電圧まで昇圧して提供することができる。

ここまで、第１、第２の実施の形態に基づいて本発明の電源回路、電源システム、制御方法について説明した。しかしながら、本発明の範囲は、この内容に限定されるものではない。

本発明に係る電源回路は、発電素子を複数備えるものであってもよく、さらに備える発電素子が性質の異なるものであってもよい。例えば、電源回路が発電素子として太陽光発電素子と熱電発電素子とを備えており、切替スイッチにより使用する発電素子を切り替える構成であってもよい。このように、異なる種類の発電素子を組み合わせて備えることで、複数の発電素子のうち、一部をフィルタ回路に接続し、他を蓄電デバイスに接続することができる。このような構成とすることで、蓄電デバイスを常時充電することもできる。あるいは、性質の異なる発電素子から、波形の異なる電力パルスをフィルタ回路に供給し、それを平滑して出力することで、負荷に提供する電力をいっそう安定化することも可能である。

ここまで説明した実施形態においては、発電素子（発電素子２および発電素子１１）からフィルタ回路（フィルタ回路４およびフィルタ回路１８）に供給される電力はパルス状あるいは矩形波状の波形をしていたが、これに限られず、任意の周期的あるいは非周期的波形が可能である。この場合、供給制御部（供給制御部５、コントローラ１５およびコントローラ１６）は、発電素子から供給される電力の電流が予め定められた範囲の中にあるときには、発電素子からフィルタ回路へ電力を供給させ、発電素子から供給される電力の電流が予め定められた範囲の外にあるときには、蓄電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させる、ものであってもよい。また、最大効率点制御も任意の方法を採用することができるし、また最大効率点を含むものでなくともよい。

また、上述した電源回路および電力供給方法は、電源モジュールに適用することもできる。

なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態および変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

上術した本実施の形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
発電した電力に、出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する最大効率点制御を行って出力する発電デバイスと、
電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電デバイスと、
前記発電デバイスから供給される電力と、前記蓄電デバイスから供給される電力とを外部負荷に出力するフィルタ回路と、
前記発電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給と、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給とを制御する供給制御部と、を備え、
前記供給制御部は、前記発電デバイスから供給される電力の電流が予め定められた範囲内にあるときには、前記発電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させ、前記発電デバイスから供給される電力の電流が前記予め定められた範囲の外にあるときには、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させる、
ことを特徴とする電源回路。

（付記２）
前記供給制御部は、前記蓄電デバイスの蓄電量が予め定められた所定の電力量である蓄電開始基準値を下回ると、前記発電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給と、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給とを低下させるとともに、前記発電デバイスが発電した電力を前記蓄電デバイスに供給させ、
前記蓄電デバイスは、前記発電デバイスから供給される電力を蓄電する、
ことを特徴とする付記１に記載の電源回路。

（付記３）
前記供給制御部は、前記蓄電デバイスの蓄電量が予め定められた所定の電力量である出力開始基準値を上回ると、前記発電デバイスから前記蓄電デバイスへの電力供給を低下させる、
ことを特徴とする付記２に記載の電源回路。

（付記４）
前記発電デバイスは、前記発電デバイスから出力される電流量が前記予め定められた範囲の上限値を上回ると、前記発電デバイスから出力される電流量を低下させ、前記発電デバイスから出力される電流量が前記予め定められた範囲の下限値を下回ると、前記発電デバイスから出力される電流量を増加させることによって最大効率点制御する、
ことを特徴とする付記１から３のいずれか１つに記載の電源回路。

（付記５）
前記フィルタ回路から外部負荷に供給される電力の電圧が予め定められた電圧値を下回ると、前記蓄電デバイスが出力する電力の電圧を高める蓄電デバイス制御部をさらに備える、
ことを特徴とする付記１から４のいずれか１つに記載の電源回路。

（付記６）
前記フィルタ回路は、前記発電デバイスおよび前記蓄電デバイスから供給される電力を平滑化して外部負荷に供給する、
ことを特徴とする付記１から５のいずれか１つに記載の電源回路。

（付記７）
前記発電デバイスから供給された電力を、前記蓄電デバイスが動作可能となる電圧まで昇圧して前記蓄電デバイスに供給する充電回路を備える、
ことを特徴とする付記１から６のいずれか１つに記載の電源回路。

（付記８）
出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する効率点制御を行いつつ発電した電力を出力する発電ステップと、
電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電ステップと、
前記発電ステップで発電された電力を、前記効率点制御により、予め設定された範囲内の電流で引き出すことができるときには、前記発電ステップで発電された電力を、前記効率点制御により、前記設定された範囲内の電流で引き出すことができないときには、前記蓄電ステップで蓄電された電力を、負荷に供給する供給ステップと、
を備えることを特徴とする電力供給方法。

本発明は、２０１３年９月３０日に出願された日本国特許出願２０１３−２０５６１６号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２０１３−２０５６１６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

１、１０、 電源回路
２、１１ 発電素子
３、１３ 蓄電デバイス
４、１８ フィルタ回路
５ 供給制御部
６、１２ 充電回路
１０ａ、１０ｂ 電源システム
１４ ＭＰＰＴ回路
１５、１６ コントローラ
１７ ＦＢ回路
１９ 負荷
２０ コンパレータ回路
２１、２３ インダクタ
２２ キャパシタ
Ｃ₁ 第１の経路
Ｃ₂ 第２の経路
Ｃ₃ 第３の経路
ＳＷ₁、ＳＷ₂、ＳＷ₃、ＳＷ₄、ＳＷ₅ 切替スイッチ

Claims (8)

1. 発電した電力に、出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する最大効率点制御を行って出力する発電デバイスと、
   電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電デバイスと、
   前記発電デバイスから供給される電力と、前記蓄電デバイスから供給される電力とを外部負荷に出力するフィルタ回路と、
   前記発電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給と、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給とを制御する供給制御部と、を備え、
   前記供給制御部は、前記発電デバイスから供給される電力の電流が予め定められた範囲内にあるときには、前記発電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させ、前記発電デバイスから供給される電力の電流が前記予め定められた範囲の外にあるときには、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路へ電力を供給させる、
   ことを特徴とする電源回路。
2. 前記供給制御部は、前記蓄電デバイスの蓄電量が予め定められた所定の電力量である蓄電開始基準値を下回ると、前記発電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給と、前記蓄電デバイスから前記フィルタ回路への電力供給とを低下させるとともに、前記発電デバイスが発電した電力を前記蓄電デバイスに供給させ、
   前記蓄電デバイスは、前記発電デバイスから供給される電力を蓄電する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記供給制御部は、前記蓄電デバイスの蓄電量が予め定められた所定の電力量である出力開始基準値を上回ると、前記発電デバイスから前記蓄電デバイスへの電力供給を低下させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電源回路。
4. 前記発電デバイスは、前記発電デバイスから出力される電流量が前記予め定められた範囲の上限値を上回ると、前記発電デバイスから出力される電流量を低下させ、前記発電デバイスから出力される電流量が前記予め定められた範囲の下限値を下回ると、前記発電デバイスから出力される電流量を増加させることによって最大効率点制御する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電源回路。
5. 前記フィルタ回路から外部負荷に供給される電力の電圧が予め定められた電圧値を下回ると、前記蓄電デバイスが出力する電力の電圧を高める蓄電デバイス制御部をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電源回路。
6. 前記フィルタ回路は、前記発電デバイスおよび前記蓄電デバイスから供給される電力を平滑化して外部負荷に供給する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電源回路。
7. 前記発電デバイスから供給された電力を、前記蓄電デバイスが動作可能となる電圧まで昇圧して前記蓄電デバイスに供給する充電回路を備える、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電源回路。
8. 出力される電力効率が大きくなるように電流を調整する効率点制御を行いつつ発電した電力を出力する発電ステップと、
   電力を蓄電し、蓄電した電力を出力する蓄電ステップと、
   前記発電ステップで発電された電力を、前記効率点制御により、予め設定された範囲内の電流で引き出すことができるときには、前記発電ステップで発電された電力を、前記効率点制御により、前記設定された範囲内の電流で引き出すことができないときには、前記蓄電ステップで蓄電された電力を、負荷に供給する供給ステップと、
   を備えることを特徴とする電力供給方法。

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