JP2012105454A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力容量の異なる複数種類の受電装置に対して、受電装置の電力容量を超えて送電装置から受電装置へ電力が供給されることを、簡単な構成で防止する。
【解決手段】１次コイルを有し外部から電力を受電して１次コイルに交流電力を供給する送電装置と、送電装置に離脱可能に結合される受電装置とを備え、送電装置は、所定位置に固定した距離検出器と、外部から送電装置への入力電流を検出する電流検出器と、１次コイルへの給電を制御する制御部とを備え、受電装置は、送電装置との結合時に１次コイルと電磁結合して誘起された電力を負荷に供給する２次コイルと、送電装置との結合時に前記距離検出器によって検出される距離検出ターゲットとを備え、送電装置と受電装置との結合時の距離検出器と前記ターゲットとの距離が受電装置の電力容量に対応するように設定され、制御部は入力電流が距離検出器の検出距離に対応する電流しきい値を超えるとき１次コイルへの給電を停止する非接触給電システム。
【選択図】図６

Description

この発明は非接触給電システムに関する。

この発明の背景技術としては、給電ヘッドから受電ヘッドへ非接触で給電する装置において、結合トランスの１次コアと２次コアを個々に分離可能となし、給電ヘッドと受電ヘッドに１次コアと２次コアをそれぞれ設け、１次コアと２次コアはそれぞれに巻回される１次巻線と２次巻線を有し、１次巻線に流れる電流の検出手段と、１次巻線に流れる電流が過電流となったときに１次巻線へ供給する電流を停止する過電流保護回路とを給電ヘッド側に備えた非接触給電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、結合トランスの１次側と２次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる１次側ユニットと２次側ユニットを具備し、前記１次側ユニットから２次側ユニットへ電磁誘導作用を利用して非接触で電力を供給する電源装置において、前記２次側ユニットが、前記結合トランスの２次側における電圧および電流に関する信号を外部へ無線送信する送信手段を備え、前記１次側ユニットが、無線送信された前記信号を受信して、この信号を基に１次側ユニットの駆動を制御する受信手段を具備した非接触給電装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２６８８２３号公報 特開２００４−１５３８７９公報

しかしながら、１次巻線の電流を検出することによって過電流を保護する回路を給電ヘッド側に備えた前記のような装置では、電力容量の異なる複数種類の受電ヘッドを選択的に接続する場合、過電流保護回路が作動する電流の値を受電ヘッド側の電力容量に対応して設定できないという問題がある。

また、２次側ユニット側の電流や電圧を１次側ユニットへ無線送信する前記のような装置では、２次側ユニットに通信手段及び電圧・電流検出手段を設ける必要があり、回路が複雑になる上、２次側ユニットのサイズが大きくなるという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、回路構成が簡単で、２次側ユニット（受電装置）の電力容量に対応して１次側ユニット（送電装置）への最大１次入力電流が自動的に設定され、その設定値を１次入力電流が超えると２次側ユニットへの給電が停止される非接触給電システムを提供するものである。

この発明は、１次コイルを有し外部から電力を受電して１次コイルに交流電力を供給する送電装置と、送電装置に離脱可能に結合される受電装置とを備え、送電装置は、所定位置に固定した距離検出器と、外部から送電装置への入力電流を検出する電流検出器と、１次コイルへの給電を制御する制御部とを備え、受電装置は、送電装置との結合時に１次コイルと電磁結合して誘起された電力を負荷に供給する２次コイルと、送電装置との結合時に前記距離検出器によって検出される距離検出ターゲットとを備え、送電装置と受電装置との結合時の距離検出器と前記ターゲットとの距離が受電装置の電力容量に対応するように設定され、制御部は入力電流が距離検出器の検出距離に対応する電流しきい値を超えるとき１次コイルへの給電を停止する非接触給電システムを提供するものである。

この発明によれば、受電装置の電力容量がターゲットまでの距離として距離検出器により検出され、送電装置への入力電流が受電装置の電力容量に対応する電流しきい値を超えるとき、１次コイルへの給電が停止されるので、簡単な構成で、受電装置はその電力容量に応じた電力を安全に受電することができる。

この発明の非接触給電システムの電気回路図である。 送電装置の送電側コアを示す斜視図である。 １次コイルを巻回した１次側ボビンを図２に示す送電側コアに装着した状態を示す斜視図である。 ２次コイルを巻回した２次側ボビンを受電装置の受電側コアに固定した状態を示す斜視図である。 １次コイルと２次コイルの結合関係を示す上面図である。 図５のＡ−Ａ矢視断面図である。 図５の背面図である。 送電装置と受電装置の結合部材の構成を示す説明図である。 送電装置と受電装置の結合部材の動作を示す説明図である。

この発明の非接触給電システムは、１次コイルを有し外部から電力を受電して１次コイルに交流電力を供給する送電装置と、送電装置に離脱可能に結合される受電装置とを備え、送電装置は、所定位置に固定した距離検出器と、外部から送電装置への入力電流を検出する電流検出器と、１次コイルへの給電を制御する制御部とを備え、受電装置は、送電装置との結合時に１次コイルと電磁結合して誘起された電力を負荷に供給する２次コイルと、送電装置との結合時に前記距離検出器によって検出される距離検出ターゲットとを備え、送電装置と受電装置との結合時の距離検出器と前記ターゲットとの距離が受電装置の電力容量に対応するように設定され、制御部は入力電流が距離検出器の検出距離に対応する電流しきい値を超えるとき１次コイルへの給電を停止することを特徴とする。

送電装置は外部から受電した電力を交流電力に変換して１次コイルに供給する発振回路を備え、制御部は、前記電流しきい値を記憶する記憶部と、記憶部から電流しきい値を読み出して電流検出器の検出電流が電流しきい値を超えた時に発振回路の出力を停止させる制御回路とを備えてもよい。

前記記憶部は異なる検出距離に対する電流しきい値を表すテーブルを備え、前記制御回路は距離検出器の検出距離に基づいてそのテーブルから電流しきい値を読み出すようにしてもよい。

受電装置は２次コイルを巻回するボビンを備え、そのボビンの先端が前記ターゲットを形成してもよいが、受電装置の他の部位で前記ターゲットを構成してもよい。

制御回路は、距離検出器が所定値より小さい距離を検出したときに発振回路を出力させる機能を備えてもよい。ここで距離検出器には、超音波やレーザ光などを利用した市販の測距センサを用いることができる。距離測定に反射板を必要とする測距センサを使用し、ターゲットに反射板を設けてもよい。この場合、受電装置以外の異物が送電装置に結合された場合に給電が行われないので安全である。

送電装置が第１コアを有し、受電装置が第２コアを有し、送電装置と受電装置との結合時に、第１コアと第２コアによって変圧器用コアが形成され、かつ、変圧器用コアに１次および２次コイルが巻回された変圧器が構成されてもよい。
送電装置は受電装置との対向面にロック部材係止孔を備え、受電装置はそれぞれ対応する位置にロック部材を備えてもよい。更に、受電装置が送電装置に完全に結合（ロック）されたことを検出してから距離検出器に給電し距離を検出するようにしてもよい。この場合、距離検出器での電力消費を低減することができる。

以下、図面に示す実施形態を用いて、この発明を詳述する。
図１はこの発明の非接触給電システムの電気回路図である。
図１に示すように、この発明の非接触給電システムは、送電装置１と受電装置２とを備える。

送電装置１は、直流電源１６からの直流電圧を交流電圧に変換する発振回路（ＤＣ／ＡＣコンバータ）１１と、変換された交流電圧が印加される１次コイル１０と、１次コイル１０が巻回される送電側コア（鉄心）１８と、発振回路１１を制御する制御回路１２と、送電装置１に受電装置２が挿入（結合）された際に受電装置２の距離検出ターゲット（後述）までの距離を検出するための距離検出器１４と、送電装置１への入力電流を検出するための電流検出器１５と、給電を停止する電流しきい値を記憶する記憶部１３とを備える。
直流電源１６は太陽光発電装置、風力発電装置または燃料電池のような発電型直流電源、またはそれらの直流電源の電圧を直流電力変換機により所定の電圧に安定化された安定化型直流電源、または商用系統より取得した交流電源を整流し、直流に変換された交流電源変換型直流電源である。

受電装置２は、１次コイル１０と電磁的に結合して電力を受電するための２次コイル２０と、電磁誘導により２次コイル２０に誘起された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路２１と、変換された直流電圧を平滑して負荷（電気機器）３に印加するコンデンサ２２と、送電装置１に受電装置２が結合した時に１次コイル１０と２次コイル２０を電磁結合させるための磁路を形成する受電側コア２３とを備える。
負荷３にはパソコン、携帯電話、またはＰＤＡなど直流機器を用いるが、DC/AC変換器により交流に変換することにより、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、エアコン、複写機、またはファクシミリのような交流機器を用いることが可能である。勿論、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、エアコン、複写機、またはファクシミリが直流電源により動作する場合は、電圧変換して負荷としてもよい。

発振回路１１は、トランジスタＱＡ，ＱＢと、ダイオードＤＡ，ＤＢと、コンデンサＣＡ，ＣＢとからなるハーフブリッジ式のコンバータ１１ａと、パルス信号を発生してトランジスタＱＡ，ＱＢをＯＮ／ＯＦＦさせるパルス発生器１１ｂを備える。

パルス発生器１１ｂは数十ｋＨｚの高周波パルスを発生し、制御回路１２から信号を受けるとパルス周期に対するＯＮ期間の比、つまりデューティ比を変化させ、コンバータ１１ａの出力する交流電圧を制御するようになっている。

図２は、送電側コア１８を示す斜視図、図３は送電側コア１８に装着された１次コイル１０を示す斜視図である。図２に示すように送電側コア１８は円柱状の中央コア１８ａ及び外周コア１８ｂを備え、図３に示すように１次コイル１０を巻回した１次コイルボビン１９が中央コア１８ａに同芯に装着されている。
一方、受電側コア２３には、図４，図６に示すように、２次コイルボビン２５に巻回された２次コイル２０が、２次コイルカバー２４に覆われて固定されている。

図５は送電装置１に受電装置２が挿入（結合）された場合の１次コイル１０と２次コイル２０との結合関係を示す上面図、図６は図５のＡ−Ａ矢視断面図、図７は図５の背面図である。

送電装置１に受電装置２が結合された時には、図６に示すように、送電側コア１８と受電側コア２３とによって閉磁路が形成され、中央コア１８ａに１次コイル１０と２次コイル２０とが巻回された変圧器が構成される。
本実施形態においては、送電側コア１８と受電側コア２３の形状を所謂ＰＱＩ形状としているが、本発明におけるコアの形状はこれに限るものではなく、ＥＩＲ形状、ＥＩ形状でもよい。

図５，図６に示すように、送電装置１は、受電装置２が挿入されたときに２次コイルボビン２５の先端（距離測定ターゲット）に対向する位置に距離検出器１４を備える。つまり、距離検出器１４は送電装置１の所定位置から２次コイルボビン２５の先端までの挿入方向（２次コイルボビン２５の軸に平行な方向）の距離Ｄを検出する。
実際には、距離検出器１４が検出できる距離が距離検出器１４から２次コイルボビン２５の先端までの挿入方向の距離であれば、距離検出器１４の検出距離から、距離検出器１４と送電装置１の所定位置までの一定値となる距離を差し引いて距離Ｄとすればよい。

送電装置１には、電力容量（受電能力）の異なる複数種類の受電装置２が選択的に結合可能であり、受電装置２はその受電能力に応じてサイズが定められるため受電能力が小さい場合にはその軽量化が可能となる。また、受電装置２は２次コイル２０の巻数を変更することにより、出力電圧を調整し機器側に最適な電圧を供給できる。

この実施形態では、２次コイル２０を巻回した２次コイルボビン２５の先端が距離測定ターゲットを形成し、受電装置２のサイズとは２次コイルボビン２５の突出長さ、つまり、送電装置１への挿入長さＬ（図６）を意味する。従って、電力容量（受電能力）が高い受電装置２の２次コイルボビン２５は挿入長さＬが長く、電力容量が低い受電装置２の２次コイルボビン２５は挿入長さＬが短くなる。

送電装置１に受電装置２が挿入（結合）された場合、距離検出器１４は、２次コイルボビン２５の先端までの距離Ｄを検出する。従って、受電装置２のサイズ、つまり２次コイルボビン２５の挿入長さＬが長いと、結果として距離検出器１４で検出される距離Ｄが短くなる。

記憶部１３（図１）は、ＲＯＭとＲＡＭを備え、そのＲＯＭには表１に示すように検出距離と２次コイルボビン２５の挿入長さＬと電流閾値との関係を表すデーブルが予め格納されている。

このような構成において、送電装置１と受電装置２が結合され、距離検出器１４が距離Ｄを検出すると、制御回路１２は、表１の変換テーブルから、検出距離Ｄに対応する電流閾値を読み出し、記憶部１３のＲＡＭに保持させる。

制御回路１２は、正常時は発振回路１１を所定のデューディ比のパルスによって連続発振させる。それによって、１次コイル１０に交流電圧が印加され、２次コイルに交流電圧が誘起され、誘起された交流電圧は整流回路２１により整流され、平滑コンデンサ２２で平滑されて負荷３に印加される。

電流検出器１５により現在の入力電流値が検出され、制御回路１２は入力電流値と記憶部１３のＲＡＭに保持された電流閾値との比較を行う。受電装置２及び接続された負荷３が正常に動作している場合は、入力電流値は変換テーブルに定められた電流閾値を超えることはなく、給電は継続される。

何らかの理由により、受電装置２もしくは接続された負荷３に異常が発生し（例えば短絡）、受電装置２に受電能力以上の電流が流れた場合、制御回路１２は入力電流が記憶部１３のＲＡＭに保持された電流閾値を超えたことを検知し、パルス発生器１１ｂの出力を停止させる。そして、発振回路１１が出力を停止して受電装置２への給電が停止されることにより、受電装置２および負荷３の過電流保護が実現される。

ここで、受電装置２の受電能力つまり電力容量（Ｗ）と２次コイルボビン２５の挿入長さＬとの関係について説明する。
例えば、送電装置１の１次コイル１０に印加される交流電圧が１００Ｖであり、１次コイル１０の巻数が１００ターンとする。また、受電能力（電力容量）の異なる２つの受電装置２の電力容量が、
（ａ）４０Ｗ（２０Ｖ×２Ａ）
（ｂ）５Ｗ（５Ｖ×１Ａ）
である場合、コイルの巻数比は電圧比に等しいため、巻線数としてはそれぞれ
（ａ）１００Ｖ：２０Ｖ＝１００ターン（１次コイル巻線数）：２０ターン（２次コイル巻線数）
（ｂ）１００Ｖ：５Ｖ＝１００ターン（１次コイル巻線数）：５ターン（２次コイル巻線数）
となる。

また、２次コイルの巻線の線径は許容電流容量によって決まるため、少ない電流容量であればコイルの線径を小さくできる。結果として、電力容量（受電能力）の大きさに応じて、２次コイルボビン２５のサイズ、すなわち挿入長さＬが決定されることになる。

また、制御回路１２は、送電装置１に受電装置２が結合されているか否かを、距離検出器１４を用いて検出する。つまり、距離検出器１４が所定距離（表１において５０ｍｍ）より小さい距離を検出したとき、制御回路１２は送電装置１に受電装置２が結合されたものと判定する。
そして、制御回路１２はパルス発生器１１ｂを駆動し、１次コイル１０に交流電圧を印加する。

一方、距離検出器１４が所定距離５０ｍｍ以上を検出する場合には、制御回路１２は送電装置１に受電装置２が結合されていないものと判断し、パルス発生器１１ｂを駆動しないため、1次コイル１０には交流電圧が印加されず、回路での電力消費を低減することができる。

図８，図９は送電装置１と受電装置２の結合部材の構成と作用を示す説明図である。これらの図に示すように、送電装置１は、受電装置２との対向面にロック部材係止孔３３ａ，３３ｂを備える。

一方、受電装置２は、ロック部材係止孔３３ａ，３３ｂにそれぞれ対応する位置にロック部材３４ａ，３４ｂを備える。ロック部材３４ａ，３４ｂは、それぞれロック爪３５ａ，３５ｂと、ロック爪３５ａ，３５ｂをそれぞれ弾性的に支持する板バネ３６ａ，３６ｂと、板バネ３６ａ，３６ｂにそれぞれ設けられた押しボタン３７ａ，３７ｂを備える。

このような構成において、図８に示すように、送電装置１に受電装置２が矢印Ｃ方向に装着されると、受電装置２のロック部材３４ａ，３４ｂが送電装置１のロック部材係止孔３３ａ，３３ｂに挿入される。それらが完全に挿入されたとき、図９に示すようにロック部材係止孔３３ａ，３３ｂにそれぞれロック爪３５ａ，３５ｂが係止され、受電装置２が送電装置１に完全に結合（ロック）される。
また、図示しないロック検出手段により、受電装置２が送電装置１に完全に結合（ロック）されたことを検出してから距離検出器に給電を行うようにしてもよい。この場合、送電装置１に受電装置２が結合されているか否かはロック検出手段によって結合が検出された後、再度距離検出器によっても検出されることとなり、受電装置２以外の異物が送電装置１に結合された場合でもより安全性を高めることができる。

また、送電装置１から受電装置２を離脱する場合には、押しボタン３７ａ，３７ｂを押してロック爪３５ａ，３５ｂの係止状態を解除し、ロック部材係止孔３３ａ，３３ｂからロック部材３４ａ，３４ｂを矢印Ｃと逆方向に引き抜く。
図示しないロック検出手段により、送電装置１から受電装置２が離脱した場合には、送電装置１に受電装置２が結合されていないものと判断し、パルス発生器１１ｂの駆動、距離検出器への給電を停止するとよい。この場合、更に回路での電力消費を低減することができる。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ 負荷
１０ １次コイル
１１ 発振回路
１２ 制御回路
１３ 記憶部
１４ 距離検出器
１５ 電流検出器
１６ 直流電源
１８ 送電側コア
１８ａ 中央コア
１８ｂ 外周コア
１９ １次コイルボビン
２０ ２次コイル
２１ 整流回路
２２ 平滑コンデンサ
２３ 受電側コア
２４ ２次コイルカバー
２５ ２次コイルボビン
３３ａ ロック部材係止孔
３３ｂ ロック部材係止孔
３４ａ ロック部材
３４ｂ ロック部材
３５ａ ロック爪
３５ｂ ロック爪
３６ａ 板バネ
３６ｂ 板バネ
３７ａ 押しボタン
３７ｂ 押しボタン

Claims (7)

1. １次コイルを有し外部から電力を受電して１次コイルに交流電力を供給する送電装置と、送電装置に離脱可能に結合される受電装置とを備え、送電装置は、所定位置に固定した距離検出器と、外部から送電装置への入力電流を検出する電流検出器と、１次コイルへの給電を制御する制御部とを備え、受電装置は、送電装置との結合時に１次コイルと電磁結合して誘起された電力を負荷に供給する２次コイルと、送電装置との結合時に前記距離検出器によって検出される距離検出ターゲットとを備え、送電装置と受電装置との結合時の距離検出器と前記ターゲットとの距離が受電装置の電力容量に対応するように設定され、制御部は入力電流が距離検出器の検出距離に対応する電流しきい値を超えるとき１次コイルへの給電を停止する非接触給電システム。
2. 送電装置は外部から受電した電力を交流電力に変換して１次コイルに供給する発振回路を備え、制御部は、前記電流しきい値を記憶する記憶部と、記憶部から電流しきい値を読み出して電流検出器の検出電流が電流しきい値を超えた時に発振回路の出力を停止させる制御回路とを備える請求項１記載の非接触給電システム。
3. 前記記憶部は異なる検出距離に対する電流しきい値を表すテーブルを備え、前記制御回路は距離検出器の検出距離に基づいてそのテーブルから電流しきい値を読み出す請求項２記載の非接触給電システム。
4. 受電装置は２次コイルを巻回するボビンを備え、そのボビンの先端が前記ターゲットを形成する請求項１〜３記載の非接触給電システム。
5. 制御回路は、距離検出器が所定値より小さい距離を検出したときに発振回路を出力させる機能を備える請求項２〜４記載の非接触給電システム。
6. 送電装置は受電装置との対向面にロック部材係止孔とロック検出手段を備え、受電装置はそれぞれ対応する位置にロック部材を備え、受電装置が送電装置に完全にロックされたことを検出してから距離検出器に給電する機能を備える請求項１〜５記載の非接触給電システム。
7. 送電装置が第１コアを有し、受電装置が第２コアを有し、送電装置と受電装置との結合時に、第１コアと第２コアによって変圧器用コアが形成され、かつ、変圧器用コアに１次および２次コイルが巻回された変圧器が構成される請求項１〜６記載の非接触給電システム。

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