JP2012178916A

JP2012178916A - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP2012178916A
Application number: JP2011039841A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Shinagawa; 徳明品川; Hiroyuki Seya; 弘行瀬谷; Shuji Mochizuki; 秀治望月
Original assignee: UD TECH KK
Current assignee: UD TECH KK
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-09-13

Abstract

【課題】特別な制御を必要とせずに適切な給電が行われる非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】本発明の非接触電力伝送装置は、給電装置から受電装置に電力伝送を行う電磁誘導型の非接触電力伝送装置であって、受電装置は受電コイル及び該受電コイルとで所定の共振回路インピーダンスになるキャパシタを備え、給電装置は受電コイルに比べて相対的に大きな口径の給電コイル及び該給電コイルとで所定の共振回路インピーダンスになるキャパシタを備え、給電装置における共振回路インピーダンスは受電装置の負荷電流が大きくなるに伴って小さくなるように設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電磁誘導方式により給電コイルと受電コイルとの間で電力伝送を行う非接触電力伝送装置に関する。

近年、情報化社会の急激な発展により、オフィスや家庭内などの日常生活を取り巻く環境の中で使用される携帯機器が増加の一途を辿っており、なかでも、スマートフォンに代表される多機能型のモバイル情報端末の普及は著しい。このようなモバイル情報端末には、リチウムイオン電池等の高容量、高密度の二次電池が内蔵されているが、多機能化に伴い消費電流も増え、充電する頻度が従来の携帯電話より著しく増しているという現状があり、このような背景から、簡便に充電できる環境の一つとして無接点で電子機器に電力供給できる非接触給電方式が注目されている。例えば街角の店舗や飲食店のテーブル等にどの電子機器にも充電可能なユニバーサルな給電装置を組み込み、電磁調理器のように平板上の充電台に載せるだけで充電できるようにしようとする動きもあるが、どの電子機器にも給電可能なユニバーサル型の場合は、受電装置側の特性に合わせた給電が必要となる。受電装置側の充電状態を通信制御手段により検知して制御する電力伝送する例としては、特許文献１が開示されている。

一方、ユニバーサルな給電装置が受電装置に比べて十分大きな給電コイルを使用する非接触給電方式の場合、給電コイルが非常に大きいために受電装置の受電コイルとの結合は非常に小さなものになる。そのため、給電コイル上に受電コイルを載せても給電装置側にはその変化を認知することが難しい。

このような状態で電力伝送を行う場合、コイル間の結合が弱いために給電装置側、受電装置側共に高い共振状態にしておく必要があり、これにより、給電装置側では、受電の有無や受電装置の状態に関係なく給電装置側では常に大きな電流を流さなければならないために給電装置の低消費電力化が必要となる。

このように、大口径の給電コイルを有する給電装置から受電装置の受電コイルに電力伝送を行う場合、受電装置の有無や受電装置の個数を給電装置側で認知するためには、コイル間の通信やセンサ等でその有無や個数を認知することで給電装置側の電力制御をする必要があることから、回路構成が複雑になりコストの増加にもなるという問題点があった。

特開２０１０−２８４０５８号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、コイル間通信やセンサ等による特別な制御を必要とせずに適切な給電が行われる非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による非接触電力伝送装置は、給電装置から受電装置に電力伝送を行う電磁誘導型の非接触電力伝送装置であって、前記受電装置は、受電コイル及び該受電コイルとで所定の共振回路インピーダンスになるキャパシタを備え、前記給電装置は、前記受電コイルに比べて相対的に大きな口径の給電コイル及び該給電コイルとで所定の共振回路インピーダンスになるキャパシタを備え、前記給電装置における共振回路インピーダンスは、前記受電装置の負荷電流が大きくなるに伴って小さくなるように設定される。
前記給電コイルのインダクタンスは前記受電コイルのインダクタンスに比べて小さく、前記給電装置のキャパシタの容量値は前記受電装置のキャパシタの容量値より小さいことが望ましい。
また、前記給電装置は該給電装置の給電台に複数の前記受電装置が載置される複数の同時給電に対応し、前記給電装置における共振回路インピーダンスは、前記複数の受電装置の総負荷電流が大きくなるに伴って小さくなるように設定される。

上記目的を達成するためになされた本発明の他の特徴による非接触電力伝送装置は、給電装置から受電装置に電力伝送を行う電磁誘導型の非接触電力伝送装置であって、前記受電装置は、受電コイル及び該受電コイルとで所定の共振周波数になるキャパシタを備え、前記給電装置は、前記受電コイルに比べて相対的に大きな口径の給電コイル及び該給電コイルとで所定の共振周波数になるキャパシタを備え、前記給電コイルは、所定の駆動周波数で駆動されて所定の共振周波数になるように設定され、前記給電コイルの共振周波数は、前記給電装置の給電台に前記受電装置が載置されていないとき、前記給電装置の駆動周波数から所定周波数離隔しており、前記給電台に前記受電装置が載置されたとき、該受電装置の受電コイルの影響により前記給電装置の駆動周波数と同一になるように設定される。
また、前記給電装置は、該給電装置の給電台に複数の前記受電装置が載置される複数の同時給電に対応し、前記給電コイルの共振周波数は、前記給電台に所定個数の前記受電装置が載置されたとき、該受電装置の受電コイルの影響により前記給電装置の駆動周波数と同一になるように設定される。

本発明の非接触電力伝送装置によれば、給電コイルと受電コイルの特性を利用することで、特別な制御を必要とせずに受電コイルとの結合状態や個数に応じて受電装置に適切な電力を伝送することができる。
また、給電コイルに硬貨等の金属性の異物が乗せられても、金属の影響で給電の共振特性から外れることから、その発熱が抑えられ、且つこれにより金属性の異物を認知することにもなる。

非接触電力伝送装置における等価回路図の一例である。従来の非接触電力伝送装置における給電側及び受電側の共振特性を示す図である。本発明の非接触電力伝送装置における大口径型給電コイルの一例を示す図である。本発明の非接触電力伝送装置における給電側及び受電側の共振特性を示す図である。本発明と従来方式とにおけるインピーダンスの受電負荷抵抗依存特性を示すグラフである。本発明の一実施形態による給電側及び受電側電力の受電負荷抵抗依存特性を示すグラフである。給電装置に硬貨を載置したときの共振特性を示す図である。複数の受電装置に同時に電力伝送する場合の等価回路図である。図８における給電側及び受電側電力の受電個数依存特性を示すグラフである。

以下、本発明による非接触電力伝送装置を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、図１の非接触電力伝送装置における等価回路図の一例を参照して、その動作原理について説明する。

図１を参照すると、非接触電力伝送装置の回路モデルにおいて、給電装置側の電圧の過渡応答は数式１で表され、受電装置側の電圧の過渡応答は数式２で表される。ここで、Ｒ１は給電装置側の等価直列抵抗、Ｒ２は受電装置側の負荷抵抗、Ｃ１は給電装置の直列共振用キャパシタ、Ｃ２は受電装置の直列共振用キャパシタ、Ｌ１は給電装置の一次側給電コイル、Ｌ２は受電装置の二次側受電コイル、Ｉ１は給電装置側の給電電流、Ｉ２は受電装置側の受電電流であり、Ｍは一次側給電コイルと二次側受電コイルとの結合度を示す相互インダクタンスであり、数式中のＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｌ１、Ｌ２、ｉ１、ｉ２、Ｍはその値を示し、ｔは時間を示す。

数式１及び数式２より、一次側から見たときの合成インピーダンスＺは以下の数式３になり、抵抗性分、インダクタ成分、及びキャパシタ成分で表される。ここで、ωは角周波数、ｊはインダクタ成分又はキャパシタ成分を示す虚数部である。

数式３を参照すると、一次側から見たときの抵抗値、インダクタンス、及びキャパシタンスは一定ではなく、二次側の影響を受けることがわかる。また二次側の影響により、抵抗性分は増加し、インダクタ成分は減少し、キャパシタ成分は増加することがわかる。このように一次側、即ち給電側から見た回路の合成インピーダンスは一定ではなく、二次側の影響を受けて変動することが理解される。

一方、従来の非接触電力伝送装置は、給電コイルの共振周波数を給電装置の駆動周波数になるように設定し、図２に示すように、受電コイルの共振周波数ｆ０＝１／（２π√（ＬＣ））を給電側の共振周波数と一致させている。

図３は、本発明の非接触電力伝送装置における大口径型給電コイルの一例を示す図である。

図３を参照すると、本発明の一実施形態として複数の受電装置に同時に電力伝送（マルチ給電）を可能にするために大口径型給電コイルを使用する。例えば、給電コイルのコイル形状を内側で横１７ｃｍ、縦１４ｃｍとし、受電コイルの載置範囲を給電コイルの内側とする。大口径型給電コイルを使用した場合、給電側と受電側とのコイル間結合は、コイル上で結合度が高く、コイル中央部で結合度が低くなるが、コイル中央部でも受電できることが重要である。

従来の非接触電力伝送方式では、受電コイルのサイズに比べて給電コイルのサイズが十分大きい大口径型給電コイルを使用した場合、給電装置の内側に受電装置を載せても、給電側と受電側の共振特性を合わせて大きな電力を送ることで対応している。しかし、その場合、給電側は共振状態のために給電側の回路インピーダンスが小さく大きな電力を消費し、また、受電側は常に共振状態のために大きな電流が流れて給電側の低消費電力化が難しかった。

本発明では、給電装置の給電台（図示せず）に受電装置を載置したときに最大電力を送れるように、給電台に受電装置を載置したときの給電装置の共振周波数が給電装置の駆動周波数と同じになるようにする。即ち、無負荷時の給電コイルの共振周波数ｆｃｅを、給電装置の駆動周波数ｆ０より高いほうにずらしておく。

図４は、本発明の非接触電力伝送装置における給電側及び受電側の共振特性を示す図である。

図４に示すように、給電装置は、給電台に何も載置されていない状態、即ち無負荷時に共振周波数ｆｃｅ＝１／２π√（Ｌ_１Ｃ_１）になり、給電台に受電装置が載置された状態、即ち負荷状態で共振周波数が駆動周波数ｆ０になるように給電コイルＬ_１のインダクタンス及びキャパシタＣ_１の容量値を設定する。このとき、受電装置は、共振周波数ｆ２＝１／２π√（Ｌ_２Ｃ_２）になるように受電コイルＬ_２のインダクタンス及びキャパシタＣ_２の容量値を設定し、給電側の無負荷時の共振周波数ｆｃｅと同じになるようにしているが、ずらすことも可能である。

このようにすることで、給電装置の共振周波数が駆動周波数から外れて一次側のインピーダンスが大きくなり待機電力の低下が期待される。一方、給電装置の共振周波数と駆動周波数とがずれることで、給電装置は回路インピーダンスが大きくなり給電電力が下がるため、給電装置としての給電能力が下がる可能性がある。そこで、本発明は、受電装置の受電コイルとの結合状態、即ち２次側の負荷抵抗に応じて給電装置側の回路インピーダンスが小さくなるように設定する。これにより、２次側の負荷抵抗の状態に応じて１次側の回路インピーダンスが変化し、給電装置からの給電電力も２次側の負荷抵抗に応じて受電装置に伝送されるようになる。

上記数式３で示した通り、給電装置から見た一次側の合成インピーダンスを低くするためには、給電側のインダクタンスに比べて受電側のインダクタンスを大きくし、給電側のキャパシタンスに比べて受電側のキャパシタンスを小さくしてリアクタンス成分を小さくする。これによって一次側から見たインピーダンスを低くすることができる。

このように設定することで、給電装置の回路インピーダンスは、受電装置の負荷電流に応じて低下し、給電側の供給電流が上昇する。また、受電装置が負荷電流を必要としないときは回路インピーダンスが高くなるために給電側の供給電力が小さくなる。

受電側による負荷変化は、図３に示すように、受電装置が給電コイルの中心部に置かれた場合と給電コイル上に置かれた場合にも生じる。受電コイルを給電コイルに近づけるとコイル間の結合度が高くなり、これにより、数式３に示すように給電コイルの見かけ上のインダクタンスが増加し、図４に示すように給電側の共振周波数は、受電側の共振周波数に近づくために多くの電力を伝送できるようになる。

図５は、本発明と従来方式とにおけるインピーダンスの受電負荷抵抗依存特性を示すグラフである。

図５に示す従来方式は、給電側の駆動周波数を１６３ｋＨｚに、給電側のインダクタンス及びキャパシタンスをそれぞれ１３５μＨ及び７．２ｎＦにして給電側の共振周波数を駆動周波数と同じ１６３ｋＨｚに設定し、受電側のインダクタンス及びキャパシタンスをそれぞれ１７２μＨ及び５．３ｎＦにして受電側の共振周波数を駆動周波数と略同じに設定した一例であり、本発明では、給電側の駆動周波数を１６３ｋＨｚに、給電側のインダクタンス及びキャパシタンスをそれぞれ１３５μＨ及び６．４ｎＦにして給電側の無負荷時の共振周波数を１７２ｋＨｚに設定し、受電側のインダクタンス及びキャパシタンスをそれぞれ１７２μＨ及び５．００ｎＦにして無負荷時の給電側の共振周波数と略同じになるように設定した一例である。このときの給電コイルと受電コイルとの間の結合係数は０．１である。なお、上述したように、受電側の共振周波数は、給電側の無負荷時の共振周波数ｆｃｅからずらすことも可能である。

図５に示すように。従来方式では、受電側の負荷抵抗が小さくなると、給電側のインピーダンスが増加して電流を流せなくなり、受電装置に電力が供給できなくなるだけでなく、受電側の負荷抵抗が小さい場合に給電側のインピーダンスが小さくなって給電側に大電流が流れることになり、そのための検出回路や保護回路等が必要になる。これに対し、本発明では、受電側の負荷抵抗が小さくなるに伴い給電側のインピーダンスが小さくなり、給電装置からより多くの電力を供給できるようになる。また、受電側の負荷抵抗が大きい場合は、給電側のインピーダンスが大きくなり、その待機電力も小さくすることができる。

図６は、本発明の一実施形態による給電側及び受電側電力の受電負荷抵抗依存特性を示すグラフであり、図３に示した給電コイルの中心部分に１個の受電コイルを載せたときの特性を示したものである。

図６において、給電回路の電源電圧ＶＤＤを１８ＶＤＣに設定し、安定化電源の電流値ＩＤＤを読み取って給電側の電力Ｐｗ＝ＶＤＤ×ＩＤＤを計算した一例であり、受電側は、５Ｖ出力としてその時に出力から得られた電流値との積により電力を求めたものである。給電側と受電側とでは電圧が異なるため単純に電流を比較できないので電力を比較した。図６を参照すると、図５に示した本発明のインピーダンス特性と一致し、実際の回路動作も略同様の特性を示す。

このように、本発明による給電装置は、受電装置の負荷電流に応じて給電側の回路インピーダンスが低下して給電電流が上昇し、受電側が負荷電流を必要としないときには回路インピーダンスが高くなって供給電力が小さくなる。即ち、給電装置及び受電装置のインダクタ及びキャパシタという非常に簡単な回路部品のみの構成で、２次側の負荷に応じて１次側の電流が増減して適切に電力を伝送することができることがわかる。

図７は、給電装置の給電台に硬貨を載置したときの共振特性を示す図である。

従来、給電中の給電装置の給電台に硬貨等の金属性の異物を載置すると、給電コイルから発生した磁界によって金属内部に渦電流が流れて金属性の異物が発熱することになる。本発明では、給電中の給電装置の給電台に硬貨等の金属性の異物が載置されたとき、即ち給電コイルに硬貨等の金属性の異物が近づくことによって給電コイルのインダクタンスは、小さくなる方向に変化し、そのため、図７に示すように給電装置の共振周波数は高い方にシフトする。これにより、給電側の給電能力が下がり受電側即ち硬貨等の金属性の異物には十分な電力が伝わらなくなり、金属性の異物が発熱する現象が抑えられる。本発明の一実施形態において、給電装置の待機電流は１７２ｍＡから、１円硬貨を１個載せた時に１７０ｍＡになり１０個の場合１５４ｍＡになった。また、５円硬貨の場合１個で１７１ｍＡ、１０個で１６０ｍＡ、１０円硬貨の場合、１個で１７０ｍＡ、１０個で１５４ｍＡであった。

図８は、複数の受電装置に同時に電力伝送（マルチ給電）する場合の等価回路図であり、図３に示した大口径給電コイルに複数（例えば３個）の受電装置を載せた場合の一例であり、図９は、図８における給電側及び受電側電力の受電個数依存特性を示すグラフである。

図８及び図９において、一例として、受電装置１〜３の負荷抵抗ＲＬ２〜ＲＬ４を５Ωに、給電電圧を１８Ｖに設定し、給電装置に接続された安定化電源の電流値Ｉ１を給電電流としてその積により給電電力Ｐｗｉを求め、受電電力Ｐｗｏはそれぞれの受電装置１〜３の電力の個数Ｐに応じた和を求めたものである。このように、受電装置の個数に応じて給電電力が略比例して変化することがわかる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

Ｃ１一次側（給電側）キャパシタ
Ｃ２二次側（受電側）キャパシタ
Ｉ１一次側（給電側）給電電流
Ｉ２二次側（受電側）受電電流
Ｌ１一次側（給電側）インダクタ（コイル）
Ｌ２二次側（受電側）インダクタ（コイル）
Ｒ１一次側（給電側）等価抵抗
Ｒ２二次側（受電側）負荷抵抗

Claims

給電装置から受電装置に電力伝送を行う電磁誘導型の非接触電力伝送装置であって、
前記受電装置は、受電コイル及び該受電コイルとで所定の共振回路インピーダンスになるキャパシタを備え、
前記給電装置は、前記受電コイルに比べて相対的に大きな口径の給電コイル及び該給電コイルとで所定の共振回路インピーダンスになるキャパシタを備え、
前記給電装置における共振回路インピーダンスは、前記受電装置の負荷電流が大きくなるに伴って小さくなるように設定されることを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記給電コイルのインダクタンスは前記受電コイルのインダクタンスに比べて小さく、前記給電装置のキャパシタの容量値は前記受電装置のキャパシタの容量値より小さいことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記給電装置は該給電装置の給電台に複数の前記受電装置が載置される複数の同時給電に対応し、
前記給電装置における共振回路インピーダンスは、前記複数の受電装置の総負荷電流が大きくなるに伴って小さくなるように設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
給電装置から受電装置に電力伝送を行う電磁誘導型の非接触電力伝送装置であって、
前記受電装置は、受電コイル及び該受電コイルとで所定の共振周波数になるキャパシタを備え、
前記給電装置は、前記受電コイルに比べて相対的に大きな口径の給電コイル及び該給電コイルとで所定の共振周波数になるキャパシタを備え、
前記給電コイルは、所定の駆動周波数で駆動されて所定の共振周波数になるように設定され、
前記給電コイルの共振周波数は、
前記給電装置の給電台に前記受電装置が載置されていないとき、前記給電装置の駆動周波数から所定周波数離隔しており、
前記給電台に前記受電装置が載置されたとき、該受電装置の受電コイルの影響により前記給電装置の駆動周波数と同一になるように設定されることを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記給電装置は、該給電装置の給電台に複数の前記受電装置が載置される複数の同時給電に対応し、
前記給電コイルの共振周波数は、前記給電台に所定個数の前記受電装置が載置されたとき、該受電装置の受電コイルの影響により前記給電装置の駆動周波数と同一になるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。