JP2012182980A - ワイヤレス受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよび電力制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ワイヤレス受電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する。ワイヤレス受電装置は、ロード回路と電力制御回路400を含む。ロード回路は、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルと、ロードコイルから交流電力を供給される負荷を含む。電力制御回路400は、計測部404と調整部406を含む。計測部404は負荷の受電電力を計測する。調整部406は、ロード回路のインピーダンスを変化させながら受電電力を極大値に近づける。
【選択図】図9
Description
図7は、第1実施形態における電力制御回路400とロード回路140の接続部分の回路図である。第1実施形態においては、インピーダンスZの実数部Rが調整対象となる。Z=R+jX、ZL=RLであり、R=RLであるとして説明する。電力制御回路400は、抵抗RLの電力(受電電力)を測定し、抵抗RLの抵抗値を変化させながら受電電力が極大値となるときの抵抗値を探索する。
コンパレータAは、調整機能を起動する回路であり、サンプルホールド回路108が保持する電圧信号V1と、新たに計測された電圧信号V1を比較する。サンプルホールド回路108は、以前の極大値に対応する電圧信号V1を保持する。図8のように変化前特性102から変化後特性104に変化したときには、サンプルホールド回路108は変化前特性102の極大値に対応する電圧信号V1を保持している。
コンパレータBは、受電電力が増加傾向にあるか減少傾向にあるかをチェックする回路である。前述のように、傾き検出回路は電圧信号V1の増減方向とその大きさを示す電圧信号V3を出力する。電圧信号V3は、コンパレータBとコンパレータCに入力される。コンパレータBは、電圧信号V3が増加しているとき、すなわち、受電電力が増加しているときには信号S2をハイレベルに活性化する。受電電力が減少しているときには信号S2をローレベルに不活性化する。抵抗RLの増減によって受電電力が増加する傾向(調整によって改善される傾向)にあるときには信号S2はハイレベルとなり、受電電力が減少する傾向(調整によって改善されない傾向)にあるときには信号S2はローレベルとなる。信号S2により、抵抗RLの調整がうまくいっているかどうかを確認できる。
コンパレータCは、抵抗RLを変化させても受電電力がほとんど変化しなくなったときに信号S9をローレベルに不活性化する回路である。極大値付近においては抵抗RLを変化させても受電電力はほとんど変化しない。すなわち、コンパレータCは、受電電力が極大値に近いかどうかを判定する回路である。まず、受電電力が極大値に近いかどうかを判定するために閾値TH2を設定しておく。V3≧TH2またはV3≦−TH2のとき、出力信号S9はハイレベルとなりそれ以外のとき(−TH2<V3<TH2のとき)にはローレベルとなる。TH2は受電電力が充分に極大値に近いときだけコンパレータCが反応するように設定される閾値である。
更に具体的には、制御信号S5がローレベルのとき、コンパレータAの出力がスイッチ回路Dの出力信号S3となる。したがって、信号S1がハイレベルに活性化すると信号S3もハイレベルに活性化され、負荷抵抗ホールド信号生成回路Fは信号S4をハイレベルに活性化し、スイッチ回路Hは制御信号S5をハイレベルに活性化する。負荷抵抗ホールド信号生成回路Fは、スイッチ回路Dの出力の立ち上り(ライズエッジ:rise edge)でハイレベルとなり、スイッチ回路Eの立ち下り(フォールエッジ:fall edge)でローレベルとなる。ただし、無効化回路DL2の出力がハイレベルのときは、スイッチ回路Eの出力がローレベルになった時でも、信号S4はローレベルには戻らない。無効化回路DL2は、信号S7の立ち上がり、もしくは立ち下り後の所定期間ハイレベル信号の出力を維持する。これは、信号S7が反転する度に、信号V1の傾きがゼロとなり、信号S9がローレベルになり、その結果、信号S5がローレベルになるのを防ぐためである(詳細なロジックについては後述)。また、スイッチ回路Hの制御端子に入力されるPON(パワーオン信号)は、電源の立ち上り時にハイレベルとなって電源電圧VCCを選択し、コンパレータCの出力の立ち下りでローレベルとなって負荷抵抗ホールド信号生成回路Fの信号S4を選択する。スイッチ回路Iについても同様である。初期段階では、制御信号S5、S7はどちらもハイレベルに設定される。制御信号S5の活性化により、不活性化されていたスイッチ回路Eは活性化され、コンパレータCの出力が選択され、調整機能が有効となる。ここで、スイッチ回路Eは、制御信号S5がローレベルになり、負荷抵抗RLが固定されているときでも、給電側と受電側の距離などにより、信号S9がハイレベルやローレベルになるのを防ぐ目的で設けられている。すなわち、制御信号S5がローレベルの時には、スイッチ回路Eの出力はグランド電位となる。制御信号S5が活性化するとスイッチ回路Dの出力はローレベルとなり、コンパレータAはいったん無効化する。スイッチ回路Dは、制御信号S5が活性化された後は、信号S3をグランド電位に設定する。この結果、負荷抵抗ホールド信号生成回路Fは、信号S9により制御される。更に、制御信号S5の活性化により負荷制御回路106が活性化される。負荷制御回路106は、活性化されると、後述の信号S7を負荷抵抗コントロール信号に変換し、抵抗RLを調整する。
ここで、負荷抵抗制御指示信号生成回路Gは、信号S2がハイレベルの時には信号S6の値を保持し、信号S2がローレベルの時には信号S6の値を反転させる。ただし、無効化回路DL1の出力がハイレベルのときは、信号S2がローレベルの時でも、負荷抵抗制御指示信号生成回路Gは信号S6を反転させないまま保持する。無効化回路DL1は、信号S7の立ち上り、もしくは立ち下り後の所定期間、出力をハイレベルに維持する。信号S2がローレベルとなると信号S6は反転を繰り返すが、無効化回路DL1により反転信号が繰り返し負荷抵抗制御指示信号生成回路Gに入力されるのを防いでいる。具体的には、無効化回路DL1は、信号S7が反転しても、負荷抵抗制御指示信号生成回路Gをしばらく無効化することにより、信号S7を反転後のレベルでしばらく維持する。図示していないが、信号S7と負荷抵抗制御指示信号生成回路Gの入力までの経路に、負荷抵抗制御指示信号生成回路Gの無効期間以上の遅延時間を生成するためのバッファが設けられる。なお、制御信号S5がハイレベルになった時のみ信号S6はハイレベルになる。
抵抗RLが増加すると、電圧信号V1、V3も変化する。電圧信号V3が増加している場合には、抵抗RLの増加により受電電力が順調に増加していることになるため、抵抗RLの調整が奏功している。コンパレータCは電圧信号V3の値がTH2以上になると信号S9を活性化するが、後段の負荷抵抗ホールド信号生成回路Fには影響は生じない。
抵抗RLを増加させると受電電力が減少した場合には、抵抗RLは増加ではなく減少させるべきである。このときにもコンパレータCは、電圧信号V3の値が−TH2以下になると信号S9を活性化するが、後段の負荷抵抗ホールド信号生成回路F等には影響しない。
抵抗RLを適切に増加または減少させることにより、受電電力が極大値に近づいてくると電圧信号V3の増加率が鈍化する。受電電力が極大値付近に至ると、コンパレータCは信号S9をローレベルに不活性化する。図8の例でいえば、RLがRL2付近まで増加したときコンパレータCが不活性化する。このとき、スイッチ回路E、負荷抵抗ホールド信号生成回路Fの出力もローレベルに不活性化し、スイッチ回路Hから出力される信号S5はローレベルとなり、スイッチ回路Eの出力はグランド電位となり、調整部406は不活性化される。スイッチ回路Dは活性化され、計測機能は再活性化される。負荷制御回路106は、制御信号S5により、信号S7から生成される負荷抵抗制御信号をホールドする。このときの信号S7から生成される負荷抵抗制御信号は、抵抗値RL2に対応する。抵抗値RL2に対応する。サンプルホールド回路108は、制御信号S5により電圧信号V1をホールドする。すなわち、抵抗値RL2に対応する電圧信号V1が次回調整時の目標値となる。こうして、抵抗RLの調整は完了する。
図10は、第2実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100の等価回路図である。ここでも説明をシンプルにするため、給電コイルL2と受電コイルL3のインダクタンスは共にL、キャパシタC2とキャパシタC3の静電容量は共にCであるとして説明する。給電コイルL2と受電コイルL3の相互インダクタンスをLmとする。第2実施形態においてはインピーダンスZのレジスタンス成分(実部)とリアクタンス成分(虚部)を調整の対象とする。
図19は、第3実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100の原理図である。第3実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100も、ワイヤレス給電装置116とワイヤレス受電装置118を含む。ただし、ワイヤレス受電装置118は受電LC共振回路302を含むが、ワイヤレス給電装置116は給電LC共振回路300を含まない。すなわち、給電コイルL2は、LC共振回路の一部とはなっていない。より具体的には、給電コイルL2は、ワイヤレス給電装置116に含まれる他の回路要素とは共振回路を形成しない。給電コイルL2に対しては、直列・並列のいずれにもキャパシタが挿入されない。したがって、電力を伝送するときの周波数においては、給電コイルL2は非共振となる。
Claims (10)
- 給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
前記受電コイルと、
前記受電コイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、
前記負荷の受電電力を制御する電力制御回路と、を備え、
前記電力制御回路は、
前記受電電力を計測する計測部と、
前記ロード回路のインピーダンスを変化させることにより前記受電電力を極大値に近づける調整部と、を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。 - 前記調整部は、前記受電電力の目標値を保持し、
前記計測部は、前記受電電力が前記目標値から所定値以上低下または上昇したことを条件として、前記調整部を活性化することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 - 前記調整部は、前記受電電力の極大値を次回の調整のための目標値として保持することを特徴とする請求項2に記載のワイヤレス受電装置。
- 前記計測部は、前記受電電力が極大化されたとき、前記調整部を不活性化することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。
- 前記調整部は、前記インピーダンスの抵抗成分を増加方向または減少方向のいずれか一方向に変化させ、
前記計測部は、前記抵抗成分の変化にともなう前記受電電力の増減を計測し、
前記調整部は、前記受電電力が増加するときには前記抵抗成分の増減方向を維持し、前記受電電力が減少するときには前記抵抗成分の増減方向を反転させることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 - 前記ロード回路は、第1および第2のLC回路を含み、
前記調整部は、前記第1および第2のLC回路のリアクタンス成分を相殺させる第1段階の調整と、前記第1および第2のLC回路のリアクタンス成分を相殺させた状態を保ちつつ前記受電電力を極大化させる第2段階の調整により前記インピーダンスを調整することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。 - 前記調整部は、前記第1段階の調整においては、前記第1および第2のLC回路のリアクタンス成分が互いに相殺されるように前記第2のLC回路に含まれる第1の可変キャパシタを調整し、前記第2段階の調整においては、前記第2および第1のLC回路それぞれに含まれる第2および第3のキャパシタを調整することを特徴とする請求項6に記載のワイヤレス受電装置。
- 前記調整部は、前記ロード回路のインピーダンスを変化ときの前記受電電力の変化の方向および大きさから、前記受電電力が極大値に近づいているか否かを判定することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
- 給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムであって、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス受電装置を備え、
前記ワイヤレス給電装置は、
前記給電コイルと、
前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を含み、
前記ワイヤレス受電装置は、
前記受電コイルと、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから前記交流電力を供給される負荷とを含むロード回路と、
前記負荷の受電電力を制御する電力制御回路と、を含み、
前記電力制御回路は、更に、
前記受電電力を計測する計測部と、
前記ロード回路のインピーダンスを変化させることにより前記受電電力を極大化させる調整部と、を含むことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 第1および第2のLC回路を含む電子回路の受電電力を計測する計測部と、
前記電子回路のインピーダンスを変化させることにより前記受電電力を極大化させる調整部と、を備え、
前記調整部は、前記第1および第2のLC回路のリアクタンスが互いに相殺されるように前記第2のLC回路に含まれる第1の可変キャパシタを調整したあと、前記第2および第1のLC回路それぞれに含まれる第2および第3のキャパシタを調整することを特徴とする電力制御装置。
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