JP7508126B2 - エネルギーハーベスティング及び充電式エネルギー貯蔵デバイスの充電のための方法及びデバイス - Google Patents

エネルギーハーベスティング及び充電式エネルギー貯蔵デバイスの充電のための方法及びデバイス Download PDF

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Description

本発明は、エネルギーハーベスティングのための方法及びデバイスに関する。より具体的には、本発明は、充電式エネルギー貯蔵デバイスを充電するための方法及びデバイスに関する。
エネルギーハーベスタからエネルギーを抽出し、エネルギー貯蔵デバイスを充電するために電圧変換器を使用することは、当技術分野でよく知られている。例えば、国際公開第２０１８２３４４８５号パンフレットでは、エネルギーハーベスタから充電式蓄電デバイスにエネルギーを転送するための電圧変換器を含む集積回路が記載されている。充電式蓄電デバイスに蓄えられたエネルギーは、その後、印加負荷のための電力源として使用される。印加負荷は、蓄電デバイスに直接又は間接的に結合させることができる。間接的な結合は、例えば、蓄電デバイスと印加負荷との間に補助電圧変換器を置くことによって確立され、補助電圧変換器は、印加負荷に特定の必要な電圧を調整するように構成される。
様々なエネルギーハーベスタを、例えば光起電力電池（ＰＶ）、熱電発電機（ＴＥＧ）、圧電エネルギー発生機及び電磁エネルギー発生機などのエネルギー源として使用することができる。充電式蓄電デバイスは、例えば、リチウムイオンバッテリ、スーパーキャパシタ又は従来のキャパシタなどの充電式バッテリである。
既知のエネルギーハーベスティングシステムに関する問題の１つは、最初に、使い尽くして空になった充電式蓄電デバイスから始めたとき、エネルギーハーベスタからのエネルギーで充電式蓄電デバイスを最初に充電するのに長い時間がかかることである。結果として、印加負荷が、充電式蓄電デバイスからの電力を受け取り可能になり、動作を開始するまでにかかる時間も長くなる。特に、充電式蓄電デバイスが、完全に放電されたときにゼロボルトであるスーパーキャパシタである場合、スーパーキャパシタの充電時間は、非常に長くなる可能性がある。それだけでなく、十分に長い期間中、印加負荷に電力を供給する準備ができているようにするために必要な充電レベルまで充電式バッテリを充電することは、相当長い充電時間がかかる可能性がある。
第２の問題は、個々のエネルギーハーベスティングシステムによって条件が変わることにより、エネルギーハーベスタが長期間、例えば数日の期間にわたってエネルギーを継続的に供給しない状況が生じることに関する。エネルギーハーベスタのタイプによっては、エネルギーハーベスティングは、かなり長い時間間隔、例えば数時間の時間間隔にわたって中断する可能性があり、印加負荷の信頼性及び長期機能性が下がる。印加負荷の電力消費量によっては、これにより、印加負荷の動作が停止される可能性がある。
第２の問題に対して、例えばエネルギーハーベスタがエネルギーを供給していない時間間隔中、一次電池が印加負荷に接続されているバックアップシステムが提案されている。
本発明は、エネルギーハーベスティング及び効率的な方法での充電式蓄電デバイスの充電のための方法及びデバイスを提供し、それにより、充電式蓄電デバイスが最初に完全に空になっている状況でも、電力を受け取るための充電式蓄電デバイスと結合された印加負荷がより迅速に、すなわち数分以内に動作を開始することができるようにすることを目的とする。さらなる目的は、エネルギーハーベスタが長期間にわたって中断される条件下、例えば数時間、さらに数日に及ぶ中断でも、印加負荷が動作を継続できるようにすることである。目的は、エネルギーハーベスタからのエネルギーの抽出及び使用を最大限にすることでもある。
本発明は、添付の独立請求項において定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義するものである。
本発明の第１の態様によれば、エネルギーハーベスティング及び印加負荷への電力の供給のための方法が提供される。採取されたエネルギーを用いて電力供給される印加負荷は、例えば、携帯機器、センサ、外部回路又はワイヤレス送信機などの任意のタイプの用途であり得る。
本発明によるエネルギーハーベスティングのための方法は、入力電力を出力電力に変換し、且つ少なくとも第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスを充電するための電圧変換器システムを使用する。典型的には、電圧変換器システムは、１つ又は複数の電圧変換器を含む。
本発明による方法は、エネルギーハーベスタと電圧変換器システムとの間において、エネルギーハーベスタから電圧変換器システムに入力電力を転送するための第１の電力入力経路を結合するステップと、それぞれ第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電レベルを表すパラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２を監視するステップと、第１の充電式蓄電デバイスを印加負荷に結合するステップであって、それにより、第１の充電式蓄電デバイスは、充電されると、印加負荷に電力を供給することができる、ステップとを含む。
実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの電圧にそれぞれ対応する。他の実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、例えば、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電プロセス中に蓄積された電荷をカウントする電荷カウンタによって得られた第１の蓄積電荷及び第２の蓄積電荷にそれぞれ対応する。
方法は、サブステップ：
１ａ）電圧変換器システムと第１の充電式蓄電デバイスとの間において、電圧変換器システムから第１の充電式蓄電デバイスに出力電力を転送するための第１の電力出力経路を結合するサブステップ、
２ａ）パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、エネルギーハーベスタからのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイスを充電するように電圧変換器システムを動作させるサブステップであって、ハーベスタからのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイスを充電することは、エネルギーハーベスタから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送することを含む、サブステップ、
３ａ）ＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達しており、及びＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘ未満である場合、
ｉ）第１の電力出力経路を減結合し、且つ電圧変換器システムと第２の充電式蓄電デバイスとの間において、電圧変換器システムから第２の充電式蓄電デバイスに出力電力を転送するための第２の電力出力経路を結合し、及び
ｉｉ）エネルギーハーベスタからのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイスを充電するように電圧変換器システムを動作させるサブステップであって、ハーベスタからのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイスを充電することは、エネルギーハーベスタから第２の充電式蓄電デバイスに電荷を転送することを含む、サブステップ、
４ａ）第２の充電式蓄電デバイスの充電中、パラメータＶＢａｔｔ１が、その後、上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、第２の電力出力経路を減結合し、且つステップ１ａ）で再度開始するサブステップ
を反復して実行することにより、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電を協調させるステップをさらに含む。
本発明による方法は、ｉ）第１の充電式蓄電デバイスのパラメータＶＢａｔｔ１が臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びｉｉ）パラメータＶＢａｔｔ２が既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ以上である場合、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスにエネルギーを転送するステップをさらに含む。エネルギーを転送するステップは、１ｂ）第１の電力入力経路を減結合するサブステップ、２ｂ）第２の充電式蓄電デバイスと電圧変換器システムとの間において、第２の充電式蓄電デバイスから電圧変換器システムに入力電力を転送するための第２の電力入力経路を結合するサブステップ、及び３ｂ）第１の充電式蓄電デバイスのパラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、第２の充電式蓄電デバイスからのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイスを充電するように電圧変換器システムを動作させるサブステップを含む。
有利には、第１の充電式蓄電デバイスの放電段階中、すなわちＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下する間、第２の充電式蓄電デバイスを充電することにより、第２の充電式蓄電デバイスの全充電プロセス中及び第１の充電式蓄電デバイスを反復して再充電する全プロセス中の何れでも、印加負荷は、動作を継続することができる。このように、印加負荷を使用しても、エネルギーハーベスティング及び第２の充電式蓄電デバイスでのエネルギーの貯蔵は、妨害又は中断されない。
有利には、第２の充電式蓄電デバイスを使用して、エネルギーハーベスタが動作していないときに第１の蓄電デバイスを再充電することができる。
有利には、エネルギーハーベスタが動作していないとき、第２の充電式蓄電デバイスと電圧変換器システムとの間に第２の電力入力経路を結合することにより、電圧変換器システムは、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送するために使用されている。したがって、第２の充電式蓄電デバイスは、例えば、第１の充電式蓄電デバイスと異なる最大電圧で動作し、且つエネルギー貯蔵容量が大きい専用の蓄電デバイスであり得る。２つの蓄電デバイスを異なる技術で作ることもでき、第１の充電式蓄電デバイスは、例えば、リチウムイオン電池などの充電式バッテリであり得、第２の充電式蓄電デバイスは、例えば、スーパーキャパシタであり得る。このように、エネルギーハーベスタが長時間にわたって中断される場合、第２の充電式蓄電デバイスに貯蔵されたエネルギーを第１の充電式蓄電デバイスに転送し、印加負荷に電力供給を継続するために使用することができる。
好ましくは、第２の充電式蓄電デバイスは、第１の充電式蓄電デバイスのエネルギー貯蔵容量の５倍を超える、より好ましくは１０倍を超えるエネルギー貯蔵容量を有する。
本発明の第２の態様によれば、エネルギーハーベスティングのための集積回路が提供される。エネルギーハーベスティングのための集積回路は、少なくとも２つの充電式蓄電デバイスを充電するために、入力電力を出力電力に変換するのに適している電圧変換器システム、エネルギーハーベスタと接続可能な第１の端子、第１の充電式蓄電デバイスと接続可能な第２の端子、第２の充電式蓄電デバイスと接続可能な第３の端子、電圧変換器システムを制御するためのコントローラ、第１の端子から電圧変換器システムに入力電力を転送するための少なくとも第１の電力入力経路を含む複数の電力入力経路、電圧変換器システムから第２の端子に出力電力を転送するための少なくとも第１の電力出力経路及び電圧変換器システムから第３の端子に出力電力を転送するための第２の電力出力経路を含む複数の電力出力経路、コントローラと結合された監視ユニットであって、第２の端子及び第３の端子にそれぞれ接続されるとき、それぞれ第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電レベルを表すパラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２を監視するように構成された監視ユニットを含む。
実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２は、例えば、第２の端子及び第３の端子でそれぞれ感知された電圧に対応する。
本発明によるエネルギーハーベスティングのための集積回路は、複数の電力入力経路が、第３の端子から電圧変換器システムに入力電力を転送するための第２の電力入力経路を含むことと、電圧変換器システムが、複数の電力入力経路から電力入力経路を選択して、選択された電力入力経路を介して入力電力を受け取るための入力選択回路及び複数の電力出力経路から電力出力経路を選択して、選択された電力出力経路を介して出力電力を出力するための出力選択回路とを含むことと、コントローラが、パラメータＶＢａｔｔ１と第１の既定の閾値との比較及び／又はパラメータＶＢａｔｔ２と第２の既定の閾値との比較に基づいて、電力入力経路及び電力出力経路のいくつかの特定の組み合わせを形成し、且つそれらの間で切り替えるように構成されることとを特徴とする。コントローラが形成し、且つ切り替えることができる特定の組み合わせは、ｉ）第１の電力入力経路を選択し、且つ第１の電力出力経路を選択することによって形成される第１の組み合わせ、ｉｉ）第１の電力入力経路を選択し、且つ第２の電力出力経路を選択することによって形成される第２の組み合わせ、ｉｉｉ）第２の電力入力経路を選択し、且つ第１の電力出力経路を選択することによって形成される第３の組み合わせを含む。
複数の電力入力経路から「ある」電力入力経路を選択して、選択された電力入力経路を介して入力電力を受け取ることは、複数の電力入力経路から「１つの」電力入力経路を選択して、選択された電力入力経路を介してのみ入力電力を受け取ることとして解釈されなければならない。同様に、複数の電力出力経路から「ある」電力出力経路を選択して、選択された電力出力経路を介して出力電力を出力することは、複数の電力出力経路から「１つの」電力出力経路を選択して、選択された電力出力経路を介してのみ出力電力を出力することとして解釈されなければならない。
有利には、第３の端子から電圧変換器システムに入力電力を転送するための第２の電力入力経路を提供することにより、エネルギー貯蔵部を形成するために、この第３の端子に結合された第２の充電式蓄電デバイスにエネルギーハーベスタからのエネルギーで充電することができるだけでなく、エネルギーハーベスタが動作していないとき、第１の充電式蓄電デバイスを充電するための代替エネルギー源として使用することもできる。実際、第３の端子も、入力電力を供給するために電圧変換器システムに結合されているため、電圧変換器システムを使用して、第３の端子に結合されている第２の充電式蓄電デバイスからの電荷を、第２の端子に結合されている第１の充電式蓄電デバイスに転送することができる。このように、エネルギーハーベスタが動作していない場合でも、第１の蓄電デバイスに充電を継続することができ、それにより、第１の蓄電デバイスに結合された印加負荷が動作を継続することができる。
実施形態では、集積回路のコントローラは、パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になり、及びパラメータＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘよりも低い場合、第１の組み合わせから第２の組み合わせに切り替えることと、パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、第２の組み合わせから第１の組み合わせに切り替えることと、パラメータＶＢａｔｔ１が下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗから臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷまで低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びＶＢａｔｔ２が下限閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗを上回る（ここで、ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ２－ｍａｘである）場合、第１の組み合わせから第３の組み合わせに切り替えることとを行うようにさらに構成される。
実施形態では、集積回路は、一次電池などの補助エネルギー源と接続可能な第４の端子を含み、複数の電力入力経路は、第４の端子から電圧変換器システムに入力電力を転送するための第３の入力経路を含み、入力経路／出力経路の特定の組み合わせは、第３の電力入力経路を選択し、且つ第１の電力出力経路を選択することによって形成される第４の組み合わせを含む。
さらなる実施形態では、電圧変換器システムは、選択された電力入力経路を介して受け取られた入力電力を、選択された電力出力経路を介して出力される出力電力に変換するための電圧変換器を含み、電圧変換器は、以下：ブースト電圧変換器、バック電圧変換器又はバック－ブースト電圧変換器の１つである。換言すれば、これらの実施形態では、単一の電圧変換器が入力選択回路及び出力選択回路と組み合わせて使用される。
本発明のこれらの態様及びさらなる態様について、例として且つ添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。
図１ａは、本開示によるエネルギーハーベスティングシステムの一例を概略的に表す。 図１ｂは、本開示によるエネルギーハーベスティングシステムのさらなる一例を概略的に表す。 図２は、本発明による方法を使用する、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電プロセスを図示する。 図３は、本発明による集積回路を含むエネルギーハーベスティングシステムを概略的に示す。 図４ａは、バック／ブースト電圧変換器を含む、本発明による電圧変換器システムの一例を示す。 図４ｂは、２つのバック／ブースト電圧変換器を含む、本発明による電圧変換器システムの一例を示す。 図５は、３つの電力入力経路間で選択するための入力選択回路と、３つの電力出力経路間で選択するための出力選択回路とを含む、本発明による電圧変換器システムの一例を示す。 図６ａは、２つの電圧変換器を含む電圧変換器システムの一実施形態を示す。 図６ｂは、２つの電圧変換器を含む電圧変換器システムの代替的な一実施形態を示す。 図７は、３つの電圧変換器を含む電圧変換器システムの一実施形態を示す。 図８は、３つの電圧変換器を含み、且つ３つの電力入力経路間で選択するための入力選択回路と、２つの電力出力経路間で選択するための出力選択回路とを含む電圧変換器システムの一実施形態を示す。
図の図面は、縮尺通り又は比率通りに描かれていない。概して、同一の構成要素は、図において同じ参照数字で示されている。
本開示は、特定の実施形態に関して記載されるが、それらは、本開示の例示であり、限定であるとして解釈されないものとする。当業者は、本開示が、特段に示され且つ／又は説明されるものに限定されず、本開示の全体的な教示に照らし合わせて、代替実施形態又は修正実施形態を発展させ得ることがわかるであろう。記載されている図面は、概略にすぎず、限定するものではない。
「含む」という動詞及びそれぞれの語形変化の使用は、言及されているもの以外の要素の存在を除外しない。
さらに、本明細書及び特許請求の範囲における第１、第２等の用語は、同様の要素間を区別するために使用され、必ずしも時間的、空間的、順位付け又は他の方法で順序を説明するために使用されるわけではない。そのように使用された用語は、適切な状況下で互換性があり、本明細書に記載される本開示の実施形態は、本明細書に記載又は図示された順序以外の順序で動作が可能であることを理解されたい。
本明細書全体にわたって「１つの実施形態」又は「一実施形態」と言う場合、実施形態に関して説明された特定の特徴、構造又は特性が本開示の１つ又は複数の実施形態に含まれることを意味する。このため、本明細書全体にわたって様々な箇所に現れる「１つの実施形態では」又は「一実施形態では」という語句は、すべてが必ずしも同じ実施形態を指すわけではないが、同じ実施形態を指す場合もある。さらに、本開示から当業者に明らかであるように、特定の特徴、構造又は特性は、１つ又は複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされ得る。
本発明の第１の態様によれば、エネルギーハーベスティング及び印加負荷への電力の供給のための方法が提供される。エネルギーハーベスティングのための方法は、電圧変換器システムを含むエネルギーハーベスティングのためのシステムを利用する。
電圧変換器システムは、エネルギー源から受け取られた入力電力を、蓄電デバイスを充電するための出力電力に変換するためのシステムとして解釈されなければならない。エネルギー源、例えばエネルギーハーベスタは、入力電圧Ｖｉｎで入力電力を供給し、電圧変換器システムは、蓄電デバイスの電圧に対応する出力電圧Ｖｏｕｔで出力電力を出力している。入力電圧Ｖｉｎは、出力電圧Ｖｏｕｔよりも高い場合もあれば、低い場合もある。典型的には、電圧変換器システムは、１つ又は複数の電圧変換器を含み、様々な電圧変換器システムの詳細な実施形態について下記でさらに説明する。電圧変換器の一例は、ＤＣ－ＤＣブースト変換器、ＤＣ－ＤＣバック変換器又はＤＣ－ＤＣバック／ブースト変換器である。概して、電圧変換器システムは、概して電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）と呼ばれる集積回路の一部である。
図１ａでは、エネルギーハーベスティングのためのシステム１００の一例が概略的に示されている。システムは、電圧変換器システム２０と、電圧変換器システムを制御するためのコントローラ４０とを含む電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）１を含む。エネルギーハーベスタ７０が第１の端子１１に結合されており、この端子は、入力電圧Ｖｉｎでエネルギーハーベスタから電力を受け取るための入力端子である。ＰＭＩＣ１は、第１の充電式蓄電デバイス５０に結合された出力端子である第２の端子１２を含む。この例では、印加負荷９０は、直接接続によって第１の蓄電デバイス５０に結合されている。他の実施形態では、電圧調整器を例えば第１の蓄電デバイスと印加負荷との間に配置して、第１の蓄電デバイスの電圧と異なる、印加負荷に必要な電圧を発生させることができる。図１ａに示されているＰＭＩＣは、第２の充電式蓄電デバイス６０と接続されている第３の端子１３を含む。
第１の充電式蓄電デバイスは、例えば、充電式バッテリ、キャパシタ又はスーパーキャパシタであり、同様に第２の充電式蓄電デバイスも充電式バッテリ、キャパシタ又はスーパーキャパシタの何れかであり得る。
図１ｂでは、エネルギーハーベスティングのためのシステムのさらなる一例が概略的に示されており、第１の印加負荷９０ａが第１の蓄電デバイス５０に結合され、第２の印加負荷９０ｂが第２の蓄電デバイス６０に結合されている。第１の印加負荷は、例えば、低電力負荷であり、例えば監視目的用であり、第２の印加負荷は、例えば、高電力負荷であり、例えば通信手段又は作動手段用である。
本発明によるエネルギーハーベスティングのための方法は、エネルギーハーベスタと電圧変換器システムとの間において、エネルギーハーベスタから電圧変換器システム２０に入力電力を転送するための第１の電力入力経路を結合するステップと、それぞれ第１の充電式蓄電デバイス５０及び第２の充電式蓄電デバイス６０の充電レベルを表すパラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２を監視するステップと、第１の充電式蓄電デバイスを印加負荷９０に結合するステップであって、それにより、第１の充電式蓄電デバイスは、充電されると、印加負荷に電力を供給することができる、ステップとを含む。
実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、電圧測定によって得られた第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの電圧にそれぞれ対応する。他の実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、電荷カウンタで得られた電荷の量に対応する。
上限閾値電圧ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達していることによって示されるように、第１の蓄電デバイスが十分に充電されると、第１の充電式蓄電デバイス５０は、印加負荷９０のための電力源として使用することができる。電圧閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐは、必ずしも完全に充電された蓄電デバイスに対応するわけではなく、第１の蓄電デバイスが印加負荷への電力供給を開始するのに十分に充電されていることを示す値であり得る。
本発明による方法は、本明細書において下記で概説するサブステップ１ａ）～４ａ）を反復して実行することにより、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電を協調させるステップをさらに含む。
サブステップ１ａ）は、電圧変換器システムと第１の充電式蓄電デバイスとの間において、電圧変換器システムから第１の充電式蓄電デバイスに出力電力を転送するための第１の電力出力経路を結合することに対応する。
サブステップ２ａ）は、パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、エネルギーハーベスタからのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイスを充電するように電圧変換器システムを動作させることに対応する。したがって、第１の充電式蓄電デバイスの充電中、エネルギーハーベスタから第１の充電式蓄電デバイスに電荷が転送されている。
ＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達しており、及びＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘ未満であるという条件が満たされている場合、サブステップ３ａ）が実行される。サブステップ３ａ）は、ｉ）第１の電力出力経路を減結合し、且つ電圧変換器システム２０と第２の充電式蓄電デバイス６０との間において、電圧変換器システムから第２の充電式蓄電デバイスに出力電力を転送するための第２の電力出力経路を結合し、及びｉｉ）エネルギーハーベスタからのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイスを充電するように電圧変換器システムを動作させることに対応する。したがって、第２の充電式蓄電デバイスの充電中、エネルギーハーベスタから第２の充電式蓄電デバイスに電荷が転送されている。
サブステップ４ａ）は、第２の充電式蓄電デバイスの充電中、パラメータＶＢａｔｔ１が、その後、上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、第２の電力出力経路を減結合し、且つステップ１ａ）で再度開始することに対応する。
したがって、サブステップ１ａ）～４ａ）を反復して実行することにより、第１の充電式蓄電デバイス５０を充電レベルＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ～ＶＢａｔｔ１－ｕｐで充電し続けながら、第２の充電式蓄電デバイス６０が充電されている。
図２では、本開示の方法による第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスを充電するためのプロセスが図示されている。パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２の変動が時間の関数として示されており、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電及び放電をそれぞれ図示している。図２に図示されるように、上述したサブステップ１ａ）～４ａ）を実行することにより、第１の蓄電デバイス５０は、第１の蓄電デバイス５０のパラメータＶＢａｔｔ１を下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗと上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐとの間に保つことによって充電され続け、並行して、第２の蓄電デバイス６０は、第１の蓄電デバイス５０が印加負荷に電力を供給している間、エネルギーハーベスタからのエネルギーで充電されている。
第２の蓄電デバイス６０を充電しながら印加負荷を引き続き動作させ、それにより、印加負荷の動作が中断しない。これは、図２に示されている例で概略的に図示されており、図では、印加負荷がオン及びオフである期間は、「ＡＰＰＬ．オン」及び「ＡＰＰＬ．オフ」によってそれぞれ示されている。印加負荷がオンであり、及び第２の充電式蓄電デバイスが充電されているとき、上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下している第１の蓄電デバイスのパラメータＶＢａｔｔ１によって示されるように、第１の蓄電デバイスは、放電している。下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗは、通常、第１の蓄電デバイスが印加負荷に電力を供給するために依然として十分に充電されるように選択される値である。第１の蓄電デバイスの下限閾値及び上限閾値に選択される値は、使用される蓄電デバイスのタイプにより、例えば充電式バッテリであるか又はキャパシタ若しくはスーパーキャパシタであるかによって決まる。上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐは、必ずしも第１の充電式蓄電デバイスの最大許容電圧値ＶＢａｔｔ１－ｍａｘと等しいわけではなく、ＶＢａｔｔ１－ｕｐは、例えば、ＶＢａｔｔ１－ｍａｘよりも小さい値であり得る。
本開示による方法は、この方法が、ｉ）第１の充電式蓄電デバイスのパラメータＶＢａｔｔ１が臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びｉｉ）パラメータＶＢａｔｔ２が既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ以上である場合、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスにエネルギーを転送するさらなるステップを含むことを特徴とする。既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗは、第２の充電式蓄電デバイスが、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送できるようにする最低限の充電レベルに充電されることを示す値である。
第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスにエネルギーを転送するステップは、１ｂ）第１の電力入力経路を減結合するサブステップ、２ｂ）第２の充電式蓄電デバイスと電圧変換器システムとの間において、第２の充電式蓄電デバイスから電圧変換器システムに入力電力を転送するための第２の電力入力経路を結合するサブステップ、及び３ｂ）第１の充電式蓄電デバイスのパラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、第２の充電式蓄電デバイスからのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイスを充電するように電圧変換器システムを動作させるサブステップを含む。
実施形態では、第２の充電式蓄電デバイス６０から第１の充電式蓄電デバイス５０にエネルギーを転送するステップは、パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達した場合、さらなるサブステップ４ｂ）を含む。サブステップ４ｂ）は、以下のステップ：ｉ）第１の電力出力経路３２ａを減結合し、且つ／又は第２の電力入力経路３１ｂを減結合するステップ、ｉｉ）第１の電力入力経路３１ａを結合し、且つ第２の電力出力経路３２ｂを結合するステップ、ｉｉｉ）電圧変換器システム２０を動作させることを停止するステップの少なくとも１つ又は組み合わせを実行することに対応する。
サブステップ４ｂ）において、第１の電力入力経路３１ａを結合し、且つ第２の電力出力経路３２ｂを結合するステップｉｉ）が適用される場合、エネルギーハーベスタが電力を供給している場合、第２の充電式蓄電デバイスは、エネルギーハーベスタからのエネルギーで充電され続ける。
第１の蓄電デバイス５０のパラメータＶＢａｔｔ１が臨界閾値レベルＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下したとき、第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスにエネルギーを転送するステップも図２に図示されている。パラメータＶＢａｔｔ１のこのような低下は、通常、エネルギーハーベスタがオフであるとき、又は印加負荷が、エネルギーハーベスタが供給している電力よりも多くの電力を消費しているときに生じる。例えば、図２に図示されるように、エネルギーハーベスタが、「Ｅ．Ｈ．オン」で示されるオン状態から、「Ｅ．Ｈ．オフ」で示されるオフ状態に切り替わっているとき、第１の蓄電デバイスにも、第２の蓄電デバイスにも、エネルギーハーベスタからのエネルギーで充電することができない。結果として、印加負荷がオンであるとき、したがって電力を消費しているとき、電圧ＶＢａｔｔ１は、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下すると、ＶＢａｔｔ１－ＳＷに達するまでさらに低下し続ける。図２に図示されるように、ＶＢａｔｔ１がＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下すると、第１の蓄電デバイスは、第２の蓄電デバイスからのエネルギーを使用することによって再充電され、エネルギーハーベスタが再び動作可能になり、電力を供給するとき、エネルギーハーベスタのエネルギーが再び使用されて、上記で論じたように第１の蓄電デバイスの充電を維持し、第２の蓄電デバイスを充電し続ける。
第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスにエネルギーを転送するために電圧変換器システムを動作させることにより、第１の蓄電デバイス及び第２の蓄電デバイスの電圧は、互いに独立したものであり得、第１の蓄電デバイス及び第２の蓄電デバイスを異なる技術で作ることも可能である。例えば、第１の充電式蓄電デバイスは、３．６Ｖ～４．０Ｖで動作するリチウムイオンバッテリであり得る一方、第２の充電式蓄電デバイスは、最大電圧２．７Ｖまで充電可能なスーパーキャパシタであり得る。
好ましくは、第２の充電式蓄電デバイス６０は、第１の充電式蓄電デバイス５０のエネルギー容量の５倍を超える、好ましくは１０倍を超えるエネルギー貯蔵容量を有する。このように、第２の蓄電デバイスは、エネルギーハーベスタがより長いタイマー期間にわたって停止している条件下において、印加負荷を動作可能な状態に維持するのに適した大きいエネルギー貯蔵部を形成している。エネルギー貯蔵容量が小さい第１の蓄電デバイスを利用することにより、第１の蓄電デバイスを充電し、印加負荷の動作を開始するのにかかる時間も短くなる。
第２のパラメータＶＢａｔｔ２は、第２の蓄電デバイスが出力電力を供給するのに十分に充電されているかどうかを決定することができ、これは、例えば、ＶＢａｔｔ２を既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗと比較することによって決定することができ、ＶＢａｔｔ２≧ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗである場合、第２の蓄電デバイスは、充電されていると見なされる。
ＶＢａｔｔ２＜ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗである場合、第２の蓄電デバイスは、出力電力を供給するのに十分に充電されていないと見なされる。
実施形態では、第１の充電式蓄電デバイス５０及び第２の充電式蓄電デバイス６０を充電するステップは、ＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘに達している状況が生じた場合、さらなるサブステップ３ａ）ｉｉｉ）を含む。サブステップ３ａ）ｉｉｉ）は、以下：ａ）第２の電力出力経路３２ｂを減結合し、且つ／又は第１の電力入力経路３１ａを減結合すること、ｂ）電圧変換器システム２０を動作させることを停止すること、ｃ）第１の電力入力経路３１ａを結合し、且つ第１の電力出力経路３２ｂを結合することの少なくとも１つを実行することに対応する。
いくつかの実施形態では、サブステップ１ａ）～４ａ）を反復して実行することにより、上記で論じた第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電を協調させるステップを実行する前に、第２の充電式蓄電デバイス６０を既定の充電レベルまで事前充電する最初のステップが実行される。第２の充電式蓄電デバイスを事前充電するステップは、ｉ）電圧変換器システム２０と第２の充電式蓄電デバイス６０との間において、電圧変換器システムから第２の充電式蓄電デバイス６０に出力電力を転送するための第２の電力出力経路３２ｂを結合するステップと、ｉｉ）パラメータＶＢａｔｔ２が既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ＰＣに達する（ここで、ＶＢａｔｔ２－ＰＣ≧ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗである）まで、エネルギーハーベスタ７０からのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイス６０を充電するように電圧変換器システム２０を動作させるステップとを含む。このように、第１の充電式蓄電デバイス５０が充電され、負荷が有効になっているとき、印加負荷に対して所与の自律性を保証するために、少なくとも最小限の量のエネルギーが必ず第２の充電式蓄電デバイス６０に既に貯蔵されているようにする。例えば、印加負荷が動作を開始した直後にエネルギーハーベスタがエネルギー供給を停止する場合、ＶＢａｔｔ１が臨界閾値レベルＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下した場合、第２の充電式蓄電デバイスでは、第１の充電式蓄電デバイスに転送可能な少なくとも十分なエネルギーが利用可能である。
実施形態では、本発明の方法は、パラメータＶＢａｔｔ１が臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下し、第２の充電式蓄電デバイス６０が充電されず、したがって第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送することができない状況に対する追加のステップを含む。この状況では、パラメータＶＢａｔｔ１が臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下し、及び第２の充電式蓄電デバイス６０が充電されていない場合、方法は、第１の電力入力経路を減結合し、且つ例えば一次電池などの補助エネルギー源と電圧変換器システムとの間において、この補助エネルギー源から電圧変換器システム２０に入力電力を転送するための第３の電力入力経路を結合し、及び第１の蓄電デバイス５０のパラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、一次電池又は代替電力源からのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイス５０を充電するように電圧変換器システム２０を動作させるステップを含む。
一次電池の例としては、アルカリ電池又は亜鉛炭素電池がある。有利には、電圧変換器を使用して一次電池から第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送するため、一次電池の電圧は、第１の蓄電デバイスの最大電圧と同じである必要がない。一次電池は、例えば、典型的な電圧レベル１．５Ｖを有する単四（ＡＡＡ）電池であり得る一方、第１の充電式蓄電デバイスは、典型的な電圧３．７Ｖまで充電可能な充電式リチウムイオンバッテリであり得る。
実施形態では、電圧変換器システム２０は、１つ又は複数の電圧変換器を含む。電圧変換器は、例えば、Ｖｉｎ及びＶｏｕｔがそれぞれ電圧変換器の入力電圧及び出力電圧である場合、Ｖｉｎ＞Ｖｏｕｔであればバックモードで動作し、またＶｉｎ＜Ｖｏｕｔであればブーストモードで動作するように構成されたＤＣ－ＤＣバック／ブースト電圧変換器である。
実施形態では、電圧変換器システム２０は、結合された電力入力経路３１ａ、３１ｂ、３１ｃを介して受け取られた入力電力を、結合された電力出力経路３２ａ、３２ｂ、３２ｃを介して出力される出力電力に変換するように構成された電圧変換器を含み、前記電圧変換器は、以下：ブースト電圧変換器、バック電圧変換器又はバック－ブースト電圧変換器の１つである。換言すれば、これらの実施形態では、単一の電圧変換器が第１の蓄電デバイス及び第２の蓄電デバイスを充電し、且つまた上記で論じたような条件下で第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスにエネルギーを転送している。
本発明の第２の態様によれば、エネルギーハーベスティングのための集積回路が提供され、このような集積回路１を含むエネルギーハーベスティング１００のためのシステムの一例が図３に示されている。本発明による集積回路を含むエネルギーハーベスティングのためのこのようなシステムの場合、上記で論じた、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスを充電するステップと、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送するステップとを含むエネルギーハーベスティングの方法は、自動化及び制御された方法で適用することができる。
本発明によるエネルギーハーベスティングのための集積回路は、集積回路と、端子とも呼ばれるいくつかの入力ピン及び出力ピンとを含むマイクロチップとして解釈されなければならない。マイクロチップは、例えば、１６～３２個の端子を有することができる。概して、マイクロチップがコンパクトなパッケージングを有することにより、長さ１～５ｍｍの辺を有する正方形又は長方形のフットプリントになる。
図３に図示されるように、エネルギーハーベスティングのための集積回路１は、エネルギーハーベスタ７０と接続可能な第１の端子１１と、第１の充電式蓄電デバイス５０と接続可能な第２の端子１２と、第２の充電式蓄電デバイス６０と接続可能な第３の端子１３とを含む。集積回路は、少なくとも２つの蓄電デバイスを充電するために、入力電力を出力電力に変換するのに適した電圧変換器システム２０と、電圧変換器システム２０を制御するためのコントローラ４０と、コントローラ４０と結合され、且つパラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２を監視するように構成された監視ユニット４５とをさらに含む。パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、第２の端子１２及び第３の端子１３にそれぞれ接続されるとき、それぞれ第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電レベルを表す。
実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２は、第２の端子１２及び第３の端子１３で感知された電圧にそれぞれ対応する。他の実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスの充電プロセス中、電荷カウンタによってそれぞれカウントされた電荷の量に対応する。
図３に示されるように、集積回路１は、エネルギー源から電圧変換器システムに入力電力を転送するための複数の電力入力経路３１ａ、３１ｂと、電圧変換器システムから集積回路の出力端子に出力電力を転送するための複数の電力出力経路３２ａ、３２ｂとを含む。これらの入力電力経路及び出力電力経路は、導電体として解釈されなければならない。しかしながら、電圧変換器システムは、動作時、１つの電力経路のみを使用して入力電力を受け取り、１つの出力経路のみを使用して電力を出力する。したがって、電圧変換器システム２０は、複数の電力入力経路から１つの電力入力経路を選択して、選択された電力入力経路を介して入力電力を受け取るための入力選択回路３１を含む。電圧変換器は、複数の電力出力経路から１つの電力出力経路を選択して、選択された出力経路を介して出力電力を出力するための出力選択回路３２をさらに含む。
集積回路１は、少なくとも、第１の端子１１から電圧変換器システム２０に入力電力を転送するように構成された第１の電力入力経路３１ａと、第３の端子１３から電圧変換器システム２０に入力電力を転送するための第２の電力入力経路３１ｂとを含む。集積回路は、少なくとも、電圧変換器システム２０から第２の端子１２に出力電力を転送するための第１の電力出力経路３２ａと、電圧変換器システムから第３の端子１３に出力電力を転送するための第２の電力出力経路３２ｂとをさらに含む。このように、第２の蓄電デバイスが第３の端子に接続され、及び例えばエネルギーハーベスタが動作していないとき、電圧変換器システムは、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送することができる。
コントローラ４０は、パラメータＶＢａｔｔ１と第１の既定の閾値との比較及び／又はパラメータＶＢａｔｔ２と第２の既定の閾値との比較に基づいて、電力入力経路及び電力出力経路のいくつかの特定の組み合わせを形成し、且つそれらの間で切り替えるように構成される。コントローラが形成することができる特定の組み合わせは、ｉ）第１の電力入力経路３１ａを選択し、且つ第１の電力出力経路３２ａを選択することによって形成される第１の組み合わせ、ｉｉ）第１の電力入力経路３１ａを選択し、且つ第２の電力出力経路３２ｂを選択することによって形成される第２の組み合わせ、及びｉｉｉ）第２の電力入力経路３１ｂを選択し、且つ第１の電力出力経路３２ａを選択することによって形成される第３の組み合わせである。下記でより詳細にさらに論じるように、コントローラは、これらの３つの特定の入力／出力の組み合わせの１つを形成することができるだけでなく、パラメータＶＢａｔｔ１及び／又はパラメータＶＢａｔｔ２と既定の閾値との比較に基づいて、ある特定の組み合わせから別の特定の組み合わせに切り替えることも可能である。第１の既定の閾値は、例えば、閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷと、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗと、ＶＢａｔｔ１－ｕｐとを含み、第２の既定の閾値は、例えば、上記で論じた閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘ及びＶＢａｔｔ２－ｌｏｗを含む。
上記で定義されたような選択される電力入力経路／出力経路の第１の組み合わせ及び第２の組み合わせは、電圧変換器システムがエネルギーハーベスタから第１の蓄電デバイス及び第２の蓄電デバイスにそれぞれ電力を転送している組み合わせに対応する。第３の組み合わせは、第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスに電力を転送している電圧変換器システムに対応する。ＶＢａｔｔ１に対する上限閾値レベル及び下限閾値レベルを構成することにより、本発明によるエネルギーハーベスティングの方法は、パラメータＶＢａｔｔ１及び／又はＶＢａｔｔ２に応じて定義される入力経路／出力経路の組み合わせ間で切り替えることによって実装することができる。実際、上記で論じたエネルギーハーベスティングの方法は、これらの電力入力経路／出力経路の第１の組み合わせ及び第２の組み合わせ間で切り替えて、閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ及びＶＢａｔｔ１－ｕｐ間にＶＢａｔｔ１を保つと同時に、第２の蓄電デバイスを充電するステップを含む。上記で論じた本発明による方法は、ＶＢａｔｔ１が臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下した場合、エネルギーが第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスに転送される電力入力経路／出力経路の第３の組み合わせに切り替えるステップも含む。電力入力経路／出力経路の第３の組み合わせに切り替える条件は、第２の蓄電デバイスが充電されている場合にのみ実行され、これは、上記で論じたように、ＶＢａｔｔ２を閾値と比較することによって決定される。
コントローラは、上記で論じたようなパラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２の条件及び閾値に基づいて、選択される電力／入力経路の組み合わせ間の切り替えを実行している。換言すれば、コントローラは、パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になり、及びパラメータＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘよりも低い場合、第１の組み合わせから第２の組み合わせに切り替え、パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、第２の組み合わせから第１の組み合わせに切り替え、パラメータＶＢａｔｔ１が下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗから臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷまで低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びＶＢａｔｔ２が下限閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗを上回る（ここで、ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ２－ｍａｘである）場合、第１の組み合わせから第３の組み合わせに切り替えるように構成される。
実施形態では、監視ユニット４５は、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２を既定の閾値と比較するための信号比較器を含む。上述したように、パラメータＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、例えば、電圧測定から得られる電圧、電荷カウンタから得られる電荷の量又は充電式エネルギー貯蔵デバイスの充電状態について代表的な任意の他の量の検出に対応する。信号比較器は、当技術分野において既知のアナログ信号比較器又はデジタル信号比較器の何れかであり得る。デジタル信号比較器を使用する実施形態の場合、概してアナログ信号であるＶＢａｔｔ１及びＶＢａｔｔ２は、ＡＤＣ（アナログ－デジタル変換器）を使用して最初にデジタル化される。既定の閾値は、コントローラによってローカルに記憶された値であり得るか、若しくは既定の閾値は、基準電圧発生装置によって生成され得るか、又はＰＭＩＣの外部にある電圧コンフィギュレータが使用され得、またコンフィギュレーション端子又はコネクタを通して閾値を送信することができる。
電圧変換器システム２０は、１つ又は複数の電圧変換器を含み、電圧変換器は、例えば、ブースト電圧変換器、バック電圧変換器又はバック－ブースト電圧変換器である。図４ａ及び図５では、選択された電力入力経路を介して受け取られた入力電力を、選択された電力出力経路を介して出力される出力電力に変換するための単一の電圧変換器を含む電圧変換器システム２０の実施形態の例が示されている。図４ｂ、図６ａ及び図６ｂでは、２つの電圧変換器を含む電圧変換器システム２０の例が示されており、図７及び図８では、３つの電圧変換器を含む電圧変換器システムの例が示されている。ここで、電圧変換器システム２０のこれらの様々な実施形態について下記でより詳細にさらに論じる。
「コントローラ」という用語の使用は、概して、組み合わせ論理を含む電子デジタル回路であるとして最も広い意味で解釈されなければならない。電圧変換器システムを制御するコントローラは、例えば、１つ又は複数の電圧変換器のスイッチを制御し、且つ入力選択回路及び出力選択回路のスイッチを制御するように構成される。
選択された電力入力経路を介して受け取られた入力電力を、選択された電力出力経路を介して出力される出力電力に変換するための単一の電圧変換器を含む電圧変換器システムの一実施形態が図４ａ及び図５に概略的に図示されている。示されている単一の電圧変換器は、概して、集積回路の外部に位置するインダクタ２５であって、例えば２つの専用の端子１４、１５を用いて又は任意の他の適切な結合手段により、集積回路に結合することが可能なインダクタ２５を利用する。電圧変換器の動作及び入力経路及び出力経路の選択についてさらに論じる。
図４ａに示されている実施形態では、入力選択回路３１は、第１の電力入力経路３１ａの電流を有効及び無効にするための第１の入力スイッチＳＷ１－ＩＮと、第２の電力入力経路３１ｂの電流を有効及び無効にするための第２の入力スイッチＳＷ２－ＩＮと、第１の電力出力経路３２ａの電流を有効及び無効にするための第１の出力スイッチＳＷ１－ＯＵＴと、第２の電力出力経路３２ｂの電流を有効及び無効にするための第２の出力スイッチＳＷ２－ＯＵＴとを含む。
特定の入力電力経路が選択されているとき、定義上、他の残りの入力経路が選択から外されていることを示唆することに注目されたい。したがって、複数の電力入力経路から「ある」電力入力経路を選択して、選択された電力入力経路を介して入力電力を受け取ることは、複数の電力入力経路から「１つの」電力入力経路を選択することとして解釈されなければならない。これは、電圧変換器システムが入力チャネルとして１つの電力源のみを受け取ることができるため、一度に１つの電力入力経路のみを選択できるという事実の結果である。特定の出力経路が選択されている場合、電力出力経路についても同じことが当てはまり、一度に１つの出力経路のみを選択できるため、定義上、他の残りの出力経路が選択から外されていることを示唆する。したがって、複数の電力出力経路から「ある」電力出力経路を選択して、選択された電力出力経路を介して出力電力を出力することは、複数の電力出力経路から「１つの」電力出力経路を選択することとして解釈されなければならない。一方、例えば、電力の転送を停止するために、すべての電力入力経路を選択から外すこと及び／又はすべての電力出力経路を選択から外すことが可能である。
エネルギーハーベスタ７０からのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイス５０を充電するために、第１の入力経路３１ａ及び第１の出力経路３２ａが選択され、そのため、もう一方の入力経路及び出力経路は、選択から外され、第１の蓄電デバイス５０の充電中、選択から外されたままである。第２の入力経路３１ｂ及び第２の出力経路３２ｂは、例えば、スイッチＳＷ２－ＩＮ及びＳＷ２－ＯＵＴをそれぞれ開くことによって選択から外される。これらのスイッチが図４ａに示されている。
エネルギーハーベスタからのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイス６０を充電するために、第１の入力経路３１ａ及び第２の出力経路３２ｂが選択され、もう一方の入力経路及び出力経路は、選択から外され、第２の充電式蓄電デバイスの充電中、選択から外されたままである。第２の入力経路３１ｂ及び第１の出力経路３２ａは、例えば、スイッチＳＷ２－ＩＮ及びＳＷ１－ＯＵＴをそれぞれ開くことによって選択から外される。
第２の充電式蓄電デバイス６０からのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイス５０を充電するために、第２の入力経路３１ｂ及び第１の出力経路３２ａが選択され、もう一方の入力経路及び出力経路は、選択から外され、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスへの電荷転送中、選択から外されたままに維持される。第１の入力経路３１ａ及び第２の出力経路３２ｂは、例えば、スイッチＳＷ１－ＩＮ及びＳＷ２－ＯＵＴをそれぞれ開くことによって選択から外される。
好適な一実施形態では、電圧変換器２０は、図４ａに図示されるような、ブーストモード又はバックモードの何れかで動作させることが可能なＤＣ－ＤＣバック／ブースト電圧変換器である。電圧変換器の入力電圧が電圧変換器の出力電圧よりも低いとき、バック／ブースト電圧変換器は、ブーストモードで動作する。一方、入力電圧が出力電圧よりも高ければ、バック／ブースト電圧変換器は、バックモードで動作する。例えば、第１の入力経路３１ａ及び第１の出力経路３２ａが選択されているとき、動作モードを決定するための入力電圧及び出力電圧は、第１の端子１１における電圧及び第２の端子１２における電圧にそれぞれ対応する。
図４ａに示されているバック／ブースト電圧変換器を、エネルギーハーベスタからのエネルギーで第１の蓄電デバイスを充電するためにブーストモードで動作させるために、スイッチＳＷ１－ＩＮは、閉じたままに維持され、第１の蓄電デバイスの充電中、スイッチ２７ａは、開いたままである。ブーストモードは、スイッチ２７ｂが閉じられ、スイッチＳＷ１－ＯＵＴが開いているインダクタ２５の磁気エネルギー充電段階から始まり、その後、スイッチ２７ｂが開かれ、スイッチＳＷ１－ＯＵＴが閉じている磁気エネルギー放電段階が続く。当技術分野において知られているように、スイッチ２７ｂ及びＳＷ１－ＯＵＴを反復して制御することにより、第１の端子１１、すなわちエネルギーハーベスタが接続されている場所から、第１の充電式蓄電デバイスが接続されている第２の端子１２に電力がブーストモードで転送される。
図４ａに示されているバック／ブースト電圧変換器を、第１の蓄電デバイスを充電するためにバックモードで動作させるために、スイッチＳＷ１－ＯＵＴは、閉じたままに維持され、第１の蓄電デバイスの充電中、スイッチ２７ｂは、開いたままである。バックモードは、スイッチ２７ａが開かれ、スイッチＳＷ１－ＩＮが閉じているインダクタ２５の磁気エネルギー充電段階から始まり、その後、スイッチ２７ａが閉じられ、スイッチＳＷ１－ＩＮが開いている磁気エネルギー放電段階が続く。当技術分野において知られているように、スイッチ２７ａ及びＳＷ１－ＩＮを反復して制御することにより、第１の端子１１、すなわちエネルギーハーベスタが接続されている場所から、第１の充電式蓄電デバイスが接続されている第２の端子１２に電力がバックモードで転送される。
第１の蓄電デバイス５０が充電されると、すなわちパラメータ値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達すると、集積回路の第３の端子１３に接続された第２の蓄電デバイス６０にエネルギーハーベスタからのエネルギーで充電を開始することができる。したがって、第１の出力経路３２ａは、スイッチＳＷ１－ＯＵＴを開き、且つ第２の充電式蓄電デバイスの充電中、このスイッチを開いたままに維持することによって選択から外される。
エネルギーハーベスタからのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイスを充電するために、電圧変換器の入力電圧及び出力電圧に応じて、電圧変換器は、バックモード又はブーストモードでも動作する。ブーストモードで動作させるために、スイッチＳＷ１－ＩＮは、閉じたままに維持され、スイッチ２７ａは、開いたままである。上記で論じたのと同様に、ブーストモードは、スイッチ２７ｂが閉じられ、スイッチＳＷ２－ＯＵＴが開いているインダクタの磁気エネルギー充電段階から始まり、その後、スイッチ２７ｂが開かれ、スイッチＳＷ２－ＯＵＴが閉じている磁気エネルギー放電段階が続く。インダクタを磁気的に充電及び放電するこのサイクルは、周期的に繰り返される。
エネルギーハーベスタからのエネルギーで第２の充電式蓄電デバイスをバックモードにおいて充電するために、スイッチＳＷ２－ＯＵＴは、閉じたままに維持され、スイッチ２７ｂは、開いたままである。バックモードは、スイッチ２７ａが開かれ、スイッチＳＷ１－ＩＮが閉じているインダクタ２５の充電段階から始まり、その後、スイッチ２７ａが閉じられ、スイッチＳＷ１－ＩＮが開いている放電段階が続く。インダクタを磁気的に充電及び放電するこのサイクルは、周期的に繰り返される。
図４ａに示されている様々なスイッチ、すなわち参照番号２７ａ、２７ｂ、ＳＷ１－ＩＮ、ＳＷ２－ＩＮ、ＳＷ１－ＯＵＴ及びＳＷ２－ＯＵＴが付されたスイッチは、導電性の経路又は導体を開閉するように構成された電子スイッチとして解釈されなければならない。これらのスイッチは、例えば、当技術分野において既知のアナログ電子スイッチである。これらのスイッチは、例えば、ＭＯＳ型トランジスタを利用する。図４ａに示されている例示的な実施形態の場合、集積回路の電子スイッチの一部は、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器を動作させるのに必要な標準的なスイッチとして使用されるだけでなく、入力経路及び出力経路選択回路のためのスイッチも形成しているため、これらのスイッチの数は、制限される。
上記で論じたように、エネルギー変換器システム２０は、特定の数の電圧変換器に限定されない。図４ｂでは、２つのバック／ブースト電圧変換器を含む電圧変換器システム２０の一例が示されており、電圧変換器システムは、参照符号２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ、ＳＷ１－ＩＮ、ＳＷ２－ＩＮ、ＳＷ１－ＯＵＴ及びＳＷ２－ＯＵＴが付された複数のスイッチを含む。スイッチ２７ａ、２７ｂ、ＳＷ１－ＩＮ、ＳＷ１－ＯＵＴ及びＳＷ２－ＯＵＴは、エネルギーハーベスタから、電圧ＶＢａｔｔ１で第１の充電式蓄電デバイス又は電圧ＶＢａｔｔ２で第２の充電式蓄電デバイスの何れかに電力を転送するように第１のバック／ブースト電圧変換器を動作させるために使用される。スイッチ２８ａ、２８ｂ、ＳＷ２－ＩＮ、ＳＷ１－ＯＵＴは、電圧ＶＢａｔｔ２で第２の充電式蓄電デバイスから、電圧ＶＢａｔｔ１で第１の充電式蓄電デバイスに電力を転送するように第２のバック／ブースト電圧変換器を動作させるために使用される。スイッチＳＷ１－ＩＮ、ＳＷ２－ＩＮ、ＳＷ１－ＯＵＴ及びＳＷ２－ＯＵＴは、バック／ブースト電圧変換器の公称動作に使用されるだけでなく、これらのスイッチは、図４ｂに概略的に図示されるような入力電力経路及び出力電力経路を選択するための入力選択回路３１及び出力選択回路３２の一部も形成していることに注目されたい。この例では、バック／ブースト電圧変換器は、それぞれ専用のインダクタ２５、２６を利用する。
いくつかの実施形態では、電圧変換器システム２０の１つ又は複数の電圧変換器を動作させるための公称電力スイッチに加えて、追加の専用のスイッチが、入力及び／又は出力選択回路を形成するために使用される。図６ａ～図８に示されるようないくつかの実施形態についてさらに論じる。
図６ａでは、入力選択回路３１、出力選択回路３２に加えて、２つの電圧変換器２１ａ及び２１ｂを含む電圧変換器システム２０の一実施形態の一例が示されている。図６ａにさらに図示されるように、この例では、２つの電力入力経路３１ａ及び３１ｂと、２つの電力出力経路３２ａ及び３２ｂとがある。第１の電圧変換器２１ａは、第１の電力入力経路３１ａを介して受け取られた入力電力を、出力選択回路３２によって何れの電力出力経路が選択されているかに応じて、第１の電力出力経路３２ａを介して又は第２の電力出力経路３２ｂを介して出力される出力電力に変換するために使用される。第２の電圧変換器２１ｂは、第２の電力入力経路３１ｂを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路３２ａを介して出力される出力電力に変換するために使用される。２つの電圧変換器は、１つ又は２つのインダクタ（図６ａに示されていない）を利用することができる。２つの電圧変換器２１ａ、２１ｂは、必ずしも同じタイプである必要がなく、例えば、第１の電圧変換器２１ａは、バック－ブースト電圧変換器であり得、第２の電圧変換器２１ｂは、バック電圧変換器又はブースト電圧変換器であり得る。
図６ｂでは、図６ａに示されている実施形態と同じ機能性を実行することが可能である代替的な一実施形態が示されているが、この図では、出力選択回路３２は、２つの出力スイッチの代わりに、３つのスイッチＳＷ１－ＯＵＴ、ＳＷ２－ＯＵＴ及びＳＷ３－ＯＵＴを利用している。
図７では、３つの電圧変換器２１ａ、２１ｂ、２１ｃを含む電圧変換器システム２０の一実施形態の一例が示されている。第１の電圧変換器２１ａは、第１の電力入力経路３１ａを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路３２ａを介して出力される出力電力に変換している。第２の電圧変換器２１ｂは、第２の電力入力経路３１ｂを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路３２ａを介して出力される出力電力に変換している。最後に、第３の電圧変換器２１ｃは、第１の電力入力経路３１ａを介して受け取られた入力電力を、第２の電力出力経路３２ｂに出力される出力電力に変換している。３つの電圧変換器は、１つ、２つ又は３つのインダクタ（図７に示されていない）を利用することができる。
図８では、入力選択回路３１が３つの電力入力経路３１ａ、３１ｂ及び３１ｃから選択することできる一例が示されている。示されている電圧変換器システム２０は、３つの電圧変換器２１ａ、２１ｂ及び２１ｄを含む。この例における第１の電圧変換器２１ａ及び第２の電圧変換器２１ｂの機能性は、図６ａに示され、上記で論じた例と同じである。第３の電圧変換器２１ｄは、第３の電力入力経路３１ｃを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路３２ａを介して出力される出力電力に変換するために使用される。
本発明によるエネルギーハーベスティングのための集積回路の場合、当業者は、上述され、図４ａ～図８に示されているもの以外の電圧変換器システム２０の他の実施形態を明示することができる。本発明による電圧変換器システムの実施形態に共通しているのは、それらが、複数の電力入力経路から電力入力経路を選択して、選択された電力入力経路を介して入力電力を受け取るための入力選択回路３１と、複数の電力出力経路から電力出力経路を選択して、選択された電力出力経路を介して出力電力を出力するための出力選択回路３２とを含むことである。上記で論じたように、いくつかの実施形態では、電力入力経路を選択するか又は電力出力経路を選択するために使用されるスイッチは、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器の公称動作に使用されるＤＣ／ＤＣ電圧変換器の電力スイッチに対応することに注目されたい。このように、電圧変換器システムに必要とされるスイッチの総数を制限することができる。
本発明による一実施形態では、コントローラ４０は、第１の入力経路３１ａを選択し、且つ以下のサブステップＡ１）～Ａ４）：Ａ１）第１の出力経路３２ａを選択するサブステップ、Ａ２）第１の電力入力経路３１ａを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路を介して出力される出力電力に変換するように電圧変換器２０を動作させるサブステップ、Ａ３）ＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になる場合、第１の出力経路３２ａを選択から外すサブステップ、及びＡ４）ＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘよりも低い場合、
ｉ）第２の出力経路３２ｂを選択し、
ｉｉ）第１の電力入力経路３１ａを介して受け取られた入力電力を、第２の電力出力経路３２ｂを介して出力される出力電力に変換するように電圧変換器システム２０を動作させ、及び
ｉｉｉ）ＶＢａｔｔ１が、その後、上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、第２の出力経路３２ｂを選択から外し、且つサブステップＡ１）から再度開始するサブステップを反復して実行するステップＡ）を実行するように構成される。
このように、上記で概説したステップＡ）及びそのサブステップＡ１）～Ａ４）を実行することにより、コントローラ４０は、パラメータＶＢａｔｔ１を閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ及びＶＢａｔｔ１－ｕｐ間に維持する。
実施形態では、ＶＢａｔｔ１が下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗから臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷまで低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びＶＢａｔｔ２が下限閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗを上回る（ここで、ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ２－ｍａｘである）場合、コントローラ４０は、ステップＢ）を実行するようにさらに構成される。ステップＢ）は、以下のサブステップ：Ｂ１）第２の入力経路３１ｂを選択するサブステップ、Ｂ２）第１の出力経路３２ａを選択するサブステップ、及びＢ３）第２の電力入力経路３１ｂを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路３２ａを介して出力される出力電力に変換するように電圧変換器２０を動作させるサブステップで構成される。
このように、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに電荷を転送することにより、コントローラは、エネルギーハーベスタが動作していないとき、第１の充電式蓄電デバイスが完全に放電されることを回避する。同時に、エネルギーハーベスタが動作を停止した場合でも、第１の充電式蓄電デバイスに結合された印加負荷は、動作を継続することが可能である。
本発明による一実施形態では、コントローラは、上記で論じたサブステップＡ４）を実行するとき、ＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘに達した場合、ステップｉｖ）を追加で実行するように構成される。追加のステップであるステップｉｖ）は、以下のステップ：ｉ）第２の電力出力経路３２ｂを選択から外し、且つ／又は第１の電力入力経路３１ａを選択から外すステップ、ｉｉ）電圧変換器システム２０を動作させることを停止するステップ、ｉｉｉ）第１の入力経路３１ａを選択し、且つ第１の出力経路３２ａを選択するステップの１つを実行することを含む。
このように、この追加のステップＡ４）ｉｖ）を実行することにより、集積回路の第３の端子に接続された第２の充電式蓄電デバイスに電荷が転送されなくなる。これにより、第２の充電式蓄電デバイスが過充電されることを回避する。
実施形態では、ステップＡ４）ｉｖ）において、第１の入力経路３１ａを選択し、且つ第１の出力経路３２ａを選択するという選択肢ｉｉｉ）が適用されるとき、エネルギーハーベスタは、エネルギーハーベスタからのエネルギーで第１の充電式蓄電デバイスの充電を再び継続する。閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐが第１の充電式蓄電デバイスの最大充電レベルではなく、及び最大充電レベルＶＢａｔｔ１－ｍａｘが存在する（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｍａｘ＞ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、第２の充電式蓄電デバイスが完全に充電されているこの状況では、最大充電レベルＶＢａｔｔ１－ｍａｘまで第１の充電式蓄電デバイスの充電を継続することができる。
一実施形態では、上述したステップＢを実行するとき、コントローラは、サブステップＢ４）を追加で実行するように、すなわち電圧ＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になる場合、以下のステップ：ｉ）第１の電力出力経路３２ａを選択から外し、且つ／又は第２の電力入力経路３１ｂを選択から外すステップ、ｉｉ）第１の入力経路３１ａを選択し、且つ第２の出力経路３２ｂを選択するステップ、ｉｉｉ）電圧変換器２０を動作させることを停止するステップの少なくとも１つを実行するように構成される。実施形態では、ステップｉｉ）が適用されるとき、エネルギーハーベスタは、動作可能である場合、第２の充電式蓄電デバイスの充電を継続する。
このように、追加のサブステップＢ４を実行することにより、第３の端子に接続された第２の充電式蓄電デバイスから、第２の端子に接続された第１の充電式蓄電デバイスに電荷が転送されなくなる。これにより、第１の充電式蓄電デバイスが過充電されることを回避する。第２の充電式蓄電デバイスからの電荷で第１の充電式蓄電デバイスを上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐまで充電した後に続いて、印加負荷が電力を消費している場合、ＶＢａｔｔ１の値は、再び低下し始める。エネルギーハーベスタが依然として動作していないか又は依然として電力を十分に供給していない場合、第１の電力入力経路及び第１の電力出力経路を選択した後でも、パラメータＶＢａｔｔ１は、低下し続け、再びＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下する。ＶＢａｔｔ１がＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下すると、電力は、第２の充電式蓄電デバイスから第１の充電式蓄電デバイスに再び転送される。一方、エネルギーハーベスタが動作可能になり、印加負荷によって消費される電力よりも多くの電力を供給する場合、ＶＢａｔｔ１がＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下すると、電力は、エネルギーハーベスタから第１の充電式蓄電デバイスに転送され、ＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまでＶＢａｔｔ１が再び増加している。
実施形態では、監視ユニット４５は、第１の端子に接続されたエネルギーハーベスタが動作可能であるか否かを示すパラメータＶＨを監視するように構成される。実施形態では、このパラメータは、第１の入力端子で測定された電圧であり得る。このパラメータＶＨに基づいて、コントローラは、エネルギーハーベスタから電力を受け取り、第２の充電式蓄電デバイスからの電荷で第１の充電式蓄電デバイスを充電する代わりに、エネルギーハーベスタからの電荷で第１の充電式蓄電デバイスを充電するための第１の電力入力経路をいつ再選択するべきかを決定することができる。
本発明によるエネルギーハーベスティングのための集積回路１は、電力入力経路の数及び電力出力経路の数に限定されない。図５では、電圧変換器を有する集積回路１が示されており、この集積回路は、３つの電力入力経路３１ａ、３１ｂ及び３１ｃ間で選択するように構成された入力選択回路３１を有し、且つ３つの電力出力経路３２ａ、３２ｂ及び３２ｃ間で選択するように構成された出力選択回路３２を有する。この例では、入力選択回路３１及び出力選択回路３２は、追加のスイッチＳＷ３－ＩＮ及びＳＷ３－ＯＵＴをそれぞれ有する。
さらなる実施形態では、第３の電力入力経路３１ｃは、第４の端子から電圧変換器システム２０に入力電力を転送するために使用される。第４の端子は、例えば、一次電池などの補助エネルギー源と接続可能である。これらの実施形態では、パラメータＶＢａｔｔ１が下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗから臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷまで低下し、及びＶＢａｔｔ２が下限閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ未満である場合、コントローラ４０は、Ｃ１）第３の電力入力経路３１ｃを選択するステップと、Ｃ２）第１の電力出力経路３２ａを選択するステップと、Ｃ３）第３の電力入力経路３１ｃを介して受け取られた入力電力を、第１の電力出力経路３２ａを介して出力される出力電力に変換するように電圧変換器２０を動作させるステップとを実行するように構成される。
このように、例えばエネルギーハーベスタが動作しておらず、及び第２の充電式蓄電デバイスが充電されていない場合、第４の端子に結合された補助電力源を使用して第１の充電式蓄電デバイスを充電することができる。
特定の一実施形態では、第３の電力出力経路３２ｃは、電圧変換器システムを、例えば電圧ＶＡＵＸにある補助充電式蓄電デバイスと接続可能な第５の端子と結合している。このように、第１の充電式蓄電デバイス及び第２の充電式蓄電デバイスが完全に充電されているとき、第３の充電式蓄電デバイスを充電することができる。

Claims (18)

  1. 入力電力を出力電力に変換し、且つ少なくとも第１の充電式蓄電デバイス（５０）及び第２の充電式蓄電デバイス（６０）を充電するための電圧変換器システム（２０）を使用するエネルギーハーベスティングのための方法において、
    ・エネルギーハーベスタ（７０）と前記電圧変換器システム（２０）との間において、前記エネルギーハーベスタ（７０）から前記電圧変換器システムに入力電力を転送するための第１の電力入力経路（３１ａ）を結合するステップ、
    ・それぞれ前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）及び前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）の充電レベルを表すパラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２を監視するステップ、
    ・前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）を印加負荷（９０）に結合するステップであって、それにより、前記第１の充電式蓄電デバイスは、充電されると、前記印加負荷（９０）に電力を供給することができる、ステップ、
    ・サブステップ：
    １ａ）前記電圧変換器システム（２０）と前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）との間において、前記電圧変換器システムから前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）に出力電力を転送するための第１の電力出力経路（３２ａ）を結合するサブステップ、
    ２ａ）前記エネルギーハーベスタ（７０）から前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）に電荷を転送して、前記エネルギーハーベスタ（７０）からのエネルギーで前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）を充電するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させ、且つ前記パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、前記第１の充電式蓄電デバイスを充電するように前記電圧変換器システムを動作させるサブステップ、
    ３ａ）ＶＢａｔｔ１が前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達しており、及びＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘ未満である場合、
    ｉ）前記第１の電力出力経路（３２ａ）を分離し、且つ前記電圧変換器システム（２０）と前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）との間において、前記電圧変換器システムから前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）に出力電力を転送するための第２の電力出力経路（３２ｂ）を結合し、及び
    ｉｉ）前記エネルギーハーベスタ（７０）から前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）に電荷を転送して、前記エネルギーハーベスタ（７０）からのエネルギーで前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）を充電するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させるサブステップ、
    ４ａ）前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）の前記充電中、前記パラメータＶＢａｔｔ１が、その後、前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を減結合し、且つステップ１ａ）で再度開始するサブステップ
    を反復して実行することにより、前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）及び前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）の充電を協調させるステップ、
    ・ｉ）前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）の前記パラメータＶＢａｔｔ１が臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びｉｉ）前記パラメータＶＢａｔｔ２が既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ以上である場合、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）から前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）にエネルギーを転送するステップであって、
    １ｂ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を減結合するサブステップ、
    ２ｂ）前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）と前記電圧変換器システム（２０）との間において、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）から前記電圧変換器システム（２０）に入力電力を転送するための第２の電力入力経路（３１ｂ）を結合するサブステップ、及び
    ３ｂ）前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）の前記パラメータＶＢａｔｔ１が前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）からのエネルギーで前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）を充電するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させるサブステップ
    を含むステップ
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）は、前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）のエネルギー貯蔵容量の５倍を超えるエネルギー貯蔵容量を有することを特徴とする方法。
  3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）及び前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）の充電を協調させる前記ステップは、
    ３ａ）ｉｉｉ）ＶＢａｔｔ２が前記上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘに達した場合、以下のステップ：
    ａ）前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を減結合し、且つ／又は前記第１の電力入力経路（３１ａ）を減結合するステップ、
    ｂ）前記電圧変換器システム（２０）を動作させることを停止するステップ、
    ｃ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を結合し、且つ前記第１の電力出力経路（３２ｂ）を結合するステップ
    の少なくとも１つを実行するサブステップ
    を含むことを特徴とする方法。
  4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）から前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）にエネルギーを転送する前記ステップは、さらなるサブステップ：
    ４ｂ）前記パラメータＶＢａｔｔ１が前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達した場合、以下のステップ：
    ｉ）前記第１の電力出力経路（３２ａ）を減結合し、且つ／又は前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を減結合するステップ、ｉｉ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を結合し、且つ前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を結合するステップ、ｉｉｉ）前記電圧変換器システム（２０）を動作させることを停止するステップ
    の１つ又は組み合わせを実行するサブステップ
    を含むことを特徴とする方法。
  5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法において、
    ・前記パラメータＶＢａｔｔ１が前記臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷ未満に低下し、及び前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）が充電されていない場合、前記第１の電力入力経路（３１ａ）を減結合し、且つ一次電池などの補助エネルギー源と前記電圧変換器システムとの間において、前記補助エネルギー源から前記電圧変換器システム（２０）に入力電力を転送するための第３の電力入力経路（３１ｃ）を結合し、及び前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）の前記パラメータＶＢａｔｔ１が前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐに達するまで、前記補助エネルギー源からのエネルギーで前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）を充電するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させるステップ
    を含むことを特徴とする方法。
  6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法において、
    ・ｉ）前記電圧変換器システム（２０）と前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）との間において、前記電圧変換器システムから前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）に出力電力を転送するための前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を結合するステップ、ｉｉ）前記パラメータＶＢａｔｔ２が既定の閾値ＶＢａｔｔ２－ＰＣに達する（ここで、ＶＢａｔｔ２－ＰＣ≧ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗである）まで、前記エネルギーハーベスタ（７０）からのエネルギーで前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）を充電するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させるステップを実行することにより、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）を事前充電するステップであって、前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）及び前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）の充電を協調させる前記ステップを実行する前に実行されるステップ
    を含むことを特徴とする方法。
  7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記電圧変換器システム（２０）は、前記結合された電力入力経路（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）を介して受け取られた入力電力を、前記結合された電力出力経路（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を介して出力される出力電力に変換するように構成された電圧変換器を含み、前記電圧変換器は、以下：ブースト電圧変換器、バック電圧変換器又はバック－ブースト電圧変換器の１つであることを特徴とする方法。
  8. エネルギーハーベスティングための集積回路（１）であって、
    ・入力電力を出力電力に変換するのに適しており、且つ少なくとも２つの充電式蓄電デバイスを充電するのに適している電圧変換器システム（２０）、
    ・エネルギーハーベスタ（７０）と接続可能な第１の端子（１１）、
    ・第１の充電式蓄電デバイス（５０）と接続可能な第２の端子（１２）、
    ・第２の充電式蓄電デバイス（６０）と接続可能な第３の端子（１３）、
    ・前記電圧変換器システム（２０）を制御するためのコントローラ（４０）、
    ・前記第１の端子（１１）から前記電圧変換器システム（２０）に入力電力を転送するための少なくとも第１の電力入力経路（３１ａ）を含む複数の電力入力経路、
    ・前記電圧変換器システム（２０）から前記第２の端子（１２）に出力電力を転送するための少なくとも第１の電力出力経路（３２ａ）及び前記電圧変換器システムから前記第３の端子（１３）に出力電力を転送するための第２の電力出力経路（３２ｂ）を含む複数の電力出力経路、
    ・前記コントローラ（４０）と結合された監視ユニット（４５）であって、前記第２の端子（１２）及び前記第３の端子（１３）にそれぞれ接続されるとき、それぞれ前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）及び前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）の充電レベルを表すパラメータＶＢａｔｔ１及びパラメータＶＢａｔｔ２を監視するように構成された監視ユニット（４５）
    を含む集積回路（１）において、
    前記複数の電力入力経路は、前記第３の端子（１３）から前記電圧変換器システム（２０）に入力電力を転送するための第２の電力入力経路（３１ｂ）を含むことと、
    前記電圧変換器システム（２０）は、前記複数の電力入力経路から電力入力経路を選択して、前記選択された電力入力経路を介して入力電力を受け取るように構成された入力選択回路（３１）及び前記複数の電力出力経路から電力出力経路を選択して、前記選択された電力出力経路を介して出力電力を出力するように構成された出力選択回路（３２）を含むことと、
    前記コントローラ（４０）は、前記パラメータＶＢａｔｔ１と第１の既定の閾値との比較及び／又は前記パラメータＶＢａｔｔ２と第２の既定の閾値との比較に基づいて、電力入力経路及び電力出力経路のいくつかの特定の組み合わせを形成し、且つそれらの間で切り替えるように構成され、前記特定の組み合わせは、
    ｉ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を選択し、且つ前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択することによって形成される第１の組み合わせ、
    ｉｉ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を選択し、且つ前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を選択することによって形成される第２の組み合わせ、
    ｉｉｉ）前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を選択し、且つ前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択することによって形成される第３の組み合わせ
    を含むことと
    を特徴とする集積回路（１）。
  9. 請求項８に記載の集積回路（１）において、前記コントローラ（４０）は、
    Ａ．前記第１の電力入力経路（３１ａ）を選択し、及び
    Ａ１）前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択するサブステップ、
    Ａ２）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を介して受け取られた入力電力を、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を介して出力される出力電力に変換するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させるサブステップ、
    Ａ３）ＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になる場合、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択から外すサブステップ、
    Ａ４）ＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘよりも低い場合、
    ｉ）前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を選択し、
    ｉｉ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を介して受け取られた入力電力を、前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を介して出力される出力電力に変換するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させ、及び
    ｉｉｉ）ＶＢａｔｔ１が、その後、前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を選択から外し、且つサブステップＡ１）から再度開始するサブステップ
    を反復して実行すること
    を実行すること、
    Ｂ．ＶＢａｔｔ１が前記下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗから臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷまで低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びＶＢａｔｔ２が下限閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗを上回る（ここで、ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ２－ｍａｘである）場合、
    Ｂ１）前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を選択するサブステップ、
    Ｂ２）前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択するサブステップ、及び
    Ｂ３）前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を介して受け取られた入力電力を、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を介して出力される出力電力に変換するように前記電圧変換器システム（２０）を動作させるサブステップ
    を実行すること
    を行うように構成されることを特徴とする集積回路（１）。
  10. 請求項９に記載の集積回路（１）において、前記サブステップＡ４）は、さらなるステップ
    Ａ４）ｉｖ）ＶＢａｔｔ２が前記上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘに達した場合、以下のステップ：ｉ）前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を選択から外し、且つ／又は前記第１の電力入力経路（３１ａ）を選択から外すステップ、ｉｉ）前記電圧変換器システム（２０）を動作させることを停止するステップ、ｉｉｉ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を選択し、且つ前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択するステップの少なくとも１つを実行するステップ
    を含むことを特徴とする集積回路（１）。
  11. 請求項９又は１０に記載の集積回路（１）において、前記コントローラは、さらなるサブステップ：
    Ｂ４）前記電圧ＶＢａｔｔ１が前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になる場合、以下：ｉ）前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択から外し、且つ／又は前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を選択から外すこと、ｉｉ）前記第１の電力入力経路（３１ａ）を選択し、且つ前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を選択すること、ｉｉｉ）前記電圧変換器システム（２０）を動作させることを停止することの少なくとも１つを実行するサブステップ
    を実行するように構成されることを特徴とする集積回路（１）。
  12. 請求項８に記載の集積回路（１）において、前記コントローラ（４０）は、
    ・前記パラメータＶＢａｔｔ１が上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐ以上になり、及び前記パラメータＶＢａｔｔ２が上限閾値ＶＢａｔｔ２－ｍａｘよりも低い場合、前記第１の組み合わせから前記第２の組み合わせに切り替えることと、
    ・前記パラメータＶＢａｔｔ１が前記上限閾値ＶＢａｔｔ１－ｕｐから下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗまで低下した（ここで、ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ１－ｕｐである）場合、前記第２の組み合わせから前記第１の組み合わせに切り替えることと、
    ・前記パラメータＶＢａｔｔ１が前記下限閾値ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗから臨界閾値ＶＢａｔｔ１－ＳＷまで低下し（ここで、ＶＢａｔｔ１－ＳＷ＜ＶＢａｔｔ１－ｌｏｗである）、及びＶＢａｔｔ２が下限閾値ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗを上回る（ここで、ＶＢａｔｔ２－ｌｏｗ＜ＶＢａｔｔ２－ｍａｘである）場合、前記第１の組み合わせから前記第３の組み合わせに切り替えることと
    を行うようにさらに構成されることを特徴とする集積回路（１）。
  13. 請求項８乃至１２の何れか１項に記載の集積回路（１）において、前記入力選択回路（３１）は、前記第１の電力入力経路（３１ａ）における電流を有効及び無効にするための第１の入力スイッチ（ＳＷ１－ＩＮ）と、前記第２の電力入力経路（３１ｂ）における電流を有効及び無効にするための第２の入力スイッチ（ＳＷ２－ＩＮ）と、前記第１の電力出力経路（３２ａ）における電流を有効及び無効にするための第１の出力スイッチ（ＳＷ１－ＯＵＴ）と、前記第２の電力出力経路（３２ｂ）における電流を有効及び無効にするための第２の出力スイッチ（ＳＷ２－ＯＵＴ）とを含むことを特徴とする集積回路（１）。
  14. 請求項８乃至１３の何れか１項に記載の集積回路（１）において、一次電池などの補助エネルギー源と接続可能な第４の端子を含み、前記複数の電力入力経路は、前記第４の端子から前記電圧変換器システムに入力電力を転送するための第３の電力入力経路（３１ｃ）を含み、前記特定の組み合わせは、
    ｉｖ）前記第３の電力入力経路（３１ｃ）を選択し、且つ前記第１の電力出力経路（３２ａ）を選択することによって形成される第４の組み合わせ
    を含むことを特徴とする集積回路（１）。
  15. 請求項８乃至１４の何れか１項に記載の集積回路（１）において、前記電圧変換器システム（２０）は、前記選択された電力入力経路（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）を介して受け取られた入力電力を、前記選択された電力出力経路（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を介して出力される出力電力に変換するための電圧変換器を含み、前記電圧変換器は、以下：ブースト電圧変換器、バック電圧変換器又はバック－ブースト電圧変換器の１つであることを特徴とする集積回路（１）。
  16. 請求項８乃至１４の何れか１項に記載の集積回路（１）において、前記電圧変換器システム（２０）は、
    ・前記第１の電力入力経路（３１ａ）を介して受け取られた入力電力を、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を介して又は前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を介して出力される出力電力に変換するための第１の電圧変換器（２１ａ）、
    ・前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を介して受け取られた入力電力を、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を介して出力される出力電力に変換するための第２の電圧変換器（２１ｂ）
    を含むことを特徴とする集積回路（１）。
  17. 請求項８乃至１４の何れか１項に記載の集積回路（１）において、前記電圧変換器システム（２０）は、
    ・前記第１の電力入力経路（３１ａ）を介して受け取られた入力電力を、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を介して出力される出力電力に変換するための第１の電圧変換器（２１ａ）、
    ・前記第２の電力入力経路（３１ｂ）を介して受け取られた入力電力を、前記第１の電力出力経路（３２ａ）を介して出力される出力電力に変換するための第２の電圧変換器（２１ｂ）、
    ・前記第１の電力入力経路（３１ａ）を介して受け取られた入力電力を、前記第２の電力出力経路（３２ｂ）を介して出力される出力電力に変換するための第３の電圧変換器（２１ｃ）
    を含むことを特徴とする集積回路（１）。
  18. エネルギーハーベスティングのためのシステムにおいて、
    ・請求項８乃至１７の何れか１項に記載の集積回路（１）、
    ・前記第１の端子（１１）に結合されたエネルギーハーベスタ（７０）、
    ・前記第２の端子（１２）に結合された第１の充電式蓄電デバイス（５０）、
    ・前記第３の端子（１３）に結合された第２の充電式蓄電デバイス（６０）
    を含み、前記第２の充電式蓄電デバイス（６０）は、前記第１の充電式蓄電デバイス（５０）のエネルギー貯蔵容量の５倍を超えるエネルギー貯蔵容量を有することを特徴とするシステム。
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