(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１極および第２極を有する交流発電機と、
前記第１極から出力される電力を整流する第１整流器と、
前記第２極から出力される電力を整流する第２整流器と、
前記第１整流器から出力される電力を蓄電する蓄電池と、  
前記第２整流器から出力される電力を蓄電するキャパシタと、
前記第１整流器と前記蓄電池との間に設けられ、前記蓄電池の端子電圧が所定の上限電圧よりも高くなることを規制する過電圧保護手段と、
を備え、
前記キャパシタは前記上限電圧よりも大きい電圧を印加可能である、
ことを特徴とする充放電装置。
【請求項２】
第１極および第２極を有する交流発電機と、
前記第１極から出力される電力を整流する第１整流器と、
前記第２極から出力される電力を整流する第２整流器と、
前記第１整流器から出力される電力を蓄電する蓄電池と、 
前記第２整流器から出力される電力を蓄電するキャパシタと、
前記蓄電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記蓄電池と前記キャパシタとを接続または遮断する第１スイッチと、
前記蓄電池の端子電圧が所定の下限電圧以下になると前記第１スイッチを前記遮断の状態にする第１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３】
前記蓄電池に蓄電された電力を前記キャパシタに充電するために、前記蓄電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記蓄電池と前記キャパシタとを接続または遮断する第２スイッチと、
前記キャパシタの端子電圧が前記蓄電池の端子電圧よりも小さいときに前記第２のスイッチを前記接続の状態にする第２制御手段とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の充放電装置。
【請求項４】
前記第１スイッチと前記キャパシタとの間に設けられ、前記キャパシタの端子電圧が前記蓄電池の端子電圧よりも小さいときに前記蓄電池から前記キャパシタに電流が流れるダイオードを備えることを特徴とする請求項３に記載の充放電装置。
【請求項５】
前記交流発電機は、外部からの振動により発電することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載の充放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば振動により発電する圧電変換振動子から出力される電力を整流し、この整流後の電力でコンデンサを充電するスイッチ端末が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５００１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係るスイッチ端末のように、振動などにより発電する発電機から出力される微小な発電電力を蓄電装置に蓄電する場合には、先ず、交流の発電電力を全波整流または半波整流して直流電力に変換し、次に、この変換後の直流電力を蓄電装置に蓄電する。そして、このような微小な発電電力が蓄電される蓄電装置においては、出力可能な電力の温度依存性を低減し、蓄電電力の漏れを抑制することが望まれている。
このような蓄電装置として、例えば、出力可能な電力の温度依存性が低いキャパシタと蓄電電力の漏れが小さい２次電池とを組み合わせて構成し、キャパシタと２次電池とを発電機に並列に接続した蓄電装置によれば、キャパシタおよび２次電池で発電電力を蓄電することはできるが、装置を小型化したり、発電効率を向上させることはできないという問題が生じる。
【０００５】
例えば、キャパシタと２次電池とを発電機に並列に接続した蓄電装置では、３通りの動作によって発電電力を蓄電可能であって、例えば第１の動作では、先ず２次電池に蓄電し、次に２次電池からキャパシタに蓄電する。また、例えば第２の動作は、先ずキャパシタに蓄電し、次にキャパシタから２次電池に蓄電する。また、例えば第３の動作では、２次電池とキャパシタとに同時に蓄電する。
しかしながら、これらの動作によれば、キャパシタには２次電池に設定されている所定の上限電圧を超える電圧を印加することはできず、例えばキャパシタに蓄電可能な電力を低下させること無しに２次電池の容量を小さくすることはできず、例えば発電機から出力される発電電力のうち２次電池の所定の上限電圧の超過分に相当する発電電力は蓄電することができないという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置を小型化し、発電機の発電効率を向上させることが可能な充放電装置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】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係る充放電装置は、第１極（例えば、実施の形態での第１極１１ａ）および第２極（例えば、実施の形態での第２極１１ｂ）を有する交流発電機（例えば、実施の形態での交流発電機１１）と、前記第１極から出力される電力を整流する第１整流器（例えば、実施の形態での第１半波整流器１２）と、前記第２極から出力される電力を整流する第２整流器（例えば、実施の形態での第２半波整流器１３）と、前記第１整流器から出力される電力を蓄電する蓄電池（例えば、実施の形態での２次電池１４）と、前記第２整流器から出力される電力を蓄電するキャパシタ（例えば、実施の形態でのキャパシタ１５）とを備える。
【０００８】
さらに、前記第１整流器と前記蓄電池との間に設けられ、前記蓄電池の端子電圧（例えば、実施の形態での端子電圧Ｖｂ）が所定の上限電圧（例えば、実施の形態での上限電圧Ｖｂｍａｘ）よりも高くなることを規制する過電圧保護手段（例えば、実施の形態での２次電池充放電制御部２０）を備え、前記キャパシタは前記上限電圧よりも大きい電圧を印加可能である。
【０００９】
また、本発明の第２態様に係る充放電装置は、第１極（例えば、実施の形態での第１極１１ａ）および第２極（例えば、実施の形態での第２極１１ｂ）を有する交流発電機（例えば、実施の形態での交流発電機１１）と、前記第１極から出力される電力を整流する第１整流器（例えば、実施の形態での第１半波整流器１２）と、前記第２極から出力される電力を整流する第２整流器（例えば、実施の形態での第２半波整流器１３）と、前記第１整流器から出力される電力を蓄電する蓄電池（例えば、実施の形態での２次電池１４）と、前記第２整流器から出力される電力を蓄電するキャパシタ（例えば、実施の形態でのキャパシタ１５）と、前記蓄電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記蓄電池と前記キャパシタとを接続または遮断する第１スイッチ（例えば、実施の形態での第１スイッチ１７）と、前記蓄電池の端子電圧が所定の下限電圧（例えば、実施の形態での下限電圧Ｖｂｍｉｎ）以下になると前記第１スイッチを前記遮断の状態にする第１制御手段（例えば、実施の形態での２次電池充放電制御部２０が兼ねる）とを備える。
【００１０】
さらに、本発明の第３態様に係る充放電装置は、前記蓄電池に蓄電された電力を前記キャパシタに充電するために、前記蓄電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記蓄電池と前記キャパシタとを接続または遮断する第２スイッチ（例えば、実施の形態での第２スイッチ１８）と、前記キャパシタの端子電圧（例えば、実施の形態での端子電圧Ｖｃ）が前記蓄電池の端子電圧よりも小さいときに前記第２のスイッチを前記接続の状態にする第２制御手段（例えば、実施の形態での接続制御部２１）とを備える。
【００１１】
さらに、本発明の第４態様に係る充放電装置は、前記第１スイッチと前記キャパシタとの間に設けられ、前記キャパシタの端子電圧が前記蓄電池の端子電圧よりも小さいときに前記蓄電池から前記キャパシタに電流が流れるダイオード（例えば、実施の形態でのダイオード４１）を備える。
【００１２】
さらに、本発明の第５態様に係る充放電装置では、前記交流発電機は、外部からの振動により発電する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１態様に係る充放電装置によれば、交流発電機の第１極および第２極から出力される電力を、蓄電池とキャパシタとで独立に蓄電することができる。これにより、キャパシタには蓄電池に設定されている所定の上限電圧を超える電圧を印加することができ、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換器による電圧の制限を不要とし、キャパシタに印加する電圧を増大させることによって、キャパシタに蓄電可能な電力を増大させることができる。これに伴い、キャパシタの容量を小さくして、キャパシタを小型化したり、蓄電池の容量を小さくして、蓄電池を小型化することができる。
しかも、交流発電機から出力される電力のうち、第２整流器から出力されてキャパシタに供給される電力は、蓄電池の所定の上限電圧にかかわらずにキャパシタに蓄電可能であることから、交流発電機の発電効率を向上させることができる。
【００１４】
さらに、キャパシタとは独立して蓄電池の端子電圧が所定の上限電圧以上になることを規制して蓄電池を保護することができる。
【００１５】
さらに、本発明の第２態様に係る充放電装置によれば、蓄電池の端子電圧が所定の下限電圧以下になると第１スイッチを遮断の状態にすることから、蓄電池からキャパシタへの電力供給によって蓄電池の端子電圧が低下してしまうことを防止することができる。
【００１６】
さらに、本発明の第３態様に係る充放電装置によれば、キャパシタの端子電圧が蓄電池の端子電圧よりも小さいときには第２スイッチを接続の状態にすることから、蓄電池側からキャパシタを充電可能となり、交流発電機の発電効率を向上させることができる。
【００１７】
さらに、本発明の第４態様に係る充放電装置によれば、キャパシタの端子電圧が蓄電池の端子電圧よりも小さいときには自動的にダイオードに電流が流れることから、蓄電池側からキャパシタを充電して、交流発電機の発電効率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の第５態様に係る充放電装置によれば、振動により発電された微小な電力を効率よく蓄電池およびキャパシタに蓄電することができ、発電効率を向上させることができる。
しかも、振動による発電の電圧が変動し易い場合であっても、キャパシタおよび蓄電池の容量を大きくする必要無しに、効率のよい蓄電を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る充放電装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る充放電装置の動作、特に、２次電池充電制御の処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係る充放電装置の動作、特に、２次電池放電制御の処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態に係る充放電装置の動作、特に、接続制御の処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る充放電装置の動作、特に、キャパシタ放電制御の処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態の変形例に係る充放電装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の充放電装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による充放電装置１０は、例えば図１に示すように、交流発電機１１と、第１半波整流器１２と、第２半波整流器１３と、２次電池１４と、キャパシタ１５と、２次電池充放電スイッチ１６と、第１スイッチ１７と、第２スイッチ１８と、キャパシタ放電スイッチ１９と、２次電池充放電制御部２０と、接続制御部２１と、キャパシタ放電制御部２２とを備えて構成されている。
そして、この充放電装置１０は、例えば車両に搭載され、各種の負荷３１に接続されたレギュレータ（例えば、シリーズレギュレータやスイッチングレギュレータなど）３２に電力供給が可能とされている。
【００２１】
交流発電機１１は、例えば車体振動などの機械的振動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電機であって、圧電式や電磁誘導式や静電式などの振動発電機である。
この交流発電機１１は、少なくとも２つの第１極１１ａおよび第２極１１ｂを有し、例えば、第１極１１ａからは正相の電力が出力され、かつ、第２極１１ｂからは逆相の電力が出力される。
第１半波整流器１２は、第１極１１ａに接続され、第１極１１ａから出力される電力を半波整流する。
第２半波整流器１３は、第２極１１ｂに接続され、第２極１１ｂから出力される電力を半波整流する。
【００２２】
２次電池１４は、第１半波整流器１２から出力される電力を蓄電可能であって、第１半波整流器１２と２次電池１４との間には、２次電池充放電スイッチ（スイッチＡ）１６が設けられ、２次電池充放電スイッチ１６の一端は第１半波整流器１２に接続され、かつ、２次電池充放電スイッチ１６の他端は２次電池１４に接続されている。
キャパシタ１５は、第２半波整流器１３から出力される電力を蓄電可能であって、第２半波整流器１３に接続されている。
【００２３】
また、２次電池１４とキャパシタ１５との間には、２つの第１および第２スイッチ１７，１８が設けられ、第１スイッチ（スイッチＢ）１７の一端は２次電池１４に接続され、かつ、第１スイッチ１７の他端は第２スイッチ（スイッチＭ）１８の一端に接続され、かつ、第２スイッチ１８の他端はキャパシタ１５に接続されている。
また、キャパシタ１５とレギュレータ３２との間には、キャパシタ放電スイッチ（スイッチＣ）１９が設けられ、キャパシタ放電スイッチ１９の一端はキャパシタ１５に接続され、かつ、キャパシタ放電スイッチ１９の他端はレギュレータ３２に接続されている。
【００２４】
２次電池充放電制御部２０は、２次電池充放電スイッチ１６および第１スイッチ１７の接続（ＯＮ）または遮断（ＯＦＦ）を制御している。
２次電池充放電制御部２０は、予め充放電装置１０の停止時および起動時などにおいて２次電池充放電スイッチ１６を遮断の状態に設定している。そして、充放電装置１０の起動以後において、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の上限電圧Ｖｂｍａｘ未満であれば２次電池充放電スイッチ１６を接続の状態に設定して、第１半波整流器１２から出力される電力を２次電池１４に蓄電可能とする。また、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の上限電圧Ｖｂｍａｘ以上であれば２次電池充放電スイッチ１６を遮断の状態に設定して、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の上限電圧Ｖｂｍａｘよりも高くなることを規制する過電圧保護を行なう。
なお、第１半波整流器１２から出力される電力のうち２次電池１４の上限電圧Ｖｂｍａｘの超過分に相当する電力は、２次電池充放電制御部２０に備えられたツェナーダイオード２０ａで消費されるようになっている。
【００２５】
また、２次電池充放電制御部２０は、予め充放電装置１０の停止時および起動時などにおいて第１スイッチ１７を遮断の状態に設定している。そして、充放電装置１０の起動以後において、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の下限電圧Ｖｂｍｉｎよりも高ければ第１スイッチ１７を接続の状態に設定して、２次電池１４とキャパシタ１５との接続および２次電池１４の放電を許容する。また、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の下限電圧Ｖｂｍｉｎ以下であれば第１スイッチ１７を遮断の状態に設定して、２次電池１４とキャパシタ１５との接続および２次電池１４の放電を禁止する。
【００２６】
接続制御部２１は、第２スイッチ１８の接続（ＯＮ）または遮断（ＯＦＦ）を制御している。
接続制御部２１は、予め充放電装置１０の停止時および起動時などにおいて第１スイッチ１７を遮断の状態に設定している。そして、充放電装置１０の起動以後において、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃが２次電池１４の端子電圧Ｖｂ未満であれば第２スイッチ１８を接続の状態に設定して、２次電池１４に蓄電された電力をキャパシタ１５に充電可能とする。また、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃが２次電池１４の端子電圧Ｖｂ以上であれば第２スイッチ１８を遮断の状態に設定して、２次電池１４とキャパシタ１５との接続および２次電池１４の放電を禁止する。
【００２７】
キャパシタ放電制御部２２は、キャパシタ放電スイッチ１９の接続（ＯＮ）または遮断（ＯＦＦ）を制御している。
キャパシタ放電制御部２２は、予め充放電装置１０の停止時および起動時などにおいてキャパシタ放電スイッチ１９を遮断の状態に設定している。そして、充放電装置１０の起動以後において、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃがレギュレータ３２の所定の最低動作電圧Ｖｒ以上であればキャパシタ放電スイッチ１９を接続の状態に設定して、キャパシタ１５に蓄電された電力をレギュレータ３２に供給可能とする。また、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃがレギュレータ３２の所定の最低動作電圧Ｖｒ未満であればキャパシタ放電スイッチ１９を遮断の状態に設定して、キャパシタ１５の放電を禁止する。
【００２８】
この実施の形態による充放電装置１０は上記構成を備えており、次に、この充放電装置１０の動作について説明する。
【００２９】
以下に、２次電池１４の充電を２次電池１４の端子電圧Ｖｂに応じて制御する処理について説明する。なお、この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
先ず、例えば図２に示すステップＳ０１においては、予め設定される初期状態として、２次電池充放電スイッチ（スイッチＡ）１６を遮断の状態に設定する。
そして、ステップＳ０２においては、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の上限電圧Ｖｂｍａｘ以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０３に進み、このステップＳ０３においては、２次電池充放電スイッチ１６を接続の状態に設定して、ステップＳ０２の判定を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０４に進み、このステップＳ０４においては、２次電池充放電スイッチ１６を遮断の状態に設定して、エンドに進む。
【００３０】
以下に、２次電池１４の放電を２次電池１４の端子電圧Ｖｂに応じて制御する処理について説明する。なお、この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
先ず、例えば図３に示すステップＳ１１においては、予め設定される初期状態として、第１スイッチ（スイッチＢ）１７を遮断の状態に設定する。
そして、ステップＳ１２においては、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の下限電圧Ｖｂｍｉｎ以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１３に進み、このステップＳ１３においては、第１スイッチ１７を接続の状態に設定して、ステップＳ１２の判定を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１４に進み、このステップＳ１４においては、第１スイッチ１７を遮断の状態に設定して、エンドに進む。
【００３１】
以下に、２次電池１４とキャパシタ１５との接続を２次電池１４の端子電圧Ｖｂおよびキャパシタ１５の端子電圧Ｖｃに応じて制御する処理について説明する。なお、この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
先ず、例えば図４に示すステップＳ２１においては、予め設定される初期状態として、第２スイッチ（スイッチＭ）１８を遮断の状態に設定する。
そして、ステップＳ２２においては、２次電池１４の端子電圧Ｖｂがキャパシタ１５の端子電圧Ｖｃ以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２３に進み、このステップＳ２３においては、第２スイッチ１８を接続の状態に設定して、ステップＳ２２の判定を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２４に進み、このステップＳ２４においては、第２スイッチ１８を遮断の状態に設定して、エンドに進む。
【００３２】
以下に、キャパシタ１５の放電をキャパシタ１５の端子電圧Ｖｃに応じて制御する処理について説明する。なお、この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
先ず、例えば図５に示すステップＳ３１においては、予め設定される初期状態として、キャパシタ放電スイッチ（スイッチＣ）１９を遮断の状態に設定する。
そして、ステップＳ３２においては、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃがレギュレータ３２の所定の最低動作電圧Ｖｒ未満であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ３３に進み、このステップＳ３３においては、キャパシタ放電スイッチ１９を接続の状態に設定して、ステップＳ３２の判定を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ３４に進み、このステップＳ３４においては、キャパシタ放電スイッチ１９を遮断の状態に設定して、エンドに進む。
【００３３】
上述したように、本実施の形態による充放電装置１０によれば、交流発電機１１の第１極１１ａおよび第２極１１ｂから出力される電力を、２次電池１４とキャパシタ１５とで独立に蓄電することができる。これにより、キャパシタ１５には２次電池１４に設定されている所定の上限電圧Ｖｂｍａｘを超える電圧を印加することができ、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換器による電圧の制限を不要とし、キャパシタ１５に印加する電圧を増大させることによって、キャパシタ１５に蓄電可能な電力を増大させることができる。これに伴い、キャパシタ１５の容量を小さくして、キャパシタ１５を小型化したり、２次電池１４の容量を小さくして、２次電池１４を小型化することができる。
しかも、交流発電機１１から出力される電力のうち、第２整流器１３から出力されてキャパシタ１５に供給される電力は、２次電池１４の所定の上限電圧Ｖｂｍａｘにかかわらずにキャパシタ１５に蓄電可能であることから、交流発電機１１の発電効率を向上させることができる。
【００３４】
さらに、キャパシタ１５とは独立して２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の上限電圧Ｖｍａｘ以上になることを規制して蓄電池を保護することができる。
さらに、２次電池１４の端子電圧Ｖｂが所定の下限電圧Ｖｍｉｎ以下になると第１スイッチ１７を遮断の状態にすることから、２次電池１４からキャパシタ１５への電力供給によって２次電池１４の端子電圧Ｖｂが低下してしまうことを防止することができる。
【００３５】
さらに、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃが２次電池１４の端子電圧Ｖｂよりも小さいときには第２スイッチ１８を接続の状態にすることから、２次電池１４側からキャパシタ１５を充電可能となり、交流発電機１１の発電効率を向上させることができる。
【００３６】
さらに、例えば車体振動などの機械的振動による発電の電圧が変動し易く、発電量が微弱であっても、キャパシタ１５および２次電池１４の容量を大きくする必要無しに、効率のよい蓄電を行なうことができる。
【００３７】
なお、上述した実施の形態においては、例えば図６に示す変形例のように、第２スイッチ１８および接続制御部２１を省略して、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃが２次電池１４の端子電圧Ｖｂ未満のときに２次電池１４からキャパシタ１５に電流が流れるダイオード４１を備えてもよい。
この変形例によれば、キャパシタ１５の端子電圧Ｖｃが２次電池１４の端子電圧Ｖｂよりも小さいときには自動的にダイオード４１に電流が流れることから、２次電池１４側からキャパシタ１５を充電して、交流発電機１１の発電効率を向上させることができ、第２スイッチ１８および接続制御部２１の動作に必要とされる消費電力を削減することができる。
【００３８】
なお、上述した実施の形態においては、交流発電機１１を振動発電機としたが、これに限定されず、他の交流発電機であってもよい。
【００３９】
なお、上述した実施の形態においては、第１および第２半波整流器１２，１３の代わりに全波整流器を備えてもよい。
【００４０】
なお、上述した実施の形態および変形例においては、各スイッチ１６〜１９の少なくとも何れか１つと、各スイッチ１６〜１９の少なくとも何れか１つを制御する各制御部２０〜２２とが省略されてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０  充放電装置
１１  交流発電機
１１ａ  第１極
１１ｂ  第２極
１２  第１半波整流器（第１整流器）
１３  第２半波整流器（第２整流器）
１４  ２次電池（蓄電池）
１５  キャパシタ
１７  第１スイッチ
１８  第２スイッチ
２０  ２次電池充放電制御部（過電圧保護手段、第１制御手段）
２１  接続制御部（第２制御手段）
４１  ダイオード
【図１】
0005551487.tif 000002
【図２】
0005551487.tif 000003
【図３】
0005551487.tif 000004
【図４】
0005551487.tif 000005
【図５】
0005551487.tif 000006
【図６】
0005551487.tif 000007