JP2011205819A

JP2011205819A - 無接点充電システム

Info

Publication number: JP2011205819A
Application number: JP2010072011A
Authority: JP
Inventors: Takuya Imai; 拓也今井; Atsuo Matsumoto; 淳雄松本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】負荷が重いとき、負荷変動による１次コイルの誘起電圧の電圧差を検出するため、負荷変動に必要な電力以外の受電装置へ供給する電力を必要最小限にしている、この場合、どの程度負荷が重くなれば、送電電力を小さくするのか、どのくらい送電電力を小さくしなければならないのかを設計的に決定する必要があり、設計的難易度が上がる。また、使用する機器によって負荷が変わるため、負荷変動に対する電源設計をやり直さなければならず、設計的な統一化が難しくなるという課題を有している。
【解決手段】本発明では、送電装置と受電装置の間の異物検出をするため受電装置の負荷変調部を動作させる時、２次電池への電力供給を停止し、送電装置から受電装置への電力は負荷変動により必要となる電力のみ送電し、充電制御部の電源を送電装置以外から供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次コイルと２次コイルを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電し、前記受電装置に接続された２次電池を充電し、さらに前記２次電池の充電を制御する充電制御部の電源にも電力を供給する無接点充電システムにおいて、充電状態の通信や１次コイルと２次コイルの間の異物の混入確認をする時の前記充電制御部の電源設計を容易に行うことができる。

近年、ポータブルオーディオやデジタルスチルカメラといった携帯可能な電子機器の市場が急速に伸びている。その中で、携帯型電子機器に電源を供給するため、充電して再利用可能な２次電池は重要な役割を担っている。この２次電池を充電するための充電器に対する市場の要求として、２次電池と充電器の接触不良による異常防止や、水や埃などが充電器の内部に浸入したことによる感電、異常発熱防止等、高信頼性、安全性が求められている。

これらの課題を解決するため、近年、電磁誘導を利用し金属部分の接点がなくても電力を伝送し、２次電池を充電できる無接点充電システムが注目されている。このシステムの特徴として、接点がないため、接触不良を防止できる、また、充電器に接点用端子を出すための穴を設ける必要がなく、水、埃などが内部に浸入することがないといった特徴がある。この無接点充電システムの適用例として、携帯電話や家庭用機器（例えば電話機の子機）の充電などが提案されており、今後も様々な携帯機器に展開されると考えられる。

この無接点充電システムにおいて、１次コイル（送電コイル）と２次コイル（受電コイル）との間に例えば金属製の異物（例えば、極薄い板状の金属）が挟まった状態で連続的に送電すると、この金属性の異物が発熱して高温となり、製品の安全性をおびやかすという課題がある。

この課題に対して、従来の無接点充電システムでは、送電装置から受電装置の間の異物を検出するための技術として図４に示したものが知られている。この無接点充電システムは送電装置１０と受電装置２０から構成されており、充電する２次電池２１０は受電装置に接続されている。

送電装置１０は、電力を送電する１次コイル１１と、１次コイル１１が送電する電力を供給する送電部１２と、送電装置１０を制御する送電制御部１３と、１次コイル１１の誘起電圧波形を検出する電圧検出部１４となどから構成されている。受電装置２０は、送電装置１０から送電された電力を受電する２次コイル２１と、送電装置１０から送電される電力を整流および平滑する受電部２２と、受電装置２０を制御する受電制御部２３と、送電装置１０からみた受電装置２０の負荷を変調させる負荷変調部２４と、２次電池２１０の充電を制御する充電制御部２５と、充電電流をＯＮ／ＯＦＦする充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２６などから構成されている。

この装置では、通常は、送電装置１０は２次電池２１０を充電するために受電装置２０に電力を送電しているが、定期的に異物検出動作をするため、受電制御部２３からの定期的に送信される信号により負荷変調部２４が動作し、送電装置１０から見た負荷の大きさが変動する。このとき、送電装置１０から送電する電力は、通常の充電用電力に負荷変調部２４により変動した負荷分の電力が重畳される。

この負荷変動は電圧検出部１４が１次コイル１１に発生する誘起電圧の波形のピーク値（振幅）を検出することにより検出される。その様子を示した図が図５である。

負荷の変動により１次コイルの誘起電圧の波形に電圧の高低が現れる。電圧検出部１４がこの電圧差を検出し、規定値（図５ではΔＶ２で示されている）であれば、異物はなく、受電装置２０も正常と判定し、通常の電力送電を継続する。しかしながら、検出した電圧差が規定値ではない、あるいは電圧差が生じなければ、異常と判断して電力送電を停止する。これにより、不正規品の充電回避、異物の発熱を防止して、安全性確保を図っている。

この方法では、負荷が重い（２次電池を充電する充電電流が大きい、２次電池の電池電圧が高いなど）ときは、２次電池へ供給する電力も大きくなり、１次コイルの電圧が高くなる。このため、負荷変動により発生する１次コイルの誘起電圧差が図５に示すようにΔＶ３（＜ΔＶ２）と小さくなり、電圧差による異物検出が難しくなる（つまり、ノイズなのか負荷変動による信号なのかの検出がしにくくなる）。

そのため、負荷が重いときに異物検出の動作を行うときは、負荷変動以外に必要な受電装置への電力送電を必要最小限にする、すなわち、２次電池への電力供給を停止し、充電動作に影響（電源電圧が維持できないために充電制御部がリセットし、負荷変動が終わった後、充電動作が充電初期からになってしまうなど）が出ない程度に、充電制御部が駆動できる必要最小限な電力にしている。これにより負荷変調による電圧差が出やすくしている（例えば特許文献１）。

特開２００８−２０６２３１号公報

しかしながら前記従来の異物検出方法では、負荷が重いとき、負荷変調による１次コイルの誘起電圧の電圧差を検出しやすくする、すなわち、負荷を軽くするため、送電装置から送電する電力は充電制御部が駆動するための必要最小限にしている。この場合、どの程度負荷が重くなれば送電電力を小さくするのか、どのくらい送電電力を小さくしなければならないのかを設計的に決定する必要があり、設計的難易度が上がってしまう。

また、使用する機器によって負荷が変わると、負荷変動に対する送電設計をやり直さなければならず、設計的な統一化が難しくなるという課題を有している。そのため、本発明では、充電制御部の電源設計を簡素化し、かつ負荷の大きさや使用する機器に関係なく電源設計を統一することができることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、１次コイルと２次コイルを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電し、前記受電装置に接続された２次電池を充電する無接点充電システムであって、前記送電装置は、前記１次コイルが送電する電力を供給する送電部と、前記送電装置を制御する送電制御部と、前記１次コイルの誘起電圧波形を検出する電圧検出部とを含み、前記受電装置は、前記送電装置から送電される電力を整流および平滑する受電部と、受電装置の制御を行う受電制御部と、前記送電装置からみた負荷を変動させる負荷変調部と、前記２次電池の充電を制御する充電制御部とを含み、前記１次コイルと２次コイルの間に異物検出のため、定期的に前記負荷変調部を動作させて送電装置から見た受電装置側の負荷を間欠的に変化させ、前記電圧検出部が負荷の間欠的な変化を検出できないときは、前記１次コイルと２次コイルの間に異物が挿入されたと判断して送電を停止する無接点充電システムにおいて、通常送電時は前記充電制御部の電源を前記送電装置より送電する電力から供給し、前記負荷変調部が動作するとき、前記送電装置から受電装置への電力は負荷変調部による負荷変動に必要な電力のみ送電し、前記充電制御部の電源を前記送電装置以外から供給する。

本発明により、異物検出の動作を行うとき、受電装置の充電制御部の電源は送電装置から送電される電力以外から供給されるため、送電装置は負荷変動分の送電のみすればよく、負荷の大きさにより電源確保の設計を行う必要はなく、設計的難易度は大きく改善される。また、使用する機器が変わって負荷（充電電流の大きさなど）が変わっても電源設計をやり直す必要がない。

また、本発明によると、異物検出等の動作を行うときの送電装置から見た負荷の大きさは、負荷の大きさに関係なく一定になるため、送電装置の１次コイルの誘起電圧の電圧差は常に一定となり、異物検出の精度を上げることができる。

本発明の無接点充電システムの一実施の形態におけるブロック図本発明の無接点充電システムの他の実施の形態におけるブロック図本発明による１次コイルに発生する誘起電圧波形と充電装置の充電制御部の電源電圧の波形図従来の異物等検出方法を表した無接点充電システムのブロック図従来例による１次コイルに発生する誘起電圧波形と充電装置の充電制御部の電源電圧の波形図

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明における無接点受電システムの受電装置の充電制御部の電源を２次電池から供給する形態を表したものである。図１において、本発明のシステムは、電力を送電する送電装置１００と電力を受電する受電装置２００から構成されており、充電する２次電池２１０は受電装置２００に接続されている。送電装置１００は、電力を送電する１次コイル１０１、１次コイル１０１が送電する電力を供給する送電部１０２、送電装置を制御する送電制御部１０３、１次コイル１０１の誘起電圧を検出する電圧検出部１０４などから構成されている。

また、受電装置２００は、負荷である２次電池２１０に電力を供給するもので、送電装置１００から送電された電力を受電する２次コイル２０１、２次コイル２０１で受電した電力を整流・平滑する受電部２０２、受電装置２００を制御する受電制御部２０３、異物などを検出するために送電装置１００からみた負荷を変動させる負荷変調部２０４、２次電池２１０の充電制御を行う充電制御部２０５、充電電流をＯＮ／ＯＦＦする充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２０６、受電制御部２０３から信号を受けて充電制御部２０５の電源を２次電池２１０に切り替える電源切替スイッチ２０７などから構成されている。

図１を用いて、本実施の形態を詳細に説明する。最初に無接点充電システムの動作を説明する。送電装置１００の所定の場所に受電装置２００が設置されると、送電装置１００の１次コイル１０１より電力が受電装置２００に送電される。このときの送電する電力の制御は、送電制御部１０３にて行われる。１次コイル１０１と電磁的に結合した受電装置２００の２次コイル２０１は電力を受電し、受電部２０２で整流・平滑すると、受電装置２００は負荷である２次電池２１０の充電を行うため電力を供給する。充電制御部２０５は、２次電池２１０の充電状態（電池電圧、充電電流、温度など）を検出し、満充電であれば充電を停止するため、充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２０６をＯＦＦするために信号を出すなどの充電制御を行っている。

このように、通常は、送電装置１００は受電装置２００に負荷である２次電池２１０を充電するために電力を供給している。

送電装置１００と受電装置２００の間に異物などが挿入されていないかを検出するため、受電制御部２０３からの定期的な信号により、負荷変調部２０４が動作して負荷は変動するが、本発明は、次のような方法となる。まず、受電制御部２０３から充電制御部２０５と電源切替スイッチ２０７に信号を送信し、次に負荷変調部２０４に信号を送信する。受電制御部２０３から充電制御部２０５に信号が送信されると、充電制御部２０５は充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２０６に充電電流をＯＦＦするように信号を送信し、受電装置２００から２次電池２１０への電力供給は一旦停止する。また、電源切替スイッチ２０７は信号を受信すると、充電制御部２０５の電源供給源を２次電池２１０側に切り替える。

これにより充電制御部２０５は電源電圧を維持することができ、充電制御部２０５がリセットすることはない。その後、受電制御部２０３からの信号により負荷変調部２０４は動作し、送電装置１００から見た受電装置２００の見かけ上の負荷が変動する。これにより、１次コイル１０１の誘起電圧が変動し、この変動した電圧を電圧検出部１０４が検出し、電圧差が規定値であれば、異物が送電装置１００と充電装置２００の間に挿入されておらず、受電装置２００は正規のものであると判断して送電を継続する。しかしながら、電圧差がない、あるいは規定値でなければ、異物が挿入されている、あるいは不正な受電装置２００が装着されていると判断して、不正規品の充電回避、異物の発熱を防止して安全性確保を図る。

また、図１では、充電制御部２０５の電源を２次電池２１０より供給したが、図２は充電制御部２０５に蓄電装置２０８（コンデンサなど）を充電制御部２０５の電源部に接続し、異物検出を行うときの充電制御部２０５の電源はこの蓄電装置２０８より供給するようにしたものである。

通常、送電装置１００は受電装置２００に負荷である２次電池２１０を充電するために電力を供給し、充電制御部２０５の電源にも電力を供給しているが、同時に充電制御部２０５の電源に接続した蓄電装置２０８も充電するようにする。異物検出を行うときは、受電制御部２０３から充電制御部２０５と電源切替スイッチ２０７に信号を送信し、２次電池２１０への電力供給を停止するため充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２０６をＯＦＦし、充電制御部２０５の電源を蓄電装置２０８から供給するために電源切替スイッチ２０７を受電装置２００側から切り離す。これにより充電制御部２０５は駆動を維持することができ、負荷変調部２０４が動作しているときに充電制御部２０５がリセットすることを防ぐことができる。

これらの動作を表した図が、図３と図５である。以下、図の説明を行う。図の上段に記載の１次コイルの誘起電圧波形は、１次コイルの誘起電圧の負荷の大きさによる変化の様子を示しており、負荷が軽いときと重いときを示している。負荷が軽いときと重いときのそれぞれの電圧波形に凹凸があるが、このとき、負荷変調部２０４が動作し、異物検出動作を行っている。中段の電力送電状態は、各負荷状態で送電装置１００が送電している電力の種類を示している。負荷変調部が動作していないときは負荷に電力を送電する通常電力（１）を送電し、負荷変調部が動作するときは、通常電力に負荷変調部が動作することにより変動する負荷に応じた電力（負荷変動用電力）が重畳された電力（２）が送電される。また、下段の充電制御部電源電圧は各負荷状態での充電制御部の電源電圧の様子を示している。

図５は従来の異物検出方法による１次コイル１１の電圧波形と充電制御部２５の電源波形を表している。負荷が軽く、負荷変調部２４が動作するときの１次コイル１１の誘起電圧波形の電圧差はΔＶ２となる。負荷が重いときは、充電制御部２５の動作に影響が出ない程度に送電装置１０から送電する電力を小さくしており、１次コイル１１の誘起電圧波形の電圧差が出やすくしている（図５ではΔＶ３となる）。しかしながら、負荷が軽いときと負荷が重いときで電圧差を同じにすることは非常に難しく、検出精度に影響を及ぼす。

図３は本発明の充電制御部２０５の電源維持方法を用いた異物検出時の１次コイル１０１の電圧波形と充電制御部２０５の電源波形である。本発明の場合、負荷変調部２０４が動作するとき、充電制御部２０５の電源は２次電池２１０あるいは蓄電装置２０８より供給するため、負荷の大きさに関係なく、送電装置１００からの送電電力は一定となるため（図５では、ΔＶ１で示す）、１次コイル１０１の誘起電圧の電圧差は常に一定となっている。このとき、充電制御部２０５の電圧は、２次電池２１０あるいは蓄電装置２０８から供給しているため、若干の電圧降下が発生するが、充電制御部２０５がリセットするまでの電圧降下ではない。

このように本発明では、異物検出を行うときは、送電装置１００から２次電池２１０および充電制御部２０５への電力供給を行わないので、負荷の大きさにより送電装置１００から送電する電力を変える必要がなく、異物検出を行うときの充電制御部２０５の電源設計が容易にできる。また、１次コイル１０１の電圧変動差が、負荷により変動しないため、異物検出の精度も向上できる。

本発明は、無接点充電システムにおける異物挿入対策での受電装置の充電制御部の電源設計を簡素化し、電源設計の統一化に貢献するものである。本発明により、容易に電源が設計でき、信頼性の高い異物挿入対策を内蔵した無接点充電システムが様々な携帯機器に利用可能となる。

１０送電装置
１１１次コイル
１２送電部
１３送電制御部
１４電圧検出部
２０受電装置
２１２次コイル
２２受電部
２３受電制御部
２４負荷変調部
２５充電制御部
２６充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
１００送電装置
１０１１次コイル
１０２送電部
１０３送電制御部
１０４電圧検出部
２００受電装置
２０１２次コイル
２０２受電部
２０３受電制御部
２０４負荷変調部
２０５充電制御部
２０６充電電流ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
２０７電源切替スイッチ
２０８蓄電装置
２１０２次電池

Claims

１次コイルと２次コイルを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電し、前記受電装置に接続された２次電池を充電する無接点充電システムであって、
前記送電装置は、前記１次コイルが送電する電力を供給する送電部と、前記送電装置を制御する送電制御部と、前記１次コイルの誘起電圧波形を検出する電圧検出部とを含み、前記受電装置は、前記送電装置から送電される電力を整流および平滑する受電部と、受電装置の制御を行う受電制御部と、前記送電装置からみた負荷を変動させる負荷変調部と、前記２次電池の充電を制御する充電制御部とを含み、前記１次コイルと２次コイルの間に異物検出のため、定期的に前記負荷変調部を動作させて送電装置から見た受電装置側の負荷を間欠的に変化させ、前記電圧検出部が負荷の間欠的な変化を検出できないときは、前記１次コイルと２次コイルの間に異物が挿入されたと判断して送電を停止する無接点充電システムにおいて、
通常送電時に前記充電制御部の電源は前記送電装置より送電される電力から供給し、前記負荷変調部が動作するとき、前記送電装置から受電装置への電力は負荷変調部による負荷変動に必要な電力のみ送電し、前記充電制御部の電源を前記送電装置以外から供給することを特徴とした無接点充電システム。
前記１次コイルと２次コイルの間の異物検出のため、前記負荷変調部が動作するとき前記充電制御部の電源供給を前記２次電池から行うによう電源切替スイッチを搭載したことを特徴とする請求項１記載の無接点充電システム。
前記受電装置は蓄電装置を内蔵することを特徴とし、前記送電装置が前記２次電池を充電するための電力を送電しているときに前記蓄電装置へも電力を供給し、前記１次コイルと２次コイルの間の異物検出のため、前記負荷変調部が動作するときは、前記充電制御部の電源を前記蓄電装置より供給するように電源切替スイッチを搭載したことを特徴とする請求項１記載の無接点充電システム。