(57)【要約】【課題】太陽電池に入力される光量にかかわらず効率よくプリチャージキャパシタに充電する。【解決手段】発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する太陽電池１０が発電した発電電力をプリチャージキャパシタ５０に充電し、この充電した充電電力を放電する充放電装置１０００であって、太陽電池の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力をプリチャージキャパシタに蓄電する蓄電期間とを切り換える第１のスイッチ素子３０と、プリチャージキャパシタの充電電圧が最大出力点の電圧になるようにプリチャージキャパシタの放電を制御するチャージブロック２００とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する発電素子が発電した発電電力を蓄電部に充電し、この充電した充電電力を放電する充放電装置であって、
前記発電素子の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力を前記蓄電部に蓄電する蓄電期間とを切り換えるスイッチ素子と、
前記蓄電部の充電電圧が前記最大出力点の電圧になるように前記蓄電部の放電を制御する放電制御手段と
を備えることを特徴とする充放電装置。
【請求項２】
前記発電素子は、前記最大出力点、及び前記開放電圧が入力エネルギー依存し、前記スイッチ素子は、前記測定期間と前記蓄電期間とを周期的に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
【請求項３】
前記放電制御手段は、前記蓄電部の電圧を昇圧するチャージポンプと、このチャージポンプを駆動するクロック周波数を前記充電電圧に応じて可変するクロック発生器とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充放電装置。
【請求項４】
前記放電制御手段は、クロック信号を用いて前記蓄電部の電圧を昇圧する昇圧器と、前記充電電圧と前記最大出力点の電圧とを比較するヒステリシスコンパレータと、このヒステリシスコンパレータの比較結果により、前記クロック信号の発生と停止とが制御されるクロック発生器と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充放電装置。
【請求項５】
前記チャージポンプが昇圧した昇圧電圧を充電する主蓄電部をさらに備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の充放電装置。
【請求項６】
前記主蓄電部は、一段の電気二重層キャパシタであり、
前記電気２重層キャパシタの電圧を負荷電圧まで昇圧する他のチャージポンプと、この他のチャージポンプの出力電圧を充電する出力蓄電部とをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の充放電装置。
【請求項７】
前記出力蓄電部の電圧と所望の参照電圧とを比較するヒステリシスコンパレータと、
前記ヒステリシスコンパレータの比較結果により、前記他のチャージポンプのクロック信号の発生と停止とを制御するクロック発生器とを備え、
低消費電力時には、前記クロック信号が停止し、前記出力蓄電部のみから出力電力を取り出し、大電力消費時には、前記クロック信号が発生し、前記他のチャージポンプから出力電力を供給することを特徴とする請求項６に記載の充放電装置。
【請求項８】
前記所望の参照電圧は、可変抵抗器によって可変であることを特徴とする請求項７に記載の充放電装置。
【請求項９】
前記出力蓄積部と負荷との間にロードロップアウト電源が挿入されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の充放電装置。
【請求項１０】
少なくとも、前記チャージポンプ、前記他のチャージポンプ、前記スイッチ素子、前記ヒステリシスコンパレータ、及び前記ロードロップアウト電源は、サファイア基板上に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の充放電装置。
【請求項１１】
前記発電素子は、太陽電池、ペルチェ半導体素子、圧電素子、アンテナに接続された検波回路、サイズモ、及びエレクトレックの何れか１つであることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の充放電装置。
【請求項１２】
前記発電素子は、入射光量により最大出力電流値が変化する太陽電池であり、
前記主蓄電部は、電気２重層キャパシタであり、
前記チャージポンプは、昇圧倍率が変更可能であり、
前記昇圧倍率は、前記電気２重層キャパシタの耐圧と前記太陽電池の開放電圧との関係で決定されることを特徴とする請求項５乃至請求項１１の何れか１項に記載の充放電装置。
【請求項１３】
前記チャージポンプは、前記発電素子の発電量が少ないとき、又は前記主蓄電部が満充電のときにシャットダウンし、
前記他のチャージポンプは、前記出力蓄電部が満充電のときにシャットダウンし、前記出力蓄電部及び前記主蓄電部の何れか一方又は双方の電圧が一定値以下のときにもシャットダウンするように構成されていることを特徴とする請求項５乃至請求項１２の何れか１項に記載の充放電装置。
【請求項１４】
前記主蓄電部と、前記出力蓄電部とは、電気二重層コンデンサ、Ｌｉイオンキャパシタ、Ｌｉイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池、鉛蓄電池、固体電池、フイルム電池、その他のキャパシタ及び二次電池から構成されていることを特徴とする請求項６乃至請求項１３の何れか１項に記載の充放電装置。
【請求項１５】
前記発電素子の電圧が印加され、基準電圧生成器用の電源として使用するブートキャパシタを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の充放電装置。
【請求項１６】
前記ブートキャパシタは、前記スイッチ素子と同期して動作する他のスイッチ素子と並列に接続され、前記ブートキャパシタの一端にはダイオードが取り付けられ，
前記他のスイッチ素子は、前記蓄電部に蓄電するときに導通することを特徴とする請求項１５に記載の充放電装置。
【請求項１７】
前記他のスイッチ素子は、前記ブートキャパシタが所定の電圧値にチャージされた状態で時間をおいてから導通することを特徴とする請求項１６に記載の充放電装置。
【請求項１８】
前記チャージポンプとは、並列に最終段スイッチ素子が接続され、
前記太陽電池が発電した発電電力は、前記最終段スイッチ素子を介して前記主蓄電部及び前記出力蓄電部に蓄電可能なように構成されていることを特徴とする請求項６乃至請求項１６の何れか１項に記載の充放電装置。
【請求項１９】
発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する発電素子が発電した発電電力を蓄電部に充電し、この充電した充電電力を放電する集積回路素子であって、
前記発電素子の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力を前記蓄電部に蓄電する蓄電期間とを切り換えるスイッチ素子と、
前記蓄電部の充電電圧が前記最大出力点の電圧になるように前記蓄電部の放電を制御する放電制御手段と
を備えることを特徴とする集積回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子が発電した発電電力を蓄電部に充電し、充電された電力を放電する充放電装置、及び集積回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池などの発電素子が発電する発電電力を蓄電して、その蓄電電力を利用する電源回路がいろいろと開発されている。
例えば、特許文献１には、コンデンサと二次電池とを直列に接続して、発電電力を蓄電池に充電し、充電電力を放電する太陽電池充電式点灯装置が開示されている。この技術は、コンデンサの急速充放電特性を利用して、消費する電圧を高電圧に、しかも広いレンジで利用を可能とするものである。さらに、特許文献１には、太陽電池によりキャパシタ若しくは、二次電池を充電する方式についても開示されている。
【０００３】
また、ユビキタス社会においては、小さなソーラーパネルで、低照度といった微弱なエネルギー環境でも急速に蓄電し、所望の出力仕様の電力を供給しうる、より小型な電源が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３２９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、太陽電池は、等価内部抵抗を有しているので、開放電圧の０．７倍程度の電圧になるような電流値で電力を取り出すと、最大出力電力を得ることができるような電圧電流特性を有している。
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、長い時間大きな太陽光パネルを用いて潤沢なエネルギーとして蓄電する環境下では利用できるが、微弱な太陽エネルギーの中でも有効に充電することについては、配慮されていない。
すなわち、光の強さがある程度大きいときには、太陽電池の開放電圧が所定値を保つが、微弱光の場合には、開放電圧が光量（エネルギー）依存性を持ち、最大出力電力点の電圧が定まらない問題点がある。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、発電素子に入力されるエネルギーにかかわらず効率よく蓄電部に充電することができる充放電装置、及び集積回路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する発電素子（太陽電池１０）が発電した発電電力を蓄電部（プリチャージキャパシタ５０）に充電し、この充電した充電電力を放電する充放電装置（１０００）であって、前記発電素子の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力を前記蓄電部に蓄電する蓄電期間とを切り換えるスイッチ素子（第１のスイッチ素子３０）と、前記蓄電部の充電電圧が前記最大出力点の電圧になるように前記蓄電部の放電を制御する放電制御手段（チャージブロック２００）とを備えることを特徴とする。なお、括弧内の文字符号は例示である。
【０００８】
直列に内部抵抗を有する発電素子（例えば、太陽電池）は、開放電圧（通常、３Ｖ程度）の０．７倍程度の電圧のところに最大出力電力点が存在する。最大出力電力点で蓄電部を充電するために、太陽電池を無負荷にして開放電圧を測定する測定期間と、発電電力を蓄電部であるプリチャージキャパシタに充電する充電期間とを切り換えるスイッチ素子を設けた。また、太陽電池のセル段数が未定であるとか、微弱光であり開放電圧が不確定であっても、発電素子の開放電圧を測定することにより、ＭＰＰ電圧を容易に確定することができる。
さらに、測定期間と充電期間とを周期的に切り換えることで、微弱光であって、開放電圧が低いときでも、ＭＰＰ電圧を確定することができる。すなわち、微弱なパワーからハイパワーに至るまでの様々なエネルギー源を、ＭＰＰ制御して蓄電部に充電することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電素子が発電する発電電力を効率よく蓄電部に充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態である充放電装置の構成図であって、特にブートブロックとチャージブロックとの関係を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態である充放電装置の構成図であって、特にチャージブロックとワークブロックとの関係を示した図である。
【図３】太陽電池の等価回路図である。
【図４】プリチャージキャパシタに充電するスタートアップ時のブロック図である。
【図５】メインキャパシタへのチャージアップ時のブロック図である。
【図６】太陽電池のＩ−Ｖ特性、プリチャージキャパシタ電圧の時間特性、及びメインキャパシタ電圧の時間特性を示す図である。
【図７】ワーク時（ディスチャージ時）のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の充放電装置を図１及び図２を用いて説明する。
充放電装置１０００は、ブートブロック１００、放電制御手段トして機能するチャージブロック２００、及びワークブロック３００の３つの機能ブロックを備え、図１は、ブートブロック１００と、チャージブロック２００との関係を示し、図２は、チャージブロック２００と、ワークブロック３００との関係を示している。なお、ブートブロック１００、チャージブロック２００、及びワークブロック３００で集積回路素子を構成している。この集積回路素子は、充電回路が高電圧のときには、ＳＯＩ（Silicon On Insulate）基板、サファイア基板（ＳＯＳ：Silicon on Sapphire基板）等を使用することができる。なお、図において、破線矢印は制御信号を示し、実線矢印は、パワー（電力）の流れを示す。
【００１２】
また、充放電装置１０００は、ブートブロック１００が発電素子である太陽電池（ソーラーセル）１０の発電エネルギーを蓄電部（プリチャージキャパシタ）５０に充電し、チャージブロック２００がこの充電電圧を昇圧し、外部接続されたメインキャパシタ（主蓄電部）４００に充電し、ワークブロック３００がこの充電された電圧を昇圧してワークキャパシタ（出力蓄電部）１５０、及びレギュレータ１６０（図２）を介して外部負荷Ｚ０に直流電力を供給するように構成されている。このとき、ブートブロック１００は、太陽電池１０の開放電圧Ｖｏｃ（図６（ａ））を測定し、プリチャージキャパシタ５０からメインキャパシタ４００に放電する放電電力を太陽電池１０の開放電圧Ｖｏｃに応じた最大出力電力点付近にするようにしている。
【００１３】
図３は、発電素子である太陽電池１０の等価回路を示している。太陽電池１０は、低電流源ＩｐｈとダイオードＤと抵抗器Ｒｓｈとの並列回路と、抵抗器Ｒｓとの直列回路で表現され、電流Ｉが流れるとき、電圧Ｖが発生する。
太陽電池１０は、低電流源ＩＰｈの電流値が光量（入射エネルギー）によって増減し、開放電圧ＶｏｃがダイオードＤの順方向電圧となり、十分な光量があるときはダイオードＤのオン電圧が所定の開放電圧Ｖｏｃとなる。しかしながら、太陽電池１０は、微少光量のときは、得られる電流値が低下し、開放電圧Ｖｏｃも光量に依存する。また、太陽電池１０は、等価回路で表される直列抵抗と並列抵抗などによって決まる，電流電圧値に応じた最大出力電力点（ＭＰＰ）を持つ。
【００１４】
図１において、ブートブロック１００は、発電素子である太陽電池１０の発電電圧を周期的にサンプルホールドするサンプルホールド周期発生器４０、サンプルホールド周期発生器４０がサンプルホールドしたホールド電圧をモニタする電圧モニタ６０、モニタ電圧に１以下の所定値を乗算してＭＰＰ電圧のデータを生成するＭＰＰ電圧生成器６５、太陽電池１０の発電電力が第１のスイッチ素子３０を介して供給されるブートキャパシタ２０、第２のスイッチ素子（他のスイッチ素子）３５を介して太陽電池１０の発電電力が供給されるプリチャージキャパシタ５０、サンプルホールド周期発生器４０の信号レベルを第２のスイッチ素子３５を駆動する駆動レベルにレベルシフトするレベルシフタ４５、基準電圧生成器８０、判定器７０、シャットダウン回路９０等を備える。これらの構成により、ブートブロック１００は、第１のスイッチ素子３０が太陽電池１０の開放電圧を測定する測定期間と、発電電力をプリチャージキャパシタ５０に充電する充電期間とを周期的に切り替えるようになっている。
【００１５】
チャージブロック２００は、メインキャパシタ４００の電圧を昇圧する昇圧器であるチャージポンプ１３０と、プリチャージキャパシタ５０の充電電圧とＭＰＰ電圧生成器６５の電圧とを比較する比較器１１０と、参照電圧Ｖｒｅｆとメインキャパシタ４００の電圧とを比較する比較器１１４と、比較器１１４の比較結果と比較器１１０の比較結果とを用いてチャージポンプ１３０の駆動の要否を判定する判定器７２と、判定器７２の判定結果を用いてチャージポンプ１３０のクロック信号を生成するクロック発生器１２０と、プリチャージキャパシタ５０、及びチャージポンプ１３０を介さずに第２のスイッチ素子３５とメインキャパシタ４００との間を直接接続する最終段スイッチ素子３８と、基準電圧とメインキャパシタ４００の電圧とを比較し、最終段スイッチ素子３８を制御する比較器１１２とを備えている。ここで、メインキャパシタ４００に電気二重層キャパシタを用いた場合、微少光量で太陽電池１０の発電電圧が低くなっているときでもチャージポンプ１３０を用いて最大印加電圧の２．５Ｖ近傍まで昇圧することができる。
【００１６】
図２において、ワークブロック（出力部）３００は、メインキャパシタ４００の電圧を昇圧するチャージポンプ１３５と、チャージポンプ１３５の昇圧電圧で充電されるワークキャパシタ（出力蓄電部）１５０と、ワークキャパシタ１５０の電圧を低ドロップアウト（ＬＤＯ）で外部負荷Ｚ０に電圧調整するレギュレータ１６０と、チャージポンプ１３５を駆動するクロック発生器（他のクロック発生器）１２５と、チャージポンプ１３５の昇圧電圧と基準電圧（負荷電圧）とを比較する比較器１１６と、チャージポンプ１３５の昇圧電圧と基準電圧とを比較してシャットダウンを指示するシャットダウン回路９５と、比較器１１６の比較結果と、シャットダウン回路９５の出力とを用いてチャージポンプ１３５の駆動の要否を判定する判定器７４とを備える。
【００１７】
（動作の説明）
図１及び図２に示したブロック図において、動作の説明を以下の動作パターン毎に分けて説明する。
（１）ユビキタス電源としての電圧コンディショニングの準備段階であるスタートアップ回路の動作。
（２）太陽光を高効率に充電するためのＭＰＰ（Maximum Power Point）制御の動作、及び入力電圧に応じてメインキャパシタ（主蓄電部）４００への電圧をほぼ一定値に近い形で充電するための動作。
（３）メインキャパシタ４００とワークキャパシタ１５０とを併用した、出力電圧の調整及び高効率放電が可能な方式に関する動作。
（４）シャットダウンに関する動作。
【００１８】
（１）ユビキタス電源としてのスタートアップ回路の動作
ユビキタス電源は、周囲に偏在している太陽光などの不安定なエネルギー源が供給されるのみである。そのため、エネルギー源からのパワーだけを用いて充放電の制御を行うためには、不安定な入力エネルギーから各種スタートアップの準備が必要となる。
【００１９】
図４は、入力エネルギー源を太陽光とした場合における、スタートアップ時のブロック図である。図４のブロック図を用いて動作の説明を行う。
太陽電池１０からの出力エネルギーはブートキャパシタ２０及びプリチャージキャパシタ５０に所定の電圧まで蓄えられ、電力放電される必要がある。ブートキャパシタ２０の目的は、チャージブロック２００、及びワークブロック３００の回路内において参照する基準電圧を生成することである。
【００２０】
また、プリチャージキャパシタ５０は（詳細は後述するが）、メインキャパシタ（主蓄電部）４００に対してチャージアップする際に高効率充電するためのチャージ溜めの役割を担う。
ブートキャパシタ２０は、太陽電池１０から第１のスイッチ素子３０，ダイオードＤ２を介して充電さる。この第１のスイッチ素子３０は、最適な状態（ＭＰＰ：Maximum Power Point）で蓄電するための太陽電池１０の開放電圧測定と、ブートキャパシタ２０側への充電を交互に行うために取り付けられている。すなわち、第１のスイッチ素子３０は、電圧モニタ６０側（ａ側）に切り換え、太陽電池１０の開放電圧を測定する測定期間と、ブートキャパシタ２０側（ｂ側）に切り換え、充電する充電期間とを切り換えている。なお、そのデューティー比（ブート側への給電時間に対するＭＰＰサンプリング側への給電時間の割合）は数％以下の小さい値で構わない。
【００２１】
また，ブートキャパシタ２０への充電電圧に応じて、基準電圧生成器８０は、バンドギャップ回路等が基準電圧を生成する。例えば、基準電圧生成器８０は、１．３Ｖの一定電圧を生成する。その生成電圧は、参照電圧を必要とする各所に送られ、その参照電圧は、本回路内での各種制御電圧として用いられる。
【００２２】
一方、太陽電池１０からプリチャージキャパシタ５０への充電は、第２のスイッチ素子３５を介して行われる。ブートキャパシタ２０が、基準電圧に到達するまではプリチャージキャパシタ５０への充電をスタートしないように制御するため（まずは十分ブートキャパシタ２０に蓄電してスタートアップ動作を安定させ）。レベルシフタ４５は、バンドギャップ電圧の時間変化がないことを検知して、変化がなくなった（バンドギャップ電圧に到達）ところで、第２のスイッチ素子３５をオンしてブートキャパシタ２０へのチャージを始める。すなわち、第２のスイッチ素子３５は、ブートキャパシタ２０が所定の電圧値にチャージされた状態で時間をおいてから導通するようにしている。
【００２３】
サンプルホールド周期発生器４０は、ＲＣ発振回路やリングオシレータ等を内蔵し、第１のスイッチ素子３０のスイッチングタイミングを制御する。これにより、第１のスイッチ素子３０による測定期間と充電期間との切り替えが周期的に行われ、光量の変動により逐次変動する開放電圧の変動に対応することができ、測定された開放電圧を用いてＭＰＰ電圧が適切に設定される。
また、第１のスイッチ素子３０は、高効率なユビキタス電源には不可欠であり、例えば第１のスイッチ素子３０にて切り替えを行わなければ、ＭＰＰ制御のために常に給電が必要となり、その際は蓄電されず消費されることにもなる。
【００２４】
第１のスイッチ素子３０，第２のスイッチ素子３５は、太陽電池１０からの入力電圧を制御することになるが、一般的にＭＯＳスイッチなどで制御を行う際に、その電圧値より大きな電圧でのスイッチ（ゲート）制御が必要となる。このため、レベルシフタ４５は、サンプルホールド周期発生器４０の出力電圧よりも高い電圧を生成し、ＭＯＳスイッチを駆動している。
サンプルホールド周期発生器４０、レベルシフタ４５、あるいはこれらに付随する各種ゲートには、ダイオードＤ１を介して太陽電池１０の発電電力が供給される。
【００２５】
このように、ユビキタス電源を成立させるために必要な回路は、ブートキャパシタ２０、基準電圧生成器８０、太陽光最適制御（周囲エネルギー収穫のための変換素子と充電回路のマッチング制御をする）のための、第１のスイッチ素子３０、この第１のスイッチ素子３０を制御するためのサンプルホールド周期発生器４０、及びレベルシフタ４５が必要な基本構成要素である。それに，第２のスイッチ素子３５を加えてブートキャパシタに十分充電されてからプリチャージを行う。なお、図４の回路において、太陽電池１０は、後段に逆電流防止用のダイオードＤ１と、過電圧保護用のチェナダイオードＤｚとを設け、ダイオードＤ１を介してサンプルホールド周期発生器４０、レベルシフタ４５、及び第１のスイッチ素子３０，第２のスイッチ素子３５の電源端子Ｖｄｄに給電している。なお、比較器１１０は、プリチャージキャパシタ５０から電源端子Ｖｄｄまで給電されている。
【００２６】
（２）ＭＰＰ制御、メインキャパシタへの充電時の動作
次に、太陽エネルギーを高効率に蓄電するためのＭＰＰ制御の動作の説明、及び入力電圧に応じてメインキャパシタ４００にほぼ一定電圧で充電するための動作説明を行う。
図５は、チャージアップ時のブロック図である。電圧モニタ６０は、第１のスイッチ素子３０を介して太陽電池１０の開放電圧Ｖｏｃをモニタし、ＭＰＰ電圧生成器６５は、開放電圧Ｖｏｃを分圧してＭＰＰ電圧を生成する。ＭＰＰ電圧は、通常、太陽電池１０の開放電圧Ｖｏｃの０．７倍から０．７８倍相当の電圧に設定され、例えば、抵抗分圧やダイオードのオン抵抗を用いて開放電圧の０．７６倍位に設定される。比較器１１０は、ヒステリシスコンパレータであり、ＭＰＰ電圧とプリチャージキャパシタ５０に充電された充電電圧（プリチャージ電圧）とを比較する。すなわち、比較器１１０は、プリチャージ電圧がＭＰＰ電圧を少し超えたところで、ヒステリシスコンパレータ出力がオンになり、少し下回ったところでヒステリシスコンパレータ出力がオフになる。比較器１１０の出力は、アンドゲートである判定器７２を介してチャージポンプ１３０のアサート信号となる。
【００２７】
まずは、比較器１１５，１１６の出力に接続された判定器７２の他の入力を無視して説明する。この場合の動作として、ＭＰＰ電圧付近でチャージポンプ１３０がオンになるので、常に、太陽電池１０は、最大パワーを供給できる状態で接続されていることになる。一方、チャージポンプ１３０側は、ＭＰＰ電圧を超え第１のスイッチ素子３０が導通した際、メインキャパシタ４００が十分にチャージされていないので、低インピーダンスの状態になっている。
このため、メインキャパシタ４００は、プリチャージキャパシタ５０から急速に電流が流れ、充電される。その結果、プリチャージキャパシタ５０は、放電し電圧降下が起きる。そこで、プリチャージキャパシタ５０の電圧がＭＰＰ電圧から５％〜１０％程度電圧値が下がったところで、チャージポンプ１３０が停止すると共に、第１のスイッチ素子３０がオフ状態になる。その後、再びプリチャージキャパシタ５０に充電が開始され同じことを繰り返し、メインキャパシタ４００の充電が進み電圧が上がる。
【００２８】
なお、前記説明では、比較器１１０は、ＭＰＰ電圧と、このＭＰＰ電圧から５％〜１０％程度の所定電圧（ヒステリシス電圧ΔＶ（図６（ｂ）））下がった電圧値との間でヒステリシス比較するように設定したが、ＭＰＰ電圧と、このＭＰＰ電圧から所定電圧上がった電圧値との間で比較してもよく、ＭＰＰ電圧から所定電圧上がった電圧と所定電圧下がった電圧との間で比較してもよい。すなわち、プリチャージキャパシタ５０の電圧がＭＰＰ電圧近傍に制御されればよい。
【００２９】
図６（ａ）は、太陽電池１０のＩ−Ｖ特性（電流電圧特性）を図示している。図６（ｂ）は、プリチャージキャパシタでの充放電の時間的変化を示しており、図６（ｃ）は、メインキャパシタでの充電の時間的変化を示している。
図６（ａ）において、横軸は電流Ｉを示し、縦軸は電圧Ｖを示している。太陽電池１０に所定の太陽光が照射され、光エネルギーが入力されている場合の太陽電池１０には、電流Ｉ＝０のとき、開放電圧Ｖｏｃが発生し、電圧Ｖ＝０のとき、短絡電流Ｉｓｃが流れる。なお、この短絡電流Ｉｓｃは、光量に応じて値が増減する。
太陽電池１０は、Ｉ＝０から徐々に電流を増加すると、内部抵抗のため、開放電圧Ｖｏｃから徐々に電流が低下する傾向がある。電圧Ｖと電流Ｉとの積が最大となる点がＭＰＰ（Maximum Power Point）であり、この点の電圧がＭＰＰ電圧である。
比較器１１０（図１，４）は、ヒステリシス幅をΔＶとして、ＭＰＰ電圧と、（ＭＰＰ電圧−ΔＶ）との間にプリチャージキャパシタ５０の電圧が納まるように制御する。
すなわち、図６（ｂ）のように、プリチャージキャパシタ５０の電圧がＭＰＰ電圧よりも小さいときは、チャージポンプ１３０が停止し、太陽電池１０の発電電力が流入するので、プリチャージキャパシタ５０の電圧が直線的に増加し、プリチャージキャパシタ５０の電圧がＭＰＰ電圧よりも大きくなると、チャージポンプ１３０が駆動し、プリチャージキャパシタ５０の電圧が低下する。
【００３０】
このとき、図６（ｃ）のように、メインキャパシタ４００の電圧は、チャージポンプ１３０の駆動時に一定電圧ΔＶＮだけ上昇し、時間の変化と共に、電圧の上昇が繰り返され、定格電圧ＶＲまで上昇する。
【００３１】
次に、判定器７２のアンドゲートについて説明を加える。
比較器１１０によるＭＰＰ制御と共に、最大印加電圧以上の電圧を加えるとメインキャパシタ４００の破壊を起こす危険がある。
また、少ない電力を有効活用するため、安定電圧が得られるメインキャパシタ４００がチャージポンプ１３０やクロック発生器１２０などに電源電圧を供給しているが、メインキャパシタ４００は、図６（ｃ）に示すように低い電圧から徐々に昇圧されるのでチャージポンプ１３０等の動作が不安定になる。それを避けるため、チャージポンプ１３０が始動する電圧を設定して、この設定電圧を超えるとチャージポンプ１３０が始動する制御が必要となる。
【００３２】
このため、充放電装置１０００は、判定器７２を設けて、ヒステリシスコンパレータである比較器１１０を用いたＭＰＰ制御と共に最大印加電圧（例えば、電気二重層キャパシタでは通常２．５Ｖなど）でチャージを止める動作と、チャージポンプ１３０の始動をかける制御とを同時に実行している。
つまり、プリチャージキャパシタ５０の電圧がＭＰＰ電圧を下回ったときの比較器１１０の判定結果と、メインキャパシタ４００の電圧が最大印加電圧に到達したときの比較器１１５の判定結果と、メインキャパシタ４００の電圧がチャージポンプ１３０を駆動するに十分な電圧に到達してないときの比較器１１６の比較結果との出力端のアンドを取って、チャージアップをストップして充電を止めることができるようにチャージポンプ１３０のオン・オフを決定している。なお、比較器１１６と分圧器６５ａとでシャットダウン回路９０を構成する。
【００３３】
分圧器６５ａ，６５ｂは、メインキャパシタ４００のスタートアップ電圧やメインキャパシタ４００の最大印加電圧の設定を行うために設けられており、基準電圧を抵抗器の分圧比で分圧することで容易に設定可能である。基準電圧が低い場合は、メインキャパシタ４００のモニタ電圧も分圧して比較すればよい。またチャージポンプ１３０を動作させるためのクロック発生器１２０に関しても、チャージポンプ１３０と同様にＭＰＰ制御と最大印加電圧の制御と、スタートアップ電圧での制御とを行う。
【００３４】
また、チャージポンプ１３０が十分に起動できない場合、即ちメインキャパシタ４００に十分なチャージがなされていない場合は、プリチャージキャパシタ５０から、チャージアップを行わないで低電圧にて充電するパスを設けることにより、低電圧の状態から充電が可能になる。
最終段スイッチ素子３８、及び比較器１１２は、このために設けられており、メインキャパシタ４００の電圧と基準電圧（チャージポンプ１３０の始動が可能となる電圧値に調整されている。）との比較を行い、チャージポンプ１３０の動作が可能となったら最終段スイッチ素子３８をオフし、チャージポンプ１３０のルートで充電する設定とする。最終段スイッチ素子３８を設けず短絡状態であれば、太陽電池１０は、メインキャパシタ４００に低電圧で徐々にチャージアップする。しかしながら、この状態では、チャージポンプ１３０は稼働していないので昇圧充電はできない。
【００３５】
次に、チャージポンプ１３０のチャージ電圧倍率の設定方法について説明する。太陽電池１０の発電電圧は一段の太陽電池素子で３Ｖ程度であり、ダイオードＤ１（図４）の電圧降下後、メインキャパシタ４００に最大印加電圧２．５Ｖ程度の電気二重層キャパシタを使用するのが適切であるが、微少太陽光では、発電電圧が低下するので、メインキャパシタ４００に所定の電圧で蓄電するためには、チャージアップの倍率を変えなければならない。また、太陽電池１０の段数によって発電電圧が、可変なので（例えば、２Ｖ位〜数十Ｖ）、チャージアップの倍率を可変にすることは適切である。
【００３６】
そこで、比較器１１８が太陽電池１０の電圧値とメインキャパシタ４００にチャージする所望の電圧値との比較を行い、電圧値の大小にてチャージポンプ１３０の中のチャージ倍率の切り替えを行う。なお、チャージポンプ１３０は、内部にチャージ倍率に見合ったスイッチ素子とキャパシタとが用意されている。切り換え倍率は、所望のチャージ電圧を設定する際に、分圧器６５ｃを用いて基準電圧の抵抗分圧を行うことなどにより容易に切り換えることができる。
【００３７】
また、ブートキャパシタ２０の電圧がメインキャパシタ４００の電圧より低下してしまった際に正確な基準電圧が得られなくなるなどの問題が生じる。このため、メインキャパシタ４００からダイオードＤ４（図５）を介してブートキャパシタ２０に結線し、ブートキャパシタ２０の電圧が低下した際、メインキャパシタ４００からのチャージが可能となっている。
【００３８】
（３）メインキャパシタ４００とワークキャパシタ１５０（図７）とを併用した、出力電圧の調整、及び高効率放電が可能な方式に関する動作（ディスチャージ動作）
図７は、ワーク（ディスチャージ）時のブロック図である。ワークブロック３００は、メインキャパシタ４００に蓄電されたチャージが２つの経路を辿ってワークキャパシタ１５０に蓄電されるように構成されている。
一方の経路はチャージポンプ１３５により出力電圧に見合った電圧に昇圧されて、ワークキャパシタ１５０にチャージされる経路であり、他方の経路はメインキャパシタ４００より逆流防止のためのダイオードＤ５を介してワークキャパシタ１５０にチャージされる経路である。ダイオードＤ５を介する経路はワークキャパシタ１５０に十分蓄電されるまでの間（チャージポンプ１３５が動作できる電圧に至るまで）の低電圧時にチャージされる経路であり、もう一方はチャージポンプ１３５が動作可能となった際にチャージアップ（ダウン）されてワークキャパシタ１５０にチャージされる経路である。
【００３９】
チャージポンプ１３５は、ワークキャパシタ１５０の電圧がチャージポンプ１３５の動作電圧に達した際にアサートされ、ワークキャパシタ１５０の電圧が使用したい機器（外部負荷）の電圧付近に到達したところでデアサートされる。
２つの比較器１１６，１１７は、ヒステリシスコンパレータからなり、基準電圧と、ワークキャパシタ１５０の電圧をそれぞれ分圧器６５ｄ、分圧器６５ｅで分圧された分圧電圧とを比較し、判定器７４が比較した出力結果のアンドを取る。これにより、ワークキャパシタ１５０の電圧がチャージポンプ１３０の始動電圧より高く、外部負荷の出力電圧より低ければクロック発生器１２５とチャージポンプ１３０とがアサートされ、チャージポンプ１３０を介してメインキャパシタ４００からワークキャパシタ１５０にチャージされる。
【００４０】
ワークキャパシタ１５０が規定の最大電圧（負荷の使用電圧）に到達したところでチャージポンプ１３５は一時停止するが、外部負荷によって電力が消費された分だけ電圧が低下し、再びチャージポンプ１３５が動き出す。結果的に、ワークキャパシタ１５０ではヒステリシスコンパレータからなる比較器１１６のヒステリシス電圧の間を往復し、所望の出力電圧がワークキャパシタ１５０から供給される。
【００４１】
さらに、安定した出力を得るためにワークキャパシタ１５０の後段にロードロップアウト電源（ＬＤＯ）などのレギュレータ１６０を接続し、外部負荷Ｚ０に所望の電圧を与えている。
ここで、チャージポンプ１３０のスタートアップ電圧を決定している比較器（ヒステリシスコンパレータ）１１７は低電圧時に蓄電容量がふらついた際に、それがノイズとなるので、ノイズ防止、或いはジッタなどのピーク電圧が起きないようにするためにヒステリシスコンパレータとしている（ヒステリシスがなくても可能）。
【００４２】
チャージポンプ１３５、判定器（アンドゲート）７４、クロック発生器１２５、レギュレータ１６０、比較器（ヒステリシスコンパレータ）１１６，１１７への電源電圧は最も高い電圧を有しているワークキャパシタ１５０から供給する（所望の出力電圧がメインキャパシタ４００の充電電圧より低い場合はメインキャパシタ４００より供給しても構わない）。
前記のような構成をとることで、外部負荷Ｚ０に流れる電流が大きいときには、チャージポンプ１３５が常に動作し、メインキャパシタ４００より電力が供給されることになり、外部負荷Ｚ０に流れる電流が小さいときにはワークキャパシタ１５０の電圧は、比較器（ヒステリシスコンパレータ）１１６のヒステリシス電圧内に止まり続けるため、ワークキャパシタ１５０のみから外部負荷Ｚ０に電力が供給され、チャージポンプ１３５からは全く電力を供給しない。
【００４３】
よって、大電力を消費する際にはある程度チャージなどの電力を消費しても、外部負荷Ｚ０がスタンバイ時には、消費するパワーが小さいので、全くチャージポンプ１３５などの放電回路で電力を消費しない。一般的にスタンバイ時間は長く、従来は、例え微弱な電力消費であっても、常にキャパシタからレギュレータ１６０で電圧コンディショニングを行って（電力を消費して）、パワーを供給していたのに対し、本方式では、長時間のスタンバイでは全く電力を消費せず、ワークキャパシタ１５０のみからの電力供給が可能となり、大電力時のみチャージポンプ１３５で電力を消費するため、トータルでの消費電力を著しく低減できるという効果がある。
【００４４】
（４）シャットダウンに関する動作
（１）スタートアップ動作、及び（２）チャージアップ動作では、太陽電池１０からの入力電圧がある一定値を下回ったところで（基準電圧の分圧にて参照電圧を作成）、シャットダウンを行う。シャットダウンは、各アクティブ素子の入力に対してＮＭＯＳスイッチを取り付け、ＮＭＯＳトランジスタのゲートをアサートして、入力をグランドレベルに落とすなどのオフ動作とする。シャットダウンは各アクティブ素子（チャージポンプ１３０、クロック発生器１２５、コンパレータ１１０など）に対して行う。
【００４５】
（３）ディスチャージ動作に関しては、ワークキャパシタ１５０の電圧と基準電圧とを比較するなどして、ワークキャパシタ１５０の電圧が、チャージポンプ１３５の始動のための電圧より小さい場合、各種、アクティブ素子（チャージポンプ１３５、クロック発生器１２５、比較器１１４、レギュレータ１６０）のシャットダウンを行う。このとき、メインキャパシタ４００の電圧が低下していても、所望の出力電圧が発生しないので、ワークキャパシタ１５０、及びメインキャパシタ４００の何れか一方又は双方の電圧が一定値以下のときにシャットダウンする。
充放電装置１０００は、これらのシャットダウン動作を行うことで、チャージブロック２００、及びワークブロック３００にてそれぞれ個別にシャットダウンの管理が可能となり、ユビキタス電源として有効な充放電が行われ、無駄な電力消費を抑える低消費電力動作が可能となる。
【００４６】
例えば、太陽電池１０を用いた場合、暗くなったらチャージは出来ないので、チャージブロック２００をシャットダウンするが、ディスチャージは可能であり、全く使わないとき、若しくは、スタンバイ動作時は、ディスチャージのためのチャージポンプ１３５は全く動かず、チャージポンプ１３０によるチャージのみを行うといったエネルギー管理が可能になる。
【００４７】
以上説明したように本実施形態によれば、
１．ブートブロック１００は、太陽電池１０を無負荷にして開放電圧Ｖｏｃを測定する測定期間と、発電電力を蓄電部であるプリチャージキャパシタ５０に充電する充電期間とを周期的に切り換える、第１のスイッチ素子３０を設けた。さらに、チャージブロック２００は、プリチャージキャパシタ５０から昇圧器であるチャージポンプ１３０を介して主蓄電部であるメインキャパシタ４００に蓄電するようになっている。また、測定された開放電圧Ｖｏｃに所定値（例えば、０．７６）を乗算して求めたＭＰＰ電圧と、プリチャージキャパシタ５０の電圧とをヒステリシス比較して、チャージポンプ１３０を駆動するクロックのオン・オフを制御している。これにより、太陽電池１０の入射光が微弱であり、開放電圧Ｖｏｃが不安定である場合であっても、太陽電池１０の供給電力（供給パワー）が最大となるＭＰＰ電圧の近傍でプリチャージキャパシタ５０に充電される。
【００４８】
すなわち、微弱なパワーからハイパワーに至るまでの様々なエネルギー源を、パワーコンディショニングすることで（ＭＰＰ制御）、蓄積効率の高いパワーで電気二重層キャパシタ等の主蓄電部に急速充電を行うことが可能である。
また、太陽電池１０のセル段数が未定であり、開放電圧が不確定であっても、太陽電池１０の開放電圧Ｖｏｃを測定することにより、ＭＰＰ電圧を容易に確定することができる。
【００４９】
特許文献１に開示された充放電方式では、ある程度の広い電圧値で用いるような照明用の電源としては使えるが、通信機器や精密機械などの安定した電源電圧を必要とする機器に接続することはできなかった。また、特許文献１に開示された充放電方式では、二次電池もしくはキャパシタに充電及び放電は可能であるが、太陽電池（発電素子）から得たパワーを高効率に充放電出来ない点、出力電圧を所望の電圧にフレキシブルに調整することができない点などの問題があった。
本実施形態の充放電装置１０００は、これらの問題が解決され、小型であること、環境のエネルギーを効率よく吸収しうること、急速充放電特性に優れていること、高効率に充放電変換が可能であること、自立的なパワー制御が可能なこと、等を満足する。
【００５０】
２．チャージポンプ１３０は、複数段のキャパシタで構成されており、昇圧倍率を可変することができるようになっている。この昇圧倍率は、比較器１１８（図５）が太陽電池１０の電圧と基準電圧を抵抗分圧した分圧電圧とを比較して決定するようになっている。これにより、抵抗分圧比を変えるなどの簡易な設定を行うことのみで、蓄えたエネルギー源から出力したい電圧に調整することができる。
【００５１】
３．充放電装置１０００は、ブートブロック１００とチャージブロック２００とワークブロック３００とをワンチップ化することで小型化が可能である。また、チャージポンプ１３０の昇圧倍率を可変とし、ワークブロック３００の昇圧段数を可変にすることにより、自由度が高くなり、入出力として個別に素子を選定する必要がない。
【００５２】
４．ワークブロック３００は、チャージポンプ１３５の出力電圧、すなわちワークキャパシタ１５０の電圧が所定のヒステリシス範囲になるようにクロックがオン・オフ制御されるように構成されている。このため、大電力消費の際にはチャージポンプ１３５を駆動して、メインキャパシタ４００からパワーを受給するようにし、低省電力消費の際には、チャージポンプ１３５をオフして、ワークキャパシタ１５０から放電するのみにすることができる。
【００５３】
これにより、接続する機器がスリープモード時のように小電力で長い時間をかけて消費する用途ではチャージポンプ１３５、及びクロック発生器１２５等のパワーコンディショナによる電力消費をなくすことができ、同じ出力端からハイパワー時、ローパワー時のそれぞれの状態に見合った高効率放電が可能となる。
【００５４】
５．ブートブロック１００は、太陽電池１０の電圧が所定値以上なければ、サンプルホールド周期発生器４０、レベルシフタ４５、判定器７０，７２、比較器１１０、クロック発生器１２０、及びチャージポンプ１３０をシャットダウンさせるシャットダウン回路９０を備え、ワークブロック３００は、チャージポンプ１３５の出力電圧、すなわち、ワークキャパシタ１５０の電圧が所定値以上なければ、判定器７４を介してクロック発生器１２５、チャージポンプ１３５をシャットダウンすると共に、レギュレータ１６０をシャットダウンするように構成されている。
すなわち、太陽光等の自然エネルギーのみで、ウエイクアップ、やシャットダウン等のパワーコンディショニングが、自分自身で出来るので、外部電源を用意する必要がない。
また、レギュレータ１６０もシャットダウンされるので、出力可能な電圧値を下回った後に、余分な電力消費がない。
また、基準電圧生成器８０やスイッチ素子３０，３５が十分に機能するところまで蓄電してウエイクアップしてチャージを始めるため、誤動作の発生が低減する。
【００５５】
６．主蓄電部であるメインキャパシタ４００に対して蓄電する際、特に、電気二重層コンデンサを用いた場合、最大印加電圧以内に制限する電圧制限が必要となるが、本装置では簡易な外部での分圧抵抗器の調整にて所望の昇圧倍率にてメインキャパシタ４００に蓄電することができる。
【００５６】
７．入力パワーの値が小さいときには、メインキャパシタ４００よりパワーを供給する仕組みとなっているため、周囲に存在するパワーが少なくても蓄電回路が動作し、蓄電することが可能となる。
また、さらに入力パワーの値が小さくなり、チャージポンプ１３０などで消費する電力よりも入力パワーの値が小さくなった際は、チャージポンプ１３０などをシャットダウンする機能を有する。
【００５７】
（変形例）
第１実施形態では、太陽電池から得られるエネルギーを充放電するシステムについて説明したが、太陽電池以外の熱電変換素子、振動系（ピエゾ、サイズモ、エレクトレット等）、無線パワー受信用レクテナ等を用いたエネルギーハーベスティング入力全般についても利用が可能である。
また、メインの蓄電部としてキャパシタ及び電気二重層コンデンサ、Ｌｉイオンキャパシタや、Ｌｉイオン電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池、鉛蓄電池、固体電池、フイルム電池などの二次電池を用いることが可能である。また、ブートキャパシタ、プリチャージキャパシタ、ワークキャパシタには電圧ドロップを検出することを目的として急速充放電が可能な上記、キャパシタ系及び二次電池系の利用が可能である。
レギュレータ方式として、第１実施形態では、スイッチ、及びキャパシタを複数用いたチャージポンプ方式を示したが、スイッチングレギュレータ方式でも構わない。
分圧器は、抵抗器で分圧するが、この抵抗器は、スイッチとコンデンサとを用いたスイッチドキャパシタ方式で模擬することができる。
出力段のレギュレータ１６０は、ＬＤＯ電源を例示したが、通常のシリーズレギュレータやＤＣ／ＤＣコンバータなどレギュレータ全般の方式を用いても構わない。
また、チャージポンプ１３０，１３５を駆動するクロック発生器１２０，１２５が発生するクロック周波数を可変にして移動電力を増減することも有効である。
また、ブートキャパシタ２０は、第１のスイッチ素子３０と同期して動作する第３のスイッチ素子（他のスイッチ素子）と並列に接続され、ブートキャパシタ２０の一端にはダイオードが取り付けられ，第３のスイッチ素子は、プリチャージキャパシタ５０に蓄電するときであって、ブートキャパシタ２０が所定の電圧値にチャージされた状態で時間をおいてから導通させることもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１０  太陽電池（発電素子）
２０  ブートキャパシタ
３０  第１のスイッチ素子
３５  第２のスイッチ素子（他のスイッチ素子）
３８  最終段スイッチ素子
４０  サンプルホールド周期発生器
４５  レベルシフタ
５０  プリチャージキャパシタ（蓄電部）
６０  電圧モニタ
６５  ＭＰＰ電圧生成器
７０，７２，７４  判定器
８０  基準電圧生成器
９０，９５  シャットダウン回路
１００  ブートブロック
１１０，１１２，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８  比較器（コンパレータ）
１２０  クロック発生器
１２５  クロック発生器（他のクロック発生器）
１３０  チャージポンプ（昇圧器）
１３５  チャージポンプ（他の昇圧器）
１５０  ワークキャパシタ（出力蓄電部）
１６０  レギュレータ
２００  チャージブロック（放電制御手段）
３００  ワークブロック（出力部）
４００  メインキャパシタ（主蓄電部）
１０００  充放電装置
Ｚ０  外部負荷
Ｄｚ  チェナダイオード
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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